一种基于行波的柔性直流配电系统故障定位方法与流程

本发明具体涉及一种基于行波的柔性直流配电系统故障定位方法，属于配电系统故障定位方法技术领域。

背景技术：

随着电力电子技术的飞速发展，新能源在电网中的广泛接入，以及电动汽车、信息设备和半导体照明系统等直流负荷不断增加，直流电网在许多方面都取得了技术上和经济上的优势。柔性直流输配电系统的线路发生故障后，快速、准确地定位故障点，不仅对快速修复故障线路、保证供电可靠性及减少供电损失意义重大，而且对保证整个电力系统的安全稳定及经济运行都有十分重要的作用，因此对电网中发生的故障进行快速定位和测距是十分必要的。电力线路的故障测距和定位方法有很多种，如早期的人工巡线法、阻抗法以及行波法。人工巡线法对巡线工人的要求很高并且效率低下。阻抗法对装置的硬件要求低，但是其适用范围窄且很多类型的线路不适用。而行波测距法的精度高，适用范围广，检测速度快，因此越来越受到欢迎，在实际工程中也得到了广泛应用。行波法在现有交流系统中应用已经十分成熟，且测距误差均能达到数十米范围之内。然而，现有交流行波定位法主要针对直线状、星状、树状等常见的交流电网拓扑结构，并不适用于闭环运行、具有网状或环状拓扑结构的多端柔性直流系统。

相对于交流系统而言，行波法更适用于直流系统的故障定位。当交流系统在电压或电流过零点时发生故障，只能产生微弱的信号，不便于辨识到达各个检测器的初始行波，而直流系统没有电压或电流过零点，行波特征比较明显。在不考虑系统边界等不连续环节影响的情况下，故障线路通常可以等效为一个线性系统。无论是交流系统还是直流系统，故障的发生可认为是在故障点添加一个阶跃激励。对于等效的线性故障区域来说，行波阶跃激励产生的响应是相似的，并满足叠加定理。纵使交流系统和直流系统行波检测装置的安装位置和滤波特性不同，交流行波波头提取和分析的方法也同样适用于直流行波。

论文：Location of DC line faults in conventional HVDC systems with segments of cables and overhead lines using terminal measurements[J].IEEE Transactions on Power Delivery,2012,27(1):279-288，论文：基于双端行波原理的高压架空线—电缆混合线路故障定位方法[J].电力系统自动化,2010,34(25):88-91，论文：电缆架空线混合线路故障测距方法综述[J].电网技术,2006,30(17):64-69，上述三篇论文对电缆与架空线混合连接的故障定位问题进行了研究，并用行波测距法得到了精度较高的测距结果。针对星形连接的多端直流网络，论文：Traveling-Wave-Based Line Fault Location in Star-Connected Multiterminal HVDC Systems[J].IEEE Transactions on Power Delivery,2012,27(4):2286-2294，论文：A new smart distribution grid fault self-healing system based on traveling-wave[C]//Industry Applications Society Annual Meeting,2013IEEE,October 1-6,2013，Lake Buena Vista,FL.，论文：A combined impedance and traveling wave based fault location method for multi-terminal transmission lines[J].International Journal of Electrical Power&Energy Systems,2011,33:1767-1775，论文：Fault location scheme for multi-terminal transmission lines using unsynchronized measurements[J].International Journal of Electrical Power&Energy Systems,2016,78:277-284，上述四篇论文提出了基于行波和阻抗的故障定位方法。论文：多端柔性直流系统直流故障保护方案[J].中国电机工程学报,2016,36(0):1-10，论文：多端柔性直流电网故障隔离技术研究[J].中国电机工程学报,2016,36(1):87-95，上述论文对多端环状的柔性直流系统的保护与隔离问题进行了研究，推动了对柔性直流系统研究的进程，但是并没有提及故障测距的方法。论文：Wavelet-based protection strategy for DC faults in multi-terminal VSC HVDC systems[J].IET Generation,Transmission&Distribution,2011,5(4),496-503，通过对三个监测标准进行三选二的定位，增加了可靠性，但是冗余性也相应增加。论文：New fault location approach using voltage measurements[C]//Proceedings 2007IEEE SoutheastCon,March 407-412,2007,Richmond,VA，通过将母线处的电压信息和网络结果结合构成母线阻抗矩阵技术进行故障定位，这个方法虽然也能实现较高的准确性，但是对不同的故障类型，需要不同的矩阵进行求解，而判断故障类型也是一个难点。论文：Fault location on multi-terminal DC systems using synchronized current measurements[J].International Journal of Electrical Power&Energy Systems,2014,63:779-786，论文：A Traveling-Wave-Based Methodology for Wide-Area Fault Location in Multiterminal DC Systems[J].IEEE Transactions on Power Delivery,2014,29:2552-2560，上述两篇论文研究的结果是基于行波法先确定故障区间，然后再确定故障点的思路，并能得到很好的结果，但是这些方法需要预先对网络拓扑进行划分，且对于检测器的安装数量和位置，当故障发生在某些划分区域内时，故障区段判定方法并不适用。

