一种统一潮流控制器接入线路故障定位方法及系统与流程

1.本发明涉及交流线路故障定位技术领域，特别是涉及一种统一潮流控制器接入线路故障定位方法及系统。


背景技术：

2.统一潮流控制器(unified power flow controller，upfc)作为新一代的facts装置，可以灵活控制线路潮流，同时为交流母线提供动态无功支撑，提高电力系统稳定性；模块化多电平换流器(modular multi
‑
level converter，mmc)可实现有功、无功独立控制，基于模块化多电平换流器的统一潮流控制器(mmc
‑
upfc)具有广阔的发展前景，并且已实现了高电压、大容量输电场合的工程应用。upfc接入线路发生短路故障后，如何实现精准的故障定位是加快恢复upfc接入线路供电能力以及upfc潮流调节功能的关键。而现有的交流线路故障定位方案，无论是利用行波原理，还是利用故障分析法实现故障定位，均存在易受过渡电阻影响的问题，使得故障定位不够准确。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种统一潮流控制器接入线路故障定位方法及系统，以提高故障定位的准确性。
4.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
5.一种统一潮流控制器接入线路故障定位方法，所述方法应用于连接有基于模块化多电平换流器的统一潮流控制器的输电线路，所述统一潮流控制器包括串联侧换流器和串联侧变压器，串联侧换流器通过串联侧变压器接入输电线路，所述方法包括：
6.统一潮流控制器接入的输电线路发生故障后，串联侧换流器闭锁并隔离发生故障的输电线路；
7.采用最近电平调制方式，使所述串联侧换流器向所述输电线路注入三相交流电压；
8.获取所述串联侧换流器在任意两个采样时刻向所述输电线路注入的每相的电压和电流；
9.将任意两个采样时刻故障相的电压和电流分别带入故障定位方程，联立计算故障距离，实现故障定位；所述故障距离为输电线路首端距离故障点的距离。
10.进一步地，所述采用最近电平调制方式，使所述串联侧换流器向所述输电线路注入三相交流电压，具体包括：
11.根据给定的交流输出电压参考值，利用公式确定所述串联侧换流器在每个输出时刻每相的上桥臂投入子模块个数和下桥臂投入子模块个
数；其中，分别为第k相的上、下桥臂子模块投入个数，n
k
为第k相上、下桥臂投入的子模块总个数，u
k
为给定的第k相交流输出电压参考值的瞬时值，u
c
为子模块电容电压的额定值，round()为对数值小数位进行四舍五入取整的函数；
12.对每相的上桥臂子模块或下桥臂子模块按照电容电压从小到大的顺序进行排序，获得每相排序后的上桥臂子模块或排序后的下桥臂子模块；
13.根据桥臂电流的方向、所述串联侧换流器在每个输出时刻每相的上桥臂投入子模块个数和下桥臂投入子模块个数，分别在每相排序后的上桥臂子模块或排序后的下桥臂子模块中确定投入的子模块；
14.根据每相中上桥臂投入的子模块和下桥臂投入的子模块，利用电容均压控制策略，使所述串联侧换流器的每相按照给定的交流输出电压参考值输出交流电压。
15.进一步地，所述任意两个相邻采样时刻之间的采样频率为5khz。
16.进一步地，所述故障定位方程为：
[0017][0018]
其中，u
m
、i
m
分别为输电线路在采样时刻m故障相的电压和电流，l为故障距离，i0为零序电流，r1、l1分别为输电线路单位长度正序电阻和电感值，k
r
、k
l
分别为输电线路电阻、电感的零序电流补偿系数，r
f
为故障点过渡电阻值。
[0019]
进一步地，所述故障定位方程为：
[0020][0021]
其中，u
m
、i
m
分别为输电线路在采样时刻m故障相的电压和电流，l为故障距离，r1、l1分别为输电线路单位长度正序电阻和电感值，r
f
为故障点过渡电阻值。
[0022]
一种统一潮流控制器接入线路故障定位系统，所述系统应用于连接有基于模块化多电平换流器的统一潮流控制器的输电线路，所述统一潮流控制器包括串联侧换流器和串联侧变压器，串联侧换流器通过串联侧变压器接入输电线路，所述系统包括：
[0023]
故障隔离模块，用于统一潮流控制器接入的输电线路发生故障后，串联侧换流器闭锁并隔离发生故障的输电线路；
