一种利用多位置电压的直流线路故障定位方法和装置

摘要

本发明公开一种利用多位置电压的直流线路故障定位方法和装置，属于电力系统故障测距领域。包括：根据线路电压在线路非故障部分分别沿线均匀分布的特点，构建故障点与直流线路端口之间的距离随各位置电压在任意采样时刻的变化关系；将各个位置的故障电压信号同步采样数据点代入上述变化关系，得到一组超定线性方程组；求解超定线性方程组，得到故障点与直流线路端口之间的距离。本发明仅利用线路电压在非故障区域沿线均匀分布的特点，无需求得故障回路等效参数，因此线路参数的依频特性对所提方法几乎没有影响，且线路分布特性对故障测距精度的影响也较小，克服参数依频特性对直流配电线路故障定位精度的影响，提高故障测距的精确度和可靠性。(56)对比文件N. Nageswara Reddy.Fault Recognitionand Isolation Approach in Direct CurrentMicrogrids.IEEE.2022,全文.

权利要求

1.一种利用多位置电压的直流线路故障定位方法，其特征在于，包括：在直流线路发生故障开始至故障线路被切断之前，获取故障直流线路上多个位置的故障电压信号；

对各个位置的故障电压信号进行同步对时采样，所述多个位置为四个位置，具体为：直流线路两个端口、距离一端第一固定距离的位置、距离另一端第二固定距离的位置；

根据线路电压在线路非故障部分分别沿线均匀分布的特点，构建故障点与直流线路端口之间的距离随各位置电压在任意采样时刻的变化关系，具体为：；

将各个位置的故障电压信号同步采样数据点代入上述变化关系，得到一组超定线性方程组，所述超定线性方程组表示如下：，

， ；

利用最小二乘法求解超定线性方程组，得到故障点与直流线路端口间的距离；

其中， 为故障点与直流线路 端口之间的距离， 分别为直流线路 端口的电压， 为距离 端第一固定距离 的位置 的电压， 为距离 端第二固定距离 的位置 的电压，为直流线路的全长， 为采样点数量，和 为对应的 和 写成矩阵的形式。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，若为单极接地，获取四个位置的对地电压，若为双极短路故障，获取四个位置的极间电压。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据故障电压信号的采样测量精度和线路的长度，确定第一固定距离和第二固定距离：故障电压信号的采样测量精度越高，第一固定距离和第二固定距离越小；

线路的长度越短，第一固定距离和第二固定距离越小。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，第一固定距离和第二固定距离的取值范围均为50m 400m。

~

5.如权利要求1至4任一项所述的方法，其特征在于，该方法适用于线路两端都有电源的复杂网络、或一端为电源一端为负载的简单网络。

6.一种利用多位置电压的直流线路故障定位装置，其特征在于，包括：处理器和存储器；

所述存储器，用于存储计算机执行指令；

所述处理器，用于执行所述计算机执行指令，使得如权利要求1至5任一项所述的方法被执行。

说明书

一种利用多位置电压的直流线路故障定位方法和装置

技术领域

[0001] 本发明属于电力系统故障测距领域，更具体地，涉及一种利用多位置电压的直流线路故障定位方法和装置。

背景技术

[0002] 近年来，随着功率半导体器件的长足发展和分布式可再生电源、直流负荷、储能等的快速应用，直流配电网（或直流微电网）存在传输容量高、供电半径大、更适合分布式电源的接入、电能质量好、线路损耗低等优点，成为了当前国内外研究的热点。直流线路故障保护技术作为直流配电的应用瓶颈，仍处于理论研究阶段。当直流线路发生故障后，为了尽快排除故障并恢复供电，需要快速准确定位故障点。直流线路多为埋藏于地下的电力电缆，耗时耗力的人工巡线难以发现故障点。此外，直流断路器(DC Circuit Breaker, DCCB)将快速切除故障线路部分，能够用来进行故障定位的时间窗口有限（3 5ms），增大在线故障测距~的难度。

