CN106936121B - 一种以直流断路器为主的直流线路故障隔离和重合闸策略 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性直流输电系统中以直流断路器为主,换流器为辅的直流线路故障隔离和重合闸策略。其特点是：直流线路故障后，隔离换流器的闭锁信号，通过直流断路器跳闸断开故障，并在预设延时后，重合闸直流断路器来恢复直流系统。若直流断路器重合闸不成功，再立即闭锁换流器。该策略的优点是：故障后由直流断路器快速切断故障电流，而没有立即闭锁换流器，仅在直流断路器重合闸不成功并判断为永久性故障后再闭锁换流器。由于大多数直流架空线故障为瞬时性故障，因此直流系统能实现故障后的快速恢复，减小功率输送的损失，而交流系统因换流器闭锁受到的冲击及换流器相继闭锁的可能性也大大降低，交直流系统的稳定性得到增强。

Description

一种以直流断路器为主的直流线路故障隔离和重合闸策略

技术领域

本发明涉及一种柔性直流输电系统中,以直流断路器为主,换流器为辅的直流线路故障隔离和重合闸恢复系统的策略,属于柔性直流输电领域。

背景技术

基于电压源换流器的柔性直流输电技术因其在解决新能源并网和消纳问题上的独特优势，是目前高压直流发展的主要方向。但柔性直流输电相关的技术还比较薄弱,其中之一便是直流线路故障的快速清除。由于直流系统本身故障发展快,直流电流没有过零点,因而直流故障点的电弧持续时间较同样初始幅值的交流电弧时间长；且电压源换流器中的反并联二极管在换流器闭锁后依然能够构成续流通路,因此柔性直流输电中的故障清除十分困难。

直流线路故障占直流系统故障的50％以上，目前采取的直流线路保护方法是，在直流线路发生故障后，立即闭锁换流器，并在换流器闭锁后断开相连交流母线断路器来彻底断开故障回路。这会使送端交流系统受到冲击，相连的换流站可能发生相继闭锁，也可能会导致受端交流系统大幅度负荷调整，使直流线路故障的影响范围变大，给系统安全带来很大风险，直流系统的再恢复时间变长，系统送电可靠性降低。并且实际上，直流线路的瞬时性故障达90％以上，在故障后通过类似交流系统的重合闸重启动过程能够恢复正常运行，没有必要持续闭锁直流系统。

高压直流闭锁是指：移除换流阀的触发脉冲，触发脉冲移除后，电流一旦为零，阀组就会自动关断。闭锁的主要目的是取消触发脉冲，使换流阀处于关断状态，不再传输电力。

另一种广受期望的方法是在直流线路上安装直流断路器，当直流线路故障时通过直接跳开直流断路器来迅速切断短路电流，减轻交流系统受到的冲击，避免换流器相继闭锁，并减少直流系统再恢复时间。但采用直流断路器保护的关键是，必须考虑直流断路器动作与换流器闭锁的协调配合。

因此，为了充分发挥直流断路器的保护作用，并考虑通过重合闸措施来恢复直流系统，尽量避免换流器多次闭锁，提高直流输电的可靠性，本发明研究了柔性直流输电系统中,以直流断路器保护为主,换流器闭锁为辅的直流故障电流开断和重合闸策略。该策略中，直流故障后立即断开直流断路器，但不立即闭锁换流器，而是将换流器闭锁视为直流断路器保护的辅助保护，在直流断路器重合闸不成功或判断故障为永久性后再闭锁换流器。由于故障期间换流器没有闭锁，因此系统的恢复时间极大缩短，直流故障造成的停电影响减小，交直流系统的稳定性得到增强。

发明内容

本发明针对直流断路器加入柔性直流输电系统后的直流故障隔离及重合闸策略，提出一种以直流断路器动作为主,换流器闭锁为辅的保护配合方法。该方法的目的是提高交直流系统的稳定性，及直流功率输送的可靠性。其特点是当直流线路发生故障时，隔离所有换流器的闭锁信号，通过直流断路器跳闸断开故障，并在一段时间后，采取直流断路器重合闸来恢复直流系统。若直流断路器重合闸不成功，再立即闭锁该极换流器。

