CN110739668A - 一种柔性直流电网短路故障性质判别方法及重合闸方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性直流电网短路故障性质判别方法及重合闸方法，判别方法包括：在柔性直流电网中一直流输电线路发生短路故障且该线路的两个直流断路器均开断时，控制该线路输入侧主动型换流器产生交流信号并通过输入端直流断路器的换流支路注入该线路；在该线路上检测故障特征量，并基于不同故障性质对应不同故障特征量响应，对比检测的故障特征量与预设值，判断短路故障性质。本发明在直流短路故障发生且直流断路器开断后控制主动型换流器产生用于直流短路故障性质辨识的交流信号，经直流断路器换流支路注入故障线路，根据不同故障而产生不同响应来判断故障性质，避免直流断路器重合闸于永久性故障，并加快电网在瞬时性故障清除后的恢复速度。

Description

一种柔性直流电网短路故障性质判别方法及重合闸方法

技术领域

本发明属于柔性直流输电领域，更具体地，涉及一种柔性直流电网短路故障性质判别方法及重合闸方法。

背景技术

基于模块化多电平换流器(Modular multilevel converter，MMC)的柔性直流输电系统以其易拓展、线损小、可快速灵活控制等优势，在区域电网互联、新能源并网外送等方面得到广泛应用。直流电网可灵活地在各个换流站之间分配功率，当某个换流站因故障退出时仍可保持剩余系统的运行；考虑到远距离、大容量输电所存在的成本问题，柔直输电系统常采用架空线路进行大规模功率传输，因此，架空柔直电网是未来直流输电技术发展的必然趋势。由于架空输电线路暴露在空气中，工作条件恶劣，发生瞬时性故障概率较高，因此需配置有效的重启方法，让系统在瞬时性故障消失后重新快速恢复正常运行。

目前工程上通常采用以下重启方法：故障隔离后，先等待线路去游离完成，然后重新解锁换流器或重合闸直流断路器(DC Circuit Breaker,DCCB)，通过判断线路直流电压是否建立，来实现对故障性质的判断。如果直流电压恢复，则证明故障已清除，可以恢复系统的正常运行；如果直流电压无法恢复，则判断为永久性故障。然而，这种重启方法存在一定的盲目性和重启时间选取不当的问题。因为，当重启于永久性故障时会对系统造成二次危害，不利于系统的安全、可靠运行，并且二次开断的技术需求对直流断路器的开断容量以及耗散能量提出了更高要求。

发明内容

本发明提供一种柔性直流电网短路故障性质判别方法及重合闸方法，用以解决现有柔性直流电网的重启方法中因在线路去游离完成后首先通过重合闸来判断线路故障性质而易存在对电网带来二次危害的技术问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种柔性直流电网短路故障性质判别方法，包括：

在柔性直流电网中的一条直流输电线路发生短路故障且该输电线路上的两个直流断路器均开断时，控制该输电线路输入侧的主动型换流器产生交流检测信号并通过输入端的所述直流断路器的换流支路注入该输电线路；

在该输电线路上检测故障特征量，并基于不同故障性质对应不同故障特征量响应，将检测的所述故障特征量与预设值对比，判断得到短路故障性质，完成柔性直流电网短路故障性质的判别。

本发明的有益效果是：本发明是基于主动型MMC信号注入的柔性直流电网短路故障性质判别方法，通过在直流短路故障发生且直流断路器开断后控制主动型换流器产生用于直流短路故障性质辨识的交流信号，经直流断路器换流支路注入至故障线路，根据不同故障性质而产生不同响应，具体的，根据在柔性直流电网在永久性直流短路故障和瞬时性直流短路故障情形下不同的等效电路，通过检测并判断故障特征量的大小，来判断故障性质，避免了故障后首先对直流断路器重合闸而若重合闸与永久性故障的情况，降低了柔性直流电网对于直流断路器开断容量的要求，简化了短路器拓扑的设计，提高柔性直流电网的安全性。

上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述控制该输电线路输入侧的主动型换流器产生交流检测信号，具体为：

