CN101752873A - 一种直流输电高压换流站保护方法 - Google Patents

Abstract

一种直流输电高压换流站保护方法，应用于输变电领域的直流输电高压换流站保护，将高压换流站出现的故障分为换流站系统级、变流器装置级和单元变流器级3个层级进行设计，当直流输电系统出现故障时，系统通过故障库对故障进行分型和调用，然后根据不同的故障类型对故障进行分级，并进行相应的处理，对故障进行相应报警和动作。本发明所提供的保护方法能够对高压换流站进行分级的全方位保护，在故障发生时系统能够快速查询故障类型，然后根据系统保护层级，对故障做出相应判断和动作，可靠有效地保护了直流输电系统，能够最大限度地减小高压换流站瞬时扰动对直流输电系统冲击的影响。

Description

一种直流输电高压换流站保护方法

技术领域

本发明涉及一种直流输电保护方法，尤其是一种应用于输变电领域的直流输电高压换流站分级保护方法，该保护方法也可以用于小规模分散性可再生能源(如风力，太阳能等)发电场并网，敏感负荷供电，城市负荷中心供电，海上钻井平台供电，孤岛供电。

背景技术

随着国家对于可再生清洁能源的大力开发和利用，能源结构的不断优化，伴随着风能、太阳能等可再生能源利用规模的不断扩大，其固有的分散性、小型性、远离负荷中心等特点不断显现出来。而采用传统的输电技术则带来了投资规模大，输电效率低等一系列不利因素。另一方面，变流技术是建设资源节约型和环境友好型社会的一项关键技术。基于变流技术的输电技术具有小型、高效、控制灵活的特点，经济效益和环保价值可观，能有效的减少输电线路电压降落和闪变，提高了电能质量。

随着交流电力系统的发展，交流输电固有的一些缺点也逐渐显现出来，例如交流远距离输电的稳定性问题等。而传统直流输电在某些领域具有交流输电不可比拟的优势，例如远距离输电、大系统非同步互联等。近年来我国的直流输电技术发展迅速，其输电容量和输电距离目前均已跨入世界领先水平。直流输电系统传输容量大、技术复杂，其保护尤为重要，它比交流保护反应更快、配置更复杂。直流输电系统保护包括换流站和线路保护，换流站同时与交流和直流系统相连，故其保护在直流保护中最重要也最复杂。认真研究换流站保护的配置和原理，可提高直流输电系统运行的可靠性、可用率和经济效益。

直流输电换流站保护包括交流和直流保护，而直流保护通常包括滤波器、换流变压器、换流器、极和中性线等保护，其中核心部件换流器的保护包括滤波器保护、IGBT过流/过热保护、变流器输入电流保护、变流器输出过压保护、变流器输出欠压保护等内容。

但是传统直流输电仍有许多不足之处，例如不能向小容量交流系统及不含旋转电机的负荷供电；换流器产生的谐波次数低、容量大；换流器吸收较多的无功功率，换流站投资大等。直流输电系统的高压换流站型式也比较复杂，对于运行时的安全性应予以绝对保证，一旦出现任何故障，应立即予以保护，并防止故障扩大。

现有的高压换流站保护主要包括保护分区原则、故障类型、动作出口类型等内容。提出高压直流工程的直流保护方案，保护系统的保护算法原则、判据等。

现有的直流输电高压换流站保护方案主要包括以下两个方面：

(1)交流侧保护：交流侧主设备的保护，即换流变压器保护，此保护装置采用常规的主变压器保护。但对交流滤波器和并联电容器则应采用专门设计的滤波器和电容器组的保护装置。交流侧保护主要包括：变压器差动保护、交流过电流保护、交流滤波器过负荷保护、交流滤波器和并联电容器组的不平衡保护。

(2)直流侧保护：直流侧保护是高压直流输电的专用保护装置。直流侧保护主要包括：直流短路保护、直流过流保护、换相失败保护、直流谐波保护、滞后角过大保护、直流差动保护、直流过电压保护、直流线路接地保护、电极线路开路保护等。

因此对直流输电保护系统提出下列要求：需要有较大范围的保护区，即要求电力系统所有设备均须置于保护区内。它与超高压交流输电系统一样，当发生故障时，要求各种保护在故障时应快速可靠地动作。除此以外，高压直流输电系统中还应设置某些保护，能最大限度地减小系统瞬时扰动对系统冲击的影响，还应设置反映设备故障性质的保护，以便于运行人员及时排除故障。

发明内容

本发明的目的在于针对现有直流输电保护方法的不足，提供一种能够正确快速可靠处理直流输电高压换流站的相关故障，以达到在故障时快速可靠地动作，有效保护高压换流站的目的。本发明的另一目的在于提供一种能够最大限度地减小高压换流站瞬时扰动对直流输电系统冲击的影响，能够反映设备故障性质的保护，以便于运行人员及时排除故障的直流输电高压换流站保护方法。

