一种基于系统建模分析的电弧故障检测与定位方法

1.本发明涉及电气工程技术领域，特别是涉及一种基于系统建模分析的电弧故障检测与定位方法。


背景技术：

2.直流微电网系统在运行中易因电缆接头松动、绝缘层损坏和接触不良等问题，导致直流电弧故障，若不及时灭弧，易引发电气火灾。其中，直流串联电弧故障较为频发，会导致电阻增大，电流降低，故电弧电流低于传统断路器保护装置的设定值，无法触发串联电弧故障检测与隔离。现有的串联电弧故障检测方法研究集中于电源电阻串联电路，通过对电流进行时频域分析，根据正常状态和故障状态下的信号差异进行电弧故障判断，缺乏对电弧故障更深入的理解，在含有电力电子器件的电路中，常常因为噪声干扰引起误判断；此外，目前电弧故障定位研究，大多需要外加电容、rogowski线圈等。其中，外加电容利用其在电弧产生的高次谐波中呈现低阻抗的特点，根据电容上的电流变化进行电弧位置判断；rogowski线圈则是通过分析射频信号相关函数实现定位，此类方法存在外加电磁干扰的局限性，可能会对原电气系统产生影响。针对以上两个问题，提出了基于系统建模分析的电弧故障检测与定位方法。


