直流配電網(wǎng)線路故障測距新方法研究

謝紫漢

（國網(wǎng)湖南省電力公司郴州供電分公司，湖南 郴州 423000）

0 引 言

直流配電網(wǎng)是由直流母線直接給直流負荷進行供電，不需要通過逆變器進行轉(zhuǎn)換供電，由于直流負荷線損率小、可靠性高、不需要變頻控制器進行控制、可以與分布式電源進行兼容，可滿足當前配電網(wǎng)絡(luò)快速發(fā)展的需求。因此，近年來直流電網(wǎng)快速發(fā)展，廣泛應(yīng)用在電力系統(tǒng)中。直流配電網(wǎng)線路發(fā)生故障時，需要快速檢測與恢復(fù)故障位置機械能，以免線路故障范圍進一步擴大，造成嚴重的電力安全事故。因此，準確測量直流配電網(wǎng)線路故障的距離，對加快恢復(fù)直流配電網(wǎng)正常運行具有重要意義。目前，國外的直流線路故障測距方法大部分適合高壓長距離的直流輸電系統(tǒng)，不適合線路距離比較短的直流配電網(wǎng)系統(tǒng)，無法準確測量直流配電網(wǎng)故障的距離。行波測距法利用故障線路上波阻抗不連續(xù)節(jié)點的反射特點進行測量，由于故障暫態(tài)信號在網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過多次發(fā)射，無法準確識別故障行波，需要多次進行采樣，增加了測量成本[1]。因此，需要研究新型直流配電網(wǎng)線路故障測距方法，提高線路故障距離測量的準確性和及時性。

1 直流配電網(wǎng)線路故障測距常見方法

1.1 行波測距法

行波測距法是根據(jù)行波理論進行測距的方法，在故障發(fā)生線路初始端注入脈沖信號，根據(jù)脈沖信號在檢測裝置到故障點的往返時間測定距離。如果線路出現(xiàn)故障，故障點受到附近電源的影響，故障線路出現(xiàn)接近光速傳播的電壓和電流行波，根據(jù)初始點到達檢測母線的時間和故障點的反射波確定到達檢測母線的時間差、單端行波故障距離確定故障距離。線路故障行波測距的原理是利用最具魯棒性的單端阻抗確定故障發(fā)生區(qū)段，再利用小波變換的電流行波法計算故障距離。魯棒性指在有擾動和沒有建立系統(tǒng)動力學(xué)的條件下，電力系統(tǒng)保持穩(wěn)定性的能力。魯棒性阻抗測距方法可以確定故障發(fā)生的范圍，其計算誤差不會超過線路總長度的10%，加之行波測距的精確定位，其誤差范圍不會超過1 km。

1.2 兩端測距法

兩端測距法是同時利用線路兩端的電氣量實現(xiàn)的故障測距法。由于這種算法是利用兩端電流電壓推算到故障點電壓相等的條件獲得故障位置信息，因此從原理上不存在過渡電阻和對側(cè)系統(tǒng)阻抗影響的問題。在兩端測距法中，因為必須借助通信技術(shù)獲取對側(cè)的數(shù)據(jù)信息，所以就產(chǎn)生了兩端數(shù)據(jù)的同步問題。為解決兩端數(shù)據(jù)同步問題，在測量過程中需要投入時鐘同步設(shè)備，并設(shè)置專用的信息通道，確保測量兩端的數(shù)據(jù)信息同步，在一定程度上增加了測距成本[2]。

