CN108490369B - 高压直流输电系统换流器快速故障定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压直流输电系统换流器快速故障定位方法，通过高压直流输电换流器故障定位系统实现，该系统包括原信号采集模块、额外信号采集模块、第一类阀短路保护动作判断模块、换流器差动保护动作判断模块、信号处理模块以及后台管理模块6个部分。本发明在大大降低额外设备成本的条件下，既可对第一类阀短路保护的故障情况进行报警，还可以利用故障电流信息变异前的数据，对可使得第一类阀短路保护和换流器差动保护动作的换流器区内外故障进行定位，可保证故障定位的迅速性和准确性，从而可保障高压直流输电系统的及时重启运行，进一步可保障功率的传输与系统的稳定。

Description

高压直流输电系统换流器快速故障定位方法

技术领域

本发明涉及电力系统故障定位方法，尤其涉及一种高压直流输电系统换流器快速故障定位方法。

背景技术

高压直流输电系统输电容量大、输电距离远、传输损耗低，因此在我国电力格局中占据着越来越重要的地位。高压直流输电的基本原理是：在高压直流输电系统的送电端用换流器进行整流，将三相交流电转换为直流电，电能经过高压直流输电线路传输，再在高压直流输电系统的受电端用换流器进行逆变，将直流电转换为三相交流电，电能送入受电端的交流系统。

换流器是高压直流输电系统中最重要的元件之一，承担了整流和逆变的重要换流任务。换流器发生故障后，不仅会损坏设备引起较大的经济损失，而且会对整个系统的安全稳定运行产生重大的影响，换流器区最易发生的故障是短路故障，包括接地故障和阀短路故障，其中发生概率最大的是接地故障，现有的高压直流输电工程针对换流器的所有阀短路故障和所有接地故障配置了阀短路保护和换流器差动保护，南方电网公司负责的高压直流输电工程主要是第一类阀短路保护和换流器差动保护，国家电网负责的高压直流输电工程主要是第二类阀短路保护和换流器差动保护，第一类阀短路保护负责动作于换流器区内的所有阀短路故障和所有接地故障，整定时间为0.5ms，而换流器差动保护可动作于换流器区内的所有接地故障，整定时间为5-10ms，所以无论在换流器区域内发生何种短路故障，第一类阀短路保护均先动作，发出闭锁信号给换流器差动保护，以至于换流器差动保护闭锁，那么在配置了第一类阀短路保护的高压直流输电工程中，换流器差动保护实质上作为第一类阀短路保护的后备保护，所以在该类工程中，在高压直流输电控制系统的控制保护系统正常的情况下，即可认为换流器区内所有短路故障只由第一类阀短路保护负责动作。

在换流器发生故障引发保护动作后，需要快速地对故障进行处理以使高压直流输电系统能够及时重启，保障功率的传输与系统的稳定，而实际工程中，第一类阀短路保护可动作于换流器区内的所有短路故障，因只凭借保护动作情况，并不能判断出具体的故障类型与位置，这给故障处理带来了巨大压力，因此，设计出一种较为完善的高压直流输电换流器故障定位方法对跨区域的功率传输、保障电力资源的快速可靠配置具有重要意义。

在配置了第一类阀短路保护的高压直流输电工程中的换流器故障定位方面的技术主要存在三大问题。一是需要利用故障发生后较长时间的电流信息，而第一类阀短路保护的整定时间为0.5ms，保护控制作用迅速使得电流信息发生变异，因此现有换流器故障定位技术未考虑故障发生后保护控制迅速作用使得故障电流信息变异甚至消失这一现实问题，导致故障定位存在错误甚至无法实现；二是第一类阀短路保护可动作于换流器区外部分故障，而现有换流器故障定位技术未考虑换流器区外故障对保护动作的影响，以至于换流器区外故障使得保护动作后相关工作人员无法正确地对故障位置作出判断，以上两个问题均可能使相关工作人员得到错误的故障位置指导信息，反而会耽误故障处理时间。第三个问题是现有的部分技术考虑分别在换流器12脉桥桥臂添加电流测点检测每个桥臂的阀电流，以实现换流器故障的快速定位，但是增加12个测点，大大增加了设备成本，而且降低了系统运行的可靠性。

综上所述，有必要引入一种考虑换流器保护控制作用时间、保护对区外故障响应情况且不增加过多设备成本的的换流器故障定位方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高压直流输电系统换流器快速故障定位方法。

本发明的目的是这样实现的：

高压直流输电系统换流器快速故障定位方法，其特征在于：适用于配置了第一类阀短路保护的高压直流输电工程，该方法通过高压直流输电换流器故障定位系统实现，该系统包括原信号采集模块、额外信号采集模块、第一类阀短路保护动作判断模块、换流器差动保护动作判断模块、信号处理模块以及后台管理模块6个部分，原信号采集模块、额外信号采集模块、第一类阀短路保护动作判断模块、换流器差动保护动作判断模块及后台管理模块均与信号处理模块相连，原始信号采集模块是现有工程为换流器安装的电流侧点，包括换流器高压六脉桥交流侧三相电流互感器、换流器低压六脉桥交流侧三相电流互感器、换流器直流侧高压端直流电流互感器以及换流器直流侧中性线电流互感器；在换流器低压六脉桥的每一个桥臂分别安装的电流测量装置，在换流器高压六脉桥和换流器低压六脉桥连接中线上安装的电流测量装置，共7个电流测量装置组成额外信号采集模块；第一类阀短路保护动作判断模块接收由高压直流输电系统控制保护系统传输的第一类阀短路保护出口信息，判断是否有可使第一类阀短路保护动作的故障发生；换流器差动保护动作判断模块接收由高压直流输电系统控制保护系统传输的换流器差动保护出口信息，判断是否有可使换流器差动保护动作的故障发生；信号处理模块是整个系统的控制核心，对信号进行运算处理、故障判断、输出各故障对应的编码信号给后台管理模块；后台管理模块接收信号处理模块的编码信号，进行相应的报警工作，具体实现流程如下所述：

