一种网格型海底观测网直流供电系统故障定位方法技术方案

本发明专利技术提供一种网格型海底观测网直流供电系统故障定位方法，首先对网格型海底直流进行简单的故障电流分析，并在此基础上完成量测分支单元的选取，在主分支单元处测量故障电流的极性和波形，计算峭度和TK能量两种故障电流时域特征，形成了网格型海底观测网直流供电系统故障特征矩阵，首先通过极性电流矩阵判断故障区段，最后通过SVR算法判断故障距离。本发明专利技术能够准确判断故障位置，且本发明专利技术计算简单，抗噪能力强，对数据窗长度和采样频率要求较低，通常故障后1ms内即可完成。通常故障后1ms内即可完成。通常故障后1ms内即可完成。

【技术实现步骤摘要】
一种网格型海底观测网直流供电系统故障定位方法


[0001]本专利技术属于电力系统继电保护
，尤其指一种网格型海底观测网直流供电系统故障定位方法。

技术介绍

[0002]在目前的研究中，海底观测网供电系统主要为由海底光电复合缆连接而成的网格形、环形供电网络，多采用单极恒压直流供电方式。
[0003]由于海底观测网独特的地理位置，海缆的运行环境十分恶劣，海缆的故障率居高不下。并且与陆地直流系统不同，海底观测网直流供电系统系统惯性小、阻尼弱，故障电流上升速度快、冲击大，会对用电设备的安全产生重大威胁。除此之外，海底光电缆承担着整个海底观测网信息的通讯任务，故障信息的采集和传输受到很大的制约。海底直流供电系统故障承受能力弱，需要研究准确快速且对通讯要求不高的故障定位方法来确保海底观测网供电系统的安全可靠运行。
[0004]故障准确定位是故障隔离后直流系统快速恢复的关键前提，在目前的研究中，直流供电系统定位系统总体上可以分成有源法和无源法两种。其中有源故障定位方法可以分为两种：一种是通过在直流系统中增设串联电容支路与测距模块等附加注入装置，利用注入装置与直流网络构成的二阶振荡放电回路，提取RLC放电电流振荡频率、衰减系数等故障特征来估算故障距离。此类方法需要外加注入装置经济性较差，且海底观测网接驳盒的大小有限，没有安装注入装置的空间。另一种是利用变换器或固态断路器等电力电子装置的高可控性和灵活性，实现特定信号零成本注入。但是该方法仅适用于各端口均为具有故障穿越能力的全桥型MMC或混合MMC直流系统，可应用范围窄。而现有的无源故障定位方法主要包括行波定位法与参数识别定位法两类方法。行波法故障定位精度完全依赖于行波波头提取与波速选取，行波波头识别易受采样频率、背景噪声等外界因素干扰，存在波头检测失败的风险，并且电缆趋肤效应与线路频变特性引发的行波波速变化会进一步影响故障定位精度。参数辨识法计算量小，对采样频率要求较低，但故障距离估算受过渡电阻、微分项计算误差、线路分布电容等因素影响较大。
[0005]由于海底观测网直流供电系统恶劣的运行环境，目前已有的故障定位方法中对设备要求较高的有源定位法和对采样通信同步性要求较高的行波法并不适合，考虑使用参数辨识法对海底直流供电系统进行故障定位。同时由于网格型海底观测网直流供电系统的故障拓扑非常复杂，可用量测数据有限，且采样的频率和采样的同步性均会受到一定程度上的限制，因此需要提出适用于网格型海底观测网供电系统，定位精度高、抗噪能力强、对采样和通信要求不高的定位算法。