1.3 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)測距法

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)測距方法是利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對線路故障點距離進行測量。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模仿人腦神經(jīng)元，構(gòu)建一種簡單的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，按照不同的連接方式構(gòu)建不同的網(wǎng)絡(luò)，通過網(wǎng)絡(luò)的變換和動力學(xué)行為獲得并行分布式的信息處理能力。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)連接的神經(jīng)元特點、網(wǎng)絡(luò)連接的拓撲結(jié)構(gòu)、學(xué)習(xí)類型可以構(gòu)建不同的模型。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)本質(zhì)上是一種運算模型，由大量節(jié)點（神經(jīng)元）構(gòu)成，網(wǎng)絡(luò)中的每一個節(jié)點代表了一種特定輸出函數(shù)，并按照一定的學(xué)習(xí)算法調(diào)整網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值矩陣。配電線路故障測距是單端故障電氣量與故障點之間的對應(yīng)關(guān)系，將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運用在配電線路故障檢測過程中，可以利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非線性映射能，實現(xiàn)配電網(wǎng)線路故障測距功能。但是，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)測距方法需要利用大量已知的數(shù)據(jù)對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行訓(xùn)練，測距誤差受樣品大小的影響。此外，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模型與實際線路故障的數(shù)據(jù)有一定的誤差，其誤差可能影響最終測距誤差[3]。

2 直流配電網(wǎng)線路故障測距新方法

通過分析發(fā)現(xiàn)，上述3種常見的直線配電網(wǎng)線路故障測距方法存在測量成本高、測距誤差比較大的問題，因此需要研究一種新的直流配電網(wǎng)線路故障測距方法。本文提出一種離線注入測距法，這種測量方法是利用離線外接設(shè)備，也就是測距模塊為直流配電網(wǎng)線路故障測距提供信號，如果直流配電網(wǎng)出現(xiàn)短路故障，斷路器立即斷開，故障區(qū)域內(nèi)將測距模塊的電容和電感與線路電阻等效為RLC串聯(lián)電路。根據(jù)RLC串聯(lián)電路零輸入響應(yīng)的特點，在電容電流峰值時，電流感應(yīng)的瞬時電壓為0的特性，列出t時間內(nèi)的守恒方程，得出直流配電網(wǎng)線路故障距離和過度電阻。直流線路故障測距模塊由電源電壓、電容C、可調(diào)節(jié)電感L以及開關(guān)S1、S2等構(gòu)成。為了得到比較精準的數(shù)據(jù)信息，測距模塊可以重復(fù)測量電容電壓和電流值，取多次測量的平均值[4]。

2.1 離散化處理

由于直流配電網(wǎng)線路的電容放電過程中電流曲線表現(xiàn)出非線性特征，直接將采樣點帶入計算公式中會產(chǎn)生一定的誤差，因此需要對其離散化處理，對采用的數(shù)據(jù)進行調(diào)整，計算公式如下：

式（1）中，f(xn)表示第n次的采樣結(jié)果，f(xn+1)表示第n+1次采樣結(jié)果，yn表示調(diào)整后的第n次采樣結(jié)果，a表示調(diào)整系數(shù)，取值范圍為0＜a＜1。當0＜a＜0.5時，yn＜(xn+xn+1)/2；當a=0.5時，則yn=(xn+xn+1)/2；當0.5＜a＜1時，則yn＞(xn+xn+1)/2。因此，計算時可以調(diào)整系數(shù)，使yn=f[(xn+xn+1)/2]。

2.2 確定測距模塊電感參數(shù)

本文采用RLC二階電路零輸入響應(yīng)特點計算等效電阻，并通過能量守恒定律確定故障測距算法，所以測距模塊的電容初始電壓不會影響直流線路故障測距精度，電容值取值大的情況也不會影響測距結(jié)果。RLC電路等效電阻比較大時，二階零輸入相應(yīng)的電流上升率比較快，測距模塊電感則需要減少電容電流上升速度，降低系統(tǒng)采樣頻率。如果給定采樣頻率、電感參數(shù)設(shè)置不合理，則可能造成較大的誤差，所以需要增加RLC網(wǎng)絡(luò)等效電感量，降低采樣頻次。電感參數(shù)的確定步驟如下：首先給定任意一個電感值，計算出等效電阻值，根據(jù)等效電阻的數(shù)值和采樣頻率，確定下一個測量可采用的電感值；然后對測距電感數(shù)值進行調(diào)整，確保測距模塊在采樣頻率比較低的情況下取得比較高的測距精度[5]。