A、第一类阀短路保护动作判断模块接收由高压直流输电系统控制保护系统输出的第一类阀短路保护的出口信息，若根据出口信息判断出第一类阀短路保护动作，则进入第B1步工作，若判断出第一类阀短路保护不动作，则进入第C1步工作；

B1、原信号采集模块获取换流器高压六脉桥交流侧三相电流互感器CT_IACY所测得的电流I_aY、I_bY、I_cY，换流器低压六脉桥交流侧三相电流互感器CT_IACD所测得的电流I_aD、I_bD、I_cD，换流器直流侧高压端直流电流互感器CT_IDH所测得的直流电流I_dH以及换流器直流侧中性线电流互感器CT_IDN所测得的中性线直流电流I_dN；额外信号采集模块获取在换流器低压六脉桥共阴极阀V21安装的电流测量装置CT_IV21所测得的电流I_V21、在阀V23安装的电流测量装置CT_IV23所测得的电流I_V23、在阀V25安装的电流测量装置CT_IV25所测得的电流I_V25，获取在换流器低压六脉桥共阳极阀V24安装的电流测量装置CT_IV24所测得的电流I_V24、在阀V26安装的电流测量装置CT_IV26所测得的电流I_V26、在阀V22安装的电流测量装置CT_IV22所测得的电流I_V22，并获取在换流器高压六脉桥和换流器低压六脉桥连接中线上安装的电流测量装置CT_IM测得的电流I_M，取这15种电流信息在第一类阀短路保护动作判断模块判断出第一类阀短路保护动作前10ms的数据输送给信号处理模块，进入第B2步工作；

B2、信号处理模块对电流信息做数学运算处理，计算出I_dH与I_dN之差的绝对值为abs(I_dH-I_dN)，并判断电流信息中是否存在连续0.3ms的数据均满足abs(I_dH-I_dN)>0.02pu，若否，进入第B3步工作，若是，则进入第B4步工作；

B3、信号处理模块对电流信息做数学运算处理，计算出I_aY、I_bY、I_cY绝对值的最大值为I_acY与I_dH的差值为I_acY-I_dH，判断电流信息中是否存在连续0.3ms的数据均满足I_acY-I_dH>0.02pu，若是，信号处理模块输出换流器高压六脉桥阀短路故障K9的编码信号给后台管理模块，后台管理模块根据K9的编码信号，进行K9的声音报警或者显示报警，以提醒相关工作人员在换流器高压六脉桥查找阀短路故障；若否，信号处理模块输出换流器低压六脉桥阀短路故障K10的编码信号给后台管理模块，后台管理模块根据K10的编码信号，进行K10的声音报警或者显示报警，以提醒相关工作人员在换流器低压六脉桥查找阀短路故障；

B4、获取采集的15种电流信息在最开始满足abs(I_dH-I_dN)>0.02pu后的1ms的数据，进入第B5步工作；

B5、信号处理模块对电流信息做数学运算处理，计算出I_aY、I_bY、I_cY之和的绝对值为abs(I_aY+I_bY+I_cY)，I_aD、I_bD、I_cD之和的绝对值为abs(I_aD+I_bD+I_cD)，信号处理模块判断电流信息中是否存在abs(I_aY+I_bY+I_cY)>0.03pu、abs(I_aD+I_bD+I_cD)>0.03pu或I_dH>1.01pu，若存在连续0.3ms的数据都满足abs(I_aY+I_bY+I_cY)>0.03pu，信号处理模块输出换流器高压六脉桥区外交流侧接地故障K6的编码信号给后台管理模块，后台管理模块根据K6的编码信号，进行K6的声音报警或者显示报警，以提醒相关工作人员在换流器高压六脉桥区外交流侧查找接地故障；若存在连续0.3ms的数据都满足abs(I_aD+I_bD+I_cD)>0.03pu，信号处理模块输出换流器低压六脉桥区外交流侧接地故障K7的编码信号给后台管理模块，后台管理模块根据K7的编码信号，进行K7的声音报警或者显示报警，以提醒相关工作人员在换流器低压六脉桥区外交流侧查找接地故障；若存在连续0.3ms的数据都满足I_dH>1.01pu，信号处理模块输出换流器区外直流侧短路故障K8的编码信号给后台管理模块，后台管理模块根据K8的编码信号，进行K8故障的声音报警或者显示报警，以提醒相关工作人员在换流器高压六脉桥区外直流侧查找短路故障；若电流信息中不存在abs(I_aY+I_bY+I_cY)>0.03pu、abs(I_aD+I_bD+I_cD)>0.03pu与I_dH>1.01pu，则判断为换流器未发生K6、K7、K8三种中的任何一种故障，信号处理模块进入第B6步工作；

B6、信号处理模块判断电流信息中是否存在连续0.3ms的数据都满足I_M>1.01pu，若是，信号处理模块进行第B7步工作，若否，信号处理模块进行第B8步工作；

B7、信号处理模块判断电流信息中是否存在连续0.3ms的数据都满足I_dH<0，若是，信号处理模块输出换流器高压六脉桥区内直流侧接地故障K2的编码信号给后台管理模块，后台管理模块根据K2的编码信号，进行K2故障的声音报警或者显示报警，以提醒相关工作人员在换流器高压六脉桥区内直流侧查找接地故障；若否，信号处理模块输出换流器高压六脉桥区内交流侧接地故障K1的编码信号给后台管理模块，后台管理模块根据K1的编码信号，进行K1的声音报警或者显示报警，以提醒相关工作人员在换流器高压六脉桥区内交流侧查找接地故障；

B8、信号处理模块对电流信息做数学运算处理，计算出换流器低压六脉桥共阴极阀V21、阀V23、阀V25的电流I_V21、I_V23、I_V25的最大值I_VN，并判断是否存在连续0.3ms的数据满足I_VN>1.01pu，若是，信号处理模块输出换流器低压六脉桥共阴极引线接地故障K4的编码信号给后台管理模块，后台管理模块根据K4的编码信号，进行K4的声音报警或者显示报警，以提醒相关工作人员在换流器低压六脉桥共阴极引线处查找接地故障；若否，进入第B9步工作；

