【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及电力系统直流输配电领域，具体涉及一种基于fcs-mpc的柔性直流电网短路故障检测方法。
技术介绍
1、基于模块化多电平变换器(modular multilevel converter，mmc)的柔性直流电网被广泛认为是实现大规模可再生能源并网的有效手段，但大量架空线的使用导致短路故障发生的概率大增，而且由于直流电网的弱阻尼特性，故障电流会在几毫秒内激增到额定值的数倍，对直流断路器的开断性能提出了很高的要求，会极大地增加系统建设的成本。
2、在柔性直流电网的短路故障保护过程中，故障检测时间越长，断路器动作时间则越晚，故障电流峰值便会越大。因此快速有效的短路故障检测手段是降低开断故障电流峰值，减少故障清除时间的重要保障。目前在柔性直流电网线路保护系统中一般采用行波保护为主保护，一般需要经3ms后向相应直流断路器发送保护指令，耗时较长。而已有的关于直流电网快速故障检测的研究中，大都依赖限流电抗器来提供边界条件，通过分析其电压或电流信息来判断故障类型与故障位置，但受过渡电阻的影响大，存在区内远端高阻故障与区外金属故障误判频繁的问题，并且需要增加额外的电压或电流传感器，增加了投资成本。如果能够在不额外增加设备的情况下，直接选取受过渡电阻影响小的换流站单端量来进行故障识别，则可以大大加快故障检测时间，又具有良好的经济效益。
3、考虑到在mmc的有限控制集模型预测控制(finite control set modelpredictive control，fcs-mpc)算法中，可以利用当前时刻的状态量预测
技术实现思路
1、针对现有技术的不足与存在的问题，本专利技术提出了一种基于fcs-mpc的柔性直流电网短路故障检测方法，其特征在于，该方法通过计算当前时刻mmc换流站各相内上下桥臂电压之和的预测值和实测值的差值来判断换流站所连线路是否发生短路故障，并通过换流站近端线路电流变化率进一步判断故障位置，整个检测过程用时不超过两个采样周期，检测完成后，则将保护命令发送给相应的直流断路器，使得断路器尽早动作，进而加快故障隔离速度。具体包括以下步骤：
2、步骤1：利用一种可用于柔性直流电网应用场合的fcs-mpc算法得到当前时刻mmc各相上下桥臂需要导通的子模块数的预测值，计算当前时刻各桥臂子模块电容电压测量值的平均值，并与所得的各桥臂需要导通的子模块的预测值对应相乘，将所得的同相上下桥臂电压值相加，得到当前时刻各相内桥臂电压之和的预测值；
3、步骤2：利用mmc直流电压、桥臂电感、桥臂等效电阻、上一时刻与当前时刻的环流测量值计算当前时刻各相内桥臂电压之和的实测值；
4、步骤3：在双端柔性直流电网中，利用mmc各相内桥臂电压之和的预测值与实测值得到差值的绝对值，与电压保护阈值作比较，如果三相的平均值大于该电压保护阈值，则初步判断系统中出现短路故障，并通过比较mmc近端线路电流变化率与电流保护阈值的大小进一步判断故障具体位置；
5、步骤4：在多端柔性直流电网中，由于mmc换流站直流出口母线上连接多条线路，且线路长度不同，需要先确定故障点位于哪两个换流站之间，再根据电压保护阈值以及电流保护阈值来判断故障具体位置；
6、步骤5：确定故障位置后，向相应断路器发送预动作信号，即先进行第一次换流操作与快速机械开关分闸操作，同时行波保护主保护也会发挥作用，若直流系统主保护没有检测到线路故障，则不会向直流断路器发送保护信号，在直流断路器完成机械开关分闸操作后进行复归操作，即先执行快速机械开关合闸操作，待完全合闸后再进行开断直流断路器转移支路中固态开关的操作，使断路器恢复正常运行状态；反之则继续进行分闸操作，直到故障电流被完全切断。
7、具体的，在步骤1中，一种可用于柔性直流电网应用场合的fcs-mpc算法包括三个阶段；第一阶段为交流侧电流控制，通过履历包含上一时刻上桥臂与下桥臂导通子模块数组合以及相邻的四个组合，选出使得交流侧电流控制价值函数最小的上桥臂与下桥臂的导通子模块数；第二阶段为环流控制，在第一阶段的基础上，给上桥臂和下桥臂同时投入和切除α个子模块或只给上桥臂或下桥臂投入和切除α个子模块来抑制环流，α取值为0，1，2；第三阶段为优化交流侧电流控制，在第二阶段的基础上，选出最终使得交流侧电流控制价值函数最小的上桥臂与下桥臂的导通子模块数。当前时刻各相内桥臂电压之和的预测值计算公式为：
