謝紫漢

（國(guó)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(fù)荷進(jìn)行供電，不需要通過(guò)逆變器進(jìn)行轉(zhuǎn)換供電，由于直流負(fù)荷線損率小、可靠性高、不需要變頻控制器進(jìn)行控制、可以與分布式電源進(jìn)行兼容，可滿足當(dāng)前配電網(wǎng)絡(luò)快速發(fā)展的需求。因此，近年來(lái)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(shí)，需要快速檢測(cè)與恢復(fù)故障位置機(jī)械能，以免線路故障范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，造成嚴(yán)重的電力安全事故。因此，準(zhǔn)確測(cè)量直流配電網(wǎng)線路故障的距離，對(duì)加快恢復(fù)直流配電網(wǎng)正常運(yùn)行具有重要意義。目前，國(guó)外的直流線路故障測(cè)距方法大部分適合高壓長(zhǎng)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(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量直流配電網(wǎng)故障的距離。行波測(cè)距法利用故障線路上波阻抗不連續(xù)節(jié)點(diǎn)的反射特點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，由于故障暫態(tài)信號(hào)在網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過(guò)多次發(fā)射，無(wú)法準(zhǔn)確識(shí)別故障行波，需要多次進(jìn)行采樣，增加了測(cè)量成本[1]。因此，需要研究新型直流配電網(wǎng)線路故障測(cè)距方法，提高線路故障距離測(cè)量的準(zhǔn)確性和及時(shí)性。

1 直流配電網(wǎng)線路故障測(cè)距常見(jiàn)方法

1.1 行波測(cè)距法

行波測(cè)距法是根據(jù)行波理論進(jìn)行測(cè)距的方法，在故障發(fā)生線路初始端注入脈沖信號(hào)，根據(jù)脈沖信號(hào)在檢測(cè)裝置到故障點(diǎn)的往返時(shí)間測(cè)定距離。如果線路出現(xiàn)故障，故障點(diǎn)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(diǎn)到達(dá)檢測(cè)母線的時(shí)間和故障點(diǎn)的反射波確定到達(dá)檢測(cè)母線的時(shí)間差、單端行波故障距離確定故障距離。線路故障行波測(cè)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(jì)算故障距離。魯棒性指在有擾動(dòng)和沒(méi)有建立系統(tǒng)動(dòng)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(cè)距方法可以確定故障發(fā)生的范圍，其計(jì)算誤差不會(huì)超過(guò)線路總長(zhǎng)度的10%，加之行波測(cè)距的精確定位，其誤差范圍不會(huì)超過(guò)1 km。

1.2 兩端測(cè)距法

兩端測(cè)距法是同時(shí)利用線路兩端的電氣量實(shí)現(xiàn)的故障測(cè)距法。由于這種算法是利用兩端電流電壓推算到故障點(diǎn)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(guò)渡電阻和對(duì)側(cè)系統(tǒng)阻抗影響的問(wèn)題。在兩端測(cè)距法中，因?yàn)楸仨毥柚ㄐ偶夹g(shù)獲取對(duì)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(wèn)題。為解決兩端數(shù)據(jù)同步問(wèn)題，在測(cè)量過(guò)程中需要投入時(shí)鐘同步設(shè)備，并設(shè)置專用的信息通道，確保測(cè)量?jī)啥说臄?shù)據(jù)信息同步，在一定程度上增加了測(cè)距成本[2]。

1.3 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)測(cè)距法

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)測(cè)距方法是利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)線路故障點(diǎn)距離進(jìn)行測(cè)量。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模仿人腦神經(jīng)元，構(gòu)建一種簡(jiǎn)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(guò)網(wǎng)絡(luò)的變換和動(dòng)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(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)連接的拓?fù)浣Y(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(yùn)算模型，由大量節(jié)點(diǎn)（神經(jīng)元）構(gòu)成，網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)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(cè)距是單端故障電氣量與故障點(diǎn)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)用在配電線路故障檢測(cè)過(guò)程中，可以利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非線性映射能，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)線路故障測(cè)距功能。但是，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)測(cè)距方法需要利用大量已知的數(shù)據(jù)對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，測(cè)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(shí)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(cè)距誤差[3]。