B9、信号处理模块判断是否存在连续0.3ms的数据均满足0.99pu<I_VN<1.01pu，若否，信号处理模块输出换流器低压六脉桥区内交流侧接地故障K3的编码信号给后台管理模块，后台管理模块根据K3的编码信号，进行K3故障的声音报警或者显示报警，以提醒相关工作人员在换流器低压六脉桥区内交流侧查找接地故障，若是，则进入第B10步工作；

B10、信号处理模块对电流信息做数学运算处理，计算出换流器低压六脉桥共阳极阀V24、阀V26、阀V22的电流I_V24、I_V26、I_V22的最大值I_VP，并判断是否存在连续0.3ms的数据都满足I_VP<0.99pu，若否，信号处理模块输出换流器低压六脉桥区内交流侧接地故障K3的编码信号给后台管理模块，后台管理模块根据K3的编码信号，进行K3的声音报警或者显示报警，以提醒相关工作人员在换流器低压六脉桥区内交流侧查找接地故障；若否，信号处理模块输出中性线接地故障K5的编码信号给后台管理模块，后台管理模块根据K5的编码信号，进行K5的声音报警或者显示报警，以提醒相关工作人员在换流器低压六脉桥区内的中性线查找接地故障；

C1、换流器差动保护动作判断模块接收由高压直流输电系统控制保护系统输出的换流器差动保护的出口信息，若判断出换流器差动保护动作，输出第一类阀短路保护故障信号给后台管理模块，后台管理模块进行第一类阀短路保护故障的声音报警或者显示报警，以提醒相关工作人员进行相应的处理工作，并进入第C2步工作，若判断出换流器差动保护不动作，则返回A步工作继续判断；

C2、获取15种电流信息在换流器差动保护动作判断模块判断出换流器差动保护动作前10ms的数据输送给信号处理模块，信号处理模块对电流信息做数学运算处理，计算出I_dH与I_dN之差的绝对值为abs(I_dH-I_dN)，进行B4-B10步工作，对可使得换流器差动保护的K1-K8八种故障进行定位。

原信号采集模块以及额外信号采集模块的采集频率与实际高压直流输电工程一致，为10kHz，即每0.1ms采集一个点，连续0.3ms的数据即为连续3个采集点。

本发明给换流器低压六脉桥各桥臂添加电流测量装置，并在换流器高压六脉桥和换流器低压六脉桥连接中线上安装电流测量装置，只添加了7个电流测量装置，相较于现有技术分别给换流器12脉桥各桥臂添加电流测量装置大大降低了额外设备成本；本发明在第一类阀短路保护工作正常时，考虑换流器区外故障对保护动作的影响，可实现对换流器区内所有故障以及换流器区外的K6、K7和K8的定位；本发明还可以用在第一类阀短路保护出现故障时，对第一类阀短路保护的故障进行报警，并可以实现可使得换流器差动保护动作的换流器区内外K1-K8共8种故障的定位；本发明利用故障电流信息变异前的数据进行故障定位，可保证定位结果的准确性，使故障能够准确、快速地被处理，从而可保障高压直流输电系统的及时重启运行，进一步可保障功率的传输与系统的稳定。

附图说明

图1为本发明的系统组成图；

图2为本发明的故障定位流程图；

图3为可使得第一类阀短路保护动作的换流器区内外故障示意图；

图4为K9C、K10C的故障电流回路图，其中a为K9C的故障电流回路图，b为K10C的故障电流回路图；

图5为K6、K7与其它故障交流侧电流情况对比图，其中a为其它故障交流侧电流情况示意图，b为故障K6或K7交流侧电流情况示意图；

图6为K8的故障电流回路图；

图7为K1与K2的故障电流回路图，其中：a为K1的情况1的故障电流回路图，b为K1的情况2的故障电流回路图，c为K2的故障电流回路图；

图8为K3、K4与K5的故障电流回路图，其中：a为K3的情况1的故障电流回路图，b为K3的情况2的故障电流回路图，c为K3的情况2的故障电流回路图；d为K5的故障电流回路图。

具体实施方式

一种高压直流输电系统换流器快速故障定位方法，适用于配置了第一类阀短路保护的高压直流输电工程，该方法通过高压直流输电换流器故障定位系统实现，该系统包括原信号采集模块、额外信号采集模块、第一类阀短路保护动作判断模块、换流器差动保护动作判断模块、信号处理模块以及后台管理模块6个部分，原信号采集模块、额外信号采集模块、第一类阀短路保护动作判断模块、换流器差动保护动作判断模块及后台管理模块均与信号处理模块相连，原始信号采集模块是现有工程为换流器安装的电流侧点，包括换流器高压六脉桥交流侧三相电流互感器、换流器低压六脉桥交流侧三相电流互感器、换流器直流侧高压端直流电流互感器以及换流器直流侧中性线电流互感器；在换流器低压六脉桥的每一个桥臂分别安装的电流测量装置，在换流器高压六脉桥和换流器低压六脉桥连接中线上安装的电流测量装置，共7个电流测量装置组成额外信号采集模块；第一类阀短路保护动作判断模块接收由高压直流输电系统控制保护系统传输的第一类阀短路保护出口信息，判断是否有可使第一类阀短路保护动作的故障发生；换流器差动保护动作判断模块接收由高压直流输电系统控制保护系统传输的换流器差动保护出口信息，判断是否有可使换流器差动保护动作的故障发生；信号处理模块是整个系统的控制核心，对信号进行运算处理、故障判断、输出各故障对应的编码信号给后台管理模块；后台管理模块接收信号处理模块的编码信号，进行相应的报警工作，具体实现流程如下所述：

A、第一类阀短路保护动作判断模块接收由高压直流输电系统控制保护系统输出的第一类阀短路保护的出口信息，若根据出口信息判断出第一类阀短路保护动作，则进入第B1步工作，若判断出第一类阀短路保护不动作，则进入第C1步工作；

