【《直流线路故障定位的仿真设计分析案例》2300字】

直流线路故障定位的仿真设计分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u3500直流线路故障定位的仿真设计分析案例 1146121.1故障定位方案设计 1102271.1.1提取α和ωd 3185641.1.2故障定位模块的参数设计 476671.2直流线路故障位置识别仿真算例 4154131.2.1故障距离对位置识别的影响 5312161.2.2故障电阻对位置识别的影响 6232111.2.3故障距离和故障电阻对位置识别的影响 8故障定位方案设计在VSC-HVDC系统中添加一个故障位置识别模块，其设计结构如图5-1所示，当线路未发生故障时，模块中的电容Cm由于电源的供电，其电压值维持稳定；当系统中出现不对称故障后，直流断路器动作隔离故障，同时在延时继电器的作用下，电源不再对模块电容Cm供电，闭合S2定位，定位识别部分的电路与故障线路相连接形成RLC二阶振荡电路。图5-1故障定位模块示意图由于VSC-HVDC配电时的电压等级不高，大多无需远距离输送，因此我们设置故障后的振荡电路频率f<100Hz，线路采用集总参数模型，分析可得线路等值电容远远小于位置识别模块中的Cm，因此为简化计算，我们将分布电容的干扰设置为零，整个网络由R、L构成。单极接地故障发生后，故障支路与位置识别模块连接，构成的RLC二阶振荡电路如图5-2所示。图5-2单极故障后的等效放电电路图中，Cm、Lm：模块电容、模块电感；Vm：模块充电电源；Rm：电源电阻与模块电阻之和；R1、L1、R2、L2：线路等值电阻、电感；Rf：单极接地故障电阻。极间接地故障发生后，位置识别模块与故障支路形成的RLC二阶振荡电路如图5-3所示，与单极接地故障大致相同，区别在于线路电阻、电感扩大一倍。图5-3极间故障后的等效放电电路以单极接地故障为例，二阶放电回路的微分方程为:(5-1)其中，R=R1+Rf,L=L1+Lm,C=Cm。可推出回路电流为:(5-2)式中α为振荡回路的阻尼系数；ωd为特征频率：(5-3)(5-4)借助Prony算法提取α、ωd，故障距离d和故障电阻Rf为:(5-5)(5-6)式中，R0、L0为单位长度线路的电阻、电感。极间故障与单极接地故障推导过程一致，但实际距离为求得数据d的一半。因此下文仍只根据单极接地故障进行研究。提取α和ωd本文通过Prony算法获得α、ωd，此算法在电网的识别与定位被大量借助，通过线性配对，将指数函数与任何振幅Ai、相位θi、频率fi和阻尼系数αi结合，捕获样本数据。通用表达如下:(5-7)如含有n个采样点，式（5-7）可改写为:(5-8)式中，Δt为两次采样时间差。若该过程存在衰减现象，那么当直流分量q1=0、余弦分量q2=0时，式(5-8)转化为:(5-9)Prony算法实质上借助了最小二乘误差原理:(5-10)如果我们设计的振荡电路符合二阶欠阻尼振荡电路，那么我们可以借助Prony算法对放电电路的电流波形进行分许，计算得出α、ωd。根据式(5-9)和式(5-10)求取d、Rf。Prony算法的计算结果为:(5-11)故障定位模块的参数设计采用VSC-HVDC配电时多用故障电阻较小的电缆线路。因此本章故障电阻取0到50Ω，直流线路长度为5000m[27]，为了消除高频下参数大幅度波动的影响，参数在基频振荡时选取，且fmax<100Hz.。(5-12)并且确定振荡电路在欠阻尼情况下进行：(5-13)求解（5-12）和（5-113），计算得出故障识别模块得Lm、Cm。直流线路故障位置识别仿真算例在前述仿真的基础上，添加故障位置识别模块，以单极接地故障为例，模拟仿真验证本章设想。仿真模型如图5-1所示，仿真参数按表5-1所示进行设置：表5-1仿真参数参数数值线路电阻R0(Ω/km)0.132线路电感L0(mH/km)0.98线路长度l(km)5故障距离d(km)0-5故障电阻Rf(Ω)0-50模块电容器Cm(μf)62模块电感Lm(mH)40.4初始电容电压Vm(V)100采样频率fs(kHz)1故障距离对位置识别的影响当单极接地故障时，设置d=0.5km~4.5km，Rf=25Ω。获取的数据如下表5-2所示。表5-2不同故障距离的故障定位误差故障电阻Rf(Ω)故障距离d（km)定位结果(km)定位误差(%)阻抗计算(Ω)250.50.49960.0824.9883251.00.99930.06724.9887251.51.49910.0624.9885252.01.99880.0624.9888252.52.49860.05524.9889253.02.99840.05324.9884253.53.49810.05324.9885254.03.99800.05224.9885254.54.49790.04824.9886在保证故障电阻阻值不变的情况下，改变故障距离，当故障发生位置仅距离端口500m时，误差也只有0.08%，较为精确，此方案可以用来计算d与Rf。故障相对误差与故障距离及电阻关系如下图5-4所示。图5-4相对误差与故障距离及电阻关系由图可知，若故障电阻Rf恒定，误差与故障距离d呈负相关。究其原因，若故障近距离发生，回路电流αi值很大，干扰系统对α和ωd的捕获，从而影响的精确性。故障电阻对位置识别的影响当单极接地故障时，设置d=2.5km，Rf=5Ω~50Ω。获取的数据如下表5-3所示。表5-3不同故障电阻的定位结果故障电阻Rf(Ω)故障距离d(km)定位结果(km)定位误差(%)阻抗计算(Ω)52.52.50000.0005.0004102.52.49970.0129.9987152.52.49930.02814.9959202.52.49900.04019.9930252.52.49860.05624.9869302.52.49810.07629.9821352.52.49780.08834.9739402.52.49660.13639.9672452.52.49770.09244.9558502.52.49630.14849.9457在故障距离恒定的情况下，改变故障电阻Rf取值，当故障障电阻Rf取值为50Ω时，误差也仅为0.148%，具有极高的精确性，此方案可以用来计算d与Rf。图5-5反映了相对误差与故障距离Rf、电阻d关系。图5-5相对误差与故障距离及电阻关系由图可知，若故障距离d恒定，误差与故障电阻Rf呈正相关。究其原因，若故障电阻大，回路电流的αi值很大，系统振荡频率fi低，导致可以捕获的数据少，从而影响的精确性。故障距离和故障电阻对位置识别的影响当单极接地故障时，设置发生距离d=0.01km~4.9km，Rf=1Ω~50Ω。获取的数据如下表5-4所示。表5-4不同故障距离和不同故障电阻的定位结果故障电阻(Ω)故障距离（m)定位结果(m)定位误差(%)阻抗计算(Ω)11010.33.0001.00121500500.40.0801.0010125002500.40.0161.0010149004900.20.0041.0011101010.33.0009.999910500500.20.0409.99991025002499.80.0089.99991049004899.20.0169.999930109.91.00029.982630500499.40.12029.98313025002498.10.07629.98293049004897.00.06129.982650109.28.00049.946950500497.20.54049.9450由计算可得，当两变量同时改变，当线路发生条件极其恶劣的故障时，故障距离近且故障电阻Rf大，能够采样的数据很少，此时最大误差为8%；但多数情况下得最