2 直流配電網(wǎng)線路故障測(cè)距新方法

通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，上述3種常見(jiàn)的直線配電網(wǎng)線路故障測(cè)距方法存在測(cè)量成本高、測(cè)距誤差比較大的問(wèn)題，因此需要研究一種新的直流配電網(wǎng)線路故障測(cè)距方法。本文提出一種離線注入測(cè)距法，這種測(cè)量方法是利用離線外接設(shè)備，也就是測(cè)距模塊為直流配電網(wǎng)線路故障測(cè)距提供信號(hào)，如果直流配電網(wǎng)出現(xiàn)短路故障，斷路器立即斷開(kāi)，故障區(qū)域內(nèi)將測(cè)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(diǎn)，在電容電流峰值時(shí)，電流感應(yīng)的瞬時(shí)電壓為0的特性，列出t時(shí)間內(nèi)的守恒方程，得出直流配電網(wǎng)線路故障距離和過(guò)度電阻。直流線路故障測(cè)距模塊由電源電壓、電容C、可調(diào)節(jié)電感L以及開(kāi)關(guān)S1、S2等構(gòu)成。為了得到比較精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)信息，測(cè)距模塊可以重復(fù)測(cè)量電容電壓和電流值，取多次測(cè)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(guò)程中電流曲線表現(xiàn)出非線性特征，直接將采樣點(diǎn)帶入計(jì)算公式中會(huì)產(chǎn)生一定的誤差，因此需要對(duì)其離散化處理，對(duì)采用的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整，計(jì)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(dāng)0＜a＜0.5時(shí)，yn＜(xn+xn+1)/2；當(dāng)a=0.5時(shí)，則yn=(xn+xn+1)/2；當(dāng)0.5＜a＜1時(shí)，則yn＞(xn+xn+1)/2。因此，計(jì)算時(shí)可以調(diào)整系數(shù)，使yn=f[(xn+xn+1)/2]。

2.2 確定測(cè)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(diǎn)計(jì)算等效電阻，并通過(guò)能量守恒定律確定故障測(cè)距算法，所以測(cè)距模塊的電容初始電壓不會(huì)影響直流線路故障測(cè)距精度，電容值取值大的情況也不會(huì)影響測(cè)距結(jié)果。RLC電路等效電阻比較大時(shí)，二階零輸入相應(yīng)的電流上升率比較快，測(cè)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(gè)電感值，計(jì)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(gè)測(cè)量可采用的電感值；然后對(duì)測(cè)距電感數(shù)值進(jìn)行調(diào)整，確保測(cè)距模塊在采樣頻率比較低的情況下取得比較高的測(cè)距精度[5]。

2.3 線路故障測(cè)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(fù)極短路故障、雙極短路故障3種。線路故障測(cè)距時(shí)，如果檢測(cè)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(kāi)關(guān)，測(cè)距模塊的電壓源向電容充電，充電結(jié)束后斷開(kāi)閉合開(kāi)關(guān)，根據(jù)故障類別，確定閉合開(kāi)關(guān)S1、S2的組合。如果是單級(jí)正極接地故障，則同時(shí)閉合開(kāi)關(guān)S1到1端、S2到0端；如果是單級(jí)負(fù)極接地故障，則閉合開(kāi)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(kāi)關(guān)S1到1端、S2到2端。最后采集電容放電過(guò)程中的最大值和電壓值，根據(jù)RLC等效電阻，確調(diào)整測(cè)距模塊的電感值。為了提高測(cè)距精度，需要多次測(cè)量線路故障的距離。

2.4 仿真驗(yàn)證

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

仿真時(shí)，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(jìn)行驗(yàn)證，仿真參數(shù)如表1所示。

表1 仿真參數(shù)

2.5 對(duì)比驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)證離線注入測(cè)距法優(yōu)劣，與行波測(cè)距法、兩端測(cè)距法和人工網(wǎng)絡(luò)測(cè)距法進(jìn)行對(duì)比。行波測(cè)距法測(cè)量短距離配電網(wǎng)線路故障時(shí)，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(diǎn)之間往返一次的時(shí)間計(jì)算故障距離，但是其對(duì)采樣頻率要求比較高，仿真模型采用必須達(dá)到1 000 kHz，故障距離測(cè)量誤差控制在2%以內(nèi)；兩端測(cè)距法對(duì)直流配電網(wǎng)進(jìn)線路進(jìn)行故障測(cè)距，采樣頻率設(shè)置為20 kHz，配電網(wǎng)線路故障測(cè)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(cè)距方法需要采集大量的直流配電線路數(shù)據(jù)信息。同時(shí)，通過(guò)測(cè)距類型、采樣頻率和測(cè)距誤差3個(gè)指標(biāo)對(duì)比分析不同的測(cè)距方法，對(duì)比結(jié)果如表2所示。

表2 不同測(cè)距方法對(duì)比結(jié)果統(tǒng)計(jì)

通過(guò)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(cè)距方法的誤差在2%以內(nèi)，但是采用的頻率高于兩端測(cè)距法和離心注入測(cè)距法。

3 結(jié) 論

離線注入測(cè)距法應(yīng)用在直線配電網(wǎng)線故障測(cè)距過(guò)程中，測(cè)距模塊簡(jiǎn)單，可以重復(fù)測(cè)量，測(cè)距可靠性和準(zhǔn)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(cè)距方法相比，該方法采樣頻率要求比較低、測(cè)距精度高，在直線配電網(wǎng)線路故障測(cè)距中具有一定的應(yīng)用價(jià)值。