B1、原信号采集模块获取换流器高压六脉桥交流侧三相电流互感器CT_IACY所测得的电流I_aY、I_bY、I_cY，换流器低压六脉桥交流侧三相电流互感器CT_IACD所测得的电流I_aD、I_bD、I_cD，换流器直流侧高压端直流电流互感器CT_IDH所测得的直流电流I_dH以及换流器直流侧中性线电流互感器CT_IDN所测得的中性线直流电流I_dN；额外信号采集模块获取在换流器低压六脉桥共阴极阀V21安装的电流测量装置CT_IV21所测得的电流I_V21、在阀V23安装的电流测量装置CT_IV23所测得的电流I_V23、在阀V25安装的电流测量装置CT_IV25所测得的电流I_V25，获取在换流器低压六脉桥共阳极阀V24安装的电流测量装置CT_IV24所测得的电流I_V24、在阀V26安装的电流测量装置CT_IV26所测得的电流I_V26、在阀V22安装的电流测量装置CT_IV22所测得的电流I_V22，并获取在换流器高压六脉桥和换流器低压六脉桥连接中线上安装的电流测量装置CT_IM测得的电流I_M，取这15种电流信息在第一类阀短路保护动作判断模块判断出第一类阀短路保护动作前10ms的数据输送给信号处理模块，进入第B2步工作；

B2、信号处理模块对电流信息做数学运算处理，计算出I_dH与I_dN之差的绝对值为abs(I_dH-I_dN)，并判断电流信息中是否存在连续0.3ms的数据均满足abs(I_dH-I_dN)>0.02pu，若否，进入第B3步工作，若是，则进入第B4步工作；

B3、信号处理模块对电流信息做数学运算处理，计算出I_aY、I_bY、I_cY绝对值的最大值为I_acY与I_dH的差值为I_acY-I_dH，判断电流信息中是否存在连续0.3ms的数据均满足I_acY-I_dH>0.02pu，若是，信号处理模块输出换流器高压六脉桥阀短路故障K9的编码信号给后台管理模块，后台管理模块根据K9的编码信号，进行K9的声音报警或者显示报警，以提醒相关工作人员在换流器高压六脉桥查找阀短路故障；若否，信号处理模块输出换流器低压六脉桥阀短路故障K10的编码信号给后台管理模块，后台管理模块根据K10的编码信号，进行K10的声音报警或者显示报警，以提醒相关工作人员在换流器低压六脉桥查找阀短路故障；

B4、获取采集的15种电流信息在最开始满足abs(I_dH-I_dN)>0.02pu后的1ms的数据，进入第B5步工作；

B5、信号处理模块对电流信息做数学运算处理，计算出I_aY、I_bY、I_cY之和的绝对值为abs(I_aY+I_bY+I_cY)，I_aD、I_bD、I_cD之和的绝对值为abs(I_aD+I_bD+I_cD)，信号处理模块判断电流信息中是否存在abs(I_aY+I_bY+I_cY)>0.03pu、abs(I_aD+I_bD+I_cD)>0.03pu或I_dH>1.01pu，若存在连续0.3ms的数据都满足abs(I_aY+I_bY+I_cY)>0.03pu，信号处理模块输出换流器高压六脉桥区外交流侧接地故障K6的编码信号给后台管理模块，后台管理模块根据K6的编码信号，进行K6的声音报警或者显示报警，以提醒相关工作人员在换流器高压六脉桥区外交流侧查找接地故障；若存在连续0.3ms的数据都满足abs(I_aD+I_bD+I_cD)>0.03pu，信号处理模块输出换流器低压六脉桥区外交流侧接地故障K7的编码信号给后台管理模块，后台管理模块根据K7的编码信号，进行K7的声音报警或者显示报警，以提醒相关工作人员在换流器低压六脉桥区外交流侧查找接地故障；若存在连续0.3ms的数据都满足I_dH>1.01pu，信号处理模块输出换流器区外直流侧短路故障K8的编码信号给后台管理模块，后台管理模块根据K8的编码信号，进行K8故障的声音报警或者显示报警，以提醒相关工作人员在换流器高压六脉桥区外直流侧查找短路故障；若电流信息中不存在abs(I_aY+I_bY+I_cY)>0.03pu、abs(I_aD+I_bD+I_cD)>0.03pu与I_dH>1.01pu，则判断为换流器未发生K6、K7、K8三种中的任何一种故障，信号处理模块进入第B6步工作；

B6、信号处理模块判断电流信息中是否存在连续0.3ms的数据都满足I_M>1.01pu，若是，信号处理模块进行第B7步工作，若否，信号处理模块进行第B8步工作；

B7、信号处理模块判断电流信息中是否存在连续0.3ms的数据都满足I_dH<0，若是，信号处理模块输出换流器高压六脉桥区内直流侧接地故障K2的编码信号给后台管理模块，后台管理模块根据K2的编码信号，进行K2故障的声音报警或者显示报警，以提醒相关工作人员在换流器高压六脉桥区内直流侧查找接地故障；若否，信号处理模块输出换流器高压六脉桥区内交流侧接地故障K1的编码信号给后台管理模块，后台管理模块根据K1的编码信号，进行K1的声音报警或者显示报警，以提醒相关工作人员在换流器高压六脉桥区内交流侧查找接地故障；

B8、信号处理模块对电流信息做数学运算处理，计算出换流器低压六脉桥共阴极阀V21、阀V23、阀V25的电流I_V21、I_V23、I_V25的最大值I_VN，并判断是否存在连续0.3ms的数据满足I_VN>1.01pu，若是，信号处理模块输出换流器低压六脉桥共阴极引线接地故障K4的编码信号给后台管理模块，后台管理模块根据K4的编码信号，进行K4的声音报警或者显示报警，以提醒相关工作人员在换流器低压六脉桥共阴极引线处查找接地故障；若否，进入第B9步工作；

B9、信号处理模块判断是否存在连续0.3ms的数据均满足0.99pu<I_VN<1.01pu，若否，信号处理模块输出换流器低压六脉桥区内交流侧接地故障K3的编码信号给后台管理模块，后台管理模块根据K3的编码信号，进行K3故障的声音报警或者显示报警，以提醒相关工作人员在换流器低压六脉桥区内交流侧查找接地故障，若是，则进入第B10步工作；