本发明提供的一种直流输电高压换流站保护方法是通过下述技术方案来实现的：

一种直流输电高压换流站保护方法，将高压换流站出现的故障保护分为换流站系统级保护、变流器装置级保护和单元变流器级保护3个层级进行设计，通过外部采集的数字输入量和模拟输入量，分析当前高压换流站的实时状态，当直流输电系统出现故障时，系统通过故障库对故障进行分型和调用，然后根据不同的故障类型对故障进行分级，判断故障的轻重，并采取相应的保护策略进行处理，对故障进行相应的报警和动作。

作为本发明进一步的实施方式，换流站系统级保护对包括主断路器和线路负载在内的故障进行保护，变流器装置级保护对包括移向变压器、上层控制器、功率单元和水冷却装置在内的故障进行保护，单元变流器级保护对包括单元变流器在内的故障进行保护。

作为本发明进一步的实施方式，所述保护方法包括上层控制器保护和各功率单元内部的单元控制器保护，各功率单元内部的单元控制器完成下层的功率单元变流器的保护；上层控制器接收下层的功率单元变流器的故障信息和实时数据，发送直流输电系统的故障数据记录，同时完成直流输电系统的保护功能。

作为本发明进一步的实施方式，所述高压换流站保护方法将直流输电高压换流站的交流侧和直流侧分别予以保护，当直流输电系统出现故障需要保护时，通过32位微处理器+双DSP对故障保护进行控制，三个CPU并行工作，32位微处理器负责出口逻辑、通讯、人机对话，两个DSP负责保护运算。

作为本发明进一步的实施方式，所述系统保护功能包括交流侧变压器保护、直流输电线路的保护、系统水冷装置控制与保护、实施下层功率单元变流器的故障保护，当发生系统过压、欠压或短路、接地、缺相故障时，封锁变频器，跳主断路器开关；过流、过载或过热时首先降功运行，如故障依然存在，封锁变频器，跳主断路器开关。

作为本发明进一步的实施方式，所述保护方法采用独立的启动元件，包括启动和保护动作出口跳闸两种方式，杜绝由系统硬件故障引起的误动作，采用双主、双后备的配置，换流变压器保护以及交流滤波器、电容器、电抗器采用单独保护。

作为本发明进一步的实施方式，所述系统级包括以下步骤：当发生严重故障时，封锁所有变流器脉冲，同时发出跳主断路器信号；当发生中等故障时，封锁变流器装置级触发脉冲，将故障信息送入系统级保护系统，严重时发出跳主断路器信号；当发生轻故障时，系统降功运行，同时将故障信息送入装置级保护系统。

作为本发明进一步的实施方式，所述换流站系统级保护包括：

(1)在系统故障诊断中发现测试系统测试的参数超出试验项目允许的保护值范围，进行提示性告警，由试验操作人员依据试验项目规定进行处理；

(2)数字电源单元与上位机发生通信故障、数字电源发生不可继续运行的故障、在进行电励磁同步电机试验时励磁电源故障等必须停机的故障时，系统根据预设的程序向各功能单元发布停机指令，功能单元根据预设的程序停机；

(3)在进行试验的过程中，某个功能单元发生故障而不影响试验项目的继续进行时，由上位机向该单元发布脱离指令，该单元脱离试验进行检查和复位，同时试验继续进行。

作为本发明进一步的实施方式，所述变流器装置级保护包括：测试系统故障保护、励磁电源故障保护和数字电源故障保护，其中，

所述测试系统故障保护包括以下步骤：

(1)当发生传感器回路故障时，向上位机送故障信息，由上位机调度进行故障保护处理；

(2)当发生通信故障时，本功能单元进行复位处理，尝试恢复通信；

所述励磁电源故障保护包括以下步骤：

(1)当发生传感器回路故障时，关闭输出并向上位机发送故障信息，由上位机调度进行系统故障保护处理；

(2)当发生功率模块故障时，关闭并向上位机发送故障信息，由上位机调度进行系统故障保护处理；

(3)当发生保护性诊断故障时，向上位机发送故障信息，由上位机调度进行系统故障处理，并接受上位机指令调整输出或脱离；

(4)当发生通信故障时，维持原来的运行参数继续运行，由上位机判断该故障并进行故障保护处理；

所述数字电源故障保护包括以下步骤：

(1)当发生单个功率单元模块故障时，由数字电源主控系统自动旁路该单元模块，自动调整输出电压，保持电源输出平衡，同时向上位机发送本故障信息，由上位机控制调整其他功能单元的状态；

(2)当发生必须停机的严重故障时按预设的方式紧急停机，向上位机发送故障信息，由上位机控制调整其他功能单元的状态；

(3)当发生可以继续运行的警告性故障时，数字电源对这些故障状态进行自动处理排除故障，同时向上位机发送警告性故障信息，试验人员可以在试验完成后调整电源的相应参数避免以后出现该故障。

作为本发明进一步的实施方式，所述单元变流器级保护包括以下步骤：

(1)当发生严重故障时，关闭发生故障的功能单元输出，向数字电源主控系统发送功能单元模块故障信息，由数字电源故障保护处理程序旁路该功能单元；

(2)当发生警告性故障时，检测到可以继续运行的故障时，根据程序进行自动排除故障处理，向数字电源主控系统发送警告性故障，由数字电源主控系统调整数字电源的运行状态。

本发明所提供的直流输电高压换流站保护方法能够对高压换流站进行分级的全方位保护，在故障发生时系统能够快速查询故障类型，然后根据系统保护层级，对故障做出相应判断和动作，可靠有效地保护了直流输电系统。同时，系统冗余度高，能够最大限度地减小高压换流站瞬时扰动对直流输电系统冲击的影响。