控制主动型换流器中的直流电流控制器产生直流调制比信号并在该直流调制比信号上叠加一组交流信号，形成交流检测信号。

本发明的进一步有益效果是：通过在主动型MMC的直流电流控制器中加入直流短路故障性质辨识控制模式，使换流器可以在直流故障发生且直流断路器开断后，切换控制模式而产生预设的交流检测信号，经直流断路器换流支路注入至故障线路，根据不同故障性质而产生不同响应，进而判别故障性质。其中，产生预设的交流检测信号的优选方式为在原有产生的直流信号基础上叠加一交流信号，简单方便，便于预设值设置以及故障性质判断，精确可靠。

进一步，所述交流信号的幅值为0.04-0.06pu。

本发明的进一步有益效果是：注入信号的幅值不宜过大，以尽量减小对系统的影响。

进一步，所述交流信号的频率为工频45-55Hz。

本发明的进一步有益效果是：注入信号的频率应以可通过直流断路器的换流支路为前提进行设定，其中，预设交流检测信号的频率采用工频45-55Hz，以使得交流检测信号可以流经直流断路器的换流支路，并尽量减小电感电容等元件的充放电影响。

进一步，各所述直流断路器独立的为：耦合型机械直流断路器、负压耦合型机械直流断路器或级联全桥子模块型混合型直流断路器。

进一步，所述主动型换流器为：子模块混合型模块化多电平换流器或全桥型模块化多电平换流器。

进一步，所述故障特征量为直流输电线路电压、直流输电线路电流或输入侧所述直流断路器的输出端电压。

进一步，当所述故障特征量为输入侧所述直流断路器的输出端电压时，则所述基于不同故障性质对应不同故障特征量响应，将检测的所述故障特征量与预设值对比，判断得到短路故障性质，具体为：

基于不同故障性质对应不同等效电路，若检测的所述输出端电压小于其预设值，判断短路故障性质为永久性故障，否则，判断短路故障性质为瞬时性故障；其中，所述预设值的取值为根据所述交流检测信号的幅值以及所述换流支路接入该输电线路后的电路参数确定。

本发明的进一步有益效果是：为降低检测信号的提取难度，同时增加故障性质判别的灵敏度和精确度，采用直流断路器端口电压响应为判据，设置电压预设值为U_{line_set}，当直流断路器端口电压响应小于电压预设值U_{line_set}时，则可判断故障为永久性故障；当直流断路器端口电压响应大于电压预设值U_{line_set}时，则可判断故障为瞬时性故障，可靠性高。

本发明还提供一种柔性直流电网重合闸方法，包括：

基于如上所述的任一种柔性直流电网短路故障性质判别方法得到的短路故障性质，若短路故障性质为永久性故障，则控制所有所述直流断路器进入闭锁状态；若短路故障性质为瞬时性故障，则控制所有所述直流断路器重合闸。

本发明的有益效果是：针对目前架空柔性直流电网发生永久性故障时，断路器重合闸可能面临的二次分闸问题，本发明引入一种基于主动型MMC信号注入的柔性直流电网重合闸方法。在直流故障发生且直流断路器开断后，切换直流断路器的直流电流控制模式以产生交流主动信号，经直流断路器支路注入至故障线路；根据注入信号在永久性直流短路故障和瞬时性直流短路故障情形下不同的响应特性，得到短路故障性质，并采取对应的措施进行线路检修或重合闸操作，从而避免断路器重合闸于永久性故障，加快直流电网在瞬时性故障清除后的恢复速度，提高柔性直流输电系统运行安全性。

本发明还提供一种存储介质，所述存储介质中存储有指令，当计算机读取所述指令时，使所述计算机执行如上述任一种柔性直流电网短路故障性质判别方法和/或一种柔性直流电网重合闸方法。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种柔性直流电网短路故障性质判别方法的流程框图；

图2为本发明实施例提供的一种四端柔性直流电网故障线路开断后的等效示意图；

图3为本发明实施例提供的直流断路器的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的直流断路器开断后直流换流器向其注入信号的流通路径示意图；

