一种基于RL模型算法的直流配电网故障测距方法与流程

本发明属于电力系统技术领域，特别涉及一种基于rl模型算法的直流配电网故障测距方法。

背景技术：

随着电压源换流器(voltagesourceconverter，vsc)技术、直流负荷以及分布式发电的发展，直流配电网已引起国内外广泛关注。其具有控制灵活、便于接纳光伏等分布式电源与直流负荷、供电容量大、电能质量好等优点。目前国内外关于直流配电网的研究主要集中于拓扑、电压等级、保护控制方面，对其故障测距的研究尚处于起步阶段。精准的故障测距可避免人工巡查故障点，对快速修复线路和提高供电可靠性具有重要意义。当直流线路发生双极短路故障，如果故障不能被快速隔离，vsc过流能力有限，故障电力易损毁vsc。线路保护技术对直流配电网安全稳定运行具有至关重要的意义。

直流线路故障测距方法可分为行波法、注入法和线路参数识别法三大类。行波法通过测量故障行波在故障点和测量点之间的传播时间差实现故障测距，响应速度快、测距精度高，广泛应用于输电线路。但行波法依赖于行波波头识别和其到达时间的准确检测，而直流配电网的线路长度较短，行波波速略低于光速，如将行波法用于直流配电网，测距装置则需要很高的采样频率和数据处理能力。注入法通过向故障线路注入特定信号完成故障测距，此方法不利用故障信息，因此不受故障信息多少的影响。

目前，有源配电网故障定位方法主要可分为故障区段定位和故障测距。其中，有的

根据重合闸与dg脱网的配合，改进原有故障过电流故障定位策略，有效解决了含分布式地电源架空配电网故障定位难题，但这种方法以限制每条馈线上dg接入容量比例为前提。基于馈线终端单元测量信息的定位方法主要分为阻抗法、特征匹配法、智能测距法。其中，基于序分量、相量和多代理系统的故障测距方法，未充分考虑dg和负荷特性。特征匹配法通过比较各个电源点电压计算值和测量值判断故障发生区段，适用于dg高渗透率情形，但负荷电流对故障测距结果影响较大。直流配电网故障测距的难点包括两方面：一是故障测距可利用的故障信息少。直流配电网中大量电力电子设备易受故障电流损坏，直流配电网故障应在数十个ms内隔离，所以在线故障测距方法仅可利用的数十个ms的故障信息。二是直流配电网故障特征与交流系统相比存在差异，其故障暂态明显，故障电流以直流量为主，交流系统中基于基频故障量的测距方法难以直接用于直流配电网。目前直流配电网还没有一个被广泛接受的线路保护方案，需要深入研究。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明提出一种基于r-l模型算法的直流配电网故障测距方法，通过对双端信息测量实现直流配电网精准测距。所提保护可较好地满足直流配电网对保护速动性与选择性的需求。原理简单可靠，具有一定的耐噪能力，对于提高直流配电网供电可靠性具有重要意义。