附图说明

图1是本发明一种典型实施方式所应用的直流输电高压换流站系统结构示意图；

图2是本发明一种典型实施方式所应用的直流输电高压换流站功率单元拓扑结构图；

图3是本发明应用在两个高压换流站背靠背连接组成直流输电系统的一种典型实施方式示意图；

图4是本发明应用在单台高压换流站模式的一种典型实施方式示意图；

其中：1-高压换流站一，2-移相变压器一，3-功率单元一，4-下层功率单元控制器，5-上层控制器，6-模块一，7-模块二，1′-高压换流站二，2′-移相变压器二，3′-功率单元二，6′-模块三，7′-模块四，R1-电阻，C1～C2-电容，VT1～VT7-IGBT，D1-二极管，PT-电压传感器，CT-电流传感器，QF1-主断路器。

具体实施方式：

附图给出了本发明的具体实施例，下面将通过附图和实施例对本发明作进一步的描述。

如图1所示为本发明直流输电高压换流站保护方法所保护的直流输电高压换流站装置的系统结构框图，包括两组相互独立的高压换流站(如图1中标号1和1′部分所示)，两组换流站采用背靠背连接模式通过直流侧并联组合在一起，分别作为直流输电的发送端(又称发端)和接收端(又称受端)。每组高压换流站又包括一对串联的模块(如图1中标号6，7，6′，7′所示)，每个模块由移相变压器(如图1中标号2和2′部分所示)和若干个功率单元(如图1中标号3和3′部分所示)组成。每组高压换流站可集成组装在移动车集装箱内构成可移动式输电车。

如图1所示，高压换流站是由多个功率单元组合和移相变压器构成。如图1中标号3和3′部分所示的功率单元主电路部分主要由全控电力电子器件三相两电平桥臂，斩波桥臂，交流侧低压电抗器，交流侧滤波电容，直流侧电容，直流侧放电电阻构成。功率单元的具体电路拓扑如图2所示，6个IGBT(VT1～VT6)构成的三相桥臂，三相桥臂交流侧接三相低压电抗器L1，再通过三相电容C1滤波后接变压器副边绕组。功率单元直流侧并联电容C2与放电电阻R1，以及VT7，D1构成的斩波桥臂。在输电时功率单元直流侧正极Ud+接上一个功率单元直流侧负极Ud-，而Ud-接下一个功率单元Ud+，实现直流侧的功率单元串联，相接构成高压直流源。

直流输电高压换流站系统由上层控制器和各功率单元内部的单元控制器组成，下层变流器单元控制器完成变流器单元的保护；上层控制器接收下层功率单元变流器的故障信息和实时数据，发送直流输电系统的故障数据记录，同时完成系统的保护功能，包括交流侧变压器保护、直流输电线路的保护、系统水冷装置控制与保护，实施下层功率单元变流器的故障保护。整个控制电路设有过压、欠压、过流、过载、短路、接地、缺相、过热等保护。当过压、欠压或短路、接地、缺相等故障发生时，封锁变频器，跳主断路器开关；过流、过载或过热时首先降功运行，如故障依然存在，封锁变频器，跳主断路器开关。

如图3所示，高压换流站保护方法将直流输电高压换流站的交流侧和直流侧分别予以保护。根据不同的保护对象，系统的保护可分为换流站系统级、变流器装置级和单元变流器级3个层级进行保护设计，如图4所示。直流输电高压换流站包括：进线合闸柜、移向变压器、功率单元、出线开关柜、上层控制器和水冷却装置。其中，系统级保护主要针对主断路器和输出线路负载进行保护，主要包括：主断路器保护、斩波过流保护、线路过压保护、线路接地保护和防雷击保护；变流器装置级保护主要针对移向变压器、上层控制器、功率单元和水冷却装置进行保护，主要包括：变压器差动保护、变压器过压保护、变压器过流保护、变压器三相不平衡保护、冷却系统异常保护、单元变流器异常保护和单元变流器不平衡保护；单元变流器级保护主要针对功率单元进行保护，主要包括：IGBT元件过流保护、IGBT元件过热保护、滤波器保护、变流器输入电流过流保护、变流器输出电压过压保护和变流器输出电压欠压保护。当系统出现故障保护时，系统通过故障库对故障进行分型及调用，然后根据不同的故障类型对故障进行分级，并进行相应的处理，如表4所示。故障前后一段时间的波形可以进行记录存储，以便事后分析故障原因。此外，当系统出现故障保护时，通过双DSP+CPLD控制平台进行控制，硬件平台采用32位微处理器+双DSP的硬件结构，三个CPU并行工作，32位微处理器负责出口逻辑、通讯、人机对话，两个DSP负责保护运算。整体面板、全封闭机箱，强弱电严格分开，取消传统背板配线方式，提高装置的抗干扰能力。

