CN108761269A - 一种换流阀臂接地故障检测方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种换流阀臂接地故障检测方法及系统，其中，方法包括：采集换流阀的三相阀臂电流及直流电流；根据三相阀臂电流计算阀臂零序电流；根据阀臂零序电流及直流电流计算差动电流；监测差动电流的幅值，当监测到差动电流的幅值大于第一预定阈值时确定理论上发生阀内接地故障，断开与换流阀相连的交流断路器。本发明通过根据阀臂零序电流与直流电流计算得到的差动电流，能够准确地确定换流阀内部是否发生接地故障，通过断开与换流阀相连的交流断路器，能够保护阀臂子模块不被击穿，提高系统运行的稳定性与可靠性。
Description
技术领域
本发明属于换流阀技术领域，尤其涉及一种换流阀臂接地故障检测方法及系统。
背景技术
随着全球大电网系统的逐渐扩大，对电网互联技术的要求就越来越高。传统的交流传输方式弊端越来越多，不适用于现在要求的高压大功率输电方式。因此对换流器的需求量逐渐增多，而相比基于晶闸管的电网换相换流器(Line Commutated Converter,LCC)而言，电力电子换流器不存在换相失败的问题，具有开关损耗小，输出波形质量高等优点，在电能的发电、输电、变电、配电及用电环节广泛应用，因此，在工业、输配电等中高压大容量场合，对电力电子换流器的需求迅速增加。因此，电力电子换流器可方便的应用于中高压大容量输电系统，拥有广阔的应用前景。
换流器通常由换流阀接成一定的回路来构成的，换流阀由阀臂子模块、电抗器、隔离变压器。换流阀在实际运行过程中，其保护配置分为交流保护区、直流保护区、负荷保护区和装置级保护区。其中，装置级保护区对换流阀本体进行保护，主要采用阀臂欠压保护、阀臂过流保护、交流母线零序电压保护等保护策略。
对于阀臂欠压保护及交流母线零序电压保护策略，不能在不增加电流测点的情况下可靠判别阀臂接地故障。
对于阀臂过流保护策略，能够判别阀臂接地故障，主要是将电流互感器(Currenttransformer，CT)安装在换流阀的直流侧及三相桥臂，当阀臂出现接地故障时，由阀臂电流互感器(current transformer,CT)检测到过流，阀臂过流保护动作，阀臂子模块闭锁，但此时，故障接地点与正常接地点之间的回路电压直接加在阀臂子模块两端，导致阀臂子模块中电力电子器件过压，阀臂子模块面临连锁击穿的风险。
发明内容
本发明用于解决现有换流阀臂过流保护策略执行时无法区分阀内外接地故障，还将会导致阀臂子模块中的电力电子器件过压，存在被连锁击穿的风险。
为了解决上述问题，本发明提供如下技术方案：
根据本发明的第一方面，提供一种换流阀臂接地故障检测方法，包括：
采集换流阀的三相阀臂电流及直流电流；
根据三相阀臂电流计算阀臂零序电流；
根据阀臂零序电流及直流电流计算差动电流；
监测差动电流的幅值，当监测到差动电流的幅值大于第一预定阈值时确定理论上发生阀内接地故障，断开与换流阀相连的交流断路器。
根据本发明的第二方面，提供一种换流阀臂接地故障检测系统，包括：
采集模块，用于采集换流阀的三相阀臂电流及直流电流；
第一计算模块，用于根据三相阀臂电流计算阀臂零序电流；
第二计算模块，用于根据阀臂零序电流及直流电流计算差动电流；
控制模块，用于监测差动电流的幅值，当监测到差动电流的幅值大于第一预定阈值时确定理论上发生阀内接地故障，断开与换流阀相连的交流断路器。
根据本发明的第三方面，提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如下步骤：
采集换流阀的三相阀臂电流及直流电流；
根据三相阀臂电流计算阀臂零序电流；
根据阀臂零序电流及直流电流计算差动电流；
监测差动电流的幅值，当监测到差动电流的幅值大于第一预定阈值时确定理论上发生阀内接地故障，断开与换流阀相连的交流断路器。