B10、信号处理模块对电流信息做数学运算处理，计算出换流器低压六脉桥共阳极阀V24、阀V26、阀V22的电流I_V24、I_V26、I_V22的最大值I_VP，并判断是否存在连续0.3ms的数据都满足I_VP<0.99pu，若否，信号处理模块输出换流器低压六脉桥区内交流侧接地故障K3的编码信号给后台管理模块，后台管理模块根据K3的编码信号，进行K3的声音报警或者显示报警，以提醒相关工作人员在换流器低压六脉桥区内交流侧查找接地故障；若否，信号处理模块输出中性线接地故障K5的编码信号给后台管理模块，后台管理模块根据K5的编码信号，进行K5的声音报警或者显示报警，以提醒相关工作人员在换流器低压六脉桥区内的中性线查找接地故障；

C1、换流器差动保护动作判断模块接收由高压直流输电系统控制保护系统输出的换流器差动保护的出口信息，若判断出换流器差动保护动作，输出第一类阀短路保护故障信号给后台管理模块，后台管理模块进行第一类阀短路保护故障的声音报警或者显示报警，以提醒相关工作人员进行相应的处理工作，并进入第C2步工作，若判断出换流器差动保护不动作，则返回A步工作继续判断；

C2、获取15种电流信息在换流器差动保护动作判断模块判断出换流器差动保护动作前10ms的数据输送给信号处理模块，信号处理模块对电流信息做数学运算处理，计算出I_dH与I_dN之差的绝对值为abs(I_dH-I_dN)，进行B4-B10步工作，对可使得换流器差动保护的K1-K8八种故障进行定位。

工作原理：

如图3所示，换流器区(S区)是指换流器高压六脉桥交流侧三相电流互感器CT_IACY、换流器低压六脉桥交流侧三相电流互感器CT_IACD以及换流器直流侧高压端直流电流互感器CT_IDH和换流器直流侧中性线电流互感器CT_IDN之间的区域。换流器区内短路故障包括接地故障K1-K5以及阀短路故障K9与K10，其中换流器高压六脉桥阀短路故障K9包括换流器高压六脉桥区内交流侧相间短路故障K9A、换流器高压六脉桥桥臂短路故障K9B以及换流器高压六脉桥区内直流侧出口短路故障K9C。换流器低压六脉桥阀短路故障K10包括换流器低压六脉桥区内交流侧相间短路故障K10A、换流器低压六脉桥桥臂短路故障K10B以及换流器高压六脉桥区内直流侧出口短路故障K10C。高压直流输电系统正常运行时，CT_IACY所测得的电流I_aY、I_bY、I_cY的绝对值的最大值I_acY、CT_IACD所测得的电流I_aD、I_bD、I_cD的绝对值的最大值I_acD、CT_IDH所测得的直流电流I_dH和CT_IDN所测得的中性线直流电流I_dN均相等，为额定电流，大小为1个标幺值，即1pu，南方电网公司所负责的大部分高压直流输电工程为换流器区所有短路故障配置了第一类阀短路保护，其动作判据为I_acY-min(I_dH,I_dN)>△或者I_acD-min(I_dH,I_dN)>△，式中min(I_dH,I_dN)为I_dH与I_dN两者的较小值，△为大于0的值，在换流器区内发生K1-K5或者K9、K10的任意一种故障时，I_acY或者I_acD至少有一个会增大，而I_dH与I_dN至少有一个会减小，导致第一类阀短路保护动作。而且在换流器区内发生接地故障K1-K5时，I_dH与I_dN存在差值，实际工程中由此给换流器区内接地故障设计的换流器差动保护的的动作判据为abs(I_dH-I_dN)>△，式中△为大于0的值。而根据相关报道可知，K6、K7与K8这3种区外故障也会满足第一类阀短路保护和换流器差动保护的动作判据，在第一类阀短路保护正常时，第一类阀短路保护动作，而在第一类阀短路保护故障时，换流器差动保护动作，因此在保护动作后，查找故障位置时，还需要考虑K6、K7与K8这3种换流器区外故障。

第一类阀短路保护的整定时间为0.5ms，而换流器差动保护的整定时间为5-10ms，所以无论在换流器区内发生何种短路故障第一类阀短路保护均先动作，发出闭锁信号给换流器差动保护，以至于换流器差动保护闭锁，那么在配置了第一类阀短路保护的高压直流输电工程中，换流器差动保护实质上作为第一类阀短路保护的后备保护，所以在该类工程中，在保护系统正常的情况下，即可认为换流器区内所有短路故障只由第一类阀短路保护负责动作。

第一类阀短路护保护的动作策略是先移相后跳开交流侧断路器，由于系统通信延时、信号处理过程中需要延时(例如在换流器差动保护动作之前系统自检需要延时0.5ms)、实际录波显示在到达保护整定时间后还需要额外延时1-2ms的时间，电流信息才会因为移相而发生变异，因此要实现故障定位，需要在第一类阀短路保护整定时间加上额外延时时间段的电流信息中提取不同故障电气特征的差异性，最短仅为1.5ms，本发明取满足保护判据后的1ms的电流信息的数据进行故障定位工作。

下面将可使第一类阀短路保护动作的换流器区内外10种故障分为5类对本发明的工作原理进行叙述。

1、阀短路故障K9或K10

当发生K9或者K10时，以K9C和K10C为例，当发生K9C时，如图4A所示，在A点处分流成两个电路回路，回路1电流从故障引线流经过换流器高压六脉桥，CT_IACY、换流变压器流回A点，由于回路1为短路回路，因此，处于回路中的电流增大，即，I_aY、I_bY、I_cY绝对值的最大值I_acY增大；回路2电流从CT_IDH、直流线路，经过逆变侧、CT_IDN，到换流器低压六脉桥，故障使得该回路输出电压减小，导致该回路电流减小，即I_aD、I_bD、I_cD的绝对值的最大值I_acD、I_dH、I_dN减小，I_V21、I_V23、I_V25的最大值I_VN，I_V24、I_V26、I_V22的最大值I_VP以及I_M也减小。当发生K10C时，如图4B所示，同理，回路1中电流增大，即I_acD增大，回路2中I_acD、I_dH、I_dN、I_VN、I_VP与I_M减小。