为了避免换流器多次闭锁，提高交直流系统的稳定性，本发明的策略为，在故障后由直流断路器立即断开故障，限制故障电流i_f，但不立即闭锁换流器。换流器不闭锁意味着交流系统几乎不会受到直流故障的影响。但对于典型的三相两电平拓扑的VSC换流器，故障线路被切断后，若换流器持续工作，其两端的并联电容器将持续充电，可能造成换流器出口处直流线路过电压，即|V_d|＞|V_dm|。故本发明考虑到，实际运行中直流线路的瞬时性故障达90％以上，在故障后通过类似交流系统的重合闸重启动过程能够恢复正常运行。因此在前述策略的基础上，增加重合闸策略，在直流断路器断开故障后，经过预设的延时Δt_rc，对直流断路器进行重合闸操作，恢复直流系统运行，并且给出了设置延时的技术要求。该策略避免了直流线路过压并增加了功率输送的可靠性。且由于重合闸是在换流器没有闭锁的情况下进行，系统的恢复不需要再次启动换流器，因而恢复时间极大缩短，而直流故障造成的停电影响减小，交直流系统的稳定性增强。

本发明的目的由以下技术措施实现：

柔性直流输电系统中，以直流断路器为主，换流器为辅的故障清除及重合闸策略包括如图1所示的以下几点关键步骤：

1)柔性直流输电中，若直流线路发生故障(即F＝1)，则隔离换流器的闭锁信号，发直流断路器跳闸命令，由直流断路器跳闸来切断故障电流、隔离故障点；

2)在断路器跳闸后，经过预先设置的延时Δt_rc，控制直流断路器重合闸，并判断故障是否依然存在。

3)如若故障已消失(即F＝0)，则直流断路器能够重合闸成功，直流系统逐渐恢复运行。为避免直流系统恢复过程中出现的短时振荡造成直流断路器误动作，在系统恢复期间闭锁直流断路器的故障检测回路，直到直流系统重新恢复稳定运行。

4)如若故障依然存在(即F＝1)，则直流断路器重合闸不成功，将再次跳开，并触发换流器立即闭锁，直流系统停运，并进行永久故障的检修；

该措施的补充说明及重要技术要求如下：

a、为便于说明，此处用F代表某种故障检测判据，并且令F具有如下的含义：

此处的“1”和“0”代表逻辑关系下的状态值。关于故障检测判据F的选择没有明确的限制,但一般要求直流线路故障必须在5ms内清除，所以其应能保证直流故障清除的快速性。

例如，可以选择低电压、过电流、电流或电压变化率越限等检测判据，当判据为“真”时，F为“1”：

F＝F₁:i_d(t)＞1.2i_dN

或

或

也可以采用多种检测判据的复合，如：

F＝(F₁ or F₂)

视情况和需求而定。其中，F₁为直流电流过流故障判据，当直流电流值超过额定值的1.2倍时取1，反之取0；F₂为直流电流变化率故障判据，当直流电流变化率超过电流判定阈值时取1，反之取0；F₃直流电压变化率故障判据，当直流电压变化率超过电压判定阈值时取1，反之取0。为使重合闸后，直流断路器能加速识别永久性故障，可以选择尽可能快的故障检测方法，区别于正常运行时的故障检测判据，即步骤2和3中的判据F可以不同。

b、为保证故障隔离的可靠性和快速性，本措施中的直流断路器配置在直流线路的两侧端口处，每一侧的直流断路器通过检测本地的电气量，应用上述的故障判据判别故障。并且两侧的直流断路器间设置通信，任一侧直流断路器检测到直流故障均会令故障信号F＝1，使两侧的直流断路器均接收到跳闸命令。这避免了某一侧直流断路器跳闸后，另一侧直流断路器还处于闭合状态。同理，重合闸时任一侧的直流断路器判定故障依然存在也会触发另一侧的直流断路器一起跳闸，以尽快隔离永久故障。本措施中的“永久性故障”实际是指：当t≥t_rc时,故障依然存在；而“瞬时性故障”是指：在重合闸时刻t_rc到来之前，故障已经消失。

