CN105552947A - 一种柔性直流输电系统直流单极接地故障检测方法 - 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检测方法，通过获取直流母线对地电压和正、负直流母线电流变化率作为直流单极接地故障判断参数，当其中一极对地电压绝对值小于电压比较限值Udcset持续时间超过时间限值Tset以及该极直流电流变化率绝对值大于电流变化率比较限值dIset持续时间超过时间限值Tset，同时另一极直流电流变化率绝对值小于电流变化率第二比较限值dIset持续时间超过Tset时确定该级发生接地故障，避免其它故障引起的错判和误判，同时可以检测出发生接地故障的故障极，提高判断直流单极接地故障的准确性，单换流站站内测量就可以检测故障。该方法程序简单易操作，能够快速准确的对柔性直流输电系统直流故障进行识别。

Description

一种柔性直流输电系统直流单极接地故障检测方法

技术领域

本发明属于柔性输配电技术领域，涉及一种柔性直流输电系统直流单极接地故障检测方法。

背景技术

第一代高压直流输电基于汞弧阀，第二代直流输电技术基于晶闸管，20世纪90年代末，基于可关断器件和脉冲宽度调制(PWM)技术的电压源换流器(VSC)开始应用于直流输电，标志着第三代柔性直流输电技术的诞生。

柔性直流输电系统由换流站和直流输电线路构成。功率可以双向流动，两个换流站中的任一个既可以作整流站也可以作逆变站运行。

直流输电线路是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。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、准确地检测。

目前采用的直流接地故障方法中，仅以单极对地电压作为检测指标容易受其他直流故障或交流故障影响，造成误判；若以两端换流站的电流方向进行判断，则需要两端换流站进行通讯，结构复杂，程序繁琐。

发明内容

本发明的目的在于提供一种柔性直流输电系统直流故障的检测方法，可以判断发生接地故障的故障极，提高判断直流单极接地故障的准确性，避免其它故障引起的错判和误判，单换流站站内测量就可以检测故障。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种柔性直流输电系统直流单极接地故障检测方法，获取正、负直流母线对地电压和正、负直流母线电流变化率，当上述各参数同时满足以下条件时，确定该系统发生直流单极接地故障：

1)、第一极对地电压绝对值小于电压比较限值Udcset持续时间超过时间限值Tset；

2)、第一极直流电流变化率绝对值大于电流变化率第一比较限值dIset持续时间超过时间限值Tset；

3)、第二极直流电流变化率绝对值小于电流变化率第二比较限值dIset持续时间超过Tset。

进一步的，直流母线对地电压和正、负直流母线电流变化率值均为标幺值的格式。

进一步的，以单极对地额定电压为基准值。

进一步的，电压比较限值Udcset为0.8pu。

进一步的，第一电流变化率比较限值dIset为0.6～0.8pu。

进一步的，第二电流变化率比较限值dIset为0.35～0.6pu。

进一步的，第一电流变化率比较限值dIset为0.6pu。

进一步的，第二电流变化率比较限值dIset为0.4pu。

进一步的，时间限值Tset为200-400μs。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明一种柔性直流输电系统直流单极接地故障检测方法，通过获取直流母线对地电压和正、负直流母线电流变化率作为直流单极接地故障判断参数，当其中一极对地电压绝对值小于电压比较限值Udcset持续时间超过时间限值Tset以及该极直流电流变化率绝对值大于电流变化率比较限值dIset持续时间超过时间限值Tset，同时另一极直流电流变化率绝对值小于电流变化率第二比较限值dIset持续时间超过Tset时确定该级发生接地故障，避免其它故障引起的错判和误判，同时可以检测出发生接地故障的故障极，提高判断直流单极接地故障的准确性，单换流站站内测量就可以检测故障。该方法程序简单易操作，能够快速准确的对柔性直流输电系统直流故障进行识别。

