CN112578198B - 一种基于暂态电流特性的船舶mmc-mvdc快速故障保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于暂态电流特性的船舶MMC‑MVDC快速故障保护方法，船舶MMC‑MVDC故障特性分析，包括故障瞬间MMC故障电流特性分析和多区域配电拓扑结构下故障电流特性分析；建立故障电流信息的样本数据库；满足故障启动判据后，采样暂态电流信息，对采样的电流信息进行突变点检测，剔除异常值；采用改进的余弦相似性算法计算采样电流信息与样本数据库中故障电流信息的相关程度以完成故障检测，并根据样本数据库中最大相关程度故障电流信息推测大致故障过渡电阻范围；根据满足故障阈值的各线路相关程度的正负性，替代故障瞬间电流方向，实现故障定位。本发明具有抗过渡电阻的能力，可解决现有船舶MMC‑MVDC故障检测时间长，检测算法复杂等缺点。

Description

一种基于暂态电流特性的船舶MMC-MVDC快速故障保护方法

技术领域

本发明涉及电力***技术领域，尤其涉及一种基于暂态电流特性的船舶MMC-MVDC快速故障保护方法。

背景技术

中压直流配电网(MVDC)具有发电效率高、配电效率高、可靠性高等优势，随着电力电子技术的不断发展和船舶电力***容量的增大，中压直流配电网成为未来船舶电力***的重要发展方向。但由于缺乏成熟、有效的故障保护手段，限制了船舶MVDC的进一步发展。目前对大功率的船舶中压直流配电网暂态分析和隔离方案的设计比较欠缺，尤其是缺乏成熟而有效的故障保护手段，这限制了船舶MVDC的进一步发展。

在船舶中压直流电网中，需要考虑到故障电流发生直流侧低阻抗短路故障的情况。此时，电流迅速增加且不存在过零点，需要迅速切断故障区域，并考虑故障隔离的冗余设计以确保船舶中压直流的安全运行。针对MVDC***直流侧故障电流难以切除的问题，具有限流功能和快速重新启动等特点的MMC是比较理想的选择之一，并且可以降低对直流断路器的要求。但是目前船舶MMC-MVDC直流侧故障特性分析研究较少，并且缺乏合理、快速的保护方法。

在现有的技术中，由于船舶MMC-MVDC保护方法研究过少，可从现有的陆上直流电网提出的保护方法中借鉴经验。针对直流侧并联大电容的VSC-HVDC直流输电***，利用皮尔逊相关系数度量电容支路与线路入口的暂态电流的差异，实现区内、区外故障的识别；但是由于MMC中电容分散在子模块中，在直流侧发生故障时，MMC子模块处于不断投切状态，船舶MMC-MVDC无法按照上述方法进行故障识别。在配电网测距方面，采用全波形电流的特征匹配技术分析各分支样本数据库的时频矩阵相似度，从而实现故障分支定位；但该方法主要用于解决交流配电网的故障定位，且需要进行大量数据的挖掘与分析，无法满足MMC-MVDC快速性的要求。在现有的船舶MVDC保护技术中，采用频域分析暂态高频能量的方法，可以解决多种运行状态阈值选择的问题，但是该方法对采样要求较高，频域分辨率过大影响计算精度，且处理时间较长。因此，有必要寻找适用于船舶MMC-MVDC的故障快速保护方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于暂态电流特性的船舶MMC-MVDC快速故障保护方法，主要用于直流侧线路上的短路故障和接地故障快速保护。

本发明的目的是这样实现的：

步骤1、船舶MMC-MVDC故障特性分析，包括故障瞬间MMC故障电流特性分析和多区域配电拓扑结构下故障电流特性分析，从而得到等效MMC故障电流表达式和船舶区域配电网中故障线路与健康线路之间的关系；

步骤2：根据步骤1中的结论，并结合相关性算法分析故障电流的影响因素的特点，建立故障电流信息的样本数据库；

步骤3：满足故障启动判据后，采样暂态电流信息，对采样的电流信息进行突变点检测，剔除异常值；采用改进的余弦相似性算法计算采样电流信息与样本数据库中故障电流信息的相关程度以完成故障检测，并可根据样本数据库中最大相关程度故障电流信息推测大致故障过渡电阻范围；

步骤4：根据满足故障阈值的各线路相关程度的正负性，替代故障瞬间电流方向；进而针对不同故障区域电流方向的特点，更加可靠、准确地实现故障定位。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明理论分析了船舶中压直流配电网双极短路故障特性，从故障电流影响因素角度建立故障电流信息的本地数据库；同时进行突变点检测以保证相关分析结果的准确性；本发明提出的故障检测方法动作速度快，选择性良好，通信要求低，具有抗过渡电阻的能力，可解决现有船舶MMC-MVDC故障检测时间长，检测算法复杂等缺点。