K9A、K9B与K10A、K10B的分析与K9C和K10C类似。在发生K9或者K10时，I_dH与I_dN处同一回路，二者不存在差值，而如图5、图6、图7及图8所示，在发生K1-K8八种故障中的任意一种故障时，I_dH与I_dN所处回路不一致，存在差值。

所以为实现换流器故障定位，本发明根据对K9与K10的分析，整理以下2条结论：

结论1：当发生K9与K10时，I_dH与I_dN相等，而其它故障的I_dH与I_dN不相等，因此可取abs(I_dH-I_dN)>△作为K9、K10与K1-K8的区分判断式。为躲过实际工程中正常运行时的由不平衡电流、测量误差等造成的电流误差，△取0.02pu。

结论2：在发生K9时，I_acY增大，I_dH减小，而K10的I_acY与I_dH处于同一回路，均减小，并相等，同理，为躲过实际工程中正常运行时的由不平衡电流、测量误差等造成的电流误差可取I_acY-I_dH>0.02pu作为K9与K0的区分判断式。

2、换流器高或低压六脉桥区外交流侧接地故障K6或K7

高压直流输电系统正常运行时，CT_IACY或CT_IACD所测得的电流I_aY、I_bY、I_cY及I_aD、I_bD、I_cD均对称，即I_aY、I_bY、I_cY及I_aD、I_bD、I_cD之和为0，在故障时，由于换流器高、低压六脉桥的换流变压器二次侧三相交流绕组分别为星型(Y)接法和三角(D)接法，不能在二次侧提供零序电流的流通路径，即换流变压器二次侧三相电流I_a、I_b、I_c之和恒为0。

如图5所示，当换流器区内发生K1-K5五种故障中的任意一种故障时，无论是交流侧或者直流侧故障，或者是换流器直流侧区外发生K8时，CT_IACY或CT_IACD所测得的电流均为换流变压器二次侧三相电流。所以I_aY、I_bY、I_cY与I_aD、I_bD、I_cD之和均为0。当换流器交流侧区外发生故障K6或K7时，回路的畸变使得CT_IACY或CT_IACD测得的电流不再是换流变压器二次侧电流，当高压直流输电系统处于图5工况时，电流互感器所测电流之和为I_aY+I_bY+I_cY-I_g即为-I_g，即abs(I_aY+I_bY+I_cY)>0或者abs(I_aD+I_bD+I_cD)>0。

所以为实现换流器故障定位，本发明根据对K6与K7的分析，本发明整理以下2条结论：

结论1：当发生故障K6时，abs(I_aY+I_bY+I_cY)>0，为躲过实际工程中正常运行时的由不平衡电流、测量误差等造成的电流误差，K6的判断式取为abs(I_aY+I_bY+I_cY)>0.03pu。

结论2：当发生故障K7时，abs(I_aD+I_bD+I_cD)>0，为躲过实际工程中正常运行时的由不平衡电流、测量误差等造成的电流误差，K6的判断式取为abs(I_aD+I_bD+I_cD)>0.03pu。K7的判断式取为abs(I_aD+I_bD+I_cD)>0.03pu。

3、换流器区外直流侧短路故障K8

如图6所示，K8的故障点在CT_IDH的外面，使得短路电流流过CT_IDH，I_dH增大，而其它故障的短路电流均在CT_IDH里面，I_dH减小或不变。

为实现换流器故障定位，本发明根据对K8的分析，整理结论：K8的判断式可取为I_dH>1.01pu。

4、换流器高压六脉桥区内接地故障K1与K2

(1)K1

当换流器高压六脉桥区内发生接地故障K1时，以A相接地为例，当V14导通时换流器区内高压六脉桥发生A相接地故障，称为K1的情况1，即K1₍₁₎，此时形成两个电流回路，如图7(a)所示。回路1由接地极、CT_IDN、换流器低压六脉桥、换流器高压六脉桥共阳极导通阀V14及接地点构成，此回路为短路回路，回路中电流增大，I_aD、I_bD、I_cD的绝对值的最大值I_acD、I_V21、I_V23、I_V25的最大值I_VN、I_V24、I_V26、I_V22的最大值I_VP、I_M、I_dN均增大；由于晶闸管的反向阻断作用，直流滤波器DCF无法向换流器放电，即回路2电流无法从直流滤波器DCF反向流回换流器，所以电流通过高压六脉桥共阴极导通阀、CT_IDH、直流线路流向逆变侧，此回路直流侧输出电压减小，导致I_aY、I_bY、I_cY的绝对值的最大值I_acY与I_dH减小。

而在V15不导通时换流器高压六脉桥区内发生A相接地故障，称为K1的情况2，即K1₍₂₎，如图7(b)所示，同理回路1中电流增大，回路2中电流减小，即I_acY、I_acD、I_M、I_VN、I_VP以及I_dN均增大，I_dH减小。

(2)K2

当发生K2时，如图7(c)所示，同理可知回路1中电流增大，回路2中电流减小，即I_acY、I_acD、I_M、I_VN、I_VP以及I_dN均增大，I_dH减小。但此时由于直流滤波器DCF向接地点放电，放电回路中含有CT_IDH，致使I_dH减小后反向增大到小于0。

在换流器低压六脉桥区内发生接地故障K3、K4或K5时，如图8所示，I_acY、I_M处于回路2中，所以I_acY、I_M不可能存在增大的情况。

所以为实现换流器故障定位，本发明根据对K1与K2的分析，整理以下2条结论：

结论1：K1₍₁₎、K1₍₂₎、K2的I_M增大到大于1pu，K3、K4、K5的I_M则不会，因此为防止电流误差的干扰，本发明设定区分K1、K2与K3、K4、K5的判断式为I_M>1.01pu。