进一步的，以单极对地额定电压为基准值，能够提高故障检测的兼容性。

进一步的，直流母线对地电压和正、负直流母线电流变化率值均为标幺值的格式，便于在各等级容量的直流输电系统中使用。

进一步的，时间限值Tset为200-400μs，大大提高了对柔性直流输电系统直流故障的判断速度。

附图说明

图1为本发明直流单极接地故障检测流程图。

图2为本发明直流单极接地故障相关参数检测位置图。

图3为本发明直流正极接地故障直流场故障特性示意图。

图4为本发明直流正极接地故障检测结果示意图。

图5为本发明直流负极接地故障检测结果示意图。

图6为本发明直流负极接地故障直流场故障特性示意图。

图7为本发明直流单极接地故障检测系统示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述：

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检测方法的流程图，该方法的具体过程如下：首先获取正、负直流母线对地电压和正、负直流母线电流变化率，当上述各参数同时满足以下条件时，确定该系统发生直流单极接地故障：

1、第一极对地电压绝对值小于电压比较限值Udcset持续时间超过时间限值Tset；

2、第一极直流电流变化率绝对值大于第一电流变化率比较限值dIset持续时间超过时间限值Tset；

3、第二极直流电流变化率绝对值小于第二电流变化率比较限值dIset持续时间超过Tset。

其中第一极为正、负直流母线中的一极，第二极为正、负直流母线中与第一极相反的一极。

直流单极接地故障发生后故障极直流对地电压突降，同时直流电流急剧增加，直流电流变化率远大于正常运行时的值，因此选择直流对地电压、直流电流变化率作为单极接地故障的检测依据。

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。标幺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)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。

考虑提高故障检测的兼容性，以单极对地额定电压Udc为基准值，配置直流对地电压比较限值Udcset为0.8pu。

发生单极接地故障时，故障极直流对地电压瞬间降为0，直流电压的变化△U＝Udc，由△U＝L*di/dt，可知此时的电流变化率为Udc/L，以此时的电流变化率为电流变化率标幺化的基准值，即此时的电流变化率为1pu；其中Udc为单极对地额定电压，L为换流站单极平波电抗器的电感值。

正常启动和运行时，电流变化率的峰值出现在交流断路器闭合时，不控整流阶段模块充电到约0.7pu；两侧交流断路器同时闭合时，电流变化率峰值最大，此时的△U＝0.7Udc；因为两侧换流站均有平波电抗器，所以此时的电流变化率为0.7Udc/2L，即0.35pu，发生单极接地故障时，故障极的电流快速上升，电流变化率会大于正常运行时的理论最大值0.35pu，配置直流电流变化率比较限值dIset应在0.35pu至0.8pu之间，该值选取越小，检测所需时间越短，但误判的风险较大；该值选取越大，检测所需时间越长，误判风险较小。因此dIset选取在0.6～0.8pu之间；具体第一比较限值dIset选取0.6pu；同时，非故障极的电流也开始上升，但上升过程缓慢，电流变化率与故障极相差很大，第二比较限值dIset应小于第一电流变化率比较限值dIset，第二电流变化率比较限值dIset为0.4pu，可以有效降低其他故障带来的误判的可能。

控制器的控制周期通常为100μs，检测值超过时间限值持续200-400μs即可认为故障发生。Tset设置的时间越短，误判的概率较高；Tset设置的时间越长，误判的概率越低，因此设定时间限值Tset为200～400μs。

三个限值的设定不仅能够避免漏判、误判，还能够缩短故障电流增长的时间，有利于换流阀系统的安全以及故障策略的实施。

实施例1，如图2、图3所示，包括阀侧变压器以及与阀侧变压器通过星三角连接的换流站，以及直流母线正负线级均设有的平波电抗器和直流断路器，阀侧变压器采用星三角接法，故障监测点有四处，其中①正极直流母线电流变化率，②负极直流母线电流变化率，③正极直流母线对地电压，④负极直流母线对地电压。将各选定参数与对应的限值Udcset、dIset进行比较，具体判别公式如下：

