一种直流微网系统开关电源接地故障定位方法

1.本发明属于直流微网系统接地故障检测技术领域，具体涉及一种直流微网系统开关电源接地故障定位方法。


背景技术：

2.直流微网系统是电力系统输变电的重要组成部分，在系统中为各类用电设备提供直流供电。为了保证直流微网系统的稳定可靠运行，消除直流微网系统中存在的安全隐患，从而避免重大安全事故的发生，需要对直流微网系统进行接地故障监测和即时故障定位。在直流微网系统中，存在众多开关电源的并联支路，开关电源与直流微网系统进行电能交互，其安全性和可靠性将直接或间接影响到直流微网系统的安全性。当开关电源存在单点接地故障时，由于接地电流较小，开关电源能够继续工作，但这种潜在的问题必须及早发现定位，以免多点接地产生严重的事故；当开关电源的正负极同时存在接地故障时，将极大的提升开关电源工作的不稳定性，甚至导致短路问题，影响整个直流微网系统。
3.为了及时有效的定位直流微网系统中的接地故障，一般使用电桥法和信号注入法。
4.电桥法，如文献[费万民,张艳莉,吴兆麟.电力系统中直流接地电阻检测的新原理[j].电力系统自动化,2001(06):54-56]、文献[黄煜炜,秦金飞,刘妮妮,黄海宏.直流绝缘双桥臂不平衡桥差流检测方法[j].电器与能效管理技术,2019(11):57-61.doi:10.16628/j.cnki.2095-8188.2019.11.011]以及文献[刘妮妮.变电站直流电源系统绝缘检测及校验研究[d].合肥工业大学,2019]中记载，电桥法利用正负母线对地等效电阻的变化结合电桥来定位直流微网系统的接地故障，但其只能检测整个直流微网系统是否出现接地故障，如果要判断出现接地故障的支路，需要采集每条支路的电流，且检测准确度受传感器精度及检测算法影响较大，容易出现误动作。
[0005]
信号注入法，如文献[刘毕杰.直流系统绝缘监测与故障寻线装置的研究[d].东北电力大学,2019]以及文献[周军,刘毕杰,李曙光.基于改进变频二次注入法的直流系统绝缘检测技术[j].电测与仪表,2019,56(16):129-133.doi:10.19753/j.issn1001-1390.2019.016.021]中记载，该方法使用额外的信号注入设备向直流系统注入电流信号，根据电流信号的特征来确定接地故障的位置，易受到系统分布电容的干扰，且注入的信号会影响开关电源输出的电能质量，对直流微网系统的安全稳定运行可能产生影响。


技术实现要素：

[0006]
鉴于上述，本发明提供了一种直流微网系统开关电源接地故障定位方法，通过非侵入的检测方式检测直流微网系统正负母线电流，在不影响直流微网系统运行的前提下定位直流微网系统发生接地故障的开关电源。
[0007]
一种直流微网系统开关电源接地故障定位方法，所述直流微网系统包含正负直流母线以及n台多端口的开关电源，所述开关电源的一个端口与正负直流母线相连，且每台开
关电源在系统内具有唯一的地址码序列，n为大于1的自然数；开关电源采用功率信息复合调制技术将各自的地址码序列信息调制到流入及流出开关电源的能量上，同时定时检测正负直流母线上的电流信号，进而采用相应定位算法实现接地故障发生时故障电源的定位。
[0008]
进一步地，所述地址码序列采用二进制码。
[0009]
进一步地，所述功率信息复合调制技术即对生成开关电源pwm驱动信号的pwm载波或pwm调制波进行数据调制。
[0010]
进一步地，当对pwm载波进行数据调制时，不改变pwm载波的幅值，利用pwm载波的相位来表示地址码序列信息，pwm载波的频率为开关电源工作频率。
[0011]
进一步地，当对pwm调制波进行数据调制时，则由开关电源生成一路频率小于其工作频率的正弦载波，不改变该正弦载波的幅值，利用正弦载波的相位表示来地址码序列信息，将该正弦载波与原pwm调制波相叠加作为新的pwm调制波。
[0012]
进一步地，采用非侵入式的电流传感器磁环分别检测正负直流母线上的电流信号i