[0003] 直流配电线路距离较短，采用传统行波故障测距法需要较高的采样频率以保证足够的定位精度。对于复杂直流配电网（微电网），行波的折反射情况复杂，并且对于高阻接地故障，行波的幅值很小，增加了定位的难度。目前，国内外直流配电线路故障测距主要可分为两大类。第一类方法是注入信号法，利用一个探针功率元件(Probe Power Unit, PPU)注入信号来进行故障定位。本质是投入带初始电压的电容器组，使得故障回路形成二阶振荡回路。注入信号法是在DCCB切除故障线路后进行离线定位，无法实现快速故障定位，且由于需要专门的定位器件而增加了故障定位的成本，提取振荡参数易受噪声干扰。第二类方法是直接利用故障暂态信息的在线故障定位方法。现有方法无法适用于复杂多电源直流配电网络。无论是注入信号法还是在线故障定位方法，都是将直流线路等效为R‑L或者Π模型，通过求解故障回路的等效参数求得故障距离。然而，对于在线故障定位法由于直流暂态信号中存在各种频率分量，线路参数存在明显的依频特性，上述线路等效模型在实际应用中存在明显的误差。例如，在线路不同位置（不同故障距离）、发生不同过渡电阻的故障，线路的等值参数不完全一样，因此利用线路等值的R‑L或者Π等集中参数模型的故障定位方法，在不同的故障情况下存在较大的测距误差。

发明内容

[0004] 针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种利用多位置电压的直流线路故障定位方法和装置，旨在解决现有故障测距方法误差较大、精度低的问题。

[0005] 为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种利用多位置电压的直流线路故障定位方法，包括：

[0006] 在直流线路发生故障开始至故障线路被切断之前，获取故障直流线路上多个位置的故障电压信号；

[0007] 对各个位置的故障电压信号进行同步对时采样；

[0008] 根据线路电压在线路非故障部分分别沿线均匀分布的特点，构建故障点与直流线路端口之间的距离随各位置电压在任意采样时刻的变化关系；

[0009] 将各个位置的故障电压信号同步采样数据点代入上述变化关系，得到一组超定线性方程组；

[0010] 求解超定线性方程组，得到故障点与直流线路端口之间的距离。

[0011] 优选地，所述多个位置为四个位置，具体为：直流线路两个端口、距离一端第一固定距离的位置、距离另一端第二固定距离的位置。

[0012] 优选地，若为单极接地，获取四个位置的对地电压，若为双极短路故障，获取四个位置的极间电压。

[0013] 优选地，根据故障电压信号的采样测量精度和线路的长度，确定第一固定距离和第二固定距离：

[0014] 故障电压信号的采样测量精度越高，第一固定距离和第二固定距离越小；

[0015] 线路的长度越短，第一固定距离和第二固定距离越小。

[0016] 优选地，第一固定距离和第二固定距离的取值范围均为50m 400m。~

[0017] 优选地，所述根据线路非故障部分电压沿线均匀分布的特点，构建故障点与直流线路端口之间的距离随各位置电压在任意采样时刻的变化关系，具体为：

[0018]

[0019] 其中，为故障点与直流线路 端口之间的距离， 分别为直流线路 端口的电压， 为距离 端第一固定距离 的位置 的电压， 为距离 端第二固定距离 的位置 的电压，为直流线路的全长。

[0020] 需要说明的是，由于在理论上消除了过渡电阻的影响，本发明具备一定的大电阻接地故障测距能力。

[0021] 优选地，所述超定线性方程组表示如下：

[0022]

[0023]

[0024]

[0025] ，

[0026] ，

[0027] 其中，为采样点数量，和 为对应的 和 写成矩阵的形式。

[0028] 优选地，利用最小二乘法求解，得到故障点与直流线路端口间的距离。

[0029] 需要说明的是，本发明优选利用最小二乘法求解超定线性方程组，具有较强的抗噪声干扰能力，能够显著提高故障定位的准确度，且对采样精度和采样频率的要求满足实际运用前景。

