一种直流微网故障电弧建模与仿真方法及系统
阅读说明：本技术 一种直流微网故障电弧建模与仿真方法及系统 (Direct-current micro-grid fault arc modeling and simulation method and system ) 是由 汪飞 缪文超 王卓凡 于 2021-09-01 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种直流微网故障电弧建模与仿真方法及系统,方法包括以下步骤：模拟不同电弧长度和发生位置产生的电弧故障,采集电弧故障所在支路的电弧电流数据；分别分析并拟合电弧故障发生时对应的电流跌落值和线路电流、电弧长度的关系,电弧电流在时域范围中的伏安特性与发生位置、电弧长度的关系,电弧电流在频域范围中的粉红噪声特性与发生位置、电弧长度的关系,获取时域拟合关系和频域拟合关系；基于时域拟合关系和频域拟合关系,建立直流微网故障电弧的仿真模型；运行仿真模型,输出直流微网故障电弧的仿真结果。本发明对直流微网系统中的电弧故障进行仿真,并结合了电弧电流的时域和频域特性,全面精确的贴近实际电弧数据。(The invention discloses a direct-current micro-grid fault arc modeling and simulation method and a system, wherein the method comprises the following steps: simulating arc faults generated at different arc lengths and generating positions, and acquiring arc current data of a branch where the arc faults are located; respectively analyzing and fitting the relationship between a corresponding current drop value and line current as well as the relationship between the current drop value and the arc length when an arc fault occurs, the relationship between the volt-ampere characteristic of the arc current in a time domain range and an occurrence position as well as the relationship between the pink noise characteristic of the arc current in a frequency domain range and the occurrence position as well as the relationship between the pink noise characteristic of the arc current in the frequency domain range and the arc length, and obtaining a time domain fitting relationship and a frequency domain fitting relationship; establishing a simulation model of the fault arc of the direct-current micro-grid based on the time domain fitting relation and the frequency domain fitting relation; and operating the simulation model and outputting a simulation result of the fault arc of the direct-current micro-grid. The invention simulates the arc fault in the direct current micro-grid system, combines the time domain and frequency domain characteristics of the arc current, and completely and accurately approaches the actual arc data.)
技术领域
本发明涉及电气工程技术领域，特别是涉及一种直流微网故障电弧建模与仿真方法及系统。
背景技术