根据本发明的第四方面，提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有执行计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如下步骤：
采集换流阀的三相阀臂电流及直流电流；
根据三相阀臂电流计算阀臂零序电流；
根据阀臂零序电流及直流电流计算差动电流；
监测差动电流的幅值，当监测到差动电流的幅值大于第一预定阈值时确定理论上发生阀内接地故障，断开与换流阀相连的交流断路器。
本发明在不改变阀臂电流传感器数量和位置的前提下，通过根据阀臂零序电流与直流电流计算得到的差动电流，能够准确地确定换流阀内接地故障，阀内接地故障时保护动作，能够提高系统运行的可靠性。通过断开与换流阀相连的交流断路器，保持阀臂子模块不闭锁来进行保护动作，能够保护阀臂子模块不被击穿，提高系统运行的稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了本发明一实施例的换流阀连接示意图；
图2示出了本发明一实施例的换流阀臂接地故障检测方法的流程图；
图3示出了本发明一实施例的换流阀臂接地故障检测方法的流程图；
图4示出了本发明一实施例的换流阀臂接地故障检测方法的流程图；
图5示出了本发明一实施例的换流阀臂接地故障检测系统的构成示意图；
图6示出了本发明一实施例的计算机设备的构成示意图。
具体实施方式
为了使本发明的技术特点及效果更加明显，下面结合附图对本发明的技术方案做进一步说明，本发明也可有其他不同的具体实例来加以说明或实施，任何本领域技术人员在权利要求范围内做的等同变换均属于本发明的保护范畴。
在本说明书的描述中，参考术语“一实施例”、“一具体实施例”、“一些实施方式”、“例如”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。各实施例中涉及的步骤顺序用于示意性说明本发明的实施，其中的步骤顺序不作限定，可根据需要作适当调整。
在说明本发明技术方案之前，先说明换流阀的连接方式，如图1所示，换流阀120包括阀臂子模块121(SMap1、SMap2、SMapN、SMbp1、SMbp2、SMbpN、SMcp1、SMcp2、SMcpN、SMan1、SMan2、SManN、SMbn1、SMbn2、SMbnN、SMcn1、SMcn2、SMcnN)、电抗器及隔离变压器等，换流阀的交流端连接交流断路器110的一端，交流断路器110的另一端连接电网，换流器的直流端用于连接直流设备。换流器的交流侧安装有电流互感器TApa、TApb、TApc、TAna、TAnb、TAnc，换流器的直流侧安装有电流互感器TAdc。
现有技术中对于换流器的过流保护策略为当安装于换流阀的直流侧及三相桥臂的电流互感器检测到过流时，阀臂过流保护动作，阀臂子模块锁闭。该种过流保护策略会使故障接地点与正常接地点之间的回路电压直接加在阀臂子模块两端，导致阀臂子模块中电力电子器件过压，阀臂子模块面临连锁击穿的风险。
为了解决上述技术问题，如图2所示，作为本发明一实施例，提供了一种换流阀臂接地故障检测方法，本实施例在不改变阀臂电流传感器数量和位置的前提下，根据阀臂零序电流与直流电流之间的差动电流可以准确地确定换流阀内部是否发生了接地故障，发生接地故障时，通过断开与换流阀相连的交流断路器能够保护阀臂子模块不被击穿，提高系统运行的稳定性与可靠性。
详细的说，换流阀臂接地故障检测方法包括：
S201，采集换流阀的三相阀臂电流及直流电流
本步骤于具体实施时，可将换流阀交流侧及直流侧的电流互感器接入通讯光纤，通过通讯光纤得到交流侧的电流数据及直流侧的电流数据，根据交流侧的电流数据得到电流数据确定三相阀臂电流根据直流侧的电流数据确定直流电流
S203，根据三相阀臂电流计算阀臂零序电流
本步骤于具体实施时，通过如下公式(1)计算阀臂零序电流
S205，根据阀臂零序电流及直流电流IDC计算差动电流
本步骤于具体实施时，通过如下公式计算差动电流：
S207，监测差动电流的幅值，当监测到差动电流的幅值大于第一预定阈值时确定理论上发生阀内接地故障，断开与换流阀相连的交流断路器，换流阀内的阀臂子模块不闭锁。若差动电流的幅值小于或等于第一预定阈值，则不做保护动作。