装置采用独立的起动元件，启动+保护动作出口跳闸方式，杜绝保护装置硬件故障引起的误动作。双主、双后备的配置防止了拒动情况的发生。换流变压器保护以及交流滤波器/电容器/电抗器保护采用单独装置，因此便于运行和维护，并具有更高的可靠性。

故障分类	处理方式
		严重故障	封锁所有变流器脉冲，同时发出跳主断路器信号
中等故障	封锁变流器装置级触发脉冲，将故障信息送入系统级保护系统，严重时发出跳主断路器信号
		轻故障	系统降功运行，同时将故障信息送入装置级保护系统

表1：高压换流站故障分类处理情况表

具体的各主要保护动作如下所示：

(1)跳主断路器保护

当系统发生相关故障时，相应中间继电器动作，控制系统检测到有关故障信号(如交流失压、紧急跳闸、开门、进水水压过低、出水水温过高、风机故障、模块温度过高等)的开关量后，会封锁脉冲，并发出跳闸信号，同时跳主断路器指示灯亮，跳闸出口由继电器输出；故障消除后，按下复位开关进行复位。

(2)斩波过流保护

旨在检测换流器设备尤其是换流器斩波桥臂的过电流。出现斩波桥臂过流时保护动作，发跳闸命令。当斩波桥臂出现过流时，斩波桥臂上的电流传感器将过电流信号转换为相应的小电压电流信号，相应中间继电器动作，控制系统检测到斩波过流故障信号的开关量后，会封锁脉冲，发出跳主断路器信号，同时跳主断路器指示灯亮，跳闸出口由继电器输出。

(3)线路过压保护

直流侧出现过压时，发出跳主断路器信号。旨在保护设备使其免遭由分接头开关不正常操作、逆变器闭锁时整流器运行引起的直流过电压。通过测量直流线路的直流电压和电流以及触发角判断故障、启动保护。直流电压超过整定值时切换控制通道，电压传感器将过电压信号转换为相应的小电压电流信号，相应中间继电器动作，控制系统检测到斩波过流故障信号的开关量后，闭锁阀。

(4)快速放电及接地保护

联锁信号允许3分钟后，再将‘放电/接地’旋钮置于‘闭合’位置，相应继电器吸合，让变频器柜的直流回路接地并快速放电，以确保维护和检修时的人身安全，同时‘放电及接地’指示灯亮；输出连锁信号输出。

(5)防雷击保护

雷防护措施主要有避雷针和避雷线，大多采用避雷针和避雷线混合使用，有良好的运行经验。避雷针和避雷线的防雷原理及设计方法与交流变电站相同。我国110~500kV交流变电站和±500kV直流换流站多年来的直击雷防护的运行经验可知，正确设计和安装了避雷针或避雷线的变电站或换流站，其直击雷防护效果是显著和可靠的。与交流变电站不同之处是，直流换流站的布置比较复杂，它有交流场、交流滤波器场、换流区和直流场，特别是直流场又分为直流极母线区和中性点区，其设备高度和电压等级差别较大，使避雷针和避雷线的设计较复杂。

(6)变压器差动保护

比较换流变压器一次侧和二次侧的基波电流差值，检测变压器从一次侧套管上的电流互感器到二次侧套管上的电流互感器件间的故障；变压器绕组差动保护通过比较变压器绕组两端电流互感器测量的绕组差动电流和整定值，确定时限特性动作，保护变压器绕组免受内部接地故障的损害。

(7)变压器过压保护

测量变压器一次侧电压，由各相电压来检出故障，对其分接头切换器调节时引起的电压变化进行补偿。将所测得的数值与参考值进行比较来检出故障。当变压器出现过电压时，电压传感器将过电压信号转换为相应的小电压电流信号，相应中间继电器动作，控制系统检测到变压器过压故障信号的开关量后，会封锁脉冲，发出跳主断路器信号，同时跳主断指示灯亮，跳闸出口由继电器输出。

(8)变压器过流保护

测量变压器一次侧电流，若出现过流(由各相电流来检出故障)则保护动作发出，并发出跳主断路器信号。当变压器出现过流时，变压器上的电流传感器将过电流信号转换为相应的小电压电流信号，相应中间继电器动作，控制系统检测到变压器过流故障信号的开关量后，会封锁脉冲，发出跳主断路器信号，同时跳主断指示灯亮，跳闸出口由继电器输出。

(9)变压器三相不平衡保护

测量变压器阀侧三相对地电压的相量和，并检测零序分量，当三相严重不平衡时，发出跳主断路器信号。

(10)冷却系统异常保护

a.进水水压过低：压力传感器检测到水压过低信号时，相应中间继电器动作，水冷系统的水泵停止运行(或关闭变频器柜、滤波柜的进水阀)，压力开关送出“水压低”信号，“水压低”指示灯亮，控制系统检测到冷却系统异常信号后，发出“跳主断”信号；

b.风机故障信号：分断风机故障的相应断路器，其辅助触点送出“风机故障”信号后，“风机故障”指示灯亮，控制系统检测到风机故障信号后，发出“跳主断”信号。

(11)单元变流器不平衡保护

通过电压传感器、电流传感器、功率分析仪判断各个单元变流器的电压、电流、功率是否平衡，当出现严重不平衡时，相应中间继电器动作，控制系统检测到单元变流器不平衡的开关量后，发出跳主断路器信号。