2.3 線路故障測距流程

直流配電網(wǎng)線路的永久性故障可以分為正極短路故障、負極短路故障、雙極短路故障3種。線路故障測距時，如果檢測到直流配電網(wǎng)線路發(fā)生短路故障，則立即切斷直流斷路器，切斷線路功率的傳輸。然后閉合斷路器開關(guān)，測距模塊的電壓源向電容充電，充電結(jié)束后斷開閉合開關(guān)，根據(jù)故障類別，確定閉合開關(guān)S1、S2的組合。如果是單級正極接地故障，則同時閉合開關(guān)S1到1端、S2到0端；如果是單級負極接地故障，則閉合開關(guān)S1到0端、S2到2端；如果是雙極短路故障，則需要閉合開關(guān)S1到1端、S2到2端。最后采集電容放電過程中的最大值和電壓值，根據(jù)RLC等效電阻，確調(diào)整測距模塊的電感值。為了提高測距精度，需要多次測量線路故障的距離。

2.4 仿真驗證

為了進一步驗證離線注入測距方法的準確性和實用性，需要利用計算機仿真軟件進行驗證。在測距過程中，還要考慮線路分布電容、采樣頻率及接地短路故障對測量結(jié)果的影響。考慮直流配電線路分布電容對故障測距的影響，設(shè)置過渡電阻為100 Ω，故障線路全長為3 km，接地短路故障測距誤差在分布電容范圍在10～60 pF波動很校，分布電容對接地短路故障測距結(jié)果的影響幾乎可以忽略不計；采樣頻率在10 kHz時，故障測量距離的誤差比較大；采樣頻率超過20 kHz的時候，測量誤差距離比較小，所以仿真試驗采樣頻率設(shè)置為20～60 kHz，過渡電阻數(shù)值范圍設(shè)置為0～120 Ω，在這個范圍內(nèi)的故障測量誤差控制在0.7%以內(nèi)，測量精度比較高。本文研究的新型直流線路故障測拒方法可以實現(xiàn)對故障點的精確定位，因此短路故障測距誤差比較小，可以忽略不計。

仿真時，需在軟件中構(gòu)建雙端直流配電網(wǎng)模型，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入仿真軟件進行驗證，仿真參數(shù)如表1所示。

表1 仿真參數(shù)

2.5 對比驗證

為了進一步驗證離線注入測距法優(yōu)劣，與行波測距法、兩端測距法和人工網(wǎng)絡(luò)測距法進行對比。行波測距法測量短距離配電網(wǎng)線路故障時，往往利用小波分析理論判斷波頭，再根據(jù)行波發(fā)送端在故障點之間往返一次的時間計算故障距離，但是其對采樣頻率要求比較高，仿真模型采用必須達到1 000 kHz，故障距離測量誤差控制在2%以內(nèi)；兩端測距法對直流配電網(wǎng)進線路進行故障測距，采樣頻率設(shè)置為20 kHz，配電網(wǎng)線路故障測距誤差控制在1%以內(nèi)，適用于換流器的直流母線并聯(lián)的大電容；人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)測距方法需要采集大量的直流配電線路數(shù)據(jù)信息。同時，通過測距類型、采樣頻率和測距誤差3個指標對比分析不同的測距方法，對比結(jié)果如表2所示。

表2 不同測距方法對比結(jié)果統(tǒng)計

通過表2可以看出，不考慮噪聲、電磁感應(yīng)等因素的影響，行波法和人工網(wǎng)絡(luò)測距方法的誤差在2%以內(nèi)，但是采用的頻率高于兩端測距法和離心注入測距法。

3 結(jié) 論

離線注入測距法應(yīng)用在直線配電網(wǎng)線故障測距過程中，測距模塊簡單，可以重復(fù)測量，測距可靠性和準確性比較高，采樣頻率低，成本比較低。與其他直流配電網(wǎng)故障測距方法相比，該方法采樣頻率要求比較低、測距精度高，在直線配電網(wǎng)線路故障測距中具有一定的應(yīng)用價值。