详细的说，本步骤中的第一预定阈值为0附近的值，如为0.1,0.2,0.5等，本发明对第一预定阈值具体取值不做限定，可根据换流阀内电流互感器的测量精度确定。
本步骤通过当发生换流阀内部接地故障时，先断开与换流阀相连的交流断路器，能够使故障接地点与正常接地点之间的回路电压全部加在交流断路器上，保护阀臂子模块不被击穿。
作为本发明的一实施例，如图3所示，为了避免电流传感器测量误差造成误动作，步骤S207确定理论上发生阀内接地故障之后还包括：
判断差动电流的幅值是否满足如下接地故障判据，若差动电流的幅值满足接地故障判据，则确定实际上发生阀内接地故障，断开与换流阀相连的交流断路器。
接地故障判据包括：
其中，为差动电流，|·|为取幅值，Id0z为差动保护动作电流。若差动电流的幅值满足则说明换流阀内部真实的发生了接地故障，否则，说明换流阀内部未发生接地故障。
一些实施方式中，为了更准确地确定是否真实的发生接地故障，接地故障判据还包括：
其中，k为比率制动系数，通常取值为0＜k≤1，Ires为制动电流。详细的说，制动电流通常取直流电流的幅值与阀臂零序电流的幅值之和，计算公式为：若差动电流的幅值同时满足公式(3)及公式(4)，则说明换流阀内部发生了接地故障，否则，说明换流阀内部未发生接地故障。
作为本发明的一实施例，为了避免电磁场干扰引起的误动作，增加换流阀接地故障检测的可靠性，还提供另一换流阀臂接地故障检测方法，如图4所示，包括：
S301，采集换流阀的三相阀臂电流及直流电流IDC。
S303，根据三相阀臂电流计算阀臂零序电流
S305，根据阀臂零序电流及直流电流IDC计算差动电流
S307，监测差动电流的幅值，当监测到差动电流的幅值大于第一预定阈值时确定理论上发生阀内接地故障，接着判断差动电流的幅值是否满足公式(3)(4)所示接地故障判据，若差动电流的幅值满足接地故障判据，则确定实际上发生阀内接地故障，继续判断各相阀臂电流是否大于第二预定阈值，若至少其中一相阀臂电流大于第二预定阈值，则断开与换流阀相连的交流断路器，换流阀内的阀臂子模块不闭锁。
详细的说，第二预定阈值可根据换流阀内阀臂子模块可承受的接地故障能力而定，本发明对其具体取值不做限定。
本步骤于具体实施时，还可断开与换流阀相应相连的交流断路器，例如A相阀臂电流大于第二预定阈值，则断开与换流阀A相相连的交流断路器。
基于同一发明构思，本发明实施例中还提供了一种换流阀臂接地故障检测系统，如下面的实施例所述。由于该系统解决问题的原理与换流阀臂接地故障检测方法相似，因此该系统的实施可以参见换流阀臂接地故障检测方法的实施，重复之处不再赘述。该系统可以以功能模块的方式由软件实现各部件的功能，运行于计算机设备上。
具体的，换流阀臂接地故障检测系统，如图5所示，包括：
采集模块410，用于采集换流阀的三相阀臂电流及直流电流；
第一计算模块420，用于根据三相阀臂电流计算阀臂零序电流；
第二计算模块430，用于根据阀臂零序电流及直流电流计算差动电流；
控制模块440，用于监测差动电流的幅值，当监测到差动电流的幅值大于第一预定阈值时确定理论上发生阀内接地故障，断开与换流阀相连的交流断路器。
作为本发明的一实施例，第一计算模块420根据三相阀臂电流计算阀臂零序电流包括如下公式计算阀臂零序电流：
其中，为三相桥臂电流，为阀臂零序电流。
作为本发明的一实施例，第二计算模块430根据阀臂零序电流及直流电流计算差动电流包括如下公式计算差动电流：
其中，为差动电流，为阀臂零序电流，为直流电流。
作为本发明的一实施例，控制模块440确定理论上发生阀内接地故障之后还用于：
判断差动电流的幅值是否满足如下接地故障判据，若差动电流的幅值满足接地故障判据，则确定实际上发生阀内接地故障，断开与换流阀相连的交流断路器；
接地故障判据为：
且
其中，为差动电流，|·|为取幅值，Id0z为差动保护动作电流，k为比率制动系数，Ires为制动电流，制动电流为直流电流的幅值与阀臂零序电流的幅值之和。