(12)单元变流器异常保护

综合单元变流器发送而来的故障信号，相应继电器动作，控制系统检测到单元变流器异常信号开关量后，发出报警信号或跳主断路器信号。

(13)IGBT元件过流保护

旨在检测换流器设备尤其是IGBT元件的过电流。出现IGBT元件过流时保护动作，发跳闸命令。当IGBT元件出现过流时，IGBT元件上的电流传感器将过电流信号转换为相应的小电压电流信号，相应中间继电器动作，控制系统检测到IGBT元件过流故障信号的开关量后，会封锁脉冲，发出跳主断路器信号，同时跳主断路器指示灯亮，跳闸出口由继电器输出。

(14)IGBT元件过热

IGBT元件的最高运行结温为150℃，但其允许的耗散功率及通态电流与结温成反比，通常认为运行结温应控制在125℃以下，壳温在100℃以下，考虑到安全性及留有一定的裕量，实际上将结温控制在110℃以下，并设置了两级温度保护，一级保护动作时限流，二级保护时关机。当模块超温时，相应的温度继电器动作，模块超温指示灯亮，控制系统检测到上GBT元件过热信号后，执行降负荷操作，超过设定时间后，通过中间继电器发出‘跳主断路器’信号。

(15)滤波器保护

当电压传感器检测到滤波器电容电压异常时，相应继电器动作，控制系统检测到滤波器电容电压异常的开关量后，通过中间继电器给出报警信号。

(16)变流器输入电流过流保护

当单元变流器输入电流过流时，单元变流器的电流传感器将过电流信号转换为相应的小电压电流信号，相应中间继电器动作，控制系统检测到单元变流器过流故障信号的开关量后，封锁单元变流器触发脉冲，等待电流自动恢复，然后重新恢复脉冲，若重复3次过流，则控制系统发送故障信号给装置级保护系统，发出跳主断路器信号，同时跳主断路器指示灯亮，跳闸出口由继电器输出。

(17)变流器输出电压过压保护

构成原理：测量换流变压器线路侧的交流电压，并对其分接头切换器调节时引起的电压变化进行补偿。将所测得的数值与参考值进行比较来检出故障。当变压器出现过电压时，电压传感器将过电压信号转换为相应的小电压电流信号，相应中间继电器动作，控制系统检测到变压器过压故障信号的开关量后，会封锁脉冲，发出跳主断路器信号，同时跳主断路器指示灯亮，跳闸出口由继电器输出。

(18)变流器输出电压欠压保护

当单元变流器出现欠压时，相应中间继电器动作，单元变流器发送故障信号给装置级保护系统，发出跳主断路器信号，同时分断交流失压的相应断路器或按下紧急跳闸按钮，则‘跳闸/失压’指示灯亮，控制系统检测到变流器输出电压欠压信号后，发出‘跳主断路器’信号。

系统建立故障库，当发生故障时，系统通过故障库对故障进行分型及调用，然后根据不同的故障类型和保护对象，系统保护对故障分为换流站系统级、变流器装置级和单元变流器级3个层级进行设计保护。移动式换流站可以认为是一个整合模块，换流站内部器件的保护在制造期间就已经考虑，由此在这里不需要提出特殊要求。保护系统必须对如图1所示的区域提供保护措施。

系统保护包括故障库的建立和调用，故障分型与查询、保护及报警等内容。

换流站建立分级保护故障库。DSP通过外部采集的数字输入量和模拟输入量，分析当前变频器实时状态，若发生故障时，首先根据变频器实时状态，判断故障的轻重，分级保护，按照故障的类型进行判断，采取相应的保护策略。

经过对换流站运行的环境进行分析，设计了故障库查询来快速查询和甄别故障，并快速反应，完成与此对应的保护和切换过程。在本系统运行时，如果发生故障，则通过预先的故障库查询，来实时查询此时的变量状态，通过查询该变量状态来对应故障类型，可以针对不同故障在线进行相关处理，进行故障分级，并予以明确指示与报警。这样的工作是通过主程序故障中断子程序来完成的。

