基于探测信号与余弦相似度的直流配电网故障定位方法

本发明属于直流配电网故障定位，特别是一种基于探测信号与余弦相似度的直流配电网故障定位方法。

背景技术：

1、随着新型电力系统的发展，基于mmc的柔性直流配电网得到了越来越多的关注，高度可控性以及对直流负荷的兼容性使其具备了诸多优点。然而mmc独特的拓扑结构与工作原理使柔性直流配电网故障的复杂程度大大增加，极有可能对电力系统造成严重危害，因此快速准确的故障定位是保障柔性直流配电网安全运行的重要环节，是直流配电网保护研究的热点与重点。

2、针对柔性直流配电网故障机理复杂，难以实现故障选线的问题，亟需研究快速准确的柔性直流配电网故障定位策略，以保证电力系统安全可靠地运行，避免故障难以识别对系统造成的危害。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于探测信号与余弦相似度的直流配电网故障定位方法，从而避免故障难以识别对系统造成的危害，保证电力系统安全可靠地运行。。

2、实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于探测信号与余弦相似度的直流配电网故障定位方法，包括以下步骤：

3、步骤1、根据双端mmc型柔性直流配电网拓扑结构和设备参数，确定探测信号的注入策略；

4、步骤2、采集mmc出口处正负极电压信号，进行故障识别，判定故障极；

5、步骤3、计算各线路首端的零模电流并提取特征信号；

6、步骤4、结合故障选线判据，基于余弦相似度提取故障特征，完成故障选线。

7、进一步地，步骤1中换流站控制策略如下：

8、探测信号注入系统为双端mmc型中压柔性直流配电网，mmc1换流站采用定直流电压控制与定交流电压控制，即udc/uac控制；mmc2换流站采用定有功功率控制与定无功功率控制，即p/q控制；调制方式为最近电平逼近调制；

9、步骤1中直流配电网拓扑结构如下：

10、换流站出口处为直流母线，用于接入供电馈线，两条母线由联络线路连接，均为电缆线路，负荷类型包括直流负荷、交流负荷与分布式光伏。

11、进一步地，步骤1中探测信号注入策略如下：

12、对于mmc换流器，正弦信号为故障分析引入了频率、相位这些特征，因此探测信号的类型为正弦信号；

13、在控制策略上，将正弦探测信号与mmc调制波相叠加，无需额外的信号附加装置，制策略公式为：

14、

15、式中，ucomd_abc为环流抑制控制器输出电压，uctrl为探测信号，uabc_ref为交流电压基准值，uabc_p_ref、uabc_n_ref分别为mmc正负桥臂电压调制波，udc为直流侧电压；

16、探测信号的频率远小于mmc子模块投切频率，mmc的开环时间常数t表达式为：

17、

18、式中，ωac为交流系统的基波频率，larm为mmc桥臂电抗，c、n、rl分别为子模块电容、个数、等效损耗电阻；

19、单位线路对地阻抗的模|z|为：

20、

21、式中r、l、c分别为直流系统线路的单位电阻、电感、电容；

22、时，线路对地阻抗最小，故障响应特征最明显，因此探测信号频率ωctrl为：

23、

24、进一步地，步骤2中故障识别的具体方法为：

25、设置启动判据，当检测到系统发生单极故障后，mmc附加控制策略启动，向系统注入探测信号；

26、单极接地故障后直流侧故障极电压迅速下降为0，非故障极电压在mmc定直流电压的控制下上升为两倍额定值，对于双端mmc直流系统，同时采用两个mmc直流侧的零模电压绝对值作为启动判据：

27、|up1+un1|＞0.2udcb∪|up2+un2|＞0.2udcb

28、式中，up1和un1分别为mmc1端直流侧正负极电压；up2和un2分别为mmc2端直流侧正负极电压；udcb为直流系统额定电压；

29、为避免环境或系统内部带来的瞬时干扰，判据在连续3个采样点均成立时启动，随即通过故障选极判据识别故障极，故障选极判据为：

30、

31、进一步地，步骤3中特征信号提取的具体方法为：

32、以注入的探测信号为研究对象，故所提出的选线判据适用对象为探测信号，采集到线路首端的正负极电流后，首先进行零模电流的计算，以探测信号的频率作为滤波器中心频率，根据中心频率计算出bpf的截止频率，同时减小滤波器带宽进行信号提取。

33、进一步地，步骤4中故障选线判据为：

34、a)馈线发生单极接地故障时，故障馈线上提取的特征信号与非故障线路的特征信号相位相反，母线故障以及联络线路故障时各馈线间特征信号相位均相同；

35、b)母线故障时，故障母线所连馈线的特征信号与该母线侧联络线路的特征信号相位相同，而非故障母线上所连馈线的特征信号与该母线侧联络线路的特征信号相位相反；

36、c)联络线路发生故障时，任意母线上所连馈线的特征信号与该母线侧联络线路的特征信号相位均相反。

37、进一步地，步骤4中基于余弦相似度提取故障特征的方法为：

38、首先进行故障馈线判别，分别计算每条馈线与其它馈线特征信号间的余弦相似度之和，若值为负数，则表明该线路上发生单极接地故障，若不存在负数，则故障位置不在馈线上；

39、当判别故障位置不在馈线上时，进行母线故障判别，分别计算联络线路两端与同侧馈线探测信号的余弦相似度之和，若值为正数，则表明该侧母线发生故障，若不存在正数，判别为联络线路故障。

40、一种基于探测信号与余弦相似度的直流配电网故障定位系统，该系统基于所述的方法实现基于探测信号与余弦相似度的直流配电网故障定位。

41、一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，基于所述的方法实现基于探测信号与余弦相似度的直流配电网故障定位。

42、一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，基于所述的方法实现基于探测信号与余弦相似度的直流配电网故障定位。

43、本发明与现有技术相比，其显著优点为：

44、(1)现有的探测信号法直接采用零模电流进行相位判别，故障零模电流中电流成分复杂、频率分布不规则，本发明通过bpf将探测信号与原始信号分离，增强了特征信号间的相位区别，提高了选线准确率；

45、(2)现有的探测信号法仅可识别单端mmc型柔性直流配电网的馈线故障，本发明对应用最为广泛的双端mmc型柔性直流配电网的故障网络进行暂态分析，所提判据能够识别系统内任意馈线、母线以及联络线路上的故障；

46、(3)现有的余弦相似度法仅能反映两条线路间的相位相关性，本发明计算单一线路与其它线路的余弦相似度之和，能够更加直观地表明某条线路与其它全部线路的差别；

47、(4)相比于其它故障定位方法，本发明方法不受过渡电阻影响，具有良好的稳定性与普适性，在配电网结构复杂、过渡电阻较大的情况下具有明显优势。