CN104820157A - 一种柔性直流输电系统直流单极接地故障判断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性直流输电系统直流单极接地故障判断方法，获取直流侧正、负直流母线对地电压，若其中一个电压值的绝对值小于低压限值且另一个电压值的绝对值大于高压限值，并且满足持续时间大于设定甄别时间的条件，则可判定绝对值小于低压限值的电压值对应的直流母线发生单极接地故障。本发明依据直流单极接地故障发展过程中电压的变化特性，选择正负直流母线对地电压作为直流单极接地故障辨识参数，除此以外，增加了电压参数的超限时间作为另一主要判据，提高故障辨识的准确率，避免其它故障引起的误判。该方法能够快速准确对模块化多电平换流器柔性直流输电系统直流单极接地故障进行辨识。

Description

一种柔性直流输电系统直流单极接地故障判断方法

技术领域

本发明属于电力系统柔性输配电、电力电子和用户电力技术领域，具体涉及一种模块化多电平换流器柔性直流输电系统直流单极接地故障判断方法。

背景技术

随着全控型电力电子器件的发展和电力电子技术在电力系统中的应用，基于电压源换流器的柔性直流输电技术日益受到重视。模块化多电平换流器是柔性直流输电系统应用中电压源换流器的一种，它由多个半桥子模块按照一定的方式连接而成，通过分别控制各个子模块IGBT组件的投入和切除状态使换流器输出的交流电压逼近正弦波，实现能量的高效传输。

输电线路是模块化多电平换流器柔性直流输电系统的重要组成部分。目前柔性直流输电工程普遍采用电缆进行功率传输，一方面使得系统造价大大升高，一方面直流电缆还受到直流电压的限制，功率输送十分有限，我国直流电缆技术也较落后；特高压直流输电工程均采用架空线进行功率传输，但是由于传输距离较远，跨区地理环境复杂，直流故障率较高，数据显示线路故障约占直流输电系统故障的50％，其线路保护正确动作切除故障也只有50％，从而导致不必要的直流停运。将架空线引入到柔性直流输电中，可以降低系统造价，同时提升系统电压等级，提升系统容量，但是如何提升输电线路故障时线路保护的正确动作率，减少不必要的直流停运，是一个很大的难题，而线路保护的正确动作取决于对线路故障的快速地、准确地辨识。

直流单极接地故障是直流线路故障的一种，所谓单极接地是指直流系统有正负两极，任意一极接地则为单极接地。一般直流系统发生正极接地有造成保护误动作的可能。因为电磁操动机构的跳闸线圈通常都接于负极电源，倘若这些回路再发生接地造成绝缘不良就会引起误动作。直流系统负极接地时，如果回路中再有一点发生接地，就可能跳闸或合闸回路短路，造成保护或断路器拒动，或烧毁继电器，或是熔断器熔断等。目前文献对直流单极接地故障的研究重点主要是在保护策略上，对于故障辨识的研究并不多，也没有形成普遍的共识和详细的辨识参数整定原则。

中国专利申请号201210326230.8公开了一种全桥MMC-HVDC直流故障分类检测与保护方法，针对直流单极接地故障的判别，通过检测两极电压的方式进行判断，若两极电压的值超出设定阈值，则说明检测到单级接地故障的发生。这种判断方法的唯一判别条件就是正负直流母线的电压，判断条件比较单一，很容易发生误判现象，例如系统发生交流单相或双相接地故障时，正、负直流母线电压会越过阀值，虽然满足电压判断条件，但是实际却没有发生直流单极接地故障，造成了误判。因此，这种判别方式可靠性较低，为提高系统可靠性、保护及时性和运维高效性，亟待提出一种高效普遍适用的模块化多电平换流器柔性直流输电系统直流单极接地故障辨识方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种柔性直流输电系统直流单极接地故障判断方法，提高判断直流单极接地故障的可靠性，避免其它故障引起的误判。

为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：一种柔性直流输电系统直流单极接地故障判断方法，获取直流侧正、负直流母线对地电压，若其中一个电压值的绝对值小于低压限值且另一个电压值的绝对值大于高压限值，并且满足持续时间大于设定甄别时间的条件，则可判定绝对值小于低压限值的电压值对应的直流母线发生单极接地故障。