(t)和i-(t)，然后对这两组信号进行调理滤波处理后叠加得到电流信号i(t)，最后应用定位算法定位发生接地故障的开关电源。
[0013]
进一步地，所述定位算法的具体实现方式如下：
[0014]
(1)生成幅值固定，频率为数据载波频率，时长为t
code
的正弦信号，其中t
code
为码元周期；
[0015]
(2)对于任一开关电源i的地址码序列xi(m)，将其中的“1”替换成
“‑
1”，“0”替换成“1”，得到新的地址码序列x
′i(m)；将上述正弦信号与新地址码序列x
′i(m)中每一个数码进行相乘后拼接得到时长为mt
code
的信号yi(t)，其中i为开关电源序号，m为地址码序列的长度；
[0016]
(3)计算信号yi(t)与电流信号i(t)的互相关度，并将其峰值与阈值进行比较，若超出阈值则判定开关电源i发生接地故障；
[0017]
(4)若未检测到任何开关电源发生接地故障，则定时重复步骤(2)～(3)。
[0018]
进一步地，当对pwm载波进行数据调制后，码元周期t
code
＝k
·
ts；当对pwm调制波进行数据调制后，码元周期t
code
＝k
·m·
ts，其中ts为开关电源工作周期，k和m均为正整数且m≥2。
[0019]
进一步地，当对pwm载波进行数据调制情况下，所述数据载波频率为开关电源工作频率；当对pwm调制波进行数据调制情况下，所述数据载波频率为开关电源工作频率的1/m。
[0020]
进一步地，通过以下公式计算信号yi(t)与电流信号i(t)的互相关度；
[0021][0022]
在本发明方法中，系统内开关电源采用功率信息复合调制技术，将数字信息调制到流入流出开关电源的能量上并同时进行功率变换，即在不增加额外电路和线缆的情况下向微网系统内注入用于接地故障检测的特征信号，简化了故障定位系统的电路结构。另外，本发明方法采用码分复用技术，为系统内每台开关电源分配唯一地址码序列，使得不同开关电源的特征信号不会相互干扰；母线故障检测单元通过磁环检测等非侵入式检测方式检测系统内每台开关电源注入系统的特征信号，不需要修改系统结构，且仅需要检测母线的特征信号，该检测方式易于安装和拆卸，不需要检测每条开关电源支路，节省了检测成本。
[0038]
开关电源采用功率信息复合调制技术，具体为对生成开关电源pwm驱动信号的pwm载波或pwm调制波进行相移键控数字调制，相移键控调制的原理如图2所示，载波的幅值和频率固定，用载波的相位和分别表示“0”和“1”，传输一个码元的时长为t
code
，一个码元内包含整数个载波周期。
[0039]
对pwm载波进行数据调制的原理如图3所示，载波发生器根据基带数据进行相移键控调制，生成含基带数据信息的已调pwm载波，pwm载波的频率为开关电源的工作频率，已调pwm载波与pwm调制波比较后生成pwm驱动信号；对pwm载波进行数据调制后的码元周期t
code
满足t
code
＝k
·
ts(k∈n

)，其中ts为开关电源的工作周期。
[0040]
对pwm调制波进行数据调制的原理如图4所示，载波发生器根据基带数据进行相移键控调制，生成含基带数据信息的载波，载波的频率能被开关电源的工作频率整除，该载波与pwm调制波进行加和后作为已调pwm调制波与pwm载波比较后生成pwm驱动信号。对pwm载波进行数据调制后的码元周期t
code
满足t
code
＝k
·m·
ts(m≥2,k,m∈n

)，其中m
·
ts为载波发生器生成的载波周期。
[0041]
图1中的故障检测单元检测直流正负母线的电流i

(t)和i-(t)，再利用信号调理和滤波电路对接收的信号进行处理，得到处理后的电流之和i(t)，最后应用定位算法定位出现接地故障的开关电源，具体实现方式如下：
[0042]
(1)故障检测单元生成幅值固定、频率等于数据载波频率、时长为t
code
的正弦信号，将地址码序列xi(m)(i＝1,2,
…
,n)的“1”替换成
“‑
1”，“0”替换成“1”得到x
′i(m)(i＝1,2,
…
,n)，再将n个新地址码序列x
′i(m)(i＝1,2,
…
,n)分别与正弦信号相乘得到n个时长为mt
code
的信号yi(t)(i＝1,2,
…
,n)，表1所示序列码组xi(31)(i＝1,2,3)替换为x
′i(31)(i＝1,2,3)的结果如表2所示，取码组中第一个地址码x
′1(31)与故障检测单元生成的正弦信号相乘得到信号y1(t)如图5所示，其余地址码遵循相同规则即可得到yi(t)(i＝1,2,3)。
[0043]
表2
[0044]
序号12345678910111213141516x
′1(31)-1111-1-11-1-1-11-11-111x
′2(31)-1111-111-11-11-1-1111x
′3(31)-1111-11-11-1-11-11111序号17181920212223242526272829303132x
′1(31)11-111-11-1-111-1-1-1-1 x
′2(31)1-1-1-111-1-11-1-1-1-1-11 x
′3(31)-1-111-111-1-1-1-1-11-1-1 [0045]
(2)直流正负母线信号接收端依次计算yi(t)(i＝1,2,
…
,n)与i(t)的互相关值，将运算结果与预设阈值进行比较，判定超出阈值的地址码对应的开关电源出现接地故障。当i(t)中含有x1(31)序列信息时，y1(t)与i(t)的一个可能的互相关仿真结果如图6所示，其峰值为77.5，若预设阈值为50，该峰值超过预设阈值，则判定x1(31)序列对应的开关电源出现接地故障。
[0046]
yi(t)与i(t)互相关值的计算公式如下：
[0047]
[0048]
(3)若未检测到接地故障，重复步骤(1)、(2)。
[0049]
上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明，熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。