技术实现思路

[0006]本专利技术实施例的目的在于提供一种网格型海底观测网直流供电系统故障定位方法，以提高故障定位的精度及抗噪能力，解决现有技术对采样及通信因素要求过高的问题。
[0007]为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案是，一种网格型海底观测网直流供电系统故障定位方法，包括以下步骤：S1、根据环形海底直流供电系统的拓扑选择故障采样点及采样参数；S2、根据电流变量确定故障时刻，采样故障电流数据；S3、通过采样电流极性判断故障区段，根据采样故障电流计算峭度系数和TK能量，确定故障特征矩阵；S4、以故障矩阵中的电流峭度、TK能量与电流极性作为输入，利用支持向量机回归算法确定故障发生位置。
[0008]进一步的，所述S1中根据网格型海底观测网直流供电系统拓扑，选择三端均连接分支单元的故障电流采样点，各采样点实时采集电流信号，存储1ms的电流波形和极性数据，采样频率设置为10kHz。
[0009]进一步的，所述S2具体为，首先设定故障启动判别阈值：；其中，为电流突变量，为额定直流电流；当电流突变量满足上式时，系统启动故障定位流程，同时标记当前时刻为故障时刻，故障电流采样分支单元采样并存储故障后1ms内的电流数据。
[0010]进一步的，所述S3具体包括以下步骤：S301、通过采样电流极性判断故障区段；S302、根据1ms采样故障电流数据计算峭度系数和TK能量，由峭度系数和TK能量和电流极性构成故障特征矩阵。
[0011]进一步的，所述S301中，通过采样电流极性判断故障区段具体为：将故障区段分成三类：D.一端连岸基站另一端连连接主干分支单元即故障电流采样点的区段Line1、Line16；E.只有一端连接主干分支单元且另一端连接接驳盒的区段Line12~15；F.区段两端均连接主干分支单元的Line2~11；当主分支节点与岸基站之间的电流极性为从分支单元流向岸基站时，故障发生在区段A；当主分支单元处除流向该区段电流的另外两个电流均流入该分支单元时，故障发生在区段B，当通过两个主节点流向彼此的电流方向相反时，故障发生在区段C。
[0012]进一步的，所述S302中，计算峭度系数和TK能量具体为：对于含N个采样点的离散电流信号X
i
，峭度通过信号四阶中心矩比二阶中心矩的平方计算：;其中，表示采样电流输入信号序列，表示电流的峭度，表示信号
的标准差，表示信号的数学期望；TK能量的计算方法如下：;其中，表示电流的TK能量，表示信号的长度，分别表示时刻采样电流信号幅值。
[0013]进一步的，所述S4具体如下：S401、给定电流数据的训练集为，其中为样本数量；为输入值，表示实数，即各采样故障电流的峭度系数和TK能量，为输入值维数；为对应的输出值，即故障点到其对应的分支单元处的故障距离；通过非线性函数将训练集数据映射到高维线性空间，得到样本回归函数，如下式：;式中，为权值向量，为常数，为样本回归函数；是转置符号；S402、利用拉格朗日函数得到回归模型的等价约束最优化问题，如下式：;式中，max表示最大化函数，为拉格朗日系数，为训练集中样本的序号；分别为训练集中第个样本的输入值，为对应的输出，，，且；为拉格朗日乘数；为惩罚系数；为随机误差，其中为核函数；S403、通过S402所示的最优化问题，可以得到训练好的回归函数的表达式为：;S404、每次定位时将故障特征输入训练好的回归函数，即可得到本次定位的故障
距离。
[0014]进一步的，每次故障保护算法定位完成后，存储本次故障工况下的采样故障电流数据与实际故障区段和故障位置，加入支持向量机回归算法的训练集。
[0015]本专利技术的有益效果是：1、网格型海底观测网直流供电接地发生单相接地故障后，双端MMC子模块迅速放电产生故障电流，故障初期故障电流由岸基站流入故障点，而故障电流的极性与波形的峭度和TK能量能够共同反应故障电流的分布特征。本专利技术通过计算分析故障电流极性与波形的峭度和TK能量三种故障时域特征，形成故障特征矩阵，并使用SVR算法建立故障电流特征矩阵与故障位置之间的映射，从而能准确判断故障位置。
[0016]2、本专利技术只需检测故障电流，不需要安装电压互感器及注入装置，且通过对量测节点的选取，大大减少了故障信息的通讯量，同时本专利技术以单端故障电流特征作为定位判据，对通信和采样的时间同步性没有高要求。本专利技术同时完成了故障线路和故障距离的判别，且故障电流波形的峭度和TK能量特征计本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种网格型海底观测网直流供电系统故障定位方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、根据环形海底直流供电系统的拓扑选择故障采样点及采样参数；S2、根据电流变量确定故障时刻，采样故障电流数据；S3、通过采样电流极性判断故障区段，根据采样故障电流计算峭度系数和TK能量，确定故障特征矩阵；S4、以故障特征矩阵中的电流峭度、TK能量与电流极性作为输入，利用支持向量机回归算法确定故障发生位置。2.根据权利要求1所述的一种网格型海底观测网直流供电系统故障定位方法，其特征在于，所述S1中根据网格型海底观测网直流供电系统拓扑，选择三端均连接分支单元的故障电流采样点，各采样点实时采集电流信号，存储1ms的电流波形和极性数据，采样频率设置为10kHz。3.根据权利要求1所述的一种网格型海底观测网直流供电系统故障定位方法，其特征在于，所述S2具体为，首先设定故障启动判别阈值：；其中，为电流突变量，为额定直流电流；当电流突变量满足上式时，系统启动故障定位流程，同时标记当前时刻为故障时刻，故障电流采样分支单元采样并存储故障后1ms内的电流数据。4.根据权利要求1所述的一种网格型海底观测网直流供电系统故障定位方法，其特征在于，所述S3具体包括以下步骤：S301、通过采样电流极性判断故障区段；S302、根据1ms采样故障电流数据计算峭度系数和TK能量，由峭度系数和TK能量和电流极性构成故障特征矩阵。5.根据权利要求4所述的一种网格型海底观测网直流供电系统故障定位方法，其特征在于，所述S301中，通过采样电流极性判断故障区段具体为：将故障区段分成三类：A.一端连岸基站另一端连连接主干分支单元即故障电流采样点的区段Line1、Line16；B.只有一端连接主干分支单元且另一端连接接驳盒的区段Line12~15；C.区段两端均连接主干分支单元的Line2~11；当主分支节点与岸基站之间的电流极性为从分支单元流向...

【专利技术属性】
技术研发人员：帅智康，吴礼娉，何梨梨，周韬，李杨，王伟，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：