基于視在阻抗辨識的直流配電電纜單端在線故障定位方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種基于視在阻抗辨識的直流配電電纜單端在線故障定位方法，該方法的步驟包括在電纜始端投入故障定位模塊，與電纜、過渡電阻共同構(gòu)成故障回路；對得到的故障回路進(jìn)行電纜始端的電壓和電流采集，并采用改進(jìn)型Prony算法對電壓和電流分別進(jìn)行識別，分別得到電壓和電流的幅值、特征角頻率、衰減系數(shù)和初始相角；在選定電纜型號后，利用等效阻抗和上述特征角頻率，計(jì)算出包含被測電纜線路參數(shù)和過渡電阻的等效阻抗；重構(gòu)電壓和電流，辨識二端口視在阻抗的幅值和相角；根據(jù)上述步驟獲得的等效阻抗和視在電阻，根據(jù)故障定位條件得到兩條故障距離和過渡電阻構(gòu)成的曲線，兩條曲線的交點(diǎn)即為此故障條件下的故障距離和過渡電阻。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)涉及直流配電網(wǎng)故障定位
，特別是涉及一種基于視在阻抗辨識的 直流配電電纜單端在線故障定位方法。
技術(shù)介紹
隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，換流器作為直流配電的主要元件已日趨成 熟，其造價(jià)降低，耐壓值、過流量明顯提高，使得直流配電受到人們的廣泛重視。相比于交流 配電，直流配電技術(shù)具有線路成本低、電能配送能力強(qiáng)、供電半徑大、配電效率高、網(wǎng)絡(luò)損耗 小、易于實(shí)現(xiàn)分布式電源互聯(lián)等優(yōu)點(diǎn)，直流配電必將成為未來配電網(wǎng)的發(fā)展目標(biāo)。目前直流 配電技術(shù)的應(yīng)用僅局限于艦船系統(tǒng)、商業(yè)和樓宇辦公系統(tǒng)、數(shù)據(jù)中心、電信系統(tǒng)及鐵路牽引 系統(tǒng)等，將直流配電技術(shù)應(yīng)用于城市電網(wǎng)建設(shè)是近年來研究的新趨勢，在技術(shù)上還有很多 需要進(jìn)一步研究的地方。目前我國對直流配電網(wǎng)的研究都還處于試驗(yàn)探索階段，直流配電電網(wǎng)故障定位 技術(shù)的研究也剛剛起步。直流配電網(wǎng)研究的相關(guān)文獻(xiàn)僅涉及到探討直流配電網(wǎng)的可行 性、架構(gòu)和需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。關(guān)于直流配電電纜故障定位，XuΜΜ等發(fā)表的《A Prony-basedmethodoflocatingshort-circuitfaultinDCdistributionsystem)) 文獻(xiàn)中提出了一種兩步故障定位的方法，第一步：根據(jù)電纜故障電流的方向判斷并隔離故 障區(qū)域，第二步：當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，在第一步確定并隔離的電纜線路一端并上一個(gè)已知帶電電 容，從而構(gòu)成故障回路。單端測量電容的電壓，再利用Prony算法提取電容電壓阻尼振蕩的 特征頻率，根據(jù)相關(guān)公式算出保護(hù)點(diǎn)到故障點(diǎn)的電纜集中電感，即可算出故障距離。此文獻(xiàn) 中討論的是極間故障，此方法的缺點(diǎn)是沒有考慮過渡電阻、電纜分布電容和線路電感分布 不均對定位精度的影響。最新的同樣由徐銘銘等發(fā)表的《一種基于Prony算法的直流配電 網(wǎng)電纜故障定位方法》文獻(xiàn)中提出了基于簡化RL線路模型的雙端故障定位方法，在故障區(qū) 間兩端分別投入一個(gè)由電感和帶電電容組成的定位模塊。兩個(gè)模塊分別和線路、故障點(diǎn)過 渡電阻形成兩個(gè)串聯(lián)的二階電路，利用Prony算法提取電容放電電流的特征頻率和衰減系 數(shù)，確定故障回路參數(shù)，得到故障距離。相比于上一篇文獻(xiàn)，此文獻(xiàn)采用雙端測量法消去了 線路電感，利用電阻參數(shù)計(jì)算故障距離，解決了線路電感分布不均對定位精度的影響，并且 考慮了過渡電阻。但由于兩端的定位模塊不是同時(shí)投入，有一定的延時(shí)，要做到兩端的時(shí)間 同步，需要利用通信通道，并且采用雙端測量法要求在各線路斷路器下游都增加一套含電 容和電感的定位模塊，兩個(gè)因素都使應(yīng)用成本較高。同樣，忽略了電纜分布電容的影響，與 實(shí)際工程不符。 因此，需要提供一種綜合的故障定位方法，以滿足直流配電網(wǎng)中直流配電電纜在 線故障定位的需求。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
