一种基于谐波注入的主动故障检测方法与流程

本发明涉及低压直流配电网领域，具体涉及一种基于谐波注入的主动故障检测方法。

背景技术：

1、电力电子变压器是连接交直流混合电网的重要设备，对直流电网至关重要。传统的继电保护通常采用被动故障检测方法，其原理是根据电网的扰动特性判断内外故障的差分特性。在直流配电网中，存在着大量的电力电子设备。变换器对扰动的响应表现出非线性和时变特性，这使得变换器在发生故障时的瞬态特性更加复杂。此外，变流器高度可控的自保护机制将弱化故障特征，缩短故障持续时间。这些因素使其难以适应传统的检测原则和技术，并可能导致虚假保护或拒绝保护的风险。因此，上述无源检测在直流配电网中可能难以实现。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于谐波注入的主动故障检测方法，该方法有利于提高故障检测的精度。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于谐波注入的主动故障检测方法，包括如下步骤：

3、步骤1：对低压直流配电网进行线路故障分析；

4、步骤2：注入谐波信号，用于实时识别故障位置；

5、步骤3：选择注入的谐波信号频率；

6、步骤4：选择注入的谐波信号幅值；

7、步骤5：提取谐波频率特征量进行计算；

8、步骤6：采用曲线拟合方法对步骤5得到的结果进行处理，以提高低压直流线路故障的整体定位精度，减少误差造成的定位结果偏差。

9、进一步地，所述步骤1的具体实现方法为：

10、发生故障时，电容器的中性点与地处于同一电位，直流侧电容器、故障线和过渡电阻形成二阶rlc振荡电路，电容器快速放电；振荡的形式与故障距离和过渡电阻的大小有关，故障回路电阻为振荡电路临界值：

11、

12、其中，r为线路电阻和接地电阻，c为电容器值，l是线路上的等效电感；时，为欠阻尼放电过程，电容放电电路减幅振荡；时，为过阻尼放电过程，故障电路的瞬态能量迅速减小，直至为零；

13、对于低压正接地短路的情况，短路只与故障极形成故障回路，负极不与故障点形成短路；线路上只有一个谐振级，故障电路近似等效为rlc串联谐振电路，其谐振频率表示为：

14、

15、进一步地，所述步骤2的具体实现方法为：

16、在桥臂调制信号上叠加正弦谐波信号，如下式所示：

17、

18、其中，uj为谐波信号，a为谐波信号幅值，ω为谐波信号角频率，为谐波信号初始相角；

19、叠加谐波信号后，spwm调制的桥臂电压调制信号为：

20、uabc＝uabc_ref+uj

21、其中，uabc_ref为初始的桥臂调制信号，uabc为叠加谐波信号后的桥臂调制信号。

22、进一步地，所述步骤3中，谐波信号频率选择在谐振频率附近，以在故障电路中引起谐振，产生较大的特征电流，使故障响应特征更加明显；对于等效为rlc串联谐振电路的接地故障电路，输入电路参数，获取谐波信号频率fs如下：

23、

24、进一步地，所述步骤4中，注入的谐波信号幅值的选择范围为：

25、0.75％udc＜a＜5％udc

26、其中，udc为直流额定电压。

27、进一步地，选择幅值为直流额定电压的4％，即a＝4％udc。

28、进一步地，所述步骤5中，当线路发生单极接地故障时，获取电压源换流器vsc出口电容上半部分的电压和电流信号，提取谐波频率特征量进行计算；低压直流配电网系统采用电网阻抗模型，系统阻抗表示为rl+jxl；对于频率相同的电压电流信号，线路上的阻抗zline由下式求得：

29、

30、其中，和分别为端口的电压和回路电流，zs为系统内部接地电阻和已知部件的阻抗，ω＝2πfs，fs为谐波信号频率。

31、进一步地，考虑低压直流配电网系统的稳态畸变和背景测量噪声的存在，频域电抗估计值与fft直接计算得到的实际电抗值存在误差；考虑误差的分布相对随机并在一定范围内波动，采用基于最小二乘法的曲线拟合方法对步骤5得到的结果进行处理，以提高低压直流线路故障的整体定位精度，减少由于误差导致的定位结果偏差。