1.故障诊断

故障诊断包括了系统故障诊断和单元故障诊断。

(1)系统故障诊断

由上位机控制，对系统中运行的各功能单元(数字电源、测试系统、励磁电源等)进行在线扫描监测，完成以下诊断功能：

a.监视各功能单元的运行状态，当某功能单元发生故障时，控制系统做出相应的保护动作和报警；

b.对测试系统采集的电量和非电量进行自动分析，针对当前进行的试验项目进行保护值比较处理，当测试的参数超出试验项目允许的保护值范围，做出相应的保护动作和报警；

c.故障纪录和故障日志。故障纪录包括纪录故障源、时间等。故障日志包括保存一定时间的故障纪录。

(2)功能单元故障诊断

数字电源、测试系统、励磁电源等各功能单元都具有故障诊断功能。

a.数字电源故障诊断

数字电源自身具有很强的诊断和保护功能。它有对功率单元模块的保护设置和对试验电机的保护设置，在运行过程中对传感器信号进行监视，针对不同的运行状态对监视的数据进行比较处理，进行实时故障诊断。在发生故障时进行预先设置的保护处理，并向上位机发出故障信息，由上位机对试验系统进行相应的故障保护处理和报警。

b.传感器回路诊断

在系统待机状态下测试传感器，对传感器和检测回路是否正常进行诊断；

功率模块诊断：根据传感器检测的电量，对功率模块的状态进行诊断；

通信模块诊断：包括数字电源系统内部各模块间通信诊断，数字电源系统与上位机间通信诊断；

保护性诊断：对输出电流、母线电压、逆变器温度等进行监测，根据电源运行的状态进行保护值比较诊断。

c.测试系统故障诊断

测试系统的故障诊断主要包括以下诊断功能：

传感器回路诊断：各传感器回路是否正常进行自动诊断；

通信模块诊断：包括了测试系统各部件间通信诊断，测试系统与上位机间的通信诊断。

d.励磁电源故障诊断

励磁电源故障诊断主要包括：

传感器回路诊断：对各传感器回路是否正常进行自动诊断；

功率模块功能性诊断：诊断功率模块故障；

保护性诊断：针对不同的电励磁同步电机设置的保护值进行保护性诊断；

通信模块诊断：励磁电源与上位机间通信诊断。

2.故障保护

系统保护分为硬件保护和软件保护。硬件保护功能由逆变信号插件完成，主要包括：IGBT元件故障保护、直流电压过压保护、逆变输出过流保护、斩波过流保护、主电路接地保护、插件不在位保护、电源故障保护。软件保护由电机控制插件和SBC插件(SBC：Smart BitrateControl智能比特率控制)完成，主要有：逆变器过热等。所有的故障保护由SBC插件集中汇总，通过通讯接口插件送入控制台上位机，供显示、故障记录、保护用。并提供变压器保护：超温保护、跳闸保护及整流主电路保护信号：纯水温度高、纯水压力低、吸收回路故障、单元直流电流过流、总直流电流过流、直流过电压、快熔熔断等。

系统的保护共分为换流站系统级、变流器装置级和单元变流器级3个层级进行保护设计，如图3所示。当系统出现故障保护时，故障前后一段时间的波形可以进行记录存储，以便事后分析故障原因。

(1)换流站系统级保护

由上位机软件控制，针对系统故障诊断的结果，对整个试验系统进行状态调度。具有以下保护方式：

a.提示性告警处理

在系统故障诊断中发现测试系统测试的参数超出试验项目允许的保护值范围，进行提示性告警，由试验操作人员依据试验项目规定进行处理。当接收到数字电源发送的警告性故障信息，进行提示性告警，由试验操作人员依据试验项目规定进行处理。

b.系统停机

数字电源单元与上位机发生通信故障、数字电源发生不可继续运行的故障、在进行电励磁同步电机试验时励磁电源故障等必须停机的故障时，系统根据预设的程序向各功能单元发布停机指令，功能单元根据预设的程序停机。

c.系统不停机，功能单元脱离

在进行试验的过程中，某个功能单元发生故障而不影响试验项目的继续进行时，由上位机向该单元发布脱离指令，该单元脱离试验进行检查和复位。同时试验继续进行。

主断路器保护	检测主断路器工作状态，当出现异常时，封锁所有变流器脉冲，整个换流站退出工作，同时发出跳主断路器信号。
		电缆保护	电缆线路故障时，通常表现为直流电压异常和直流电流异常，一般要通过跳开交流侧断路器来清除故障。
直流侧过压保护	直流侧出现过压时，发出跳主断路器信号。旨在保护设备使其免遭由分接头开关不正常操作、逆变器闭锁时整流器运行引起的直流过电压。通过测量直流线路的直流电压和电流以及触发角判断故障、启动保护。直流电压超过整定值时切换控制通道，闭锁阀。
		直流侧过流保护	直流侧出现过流时，发出跳主断路器信号。旨在检测换流器设备尤其是换流阀的过电流。测量直流中性线、换流变压器阀侧绕组的电流最大值。出现过流时保护动作，发跳闸命令。
直流母线接地保护	当直流母线任一端接地时，半中间电压将偏离正常值，这时必须给出跳主断路器信号。
		防雷击保护	安装防雷击装置，避免出现雷电过电压时，导致换流站设备损坏。