c、本策略下直流断路器与换流器相配合的状态切换时序如图2、3所示，其中重合闸延时Δt_rc定义为从直流断路器分闸时刻t₁到重合闸时刻t_rc之间的延时，即Δt_rc＝t_rc-t₁。Δt_rc的设定，首先要保证直流断路器在此期间能够恢复故障清除能力，因此不能太小；其次要保证期间直流线路不会因为电容持续充电而发生过电压，因此Δt_rc也不能太大。基于这样的技术要求，以三相两电平VSC为例，给出Δt_rc的确定过程：

假设t_f时刻故障发生，直流电容立即通过故障回路放电，在t₀时刻保护策略检测到故障，并触发直流断路器在t₁时刻分闸，因为换流器没有闭锁，分闸后交流系统会持续向故障极电容充电，直至重合闸时刻t_rc。在此期间，故障极直流电容上的电压可以表示为

其中τ₁为与放电回路参数有关的放电时间常数、τ₂为与充电回路参数有关的充电时间常数。V_s为若电容不间断持续充电后稳态电压值，与充电回路和交流系统的参数有关。V_C0为故障极电容上的初始电压值，其大小近似为相应直流线路正常运行电压|V_d0|。V_C1为放电过程结束后电容电压，由上述放电过程解析式可得

Δt_det为故障检测时间，Δt_act为直流断路器的动作时间。

由于直流电容对直流电路的电压支撑作用，电容电压的大小直接影响直流线路电压，因此直流电容充电时间过长会造成直流线路过电压。从前述重合闸延时的设定要求可知，Δt_rc必须满足的条件为

Δt_hf＜Δt_rc＜Δt_cm

Δt_hf为直流断路器的恢复时间，Δt_cm为会造成直流电路过电压的直流电容临界充电时间。Δt_hf与直流断路器的结构有关，一般为确定的值，因此Δt_rc的界定主要与Δt_cm有关，即要保证直流电压满足

V_dm为允许的直流线路电压最大绝对值，结合直流电容充电过程的表达式并考虑|V_d|＝V_C时，即

解得

因此，本措施中重合闸延时Δt_rc的取值范围如下：

其中

上式给出的是Δt_rc的上下界，为尽量减小直流线路过电压的可能并缩小策略的实施时间，在满足上述范围要求并考虑足够裕度的情况下，Δt_rc应越小越好。为了防止过电压的发生，还可以根据具体工程耐压水平配置避雷器。

本发明具有以下优点：

在直流线路发生故障时，由线路上的直流断路器直接切断故障电流，没有立即闭锁换流器，而在直流断路器重合闸不成功并判断为永久性故障后再闭锁换流器。由于大多数直流架空线故障为瞬时性故障，因此在直流断路器重合闸后，直流系统能够快速恢复运行，直流故障造成的停电影响减小，功率输送的可靠性增强。相应地，交流系统因换流器闭锁受到的冲击及相连换流器相继闭锁的可能性也大大降低，交直流系统的稳定性增强。

附图说明

图1为本发明的直流线路故障隔离及重合闸策略流程图。其中，F为某种故障检测判据，可以根据具体工程实际选择不同的检测方法。且

Δt_rc为预先设置的直流断路器重合闸延时。

图2和图3分别为本发明策略中瞬时性和永久性故障时，直流断路器分/合闸与换流器解/闭锁的时序图。其中HCB代表直流断路器的状态，“1”表示导通，“0”表示断开；BLOCK代表换流器的状态，“1”表示解锁态，“0”表示闭锁态。t_f为故障发生时刻，t₀为检测到直流线路故障的时刻，t₁为故障后直流断路器首次分闸的时刻，t_rc为经历Δt_rc延时后直流断路器重合闸时刻，t_rc＝t₁+Δt_rc。对于永久性故障，重合闸后直流断路器会再次分闸，并立即闭锁换流器。由于换流器的闭锁时间比直流断路器的动作时间快，因此换流器的闭锁时间t₂在断路器分闸时间t₃之前。对于瞬时性故障，则重合闸后直流系统能恢复运行，故障期间换流器一直处于解锁状态。为简化说明，此处假设直流断路器能瞬间完成重合闸，即从接收到重合闸信号到重合闸完成的延时设为0。

