CN104820158A - 一种柔性直流输电系统直流断线故障判断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性直流输电系统直流断线故障判断方法，检测计算正负直流母线电流、正负直流母线电流变化率和交直流功率差值，当上述各参数同时满足以下条件时，确定该系统发生直流断线故障：①正、负直流母线电流值的绝对值有任意一个小于电流限值；②正、负直流母线电流变化率、的绝对值均大于电流变化率限值；③交流功率与直流功率差值的绝对值大于功率差限值。本发明的判断方法依据直流断线故障发展过程中电压、电流的变化特性以及功率传输的特点，选择直流电流、直流电流变化率、交直流功率差值作为故障辨识参数，能够快速、准确的对柔性直流输电系统直流断线故障进行辨识，提高故障辨识的准确率，避免其它故障引起的误判。

Description

一种柔性直流输电系统直流断线故障判断方法

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断线故障判断方法。

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。

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，针对直流断线故障的判别，通过检测两端直流电流的方式进行判断，若两端直流电流的值超出设定阈值，则说明检测到直流断线故障的发生。这种判断方法的唯一判别条件就是正负直流母线的电流，判断条件比较单一，很容易发生误判现象，应用范围比较窄。例如当系统轻载(0.1pu)时直流电流本身就比较小(0.1pu)，根据上述专利判断条件，则直接误判为发生断线故障；同时如果系统传输功率为0.15pu时，直流母线电流也为0.15pu，此时如果发生单极接地故障，则恒压控制整流站直流母线电流将降至0.15pu以下，造成错判。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断线故障辨识方法。

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断线故障判断方法，提高判断直流断线故障的可靠性，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断线故障判断方法，检测计算正负直流母线电流、正负直流母线电流变化率和交直流功率差值，当上述各参数同时满足以下条件时，确定该系统发生直流断线故障：

①正、负直流母线电流值I_DCP、I_DCN的绝对值有任意一个小于电流限值I_DCBset；

②正、负直流母线电流变化率的绝对值均大于电流变化率限值ΔI_DCBset；

③交流功率P_AC与直流功率P_DC差值的绝对值大于功率差限值ΔP_Bset。

所述正负直流母线电流I_DCP和I_DCN、正负直流母线电流变化率和交流功率P_AC、直流功率P_DC均为标幺值的格式。

所述电流限值I_DCBset为0.05pu，所述电流变化率限值ΔI_DCBset为0.4pu/ms，所述功率差限值ΔI_DCBset为0.05pu。

所述直流功率P_DC的计算公式如下：

P_DC＝|U_DCP·I_DCP|+|U_DCN·I_DCN|

其中，U_DCP、U_DCN为正、负直流母线对参考地电压；I_DCP、I_DCN为正、负直流母线电流。

所述正、负直流母线电流变化率和的计算过程如下：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{DCP}}}{\mathrm{dt}}=\frac{i_{\mathrm{DCP}\_t+\mathrm{\Δt}}-i_{\mathrm{DCP}\_t}}{\mathrm{\Δt}}\\ \frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{DCN}}}{\mathrm{dt}}=\frac{i_{\mathrm{DCN}\_t+\mathrm{\Δt}}-i_{\mathrm{DCN}\_t}}{\mathrm{\Δt}}\end{array}\right.$

其中，i_{DCP_t+Δt}、i_{DCN_t+Δt}为t+Δt时刻电流值，i_{DCP_t}、i_{DCN_t}为t时刻电流值，Δt为两次电流的采样时长。

本发明的柔性直流输电系统直流断线故障判断方法依据直流断线故障发展过程中电压、电流的变化特性以及功率传输的特点，选择直流电流、直流电流变化率、交直流功率差值作为故障辨识参数，通过比较故障辨识参数与其限值的大小关系来实现对直流断线故障的辨识。该方法能够快速、准确的对模块化多电平换流器柔性直流输电系统直流断线故障进行辨识，提高故障辨识的准确率，避免其它故障引起的误判。

