一种基于重合直流断路器剩余电流开关的故障测距方法与流程

本发明涉及直流输电系统继电保护领域，具体涉及一种适用于柔性直流电网的故障测距方法。

背景技术：

随着直流保护与直流断路器技术的快速发展，多端互联的柔性直流电网大范围工程推广应用得以实施。相比于直流电缆，以架空线路实现电能传输具有更大的经济优势。然而，由于架空线路裸露在空气中，无绝缘外壳，要经过复杂的地形并在恶劣的天气条件下运行，其发生故障的概率远高于直流电缆。故障发生后，快速准确的故障定位能够大幅缩短检修时间，从而确保直流电网安全可靠运行。柔性直流电网故障后的行波固有主频率远低于常规直流输电系统故障后的行波固有主频率。

柔性直流电网保护与故障隔离动作速度远快于常规直流输电系统，一般仅为几个毫秒，导致可利用的数据窗长大幅缩短。用更短的数据窗实现更低频率的测量，会导致测频算法的测频精度大大降低。此外，music算法本身还存在虚假谱峰现象，也会导致测距结果出现大幅偏差。因此传统基于固有频率的故障测距方法在柔性直流电网中的应用存在局限性。因此，研究适用于柔性直流电网的故障测距方法具有重要的理论意义与工程价值。

现有的直流输电线路故障测距方法从原理上主要分为行波法、故障分析法和固有频率法。行波法主要利用故障行波的传播特征实现故障测距，行波测距法具有速度快、精度高等突出优势。但是，也存在采样频率高(数百khz～mhz)、耐受过渡电阻能力弱等固有缺陷。故障分析法根据线路参数和电气量之间的关系列写方程式，通过优化求解实现故障定位。故障分析法理论上不依赖于行波波头的准确捕捉，且对采样频率的要求也较低。但是，由于该方法利用固定线路参数实现算法设计，其测距精度受线路频变特性影响较大。固有频率法利用故障行波的固有频率与故障距离之间的函数关系实现输电线路的精确故障测距，基于行波固有频率主成分的测距方法不受行波波头识别等的限制，采样率低，且可以充分考虑线路参数频变特性。文献《基于行波固有频率的高压直流输电线路故障定位》提出了一种仅利用单端电压暂态量频谱信息进行直流输电线路精确故障定位的新方法，利用故障后一段(10ms)暂态电压信息，通过多重信号分类算法(multiplesignalclassification，music)提取故障行波固有频率主成分。该方法在常规直流输电系统中具有很好的应用前景。然而，柔性直流电网故障后行波固有主频率远低于常规直流输电系统故障后的行波固有频率主成分。同时，柔性直流电网保护与故障隔离动作速度远快于常规直流输电系统(仅为几个毫秒)，导致可利用的数据窗长大幅缩短。用更短的数据窗实现更低频率的测量，会导致测频算法的测频精度大大降低。

针对这一现状，有必要设计一种适用于柔性直流电网的精确故障测距方法，以实现快速精确的故障定位实现故障的准确排查。

技术实现要素：

针对以架空线路作为电能传输媒介，并配备直流断路器的多端柔性直流系统，本发明提出了一种基于重合直流断路器剩余电流开关的故障测距方法，通过主/次频迭代计算/校验式测距算法，充分利用重合闸期间的较长时间窗的电气量数据实现故障精确测距。

本发明的一种基于重合直流断路器剩余电流开关的故障测距方法，该方法包括以下步骤。

步骤1、若重合闸策略判断出故障为永久性故障，获取重合rcb后20ms的残余电压up；

步骤2、并对残余电压up进行解耦，得到线模电压ul；

步骤3、利用music算法求解线模电压的能量谱；

步骤4、得到能量谱首峰对应的固有频率f1，根据能量谱得到首峰值对应的固有频率f1计算该频率下的的反射角θ1、θ2以及行波的传播速度v；

步骤5、估算故障距离值d′；

步骤6、利用故障距离估算值d′估算固有次频率f2′，在能量谱中搜索到与固有次频率估算值f2′最接近的谱峰频率f2；

步骤7、计算固有次频率f2下的反射角θ1、θ2以及行波的传播速度，并计算故障距离d；

步骤8、若满足1/k<d/d′<k，表明两次计算结果接近且认为选取的主、次频率对应的谱峰均不是虚假谱峰，则选取固有次频率f2的计算结果d作为最终测距计算值；若上述条件不满足，表明提取首峰的固有频率f1主成分为虚假频率解，选取第二个谱峰对应的固有频率作为主频率f1，重复执行步骤5-步骤7；直至得到最终测距计算值；

其中，k为精确测距结果与估算结果的差距的校验参数。

在应用于柔性直流电网时，与传统利用故障初期固有主频实现故障测距的方法相比，本发明所提出的测距方法能够显著提升故障测距精度，并且消除music算法虚假谱峰现象导致的测距偏差问题。

附图说明

图1为四端直流系统及关键设备等效模型示意图；

图2为不同故障性质下直流系统等效电路示意图；

图3为本发明的一种基于重合直流断路器剩余电流开关的故障测距方法流程图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细描述。

