一种基于柔性开关的配电网故障诊断与定位方法

技术领域

本发明属于配电网电力电子控制技术领域，涉及柔性开关的控制技术，尤其是一种基于柔性开关的配电网故障诊断与定位方法。

背景技术

现有文献中提出了多种算法来确定电力网络中的故障位置，常用的方法包括阻抗法、行波法和使用数字故障记录仪的方法。在故障诊断模式下，可采用距离继电器通过测量网络的视在阻抗来判断故障位置。基于阻抗计算法的电网故障诊断方法易于实现，不需要任何通信或远程测量手段就可以提供合理准确的结果。但是这些方法都需要在配电网中安装特定设备来实现故障诊断功能，经济投入大。

现有研究和实际工程应用中，柔性开关一般只用于电网正常运行时的功率控制，一旦电网发生故障，柔性开关和断路器协作切除故障馈线，等到故障清除后再投入运行。实际上，可将柔性开关用于电网馈线的故障诊断、故障类型分类和故障定位，实现“一机多用”，既能提高检测精度，又能降低经济成本。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种将柔性开关用于电网馈线的故障诊断和故障定位，实现“一机多用”，既能提高检测精度的基于柔性开关的配电网故障诊断与定位方法。

本发明采取的技术方案是：

一种基于柔性开关的配电网故障诊断与定位方法，包括一个典型的配电网馈线，采用柔性开关将馈线1和馈线2连接在一起，Z

步骤1：故障检测；

步骤2：确定故障位置；

步骤3：确定故障类型。

进一步的，所述步骤1中，在“f”点发生故障后，断路器R1会断开，负载L1和L2失电，此时柔性开关切换到故障诊断模式，连接到有故障的馈线的变流器VSC1充当电压源，在柔性开关的并网点GCP1处测量电压和电流，用于故障诊断；

定义故障指数FI如下：

式中，x代表a、b和c三相，

进一步的，所述步骤2中，在故障诊断模式下运行的柔性开关可等效为电压源；V

假设故障电阻很小，公式(2)适用于所有类型的短路故障；因此，故障点到测试点的距离(d)等于故障段线路与总线阻抗(Z

进一步的，所述步骤3中，故障馈线中的电压和电流取决于故障类型，故障类型可通过线电流和相电压的不同组合形式来表征。

进一步的，所述步骤3中，依据故障类型划分为单相故障，相间故障和三相故障，故障类型可通过线电流和相电压的不同组合形式来表征；根据相应的电压和电流特征来作为故障类型的判定标准，并测量GCP1处的电压和电流特征。

进一步的，所述步骤3中，单相故障以L

其中，单相故障L

上式中，

在柔性开关正常运行期间，柔性开关运行在功率控制模式，通过计算FI值来判断馈线是否存在故障；在故障发生后，故障馈线侧连接的柔性开关变流器迅速切断输出电压和电流，保持阻断状态，直到断路器断开故障馈线；柔性开关在断路器断开后切换到故障诊断模式，并确定故障类型和故障位置。

本发明的优点和积极效果是：

本发明中，使用柔性开关进行配电网馈线故障诊断能够克服常规故障诊断方案的缺点，具备如下优势：

(1)响应速度快：柔性开关的正常运行模式和故障诊断模式通过功率器件开关执行，无需担心机械开关中存在的开关触点介电强度问题。同时，故障恢复时间没有限制，可以根据网络需求选择合适的故障恢复时间。

(2)降低经济损失：柔性开关的正常运行模式和故障诊断模式可连续无缝切换，能够缩短故障恢复时间，降低相关经济损失。

(3)避免设备损坏和相邻馈线的电压波动：柔性开关在故障诊断模式下可将故障馈线的电压和电流维持在正常范围内，避免了传统方法反复投入/切除故障造成的设备损坏和相邻馈线的电压波动。

(4)无需安装专用故障诊断设备：柔性开关正常运行时作为能量转换装置，故障发生后作为故障诊断装置，无需在配电网中重复安装特定的故障诊断设备。

附图说明

图1为本发明中故障诊断模式下连接到柔性开关的配电网馈线的示意图；

图2为图1中故障馈线的等效单线图；

图3为柔性开关工作模式切换示意图；

图4为含柔性开关的配电网馈线简化拓扑图；

图5为柔性开关在故障诊断模式下的电网馈线图；

图6为柔性开关故障诊断方法验证模型；

图7为L

图8为L

图9为L

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明进一步说明，下述实施例是说明性的，不是限定性的，不能以下述实施例来限定本发明的保护范围。