表2：高压换流站系统级保护功能表

(2)变流器装置级保护

针对不同的功能单元有不同的故障保护方式。

a.测试系统故障保护

当发生传感器回路故障时，向上位机送故障信息，由上位机调度进行故障保护处理。

当发生通信故障时，本单元进行复位处理，尝试恢复通信。

b.励磁电源故障保护

发生传感器回路故障时，关闭输出并向上位机发送故障信息，由上位机调度进行系统故障保护处理。

发生功率模块故障时，关闭并向上位机发送故障信息，由上位机调度进行系统故障保护处理。

发生保护性诊断故障时，向上位机发送故障信息，由上位机调度进行系统故障处理，并接受上位机指令调整输出或脱离。

发生通信故障时，维持原来的运行参数继续运行，由上位机判断该故障并进行故障保护处理。

c.数字电源故障保护

由于本数字电源为单元串联方式功率输出，针对诊断的故障有多种保护方式。

单个功率单元模块故障：由数字电源主控系统自动旁路该单元模块，自动调整输出电压，保持电源输出平衡。同时向上位机发送本故障信息，由上位机控制调整其他功能单元的状态。

严重故障：如检测到数字电源过载、母线过电压和其他必须停机的故障时，按预设的方式紧急停机(急停或自由停车)。向上位机发送故障信息，由上位机控制调整其他功能单元的状态。

警告性故障：如检测到加速过电流、减速过电压和其他可以继续运行的故障时，数字电源对这些故障状态进行自动处理排除故障，同时向上位机发送警告性故障信息。试验人员可以在试验完成后调整电源的相应参数避免以后出现该故障。

变压器差动保护	(1)构成原理：比较线路侧和阀侧的相电流，当变压器安匝数失去平衡时检出故障。(2)用途：检测换流变压器的内部故障。当在阀侧绕组上发生接地故障，其故障类型与在交流导线上发生接地故障相类似。其它的变压器故障将导致换相失败，为减轻故障时对变压器的损坏应快速切断故障换流器。
		变压器过压保护	测量变压器一次侧电压，由各相电压来检出故障，对其分接头切换器调节时引起的电压变化进行补偿。将所测得的数值与参考值进行比较来检出故障。若出现过压发出跳主断路器信号。

变压器差动保护	(1)构成原理：比较线路侧和阀侧的相电流，当变压器安匝数失去平衡时检出故障。(2)用途：检测换流变压器的内部故障。当在阀侧绕组上发生接地故障，其故障类型与在交流导线上发生接地故障相类似。其它的变压器故障将导致换相失败，为减轻故障时对变压器的损坏应快速切断故障换流器。
		变压器过流保护	测量变压器一次侧电流，若出现过流(由各相电流来检出故障)，发出跳主断路器信号。
变压器三相不平衡保护	测量变压器阀侧三相对地电压的相量和，并检测零序分量，当三相严重不平衡时，发出跳主断路器信号。
		冷却系统异常保护	检测水冷系统的水压以及水泵的工作状态，当出现异常
	时，发出警报信号，若超过一定时间故障未排除，发出跳主断路器信号。
		单元变流器异常保护	综合单元变流器发送而来的故障信号，发出报警信号或跳主断路器信号。
单元变流器不平衡保护	判断各个单元变流器的电压、电流、功率是否平衡，当出现严重不平衡时，发出跳主断路器信号。

表3换流变流器的装置级保护功能表

(3)单元变流器级保护

单元模块级故障保护指数字电源的功率单元故障保护。

a.严重故障

如发生严重故障，关闭本功能单元输出，向数字电源主控系统发送功能单元模块故障信息，由数字电源故障保护处理程序旁路本单元。

b.警告性故障

检测到其他可以继续运行的故障时，根据程序进行自动排除故障处理，向数字电源主控系统发送警告性故障，由数字电源主控系统调整数字电源的运行状态。

IGBT元件过流保护	当IGBT元件本身检测到过流时，封锁单元变流器触发脉冲，同时将故障信息送入装置级保护系统，发出跳主断路器信号。
		IGBT元件过热保护	当IGBT元件本身检测到过热时，封锁单元变流器触发脉冲，同时将故障信息送入装置级保护系统，发出跳主断路器信号。
滤波器保护	当检测到滤波器电容电压异常时，给出报警信号。
		变流器输入电流保护	当单元变流器输入电流过流时，封锁单元变流器触发脉冲，等待电流自动恢复，然后重新恢复脉冲，若重复3次过流，则发送故障信号给装置级保护系统，发出跳主断路器信号。
变流器输出过压保护	当单元变流器出现过压时，发送故障信号给装置级保护系统，发出跳主断路器信号。
		变流器输出欠压保护	当单元变流器出现欠压时，发送故障信号给装置级保护系统，发出跳主断路器信号。

表4换流变流器的单元级保护功能表

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域的普通技术人员可以在所附权利要求的范围内作出各种变形或修改。

Claims (10)

1.一种直流输电高压换流站保护方法，其特征在于：将高压换流站出现的故障保护分为换流站系统级保护、变流器装置级保护和单元变流器级保护3个层级进行设计，通过外部采集的数字输入量和模拟输入量，分析当前高压换流站的实时状态，当直流输电系统出现故障时，系统通过故障库对故障进行分型和调用，然后根据不同的故障类型对故障进行分级，判断故障的轻重，并采取相应的保护策略进行处理，对故障进行相应的报警和动作。

2.根据权利要求1所述的一种直流输电高压换流站保护方法，其特征在于：所述换流站系统级保护对包括主断路器和线路负载在内的故障进行保护，所述变流器装置级保护对包括移向变压器、上层控制器、功率单元和水冷却装置在内的故障进行保护，所述单元变流器级保护对包括单元变流器在内的故障进行保护。