对于多端直流输电系统，在架空线路两侧装设直流断路器以确保发生故障时有选择性切除故障线路。目前适用于高压直流电网的直流断路器包括混合式直流断路器与机械式直流断路器。相对于混合式高压直流断路器，机械式高压直流断路器具有可靠性高、损耗小、成本低、占地面积小且可直接户外布置等优势。因此机械式直流断路器在高压直流电网中具有很好的应用前景。机械式直流断路器的拓扑结构可以划分为三个部分，分别是：由快速真空开关构成的通流支路；由预充电电容、电感元件以及触发单元构成的转移支路；由避雷器构成的吸能支路。除此之外断路器一侧还接有用于断开剩余电流的剩余电流开关。借助于重合直流断路器(residualcurrentbreaker，rcb)进行重合闸期间足够长的电气量信息，本发明提出了一种能够准确提取线路电压固有频率，并基于固有频率的精确故障定位方法。

本发明的一种基于重合直流断路器剩余电流开关的故障测距方法具体实施场景如下：

以四端真双极直流输电系统为例。如图1所示，为四端直流系统及关键设备等效模型示意图。line为直流电网的架空线路；dccb1、dccb2分别为装设在线路两端的机械式直流断路器。当线路发生故障时，故障极线两侧断路器快速动作，切除故障线路。在适当时间的去游离等待之后，随后直流断路器rcb进行重合闸。

如图2所示，为不同故障性质下直流系统等效电路示意图。在rcb重合后，故障回路的频域二端口模型可以等效成如图2所示的直流系统等效电路。

由图2可得，断路器线路侧电压up(s)、故障点电压uf(s)的表达式如下：

其中，

其中，e1(s)为直流系统换流站的戴维南等效电压源，z1、zc、r分别为换流站阻抗(包含换流器，限流电抗器和直流断路器等效阻抗)、线路波阻抗和过渡电阻，w1(s)和w2(s)则为反映直流架空线路电磁波传播过程的受控电压源，γ1(s)、γ2(s)分别为架空线路换流站侧与故障侧的反射系数。

由式(1)可知，线路电压的频谱由w1(s)和e1(s)的频谱组成，e1(s)为理想直流电源(可忽略其频率特性)，w1(s)的频谱则表征故障行波的固有频率。因此，w1(s)的距离-频率特性即表征了重合rcb后线路电压暂态分量的距离-频率特性，即，

其中，-π/2<θ1+θ2<π/2，θ1、θ2分别为反射系数γ1(s)、γ2(s)的相角，fn为线路电压第n个分量的频率。

式(3)表明，重合rcb后线路电压的暂态频率与故障距离同样存在一一对应关系，因此可利用该特性进行故障测距。

如图3所示，为本发明的一种基于重合直流断路器剩余电流开关的故障测距方法流程图。该方法具体步骤如下：

步骤1、若重合闸策略判断出故障为永久性故障，获取重合rcb后20ms的残余电压up；

步骤2、并对残余电压up进行解耦，得到线模电压ul，表达式如下：

其中，up⁺为正极线路出口电压，up^-为负极线路出口电压；

步骤3、利用music算法求解线模电压的能量谱；

步骤4、得到能量谱首峰对应的固有频率f1，根据能量谱得到首峰值对应的固有频率f1计算该频率下的的反射角θ1、θ2以及行波的传播速度v，表达式如下：

其中，r0、l0、c0、g0分别为线路单位长度下的电阻、电感、电容和电导参数；

步骤5、估算故障距离值d′(依据式(3))；

步骤6、利用故障距离估算值d′估算固有次频率f2′，在能量谱中搜索到与固有次频率估算值f2′最接近的谱峰频率f2；

步骤7、计算固有次频率f2下的反射角θ1、θ2以及行波的传播速度，并计算故障距离d(依据式(3))；

步骤8、若满足1/k<d/d′<k(k用于校验精确测距结果与估算结果的差距是否在一定范围内，一般可取略大于1的值，如1.2)，表明两次计算结果接近且认为选取的主、次频率对应的谱峰均不是虚假谱峰，则选取固有次频率f2的计算结果d作为最终测距计算值；

若上述条件不满足，表明提取首峰的固有频率f1主成分为虚假频率解，选取第二个谱峰对应的固有频率作为主频率f1，重复执行步骤5-步骤7；直至得到最终测距计算值。

上述方法的主要优势包括：

①柔性直流电网故障行波固有主频率过低，难以确保测距精度。本文方法利用主频率进行故障距离估计，从而得到频率值较大的次频率进行故障测距。根据式(1)可知，在高频段相同大小的测频误差导致的测距误差显然小于低频段，因此该方法能显著提升测距精度。

②利用主频率测距结果(估算)和次频率测距结果相互校验，只有两者结果差异在一定范围内时，才认为测距结果是正确的。显然，如果用于估算距离的主频率和计算距离的次频率中有一个为虚假谱峰对应的频率(即为虚假解)，或两个均是虚假谱峰对应的频率，所得到的估算结果d′和计算结果d差异较小的可能性极低。因此，该方法能够有效避免虚假谱峰导致测距结果出错的问题。