直流配電網(wǎng)的故障定位方法

陳達(dá)1，吳羚敏1,凌飛鴻，章江海

(1.福州大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院， 福建 福州 350116；2.國(guó)網(wǎng)安慶供電公司，安徽 安慶 246000)

1 引言

隨著需求側(cè)和電源側(cè)的直流化，直流配電網(wǎng)的研究熱度逐漸上升，目前對(duì)直流配電網(wǎng)的電壓等級(jí)序列、功率傳輸效率、電能質(zhì)量、接地方式、分布式電源接入技術(shù)等內(nèi)容已有了一定量的研究[1-5]，但鮮有對(duì)直流配電網(wǎng)故障定位的研究。

針對(duì)直流配電網(wǎng)單極接地故障的定位方法，文獻(xiàn)[6]提出一種利用故障暫態(tài)量定區(qū)間穩(wěn)態(tài)量測(cè)距的方法，但僅針對(duì)小電流系統(tǒng)的單極接地故障。文獻(xiàn)[7]提出一種基于Prony算法的故障測(cè)距方法,通過(guò)在故障區(qū)間投入小型電容，利用Prony算法研究故障參數(shù)實(shí)現(xiàn)故障測(cè)距，但由于該法要求在各區(qū)間斷路器下游增加定位模塊，提高了故障定位算法實(shí)現(xiàn)的成本。若直流配電網(wǎng)系統(tǒng)交流側(cè)聯(lián)結(jié)變壓器為△/Yn接法，直流側(cè)電容中性點(diǎn)直接接地則系統(tǒng)在正常運(yùn)行時(shí)能保證正負(fù)極電壓相同，故障后換流器母線正負(fù)極電壓下降，且仍然保持平衡[8]。本文針對(duì)這樣的直流配電系統(tǒng)提出一種基于故障分量的故障定位方法，利用區(qū)間故障分量電流方向判斷故障區(qū)間，并針對(duì)故障附加電路，列寫(xiě)節(jié)點(diǎn)電壓方程，求解出故障點(diǎn)的位置。

2 直流配電網(wǎng)的故障分量法

如圖1(a)故障后故障區(qū)間的等效電路，故障區(qū)間兩側(cè)等效電動(dòng)勢(shì)為Em，En，等值阻抗分別為Zm，Zn，故障區(qū)間阻抗為f點(diǎn)發(fā)生短路故障后，線路m，n端的電流分別im和im，If是故障等效電流源，其值為故障接地電流。故障后，直流側(cè)系統(tǒng)的電壓以及分布式電源的并網(wǎng)電壓不再保持與故障前相等，因此可將故障電路可視作三個(gè)等效電路的疊加：

(1)非故障電路：一般情況下認(rèn)為是指正常運(yùn)行狀態(tài)，如圖1(b)，其中Em0，En0為正常運(yùn)行時(shí)故障區(qū)間兩側(cè)等效電動(dòng)勢(shì)。該部分線路的電氣量可由正常運(yùn)行時(shí)的潮流信息獲得。

(2) 附加電動(dòng)勢(shì)等效電路：如圖1(c)，該部分電路指故障后直流側(cè)母線電壓變化部分引起的線路響應(yīng)，該部分變化電壓引起的潮流分布可根據(jù)電源值的變化與線路的電導(dǎo)矩陣求出。

(3) 故障附加電路：如圖1(d)，僅由故障點(diǎn)等效電源引起的線路響應(yīng)。故障附加電路下的節(jié)點(diǎn)電壓或支路電流可通過(guò)其余等效電路求出，即：

ΔSi=Si-S′i-S″i

(1)

直流配電網(wǎng)的復(fù)雜拓?fù)渑c換流器的控制策略，令故障后暫態(tài)時(shí)的電氣量難以估計(jì)，故障分量需在換流器處電容與線路分布電充放電結(jié)束，系統(tǒng)進(jìn)入新的穩(wěn)態(tài)時(shí)獲得。由于電容充放電暫態(tài)過(guò)程很短，且存在限流設(shè)備的情況下，故障過(guò)電流得到限制，無(wú)需立即隔離故障[9]，故可在穩(wěn)態(tài)收集故障分量信息。

3 基于故障分量的故障定位方法

3.1 直流配電網(wǎng)故障判據(jù)

直流配電網(wǎng)發(fā)生單極接地故障后，直流側(cè)母線故障極對(duì)地電壓迅速降至零附近，非故障極電壓也迅速下降，正負(fù)極對(duì)地電壓呈現(xiàn)不平衡的特點(diǎn)，可以以此作為單極接地故障的判據(jù)，根據(jù)這個(gè)特征有：