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是本发明提供的直流断线故障辨识流程图；

图2是本发明提供的直流断线故障辨识相关参数检测位置示意图；

图3是本发明提供的直流断线故障的阀侧交流场故障特性示意图；

图4是本发明提供的直流断线故障的直流场故障特性示意图；

图5是本发明提供的直流断线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断线故障判断方法的流程图，由图可知，该方法的具体过程如下：检测计算正负直流母线电流、正负直流母线电流变化率和交直流功率差值，当上述各参数同时满足以下条件时，确定该系统发生直流断线故障：

①正、负直流母线电流值I_DCP、I_DCN的绝对值有任意一个小于电流限值I_DCBset；

②正、负直流母线电流变化率的绝对值均大于电流变化率限值ΔI_DCBset；

③交流功率P_AC与直流功率P_DC差值的绝对值大于功率差限值ΔP_Bset。

直流断线故障发生后功率传输中断，直流电流瞬间降为零，产生较大的电流变化率，同时由于控制器的作用延时，交流侧仍然存在功率传输，因此选择直流母线电流、直流电流变化率、交直流功率差作为断线故障的辨识依据。

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，即正负直流母线电流I_DCP和I_DCN、正负直流母线电流变化率和交流功率P_AC、直流功率P_DC均变化为标幺值的格式。

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低功率下的兼容性，电流限值I_DCBset为0.05pu，功率差限值ΔI_DCBset为0.05pu，同时控制系统的电流响应按照0.2pu/ms～0.1pu/ms级(即响应时间为5～10ms)考虑，电流变化率限值ΔI_DCBset设为0.4pu/ms。

下面以对称单极接线方式为例进行说明，在上述需要检测计算的各参数中，正负直流母线电流I_DCP和I_DCN及交流阀侧瞬时功率P_AC均可以直接测量得到，而直流功率P_DC和正负直流母线电流变化率和无法直接检测得到，则需要通过检测到的数据计算得到。

直流功率P_DC的计算公式如下：

P_DC＝|U_DCP·I_DCP|+|U_DCN·I_DCN|

其中，U_DCP、U_DCN为正、负直流母线对参考地电压；I_DCP、I_DCN为正、负直流母线电流。

正、负直流母线电流变化率和的计算过程如下：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{DCP}}}{\mathrm{dt}}=\frac{i_{\mathrm{DCP}\_t+\mathrm{\Δt}}-i_{\mathrm{DCP}\_t}}{\mathrm{\Δt}}\\ \frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{DCN}}}{\mathrm{dt}}=\frac{i_{\mathrm{DCN}\_t+\mathrm{\Δt}}-i_{\mathrm{DCN}\_t}}{\mathrm{\Δt}}\end{array}\right.$

其中，i_{DCP_t+Δt}、i_{DCN_t+Δt}为t+Δt时刻电流值，i_{DCP_t}、i_{DCN_t}为t时刻电流值，Δt为两次电流的采样时长。

下面以对称单极接线方式为例进行说明，如图2所示为本发明直流断线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，故障监测点有五处，其中①为阀侧交流功率，②为负直流母线对地电压，③为正直流母线对地电压，④为负直流母线电流，⑤为正直流母线电流，直流功率及正负直流母线电流变化率由测量值计算得到，将各选定参数与对应限值进行比较，具体判别公式如下：

①(|I_DCP|＜I_DCBset)|(|I_DCN|＜I_DCBset)

②

③|P_AC-P_DC|＞ΔP_Bset

若上述三个条件均满足，则可判定直流断线故障发生。

本发明是结合直流电流变化特点和功率传输特性进行直流断线故障的辨识，即首先进行直流母线电流的判断，为排除非断路回路残余电流对辨识的影响，正负直流电流判断使用了“或”的关系，以直流电流降低到一定限值作为故障辨识的首要依据；再次从电流变化率进行判断，为提高辨识的准确性，正负直流电流判断使用了“与”的关系；最后是从断线故障的动态过程进行判断，此时直流功率接近零，而交流功率由于控制器响应还有所维持，因此一定会出现交直流功率差，作为断线故障的最后一道关口，至此可以准确识别直流线路断线故障。