本发明具体为一种基于rl模型算法的直流配电网故障测距方法，具体包括如下步骤：

步骤(1)、针对双极短路故障情况，忽略线路分布电容的影响，构建线路等效r-l模型：

式中r和l分别为测量处到故障点的电阻和电感；u(t)、i(t)分别为测量处的电压、电流的瞬时值，d为微分算子；

步骤(2)、r-l模型算法需计算电流量的导数，获取方法是用两点采样值的差分值代替中点时刻的微分值，平均值代替瞬时值；

用n和n+1两点的差分代替中点t时刻的微分：

式中ts为采样间隔；

步骤(3)、在两个不同时刻分别测量，得到两个独立方程，联立求解，即可求得未知数r和l：

步骤(4)、将r、l与线路参数比较，获得故障距离，实现故障测距功能。

进一步的，针对非金属性双极短路故障，分别列写线路两端的电气量方程：

式中um、un为对端电压瞬时值，x为测量处到故障点的距离，l为线路的总长度，ru和lu分别为线路单位长度的电阻和电感；

将上述两式相减，消去过渡电阻，求得

通过上式求得故障距离，利用线路两侧的故障录波信息，实现不受过渡电阻影响的直流配电网故障测距。

进一步的，为提高测距结果的精度，利用滑动时窗计算多个测距结果，然后通过求取平均值的方法，获得故障距离。

进一步的，考虑保护动作时间和故障隔离时间，假设故障测距方法可利用的故障信息窗长为15ms。

本发明的有益效果为：

(1)所述直流配电网拓扑：直流额定电压为±10kv,电网拓扑为拉手状，两端换流器采用两电平vsc,便于接纳光伏等分布式电源与直流负荷。

(2)所述精准故障测距方法：可以避免人工巡查故障点，快速修复供电，提高直流配电网供电可靠性。

(3)所述直流配电网的双端故障测距算法：可耐受过渡电阻的影响，算法数值稳定性好，测距精度高。

(4)所述故障测距方法：所需数据信息较少，利用故障后15ms内信息即可实现精准测距。

(5)所提故障测距方法是利用时域瞬时值，因此不依赖于某单一故障频带，不受故障暂态过程的影响，衰减分量在原理上是所提故障测距方法可利用的有效分量，暂态过程可以提高此方法的准确性。

附图说明

图1为典型直流配电网电路拓扑示意图；

图2为发生非金属性双极短路故障示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明一种基于rl模型算法的直流配电网故障测距方法的具体实施方式做详细阐述。

图1为典型直流配电网电路拓扑示意图，其中直流额定电压为±10kv，电网拓扑为拉手状，考虑到配电网电压等级较低，采用直流断路器分割故障电流；换流器采用两电平vsc。换流器出口处串联安装限流电抗器，直流侧中性点通过高阻接地。

图2为发生非金属性双极短路故障示意图，此时计算本端电压瞬时值含有对侧信息，仅依靠本地故障量信息无法求得未知数r和l。也就是说，基于单端信息的r-l模型算法受过渡电阻的影响。因此需考虑双端信息的r-l模型算法。

针对双极短路故障会造成严重过流，影响直流配电网可靠运行，必须快速隔离。双极短路故障发展过程可分为3个阶段：电容放电阶段、二极管自由导通阶段和交流侧馈入阶段。当直流配电网线路发生双极短路故障，换流器的igbt由自身的过流保护闭锁，线路中故障电流只包含电容放电电流，此阶段称为电容放电阶段。当电容电压衰减到零，故障电流通过换流器的并联二极管续流，此阶段称为二极管自由导通阶段。随着故障电流的衰减，交流侧通过不可控整流桥向直流故障点馈入电流，此阶段为交流侧馈入阶段。暂态时，电气量主要为衰减振荡分量、衰减直流分量、直流分量以及谐波分量；稳态时，电气量主要为直流分量和谐波分量。可见，直流配电网的故障特性与交流系统存在较大差异，主要表现在能量集中频带不同。

针对所提故障测距方法，在双极性金属性短路情况下，忽略线路分布电容的影响，线路可等效为r-l模型：

式中r和l分别为测量处到故障电动额电阻和电感；u(t)、i(t)分别为测量处的电压、电流的瞬时值，d为微分算子。

r-l模型算法需计算电流量的导数，常用的获取方法是用两点采样值的差分值代替中点时刻的微分值，平均值代替瞬时值。

用n和n+1两点的差分代替中点t时刻的微分：

式中ts为采样间隔。

在两个不同时刻分别测量，可得到两个独立方程，联立求解，即可求得未知数r和l。与线路参数比较，可获得故障距离，实现故障测距功能。

对于图2所示的非金属性双极短路故障，分别列写线路两端的电气量方程：

式中um、un为对端电压瞬时值，x为测量处到故障点的距离，l为线路的总长度，ru和lu分别为线路单位长度的电阻和电感。

将上述两式相减，消去过渡电阻，可求得

通过式(7)可求得故障距离，利用线路两侧的故障录波信息，可实现不受过渡电阻影响的直流配电网故障测距。

所提故障测距方法不必滤除衰减分量，只需滤除高频分量，因此算法的时窗较短。为提高测距结果的精度，可利用滑动时窗计算多个测距结果，然后通过求取平均值的方法，获得故障距离。

所提测距方法可利用故障切除前的所有故障信息进行测距。考虑保护动作时间和故障隔离时间，假设故障测距方法可利用的故障信息窗长为15ms。

最后应该说明的是，结合上述实施例仅说明本发明的技术方案而非对其限制。所属领域的普通技术人员应当理解到，本领域技术人员可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，但这些修改或变更均在申请待批的权利要求保护范围之中。