附图说明

图1本发明实施例提供的测试环形区域船舶MVDC电网

图2本发明实施例提供的MMC故障等效电路示意图

图3本发明实施例提供的用于F1极间短路故障发生时，故障分量计算的拉普拉斯电路

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

下面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，都属于本发明的保护范围。

下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述，所述方法包括：

步骤1、船舶MMC-MVDC故障特性分析，主要分为两步

第一步：MMC-MVDC中MMC直流侧短路故障瞬间的故障电流特性分析，参照图2的等效RLC电路，其故障电流表达式为

其中，特征方程的根为α,ω₀分别代表阻抗因子和共振频率，其分别为α＝R/2L,/>U_dc(0)、i_dc(0)为故障初始时刻电压值、电流值故障电流的响应分为欠阻尼、临界阻尼、过阻尼，分别的对应/>情况。

1.1)欠阻尼情况下，故障时电容放电电流可表示为

其中β＝arctan(w/σ)

可大约计算出电流到达峰值的时间：

2.2)过阻尼情况下

其中

可大约计算出电流到达峰值的时间：

第二步：由于船舶MVDC线路短，采用线路RL模型的参数远小于MMC和线路电抗器参数，线路几乎不会影响MMC暂态故障电流特性。

具体的可按照本发明实施例图3进行详细阐述。在图3中对环状连接的区域配电网络，选择与故障线路所处母线不相连的MMC处解耦打开环网，计算最严重的线路故障分量电流。此时，故障线路电流I₁₀和健康线路电流I₃₁关系：

健康线路与故障线路之间的关系：

其中k＝I₃₁/I₃₂。

步骤2：根据步骤1中的结论，并结合相关性算法分析故障电流的影响因素的特点，建立故障电流信息样本数据库；

在故障发生的瞬间，从故障电流表达式可知，直流暂态电流主要受故障过渡电阻、故障初始电流影响。

具体地，可以通过变化斜率来具体体现各参数影响电流特点。

在故障发生瞬间，假设时刻为t(0⁺)，电流斜率的大小可以表示为

从上式可以看出，故障瞬间电流斜率变化不大，故障电流从初始电流起近似呈线性增加；但随着电阻的增大，电流斜率会发生明显变化。故障过渡电阻较小时，故障初始电流几乎不影响故障电流变化率的线性特点，仅影响故障电流的幅值。随着故障过渡电阻的增加，故障初始电流越大，电流斜率变化越明显。

首先，建立的故障电流样本数据库需要考虑故障过渡电阻和故障起始电流对故障电流的影响特点，提供必备数据以准确判断。

其中r₁～r_n表示不同故障电阻，I₀～I_m表示不同故障初始电流的暂态电流数据。

其次，采用余弦相似度算法，分析建立的样本数据库，验证故障影响因素的特点，并减少不必要的数据。

式中：<Y_i,Y_j>表示矩阵Y(i,n)和Y(j,n)的内积；||Y||为矩阵Y的范数。

类比于向量夹角，定义γ为2个矩阵之间的夹角：当γ＝90时，p＝0，表示2个矩阵完全不同；当γ＝0时，p＝1，表示2个矩阵相似度极高。

步骤3：满足故障启动判据后，采样暂态电流信息，对采样的电流信息进行突变点检测，剔除异常值，采用改进的余弦相似性算法得出相关程度，完成故障检测，并根据变换器出线侧的相关信息推测大致的故障过渡电阻范围；

故障启动判据目前已经比较成熟，主要有欠电压启动，过电流启动，梯度电流启动，电流变化率和电压变化率等启动判据。

为了剔除异常值，需要对采样数据进行初步筛查，防止因某单一数据出现异常影响整体的相关程度；

在采样的数据中，按照(t,I(t))为二维数组，将第一个采样点作为原点，求与其他各点的余弦相似度，若余弦值小于选定阈值，剔除异常点，若存在较多异常值且余弦值在合理范围内，则将第二个采样点作为原点，求与后面各点的余弦相似度，直至异常点少于一定范围。

式中：<A₁,A₂>表示矩阵A₁和A₂的内积；||A₁||为矩阵A的范数，x₀,x_i,x_i+1为采样电流中具体值。

结合步骤2的暂态电流分析，在故障过渡电阻小的情况下，故障初始电流对电流斜率影响较小。因此，采用改进的余弦相似度，对剔除异常故障点的采样电流数据进行调整，再和故障样本数据库电流数据进行比较。对于故障过渡电阻较大情况，需要考虑建立考虑故障初始电流样本。

对于检测出故障位置的线路两端，相关性的正负值表示故障电流的方向进行准确故障定位。

步骤4：针对不同故障区域的特点和故障相关性的正负号完成不同区域的故障定位，本发明实施例取流入线路方向为正，采用的各故障的定位逻辑为：

对于位于发电部分的故障F2：ρ＞0&&|ρ|＞δ_G

对于位于负载部分的故障F3、F4：ρ＞0&&|ρ|＞δ_load

对于线路部分的故障定位判据：

线路左端：ρ_l＞0&&|ρ_l|＞δ_line；线路右端：ρ_r＞0&&|ρ_r|＞δ_line。

同时满足，可以准确定位到该线路故障。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种基于暂态电流特性的船舶MMC-MVDC快速故障保护方法，其特征是，包括如下步骤：