3.根据权利要求1或2所述的一种直流输电高压换流站保护方法，其特征在于：所述保护方法包括上层控制器保护和各功率单元内部的单元控制器保护，各功率单元内部的单元控制器完成下层的功率单元变流器的保护；上层控制器接收下层的功率单元变流器的故障信息和实时数据，发送直流输电系统的故障数据记录，同时完成直流输电系统的保护功能。

4.根据权利要求3所述的一种直流输电高压换流站保护方法，其特征在于：所述高压换流站保护方法将直流输电高压换流站的交流侧和直流侧分别予以保护，当直流输电系统出现故障需要保护时，通过32位微处理器+双DSP对故障保护进行控制，三个CPU并行工作，32位微处理器负责出口逻辑、通讯、人机对话，两个DSP负责保护运算。

5.根据权利要求4所述的一种直流输电高压换流站保护方法，其特征在于：所述高压换流站保护方法的保护功能包括交流侧变压器保护、直流输电线路的保护、系统水冷装置控制与保护、实施下层的功率单元变流器故障保护，当发生系统过压、欠压或短路、接地、缺相故障时，封锁变频器，跳主断路器开关；过流、过载或过热时首先降功运行，如故障依然存在，封锁变频器，跳主断路器开关。

6.根据权利要求4或5所述的一种直流输电高压换流站保护方法，其特征在于：所述高压换流站保护方法采用独立的启动元件，包括启动和保护动作出口跳闸两种方式，杜绝由系统硬件故障引起的误动作，采用双主、双后备的配置，换流变压器保护以及交流滤波器、电容器、电抗器采用单独保护。

7.根据权利要求6所述的一种直流输电高压换流站保护方法，其特征在于：所述换流站系统级保护包括以下步骤：当发生严重故障时，封锁所有变流器脉冲，同时发出跳主断路器信号；当发生中等故障时，封锁变流器装置级触发脉冲，将故障信息送入系统级保护系统，严重时发出跳主断路器信号；当发生轻故障时，系统降功运行，同时将故障信息送入装置级保护系统。

8.根据权利要求7所述的一种直流输电高压换流站保护方法，其特征在于：所述换流站系统级保护包括：

(1)在系统故障诊断中发现测试系统测试的参数超出试验项目允许的保护值范围，进行提示性告警，由试验操作人员依据试验项目规定进行处理；

(2)数字电源单元与上位机发生通信故障、数字电源发生不可继续运行的故障、在进行电励磁同步电机试验时励磁电源故障等必须停机的故障时，系统根据预设的程序向各功能单元发布停机指令，功能单元根据预设的程序停机；

(3)在进行试验的过程中，某个功能单元发生故障而不影响试验项目的继续进行时，由上位机向该单元发布脱离指令，该单元脱离试验进行检查和复位，同时试验继续进行。

9.根据权利要求8所述的一种直流输电高压换流站保护方法，其特征在于：所述变流器装置级保护包括：测试系统故障保护、励磁电源故障保护和数字电源故障保护，其中，

所述测试系统故障保护包括以下步骤：

(1)当发生传感器回路故障时，向上位机送故障信息，由上位机调度进行故障保护处理；

(2)当发生通信故障时，本功能单元进行复位处理，尝试恢复通信；

所述励磁电源故障保护包括以下步骤：

(1)当发生传感器回路故障时，关闭输出并向上位机发送故障信息，由上位机调度进行系统故障保护处理；

(2)当发生功率模块故障时，关闭并向上位机发送故障信息，由上位机调度进行系统故障保护处理；

(3)当发生保护性诊断故障时，向上位机发送故障信息，由上位机调度进行系统故障处理，并接受上位机指令调整输出或脱离；

(4)当发生通信故障时，维持原来的运行参数继续运行，由上位机判断该故障并进行故障保护处理；

所述数字电源故障保护包括以下步骤：

(1)当发生单个功率单元模块故障时，由数字电源主控系统自动旁路该单元模块，自动调整输出电压，保持电源输出平衡，同时向上位机发送本故障信息，由上位机控制调整其他功能单元的状态；

(2)当发生必须停机的严重故障时按预设的方式紧急停机，向上位机发送故障信息，由上位机控制调整其他功能单元的状态；

(3)当发生可以继续运行的警告性故障时，数字电源对这些故障状态进行自动处理排除故障，同时向上位机发送警告性故障信息，可以在试验完成后调整电源的相应参数避免以后出现该故障。

10.根据权利要求9所述的一种直流输电高压换流站保护方法，其特征在于：所述单元变流器级保护包括以下步骤：

(1)当发生严重故障时，关闭发生故障的功能单元输出，向数字电源主控系统发送功能单元模块故障信息，由数字电源故障保护处理程序旁路该功能单元；

(2)当发生警告性故障时，检测到可以继续运行的故障时，根据程序进行自动排除故障处理，向数字电源主控系统发送警告性故障，由数字电源主控系统调整数字电源的运行状态。

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