一种舰船直流区域配电系统故障定位方法

童正军，李白，姜远志



一种舰船直流区域配电系统故障定位方法

童正军1，李白2，姜远志2

(1. 海军装备部，北京 100841；2. 海军工程大学舰船综合电力技术国防科技重点实验室，武汉 430033)

短路故障对舰船电力系统危害极大，必须对系统中出现的短路故障迅速定位并及时排除，以减少损失。针对直流区域配电这一新型配电方式，提出了一种采用故障特征集匹配来进行故障定位的方法。经仿真试验验证，该方法可以快速定位故障位置，为及时排除故障保证舰船电力系统的安全运行提供了必要的技术支持。

短路故障 直流区域配电 故障特征集 故障定位

0 引言

短路故障定位是关系到舰船电力系统安全稳定运行的重要问题，随着舰船电力系统规模日益庞大，电网结构更加复杂，对电力系统的故障定位方法提出了更高的要求。同时，随着舰船直流区域配电技术的应用，使得如文献[1]中所研究的一些对交流系统行之有效的故障定位方法也失去了作用，为此需要针对这一问题提出新的解决办法。

目前国内外对舰船电力系统故障定位这一课题研究成果所见不多。国外曾用陆用的一些故障定位方法如行波法在舰船电力系统故障定位这一课题上做了尝试，文献[2]中对这种方法的应用作了详细的阐述。该方法通过发生故障时对一段传输线两个端点电压与电流故障特征信号的提取，用CWT（continuous wavelet transform）处理并分析数据来进行故障定位，结果表明这种方法可以定位故障的位置误差在1 m以内。但是这种方法定位范围较小，仅能对在一个配电区域一侧的母线上的故障进行定位，跨区域故障定位时误差明显增大，实用性不强。

实际应用中，差动保护可以通过采集差动电流信号，判断短路故障是否在被保护区域内，实现定位的完全选择性，差动保护的原理如图1所示。但是差动保护需要在每段被保护线路两端设置差动传感器，在配电板中占用了大量的空间。如果所有线路均设置差动保护则将导致配电板异常庞大，适装性较差。因此，现在的做法是仅在主干线路设置差动保护，在整个系统上差动保护原理并不适用。

综上所述，现有的故障定位方法无论是从应用性还是从适装性考虑都有一定的缺陷。

图1差动保护原理示意图

本文提出了一种基于故障特征集匹配的舰船直流区域配电系统故障定位方法。该方法利用构成直流区域配电系统的各主要设备所具有的故障保护功能，如斩波器、逆变器在出现短路故障时输出电流保持为额定电流值两倍这一性能，选取了电流为特征量，通过对故障处的开关电流值进行提取，分析其故障特征，建立标准故障特征集，从而进行故障定位。

1 故障定位的基本原理

针对典型舰船直流区域配电网络，在整个系统中共设置了3处典型故障，故障位置分别如图2所示。建立标准故障特征集，对3处故障分别进行故障定位研究。

对3种典型故障一一进行分析，根据不同情况下开关处电流值的大小对相应变量赋值，形成了包含以上三种典型故障的标准故障特征集。规定：数值0代表所采集的开关处电流值降为0，数值1代表所采集的开关处电流值无意义，数值2代表所采集的开关处电流值为额定电流值的两倍。

图2 系统典型故障设置及开关编号

据上所述，形成标准故障特征集，与故障时开关处的电流值及故障位置的对应关系如表1所示。

建立标准故障特征集以后，通过分析采集到的开关电流，进行对比判断，从而定位故障位置。整个过程的流程图如图3所示。

2 故障定位的程序实现

在PSCAD/EMTDC中搭建舰船电力系统仿真模型，运行仿真系统。故障定位程序通过对提取的5路电流值的特征进行分析，从而确定故障位置，并将定位结果显示在面板上，实现流程如图4所示。

为了实现上述功能，首先要对PSCAD/EMTDC与MATLAB的接口进行研究[3-5]。PSCAD/EMTDC是暂态分析程序，MATLAB是数学模型软件包，它们之间具有互补性，通过两者之间的接口能把它们的优点结合起来。通过PSCAD/EMTDC程序与MATLAB语言接口，用户可以编制M文件来实现特定的功能，由于M文件采用语法简单、可读性强、调试容易、人机交互性强的MATLAB语言来编制，因此可以方便地根据需要自定义元件模型，并与PSCAD/EMTDC中的元件模型进行连接。

图3 故障定位流程图

1）PSCAD与MATLAB接口原理

PSCAD/EMTDC与MATLAB接口的界面如图5所示，图中假定有m个输入量，n个输出量，通过接口中MATLAB的M文件对m个输入量进行处理，得到n个所需要的输出量。

图4 故障定位程序运行流程图

图5 PSCAD/EMTDC与MATLAB接口的界面

PSCAD/EMTDC内有一个Fortran文件DSDYN，通过它可以调用外部Fortran子程序。该Fortran子程序可以启动MATLAB数据引擎并建立起Fortran子程序和MATLAB数据引擎之间的通信。同时，含有MATLAB命令的M文件也传到MATLAB数据引擎中。这样，PSCAD/EMTDC和MATLAB就紧密地结合了起来，下一步即可根据需要编制M文件，实现所需要的仿真。PSCAD/EMTDC与MATLAB接口的内部结构如图6所示。

