CN110095693B - 一种基于换流站控制的mmc-hvdc单极接地故障综合行波测距方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于换流站控制的MMC‑HVDC单极接地故障综合行波测距方法，当MMC‑HVDC系统输电线路发生单极接地故障时，故障录波设备记录故障行波，根据行波法计算出故障点距离；从故障发生时刻开始计时，同时设置时延，在该时延内整定脉冲参数；当时延到达时，并且实时投入电平数量满足切除要求，则开始发出一个以上的检测脉冲，并得到一个以上的测距结果；完成次脉冲测距后取所有测距结果的平均值作为最终的测距结果。本发明可实现对于单极接地故障点的连续、可靠、精确定位。

Description

一种基于换流站控制的MMC-HVDC单极接地故障综合行波测距 方法

技术领域

本发明涉及模块化多电平换流器的高压直流输电技术领域，特别是一种基于换流站控制的MMC-HVDC单极接地故障综合行波测距方法。

背景技术

基于模块化多电平换流器的高压直流输电技术(MMC-HVDC)属于柔性直流输电技术的一种，其采用半桥子模块级联的拓扑结构，具有对阀组器件触发动态均压要求低，扩展性好、开关频率低、运行损耗低、高效率、高可靠性、可独立调节无功功率和有功功率等诸多优点。

直流输电线路跨度大，通常可达几百甚至是上千公里，且线路沿线的地理环境变化多端，发生线路故障的几率很大大。一旦输电线路在某点处发生故障，故障点很难被找到。为减少电网损失和提高用电安全性，急需发展可靠的输电线路的故障测距技术来精确定位发生故障的故障点，从而及时修复线路，及时恢复系统正常运行。

目前应用最广泛故障定位方法为行波法。行波法故障测距有很多种类型，若按照早期所需故障信息分类，则主要包括单端测距法和双端测距法。现代行波测距法主要有小波变换法、HHT法、数学形态法、独立分量法和固有频率法。

然而行波测距法也有着不可避免的缺点：行波的测量极其依赖对于故障行波波头的捕捉，而当故障发生在距离测量端较远的位置时，行波会在传播的过程中大幅衰减。不同接地阻抗产生的故障行波的特征和形态有着较大的差异，高阻接地中暂态信号衰减的更快，也给波头捕捉造成了困难。故障行波只会产生一次，如果测量的过程中混杂了噪声干扰，也会大大影响行波检测的精确性。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提出一种基于换流站控制的MMC-HVDC单极接地故障综合行波测距方法，作为故障行波故障测距的后备检测手段与原始故障行波测距共同组成一套完整的故障测距系统，可实现对于单极接地故障点的连续、可靠、精确定位。

本发明采用以下方案实现：一种基于换流站控制的MMC-HVDC单极接地故障综合行波测距方法，具体为：

当MMC-HVDC系统输电线路发生单极接地故障时，故障录波设备记录故障行波，根据行波法计算出故障点距离l₀；从故障发生时刻t开始计时，时延t₀，在该时延内整定脉冲参数；

当到达t+t₀时刻，并且实时投入电平数量满足切除要求，则开始发出一个以上的检测脉冲，并得到一个以上的测距结果l₁,l₂,...,l_n；

完成n次脉冲测距后取所有测距结果的平均值作为最终的测距结果。

进一步地，其中需要整定的脉冲参数包括主动脉冲的幅值U_p、脉冲持续时间Δt、脉冲个数以及脉冲发生的位置。

进一步地，所述主动脉冲的幅值U_p整定具体为：主动脉冲的幅值U_p由切除的的子模块的数量决定，切除的子模块越多，U_p则越大；其中，当子模块切除时，U_p与n_c之间的关系为：

n_c＝6NU_P/(U_dc+4U_p)；

式中，n_c表示切除的子模块的数量，N表示各相上下桥臂处于投入状态子模块的数量之和，U_dc表示MMC-HVDC系统的双极间直流电压。

进一步地，所述脉冲持续时间Δt的整定满足以下条件：

脉冲持续时间Δt必须使得在MMC-HVDC系统更改参考电压之前完成桥臂中子模块切除部分的恢复；

脉冲持续时间Δt必须大于故障录波装置的最小采样步长，使得故障录波设备能够采集到脉冲的行波信息；

当故障发生的位置离脉冲发生的位置越远，Δt越大，使得更精确的捕捉波头，提高了测距准确性；但在进行近距离测距时，需要保证Δt不造成发出脉冲和反射脉冲的波形混叠。

进一步地，所述脉冲个数的整定具体为：当设定个数的连续脉冲的测距结果之差小于设定的误差值时，即停止连续脉冲测距。

进一步地，从第l1个脉冲开始计算连续两个脉冲测距之间的测距差值，若连续m(m＜n-1)个测距误差均小于检测的精度要求，则提前结束脉冲的发射。

进一步地，所述脉冲发生的位置的整定具体为：将原始行波的测距结果作为参考，当故障点靠近整流侧时，则切除整流侧的子模块生成脉冲；当故障点靠近逆变侧时，则切除逆变侧的子模块生成脉冲。