技术实现要素：

3.本发明的目的是针对现有电弧故障检测与定位方法的不足，提出一种基于电弧和系统建模分析的电弧故障检测与定位方法，最终实现电弧故障的快速检测与准确定位。
4.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
5.一种基于系统建模分析的电弧故障检测与定位方法，包括：
6.模拟电弧故障实验，记录电弧所在支路的障碍电压与电流；
7.根据所述电弧所在支路的障碍电压与电流，确定电压源与电阻串联情况，构建电弧电气模型；
8.构建第一状态空间方程与第二状态空间方程，并基于所述第一状态空间方程与所述第二状态空间方程分别建立等效模型，以及等效仿真模型；其中，所述第一状态空间方程为正常工作状态下系统的状态空间方程；所述第二状态空间方程为将所述电弧电气模型加入系统中的不同位置所得到的不同位置发生电弧故障时的状态空间方程；所述系统为直流微网系统；
9.基于所述等效仿真模型判断系统是否发生故障，若发生故障，则确定发生故障的位置，并判断故障类型。
10.进一步地，模拟所述电弧故障实验在搭建的直流微网故障电弧测试实验平台进行，所述实验平台包括直流微网系统与电弧发生装置；所述直流微网系统包括直流电源和恒功率负载；所述电弧发生装置包括丝杆滑台、铜棒、驱动器、控制器；其中，所述直流电源用于供电，所述恒功率负载用于模拟所述直流微网不同负载类型。
11.进一步地，模拟所述电弧故障实验包括：
12.记录正常情况下电弧发生装置两端的电流波形与电压波形；
13.调节所述电弧发生装置控制器进行拉弧操作，记录电弧发生装置两端的电流波形与电压波形；
14.改变电弧长度、电弧所在支路电压、电弧电流，进行拉弧操作，记录在不同电弧长度、电弧故障发生位置下的电流波形与电压波形。
15.进一步地，构建所述电弧电气模型包括：根据模拟所述电弧故障实验测量得到的电弧电压与电弧电流，基于曲线拟合方法获取所述电弧电气模型，如下式(1)：
16.u
arc
＝au+r
arciarc
(a≈1)
ꢀꢀ
(1)
17.其中，u
arc
为电弧两端电压，i
arc
为电弧电流，a为等效电压源系数，u所在支路总电压，r
arc
为电弧等效电阻。
18.进一步地，构建所述第一状态空间方程为：
[0019][0020]
其中，i
l1
,
…iln
分别为n条buck支路上的电感电流，u
c1
,
…ucn
分别为n条buck支路上的电容电压，d1,
…dn
分别表示n条支路上的占空比，a
1(n
×
n)
表示n维零矩阵，表示n维零矩阵，r1,
…rn
分别表示n条支路上的负载，c1，
…cn
分别表示n条支路上的电容。
[0021]
进一步地，构建所述第二状态空间方程为：
[0022]
[0023]
其中，其中，b'2＝b'3＝
…
b'
m-1
＝b'
m+1
＝
…
＝b'n为n维零向量，u1,
…
um,
…
un表示n条支路的电弧故障等效电压源。
[0024]
进一步地，判断所述系统是否发生故障包括：测得所述系统实际工作的电感电流与电容电压的实际值，与建模得到正常工作状态下的电感电流与电容电压的理论预估值作差，得到残差r1，若残差r1大于阈值j1，则判断所述系统存在故障；其中，所述阈值j1为预先设定的物理系统和建模系统在正常工作状态下的电感电流与电容电压的差值，并综合考虑系统噪声与建模误差进行设置的一个接近0的常数。
[0025]
进一步地，确定所述系统发生故障的位置包括：判断所述系统存在故障后，测得所述系统故障后实际工作的电感电流与电容电压的实际值，与建模得到的不同位置发生电弧故障的电感电流与电容电压的理论值进行作差，得到残差r2，若残差r2小于某一位置电弧故障的状态阈值j2，则判断所述系统在该位置发生了故障；其中，所述阈值j2为预先设定的物理系统和建模系统在不同位置发生电弧故障状态下的电感电流和电容电压的差值，并综合考虑系统噪声、系统建模误差与电弧建模误差进行设置的一个接近0的常数。
[0026]
进一步地，判断所述故障类型包括：确定所述系统故障位置后，将超过阈值j2部分进行数值积分，若所述数值积分大于设定阈值x，则确定该位置发生的故障为电弧故障，否则为改变负载。
[0027]
本发明的有益效果为：
[0028]
(1)相比于现有的电弧故障检测方法，本发明只采用了时域信息，计算复杂度小，提高了故障检测速度。
[0029]
(2)本发明在检测与定位过程中无需外加其他电气元件或传感器，既对原电路无影响，又节约了成本。
[0030]
(3)本发明在判断出非常规动作后，又进行了超阈值积分计算，将电弧故障与改变负载两种非常规且易混淆动作区分开，提高了整体算法的准确度。
附图说明
[0031]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0032]
图1为本发明实施例试验用直流微网故障电弧系统电路图；
[0033]
图2为本发明实现流程图；
[0034]
图3为本发明仿真验证图；
[0035]
图4为本发明发生电弧故障后的系统动作判断状态量残差仿真波形图；
[0036]
图5为本发明发生电弧故障后的判断位置
①
状态量残差仿真图；
[0037]
图6为本发明发生电弧故障后的判断位置
②
状态量残差仿真图；
[0038]
图7为本发明发生电弧故障后的判断位置
①
和
②
状态量残差仿真图；
[0039]
图8为本发明发生改变负载动作时的对应位置状态量残差仿真图；
[0040]
其中，1为系统仿真模型，2为正常系统状态方程模型，3为位置
①
电弧故障的状态方程模型，4为位置
②
电弧故障的状态方程模型，5为位置
①
和
②