[0024]
三相交流电压注入模块，用于采用最近电平调制方式，使所述串联侧换流器向所述输电线路注入三相交流电压；
[0025]
电压和电流注入模块，用于获取所述串联侧换流器在任意两个采样时刻向所述输电线路注入的每相的电压和电流；
[0026]
故障距离计算模块，用于将任意两个采样时刻故障相的电压和电流分别带入故障定位方程，联立计算故障距离，实现故障定位；所述故障距离为输电线路首端距离故障点的距离。
[0027]
进一步地，所述三相交流电压注入模块，具体包括：
[0028]
桥臂子模块投入单元，用于根据给定的交流输出电压参考值，利用公式
和确定所述串联侧换流器在每个输出时刻每相的上桥臂投入子模块个数和下桥臂投入子模块个数；其中，分别为第k相的上、下桥臂子模块投入个数，n
k
为第k相上、下桥臂投入的子模块总个数，u
k
为给定的第k相交流输出电压参考值的瞬时值，u
c
为子模块电容电压的额定值，round()为对数值小数位进行四舍五入取整的函数；
[0029]
排序单元，用于对每相的上桥臂子模块或下桥臂子模块按照电容电压从小到大的顺序进行排序，获得每相排序后的上桥臂子模块或排序后的下桥臂子模块；
[0030]
子模块确定单元，用于根据桥臂电流的方向、所述串联侧换流器在每个输出时刻每相的上桥臂投入子模块个数和下桥臂投入子模块个数，分别在每相排序后的上桥臂子模块或排序后的下桥臂子模块中确定投入的子模块；
[0031]
交流电压输出单元，用于根据每相中上桥臂投入的子模块和下桥臂投入的子模块，利用电容均压控制策略，使所述串联侧换流器的每相按照给定的交流输出电压参考值输出交流电压。
[0032]
进一步地，所述任意两个相邻采样时刻之间的采样频率为5khz。
[0033]
进一步地，所述故障定位方程为：
[0034][0035]
其中，u
m
、i
m
分别为输电线路在采样时刻m故障相的电压和电流，l为故障距离，i0为零序电流，r1、l1分别为输电线路单位长度正序电阻和电感值，k
r
、k
l
分别为输电线路电阻、电感的零序电流补偿系数，r
f
为故障点过渡电阻值。
[0036]
进一步地，所述故障定位方程为：
[0037][0038]
其中，u
m
、i
m
分别为输电线路在采样时刻m故障相的电压和电流，l为故障距离，r1、l1分别为输电线路单位长度正序电阻和电感值，r
f
为故障点过渡电阻值。
[0039]
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
[0040]
本发明提供了一种统一潮流控制器接入线路故障定位方法及系统，统一潮流控制器接入的输电线路发生故障后，串联侧换流器闭锁并隔离发生故障的输电线路，采用最近电平调制方式，使串联侧换流器向输电线路注入三相交流电压，获取串联侧换流器在任意两个采样时刻向输电线路注入的每相的电压和电流，将任意两个采样时刻故障相的电压和电流分别带入故障定位方程，联立计算故障距离，实现故障定位。本发明通过串联侧mmc换流器施加控制输出交流电压，其经串联侧变压器的耦合，向接入线路注入电压，进而可以与接入线路的故障点形成电流通路，进而计算故障距离，有效避免了端电源对故障点电流的助增作用，不受过渡电阻的影响，提高了故障定位的准确性。
附图说明
[0041]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0042]
图1为本发明提供的upfc接入线路故障定位示意图；
[0043]
图2为本发明提供的一种统一潮流控制器接入线路故障定位方法的流程图；
[0044]
图3为本发明提供的upfc串联侧采用的模块化多电平换流器的拓扑结构图；
[0045]
图4为本发明提供的upfc串联侧采用特殊控制方式向接入线路注入的交流电压波形图；
[0046]
图5为本发明提供的接入线路单相接地故障下线路电流波形图；
[0047]
图6为本发明提供的接入线路经0ω过渡电阻单相接地故障下故障定位结果图；
[0048]
图7为本发明提供的接入线路经100ω过渡电阻单相接地故障下故障定位结果图；
[0049]
图8为本发明提供的接入线路经0ω过渡电阻相间故障下故障定位结果图；
[0050]