与现有技术相比，本发明有以下有益效果：本发明根据NLM调制的MMC-HVDC系统的拓扑结构和元件特性，提出了一种基于子模块切除的连续测距脉冲的发生方法，作为故障行波故障测距的后备检测手段与原始故障行波测距共同组成一套完整的故障测距系统，可实现对于单极接地故障点的连续、可靠、精确定位。本发明的方法不需要添加任何额外设备，在单端故障信息采集，将成本降到最低，在实现精确测距的同时，最大程度上保证了经济性。

附图说明

图1为本发明实施例的方法流程示意图。

图2为本发明实施例的MMC-HVDC系统拓扑结构图。

图3为本发明实施例的子模块结构拓扑。

图4为本发明实施例的子模块的工作状态。

图5为本发明实施例的切除子模块产生的脉冲。

图6为本发明实施例的正常控制信号生成原理图。

图7为本发明实施例的脉冲切除控制信号生成部分原理图。

图8为本发明实施例的脉冲启动条件原理图。

图9为本发明实施例的脉冲周期性控制原理图。

图10为本发明实施例的架空线结构参数示意图。

图11为本发明实施例的近距离金属接地时的故障特征。

图12为本发明实施例的近距离金属接地时测距脉冲。

图13为本发明实施例的远距离高阻接地时故障特征。

图14为本发明实施例的远距离高阻接地时测距脉冲。

图15为本发明实施例的不同接地阻抗行波特征。

图16为本发明实施例的不同接地阻抗脉冲特征。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

如图1所示，本实施例提供了一种基于换流站控制的MMC-HVDC单极接地故障综合行波测距方法，具体为：

当MMC-HVDC系统输电线路发生单极接地故障时，故障录波设备记录故障行波，根据行波法计算出故障点距离l₀；从故障发生时刻t开始计时，时延t₀，在该时延内整定脉冲参数；(设置短时时延t₀的意义在于等待故障行波的平复，并在改时间段内整定测距脉冲的各项参数，包括U_p、Δt和发出端。)

当到达t+t₀时刻，并且实时投入电平数量满足切除要求，则开始发出一个以上的检测脉冲，并得到一个以上的测距结果l₁,l₂,...,l_n；(脉冲的传播速度可以利用行波在该线路中的传播速度或者在非故障时发出一次故障测距脉冲，用于计算脉冲的传播速度。)

完成n次脉冲测距后取所有测距结果的平均值作为最终的测距结果，其中n的值可以提前设定。

较佳的，在本实施例中，MMC-HVDC系统的常规拓扑如图2所示。换流器共有三相，每相由上桥臂和下桥臂共同构成，一共包括六个桥臂。每个相单元由2N个子模块级联构成，上下桥臂各有N个子模块。此外，每个桥臂上串联了一个桥臂电抗器，作用主要是用于抑制相间环流和平滑交流电压。对于两端直流输电系统，主接线方式主要分成单极接线方式和双极接线。双极接线是指采用合适的接地方式，使直流线路呈现出对地的正负极性，这样可以有效降低输电线路对地绝缘水平。双极接线的接地方式一般可以分为两类：交流侧接地或直流侧接地。而目前已投运的大多数MMC-HVDC系统一般采用如图2中所示的直流接地方式，即直流侧箝位大电阻或箝位电容的接地方式。当直流侧发生单极接地故障时，理论上只改变了直流系统电压参考点的位置，接地极电压降至零点位，非故障极电压的升至原来两倍，极间电压在经历波动后将保持不变，系统可以正常输送功率，不会触发换流站闭锁保护，换流站的控制系统也可以保持正常运行。