[0030] 优选地，该方法适用于线路两端都有电源的复杂网络、或一端为电源一端为负载的简单网络。

[0031] 为实现上述目的，第二方面，本发明提供了一种利用多位置电压的直流线路故障定位装置，包括：处理器和存储器；

[0032] 所述存储器，用于存储计算机执行指令；

[0033] 所述处理器，用于执行所述计算机执行指令，使得如第一方面所述的方法被执行。

[0034] 总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

[0035] 本发明公开了一种利用多位置电压的直流线路故障定位方法和装置。包括：在直流线路发生故障开始至故障线路被切断之前，获取该故障线路上多个位置的故障电压信号；对各个位置的故障电压信号进行同步对时采样；根据线路电压在线路非故障部分分别沿线均匀分布的特点，构建故障点与线路端口间的距离随各位置电压在任意采样时刻的变化关系；将各个位置的故障电压信号同步采样数据点代入上述变化关系，得到一组超定线性方程组；求解超定线性方程组，得到故障点与线路端口间的距离。本发明仅利用线路电压在非故障区域沿线均匀分布的特点，无需求得故障回路等效参数，因此线路参数的依频特性对所提方法几乎没有影响，且线路分布特性对故障测距精度的影响也较小，克服了参数依频特性对直流配电线路故障定位精度的影响，提高了故障测距的精确度和可靠性。

附图说明

[0036] 图1为传统故障定位方法的电路原理图。

[0037] 图2为本发明实施例提供的直流配电线路单极接地故障电路原理图。

[0038] 图3为本发明实施例提供的一种利用多位置电压的直流线路故障定位方法流程图。

[0039] 图4为本发明实施例提供的故障定位结果图。

具体实施方式

[0040] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

[0041] 传统故障定位方法的电路原理如图1所示，已有的大量直流配电线路故障定位算法往往只利用了线路两端的电压信号，例如，位置的电压 和 位置的电压 ，难以消除过渡电阻的影响，且都直接将线路等效为集中参数模型，例如R‑L模型、Π等效模型等，在实际应用中难以得到精确的故障位置。

[0042] 在保护系统检测到故障及故障类型之后，线路两端的DCCB动作，切除故障线路以保证非故障区域的正常运行。由于DCCB的快速动作，可用于故障定位的数据长度有限，且直流故障暂态信号中，包含有各种频率的分量，不存在基频分量，参数依频特性不得不考虑。本发明拟解决参数依频特性对故障测距的影响，提高利用故障信号对直流线路进行故障定位的精度。

[0043] 本发明提供一种利用四个位置电压的直流线路故障定位方法，适用于线路两端都有电源的复杂网络、或一端为电源一端为负载的简单网络，可以应用于单极接地和双极短路故障后的故障点定位。

[0044] 本实施例以单极接地故障为例，双极短路故障只需要将极对地电压改成极间电压，其余定位过程类似。如图2所示，分别测量线路 和 两端及距离两端固定距离上的 和共四个位置的极对地电压信号，其中 距离 端口的间隔为 ， 距离 端口的间隔为，间隔距离 和 的具体数值可以根据线路的长度进行优化。在 和 位置记录下的极对地电压分别为 和 ，在 和 位置记录下的极对地电压分别为 和 。数据的长度从故障保护装置检测到系统发生异常开始，到线路两端的DCCB将故障线路切断隔离结束，各个位置的故障电压信号利用GPS、北斗等进行同步对时采样。在故障线路被完全隔离之后，各位置的电压信号通过通信装置汇集到汇集站点进行故障定位。

[0045] 本实施例的故障定位方法原理如下：直流线路全长为 ，若在距离 点 处发生接地故障，过渡电阻为 ， 为故障点处的电压。根据线路电压在 和 无故障区间分别沿线均匀分布的特点，可以得到：

[0046]

[0047] 和

[0048]

[0049] 联立(1)和(2)，可以求解得到故障距离 为：

[0050]

[0051] 式(3)消除了过渡电阻对故障距离的影响，得到了故障距离随四个位置电压在任意时刻的变化关系。过渡电阻的值可以从接近于零的金属性短路故障变化到阻值较大的接地故障。

[0052] 由于故障后任意时刻测量得到的电压都满足上述方程，若采样得到 个数据点，则方程(3)为一组超定方程组。为了便于表述，令：

[0053]

[0054] 和

[0055]

[0056] 其中， ，则 个方程组可以写成矩阵形式为：

[0057]

[0058] 利用最小二乘法(Least square method)求解式(6)，得到故障距离为：

[0059]