一种基于柔性开关的配电网故障诊断与定位方法，包括一个典型的配电网馈线，采用柔性开关将馈线1和馈线2连接在一起，Z

步骤1：故障检测；

步骤2：确定故障位置；

步骤3：确定故障类型。

本实施例中，所述步骤1中，在“f”点发生故障后，断路器R1会断开，负载L1和L2失电，此时柔性开关切换到故障诊断模式，连接到有故障的馈线的变流器VSC1充当电压源，在柔性开关的并网点GCP1处测量电压和电流，用于故障诊断；

定义故障指数FI如下：

式中，x代表a、b和c三相，

进一步的，所述步骤2中，在故障诊断模式下运行的柔性开关可等效为电压源；V

假设故障电阻很小，公式(2)适用于所有类型的短路故障；因此，故障点到测试点的距离(d)等于故障段线路与总线阻抗(Z

本实施例中，所述步骤3中，故障馈线中的电压和电流取决于故障类型，故障类型可通过线电流和相电压的不同组合形式来表征。

本实施例中，所述步骤3中，依据故障类型划分为单相故障，相间故障和三相故障，故障类型可通过线电流和相电压的不同组合形式来表征；根据相应的电压和电流特征来作为故障类型的判定标准，并测量GCP1处的电压和电流特征。

本实施例中，所述步骤3中，如表1所示，单相故障以L

表1故障类型判定标准

表2各类故障下GCP1处的电压和电流

表2中，

在柔性开关正常运行期间，柔性开关运行在功率控制模式，通过计算FI值来判断馈线是否存在故障；在故障发生后，故障馈线侧连接的柔性开关变流器迅速切断输出电压和电流，保持阻断状态，直到断路器断开故障馈线；柔性开关在断路器断开后切换到故障诊断模式，并确定故障类型和故障位置。

本发明的使用过程是：

本发明如图6所示，采用6MVA容量的柔性开关将馈线1和馈线2连接在一起。馈线1有三段，每段长度为1km。馈线2(图中未显示)与馈线1相同。线路参数取自11kV通用配电网。Z

1、应用以上模型对本发明所述的配电网故障诊断与定位方法对馈线1中不同类型的故障进行了仿真验证。

2、故障类型识别

图7、8和9用于故障类型识别的电网连接点的电压和电流相量，针对每种故障情况，在位置f(即图6模型中的第②部分)处仿真故障。将各故障的电流值和电压值与标准值进行比较。可以观察到，在任何故障类型下，故障馈线的电流和电压都不为零，这是由于负载的存在，会引起小的电流(≈27A/相)和GCP1处的低电压。

3、故障检测和故障定位

表3列出了第①、②和③段不同故障类型下的FI值。FI数值在0.11-0.29之间表示接地故障，在0.09-0.23之间表示相间故障，在0.09-0.23之间表示平衡故障。FI数值远低于0.9时适用于各种类型的故障。在清除故障后，FI数值远高于上述阈值。

将GCP1处测得的电流和电压值代入方程，计算得到视在阻抗(Z

表3故障发生时和排除后的指数值

表4视在阻抗计算值、估计位置及位置估计误差

本发明中，使用柔性开关进行配电网馈线故障诊断能够克服常规故障诊断方案的缺点，具备如下优势：

(1)响应速度快：柔性开关的正常运行模式和故障诊断模式通过功率器件开关执行，无需担心机械开关中存在的开关触点介电强度问题。同时，故障恢复时间没有限制，可以根据网络需求选择合适的故障恢复时间。

(2)降低经济损失：柔性开关的正常运行模式和故障诊断模式可连续无缝切换，能够缩短故障恢复时间，降低相关经济损失。

(3)避免设备损坏和相邻馈线的电压波动：柔性开关在故障诊断模式下可将故障馈线的电压和电流维持在正常范围内，避免了传统方法反复投入/切除故障造成的设备损坏和相邻馈线的电压波动。

(4)无需安装专用故障诊断设备：柔性开关正常运行时作为能量转换装置，故障发生后作为故障诊断装置，无需在配电网中重复安装特定的故障诊断设备。