同时发生电弧故障的状态空间模型，6为输入信号，7为残差输出观测部分。
具体实施方式
[0041]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0042]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0043]
本发明实施例搭建的直流微网故障电弧测试实验平台包括直流微网系统与电弧发生装置。直流微网系统电路图如图1所示，整个系统由110v直流源供电；负载采用恒功率负载，其中恒功率负载由110v转48v单向dc/dc变换器与电阻构成，模拟直流微网中不同类型的负载。电弧发生装置包括丝杆滑台、铜棒、驱动器、控制器。
[0044]
本发明实施例算法模型搭建如图2所示，包含模型搭建前的准备工作与后续从系统正常工作状态和系统不同位置发生电弧故障两方面进行建模，仿真模型搭建如图3所示。
[0045]
(1)模拟电弧故障实验：(a)设置不同的电弧发生位置、电流大小、电弧长度，电弧发生位置如图1
①‑②
，参考ul1699b实验标准与直流微网常见电压等级，选取电压大小为110v，电流大小分别为3a、4a、5a、6a、7a、8a、9a和10a，电弧长度分别为0.5mm、0.7mm、0.9mm、1.1mm、1.3mm，其他实验条件均不改变；(b)调节电弧发生装置控制使铜棒匀速分离产生电弧；(c)通过示波器记录实验数据与电流波形，改变实验参数反复进行实验，每种实验条件重复10组。
[0046]
(2)研究电弧等效模型与正常工作状态电流的关系：根据模拟电弧故障实验测量得到的电弧电压与电弧电流，基于曲线拟合方法获取所述电弧电气模型，如下式(1)：
[0047]uarc
＝au+r
arciarc
(a≈1)
ꢀꢀ
(1)
[0048]
其中，u
arc
为电弧两端电压，i
arc
为电弧电流，a为等效电压源系数，u所在支路总电压，r
arc
为电弧等效电阻。
[0049]
(3)建立正常工作状态下系统的空间状态方程：
[0050][0051]
其中，i
l1
,
…iln
分别为n条buck支路上的电感电流，u
c1
,
…ucn
分别为n条buck支路上的电容电压，d1,
…dn
分别表示n条支路上的占空比，a
1(n
×
n)
表示n维零矩阵，表示n维零矩阵，r1,
…rn
分别表示n条支路上的负载，c1，
…cn
分别表示n条支路上的电容。
[0052]
(4)将电弧电气等效模型加入系统中的不同位置建立不同位置发生电弧故障时的状态空间方程，现假设在第m条支路发生电弧故障：
[0053][0054]
其中，其中，b'2＝b'3＝
…
b'
m-1
＝b'
m+1
＝
…
＝b'n为n维零向量，u1,
…
um,
…
un表示n条支路的电弧故障等效电压源。
[0055]
判断系统是否发生故障包括：通过隧道磁阻传感器和霍尔电压传感器分别测得所述系统实际工作的电感电流与电容电压的实际值，与建模得到正常工作状态下的电感电流与电容电压的理论预估值作差，并综合考虑系统噪声与建模误差得到残差r1，若残差r1大于阈值j1，则判断所述系统存在故障。
[0056]
确定系统发生故障的位置包括：判断所述系统存在故障后，通过隧道磁阻传感器和霍尔电压传感器分别测得所述系统故障后实际工作的电感电流与电容电压的实际值，与
建模得到的不同位置发生电弧故障的电感电流与电容电压的理论值进行作差，并综合考虑系统噪声、建模误差和电弧模型误差得到残差r2，若残差r2小于某一位置电弧故障的状态阈值j2，则判断所述系统在该位置发生了故障。
[0057]
本发明实施例模拟电弧故障和改变负载动作的残差结果输出如图3-图8所示。
[0058]
确定判断系统故障与故障位置的两个阈值的理论依据为：
[0059]
基于(k,k+n)范围之间的残差信号r建立系统中的残差评估函数：
[0060][0061]
设定阈值为残差r的上确界:
[0062]jth
＝sup||r(k)||
rms
ꢀꢀ
(5)
[0063]
具体为：(a)由于本实验采用的实验平台为集成dc/dc装置，所以没办法直接测量电感电流与电容电压，dc/dc的输入电流如图1
③‑④
与负载前侧电压如图1
⑤‑⑥
代替电感电流与电容电压，存在以下关系：i
in
＝di
l
，i
in
代表输入电流，d表示占空比，i
l
表示电感电流，负载前侧电压与电容电压相等；(b)通过示波器记录实验数据与电流波形，改变实验参数反复进行实验，每种实验条件重复10组；(c)将正常工作时的实验数据与理论数据作差得到残差r1，依据式(5)确定阈值j1；(d)按照式可以得到发生电弧故障后的理论波形，将实验状态量波形与理论波形作差，获得残差r2，考虑到电弧故障电流跌落幅度与电流值本身相关，所以此处阈值j2＝0.05i，i表示正常工作时的电感电流。
[0064]
判断故障类型具体为：(a)在判断出系统发生故障后，对超出阈值j2的残差进行规定时间内的数值积分得到x1；(b)在图1所示的实验平台上进行增大负载动作，将系统故障后实际工作的电感电流与电容电压的实际值，与建模得到的不同位置发生电弧故障的电感电流与电容电压的理论值进行作差，并综合考虑系统噪声、建模误差和电弧模型误差得到残差r2，并对超出阈值j2的部分进行规定时间内的数值积分得到x2；(c)可以得出x1＞＞x2；(d)设定阈值x＝0.1，当积分值大于0.1时，确定该位置发生电弧故障；当积分值小于0.1时，则确定改位置发生改变负载。
[0065]
以上所述的实施例仅是对本发明优选方式进行的描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。