為解決上述技術(shù)問題，本專利技術(shù)采用下述技術(shù)方案： ，該方法的步驟包括S1、基于由電容、電感和電阻組成的π模型電纜等效電路，構(gòu)建電纜故障回路；S2、對該電纜故障回路進(jìn)行電纜起始端的電壓和電流采集，并分別獲得所述電壓 和電流的幅值、特征角頻率、衰減系數(shù)和初始相角；S3、根據(jù)待測電纜的型號、31模型的電纜等效電路以及步驟S2中獲得的電壓和電 流的特征角頻率，構(gòu)建該頻率下的包含待測電纜線路參數(shù)和過渡電阻的等效阻抗： 令，a= 2Rf+2Rul-ω2CuLuRfl2,b=ωCuRuRf 12+2ωLU1，c= 4-ω2Cu2RuR fl3-2ω2CULU12，d= 4ωCuRf 1+2ωCURU12-ω3Cu2LuR fl3 等效阻抗可簡化為： 式中，Rf為故障過渡電阻，(^上、匕分別為3!模型電纜等效電路的單位電容、單位 電感和單位電阻，1為故障距離，；S4、利用步驟S2中獲得的所述電壓和電流的幅值、特征角頻率、衰減系數(shù)和初始 相角，重構(gòu)所述電壓和電流的原始波形，并根據(jù)所述電壓和電流的原始波形辨識由電纜起 始端和大地構(gòu)成的二端口的視在阻抗Zsz的幅值和相角；S5、利用所述包含待測電纜線路參數(shù)和過渡電阻的等效阻抗Zeq和視在阻抗Zsz， 基于故障定位條件|Re(Zj-Re(Zeq) |彡ε，|lm(Zj-Im(Zeq) |彡ε，獲得由故障距離曲線 和過渡電阻曲線構(gòu)成故障判別曲線，兩條曲線的交點(diǎn)即為當(dāng)前故障條件下的故障距離和過 渡電阻，其中，Re(Zsz)和Im(Zsz)分別表示視在阻抗的實(shí)部和虛部，Re(Zeq)和Im(Zeq)分別 表示等效阻抗的實(shí)部和虛部，ε為預(yù)定精度。 優(yōu)選的，所述電纜故障回路包括故障定位模塊、31模型電纜等效電路和過渡電 阻； 所述故障定位模塊包括依次連接的已知電感和已知電容，該故障定位模塊設(shè)置在 靠近斷路器的一端。 優(yōu)選的，所述已知電容和已知電感的選取條件包括： 保證故障回路特征頻率不超過100Hz; 保證故障回路滿足欠阻尼條件。 優(yōu)選的，所述π模型電纜等效電路由電纜電容、電纜電感和電纜電阻組成；所述故障定位模塊和過渡電阻分別與所述π模型電纜等效電路中的電纜電容并 聯(lián)。 優(yōu)選的，所述步驟S2中利用改進(jìn)型Prony算法對電壓和電流分別進(jìn)行識別，分別 獲得所述電壓和電流的幅值、特征角頻率、衰減系數(shù)和初始相角。 優(yōu)選的，所述預(yù)定精度ε為103。 優(yōu)選的，所述二端口的視在阻抗Zsz的幅值為重構(gòu)的電壓和電流的幅值之比；所述 二端口的視在阻抗Zsz的相角為重構(gòu)電壓和電流的相角之差。 本專利技術(shù)的有益效果如下： 本專利技術(shù)在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上，克服現(xiàn)有方法的不足，提出的一種基于視在阻抗辨識 的直流配電電纜單端在線故障定位方法，該方法實(shí)現(xiàn)了單端故障定位，并從理論上消除了 未知過渡電阻的影響，顯著提高了定位精度；同時(shí)本方法還考慮了地下電纜分布電容的影 響，與實(shí)際工程較符合。【附圖說明】 下面結(jié)合附圖對本專利技術(shù)的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步詳細(xì)的說明； 圖1示出本專利技術(shù)所述方法步驟流程圖 圖2示出本專利技術(shù)所述故障回路示意圖；圖3示出本專利技術(shù)將被測電纜和過渡電阻等效為一未知等效阻抗的故障回路簡圖； 圖4示出任意故障情況下等效阻抗的實(shí)部示意圖； 圖5示出任意故障情況下等效阻抗的虛部示意圖； 圖6示出二端直流配電系統(tǒng)的示意圖； 圖7示出本專利技術(shù)實(shí)施例中仿真結(jié)果的示意圖。