一種艦船直流區(qū)域配電系統(tǒng)故障定位方法

童正軍，李白，姜遠志

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一種艦船直流區(qū)域配電系統(tǒng)故障定位方法

童正軍1，李白2，姜遠志2

(1. 海軍裝備部，北京 100841；2. 海軍工程大學(xué)艦船綜合電力技術(shù)國防科技重點實驗室，武漢 430033)

短路故障對艦船電力系統(tǒng)危害極大，必須對系統(tǒng)中出現(xiàn)的短路故障迅速定位并及時排除，以減少損失。針對直流區(qū)域配電這一新型配電方式，提出了一種采用故障特征集匹配來進行故障定位的方法。經(jīng)仿真試驗驗證，該方法可以快速定位故障位置，為及時排除故障保證艦船電力系統(tǒng)的安全運行提供了必要的技術(shù)支持。

短路故障 直流區(qū)域配電 故障特征集 故障定位

0 引言

短路故障定位是關(guān)系到艦船電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的重要問題，隨著艦船電力系統(tǒng)規(guī)模日益龐大，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，對電力系統(tǒng)的故障定位方法提出了更高的要求。同時，隨著艦船直流區(qū)域配電技術(shù)的應(yīng)用，使得如文獻[1]中所研究的一些對交流系統(tǒng)行之有效的故障定位方法也失去了作用，為此需要針對這一問題提出新的解決辦法。

目前國內(nèi)外對艦船電力系統(tǒng)故障定位這一課題研究成果所見不多。國外曾用陸用的一些故障定位方法如行波法在艦船電力系統(tǒng)故障定位這一課題上做了嘗試，文獻[2]中對這種方法的應(yīng)用作了詳細的闡述。該方法通過發(fā)生故障時對一段傳輸線兩個端點電壓與電流故障特征信號的提取，用CWT（continuous wavelet transform）處理并分析數(shù)據(jù)來進行故障定位，結(jié)果表明這種方法可以定位故障的位置誤差在1 m以內(nèi)。但是這種方法定位范圍較小，僅能對在一個配電區(qū)域一側(cè)的母線上的故障進行定位，跨區(qū)域故障定位時誤差明顯增大，實用性不強。

實際應(yīng)用中，差動保護可以通過采集差動電流信號，判斷短路故障是否在被保護區(qū)域內(nèi)，實現(xiàn)定位的完全選擇性，差動保護的原理如圖1所示。但是差動保護需要在每段被保護線路兩端設(shè)置差動傳感器，在配電板中占用了大量的空間。如果所有線路均設(shè)置差動保護則將導(dǎo)致配電板異常龐大，適裝性較差。因此，現(xiàn)在的做法是僅在主干線路設(shè)置差動保護，在整個系統(tǒng)上差動保護原理并不適用。

綜上所述，現(xiàn)有的故障定位方法無論是從應(yīng)用性還是從適裝性考慮都有一定的缺陷。

圖1差動保護原理示意圖

本文提出了一種基于故障特征集匹配的艦船直流區(qū)域配電系統(tǒng)故障定位方法。該方法利用構(gòu)成直流區(qū)域配電系統(tǒng)的各主要設(shè)備所具有的故障保護功能，如斬波器、逆變器在出現(xiàn)短路故障時輸出電流保持為額定電流值兩倍這一性能，選取了電流為特征量，通過對故障處的開關(guān)電流值進行提取，分析其故障特征，建立標(biāo)準故障特征集，從而進行故障定位。

1 故障定位的基本原理

針對典型艦船直流區(qū)域配電網(wǎng)絡(luò)，在整個系統(tǒng)中共設(shè)置了3處典型故障，故障位置分別如圖2所示。建立標(biāo)準故障特征集，對3處故障分別進行故障定位研究。

對3種典型故障一一進行分析，根據(jù)不同情況下開關(guān)處電流值的大小對相應(yīng)變量賦值，形成了包含以上三種典型故障的標(biāo)準故障特征集。規(guī)定：數(shù)值0代表所采集的開關(guān)處電流值降為0，數(shù)值1代表所采集的開關(guān)處電流值無意義，數(shù)值2代表所采集的開關(guān)處電流值為額定電流值的兩倍。

圖2 系統(tǒng)典型故障設(shè)置及開關(guān)編號

據(jù)上所述，形成標(biāo)準故障特征集，與故障時開關(guān)處的電流值及故障位置的對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

