一种直流配电网线路单极接地故障定位方法与流程

本发明涉及一种直流配电网线路单极接地故障定位领域，尤其涉及一种基于解析法的适用于两电平电压源型变换器(Voltage Source Converter，VSC)的直流配电网线路单极接地故障定位方法。

背景技术：

由于线路老化、损伤等原因，线路发生故障概率相较于直流配电系统中其它部分最大。目前，直流配电系统故障定位相关研究较少，且主要借鉴目前故障定位技术相对成熟的直流输电系统。直流输电系统线路故障定位方法主要有阻抗法、行波法与故障分析法等。阻抗法由于受接地电阻、线路类型、系统参数等因素的影响较大，在实际工程中应用并不理想。行波法原理简单，准确度高，不受线路类型与故障类型的影响，在实际工程中应用较多，但当存在过渡电阻、行波波头幅值受到限制时，波头的起始点便更难准确标定，严重影响定位的精度和可靠性，随着过渡电阻的继续增大，行波故障定位法就会由于没有启动而无法定位故障。故障分析法主要借助故障录波器的录波数据进行分析计算，从而达到测距定位目的，故障分析法可直接借助故障录波器的录波数据实现故障定位，对设备采样率要求低，可靠性较高，但该方法是建立在精确的线路参数模型上的，当线路参数模型不精确或频变特性发生改变时，均会影响故障定位的精度。直流配电网中80％以上故障类型均是单极接地故障，因此，研究单极接地故障类型的故障定位方法则显得尤为重要。

技术实现要素：

发明目的：本发明提出一种直流配电网线路故障定位方法，其精度高、操作方便，且具有较强的耐受过渡电阻能力。

技术方案：本发明提供一种基于VSC的直流配电网线路单极接地故障定位方法，该方法包括以下步骤：

1)根据基于VSC的直流配电网线路发生单极接地故障时欠阻尼和过阻尼情况下电流的暂态特性方程，获得故障电流微分初始值表达式；

2)根据故障电流微分初始值表达式，利用插值算法对故障电流微分初始值进行替代；

3)根据故障电流微分初始值表达式，获得包含故障电流微分初始值的故障定位值表达式；

4)将步骤3)得到的故障定位值表达式与回路电流方程结合，得到基于VSC的直流配电网线路发生单极接地故障时的故障定位方程；

5)获取单极接地故障发生前后电压、电流值信息，结合步骤2)得到的故障电流微分初始值以及步骤4)得到的故障定位方程，得到故障定位值。

步骤1)中，故障电流微分初始值表达式为：

v_c(0)是故障前的直流电压，i_L(0)是故障前的直流电流，R＝R_eq+R_f，L＝L_eq，R及L分别为直流侧出口处到正、负极线路上故障点的总电感及总电阻，R_f为过渡电阻，R_eq及L_eq为直流侧出口处到正、负极线路上故障点的线路电阻与电感。

步骤2)中，利用插值算法对所述故障电流微分初始值进行替代的方法为：

在t＝0⁺时刻，取得极大值，因此，

i(t)为在t时刻的电流采样值，i(Δt+t)为采样间隔Δt后的电流采样值。

步骤3)中，包含故障电流微分初始值的故障定位值表达式为：

式(3)中，R_u和L_u分别为单位线路长度的电阻和电感，x为故障定位值，k为故障电流微分初始值。

步骤4)中，回路电流方程为：

将步骤3)得到的故障定位值表达式与回路电流方程结合，得到基于VSC的直流配电网线路发生单极接地故障时的故障定位方程：

U’_dc为直流侧直流电压。

步骤5)中，获取单极接地故障发生前后电压、电流值信息是通过提取单极接地故障发生前后电压、电流录波波形进行分析实现的。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

(1)本发明基于解析法求解电流微分初始值，实现直流配电网线路单极接地故障的故障定位，计算简单，具有较高的精度；

(2)相较于行波法，本发明无须进行行波注入定位或跟踪预测定位，因此，不受过渡电阻等因素的影响，计算结果可用于离线维护，可实现自动化操作；

(3)具有较强的耐受过渡电阻能力，过渡电阻增加时，仍具有很高的定位精度；

(4)利用插值算法对传统的差分法代替微分进行改进，所需采样频率大大降低，采样频率在10kHz～20kHz时，即可满足算法的精度要求；

(5)本发明适用于单端辐射型直流配网、船舶直流配电系统以及输送功率具有分散性、小型性、随机性的直流输电系统中，应用范围较广。

附图说明

图1单极接地故障示意图；

图2单极接地故障等效回路；

图3为本发明算法流程图。

具体实施方式

一种适用于基于VSC的直流配电网的线路单极接地故障定位方法，包括以下步骤。

1)根据基于两电平电压源型变换器(Voltage Source Converter，VSC)的直流配电网线路发生单极接地故障时欠阻尼和过阻尼情况下电流的暂态特性方程，获得故障电流微分初始值表达式。