【具體實(shí)施方式】 為了更清楚地說明本專利技術(shù)，下面結(jié)合優(yōu)選實(shí)施例和附圖對本專利技術(shù)做進(jìn)一步的說 明。附圖中相似的部件以相同的附圖標(biāo)記進(jìn)行表示。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，下面所具 體描述的內(nèi)容是說明性的而非限制性的，不應(yīng)以此限制本專利技術(shù)的保護(hù)范圍。 如圖1所示，本專利技術(shù)公開了一種基于視在阻抗辨識的直流配電電纜單端在線故障 定位方法，該方法包括如下步驟： 步驟S1、基于由電容、電感和電阻組成的π模型電纜等效電路，構(gòu)建電纜故障回 路；如圖2所示，所述電纜故障回路是由故障定位模塊、31模型電纜等效電路和過渡電阻組 成的，其中，所述故障定位模塊包括依次連接的已知電感L。和已知電容C。，該故障定位模塊 設(shè)置在靠近斷路器的一端。本方案中，所述已知電容C。和已知電感L。的選取條件要滿足以 下兩點(diǎn)：1、保證故障回路特征頻率不超過100Hz;2、保證故障回路滿足欠阻尼條件。本方案 中優(yōu)選已知電容C。為一個(gè)初始電壓為100V的帶電電容C。。其中，所述π模型電纜等效電 路包括依次連接的第一電纜電容C/2、電纜電感L、電纜電阻R和第二電纜電容C/2,上述電 纜的電容、電本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
基于視在阻抗辨識的直流配電電纜單端在線故障定位方法，其特征在于，該方法的步驟包括S1、基于由電容、電感和電阻組成的π模型電纜等效電路，構(gòu)建電纜故障回路；S2、對該電纜故障回路進(jìn)行電纜起始端的電壓和電流采集，并分別獲得所述電壓和電流的幅值、特征角頻率、衰減系數(shù)和初始相角；S3、根據(jù)待測電纜的型號、π模型的電纜等效電路以及步驟S2中獲得的電壓和電流的特征角頻率，構(gòu)建該頻率下的包含待測電纜線路參數(shù)和過渡電阻的等效阻抗：Zeq=(Rf//2jωCul+Rul+jωLul)//2jωCul=2(2Rf+2Rul-ω2CuLuRfl2)+2j(ωCuRuRfl2+2ωLul)(4-ω2Cu2RuRfl3-2ω2CuLul2)+j(4ωCuRfl+2ωCuRul2-ω3Cu2LuRfl3)]]>令，a＝2Rf+2Rul?ω2CuLuRfl2，b＝ωCuRuRfl2+2ωLul，c＝4?ω2Cu2RuRfl3?2ω2CuLul2，d＝4ωCuRfl+2ωCuRul2?ω3Cu2LuRfl3等效阻抗可簡化為：Zeq=2(ac+bd)c2+d2+j2(bc-ad)c2+d2]]>式中，Rf為故障過渡電阻，Cu、Lu、Ru分別為π模型電纜等效電路的單位電容、單位電感和單位電阻，l為故障距離，；S4、利用步驟S2中獲得的所述電壓和電流的幅值、特征角頻率、衰減系數(shù)和初始相角，重構(gòu)所述電壓和電流的原始波形，并根據(jù)所述電壓和電流的原始波形辨識由電纜起始端和大地構(gòu)成的二端口的視在阻抗Zsz的幅值和相角；S5、利用所述包含待測電纜線路參數(shù)和過渡電阻的等效阻抗Zeq和視在阻抗Zsz，基于故障定位條件|Re(Zsz)?Re(Zeq)|≤ε，|Im(Zsz)?Im(Zeq)|≤ε，獲得由故障距離曲線和過渡電阻曲線構(gòu)成故障判別曲線，兩條曲線的交點(diǎn)即為當(dāng)前故障條件下的故障距離和過渡電阻，其中，Re(ZSZ)和Im(ZSZ)分別表示視在阻抗的實(shí)部和虛部，Re(Zeq)和Im(Zeq)分別表示等效阻抗的實(shí)部和虛部，ε為預(yù)定精度。...

【技術(shù)特征摘要】

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：吳俊勇，林芳雯，郝亮亮，
申請(專利權(quán))人：北京交通大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：北京;11