32、进一步地，所述步骤6具体包括以下步骤：

33、601)采用基于最小二乘法的曲线拟合方法对步骤5得到的结果进行处理，二次拟合曲线表达式为：

34、le(x)＝a0+a1x+a2x2

35、其中，a0、a1、a2为拟合曲线系数，x为一特征频率下在频域得到的估计电抗值；估计电感值的均方误差定义为：

36、

37、其中，yi为系统的实际电抗值，n为统计所需的估计电抗值个数；

38、602)为使各点的电感值均方误差最小，由多元函数的极值定理，使r(a0,a1,a2)满足下式：

39、

40、

41、

42、603)结合以上三个公式，得到a0、a1、a2的值：

43、

44、将计算得到的a0、a1、a2的值代入二次曲线拟合表达式，得到f(x)＝le(x)的修正曲线；该修正曲线通过对不同距离的故障点进行采样来计算；根据实测距离和实际距离，得到相应频率下估计电抗偏差的拟合曲线。

45、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明提供了一种基于谐波注入的主动故障检测方法，该方法基于主动检测和保护的思想，通过对低压直流配电网中单极接地故障的特点分析，结合vsc变流器的高可控性，主动注入特征频率的谐波信号；通过对谐波的电压和电流值进行采样，计算阻抗特性，并利用二次曲线拟合进行距离测量，实现故障的识别和定位并且具有很高的精度。

技术特征：

1.一种基于谐波注入的主动故障检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于谐波注入的主动故障检测方法，其特征在于，所述步骤1的具体实现方法为：

3.根据权利要求1所述的一种基于谐波注入的主动故障检测方法，其特征在于，所述步骤2的具体实现方法为：

4.根据权利要求1所述的一种基于谐波注入的主动故障检测方法，其特征在于，所述步骤3中，谐波信号频率选择在谐振频率附近，以在故障电路中引起谐振，产生较大的特征电流，使故障响应特征更加明显；对于等效为rlc串联谐振电路的接地故障电路，输入电路参数，获取谐波信号频率fs如下：

5.根据权利要求1所述的一种基于谐波注入的主动故障检测方法，其特征在于，所述步骤4中，注入的谐波信号幅值的选择范围为：

6.根据权利要求5所述的一种基于谐波注入的主动故障检测方法，其特征在于，选择幅值为直流额定电压的4％，即a＝4％udc。

7.根据权利要求1所述的一种基于谐波注入的主动故障检测方法，其特征在于，所述步骤5中，当线路发生单极接地故障时，获取电压源换流器vsc出口电容上半部分的电压和电流信号，提取谐波频率特征量进行计算；低压直流配电网系统采用电网阻抗模型，系统阻抗表示为rl+jxl；对于频率相同的电压电流信号，线路上的阻抗zline由下式求得：

8.根据权利要求7所述的一种基于谐波注入的主动故障检测方法，其特征在于，考虑低压直流配电网系统的稳态畸变和背景测量噪声的存在，频域电抗估计值与fft直接计算得到的实际电抗值存在误差；考虑误差的分布相对随机并在一定范围内波动，采用基于最小二乘法的曲线拟合方法对步骤5得到的结果进行处理，以提高低压直流线路故障的整体定位精度，减少由于误差导致的定位结果偏差。

9.根据权利要求1所述的一种基于谐波注入的主动故障检测方法，其特征在于，所述步骤6具体包括以下步骤：

技术总结
本发明涉及一种基于谐波注入的主动故障检测方法，包括如下步骤：步骤1：对低压直流配电网进行线路故障分析；步骤2：注入谐波信号，用于实时识别故障位置；步骤3：选择注入的谐波信号频率；步骤4：选择注入的谐波信号幅值；步骤5：提取谐波频率特征量进行计算；步骤6：采用曲线拟合方法对步骤5得到的结果进行处理，以提高低压直流线路故障的整体定位精度，减少误差造成的定位结果偏差。该方法有利于提高故障检测的精度。

技术研发人员：黄兴华,吴涵,范元亮,李泽文,陈伟铭,曾振松,蔡哲,林挺,林建利,李凌斐,孙龙一,方略斌,王建华,陈蓓蓓
受保护的技术使用者：国网福建省电力有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/3/17