一种适用于柔性直流馈入的交流线路单端故障测距方法

摘要

本发明属于电力系统继电保护领域，具体涉及一种适用于柔性直流馈入的交流线路单端故障测距方法，包括下列步骤：输电系统检测到发生单相接地故障后，采集传统交流电源侧的单端电气量。对采样数据窗内电气量进行离散傅里叶变换提取基频分量，在频域下利用对称分量法对基频分量进行相模变换，得到故障电压、电流的序分量。基于分布参数模型，计算故障相沿线的故障电压和负序故障电流分布。时域下获取一组故障相沿线各距离在不同时刻下的故障电压、负序故障电流构成的数据组，根据数据组仅在故障点处满足正比例线性关系的特点，利用一元线性回归进行故障测距。本发明有效地解决了传统故障测距方法不适用的问题，具有较高的测距精度和广泛的适用性。

权利要求

1.一种适用于柔性直流馈入的交流线路单端故障测距方法，包括下列步骤：

(1)输电系统检测到发生单相接地故障后，采集传统交流电源侧的单端电气量，对采样数据窗内电气量进行离散傅里叶变换提取基频分量，在频域下利用对称分量法对基频分量进行相模变换，得到故障电压、电流的序分量；

(2)基于分布参数模型，计算故障相沿线的故障电压和负序故障电流分布；

(3)时域下获取一组故障相沿线各距离在不同时刻下的故障电压、负序故障电流构成的数据组，根据数据组仅在故障点处满足正比例线性关系的特点，利用一元线性回归进行故障测距,实现方法为：柔性直流换流器受控制策略影响，为故障点提供边界条件：

式中， 为故障点处残压，Rf为故障处的接地电阻， 为流过故障支路的负序电流；

时域下，定义残差和函数H(x)：

式中，u(x,i)表示故障相线路上距离传统交流电源侧母线x处在不同时刻下的故障电压；i2(x,i)表示故障相线路上距离传统交流电源侧母线x处在不同时刻下的负序故障电流； 表示比例系数；i表示在不同时刻下的一组采样数据点；n表示总采样数据点数，u(x,i)和i2(x,i)仅在故障点处满足式(1)关系，利用最小二乘法进行一元线性回归，计算出沿线各位置的残差和函数H(x)，取H(x)最小值所对应的沿线距离x就是故障距离xf，实现故障测距。

说明书

一种适用于柔性直流馈入的交流线路单端故障测距方法

技术领域

[0001] 本发明属于电力系统继电保护领域，具体涉及交直流混合输电系统中，柔性直流馈入的交流线路的故障测距方法。

背景技术

[0002] 交流输电线路极易发生单极接地故障，其短路电流会严重影响系统的安全稳定运行。因此，快速定位故障点并清除故障，对于提高系统运行的经济性和可靠性具有重要意义。由于不存在换相失败问题，以及在灵活控制和电能质量等方面的突出优势，柔性直流输电在新能源并网、区域电网互联等领域扮演着重要角色。在基于柔性直流输电的交直流联网方式下，交流系统中故障特征量受到换流器控制策略和电力电子元件非线性的影响，与传统交流系统相比表现出很大不同，使得传统交流系统的故障测距方法需要改进来应对新的挑战。

[0003] 目前，国内外针对柔性直流馈入下交流电网输电线路故障测距的研究还鲜有文献报道，已有的故障测距方法可分为行波法、人工智能算法和阻抗法三类。行波法在故障测距方面具有诸多优势，但这类方法对设备的采样频率极高，且存在行波波头识别较为困难、抗干扰性差等技术问题，测距精度易受影响。人工智能算法适合于处理参数未知的电力系统，但该类方法非常依靠于训练过程，并且勇于训练的数据库往往难以获得。阻抗法可以细分为基于双端电气量和基于单端电气量两类，基于双端电气量的阻抗法受限于数据同步以及通信技术带来的高投资成本。基于单端电气量的阻抗法原理简单且易于实现，但测距精度易受故障电阻和对端系统的影响。

