本發(fā)明涉及一種直流配電網線路單極接地故障定位領域，尤其涉及一種基于解析法的適用于兩電平電壓源型變換器(Voltage Source Converter，VSC)的直流配電網線路單極接地故障定位方法。

背景技術：

由于線路老化、損傷等原因，線路發(fā)生故障概率相較于直流配電系統(tǒng)中其它部分最大。目前，直流配電系統(tǒng)故障定位相關研究較少，且主要借鑒目前故障定位技術相對成熟的直流輸電系統(tǒng)。直流輸電系統(tǒng)線路故障定位方法主要有阻抗法、行波法與故障分析法等。阻抗法由于受接地電阻、線路類型、系統(tǒng)參數(shù)等因素的影響較大，在實際工程中應用并不理想。行波法原理簡單，準確度高，不受線路類型與故障類型的影響，在實際工程中應用較多，但當存在過渡電阻、行波波頭幅值受到限制時，波頭的起始點便更難準確標定，嚴重影響定位的精度和可靠性，隨著過渡電阻的繼續(xù)增大，行波故障定位法就會由于沒有啟動而無法定位故障。故障分析法主要借助故障錄波器的錄波數(shù)據(jù)進行分析計算，從而達到測距定位目的，故障分析法可直接借助故障錄波器的錄波數(shù)據(jù)實現(xiàn)故障定位，對設備采樣率要求低，可靠性較高，但該方法是建立在精確的線路參數(shù)模型上的，當線路參數(shù)模型不精確或頻變特性發(fā)生改變時，均會影響故障定位的精度。直流配電網中80％以上故障類型均是單極接地故障，因此，研究單極接地故障類型的故障定位方法則顯得尤為重要。

技術實現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：本發(fā)明提出一種直流配電網線路故障定位方法，其精度高、操作方便，且具有較強的耐受過渡電阻能力。

技術方案：本發(fā)明提供一種基于VSC的直流配電網線路單極接地故障定位方法，該方法包括以下步驟：

1)根據(jù)基于VSC的直流配電網線路發(fā)生單極接地故障時欠阻尼和過阻尼情況下電流的暫態(tài)特性方程，獲得故障電流微分初始值表達式；

2)根據(jù)故障電流微分初始值表達式，利用插值算法對故障電流微分初始值進行替代；

3)根據(jù)故障電流微分初始值表達式，獲得包含故障電流微分初始值的故障定位值表達式；

4)將步驟3)得到的故障定位值表達式與回路電流方程結合，得到基于VSC的直流配電網線路發(fā)生單極接地故障時的故障定位方程；

5)獲取單極接地故障發(fā)生前后電壓、電流值信息，結合步驟2)得到的故障電流微分初始值以及步驟4)得到的故障定位方程，得到故障定位值。

步驟1)中，故障電流微分初始值表達式為：

v_c(0)是故障前的直流電壓，i_L(0)是故障前的直流電流，R＝R_eq+R_f，L＝L_eq，R及L分別為直流側出口處到正、負極線路上故障點的總電感及總電阻，R_f為過渡電阻，R_eq及L_eq為直流側出口處到正、負極線路上故障點的線路電阻與電感。

步驟2)中，利用插值算法對所述故障電流微分初始值進行替代的方法為：

在t＝0⁺時刻，取得極大值，因此，

i(t)為在t時刻的電流采樣值，i(Δt+t)為采樣間隔Δt后的電流采樣值。

步驟3)中，包含故障電流微分初始值的故障定位值表達式為：

式(3)中，R_u和L_u分別為單位線路長度的電阻和電感，x為故障定位值，k為故障電流微分初始值。

步驟4)中，回路電流方程為：

將步驟3)得到的故障定位值表達式與回路電流方程結合，得到基于VSC的直流配電網線路發(fā)生單極接地故障時的故障定位方程：

U’_dc為直流側直流電壓。

步驟5)中，獲取單極接地故障發(fā)生前后電壓、電流值信息是通過提取單極接地故障發(fā)生前后電壓、電流錄波波形進行分析實現(xiàn)的。

有益效果：本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，具有以下優(yōu)點：

(1)本發(fā)明基于解析法求解電流微分初始值，實現(xiàn)直流配電網線路單極接地故障的故障定位，計算簡單，具有較高的精度；

(2)相較于行波法，本發(fā)明無須進行行波注入定位或跟蹤預測定位，因此，不受過渡電阻等因素的影響，計算結果可用于離線維護，可實現(xiàn)自動化操作；

(3)具有較強的耐受過渡電阻能力，過渡電阻增加時，仍具有很高的定位精度；

(4)利用插值算法對傳統(tǒng)的差分法代替微分進行改進，所需采樣頻率大大降低，采樣頻率在10kHz～20kHz時，即可滿足算法的精度要求；

(5)本發(fā)明適用于單端輻射型直流配網、船舶直流配電系統(tǒng)以及輸送功率具有分散性、小型性、隨機性的直流輸電系統(tǒng)中，應用范圍較廣。

附圖說明

圖1單極接地故障示意圖；

圖2單極接地故障等效回路；

圖3為本發(fā)明算法流程圖。

具體實施方式

一種適用于基于VSC的直流配電網的線路單極接地故障定位方法，包括以下步驟。

1)根據(jù)基于兩電平電壓源型變換器(Voltage Source Converter，VSC)的直流配電網線路發(fā)生單極接地故障時欠阻尼和過阻尼情況下電流的暫態(tài)特性方程，獲得故障電流微分初始值表達式。