图4、图5分别为瞬时性故障后的直流电压和直流电流变化图，说明瞬时故障时直流断路器首次分闸及重合闸均没有造成直流线路过电压，直流电流在重合闸后逐渐恢复稳定；图6为瞬时性故障后的直流输送功率变化图，说明重合闸策略保证了直流功率传输没有中断；图7为瞬时性故障后的逆变侧交流母线电压变化图，说明逆变侧交流母线没有发生过电压，保持了交流系统稳定。

图8、图9分别为永久性故障后的直流电压和直流电流变化图，说明永久故障时直流断路器首次分闸及重合闸均没有造成直流线路过电压，在第二次分闸后，直流电流被彻底断开；图10为永久性故障后的直流输送功率变化图，说明直流系统停运，功率传输中止；图11为永久性故障后的逆变侧交流母线电压变化图，说明故障后由于直流系统停运，逆变侧交流母线电压升高、交流电流将为0。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明进行具体的描述，有必要在此指出的是本实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员可以根据上述发明的内容做出一些非本质的改进和调整。

1.选择故障检测方法F。为避免重合于永久故障后，直流电容迅速放电造成的二次过流，该方法应尽可能快地判断重合闸后故障是否依然存在。

本实施例以PSCAD/EMTDC中一个基于三相两电平换流器的两端柔性直流输电工程模型为例,该工程的直流输送容量1000MW，直流电压±320kV，直流电流1600A。在直流线路两端配置直流断路器，当故障检测回路检测到直流故障发生时，会触发直流断路器立即动作，而不会闭锁换流器。

考虑到正常工作时故障检测的可靠性，及重合闸后故障检测的快速性要求，本实施例的故障检测方法设置为：正常工作时，采用过电流检测，并且将阈值设定为1.2倍额定电流，当直流电流值超过额定值的1.2倍时F₁取1，反之取0，即：

F₁:i_d(t)＞1.2i_dN

而重合闸后，利用重合闸瞬间的直流电流变化率大小来进行永久故障的快速甄别，对于本实施例的工程模型，当电流变化率超过1kA/ms，即认为故障依然存在并设定F₂取1，反之取0，即：

当确认F₂＝1时，迅速断开直流断路器并立即闭锁换流器，且最先确认故障存在的一侧直流断路器将触发两侧断路器同时跳闸,并闭锁两侧换流器。

2.设置直流断路器的重合闸时间Δt_rc。该延时应尽可能长以保证直流断路器能够恢复故障清除能力，但也不能太大，以避免直流线路电压过高。由于直流断路器动作后，能够在20ms内恢复故障清除能力。因此考虑一定裕度，尽量减小电容的充电时间，本实施例设置直流断路器的重合闸延时为：

Δt_rc＝30ms

3.以直流线路端口处发生双极瞬时性故障为例，分别考察瞬时性和永久性故障时，应用本发明所提时序配合方案对交直流系统运行的影响。

故障时刻设置为：

t_f＝1.5s

瞬时性故障时，仿真得到的直流电压、直流电流、直流功率，以及逆变侧交流母线电压的变化如图4～7所示。由图可知，重合闸没有造成直流线路过电压，直流系统在重合闸后恢复运行，功率传输没有中断，逆变侧交流系统母线电压维持稳定。

永久性故障时，仿真得到的直流电压、直流电流、直流功率，以及逆变侧交流母线电压的变化如图8～11所示。由图可知，重合闸没有造成线路过电压，由于故障没有消失，直流系统被迫停运，功率传输中断，逆变侧交流系统母线电压升高，需要附加措施进行电压调节。