[0060] 其中，和 为对应的 和 写成矩阵的形式。

[0061] 根据上述推导，当故障发生在 和 之间时，利用两端的四个电压信号，就能够得到故障距离。该过程仅利用线路电压在非故障区域沿线均匀分布的特点，无需求得故障回路等效参数。

[0062] 利用四个位置电压的直流线路故障定位方法，适用于线路两端都有电源的复杂网络、或一端为电源一端为负载的简单网络，分别测量线路两端及距离两端固定距离共四个位置的电压信号。

[0063] 本实施例的定位方法流程图如图3所示，从故障保护装置检测到直流线路发生故障开始，并在DCCB切除隔离故障线路之前，记录下各个位置的电压随时间的变化情况。将各个位置的电压通过通信系统汇集到汇集站点，并利用GPS、北斗等系统进行同步对时。根据电压在线路非故障部分沿线均匀分布的特点得故障距离随各个位置电压在任意采样时刻的变化关系，得到一组超定方程组。通过最小二乘法求解超定方程组，从而求解得到故障点的距离。也可采用QR分解、LDLT分解、LU分解、奇异值分解、特征值分解等方法求解。

[0064] 为更近一步说明本实施例中故障定位方法的性能，在电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC中搭建两端直流配电模型，直流线路采用相域依频模型，长度为10km。仿真在直流线路不同位置发生不同过渡电阻的接地故障后，其中，故障距离从1km变化到9km，过渡电阻从0变化到50欧姆。设置 ，分别获取四个测量点上的电压信号，其中采样频率为10kHz。数据点的个数 ，即取2ms的数据长度。首先根据测量信号建立矩阵A和矩阵B，并根据式(7)计算得到故障距离。得到了如图4所示的故障定位的绝对误差随故障距离、过渡电阻的变化情况。图4的结果，表明本发明提出的故障定位方法，在不同过渡电阻、不同故障距离情况下的定位误差都小于50m，能够显著提高故障点的定位精度。

[0065] 传统的故障定位方法假设线路模型为R‑L或Π集中参数模型，通过求得故障线路的等效阻抗和线路的单位阻抗进校比较得到故障距离。由于直流线路故障后故障暂态电流上述速度快，故障信号中包含了各种频率分量，导致在进校故障定位时不得不考虑线路参数依频变化的特性对故障定位精度的影响。以在PSCAD/EMTDC中搭建的相域依频变化的电缆模型为例，在直流0Hz情况下的线路单位电抗Lu约为2.5mH/km，线路单位电阻为Ru约为0.1Ω/km，而在200Hz频率情况下Lu约为0.25mH/km，Ru约为0.6Ω/km。此时，如果采用传统的集中参数模型，得到的故障定位误差将远远超过50m。

[0066] 在各种电压等级序列的直流配电网、直流微电网中，本发明均能可靠定位故障点位置。

[0067] 当 、 比较小时方程的分母接近于零，更容易导致测距误差。当 、 变化时，各测量点上电压的测量误差相对固定，将各测量点的误差带入故障点与线路端口间的距离随各位置电压在任意采样时刻的变化关系，并简化整理得到：

[0068] （8）

[0069] 其中， 、 、 和 分别是 、 、和 对应的测量误差。通过式(8)可以看出，测量误差对计算精度的影响随着 、 的增大而减小，因此在一定的测量误差下，、 的值不宜过小。此外，各测量点电压信号幅值变化越大，误差的相对值越小。

[0070] 间隔距离 和 的取值范围均为50m 400m，具体数值可以根据线路的长度、故障~电压信号的采样测量精度等进行优化。故障电压信号的采样测量精度越高、线路的长度越短， 和 要求的数值越小。对于10km长的直流线路，测量信号的信噪比大于45db， 和可以设置为200m。

[0071] 综上，本发明克服了参数依频特性对直流配电线路故障定位精度的影响，通过获取线路上多个位置的电压信号，并根据电压在线路非故障区域沿线均匀分布的特点，提出了一种满足中低压直流配电系统的故障点精确定位方法，并采用最小二乘算法求解超定方程组，提高了故障测距的精确度和可靠性。

[0072] 本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。