若差动电流的幅值满足上述公式，则确定换流阀臂内部真实发生了接地故障。
作为本发明的一实施例，控制模块440确定实际上发生阀内接地故障之后还用于：
判断各相阀臂电流是否大于第二预定阈值，若至少其中一相阀臂电流大于第二预定阈值，则断开与换流阀相连的交流断路器，否则，不进行保护动作。
本发明提供的换流阀臂接地故障检测系统通过根据阀臂零序电流与直流电流计算得到的差动电流，能够准确地确定换流阀内接地故障，通过断开与换流阀相连的交流断路器，能够保护阀臂子模块不被击穿，提高系统运行的稳定性与可靠性。
作为本发明的一实施例，如图6所示，图6示出了用于换流阀臂接地故障检测的计算机设备的示意图。在本图中描述了一种实体计算机设备，包括存储器510、处理器520及存储于存储器510上的可在处理器520上运行的计算机程序，处理器执行所述计算机程序时实现如下步骤：
采集换流阀的三相阀臂电流及直流电流；
根据三相阀臂电流计算阀臂零序电流；
根据阀臂零序电流及直流电流计算差动电流；
监测差动电流的幅值，当监测到差动电流的幅值大于第一预定阈值时确定理论上发生阀内接地故障，断开与换流阀相连的交流断路器。
具体实施时，处理器执行计算机程序时可实现上述任一实施例所述的换流阀臂接地故障检测方法。
本实施例示出的计算机设备除了包括存储器及处理器之外，还包括基本的输出、输出设备530及网络连接等通信设备540。具体实施时，本发明提供的计算机设备还可包括现有计算机设备包括的其他器件，本发明对此不作具体限定。
作为本发明的一实施例中，还提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有执行计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现如下步骤：
采集换流阀的三相阀臂电流及直流电流；
根据三相阀臂电流计算阀臂零序电流；
根据阀臂零序电流及直流电流计算差动电流；
监测差动电流的幅值，当监测到差动电流的幅值大于第一预定阈值时确定理论上发生阀内接地故障，断开与换流阀相连的交流断路器。
具体实施时，计算机程序被处理器执行时可实现上述任一实施例所述的换流阀臂接地故障检测方法。
本发明提供的换流阀臂接地故障检测方法、系统、计算机设备及计算机可读存储介质，适用于各种拓扑结构的换流阀，如模块化多电平换流器(Modular MultilevelConverter,MMC)、电压源型换流器(Voltage Source Converter，VSC)、电流源型换流器(Current Source Converter,CSC)等。能够准确确定是否发生阀内接地故障(包括阀臂子模块接地故障，由于绝缘距离较短，阀臂子模块与换流阀其它装置出现的击穿回路故障)，阀内接地故障时，断开与换流阀相连的交流断路器来进行保护，能够在不改变换流阀内电流互感器的位置和数量的情况下，保护阀臂子模块不被击穿，提高系统运行的稳定性和可靠性。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述仅用于说明本发明的技术方案，任何本领域普通技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围应视权利要求范围为准。
Claims (14)
1.一种换流阀臂接地故障检测方法，其特征在于，包括：
采集换流阀的三相阀臂电流及直流电流；
根据三相阀臂电流计算阀臂零序电流；
根据阀臂零序电流及直流电流计算差动电流；
监测差动电流的幅值，当监测到差动电流的幅值大于第一预定阈值时确定理论上发生阀内接地故障，断开与换流阀相连的交流断路器。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据三相阀臂电流计算阀臂零序电流，包括如下公式计算阀臂零序电流：
其中，为阀臂零序电流，为三相桥臂电流。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据阀臂零序电流及直流电流计算差动电流，包括如下公式计算差动电流：