2）PSCAD/EMTDC与MATLAB的接口实现

①接口规则

仿真模型调用M文件的语句为CALL MLAB_INT("%:Dir$Path", "$Name", "R(5)" , "R" )，其中的4个量分别代表M文件存放的位置，名称，输入5维REAL型数值，输出1维REAL型数值。

图6 PSCAD/EMTDC与MATLAB接口的内部结构

②接口模块

在PSCAD/EMTDC中搭建的故障定位模块如图7所示。

在故障定位模块中，图7(a)中I1,I2,I4,I5分别为断路器Brki(i=1，2，4，5)处的直流电流值，I3_RMS为逆变器输出侧流过断路器Brk3的三相电流的有效值。采样的特征量(Sample模块可设置采样频率)通过数据合并标签(最大合并12个量)合并成1个量为current5。

合并后的current5通过故障定位接口如图7(b)所示输入给编写好的MATLAB程序进行故障判断、决策，其中程序是放在图7(c)所示文件中，故障定位的决策结果通过模块中的FaultSite输出，输出值1、2、3为故障位置代号，代表三处故障位置F1-F3，其结果在图7(d)的面板上显示出来。

图7 故障定位模块

3 仿真试验验证

为了验证该故障定位方法的有效性，在系统中进行了仿真试验。试验条件为电力系统带300 kW电机负载、150 kW阻感负载，在4.5 s时负载已全部加载，系统稳定运行。此时分别在F1、F2、F3处设置短路故障，故障定位的结果如下。

F1处发生短路故障时，5处开关处的电流值采样波形及定位结果如图8所示。

系统稳定运行，在4.5 s时F1处发生短路故障。由图8可知，发生短路故障以后，I1迅速增大至额定电流值的两倍，I2、I5处电流值降为0，则可判断出在斩波器输出侧到开关Q2之间的电缆上发生了短路故障。因为F1处的短路故障，逆变器1的输出电流I3_RMS和逆变器2的输入电流I4也变为0。

图8显示出了故障定位结果，4.5 s发生短路故障，0.16 s后，程序检测到F1处发生短路故障，并给出定位结果。

①F2处发生短路故障时，5处开关处的电流值采样波形及定位结果如图9所示。

系统稳定运行，在4.5 s时F2处发生短路故障。由图9可知，发生短路故障以后，I1、I2迅速增大至额定电流值的两倍，I4处电流值降为0，则可判断出在Q2到Q4的电缆上发生了短路故障。因为F2处的短路故障，逆变器1的输入电流I5和输出电流I3_RMS也变为0。

图9显示出了故障定位结果，4.5 s发生短路故障，0.16 s后，程序检测到F2处发生短路故障，并给出定位结果。

图8 F1故障定位结果

②F3处发生短路故障时，5处开关处的电流值采样波形及定位结果如图10所示。

图9 F2故障时定位结果

系统稳定运行，在4.5 s时F3处发生短路故障。由图10可知，发生短路故障以后，I3_RMS迅速增大至额定电流值的两倍，则可判断出逆变器1输出侧发生了短路故障。I5为逆变器1的输入电流，由于逆变器的输出侧短路，导致I5的电流值也迅速降低。I1为斩波器输出电流，由于逆变器1的输出侧短路，系统负荷量减小，所以输出电流值也降低。I2、I4为逆变器2的输入电流，在逆变器1发生短路故障以后，发生了稍微的波动，但很快就恢复了稳定，不影响其正常工作。

图10显示出了故障定位结果，4.5 s发生短路故障，0.019 s后，程序检测到F3处发生短路故障，并给出定位结果。

图10 F3故障时定位结果

4 结论

本文提出了一种采用故障特征集匹配进行故障定位的方法，建立标准故障特征集并编写PSCAD/MATLAB的接口程序。随后，在舰船电力系统仿真模型中对该方法的可行性进行了验证。仿真试验结果表明，在系统中出现短路故障以后，通过该方法可以快速定位系统中的故障位置，对以后的工程应用具有一定的参考价值。

[1] 沈兵, 甄洪斌, 张晓锋．舰船复杂电力系统故障区域快速定位研究[J]．船电技术, 2009, 29(10): 54-57．

[2] Ke Jia, David Thomas, Mark Sumner. A novel fault location algorithm uttlized in marine system with CWT[J]. 2011 The International Conference on Advanced Power System Automation and Protection, vol.1: 413-417.

[3] 钟波, 赵华军．PSCAD/EMTDC程序与MATLAB语言接口的研究[J]．广东电力, 2005, 18(8): 28-30．

[4] 杨健维, 麦瑞坤, 何正友．PSCAD/EMTDC与Matlab接口研究[J]．电力自动化设备, 2007, 27(11): 83-86．

[5] 袁欣．PSCAD/EMTDC与MATLAB接口技术在继电保护仿真中的运用[J]. 电力学报, 2010, 25(3): 214-217．

A Fault Location Method in Shipboard DC Zonal Electrical Distribution Systems

Tong Zhengjun1, Li Bai2, Jiang Yuanzhi2

(1.Armament Department of the Navy, Beijing, 100841 2.National Key Laboratory for Vessel IPS Technology, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

U665.1 TM855

A

1003-4862（2014）08-0009-04

2014-02-24

国家自然科学基金（51377167）

童正军（1982-）男，硕士，工程师。专业方向：电机控制。