VSC整流器直流側線路上發(fā)生單極接地故障時，也會經歷電容快速放電的過程。如圖1所示，發(fā)生單極接地故障時，由于直流側電容中性點與地等電位，直流側電容與故障線路和過渡電阻形成二階RLC振蕩回路，實現(xiàn)電容的快速放電，振蕩形式與故障距離以及過渡電阻的大小有關。一般來說，單極接地故障時，低/高阻抗均有可能出現(xiàn)。當時，為欠阻尼放電過程，電容放電回路將出現(xiàn)振蕩過程，但振蕩幅值會越來越小；當時，為過阻尼放電過程，故障回路暫態(tài)能量將迅速下降，直至為零。單極接地故障等效回路如圖2所示。

當過渡電阻較小，為欠阻尼放電條件時，即當時，電流的暫態(tài)特性方程為：

式(6)中，v_c(0)與i_L(0)是故障前的直流電壓電流，R＝R_eq+R_f，L＝L_eq，R及L分別為直流側出口處到正、負極線路上故障點的總電感及總電阻，R_f為過渡電阻，R_eq及L_eq為直流側出口處到正、負極線路上故障點的線路電阻與電感，C為直流側等效電容，β＝arctan(ω/δ)；

此時電流微分方程為：

由于電容放電階段i(t)為凸函數(shù)，即有：

由此可知在電容放電階段呈單調遞減，即在t＝0⁺時刻取得最大值。在t＝0⁺時刻，電流微分的值為：

其中

則

當過渡電阻較大，為過阻尼條件時，即當時，電流的暫態(tài)特性方程為：

式中，

此時電流微分為：

在t＝0⁺時刻，電流微分的值為：

由上可知p₁、p₂的值，在t＝0⁺時刻，電流微分的值為：

由上分析可知，單極故障無論是欠阻尼還是過阻尼過程，其電流微分的初始值均可以用式(1)表示。

2)根據(jù)故障電流微分初始值表達式，利用插值算法對故障電流微分初始值進行替代。

利用插值算法對傳統(tǒng)的差分法進行改進：

由步驟1)的分析可知，在t＝0⁺時刻，取得極大值，則有

i(t)為在t時刻的采樣值，i(Δt+t)為采樣間隔Δt后的電流采樣值。

利用插值算法對傳統(tǒng)的差分法進行改進，解決了差分法替代微分值要求采樣頻率高、誤差大的問題。

3)根據(jù)故障電流微分初始值表達式，獲得包含故障電流微分初始值的故障定位值表達式。

由步驟1)的分析可知，單極接地故障無論是欠阻尼還是過阻尼過程，其電流微分的初始值均可以用式(1)表示。

設x為故障定位值，則R＝x*R_u+R_f，L＝x*L_u。

因此，用故障電流微分初始值k表示的單極接地故障的故障定位值表達式為：

式中，R_u和L_u分別為單位電纜長度的電阻與電感參數(shù)，。

4)將故障定位值表達式與回路電流方程結合，得到基于VSC的直流配電網線路發(fā)生單極接地故障時的故障定位方程，以解決單極接地故障定位方程過渡電阻問題。

單極接地時回路的基爾霍夫電壓方程為：

因此，聯(lián)立式(3)與式(4)，可得故障定位方程為：

其中，U’_dc為直流側直流電壓。

通過聯(lián)立含故障電流微分初始值的故障定位值表達式以及回路方程得到的故障定位方程(5)，消除了過渡電阻對故障定位的影響。

5)獲取單極接地故障發(fā)生前后電壓、電流值信息，結合步驟2)得到的故障電流微分初始值以及步驟4)得到的故障定位方程，得到故障定位值。

其中，獲取單極接地故障發(fā)生前后電壓、電流值信息是通過提取單極接地故障發(fā)生前后電壓、電流錄波波形進行分析實現(xiàn)的。

圖3為本發(fā)明給出的適用于基于VSC的直流配電網線路發(fā)生單極接地故障定位方法算法流程圖。首先通過提取單極接地故障發(fā)生前后電壓、電流錄波波形得到故障前后電流、電壓信息，包括故障前的直流電壓、電流值v_c(0)，i_L(0)。之后利用式(2)可得到電流微分初始值k的插值型替代方程，同理可得到電流微分di/dt的插值型替代方程，并最終帶入故障定位方程(5)即可得到故障定位值。