较佳的，子模块是MMC-HVDC的基本组成单元，在不考虑冗余子模块的情况下，每相共有2N个级联子模块，上下桥臂各N个。半桥结构的子模块如图3所示。T1和T2代表IGBT，D1和D2代表反并联二极管，C代表子模块的直流侧电容器。同一桥臂上的子模块串联接入主电路拓扑，而MMC通过子模块的直流侧电容电压来支撑直流母线的电压。处于工作状态的子模块有投入和旁路两种工作状态，控制IGBT1和IGBT2的开通和关断就可切换子模块的工作状态。投入状态如图4中的(a)、(b)所示，此T1导通T2关断，电流流过子模块电容，子模块输出电压为电容电压u_c。旁路状态如图4中的(c)、(d)所示，此T1关断T2导通，电流不流过子模块电容，子模块输出电压为0。可以说，子模块的投入和切除，是由各个子模块上VT1和VT2的控制信号所决定的。

较佳的，在本实施例中，采用NLM调制策略，所谓调制方式，是指如何控制开关器件的通断来使交流侧输出的电压波形逼近调制波u_ref。调制波是根据设定的有功功率、无功功率或直流电压等指令计算出需要电压源换流器输出的交流电压波，它是一个工频正弦波。阶梯波调制方式是一种专门用于高电平换流器的调制策略，通过多了直流电平的投入和切除跟踪调制波，NLM(最近电平调制)是目前最常用的跟踪调制波的方式，该方法动态性好，便与实现，适用于电平数极多的的MMC-HVDC系统。在t时刻，上下桥臂投入的子模块投入的实时数量n_up和n_down可以表示为：

式中，N表示上下桥臂处于投入状态的子模块数量之和。

特别的，本实施例对脉冲产生的原理进行如下说明：在直流侧接地的MMC-HVDC系统中，如果发生永久性接地故障，保护动作并不会闭锁换流站，换流站的的控制系统依旧可以运行。如果将某一桥臂一定数量的上处于投入状态的子模块的控制信号短时改变为切除状态信号，并迅速恢复投入状态的信号，即可在短时间内完成子模块状态由投入到切除再到投入状态的转换。这样可以在这段控制信号改变的期间内内完成对于一定数目的投入子模块的切除。在切除状态的持续时间内，电压下降，产生一个下降的脉冲，如图5所示，脉冲行波将沿线路传播。如果切除故障接地极某一桥臂上的子模块，产生的脉冲行波即会由切除端换流站发出，在遇到故障点时反射，检测脉冲发生的时间和反射脉冲返回的时间，即可完成一次行波测距。

在本实施例中，其中需要整定的脉冲参数包括主动脉冲的幅值U_p、脉冲持续时间Δt、脉冲个数以及脉冲发生的位置。接下来，本实施例均以正极发生短路接地故障，切除A相上桥臂中子模块为例说明。脉冲参数的整定主要参考系统参数和原始行波的测距结果

在本实施例中，所述主动脉冲的幅值U_p整定具体为：主动脉冲的幅值U_p由切除的的子模块的数量决定，切除的子模块越多，U_p则越大；U_p的幅值应该大于直流线路中正常的电压波动和各次谐波，使得行波波头在现有的采样频率下可以准确地采集。其次，由于行波的幅值会随在传播的过程中不断削减，所以当故障点距离监测点较远时，应该适当提高U_p。但是，过大的U_p也会对也会对元件和控制系统造成较大的冲击，同时影响输送功率的电能质量。参考原始故障行波的行波测距结果，较采集点较近的故障点切除较少数量的子模块即可；而相对较远的故障点，则需要切除较多的子模块。在可以达到相同测量精度的情况下，脉冲切除的数量以少为宜。

其中，当子模块切除时，U_p与n_c之间的关系为：

n_c＝6NU_P/(U_dc+4U_p)；

式中，n_c表示切除的子模块的数量，N表示各相上下桥臂处于投入状态子模块的数量之和，U_dc表示MMC-HVDC系统拓扑的双极间直流电压。

特别的，根据经验，线路长度较短时，建议主动式脉冲的幅值为直流线路电压的10％-15％线路长度较长时，建议主动式脉冲的幅值为直流线路电压的15％-20％。

在本实施例中，所述脉冲持续时间Δt的整定满足以下条件：

考虑到MMC-HVDC系统的控制部分可能会响应电压的降落，所以t不宜过大，脉冲持续时间Δt必须使得在MMC-HVDC系统更改参考电压之前完成桥臂中子模块切除部分的恢复，避免引起控制系统的波动；

脉冲持续时间Δt必须大于故障录波装置的最小采样步长，使得故障录波设备能够采集到脉冲的行波信息；

当故障发生的位置离脉冲发生的位置越远，Δt越大，使得更精确的捕捉波头，提高了测距准确性；但在进行近距离测距时，需要保证Δt不造成发出脉冲和反射脉冲的波形混叠，进而影响脉冲检测。Δt的选择，应该参考系统原有的故障录波装置来综合考虑。