8、usumj_p(k)＝nnj_opt(k)ucnj_av(k)+npj_opt(k)ucpj_av(k)
9、其中，当前时刻为k时刻，ucxj_av为桥臂内子模块电压测量值的平均值，nxj_opt为桥臂内导通子模块数的预测值，j＝a，b，c，代表mmc的三相，x＝p，n，p代表mmc的上桥臂，n代表mmc的下桥臂；
10、具体的，在步骤2中，当前时刻各相内桥臂电压之和的实测值计算公式为：
11、
12、其中，ts为采样周期，udc为mmc的直流电压，l0为桥臂电感，r0为桥臂等效电阻，izj为环流测量值；
13、具体的，在步骤3中，各相内桥臂电压之和的预测值与实测值的差值的绝对值为：
14、δusumj_dif(k)＝|usumj_m(k)-usumj_p(k)|
15、电压保护阈值的表达式为：
16、
17、其中，req＝rl+2r0/3，rl为直流线路等效电阻，典型值为0.01ω·km-1，leq＝ll+ldc+2l0/3，ll为直流线路电感，典型值为0.82mh·km-1，ldc为限流电抗器，ceq＝6c0/n，c0为子模块电容，idc0为故障前直流电流初值。根据电压保护阈值的表达式与直流线路的阻抗分布特性可得，在配置平波电抗器容量较小的电网中，随着故障位置距离换流站越远，桥臂电压之和的预测值与实测值的差值的绝对值越小，因此以保护线路末端参数来整定电压保护阈值，可以实现低过渡电阻下故障的识别；针对高阻故障，则需要依据电流变化率来进一步判断故障位置；
18、首先定义直流电网中mmc近端直流线路上的电流正方向为母线指向线路，针对双端柔性直流系统，发生反向区外故障时，由于故障点位于mmc直流出口处，该mmc桥臂电压之和的预测值与实测值的差值的绝对值明显大于电压保护阈值uthr；而近端线路变化率为负且小于负的区外电流保护阈值ithr1，因此可依据此特征判断故障是否为反向区外故障，考虑到反向区外电流保护阈值太大会导致对高阻故障无法准确识别，太小会导致系统潮流变化等扰动因素引起保护的误动作，因此将δithr1设为区外直流故障电流变化率的1/2；
19、
20、发生正向区外故障时，若发生金属性故障，由于限流电抗器的存在，正向区外故本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于FCS-MPC的柔性直流电网短路故障检测方法，其特征在于，该方法通过计算当前时刻MMC换流站各相内上下桥臂电压之和的预测值和实测值的差值来判断换流站所连线路是否发生短路故障，并通过换流站近端线路电流变化率进一步判断故障位置，整个检测过程用时不超过两个采样周期，检测完成后，则将保护命令发送给相应的直流断路器，使得断路器尽早动作，进而加快故障隔离速度，具体包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤3中，电压保护阈值的计算表达式为：
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤4中，在多端柔性直流输电系统中存在单个MMC换流站上连接多条线路的情况；如果MMC近端线路电流变化率为负且小于负的区外电流保护阈值ithr1，即可判定为反向区外故障；如果存在某条线路电流变化率为正且大于区内电流保护阈值ithr2，则可确定故障点位于哪两个换流站之间，根据步骤3中双端柔直电网的故障检测方法判断故障具体位置，需要注意的是，由于流经线路上的电流不同，其电压保护阈值大小也不同。
【技术特征摘要】
1.一种基于fcs-mpc的柔性直流电网短路故障检测方法，其特征在于，该方法通过计算当前时刻mmc换流站各相内上下桥臂电压之和的预测值和实测值的差值来判断换流站所连线路是否发生短路故障，并通过换流站近端线路电流变化率进一步判断故障位置，整个检测过程用时不超过两个采样周期，检测完成后，则将保护命令发送给相应的直流断路器，使得断路器尽早动作，进而加快故障隔离速度，具体包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤3中，电压保护阈值的计...
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