结论2：而区分K1₍₁₎、K1₍₂₎与K2的判断式为I_dH<0，即当发生K2时，存在I_dH<0，而发生K1故障时则不存在。

5、换流器低压六脉桥区内接地故障K3、K4与K5

(1)K3

当换流器低压六脉桥区内发生接地故障K3时，以A相接地为例，当V24导通时换流器低压六脉桥区内发生A相接地故障，称为K3的情况1，即K3₍₁₎，此时形成两个电流回路，如图8(a)所示。回路1由接地极、CT_IDN、阀V24及接地点构成；回路2电流由换流器低压六脉桥换流变压器、换流器低压六脉桥阴极导通的阀、换流器高压六脉桥、CT_IDH、直流线路流向逆变侧。此时的高压直流输电系统相当于整流侧的中性线上再加了一个接地点，回路2输出电压不受影响，回路2中电流I_acY、I_acD、I_VN、I_M与I_dH不变，而当高压直流输电系统在双极不平衡、单极大地及单极金属回线且整流站是非接地情况的三种运行方式下，电流经接地点和接地极分流，因此I_dN、I_VP减小至小于1pu；

而在V24不导通时流器低压六脉桥区内发生A相接地故障，称为K3的情况2，即K3₍₂₎，如图8(b)所示，回路1中I_acD、I_dN与I_VP增大，回路2中I_acY、I_M与I_dH减小。

(2)K4

故障后，电流回路如图8(c)所示，同理可知回路1中I_acD、I_VN、I_VP与I_dN增大，回路2中I_acY、I_M与I_dH减小。

(3)K5

当换流器发生K5时，相当于在中性线上再引入了一个接地点，电流回路如图8(d)所示，与K2的情况2一致，当系统在双极不平衡、单极大地及单极金属回线且整流站是非接地情况的三种运行方式下，I_acY、I_acD、I_M、I_VN、I_VP、I_dH不变，I_dN减小至小于1pu。

所以为实现换流器故障定位，本发明根据对K3、K4与K5的分析，整理以下3条结论：

结论1：K4的I_VN增大到大于1pu，K3₍₁₎、K3₍₂₎与K5的I_VN则不会增大，所以为防止电流误差的干扰，本发明设定K4判断式为I_VN>1.01pu。

结论2：K3₍₁₎、K5与K3₍₂₎的区别在于K3₍₁₎和K5存在I_acD、I_VN、I_dH及I_acY均不变的情况，而K3₍₂₎不存在，所以为防止电流误差的干扰，本发明设定K3₍₁₎、K5与K3₍₂₎的判断式为0.99pu<I_VN<1.01pu。

结论3：K3₍₁₎与K5的区分：K5的I_VP不变，而K3₍₁₎的I_VP减小至小于1pu，所以为防止电流误差的干扰，本发明设定区分K3₍₁₎与K5的判断式为I_VP<0.99pu。

Claims (1)

1.高压直流输电系统换流器快速故障定位方法，其特征在于：适用于配置了第一类阀短路保护的高压直流输电工程，该方法通过高压直流输电换流器故障定位系统实现，该系统包括原信号采集模块、额外信号采集模块、第一类阀短路保护动作判断模块、换流器差动保护动作判断模块、信号处理模块以及后台管理模块6个部分，原信号采集模块、额外信号采集模块、第一类阀短路保护动作判断模块、换流器差动保护动作判断模块及后台管理模块均与信号处理模块相连，原始信号采集模块是现有工程为换流器安装的电流侧点，包括换流器高压六脉桥交流侧三相电流互感器、换流器低压六脉桥交流侧三相电流互感器、换流器直流侧高压端直流电流互感器以及换流器直流侧中性线电流互感器；在换流器低压六脉桥的每一个桥臂分别安装的电流测量装置，在换流器高压六脉桥和换流器低压六脉桥连接中线上安装的电流测量装置，共7个电流测量装置组成额外信号采集模块；第一类阀短路保护动作判断模块接收由高压直流输电系统控制保护系统传输的第一类阀短路保护出口信息，判断是否有可使第一类阀短路保护动作的故障发生；换流器差动保护动作判断模块接收由高压直流输电系统控制保护系统传输的换流器差动保护出口信息，判断是否有可使换流器差动保护动作的故障发生；信号处理模块是整个系统的控制核心，对信号进行运算处理、故障判断、输出各故障对应的编码信号给后台管理模块；后台管理模块接收信号处理模块的编码信号，进行相应的报警工作，具体实现流程如下所述：

A、第一类阀短路保护动作判断模块接收由高压直流输电系统控制保护系统输出的第一类阀短路保护的出口信息，若根据出口信息判断出第一类阀短路保护动作，则进入第B1步工作，若判断出第一类阀短路保护不动作，则进入第C1步工作；

B1、原信号采集模块获取换流器高压六脉桥交流侧三相电流互感器CT_IACY所测得的电流I_aY、I_bY、I_cY，换流器低压六脉桥交流侧三相电流互感器CT_IACD所测得的电流I_aD、I_bD、I_cD，换流器直流侧高压端直流电流互感器CT_IDH所测得的直流电流I_dH以及换流器直流侧中性线电流互感器CT_IDN所测得的中性线直流电流I_dN；额外信号采集模块获取在换流器低压六脉桥共阴极阀V21安装的电流测量装置CT_IV21所测得的电流I_V21、在阀V23安装的电流测量装置CT_IV23所测得的电流I_V23、在阀V25安装的电流测量装置CT_IV25所测得的电流I_V25，获取在换流器低压六脉桥共阳极阀V24安装的电流测量装置CT_IV24所测得的电流I_V24、在阀V26安装的电流测量装置CT_IV26所测得的电流I_V26、在阀V22安装的电流测量装置CT_IV22所测得的电流I_V22，并获取在换流器高压六脉桥和换流器低压六脉桥连接中线上安装的电流测量装置CT_IM测得的电流I_M，取这15种电流信息在第一类阀短路保护动作判断模块判断出第一类阀短路保护动作前10ms的数据输送给信号处理模块，进入第B2步工作；

B2、信号处理模块对电流信息做数学运算处理，计算出I_dH与I_dN之差的绝对值为abs(I_dH-I_dN)，并判断电流信息中是否存在连续0.3ms的数据均满足abs(I_dH-I_dN)>0.02pu，若否，进入第B3步工作，若是，则进入第B4步工作；