随着新能源技术与直流系统的高速发展，光伏、储能、固态照明等各类直流源、储、荷不断渗透应用，促进了以建筑、船舶与汽车为代表的直流微网的快速增长。由于直流微网可以将可再生能源系统连接到配电网中，研究人员正在关注能够支持直流微网广泛应用的技术。然而直流微网系统中因电缆接头松脱、接触不良、导线绝缘破裂等原因引起的直流故障电弧，难以检测且不易熄灭，产生的高温会引发火灾，这会影响直流微网的安全性和可靠性，不利于直流微网的推广与应用。由于直流微网系统复杂，其中电弧故障的类型与发生点较多，为了后续对电弧特性与保护措施进行研究，建立相应的电弧数学模型是十分必要的。现有电弧模型参数难以确定，仿真结果与实际实验结果相差较大，且模型中无法体现实验参数对电弧特性的影响。
因此，针对直流微网电压电流等级与结构复杂度的电弧特性及其数学模型进行。
发明内容
本发明的目的是提供一种直流微网故障电弧建模与仿真方法与系统，以解决上述现有技术存在的问题，对直流微网系统中的电弧故障进行仿真，并结合了电弧电流的时域和频域特性，更加全面精确的贴近实际电弧数据。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种直流微网故障电弧建模与仿真方法，包括以下步骤：
模拟不同电弧长度和电弧发生位置产生的电弧故障，采集所述电弧故障所在支路的故障电弧电流数据；
基于所述故障电弧电流数据，分别分析并拟合电弧故障发生时对应的电流跌落值和线路电流、电弧长度的关系，电弧电流在时域范围中的伏安特性与所述发生位置、所述电弧长度的关系，所述电弧电流在频域范围中的粉红噪声特性与所述发生位置、所述电弧长度的关系，获取时域拟合关系和频域拟合关系；
基于所述时域拟合关系和所述频域拟合关系，建立直流微网故障电弧的仿真模型；
运行所述仿真模型，输出所述直流微网故障电弧的仿真结果。
可选地，所述模拟不同电弧长度和发生位置产生的电弧故障包括：
搭建直流微网故障电弧测试实验平台，其中，所述直流微网故障电弧测试实验平台包括直流微网系统和电弧发生装置，所述电弧发生装置串接在所述直流微网系统的不同位置；
调节所述电弧发生装置的弧长和发生电弧故障的位置，模拟不同电弧长度和发生位置产生的电弧故障。
可选地，所述直流微网系统包括直流源、蓄电池、电阻负载和若干恒功率负载，所述电弧发生装置包括丝杆滑台、铜棒、驱动器、控制器，所述驱动器控制所述控制器将所述铜棒分离进行拉弧。
可选地，所述模拟不同电弧长度和发生位置产生的电弧故障，采集所述电弧故障所在支路的所述故障电弧电流数据包括：
设置所述直流源的输出电压为110V，调节所述控制器，使得两根所述铜棒完全接触，开始实验；
记录正常情况下所述电弧发生装置的电流波形；
调节所述控制器使两根所述铜棒分离进行拉弧，记录整个过程中所述电弧发生装置的电流波形；
改变电弧长度、电弧故障发生位置、电弧所在支路电压、电弧电流，重复上一步，记录在不同所述电弧长度、所述电弧故障发生位置下的所述电弧电流。
可选地，基于所述电弧电流，通过多项式拟合获取电弧发生时电流跌落值和线路电流的关系如式(1)所示，
D(I)＝d1+d2I+d3I2 (1)
其中，d1、d2、d3为计算系数，D为电流跌落值，I为电弧电流。
可选地，所述分析并拟合电弧电流在时域范围中的伏安特性与所述发生位置、所述电弧长度的关系包括：基于二次多项式拟合得到每组实验数据负载电流与时间的函数关系；
基于多项式拟合的方法得到二次多项式系数关于实验参数的函数，获得电弧所在支路电流伏安特性与实验参数的关系如式(2)- (3)所示：
y＝f1x2+f2x+f3 (2)
fi(d，I)＝fi1+fi2d+fi3I+fi4dI+fi5d2+fi6I2 (3)
其中，f1、f2、f3为拟合系数，x为电流伏安特性曲线的横坐标，y 为电流伏安特性曲线的纵坐标，fi1、fi2、fi3、fi4、fi5、fi6为计算系数， d为电弧长度，I为电弧电流。
可选地，所述分析并拟合所述电弧电流在频域范围中的粉红噪声特性与所述发生位置、所述电弧长度的关系包括：
计算每组实验数据的粉红噪声功率谱密度MSA；
根据粉红噪声功率谱密度函数，基于最小二乘法，拟合得到粉红噪声方程参数与电流、电弧长度的关系如式(4)所示：
其中，A1、A2、A3、γ1、γ2、γ3、c1、c2、c3为计算系数，d为电弧长度，I为电弧电流，S为功率谱密度(PSD)，f为频率，A、γ和c 为相关常数。
可选地，所述直流微网故障电弧的仿真模型如式(5)所示:
其中，在t0时刻，I1和I0的关系如式(6)所示：
I1(Ip，d，t0)＝I0(t0) (6)
其中，t0为电弧故障发生时间，I0为电弧故障发生前电弧发生装置所在支路电流，I1为电弧故障发生后电弧发生装置所在支路电流，IP为电弧故障发生前的实时负载电流，d为电弧长度，D(IP)为故障电弧发生时电流跌落值，P为功率谱密度，a为噪声的随机增益，模拟实际故障电弧电流中的随机抖动，t为时间。还提一种直流微网故障电弧建模与仿真系统，：包括直流微网故障电弧时域模块(1)，直流微网故障电弧频域模块(2)，实时电流接收模块(3)，信号叠加模块 (4)，