在本实施例中，所述脉冲个数的整定具体为：脉冲的个数可以作为停止发生脉冲的指标，当设定个数的连续脉冲的测距结果之差小于设定的误差值时，即停止连续脉冲测距。脉冲的数量越少，则对系统的冲击和干扰越小。若脉冲之间的测量误差较大，则进行一定数量的脉冲测距，求取平均值作为最终的测距结果。

在本实施例中，从第l1个脉冲开始计算连续两个脉冲测距之间的测距差值，若连续m(m＜n-1)个测距误差均小于检测的精度要求，则提前结束脉冲的发射。

在本实施例中，所述脉冲发生的位置的整定具体为：将原始行波的测距结果作为参考，当故障点靠近整流侧时，则切除整流侧的子模块生成脉冲；当故障点靠近逆变侧时，则切除逆变侧的子模块生成脉冲。这样可以最大程度上减少脉冲行波在线路上的传播距离，减少行波的损耗，提高测距准确性。

在本实施例中，脉冲产生的实际过程包括以下几个方面。

(1)脉冲生成部分：如图6所示，调制波u_ref经过NLM调制后可得到A相上桥臂上应该处于“投入状态”的子模块实时数量n。同时，检测桥臂上每一个子模块的电容电压，根据电容电压平衡策略，决定要处于投入状态的子模块序列。当检测到需要进行电平改变时，将该序列进行一次信息更新。并最终生成对于各个子模块IGBT1和IGBT2的N维控制信号S_a和S_b。

而在切除子模块时，如图7所示，首先确定要切除的子模块数目n,处于脉冲持续阶段的子模块数量为n-Δn。之后流程与正常情况下相同，最终生成控制信号S_a0和S_b0，但S_a0和S_b0并不是最终书输入IGBT的控制信号。

(2)脉冲启动部分：如图8所示，首先在此处作出说明，本部分中使用的比较器均为单输入比较器，使用的物理量均为数值量。当输入值大于比较器设定的阈值时，将会输出数值“1”，否则将输出数值“0”。记故障发生的时刻为t，则在故障发生后时延t₀后，上方比较器输出数值“1”。下比较器实时监测投入桥臂中处于投入状态的桥臂数量n。只有当故障发生且时延后桥臂上的电平数量满足切除数量要求时，才能形成数值为1的脉冲启动信号T_k。T_k0由T_k时延t₀形成。

(3)脉冲控制部分：如图9所示，在此部分中，将使用到选择器。两个选择器结构相同，根据输入的控制量来选择输出A端口或B端口的信息。当输入的控制量超过设定的阈值时，输出A路线的信息，否则输出B路线的信息。图中的两个选择器的阈值均取0.5。所有状态如下表所示，可以看出在一个调制波周期内，脉冲发出的时间为Δt，即在每个调制波的周期内有Δt时间给IGBT接入切除信号，其余时间接入正常信号。S_ac和S_bc将作为子模块切除状态下输入各个子模块的控制信号。所以从第二脉冲开始，脉冲将是一个频率为50Hz的周期脉冲。

时刻	上选择器	下选择器	信号
				初始时刻	B	B	正常
Tk信号发出	B	A	切除
				时延t	A	A	正常
子模块数量小于阈值	A	B	正常
				时延t	B	B	正常

较佳的，以下是本实施例的仿真结果。

(1)仿真参数：在Pscad中搭建NLM调制的200电平MMC-HVDC系统，检测故障检测脉冲发生情况并演示计算流程。系统参数如下表所示。架空线杆塔结构如图10所示。结构仿真在1s时发生正极接地故障，时延0.2s是发出连续的测距脉冲。验证在不同接地阻抗时连续的测距脉冲是否可以可靠发出，波形效果如何。

参数	数值
		额定直流电压	±250kV
额定功率	400MW
		线路长度	200km
单桥臂子模块数量	200
		单个子模块电容	3000μF
桥臂电抗	0.05H
		子模块切除数量	50
子模块切除时间	0.0001s
		录波采样频率	100kHz