由于直流线路故障中瞬时性故障的概率高达90％，可见本发明所提时序配合方案能够极大地保证直流系统功率输送可靠性，及交直流系统的稳定性。

Claims (2)

1.一种柔性直流输电系统中以直流断路器为主，换流器为辅的直流线路故障隔离和重合闸方法，其特征在于该方法包括以下关键步骤：

a、柔性直流输电系统中，采集直流断路器出口处的本地电气量进行故障判别，当故障判据F为“真”，即“F＝1”时确认故障发生，此处的判据F是多种判据的复合，直流断路器正常运行情形和重合闸情形下的故障判据相同或不同，故障判据F具有如下的含义：

其中，“1”和“0”代表逻辑关系下的状态值，正常运行情形下，选择如下的判据：

F＝F₁:i_d(t)＞1.2i_dN

或

或

其中，i_d为直流电流；i_dN为直流电流额定值；v_d为直流电压；C_1阈值为电流判定阈值；C_2阈值为电压判定阈值；F₁为直流电流过流故障判据，当直流电流值超过额定值的1.2倍时取1，反之取0；F₂为直流电流变化率故障判据，当直流电流变化率超过电流判定阈值时取1，反之取0；F₃直流电压变化率故障判据，当直流电压变化率超过电压判定阈值时取1，反之取0；重合闸时，为加速直流断路器分闸，选择多种判据的复合，即使用逻辑“或”的关系，加入基于变化率的判据：

F＝(F₁ or F₂)；

b、若直流线路发生故障，则隔离换流器的闭锁信号，发直流断路器分闸信号，由直流断路器分闸来切断故障电流、隔离故障点；

c、在断路器分闸后，经过预先设置的延时Δt_rc，控制直流断路器重合闸，并判断故障是否依然存在，重合闸延时Δt_rc的设置应满足以下的技术要求，并尽可能较小：

其中

其中，Δt_hf为直流断路器的恢复时间，τ₁为与放电回路参数有关的放电时间常数，τ₂为与充电回路参数有关的充电时间常数，V_s为电容不间断持续充电后稳态电压值，V_dm为允许的直流线路电压最大绝对值，V_C1为放电过程结束后电容电压，|V_d0|为相应直流线路正常运行电压，Δt_det为故障检测时间，Δt_act为直流断路器的动作时间；

d、如若故障已消失，直流断路器能够重合闸成功，直流系统逐渐恢复运行，为避免直流系统恢复过程中出现的短时振荡造成直流断路器误动作，在系统恢复期间闭锁直流断路器的故障检测回路，直到直流系统重新恢复稳定运行；

e、如若故障依然存在，直流断路器重合闸不成功，将再次跳开，并触发换流器立即闭锁，直流系统停运，并进行永久故障的检修。

2.一种柔性直流输电系统中利用直流断路器重合闸提升直流系统功率输送可靠性的方法，其特征在于直流线路故障后，在不闭锁换流器的情况下，用直流断路器迅速断开故障，并经预设延时Δt_rc后重合闸直流断路器恢复系统，预设的延时Δt_rc应具备以下两点技术要求：

a、避免延时期间直流电容充电造成直流线路过电压，即要保证直流电压满足：

其中，t₁为故障后直流断路器首次分闸的时刻，t_rc为经历Δt_rc延时后直流断路器重合闸时刻，t_rc＝t₁+Δt_rc，|V_d|为相应直流线路直流电压，V_dm为允许的直流线路电压最大绝对值，结合直流电容的充电特性，进一步表示为：

其中，V_C1为放电过程结束后电容电压，V_s为电容不间断持续充电后稳态电压值，τ₂为与充电回路参数有关的充电时间常数；

b、延时必须大于直流断路器分闸后恢复开断能力的时间，即：

Δt_rc＞Δt_hf

其中，Δt_hf为直流断路器的恢复时间，该重合闸恢复系统的方法能极大地减小直流系统停运的概率，功率输送的可靠性得到增强。

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