建立標(biāo)準故障特征集以后，通過分析采集到的開關(guān)電流，進行對比判斷，從而定位故障位置。整個過程的流程圖如圖3所示。

2 故障定位的程序?qū)崿F(xiàn)

在PSCAD/EMTDC中搭建艦船電力系統(tǒng)仿真模型，運行仿真系統(tǒng)。故障定位程序通過對提取的5路電流值的特征進行分析，從而確定故障位置，并將定位結(jié)果顯示在面板上，實現(xiàn)流程如圖4所示。

為了實現(xiàn)上述功能，首先要對PSCAD/EMTDC與MATLAB的接口進行研究[3-5]。PSCAD/EMTDC是暫態(tài)分析程序，MATLAB是數(shù)學(xué)模型軟件包，它們之間具有互補性，通過兩者之間的接口能把它們的優(yōu)點結(jié)合起來。通過PSCAD/EMTDC程序與MATLAB語言接口，用戶可以編制M文件來實現(xiàn)特定的功能，由于M文件采用語法簡單、可讀性強、調(diào)試容易、人機交互性強的MATLAB語言來編制，因此可以方便地根據(jù)需要自定義元件模型，并與PSCAD/EMTDC中的元件模型進行連接。

圖3 故障定位流程圖

1）PSCAD與MATLAB接口原理

PSCAD/EMTDC與MATLAB接口的界面如圖5所示，圖中假定有m個輸入量，n個輸出量，通過接口中MATLAB的M文件對m個輸入量進行處理，得到n個所需要的輸出量。

圖4 故障定位程序運行流程圖

圖5 PSCAD/EMTDC與MATLAB接口的界面

PSCAD/EMTDC內(nèi)有一個Fortran文件DSDYN，通過它可以調(diào)用外部Fortran子程序。該Fortran子程序可以啟動MATLAB數(shù)據(jù)引擎并建立起Fortran子程序和MATLAB數(shù)據(jù)引擎之間的通信。同時，含有MATLAB命令的M文件也傳到MATLAB數(shù)據(jù)引擎中。這樣，PSCAD/EMTDC和MATLAB就緊密地結(jié)合了起來，下一步即可根據(jù)需要編制M文件，實現(xiàn)所需要的仿真。PSCAD/EMTDC與MATLAB接口的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖6所示。

2）PSCAD/EMTDC與MATLAB的接口實現(xiàn)

①接口規(guī)則

仿真模型調(diào)用M文件的語句為CALL MLAB_INT("%:Dir$Path", "$Name", "R(5)" , "R" )，其中的4個量分別代表M文件存放的位置，名稱，輸入5維REAL型數(shù)值，輸出1維REAL型數(shù)值。

圖6 PSCAD/EMTDC與MATLAB接口的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

②接口模塊

在PSCAD/EMTDC中搭建的故障定位模塊如圖7所示。

在故障定位模塊中，圖7(a)中I1,I2,I4,I5分別為斷路器Brki(i=1，2，4，5)處的直流電流值，I3_RMS為逆變器輸出側(cè)流過斷路器Brk3的三相電流的有效值。采樣的特征量(Sample模塊可設(shè)置采樣頻率)通過數(shù)據(jù)合并標(biāo)簽(最大合并12個量)合并成1個量為current5。

合并后的current5通過故障定位接口如圖7(b)所示輸入給編寫好的MATLAB程序進行故障判斷、決策，其中程序是放在圖7(c)所示文件中，故障定位的決策結(jié)果通過模塊中的FaultSite輸出，輸出值1、2、3為故障位置代號，代表三處故障位置F1-F3，其結(jié)果在圖7(d)的面板上顯示出來。

圖7 故障定位模塊

3 仿真試驗驗證

為了驗證該故障定位方法的有效性，在系統(tǒng)中進行了仿真試驗。試驗條件為電力系統(tǒng)帶300 kW電機負載、150 kW阻感負載，在4.5 s時負載已全部加載，系統(tǒng)穩(wěn)定運行。此時分別在F1、F2、F3處設(shè)置短路故障，故障定位的結(jié)果如下。