(2)仿真实验：

试验一：在距离整流端50km处发生正极金属接地，在整流侧进行故障录波，故障行波和连续脉冲如图11、12所示。

试验二：在距离整流端180km处发生接地电阻为1000Ω的高阻接地，在逆变侧进行故障录波，故障行波和连续脉冲如图13、14所示。

试验三：在距离整流端50km处发生接地电阻为1000Ω的高阻接地，在整流侧进行故障录波，将录播结果与试验一结果对比如图15、16所示。

由上述试验可知，在发生不同距离、不同接地阻抗的单极接地故障时，连续的后备测距脉冲都可以可靠的启动发出，且通过设置合理的脉冲参数，可以满足行波测距的要求。在发生不同接地电阻的单极接地故障时，原始故障行波波形有着差异极大的故障特征，其幅值、恢复时间和谐波含量等特征都有着很大的不同。尤其在高阻接地情况下，暂态信号比较微弱，难以精确定位。而基于子模块切除生成的连续脉冲，其波形差异较小，脉冲特征基本全部可以人为设定，且脉冲的特征基本不受接地阻抗的影响，可以精确地捕捉到波头的位置，保证测距的准确性。

综上，本实施例针对于MMC-HVDC特有的故障特性并充分考虑了各种影响故障行波精确性的因素，提出了一种基于切除MMC-HVDC子模块的连续脉冲行波发生方法，以实现对于故障点的后备连续行波测距，提高测距的可靠性与准确性。本实施例的优点有：

(1)脉冲行波的产生基于切除桥臂上处于接入状态的子模块，脉冲的产生基于控制系统实现，可使用系统原有的采样频率进行行波测距。不需要增加额外的脉冲发生设备和录波设备，即可实现连续脉冲测距信号的发生，多次进行测距，提高了故障定位的精确性。

(2)可根据原始行波信号的测距结果决定切除整流侧或逆变侧的子模块，在单端测量的情况下实现了行波在线路上的最短距离传播，从而减少了行波信息的损耗，提高了测量精确度。而且行波只需单端测量即可，从而避免的双端测距的同步时钟问题，提高了测量精度，降低了成本。

(3)行波的参数可以根据原始信号的测距结果进行整定，选择最优的脉冲参数，在实现精确故障点定位的同时，降低了对于系统的冲击和干扰。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请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，本申请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。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、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，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于换流站控制的MMC-HVDC单极接地故障综合行波测距方法，其特征在于，

当MMC-HVDC系统输电线路发生单极接地故障时，故障录波设备记录故障行波，根据行波法计算出故障点距离l₀；从故障发生时刻t开始计时，时延t₀，在该时延内整定脉冲参数；

当到达t+t₀时刻，并且实时投入电平数量满足切除要求，则开始发出一个以上的检测脉冲，并得到一个以上的测距结果l₁,l₂,...,l_n；

完成n次脉冲测距后取所有测距结果的平均值作为最终的测距结果；

其中，需要整定的脉冲参数包括主动脉冲的幅值U_p、脉冲持续时间Δt、脉冲个数以及脉冲发生的位置；

其中，所述脉冲个数的整定具体为：当设定个数的连续脉冲的测距结果之差小于设定的误差值时，即停止连续脉冲测距；

其中，所述脉冲发生的位置的整定具体为：将原始行波的测距结果作为参考，当故障点靠近整流侧时，则切除整流侧的子模块生成脉冲；当故障点靠近逆变侧时，则切除逆变侧的子模块生成脉冲。

2.根据权利要求1所述的一种基于换流站控制的MMC-HVDC单极接地故障综合行波测距方法，其特征在于，所述主动脉冲的幅值U_p整定具体为：主动脉冲的幅值U_p由切除的的子模块的数量决定，切除的子模块越多，U_p则越大；其中，当子模块切除时，U_p与n_c之间的关系为：

n_c＝6NU_P/(U_dc+4U_p)；

式中，n_c表示切除的子模块的数量，N表示各相上下桥臂处于投入状态子模块的数量之和，U_dc表示MMC-HVDC系统拓扑的双极间直流电压。

3.根据权利要求1所述的一种基于换流站控制的MMC-HVDC单极接地故障综合行波测距方法，其特征在于，所述脉冲持续时间Δt的整定满足以下条件：

脉冲持续时间Δt必须使得在MMC-HVDC系统更改参考电压之前完成桥臂中子模块切除部分的恢复；

脉冲持续时间Δt必须大于故障录波装置的最小采样步长，使得故障录波设备能够采集到脉冲的行波信息；

当故障发生的位置离脉冲发生的位置越远，Δt越大，使得更精确的捕捉波头，提高了测距准确性；但在进行近距离测距时，需要保证Δt不造成发出脉冲和反射脉冲的波形混叠。

4.根据权利要求1所述的一种基于换流站控制的MMC-HVDC单极接地故障综合行波测距方法，其特征在于，从第l1个脉冲开始计算连续两个脉冲测距之间的测距差值，若连续m(m＜n-1)个测距误差均小于检测的精度要求，则提前结束脉冲的发射。

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