所述直流微网故障电弧时域模块(1)，用于模拟直流微网故障电弧电流信号的时域特性；
所述直流微网故障电弧频域模块(2)，用于模拟直流微网故障电弧电流信号的频域特性；
所述实时电流接收模块(3)，用于接收所处支路的实时电流大小；
所述信号叠加模块(4)，用于将所述直流微网故障电弧时域模块 (1)的仿真信号、所述直流微网故障电弧频域模块(2)的仿真信号和所述实时电流接收模块(3)的仿真信号仿真信号进行叠加，形成最终的直流微网故障电弧仿真模型。
所述直流微网故障电弧时域模块(1)，所述直流微网故障电弧频域模块(2)和所述实时电流接收模块(3)均与信号叠加模块(4) 连接。
本发明公开了以下技术效果：
本发明提供的一种直流微网故障电弧建模与仿真方法及系统，相较于Cassie模型、Mayr模型等经典模型，本发明结合了电弧电流的时域和频域特性，更加全面精确的贴近实际电弧数据。本发明综合考虑了电弧所在支路电压等级、电弧长度、故障电弧发生位置对电弧的影响，仿真结果与模型库均受这些因素的影响，更加符合实际。本发明建立的直流微网故障电弧模型，模型相关数据均来源于实际实验数据进行拟合，可信度高。同时，直流微网实验平台、系统仿真与故障电弧模型仿真为直流微网故障电弧的研究提供了便利。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例试验用直流微网故障电弧系统电路图；
图2为本发明实施例中直流微网故障电弧仿真模型搭建流程示意图；
图3为本发明实施例中直流微网故障电弧仿真模型示意图；
图4为经典Cassie模型仿真电流时域波形图；
图5为本发明实施例中提出的模型仿真电流时域波形图；
图6为本发明实施例中实验结果电流时域波形图；
图7为经典Cassie模型仿真结果电流频域波形图；
图8为本发明实施例中提出模型仿真结果电流频域波形图；
图9为本发明实施例中实验结果电流频域波形图；
图10为本发明实施例中直流微网故障电弧建模与仿真方法流程示意图。
其中，1为直流微网故障电弧时域模块，2为直流微网故障电弧频域模块，3为实时电流接收模块，4为信号叠加模块。
具体实施方式
下面将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。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明提供一种直流微网故障电弧建模与仿真方法，如图10所示。包括以下步骤：
S100、搭建直流微网故障电弧测试实验平台，用于模拟不同电弧长度和发生位置产生的电弧故障。
本实施例中，直流微网故障电弧测试实验平台包括直流微网系统和电弧发生装置，电弧发生装置串接入直流微网系统的不同位置。本实施例中，直流微网系统包含直流源、蓄电池，两个恒功率负载与一个电阻负载，其中直流源和蓄电池供电，恒功率负载与电阻负载模拟直流微网不同负载类型。电弧发生装置包括丝杆滑台、铜棒、驱动器、控制器和步进电机，由控制器控制驱动器进一步驱动步进电机使丝杆滑台运动，将架于丝杆滑台上的两铜棒分离进行拉弧。将电弧发生装置串入直流微网各支路中即可模拟实际发生的电弧故障。
具体地，本实施例所在直流微网系统电路图如图1所示，整个系统由110V直流源与48V蓄电池供电，蓄电池由110V转48V的双向 DCDC变换器接入直流母线中；负载采用恒功率负载与30Ω电阻负载，其中恒功率负载由110V转48V单向DCDC变换器与电阻构成，模拟直流微网中不同类型的负载。
S200、通过直流微网实际工况，采用控制变量法调节试验参数，重复试验并记录电弧所在支路故障电压数据和电弧电流数据，根据采集到的故障电压数据和电弧电流数据，分别分析并拟合电弧故障发生时对应的电流跌落值和线路电流、电弧长度的关系，电弧电流在时域范围中的伏安特性与发生位置、电弧长度的关系，电弧电流在频域范围中的粉红噪声特性与发生位置、电弧长度的关系，获取时域拟合关系和频域拟合关系；
设置直流源输出电压为110V，调节电弧发生装置的控制器，使得两铜棒完全接触，打开各支路断路器，让整个实验回路闭合，开始实验；
通过示波器记录正常情况下电弧发生装置两端的电流波形；
调节控制器使两铜棒分离进行拉弧，通过示波器记录整个过程中电弧发生装置两端的电流波形；
改变电弧长度、电弧故障发生位置、电弧所在支路电压、电弧电流，记录在不同电弧长度、电弧故障发生位置下的电弧电流。
电弧模型搭建如图2所示，包含模型搭建前的准备工作与后续从时域和频域两方面进行建模。其中，模型搭建前期工作如S100说描述的包含在不同位置串入电弧发生装置，改变实验参数重复实验并记录数据，时域特性拟合包含电流跌落值拟合与电弧电流伏安特性拟合，频域特性拟合包括噪声参数拟合，最终结合时域和频域特性得到基于电弧时域与频域特性的直流微网故障电弧仿真模型。
具体过程包括：
一、分析并拟合电弧电流跌落值与线路电流、电弧长度的关系。