直流系统发生故障时，响应时间比较短，因此需要快速的保护动作，而基于暂态电气量的阻抗法测距较行波法慢，且精度较低。

技术实现要素：

因此，针对现有技术的上述不足，本发明针对多端柔性直流系统的复杂结构以及行波的传播特点，提出基于行波最小故障时间的多端环网式柔性直流系统故障定位方法。将复杂的多端柔性直流系统网络拓扑结构用图的方式表达出来。然后判断故障发生在辐射线上还是环网内部。对于环网内部的故障，通过计算各条线路上发生故障时的故障起始时刻，并进行比较，找出故障支路，并进行故障点的计算。

具体的，所述方法为在柔性直流配电系统的每个线路端点处装配行波检测器，故障发生时，检测出故障行波初始浪涌第一次到每个行波检测器的时间，根据线路行波速度，确定故障点发生的位置，所有行波检测器通过GPS信号同步。

进一步的，所述柔性直流配电系统为多端柔性直流配电系统，故障发生时，根据实际故障支路得到的故障初始时间一定小于非故障支路假定故障时得到的故障初始时间，确定实际故障支路，再根据实际故障支路的线路行波速度，确定故障点发生的位置。

进一步的，所述方法中在进行基于行波的故障定位前，按公式一对测得的直流线路故障电流行波进行相模变换，

式中I₊、I_-为正负极电流量，I₁、I₀为电流线模量和零模量。

进一步的，所述方法中将多端柔性直流系统抽象成由若干个顶点和边构成的加权图，并用G＝(N,B,W)表示，其中N＝{x,y,z,…}是节点集合，B＝{b1,b2,…}是支路集合，因此，节点和支路分别代表多端柔性直流系统中线路间的连接点和直流输电线路，每条支路均用一组无序对(x,y)表示，其中的元素分别表示线路两端的端点，每条支路的长度作为权进行分配，并用W＝{w1,w2,…}表示权集，每条支路(x,y)的权进行归一化处理：w＝l×v₀/v_x,y，其中v₀是基波速度，v_x,y是线路(x,y)上的实际波速度，l是线路的实际长度。

本发明的有益效果在于：本发明提供一种基于行波的柔性直流配电系统故障定位方法，在系统分析直流系统线路故障暂态信号特性的基础上，开展针对基于VSC的多端直流系统故障定位方法的研究。通过把复杂直流系统网络故障定位问题转化为简单直流故障区域定位问题，拓展和提升现有直流系统故障定位算法，从而实现多端直流系统的故障精确定位。此项目的实施将极大的推进多端直流系统在输配电领域的实际应用，为未来智能电网的发展提供坚实的理论依据。本发明将复杂的多端柔性直流系统网络拓扑结构用图的方式表达出来。然后判断故障发生在辐射线上还是环网内部。对于环网内部的故障，通过计算各条线路上发生故障时的故障起始时刻，并进行比较，找出故障支路，并进行故障点的计算。

本发明只需分别对构成环网的支路进行一次计算，计算量较小，提高了故障定位的速度。本发明通过基于行波的故障定位方法来实现测距。与现有技术方法相比，本发明最大的优点是在保证计算精度的前提下，提高了算法的计算速度，对于响应时间远大于交流系统的直流网络而言，是非常重要的。

附图说明

图1为本发明一种基于行波的柔性直流配电系统故障定位方法的双端行波故障定位图；

图2、图3为实施例中三端直流系统故障定位方法的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行说明：

本发明采用双端行波测距原理，假设如图1所示线路的两个端点装配了具有高采样率，且与GPS信号同步的测量设备，那么在每个检测器的初始波头到达时刻与行波波头沿着故障点f到各个检测器的最短路径有关。因此，只需分别检测出故障行波初始浪涌第一次到达端点x和y的时间(t_x和t_y)，便能够得到故障点发生的位置。

对于多端环式柔性直流配电系统(包括网格和辐射线)，由于节点和支路众多，故障定位问题将变得更加复杂。与两端输电线路的故障定位不同，在多端直流系统中，故障点到每个检测器的最短路径随故障点在多端柔性直流系统的不同位置而变化。

直流线路解耦方式：

由于双极直流线路存在极间电磁耦合，影响行波速度的检测。因此，在进行行波定位前，需要对测得的直流线路故障电流行波进行相模变换。本文采用克拉克(Clarke)变换矩阵解耦线路间的电磁关系：