[0004] 为了保障换流器的安全运行，柔直换流站受故障穿越控制方式影响。控制系统根据并网点正序电压跌落程度实时调整输出电流的大小和相位，使得其输出的故障电流与换流器交流出口处电压呈现非线性关系。一旦换流器近端发生严重短路故障，并且电压跌落超过故障穿越控制策略的调节能力，换流器会闭锁来隔离直流侧馈流，使得基于双端电气量的故障测距方法失效。同时，也进一步打破了基于单端电气量测距方法同相位的假设。因此，提出适用于柔性直流馈入的交流线路单端故障测距方法是非常具有工程实际意义的，是柔性直流输电与直流电网兴起的大环境下，交直流混合输电系统发展与推广的迫切需求。

发明内容

[0005] 该发明针对交直流混合输电系统，提供一种含有柔性直流馈入的交流线路单端故障测距方法，其依托故障点处独有的边界条件，利用最小二乘法进行一元线性回归，来实现故障测距，较传统的单端故障测距方法，本发明考虑柔性直流换流器控制策略对故障复合序网产生的影响，使得仅依靠单端电气量即可实现准确的故障测距。本发明的技术方案如下，

[0006] 一种适用于柔性直流馈入的交流线路单端故障测距方法，包括下列步骤：

[0007] (1)输电系统检测到发生单相接地故障后，采集传统交流电源侧的单端电气量。对采样数据窗内电气量进行离散傅里叶变换提取基频分量，在频域下利用对称分量法对基频分量进行相模变换，得到故障电压、电流的序分量。

[0008] (2)基于分布参数模型，计算故障相沿线的故障电压和负序故障电流分布。

[0009] (3)时域下获取一组故障相沿线各距离在不同时刻下的故障电压、负序故障电流构成的数据组，根据数据组仅在故障点处满足正比例线性关系的特点，利用一元线性回归进行故障测距。

[0010] 优选地，步骤(3)具体实现方法为：

[0011] 柔性直流换流器受控制策略影响，为故障点提供边界条件：

[0012]

[0013] 式中， 为故障点处残压，Rf为故障处的接地电阻， 为流过故障支路的负序电流；

[0014] 时域下，定义残差和函数H(x)：

[0015]

[0016] 式中，u(x,i)表示故障相线路上距离传统交流电源侧母线x处在不同时刻下的故障电压；i2(x,i)表示故障相线路上距离传统交流电源侧母线x处在不同时刻下的负序故障电流； 表示比例系数；i表示在不同时刻下的一组采样数据点；n表示总采样数据点数，u(x,i)和i2(x,i)仅在故障点处满足式(1)关系，利用最小二乘法进行一元线性回归，计算出沿线各位置的残差和函数H(x)，取H(x)最小值所对应的沿线距离x就是故障距离xf，实现故障测距。

[0017] 与现有技术相比，本发明考虑换流器控制策略对故障复合序网的影响，提出了一种适用于交直流混合系统的新型故障测距方法，有效地解决了传统故障测距方法不适用的问题。本方法具有较高的测距精度，不受故障电阻、故障距离、换流器的低电压穿越策略、采样频率和线路分布电容等因素影响。此外，该方法具有广泛的适用性，适用于所有配置有抑制负序电流控制策略的柔性直流输电以及逆变型分布式电源接入的交流系统。