为了证明方法的可行性，以对称单极接线方式为基础，并集合对称双极和多端系统对直流故障的故障辨识要求，按照单换流站站内测量就能辨识故障的要求，进行直流断线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时刻引入直流断线故障。仿真时，为检验低功率下的断线故障辨识能力，系统传输功率设定为0.1pu，即系统以0.1*100MW的功率运行。

由于直流断线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、整流运行方式下的直流断线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，在直流电流和直流功率波形图中，很明显可以看出正负直流母线电流和直流功率在1s时刻均迅速趋近于0，直流电流的变化率非常大；同时，交流侧在故障发生后的短时间内仍然存在功率传输，交流功率短时间内不为0，因此，交直流功率差的变化趋势与交流功率变化趋势相同，在一定时间内会大于设定值。同时，从其他图中可以看出，发生故障时，交流侧的电流也会逐渐变为0，而三相交流对地电压和直流对地电压则没有明显的变化趋势，由于这些变化不是直流断线故障所特有的，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断线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断线故障辨识方法能够快速、准确的对直流断线故障进行辨识。

需要说明的是：本发明的直流断线故障辨识方法主要适用于对称单极系统，通过简单的扩展和参数微调，也可以适用于对称双极系统以及多端柔性直流输电系统。

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断线故障判断方法，其特征在于,检测计算正负直流母线电流、正负直流母线电流变化率和交直流功率差值，当上述各参数同时满足以下条件时，确定该系统发生直流断线故障：

①正、负直流母线电流值I_DCP、I_DCN的绝对值有任意一个小于电流限值I_DCBset；

②正、负直流母线电流变化率的绝对值均大于电流变化率限值ΔI_DCBset；

③交流功率P_AC与直流功率P_DC差值的绝对值大于功率差限值ΔP_Bset。

2.根据权利要求1所述的柔性直流输电系统直流断线故障判断方法，其特征在于：所述正负直流母线电流I_DCP和I_DCN、正负直流母线电流变化率和交流功率P_AC、直流功率P_DC均为标幺值的格式。

3.根据权利要求2所述的柔性直流输电系统直流断线故障判断方法，其特征在于：所述电流限值I_DCBset为0.05pu，所述电流变化率限值ΔI_DCBse为0.4pu/ms，所述功率差限值ΔI_DCBset为0.05pu。

4.根据权利要求1所述的柔性直流输电系统直流断线故障判断方法，其特征在于，所述直流功率P_DC的计算公式如下：

P_DC＝|U_DCP·I_DCP|+|U_DCN·I_DCN|

其中，U_DCP、U_DCN为正、负直流母线对参考地电压；I_DCP、I_DCN为正、负直流母线电流。

5.根据权利要求1所述的柔性直流输电系统直流断线故障判断方法，其特征在于，所述正、负直流母线电流变化率和的计算过程如下：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{DCP}}}{\mathrm{dt}}=\frac{i_{\mathrm{DCP}\_t+\mathrm{\Δt}}-i_{\mathrm{DCP}\_t}}{\mathrm{\Δt}}\\ \frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{DCN}}}{\mathrm{dt}}=\frac{i_{\mathrm{DCN}\_t+\mathrm{\Δt}}-i_{\mathrm{DCN}\_t}}{\mathrm{\Δt}}\end{array}\right.$

其中，i_{DCP_t+Δt}、i_{DCN_t+Δt}为t+Δt时刻电流值，i_{DCP_t}、i_{DCN_t}为t时刻电流值，Δt为两次电流的采样时长。