式中I₊、I_-为正负极电流量，I₁、I₀为电流线模量和零模量。相比波速随频率显著变化的零模量，线模量不受对地导纳的影响，波速近似为恒定(不受频率影响)。

故障行波识别方法：

本发明所提的方法只需检测各个行波检测器检测到的故障行波初始浪涌的到达时刻，不用考虑行波在网络中的折返射现象，因此对于故障行波的检测和识别的要求不高。在行波波头提取方面，目前应用较多的方法有小波变换，希尔伯特黄变换以及形态学等方法。小波变换能够同时在时频域进行分析，已经被广泛的应用在电力系统领域的信号处理中。利用小波变换可以在被测信号中准确的探测到剧烈的变化。本文用dbN小波进行故障行波波头的提取。小尺度下检测精度高，但是对于一些干扰无法辨识，大尺度下能够有效的去噪，但是检测精度会随之减小。通过对仿真结果的分析，在综合考虑时间分辨率和去噪效果两方面表现的情况下，本文选择了db4小波。

混联线路波速度不同的解决方法：

从图论的角度出发，不考虑网络元件的特性和大小而只研究网络的拓扑关系时，可将多端柔性直流系统抽象成由若干个顶点和边构成的加权图，并用G＝(N,B,W)表示。其中N＝{x,y,z,…}是节点集合，B＝{b1,b2,…}是支路集合。因此，节点和支路分别代表多端柔性直流系统中线路间的连接点和直流输电线路。为了更加清晰地表示节点与支路的关系，每条支路均用一组无序对(x,y)表示，其中的元素分别表示线路两端的端点。此外，对多端柔性直流系统的故障点进行定位，不但需要知道故障发生在哪条支路上，而且需要知道故障点在故障线路上的具体位置，所以支路的长度也是我们需要在图论中考虑的元素。每条支路的长度作为权进行分配，并用W＝{w1,w2,…}表示权集。到达多端柔性直流系统各个检测器的故障行波是沿着故障点到检测器的最短路径进行传播的。但是最短路径的计算与行波到达每个检测器的时间相关，也就是与线路长度和行波的波速度相关。波速度的大小取决于导体的几何学形状和导体所用的材料。为了使到达每个检测器的初始时间与检测器到故障点之间的距离完全成比例，图G中的每条支路(x,y)的权需要进行归一化处理：w＝l×v₀/v_x,y，其中v₀是基波速度，v_x,y是线路(x,y)上的实际波速度，l是线路的实际长度。这样处理可消除不同线路上行波波速度对故障定位结果的影响。

故障定位方法：

与双端行波定位方法不同，多端的行波定位方法不能确定故障线路。因此，传统的单端或者双端行波故障定位方法就不再适用。然而，根据装设在多端柔性直流系统终端的检测器可以确定故障行波初始波头分别到达各个检测器的时刻。在已知行波浪涌到达时间的基础上，在每条支路上分别应用双端行波测距原理，可分别求出故障发生的故障起始时间t₀。

故障起始时间t₀与故障行波到达故障线路两端的时刻以及故障线路的长度有关。由于在端口检测到的行波必然是沿着故障点和端口之间的最短路径传播过来的，对于确实发生故障的线路，其故障起始时间必然小于非故障线路计算得到的故障起始时间。以图2为例，故障发生在线路(x,y)上，等效距离v₀(t_x+t_y)只包含实际的故障起始时间等效距离和端点x和y之间行波传播的最短路径。而非故障线路，如线路(y,z)，等效距离v₀(t_y+t_z)就包含了实际故障点f到端点y和z之间的传播路径。在满足三角关系的几何拓扑图中，该路径之和必然长于y和z之间的最短路径L_y,z。

也就是说，当多端柔性直流环式网络中的任意一点发生故障时，实际故障支路得到的故障初始时间一定小于非故障支路假定故障时得到的故障初始时间。

本发明将复杂的多端柔性直流系统网络拓扑结构用图的方式表达出来。然后判断故障发生在辐射线上还是环网内部。对于环网内部的故障，通过计算各条线路上发生故障时的故障起始时刻，并进行比较，找出故障支路，并进行故障点的计算。

本发明只需分别对构成环网的支路进行一次计算，计算量较小，提高了故障定位的速度。

论文：New fault location approach using voltage measurements[C]//Proceedings 2007IEEE SoutheastCon,March 407-412,2007,Richmond,VA，通过将母线处的电压信息和网络结果结合构成母线阻抗矩阵技术进行故障定位，这个方法虽然也能实现较高的准确性，但是对不同的故障类型，需要不同的矩阵进行求解，而判断故障类型也是一个难点。论文：Fault location on multi-terminal DC systems using synchronized current measurements[J].International Journal of Electrical Power&Energy Systems,2014,63:779-786，论文：A Traveling-Wave-Based Methodology for Wide-Area Fault Location in Multiterminal DC Systems[J].IEEE Transactions on Power Delivery,2014,29:2552-2560，上述两篇论文研究的结果是基于行波法先确定故障区间，然后再确定故障点的思路，并能得到很好的结果，但是这些方法需要预先对网络拓扑进行划分，且对于检测器的安装数量和位置，当故障发生在某些划分区域内时，故障区段判定方法并不适用。

本发明通过基于行波的故障定位方法来实现测距。与上述方法相比，本发明最大的优点是在保证计算精度的前提下，提高了算法的计算速度，对于响应时间远大于交流系统的直流网络而言，是非常重要的。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。