步骤1：船舶MMC-MVDC故障特性分析，包括故障瞬间MMC故障电流特性分析和多区域配电拓扑结构下故障电流特性分析，从而得到等效MMC故障电流表达式和船舶区域配电网中故障线路与健康线路之间的关系；

步骤1.1：MMC-MVDC中MMC直流侧短路故障瞬间的故障电流特性分析，其故障电流表达式为

其中，特征方程的根为α,ω₀分别代表阻抗因子和共振频率，其分别为α＝R/2L,/>U_dc(0)、i_dc(0)为故障初始时刻电压值、电流值，故障电流的响应分为欠阻尼、临界阻尼、过阻尼，分别的对应/>情况；

步骤1.1.1欠阻尼情况下，故障时电容放电电流表示为

其中β＝arctan(w/σ)

计算出电流到达峰值的时间：

步骤1.1.2过阻尼情况下

其中

计算出电流到达峰值的时间：

步骤1.2：由于船舶MVDC线路短，采用线路RL模型的参数远小于MMC和线路电抗器参数，线路几乎不会影响MMC暂态故障电流特性；

对环状连接的区域配电网络，选择与故障线路所处母线不相连的MMC处解耦打开环网，计算最严重的线路故障分量电流；此时，故障线路电流I₁₀和健康线路电流I₃₁关系：

健康线路与故障线路之间的关系：

其中k＝I₃₁/I₃₂

步骤2：根据步骤1中的结论，并结合相关性算法分析故障电流的影响因素的特点，建立故障电流信息的样本数据库；

步骤3：满足故障启动判据后，采样暂态电流信息，对采样的电流信息进行突变点检测，剔除异常值；采用改进的余弦相似性算法计算采样电流信息与样本数据库中故障电流信息的相关程度以完成故障检测，并根据样本数据库中最大相关程度故障电流信息推测故障过渡电阻范围；

步骤4：根据满足故障阈值的各线路相关程度的正负性，替代故障瞬间电流方向；进而针对不同故障区域电流方向的特点，更加可靠、准确地实现故障定位；

取流入线路方向为正，采用的各故障的定位逻辑为：

对于位于发电部分的故障F2：ρ＞0&&|ρ|＞δ_G

对于位于负载部分的故障F3、F4：ρ＞0&&|ρ|＞δ_load

对于线路部分的故障定位判据：

线路左端：ρ_l＞0&&|ρ_l|＞δ_line；线路右端：ρ_r＞0&&|ρ_r|＞δ_line；

同时满足，准确定位到该线路故障。

2.根据权利要求1所述的基于暂态电流特性的船舶MMC-MVDC快速故障保护方法，其特征是，所述步骤2具体为：

通过变化斜率来具体体现各参数影响电流特点；

在故障发生瞬间，假设时刻为t(0⁺)，电流斜率的大小表示为

故障瞬间电流斜率变化不大，故障电流从初始电流起近似呈线性增加；但随着电阻的增大，电流斜率会发生明显变化，故障过渡电阻较小时，故障初始电流几乎不影响故障电流变化率的线性特点，仅影响故障电流的幅值，随着故障过渡电阻的增加，故障初始电流越大，电流斜率变化越明显；

首先，建立的故障电流样本数据库需要考虑故障过渡电阻和故障起始电流对故障电流的影响特点，提供必备数据以准确判断；

其中r₁～r_n表示不同故障电阻，I₀～I_m表示不同故障初始电流的暂态电流数据；

其次，采用余弦相似度算法，分析建立的样本数据库，验证故障影响因素的特点，并减少不必要的数据；

式中：<Y_i,Y_j>表示矩阵Y(i,n)和Y(j,n)的内积；||Y||为矩阵Y的范数；

类比于向量夹角，定义γ为2个矩阵之间的夹角：当γ＝90时，p＝0，表示2个矩阵完全不同；当γ＝0时，p＝1，表示2个矩阵相似度极高。

3.根据权利要求1所述的基于暂态电流特性的船舶MMC-MVDC快速故障保护方法，其特征是，所述步骤3具体为：

在采样的数据中，按照(t,I(t))为二维数组，将第一个采样点作为原点，求与其他各点的余弦相似度，若余弦值小于选定阈值，剔除异常点，若存在较多异常值且余弦值在合理范围内，则将第二个采样点作为原点，求与后面各点的余弦相似度，直至异常点少于一定范围；

式中：<A₁,A₂>表示矩阵A₁和A₂的内积；||A₁||为矩阵A的范数，x₀,x_i,x_i+1为采样电流中具体值；

结合步骤2的暂态电流分析，在故障过渡电阻小的情况下，故障初始电流对电流斜率影响较小；因此，采用改进的余弦相似度，对剔除异常故障点的采样电流数据进行调整，再和故障样本数据库电流数据进行比较；对于故障过渡电阻较大情况，需要考虑建立考虑故障初始电流样本；

对于检测出故障位置的线路两端，相关性的正负值表示故障电流的方向进行准确故障定位。