VSC整流器直流侧线路上发生单极接地故障时，也会经历电容快速放电的过程。如图1所示，发生单极接地故障时，由于直流侧电容中性点与地等电位，直流侧电容与故障线路和过渡电阻形成二阶RLC振荡回路，实现电容的快速放电，振荡形式与故障距离以及过渡电阻的大小有关。一般来说，单极接地故障时，低/高阻抗均有可能出现。当时，为欠阻尼放电过程，电容放电回路将出现振荡过程，但振荡幅值会越来越小；当时，为过阻尼放电过程，故障回路暂态能量将迅速下降，直至为零。单极接地故障等效回路如图2所示。

当过渡电阻较小，为欠阻尼放电条件时，即当时，电流的暂态特性方程为：

式(6)中，v_c(0)与i_L(0)是故障前的直流电压电流，R＝R_eq+R_f，L＝L_eq，R及L分别为直流侧出口处到正、负极线路上故障点的总电感及总电阻，R_f为过渡电阻，R_eq及L_eq为直流侧出口处到正、负极线路上故障点的线路电阻与电感，C为直流侧等效电容，β＝arctan(ω/δ)；

此时电流微分方程为：

由于电容放电阶段i(t)为凸函数，即有：

由此可知在电容放电阶段呈单调递减，即在t＝0⁺时刻取得最大值。在t＝0⁺时刻，电流微分的值为：

其中

则

当过渡电阻较大，为过阻尼条件时，即当时，电流的暂态特性方程为：

式中，

此时电流微分为：

在t＝0⁺时刻，电流微分的值为：

由上可知p₁、p₂的值，在t＝0⁺时刻，电流微分的值为：

由上分析可知，单极故障无论是欠阻尼还是过阻尼过程，其电流微分的初始值均可以用式(1)表示。

2)根据故障电流微分初始值表达式，利用插值算法对故障电流微分初始值进行替代。

利用插值算法对传统的差分法进行改进：

由步骤1)的分析可知，在t＝0⁺时刻，取得极大值，则有

i(t)为在t时刻的采样值，i(Δt+t)为采样间隔Δt后的电流采样值。

利用插值算法对传统的差分法进行改进，解决了差分法替代微分值要求采样频率高、误差大的问题。

3)根据故障电流微分初始值表达式，获得包含故障电流微分初始值的故障定位值表达式。

由步骤1)的分析可知，单极接地故障无论是欠阻尼还是过阻尼过程，其电流微分的初始值均可以用式(1)表示。

设x为故障定位值，则R＝x*R_u+R_f，L＝x*L_u。

因此，用故障电流微分初始值k表示的单极接地故障的故障定位值表达式为：

式中，R_u和L_u分别为单位电缆长度的电阻与电感参数，。

4)将故障定位值表达式与回路电流方程结合，得到基于VSC的直流配电网线路发生单极接地故障时的故障定位方程，以解决单极接地故障定位方程过渡电阻问题。

单极接地时回路的基尔霍夫电压方程为：

因此，联立式(3)与式(4)，可得故障定位方程为：

其中，U’_dc为直流侧直流电压。

通过联立含故障电流微分初始值的故障定位值表达式以及回路方程得到的故障定位方程(5)，消除了过渡电阻对故障定位的影响。

5)获取单极接地故障发生前后电压、电流值信息，结合步骤2)得到的故障电流微分初始值以及步骤4)得到的故障定位方程，得到故障定位值。

其中，获取单极接地故障发生前后电压、电流值信息是通过提取单极接地故障发生前后电压、电流录波波形进行分析实现的。

图3为本发明给出的适用于基于VSC的直流配电网线路发生单极接地故障定位方法算法流程图。首先通过提取单极接地故障发生前后电压、电流录波波形得到故障前后电流、电压信息，包括故障前的直流电压、电流值v_c(0)，i_L(0)。之后利用式(2)可得到电流微分初始值k的插值型替代方程，同理可得到电流微分di/dt的插值型替代方程，并最终带入故障定位方程(5)即可得到故障定位值。