①设置不同的电弧发生位置、电流大小、电弧长度，电弧发生位置如图1①-⑦，参考UL1699B实验标准与直流微网常见电压等级，选取电压大小分别为48V与110V，电流大小分别为4A、6A、8A、10A、 12A，电弧长度分别为0.5mm、0.7mm、0.9mm、1.1mm、1.3mm，其他实验条件均不改变；②调节电弧发生装置控制使铜棒匀速分离产生电弧；③通过示波器记录实验数据与电流波形，改变实验参数反复进行实验，每种实验条件重复50组；④通过多项式拟合获取电弧发生时电流跌落值和线路电流的关系如式(1)所示：
D(I)＝d1+d2I+d3I2 (1)
其中，d1、d2、d3为计算系数，D为电流跌落值，I为电弧电流。
二、分析并拟合电弧电流在时域范围中的伏安特性与发生位置、电弧长度的关系。
①设置不同的电弧发生位置、电流大小、电弧长度，电弧发生位置如图1①-⑦，参考UL1699B实验标准与直流微网常见电压等级，选取电压大小分别为48V与110V，电流大小分别为4A、6A、8A、10A、12A，电弧长度分别为0.5mm、0.7mm、0.9mm、1.1mm、1.3mm，其他实验条件均不改变；②调节电弧发生装置控制使铜棒匀速分离产生电弧；③通过示波器记录实验数据与电流波形，改变实验参数反复进行实验，每种实验条件重复50组；④基于二次多项式拟合得到每组实验数据负载电流与时间的函数关系如式(2)所示:
y＝f1x2+f2x+f3 (2)
其中，f1、f2、f3为拟合系数，x为电流伏安特性曲线的横坐标，y 为电流伏安特性曲线的纵坐标。
⑤按基于多项式拟合的方法得到二次多项式系数关于实验参数的函数，最终获得电弧所在支路电流伏安特性与发生位置、电弧长度的关系如式(3)所示：
fi(d，I)＝fi1+fi2d+fi3I+fi4dI+fi5d2+fi6I2 (3)
其中，fi1、fi2、fi3、fi4、fi5、fi6为计算系数，d为电弧长度，I为电弧电流。
三、分析并拟合电弧电流在频域范围中的粉红噪声特性与发生位置、电弧长度的关系。
①设置不同的电弧发生位置、电流大小、电弧长度，电弧发生位置如图1①-⑦，参考UL1699B实验标准与直流微网常见电压等级，选取电压大小分别为48V与110V，电流大小分别为4A、6A、8A、10A、 12A，电弧长度分别为0.5mm、0.7mm、0.9mm、1.1mm、1.3mm，其他实验条件均不改变；②调节电弧发生装置控制使铜棒匀速分离产生电弧；③通过示波器记录实验数据与电流波形，改变实验参数反复进行实验，每种实验条件重复50组；④求出每组实验数据的功率谱密度 (MSA)；⑤根据粉红噪声功率谱密度函数，基于最小二乘法，拟合得到粉红噪声方程参数与电流、电弧长度的关系式如式(4)所示：
其中，A1、A2、A3、γ1、γ2、γ3、c1、c2、c3为计算系数，d为电弧长度，I为电弧电流，S为功率谱密度(PSD)，f为频率，A、γ和c 为相关常数。
S300、基于时域拟合关系和频域拟合关系，建立直流微网故障电弧的仿真模型。
直流微网故障电弧仿真模型的数学表达式如式(5)所示：
其中，在t0时刻，I1和I0两个函数的关系如式(6)所示：
I1(Ip，d，t0)＝I0(t0) (6)
式中，t0为电弧故障发生时间，I0为电弧故障发生前电弧发生装置所在支路电流，I1为电弧故障发生后电弧发生装置所在支路电流， IP为电弧故障发生前的实时负载电流，D(IP)为故障电弧发生时电流跌落值，d为电弧长度，P为功率谱密度，a为噪声的随机增益，模拟实际故障电弧电流中的随机抖动，t为时间。电弧故障发生前，电弧发生装置所在支路电流保持恒定，当故障电弧发生时，电弧电流值会出现明显的骤降，随后按照上式规律逐渐缓慢降低，同时存在随机抖动特性。
S400、运行仿真模型，输出直流微网故障电弧的仿真结果。
图3是根据本发明所建立的直流微网故障电弧的数学模型，在 MATLAB/Simulink软件中搭建的直流微网故障电弧模型。模型中输入端分别输入电弧电流与电弧长度，1为本发明所建立的直流微网故障电弧数学模型的时域模块，2为本发明所建立的直流微网故障电弧数学模型的频域模块，3为实时电流接收模块，4为信号叠加模块。具体工作过程如下：电流接收模块接收所在支路实时电流值，经过时域模块与频域模块获取当前状态下的时域与频域特性，最终通过信号叠加模块将上述特性结合实时电流产生故障电弧电流输出。
根据搭建的直流微网故障电弧的数学模型，选择发生位置为恒功率负载侧，输入电弧电流为10A，电弧长度为1.1mm，即可得到电弧电流波形图。图4-6为在恒功率负载侧电流为10A、电弧长度为1.1mm 的故障电弧电流波形的仿真结果、经典Cassie模型仿真结果与实验结果时域对比图，图7-9为在恒功率负载侧电流为10A、电弧长度为 1.1mm的故障电弧电流波形的仿真结果、经典Cassie模型仿真结果与实验结果时域对比图。可以很明显的看出，电弧电流的仿真结果与实际电弧电流数据在时域和频域上非常接近，而原有经典的Cassie 电弧模型运用在直流微网系统时，与实际相差较大。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。