图9为本发明提供的接入线路经50ω过渡电阻相间故障下故障定位结果图。
具体实施方式
[0051]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0052]
本发明的目的是提供一种统一潮流控制器接入线路故障定位方法及系统，以提高故障定位的准确性。
[0053]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0054]
本发明提供了一种统一潮流控制器接入线路故障定位方法，方法应用于连接有基于模块化多电平换流器的统一潮流控制器的输电线路，统一潮流控制器包括串、并联两侧，如图1所示，和分别表示两端系统等效电源，表示线路mn接入的upfc串联电压源电压，表示upfc并联侧注入电流，r
g
表示故障点过渡电阻，t
sh
表示串联侧变压器，t
se
表示并联侧变压器，qe表示网侧接地开关，qf1和qf2分别表示交流断路器，f表示故障点。
[0055]
统一潮流控制器由2个电压源型的换流器(并联侧换流器和串联侧换流器)组成。并联侧换流器通过1个并联变压器t
sh
接入输电线路，串联侧换流器通过1个串联变压器t
sh
接入输电线路，串、并联侧换流器直流侧采用背靠背形式连接。
[0056]
如图2所示，故障定位方法包括：
[0057]
s101，统一潮流控制器接入的输电线路发生故障后，串联侧换流器闭锁并隔离发生故障的输电线路；如图1所示，当接入线路(统一潮流控制器接入的输电线路)发生短路故障后，串联侧mmc闭锁，线路保护动作，线路两侧交流断路器qf1与qf2三相跳闸，而upfc并联侧可持续运行；线路去游离后，首先将upfc串联变压器网侧接地开关qe合闸，形成接地点；
然后通过改变串联侧换流器的控制方式，可输出交流电压。
[0058]
s102，采用最近电平调制方式，使串联侧换流器向输电线路注入三相交流电压，如图3所示，upfc串联侧采用模块化多电平换流器，其各相上、下桥臂均由n个半桥子模块与桥臂电感l
arm
串联而成，子模块电容电压为u
c
，且同一相上、下桥臂投入的子模块数量n满足：
[0059]
u
dc
＝(n
p
n
n
)u
c
＝nu
c
[0060]
式中：u
dc
表示直流侧电压，n
p
、n
n
分别表示上、下桥臂子模块投入数量。
[0061]
各相交流侧电压与上、下桥臂电压之间满足：
[0062][0063]
其中，u
j
表示串联侧mmc输出的第j相交流电压，u
pj
和u
nj
分别表示上、下桥臂的第j相电压。
[0064]
串联侧mmc采用最近电平调制方式，将设置好的交流输出电压参考值u
o
输入到桥臂调制与均压控制中，可直接通过改变上、下桥臂电压使串联侧mmc输出指定的三相交流电压。
[0065]
图3中，sm1‑
sm
n
均为半桥子模块，u
pa
、u
na
分别为上、下桥臂的a相电压，u
pb
、u
nb
分别为上、下桥臂的b相电压，u
pc
、u
nc
分别为上、下桥臂的c相电压，u
a
为串联侧mmc输出的a相交流电压，u
b
为串联侧mmc输出的b相电压，u
c
为串联侧mmc输出的c相电压。
[0066]
步骤s102具体包括：
[0067]
根据给定的交流输出电压参考值，利用公式和确定串联侧换流器在每个输出时刻每相的上桥臂投入子模块个数和下桥臂投入子模块个数；其中，分别为第k相的上、下桥臂子模块投入个数，n
k
为第k相上、下桥臂投入的子模块总个数，u
k
为给定的第k相交流输出电压参考值的瞬时值，u
c
为子模块电容电压的额定值，round()为对数值小数位进行四舍五入取整的函数；
[0068]
对每相的上桥臂子模块或下桥臂子模块按照电容电压从小到大的顺序进行排序，获得每相排序后的上桥臂子模块或排序后的下桥臂子模块；
[0069]
根据桥臂电流的方向、串联侧换流器在每个输出时刻每相的上桥臂投入子模块个数和下桥臂投入子模块个数，分别在每相排序后的上桥臂子模块或排序后的下桥臂子模块中确定投入的子模块；
[0070]
根据每相中上桥臂投入的子模块和下桥臂投入的子模块，利用电容均压控制策略，使串联侧换流器的每相按照给定的交流输出电压参考值输出交流电压。
[0071]