(2)

其中p、n分別表示正負(fù)極電壓，Uset1、tset1為單極接地故障判據(jù)的門(mén)檻值，可取Uset1為0.2pu。

直流配電網(wǎng)發(fā)生極間短路故障后，直流側(cè)電容迅速向故障點(diǎn)放電，直流側(cè)母線電壓迅速下降，線路電流激增，呈現(xiàn)低電壓過(guò)電流的特點(diǎn)。根據(jù)該特點(diǎn)，極間故障的判據(jù)可為：

(3)

其中Uset2、Iset、tset2為極間接地故障判據(jù)的門(mén)檻值，可取Uset2為0.5pu，Iset為2pu。

3.2 故障定位

3.2.1 區(qū)間定位

與交流配電網(wǎng)不同，直流配電網(wǎng)中電流的方向可以直接由其測(cè)量值獲得。在故障附加電路中只存在故障等效電流源供電，因此故障區(qū)間兩端支路電流方向相反，非故障區(qū)間兩端支路電流方向相同，即：

(4)

3.2.2 故障測(cè)距

圖2 故障區(qū)間等效圖

配電網(wǎng)線路故障可以看作是網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)生變化，如圖2所示，其中r表示故障點(diǎn)到區(qū)間端點(diǎn)距離與區(qū)間總長(zhǎng)之比，Rab為區(qū)間電阻，故障發(fā)生后，相當(dāng)于將故障點(diǎn)作為一個(gè)虛擬節(jié)點(diǎn)f，根據(jù)互電阻的定義，僅節(jié)點(diǎn)a有單位注入電流時(shí)，滿足：

Raf=Raa-m(Raa-Rab)

(5)

其中Raf、Rab為節(jié)點(diǎn)a與節(jié)點(diǎn)b、虛擬節(jié)點(diǎn)f間的互電阻，Raa為節(jié)點(diǎn)a的自電阻。同理可求出節(jié)點(diǎn)b與虛擬節(jié)點(diǎn)f間的互電阻。又根據(jù)節(jié)點(diǎn)電壓方程，圖2中的電氣量有如下關(guān)系：

(6)

節(jié)點(diǎn)電阻矩陣中僅虛擬節(jié)點(diǎn)與故障區(qū)間端點(diǎn)間的互電阻Raf與Rbf為新增值，其余值與系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)電阻矩陣保持一致。故障附加電路中僅故障點(diǎn)有注入電流則有：

(7)

結(jié)合式(5)與式(7)，有

(8)

根據(jù)式(8)即可解得表示故障距離的r值，可以發(fā)現(xiàn)故障測(cè)距結(jié)果與過(guò)渡電阻無(wú)關(guān)，且由于直流配電系統(tǒng)中電壓與電流僅有幅值，令方程易于求解。

4 仿真分析

本文基于ieee14節(jié)點(diǎn)的拓?fù)湫问酱罱ǔ龊?jiǎn)單的直流配電網(wǎng)的模型，使用雙極為負(fù)荷供電，其形式如圖3所示。采用兩電平VSC換流器，直流額定電壓為10kV。線路參數(shù)為：R=0.153Ω/kmL=1.04mH/km,C=14.5nF/km，線路分布等效至各節(jié)點(diǎn)處。采樣頻率為20kHz，當(dāng)故障發(fā)生50ms后進(jìn)行采樣，采樣時(shí)間為5ms，提取各電氣量的直流分量。

圖3 仿真線路圖

表1給出了不同過(guò)渡電阻，不同故障類(lèi)型時(shí)所求得的故障點(diǎn)位置，故障測(cè)距的結(jié)果。

表1 故障測(cè)距結(jié)果

可以看出該方法不受過(guò)渡電阻與故障類(lèi)型的影響，且定位的精度滿足要求。

5 結(jié)論

本文提出的直流配電網(wǎng)故障定位方法利用故障分量法提取出故障分量信息，在由故障后系統(tǒng)的拓?fù)渥兓?，列出故障附加電路的?jié)點(diǎn)電壓方程組，求解方程組結(jié)果實(shí)現(xiàn)故障測(cè)距。該法不受過(guò)渡電阻與故障類(lèi)型影響，求解的精度滿足誤差要求。本法需要在系統(tǒng)中配置較多的測(cè)量設(shè)備，提高了系統(tǒng)造價(jià)成本，后續(xù)研究重點(diǎn)可放在減少測(cè)量數(shù)據(jù)有效配置測(cè)量設(shè)備。