直流母线发生单极接地故障的辅助判据为阀侧接地电流值，即满足接地电流值大于电流限值的判断条件。

所述直流侧正、负直流母线对地电压及阀侧接地电流值均为标幺值的格式。

所述低压限值为0.6pu，高压限值为1.4pu，设定甄别时间为10ms。

所述电流限值为0.4pu。

本发明柔性直流输电系统直流单极接地故障判断方法依据直流单极接地故障发展过程中电压的变化特性，选择正负直流母线对地电压作为直流单极接地故障辨识参数，除此以外，增加了电压参数的超限持续时间作为另一主要判据，能够避免交流单相、双相接地故障引起的误判，提高单极接地故障辨识的准确率，避免其它故障引起的误判。该方法能够快速准确地对模块化多电平换流器柔性直流输电系统的直流单极接地故障进行辨识。

另外，增加了接地电流的判据，判断结果更为准确，严格避免了误判现象的发生。

采用数据标幺值的格式进行对比，能够高效且普遍适用于各种等级容量的模块化多电平换流器柔性直流输电系统。

附图说明

图1是本发明直流单极接地故障辨识流程图；

图2是本发明直流单极接地故障辨识相关参数检测位置示意图；

图3是本发明直流单极接地故障的阀侧交流场故障特性图；

图4是本发明直流单极接地故障的直流场故障特性图；

图5是本发明直流单极接地故障的故障辨识结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体的实施例对本发明进行进一步介绍。

如图1所示为本发明柔性直流输电系统直流单极接地故障判断方法的流程图，由图可知，该方法是通过正负直流母线对地电压、接地电流的变化情况，实现对直流单极接地故障快速、准确地辨识，其具体过程如下：首先获取直流侧正、负直流母线电压，若其中一个电压值的绝对值小于低压限值且另一个电压值的绝对值大于高压限值，并且满足持续时间大于设定甄别时间的条件，则可判定绝对值小于低压限值的电压值对应的直流母线发生单极接地故障。

直流单极接地故障发生后故障直流母线对地电压直接变为零，非故障直流母线对地电压翻倍，故选择正负直流母线对地电压、参数超限的持续时间作为单极接地故障的辨识依据。同时由于直流偏置电压的出现，造成接地电阻有电流流过，其大小为二分之一直流母线电压与接地电阻的比值，因此本实施例中采用阀侧接地电流值作为直流母线发生单极接地故障的辅助判据，即要满足接地电流值大于电流限值的判断条件。

为提高该方法的适用性，使其可以便于在各等级容量的直流输电系统中使用，本实施例中采用标幺值的形式进行计算，即将直流侧正、负直流母线电压及阀侧接地电流值变换为标幺值的格式。

标幺值(标么值)是电力系统分析和工程计算中常用的数值标记方法，表示各物理量及参数的相对值，单位为pu(也可以认为其无量纲)。标幺值是相对于某一基准值而言的，同一有名值(实际值)，当基准值选取不同时，其标幺值也不同，其计算公式为：标幺值＝有名值/基准值，标幺值是个相对值，没有单位。使用标幺值的好处：1)只需确定各电压级的基准值，而后直接在各自的基准值下计算标幺值，不需要进行参数和计算结果的折算；2)对于低压系统，功率的标幺值远小于1；3)用标幺值后，电力系统的元件参数比较接近，易于进行计算和对结果的分析比较。它是用实际值除于基值，可以使得在实际计算中更加简单使得计算更快可以避免在电力公式中复杂的换算。工程计算中，往往不用各物理量的实际值，而是用实际值和相同单位的某一选定的基值的比值(标幺值)来进行计算。

考虑提高故障辨识在高阻抗单极接地下的兼容性，本实施例将低压限值设为0.6pu，高压限值设为1.4pu,其中，以额定正常运行时直流母线电压的二分之一作为电压限值的基准值(1pu)。同时为提高故障辨识的准确率，避免其它故障引起的误判，将设定甄别时间配置为10ms。另外，接地电阻电流的比较限值按照0.4pu进行配置,并以单极接地故障发生后的交流零序电流(即二分之一直流母线电压与接地电阻的比值)作为电流限值的基准值(1pu)。

下面以对称单极接线方式为例进行说明，如图2所示为本发明直流单极接地故障辨识相关参数检测位置示意图，该系统包括阀侧变压器、桥臂电抗器、换流阀、直流母线上的平波电抗器和二极管。阀侧的变压器采用星三角接法，故障监测点有三处，其中①为变压器接地电阻的电流I_GND，②为负直流母线对地电压U_DCNG，③为正直流母线对地电压U_DCPG，通过检测正、负直流母线对地电压、接地电流的数据信息，获取直流单极接地故障辨识相关参数信息，并实时记录检测时间T，再与各设定限值进行比较，具体判别公式如下：