s103，获取串联侧换流器在任意两个采样时刻向输电线路注入的每相的电压和电流；
[0072]
s104，将任意两个采样时刻故障相的电压和电流分别带入故障定位方程，联立计算故障距离，实现故障定位；故障距离为输电线路首端距离故障点的距离。
[0073]
其中，故障定位方法采样频率的选择与常规线路保护基本一致，使用常规微机保护的5khz的采样频率即可满足要求。
[0074]
对于故障相线路，upfc串联侧换流器向接入线路注入的电压将在接地开关与故障点之间形成了电流通路，因此，直接采用单端量的解微分算法即可实现故障定位。
[0075]
采用单端量的解微分算法，对于接地故障，故障定位方程为：
[0076][0077]
其中，u
m
、i
m
分别为输电线路在采样时刻m故障相的电压和电流，l为故障距离，i0为零序电流，r1、l1分别为输电线路单位长度正序电阻和电感值，k
r
、k
l
分别为输电线路电阻、电感的零序电流补偿系数，r
f
为故障点过渡电阻值。
[0078]
对于相间故障，故障定位方程为：
[0079][0080]
其中，u
m
、i
m
分别为输电线路在采样时刻m故障相的电压和电流，l为故障距离，r1、l1分别为输电线路单位长度正序电阻和电感值，r
f
为故障点过渡电阻值。
[0081]
无论是接地故障还是相间故障，故障定位方程中均只含有l与r
f
两个未知数，因此，联立两个不同时刻的故障定位方程，即可计算出故障距离，实现故障定位。
[0082]
本发明在upfc接入线路故障隔离后，通过串联侧mmc换流器施加特殊控制输出交流电压，其经串联侧变压器的耦合，向接入线路注入电压，进而可以与接入线路的故障点形成电流通路，最终利用基于单端量的解微分算法计算故障距离，实现故障定位。该方法可有效避免端电源对故障点电流的助增作用，理论上不受过渡电阻的影响，提高了故障定位的准确性与可靠性，为upfc接入线路故障的快速恢复及其接入电网的安全稳定运行提供了有效保障。
[0083]
以下面的具体实施例来详细说明本发明的故障定位方法。
[0084]
upfc接入线路故障发生后，串联侧mmc快速闭锁，线路保护动作，两侧交流断路器三相跳开，接入线路隔断与两侧系统的联系，并进入去游离阶段，去游离时间约为200～300ms；
[0085]
upfc串、并联侧换流器均采用模块化多电平换流器拓扑结构，在线路隔离去游离期间，串联侧退出运行，而并联侧可持续运行，为交流母线补偿无功功率，并可以保持直流的稳定。
[0086]
在线路去游离结束后，将upfc串联变压器网侧接地开关qe三相合闸，为串联侧准备向接入线路注入的电压提供电流通路。
[0087]
模块化多电平换流器正常运行时，其各相上、下桥臂均由n个半桥子模块与桥臂电感l
arm
串联而成，子模块电容电压为u
c
，且同一相上、下桥臂投入的子模块数量n满足：
[0088]
u
dc
＝(n
p
n
n
)u
c
＝nu
c
[0089]
式中：u
dc
表示直流侧电压，n
p
、n
n
分别表示上、下桥臂子模块投入数量。
[0090]
各相交流侧电压与上、下桥臂电压之间满足：
[0091][0092]
串联侧mmc采用最近电平调制方式，可直接通过改变上、下桥臂电压输出指定的三相交流电压。交流输出电压对应的上、下桥臂子模块投入数量如下式所示：
[0093][0094]
将设置好的交流输出电压波形输入到桥臂调制与均压控制中，通过串联变压器的耦合，接入线路便可注入三相交流电压。upfc串联侧向接入线路注入电压幅值的选择，根据实际的工程参数，并考虑电力电子装备的电流耐受能力，选择合适的注入电压幅值大小。如图4所示的仿真波形，在t＝1.5s时串联侧注入三相对称的交流电压，其幅值为15kv，注入时长为60ms。
[0095]
以单相接地故障为例，图5为该故障类型下接入线路电流波形，对于故障相线路，upfc串联侧换流器向接入线路注入的电压将在接地开关与故障点之间形成了电流通路，产生明显的电流，而对于非故障线路，接入线路将不会产生电流；因此，upfc串联侧mmc向接入线路注入电压后，对接入线路电压、电流进行采样，该故障定位方法采样频率的选择与常规线路保护基本一致，使用常规微机保护的5khz的采样频率即可满足要求。
[0096]
本方法采用单端量的解微分算法，对于接地故障，故障定位方程为：