1.当正极对地电压绝对值均小于电压比较限值Udcset持续时间超过Tset。

2.正极直流电流变化率绝对值均大于电流变化率第一比较限值dIset持续时间超过Tset。

3.负极直流电流变化率绝对值均小于电流变化率第二比较限值dIset持续时间超过Tset。

以上三个条件同时满足时，即判定发生正极接地故障。

负极接地故障采用负极对地电压绝对值和负极直流电流变化率判断。

本发明是结合直流电压变化特点和故障电流快速增加特点进行单极接地的检测，直流对地电压的检测和直流电流变化率的检测同时进行。单极接地故障后直流对地电压快速降低，直流电流快速上升，直流电流变化率远大于正常运行时的值，对地电压检测和电流变化率检测使用了“与”的关系，可以准确识别直流线路单极接地故障并确定故障极。

如图3-6所示，以双端和多端系统对直流故障的故障检测要求，按照单换流站站内测量就能检测故障的要求，进行直流单极接地故障检测普适方法的设计与仿真验证。该仿真系统是直流电压为±33kV、额定功率为50MW的双端仿真模型，设定在8s时刻引入直流正极接地故障。仿真时，系统传输功率设定为1pu，即系统以50MW的功率运行。

由于直流单极接地故障发展过程与控制方式关系不大，仅与整流或是逆变的运行状态有关，这里仅给出整流运行时的故障发展过程仿真波形，如图3所示。图3为直流场波形图，图中由上至下依次为直流母线正极对地电压、负极对地电压、正极直流电流、负极直流电流、正极直流电流变化率和负极直流变化率的波形图。

根据图3可知，当在8s时刻发生正极接地故障时，在直流母线正极对地电压中，很明显可以看出直流母线正极对地电压故障后均迅速跌落到0.8pu以下，持续300μs以上，而负极对地电压仍在1附近小幅波动；正极直流电流快速上升，而负极直流电流上升与之相比非常缓慢；正极直流电流变化率迅速上升到1.5M以上，持续300μs以上，此时负极电流变化率的绝对值在100K以内。系统启动及正常运行时最大的电流变化率不超过300k，故在这个仿真工程中可以把第一比较限值dIset设定为1.05M，第二比较限值dIset设定为0.6M。

正极接地故障的标志为Fault1，负极接地故障的标志为Fault2。如图4所示，根据该方法可以正确检测到直流正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检测方法能够快速对直流单极接地故障进行检测，并准确判断出故障极。

图5和图6所示为负极接地故障时故障标志和直流场的波形。

需要说明的是：本发明的直流单极接地故障检测方法主要适用于伪双极接线双端系统，通过简单的扩展和参数微调，也可以适用于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 (9)

1.一种柔性直流输电系统直流单极接地故障检测方法，其特征在于，获取正、负直流母线对地电压和正、负直流母线电流变化率，当上述各参数同时满足以下条件时，确定该系统发生直流单极接地故障：

1)、第一极对地电压绝对值小于电压比较限值Udcset持续时间超过时间限值Tset；

2)、第一极直流电流变化率绝对值大于电流变化率第一比较限值dIset持续时间超过时间限值Tset；

3)、第二极直流电流变化率绝对值小于电流变化率第二比较限值dIset持续时间超过Tset。

2.根据权利要求1所述的一种柔性直流输电系统直流单极接地故障检测方法，其特征在于，直流母线对地电压和正、负直流母线电流变化率值均为标幺值的格式。

3.根据权利要求1所述的一种柔性直流输电系统直流单极接地故障检测方法，其特征在于，以单极对地额定电压为基准值。

4.根据权利要求1所述的一种柔性直流输电系统直流单极接地故障检测方法，其特征在于，电压比较限值Udcset为0.8pu。

5.根据权利要求1所述的一种柔性直流输电系统直流单极接地故障检测方法，其特征在于，第一电流变化率比较限值dIset为0.6～0.8pu。

6.根据权利要求1所述的一种柔性直流输电系统直流单极接地故障检测方法，其特征在于，第二电流变化率比较限值dIset为0.35～0.6pu。

7.根据权利要求5所述的一种柔性直流输电系统直流单极接地故障检测方法，其特征在于，第一电流变化率比较限值dIset为0.6pu。

8.根据权利要求6所述的一种柔性直流输电系统直流单极接地故障检测方法，其特征在于，第二电流变化率比较限值dIset为0.4pu。

9.根据权利要求1所述的一种柔性直流输电系统直流单极接地故障检测方法，其特征在于，时间限值Tset为200-400μs。