，若上述各参数越限的持续时间满足T＞T_set，则可判定直流单极接地故障发生。

另外，通过辅助判据：|I_GND|＞I_GNDset，更进一步确定故障类型为直流单极接地故障。

上述公式中，U_DCGset1、U_DCGset2、I_GNDset、T＞T_set分别为高压限值、低压限值、电流限值和设定甄别时间。

本发明是结合直流电压不对称变化特点和构成对地故障回路特点进行直流单极接地故障的辨识，即首先进行直流电压的非对称判断，其次为区分阀侧交流系统接地故障，将直流电压非对称和对地故障电流进行持续10ms(由于直流单极接地故障对于系统潮流传输影响不大，因此10ms的故障甄别时间是允许的)的循环判断，最后利用接地故障回路电流进行再次甄别，至此可以准确识别直流线路单极接地故障。

为了证明方法的可行性，按照单换流站站内测量就能辨识直流单极接地故障的要求，以对称单极接线方式为基础，进行直流单极接地故障辨识普适方法的设计与仿真验证，该仿真系统是直流电压为400kV、额定功率为100MW的双端仿真模型，设定在1s时刻引入直流单极接地故障，这里示例为正极接地故障。仿真时，系统传输功率设定为0.5pu，即系统以0.5*100MW的功率运行。

由于直流单极接地故障发展过程按照恒直流电压控制、恒交流功率控制两种控制模式和整流与逆变两种运行状态共分四种情况，这里仅给出换流站工作在恒直流电压控制模式、整流运行方式下的单极接地故障发展过程仿真波形，如图3和图4所示。图3为阀侧交流场波形图，图中由上至下依次为三相交流相对地电压、三相交流电流、交流功率、接地电流的仿真波形图；图4为直流场波形图，图中由上至下依次为正负直流母线对地电压、直流电流、直流功率、交直流功率差波形图。

根据图3和图4可知，当在1s时刻发生正极接地故障时，在正负直流母线对地电压波形图中，从上到下三条线分别代表正负直流母线之间的电压、正母线对地电压、负母线对地电压，很明显可以看出正直流母线电压在1s时刻迅速降为0，而负直流母线电压由-1变为-2，即变为原来的两倍，并且持续时间为0.1s，满足电压和持续时间的判别条件；另外，接地电流从0变化至-0.3，说明此时接地电阻有电流流过，可以很明确断定发生了正极单极接地故障。同时，从其他图中可以看出，发生故障时，交流相对地电压、交流电流、交流功率(图中从上到下两条线分别代表无功功率、有功功率)、直流电流(图中从上到下两条线分别代表正母线电流、负母线电流)、直流功率和交直流功率差均有较大变化，但是由于这些变化不是单极接地故障所特有的，所以不能作为判据，只能作为辅助参考。

如图5所示，根据该方法可以正确辨识到直流单极接地故障发生的标志为故障状态显示由0变为1，仿真结果证实了本发明所示的直流单极接地故障辨识方法能够快速、准确的对直流单极接地故障进行辨识。

需要说明的是：本发明的直流单极接地故障辨识方法主要适用于对称单极系统以及多端系统，而不适用于对称双极系统。

以上实施例仅用于帮助理解本发明的核心思想，不能以此限制本发明，对于本领域的技术人员，凡是依据本发明的思想，对本发明进行修改或者等同替换，在具体实施方式及应用范围上所做的任何改动，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种柔性直流输电系统直流单极接地故障判断方法，其特征在于：获取直流侧正、负直流母线对地电压，若其中一个电压值的绝对值小于低压限值且另一个电压值的绝对值大于高压限值，并且满足持续时间大于设定甄别时间的条件，则可判定绝对值小于低压限值的电压值对应的直流母线发生单极接地故障。

2.根据权利要求1所述的柔性直流输电系统直流单极接地故障判断方法，其特征在于，直流母线发生单极接地故障的辅助判据为阀侧接地电流值，即满足接地电流值大于电流限值的判断条件。

3.根据权利要求2所述的柔性直流输电系统直流单极接地故障判断方法，其特征在于：所述直流侧正、负直流母线对地电压及阀侧接地电流值均为标幺值的格式。

4.根据权利要求3所述的柔性直流输电系统直流单极接地故障判断方法，其特征在于：所述低压限值为0.6pu，高压限值为1.4pu，设定甄别时间为10ms。

5.根据权利要求3所述的柔性直流输电系统直流单极接地故障判断方法，其特征在于：所述电流限值为0.4pu。