[0097][0098]
式中：u、i分别为接入线路故障相电压、电流；i0为零序电流；k
r
、k
l
分别为接入线路电阻、电感的零序电流补偿系数，其中r1、l1分别表示接入线路单位长度正序电阻和电感值，l表示故障距离，r
f
表示故障点过渡电阻值。
[0099]
对于相间故障，故障定位方程为：
[0100][0101]
由以上公式可知，无论是接地故障还是相间故障，故障定位方程中均只含有l与r
f
两个未知数，因此，联立两个不同时刻的故障定位方程，即可计算出故障距离，实现故障定位。
[0102]
图6、图7给出了长度为40km的接入线路分别发生经0ω和100ω过渡电阻的单相接地故障定位结果，图8、图9给出了接入线路分别发生经0ω和50ω过渡电阻的相间短路故障下故障定位结果；由以上故障测距结果可以看出，无论在接地故障还是相间短路故障定位场景中，该方案均具有较高的精度，并且在高阻故障场景下同样具有较高的准确性。
[0103]
图4
‑
图9的横坐标t均表示时间，单位为秒(s)。
[0104]
本发明提高了upfc接入线路的故障定位的准确性与可靠性，为upfc接入线路故障的快速恢复及其接入电网的安全稳定运行提供有效保障。
[0105]
本发明还提供了一种统一潮流控制器接入线路故障定位系统，系统应用于连接有基于模块化多电平换流器的统一潮流控制器的输电线路，其系统包括：
[0106]
故障隔离模块，用于统一潮流控制器接入的输电线路发生故障后，串联侧换流器闭锁并隔离发生故障的输电线路；
[0107]
三相交流电压注入模块，用于采用最近电平调制方式，使串联侧换流器向输电线路注入三相交流电压；
[0108]
电压和电流注入模块，用于获取串联侧换流器在任意两个采样时刻向输电线路注
入的每相的电压和电流；
[0109]
故障距离计算模块，用于将任意两个采样时刻故障相的电压和电流分别带入故障定位方程，联立计算故障距离，实现故障定位；故障距离为输电线路首端距离故障点的距离。
[0110]
三相交流电压注入模块，具体包括：
[0111]
桥臂子模块投入单元，用于根据给定的交流输出电压参考值，利用公式确定串联侧换流器在每个输出时刻每相的上桥臂投入子模块个数和下桥臂投入子模块个数；其中，分别为第k相的上、下桥臂子模块投入个数，n
k
为第k相上、下桥臂投入的子模块总个数，u
k
为给定的第k相交流输出电压参考值的瞬时值，u
c
为子模块电容电压的额定值，round()为对数值小数位进行四舍五入取整的函数；
[0112]
排序单元，用于对每相的上桥臂子模块或下桥臂子模块按照电容电压从小到大的顺序进行排序，获得每相排序后的上桥臂子模块或排序后的下桥臂子模块；
[0113]
子模块确定单元，用于根据桥臂电流的方向、串联侧换流器在每个输出时刻每相的上桥臂投入子模块个数和下桥臂投入子模块个数，分别在每相排序后的上桥臂子模块或排序后的下桥臂子模块中确定投入的子模块；
[0114]
交流电压输出单元，用于根据每相中上桥臂投入的子模块和下桥臂投入的子模块，利用电容均压控制策略，使串联侧换流器的每相按照给定的交流输出电压参考值输出交流电压。
[0115]
任意两个相邻采样时刻之间的采样频率为5khz。
[0116]
故障定位方程为：
[0117][0118]
其中，u
m
、i
m
分别为输电线路在采样时刻m故障相的电压和电流，l为故障距离，i0为零序电流，r1、l1分别为输电线路单位长度正序电阻和电感值，k
r
、k
l
分别为输电线路电阻、电感的零序电流补偿系数，r
f
为故障点过渡电阻值。
[0119]
故障定位方程为：
[0120][0121]
其中，u
m
、i
m
分别为输电线路在采样时刻m故障相的电压和电流，l为故障距离，r1、l1分别为输电线路单位长度正序电阻和电感值，r
f
为故障点过渡电阻值。
[0122]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0123]
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据
本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。