F1處發(fā)生短路故障時，5處開關(guān)處的電流值采樣波形及定位結(jié)果如圖8所示。

系統(tǒng)穩(wěn)定運行，在4.5 s時F1處發(fā)生短路故障。由圖8可知，發(fā)生短路故障以后，I1迅速增大至額定電流值的兩倍，I2、I5處電流值降為0，則可判斷出在斬波器輸出側(cè)到開關(guān)Q2之間的電纜上發(fā)生了短路故障。因為F1處的短路故障，逆變器1的輸出電流I3_RMS和逆變器2的輸入電流I4也變?yōu)?。

圖8顯示出了故障定位結(jié)果，4.5 s發(fā)生短路故障，0.16 s后，程序檢測到F1處發(fā)生短路故障，并給出定位結(jié)果。

①F2處發(fā)生短路故障時，5處開關(guān)處的電流值采樣波形及定位結(jié)果如圖9所示。

系統(tǒng)穩(wěn)定運行，在4.5 s時F2處發(fā)生短路故障。由圖9可知，發(fā)生短路故障以后，I1、I2迅速增大至額定電流值的兩倍，I4處電流值降為0，則可判斷出在Q2到Q4的電纜上發(fā)生了短路故障。因為F2處的短路故障，逆變器1的輸入電流I5和輸出電流I3_RMS也變?yōu)?。

圖9顯示出了故障定位結(jié)果，4.5 s發(fā)生短路故障，0.16 s后，程序檢測到F2處發(fā)生短路故障，并給出定位結(jié)果。

圖8 F1故障定位結(jié)果

②F3處發(fā)生短路故障時，5處開關(guān)處的電流值采樣波形及定位結(jié)果如圖10所示。

圖9 F2故障時定位結(jié)果

系統(tǒng)穩(wěn)定運行，在4.5 s時F3處發(fā)生短路故障。由圖10可知，發(fā)生短路故障以后，I3_RMS迅速增大至額定電流值的兩倍，則可判斷出逆變器1輸出側(cè)發(fā)生了短路故障。I5為逆變器1的輸入電流，由于逆變器的輸出側(cè)短路，導(dǎo)致I5的電流值也迅速降低。I1為斬波器輸出電流，由于逆變器1的輸出側(cè)短路，系統(tǒng)負荷量減小，所以輸出電流值也降低。I2、I4為逆變器2的輸入電流，在逆變器1發(fā)生短路故障以后，發(fā)生了稍微的波動，但很快就恢復(fù)了穩(wěn)定，不影響其正常工作。

圖10顯示出了故障定位結(jié)果，4.5 s發(fā)生短路故障，0.019 s后，程序檢測到F3處發(fā)生短路故障，并給出定位結(jié)果。

圖10 F3故障時定位結(jié)果

4 結(jié)論

本文提出了一種采用故障特征集匹配進行故障定位的方法，建立標(biāo)準故障特征集并編寫PSCAD/MATLAB的接口程序。隨后，在艦船電力系統(tǒng)仿真模型中對該方法的可行性進行了驗證。仿真試驗結(jié)果表明，在系統(tǒng)中出現(xiàn)短路故障以后，通過該方法可以快速定位系統(tǒng)中的故障位置，對以后的工程應(yīng)用具有一定的參考價值。

[1] 沈兵, 甄洪斌, 張曉鋒．艦船復(fù)雜電力系統(tǒng)故障區(qū)域快速定位研究[J]．船電技術(shù), 2009, 29(10): 54-57．

[2] Ke Jia, David Thomas, Mark Sumner. A novel fault location algorithm uttlized in marine system with CWT[J]. 2011 The International Conference on Advanced Power System Automation and Protection, vol.1: 413-417.

[3] 鐘波, 趙華軍．PSCAD/EMTDC程序與MATLAB語言接口的研究[J]．廣東電力, 2005, 18(8): 28-30．

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[5] 袁欣．PSCAD/EMTDC與MATLAB接口技術(shù)在繼電保護仿真中的運用[J]. 電力學(xué)報, 2010, 25(3): 214-217．

A Fault Location Method in Shipboard DC Zonal Electrical Distribution Systems

Tong Zhengjun1, Li Bai2, Jiang Yuanzhi2

(1.Armament Department of the Navy, Beijing, 100841 2.National Key Laboratory for Vessel IPS Technology, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

U665.1 TM855

A

1003-4862（2014）08-0009-04

2014-02-24

國家自然科學(xué)基金（51377167）

童正軍（1982-）男，碩士，工程師。專業(yè)方向：電機控制。