附图说明

[0018] 图1为柔性直流馈入的交直流混合输电系统。

[0019] 图2为故障测距方法流程图。

具体实施方式

[0020] 下面结合附图和实例对本发明作进一步的详细说明。图1所示为一个典型的柔性直流馈入的交直流混合输电系统，交流输电线路上发生单相接地故障。

[0021] 本发明的定位柔性直流馈入的交流线路单相接地故障的故障测距方法，主要包括单端电气量解耦、沿线故障电压和故障电流的序分量分布计算、测距判据等三部分。

[0022] 1.单端电气量解耦

[0023] 三相输电线路之间存在电磁感应，会影响计算沿线电压和电流分布时的准确性，因此必须通过解耦转换矩阵将传统交流电源侧电气量转换为相互独立的模分量。对称分量法是故障分析中最为常见的一种变换方式，分解后得到的正序、负序以及零序都是一种模量，对称分量变换矩阵TS如式(1)所示。

[0024]

[0025] 式中，a表示旋转分量，a＝ej120°。

[0026] 2.沿线故障电压和故障电流的序分量分布计算

[0027] 基于分布参数模型，将采集到的传统交流电源侧母线的单端电气量通过对称分量法解耦，而后将得到的序分量代入式(2)，进行沿线电压、电流分布计算。

[0028]

[0029] 式中，p＝1、2、0表示相应的序分量； 表示故障相线路上距离传统交流电源侧母线x处的故障电压序分量； 表示故障相线路上距离传统交流电源侧母线x处的故障电流序分量； 表示传统交流电源侧母线的单端电气量解耦后得到的电压序分量； 表示传统交流电源侧母线的单端电气量解耦后得到的电流序分量；Zcp表示线路序分量下的特征阻抗；γp表示线路序分量下的传播常数。

[0030] 3.测距判据

[0031] 受柔性直流换流器控制策略影响，系统发生单相接地故障后的负序网络仅包含传统交流电网侧，形成了一个单端网络。故障点处故障电流的负序分量仅由传统交流侧提供，从原理上排除了换流器侧故障信息对故障点的影响。基于该特点，可利用传统交流侧的单端信息量实现精确的故障测距。单相接地故障时故障点处边界条件为：

[0032]

[0033] 式中， 表示故障点处残压； 表示故障点处残压的正序分量； 表示故障点处残压的负序分量； 表示故障点处残压的零序分量；Rf表示故障处的接地电阻； 表示流过故障支路的负序电流。

[0034] 将式(3)的故障点处边界条件由频域转化到时域形式，得到式(4)：

[0035] u(x,i)＝3Rfi2(x,i)   (4)

[0036] 式中，u(x,i)表示故障相线路上距离传统交流电源侧母线x处在不同时刻下的故障电压；i2(x,i)表示故障相线路上距离传统交流电源侧母线x处在不同时刻下的负序故障电流；i表示在不同时刻下的一组采样数据点。

[0037] 分析可知，由u(x,i)、i2(x,i)构成的数据组，仅在故障点处满足正比例线性关系。建立正比例线性模型如下：

[0038]

[0039] 式中，Ui表示由u(x,i)构成的数据组；I2i表示由i2(x,i)构成的数据组。

[0040] 根据式(5)，定义残差和函数H(x)：

[0041]

[0042] 式中， 表示比例系数；n表示总采样数据点数。

[0043] 根据最小二乘法，使H(x)达到最小时，比例系数 为：

[0044]

[0045] 式中， 表示采样得到的数据组Ui的平均值； 表示采样得到的数据组I2i的平均值；i2(x,i)2表示i2(x,i)值的平方； 表示 值的平方。

[0046] 因此通过将Ui、i2(x,i)代入(6)、(7)进行一元线性回归，可计算出沿线各位置的残差和函数H(x)。数据组与式(5)的拟合度越高，H(x)越小。换流器控制系统抑制其输出的负序电流的暂态过程、频域下沿线故障电压、电流序分量计算过程中的舍入误差、线性回归中的计算误差以及实际应用中可能存在的互感器传变误差等，均会影响测距方法的精度。因此，取H(x)最小值所对应的沿线距离x就是故障距离xf，通过测距判据(8)确定故障点位置：

[0047] H(xf)＝min[H(x)]   (8)

[0048] 综上所述，可得故障测距方法流程图如图2所示。