其中，为差动电流，为阀臂零序电流，为直流电流。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，确定理论上发生阀内接地故障之后还包括：
判断差动电流的幅值是否满足如下接地故障判据，若差动电流的幅值满足接地故障判据，则确定实际上发生阀内接地故障，断开与换流阀相连的交流断路器；
且
其中，为差动电流，|·|为取幅值，Id0z为差动保护动作电流，k为比率制动系数，Ires为制动电流。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述制动电流为直流电流的幅值与阀臂零序电流的幅值之和。
6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，确定实际上发生阀内接地故障之后还包括：
判断各相阀臂电流是否大于第二预定阈值，若至少其中一相阀臂电流大于第二预定阈值，则断开与换流阀相连的交流断路器。
7.一种换流阀臂接地故障检测系统，其特征在于，包括：
采集模块，用于采集换流阀的三相阀臂电流及直流电流；
第一计算模块，用于根据三相阀臂电流计算阀臂零序电流；
第二计算模块，用于根据阀臂零序电流及直流电流计算差动电流；
控制模块，用于监测差动电流的幅值，当监测到差动电流的幅值大于第一预定阈值时确定理论上发生阀内接地故障，断开与换流阀相连的交流断路器。
8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述第一计算模块根据三相阀臂电流计算阀臂零序电流包括如下公式计算阀臂零序电流：
其中，为三相桥臂电流，为阀臂零序电流。
9.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述第二计算模块根据阀臂零序电流及直流电流计算差动电流包括如下公式计算差动电流：
其中，为差动电流，为阀臂零序电流，为直流电流。
10.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述控制模块确定理论上发生阀内接地故障之后还用于：
判断差动电流的幅值是否满足如下接地故障判据，若差动电流的幅值满足接地故障判据，则确定实际上发生阀内接地故障，断开与换流阀相连的交流断路器；
且
其中，为差动电流，|·|为取幅值，Id0z为差动保护动作电流，k为比率制动系数，Ires为制动电流。
11.如权利要求10所述的系统，其特征在于，所述制动电流为直流电流的幅值与阀臂零序电流的幅值之和。
12.如权利要求10所述的系统，其特征在于，所述控制模块确定实际上发生阀内接地故障之后还用于：
判断各相阀臂电流是否大于第二预定阈值，若至少其中一相阀臂电流大于第二预定阈值，则断开与换流阀相连的交流断路器。
13.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如下步骤：
采集换流阀的三相阀臂电流及直流电流；
根据三相阀臂电流计算阀臂零序电流；
根据阀臂零序电流及直流电流计算差动电流；
监测差动电流的幅值，当监测到差动电流的幅值大于第一预定阈值时确定理论上发生阀内接地故障，断开与换流阀相连的交流断路器。
14.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有执行计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如下步骤：
采集换流阀的三相阀臂电流及直流电流；
根据三相阀臂电流计算阀臂零序电流；
根据阀臂零序电流及直流电流计算差动电流；
监测差动电流的幅值，当监测到差动电流的幅值大于第一预定阈值时确定理论上发生阀内接地故障，断开与换流阀相连的交流断路器。
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