B3、信号处理模块对电流信息做数学运算处理，计算出I_aY、I_bY、I_cY绝对值的最大值为I_acY与I_dH的差值为I_acY-I_dH，判断电流信息中是否存在连续0.3ms的数据均满足I_acY-I_dH>0.02pu，若是，信号处理模块输出换流器高压六脉桥阀短路故障K9的编码信号给后台管理模块，后台管理模块根据K9的编码信号，进行K9的声音报警或者显示报警，以提醒相关工作人员在换流器高压六脉桥查找阀短路故障；若否，信号处理模块输出换流器低压六脉桥阀短路故障K10的编码信号给后台管理模块，后台管理模块根据K10的编码信号，进行K10的声音报警或者显示报警，以提醒相关工作人员在换流器低压六脉桥查找阀短路故障；

B4、获取采集的15种电流信息在最开始满足abs(I_dH-I_dN)>0.02pu后的1ms的数据，进入第B5步工作；

B5、信号处理模块对电流信息做数学运算处理，计算出I_aY、I_bY、I_cY之和的绝对值为abs(I_aY+I_bY+I_cY)，I_aD、I_bD、I_cD之和的绝对值为abs(I_aD+I_bD+I_cD)，信号处理模块判断电流信息中是否存在abs(I_aY+I_bY+I_cY)>0.03pu、abs(I_aD+I_bD+I_cD)>0.03pu或I_dH>1.01pu，若存在连续0.3ms的数据都满足abs(I_aY+I_bY+I_cY)>0.03pu，信号处理模块输出换流器高压六脉桥区外交流侧接地故障K6的编码信号给后台管理模块，后台管理模块根据K6的编码信号，进行K6的声音报警或者显示报警，以提醒相关工作人员在换流器高压六脉桥区外交流侧查找接地故障；若存在连续0.3ms的数据都满足abs(I_aD+I_bD+I_cD)>0.03pu，信号处理模块输出换流器低压六脉桥区外交流侧接地故障K7的编码信号给后台管理模块，后台管理模块根据K7的编码信号，进行K7的声音报警或者显示报警，以提醒相关工作人员在换流器低压六脉桥区外交流侧查找接地故障；若存在连续0.3ms的数据都满足I_dH>1.01pu，信号处理模块输出换流器区外直流侧短路故障K8的编码信号给后台管理模块，后台管理模块根据K8的编码信号，进行K8故障的声音报警或者显示报警，以提醒相关工作人员在换流器高压六脉桥区外直流侧查找短路故障；若电流信息中不存在abs(I_aY+I_bY+I_cY)>0.03pu、abs(I_aD+I_bD+I_cD)>0.03pu与I_dH>1.01pu，则判断为换流器未发生K6、K7、K8三种中的任何一种故障，信号处理模块进入第B6步工作；

B6、信号处理模块判断电流信息中是否存在连续0.3ms的数据都满足I_M>1.01pu，若是，信号处理模块进行第B7步工作，若否，信号处理模块进行第B8步工作；

B7、信号处理模块判断电流信息中是否存在连续0.3ms的数据都满足I_dH<0，若是，信号处理模块输出换流器高压六脉桥区内直流侧接地故障K2的编码信号给后台管理模块，后台管理模块根据K2的编码信号，进行K2故障的声音报警或者显示报警，以提醒相关工作人员在换流器高压六脉桥区内直流侧查找接地故障；若否，信号处理模块输出换流器高压六脉桥区内交流侧接地故障K1的编码信号给后台管理模块，后台管理模块根据K1的编码信号，进行K1的声音报警或者显示报警，以提醒相关工作人员在换流器高压六脉桥区内交流侧查找接地故障；

B8、信号处理模块对电流信息做数学运算处理，计算出换流器低压六脉桥共阴极阀V21、阀V23、阀V25的电流I_V21、I_V23、I_V25的最大值I_VN，并判断是否存在连续0.3ms的数据满足I_VN>1.01pu，若是，信号处理模块输出换流器低压六脉桥共阴极引线接地故障K4的编码信号给后台管理模块，后台管理模块根据K4的编码信号，进行K4的声音报警或者显示报警，以提醒相关工作人员在换流器低压六脉桥共阴极引线处查找接地故障；若否，进入第B9步工作；

B9、信号处理模块判断是否存在连续0.3ms的数据均满足0.99pu<I_VN<1.01pu，若否，信号处理模块输出换流器低压六脉桥区内交流侧接地故障K3的编码信号给后台管理模块，后台管理模块根据K3的编码信号，进行K3故障的声音报警或者显示报警，以提醒相关工作人员在换流器低压六脉桥区内交流侧查找接地故障，若是，则进入第B10步工作；

B10、信号处理模块对电流信息做数学运算处理，计算出换流器低压六脉桥共阳极阀V24、阀V26、阀V22的电流I_V24、I_V26、I_V22的最大值I_VP，并判断是否存在连续0.3ms的数据都满足I_VP<0.99pu，若否，信号处理模块输出换流器低压六脉桥区内交流侧接地故障K3的编码信号给后台管理模块，后台管理模块根据K3的编码信号，进行K3的声音报警或者显示报警，以提醒相关工作人员在换流器低压六脉桥区内交流侧查找接地故障；若否，信号处理模块输出中性线接地故障K5的编码信号给后台管理模块，后台管理模块根据K5的编码信号，进行K5的声音报警或者显示报警，以提醒相关工作人员在换流器低压六脉桥区内的中性线查找接地故障；

C1、换流器差动保护动作判断模块接收由高压直流输电系统控制保护系统输出的换流器差动保护的出口信息，若判断出换流器差动保护动作，输出第一类阀短路保护故障信号给后台管理模块，后台管理模块进行第一类阀短路保护故障的声音报警或者显示报警，以提醒相关工作人员进行相应的处理工作，并进入第C2步工作，若判断出换流器差动保护不动作，则返回A步工作继续判断；

C2、获取15种电流信息在换流器差动保护动作判断模块判断出换流器差动保护动作前10ms的数据输送给信号处理模块，信号处理模块对电流信息做数学运算处理，计算出I_dH与I_dN之差的绝对值为abs(I_dH-I_dN)，进行B4-B10步工作，对可使得换流器差动保护的K1-K8八种故障进行定位；

原信号采集模块以及额外信号采集模块的采集频率与实际高压直流输电工程一致，为10kHz，即每0.1ms采集一个点，连续0.3ms的数据即为连续3个采集点。