图5为本发明实施例提供的一种永久性故障期间直流换流器、直流断路器以及架空线构成的等效电路示意图；

图6为本发明实施例提供的一种瞬时性故障期间换流器、直流断路器以及架空线构成的等效电路示意图；

图7为本发明实施例提供的一种含直流调制比预设控制模式的定直流功率换流器的控制逻辑示意图；

图8为本发明实施例提供的一种含直流调制比预设控制模式的定直流电压换流器的控制逻辑示意图；

图9为本发明实施例提供的一种混合型换流器拓扑结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例一

一种柔性直流电网短路故障性质判别方法100，如图1所示，包括：

在柔性直流电网中的一条直流输电线路发生短路故障且该输电线路上的两个直流断路器均开断时，控制该输电线路输入侧的主动型换流器产生交流检测信号并通过输入端的直流断路器的换流支路注入该输电线路；

在该输电线路上检测故障特征量，并基于不同故障性质对应不同故障特征量响应，将检测的故障特征量与预设值对比，判断得到短路故障性质，完成柔性直流电网短路故障性质的判别。

需要说明的是，该方法可应用于基于主动型MMC与机械式DCCB的直流电网，具体的是可应用于基于模块化多电平换流器(Modular multilevel converter，MMC)的柔性直流输电系统，例如如图2所示的电网，柔性直流电网包括各换流器之间的直流输电线路，每条直流输电线路的两端各有一个直流断路器(简称DCCB)，主动型MMC用于将交流电转换为直流电或将直流电转换为交流电。其中，如图3所示，每个直流断路器包括机械开关、吸能支路及换流支路，其制造成本和运行损耗相对较低，机械开关在正常运行时闭合，当直流输电线路发生短路故障后，直流断路器的机械开关打开，短路电流流经换流支路，最终被吸能支路吸收。

其次，注入交流检测信号时，交流检测信号的注入时间为直流断路器成功开断且线路去游离完成后，以确保断路器完全断开，避免仍有电流通过断路器的机械开关而导致基于本方法判断不准确的问题。

保护系统检测到直流线路短路故障后，故障线路两端的直流断路器接收开断命令。由于机械式直流断路器内部换流支路中电感、电容的存在，如图4所示，使得直流断路器开断后故障线路与换流器之间仍存在电气连接(也就是换流支路，灰色线表示对应的支路不通)。换流支路中的LC串联支路，无法完全隔离特定频率的交流电流，可利用这一特性，控制直流换流器直流侧产生特定频率的交流信号，通过直流断路器的换流支路注入到故障线路上的故障点。而基于此，由于永久性故障与瞬时性故障的信号流通路径不一样，其等效电路完全不同，因此产生的响应也有一定差异。对线路暂态量进行时域或频域分析，可得到永久性故障和瞬时性故障的暂态响应差异，从而确定故障特征量可以有哪些类型，并得到对应的永久性故障辨识判据(也即确定各类型的故障特征量的预设值)。具体的，如图5所示的永久性故障对应的等效电路，注入信号的直流换流器等效为电压源，直流断路器的换流支路构成了电感-电容通路，直流断路器通路右侧的电感为限流电抗器，例如通过选取合适的M_dc注入信号，可以产生容易检测的直流线路电压响应量；如图6所示的瞬时性故障对应的等效电路，瞬时性故障清除后，故障输电线路两端的直流换流器与直流输电架空线通过两端的直流断路器换流支路相连，构成完整回路，直流电网网架结构保持不变。

因此，关于所述产生交流检测信号并通过输入端直流断路器的换流支路注入该输电线路，需要说明的是，由于故障后，换流支路中的LC串联支路，此时若换流器发出特定频率的交流信号，可通过DCCB的换流支路注入故障线路而形成回路，以进行特征电气量的检测和性质判别。

本方法是基于主动型MMC信号注入的柔性直流电网短路故障性质判别方法，通过在直流短路故障发生且直流断路器开断后控制主动型换流器切换信号产生模式，由产生直流信号切换为产生用于直流短路故障性质辨识的交流信号，经直流断路器换流支路注入至故障线路，根据不同故障性质而产生不同响应，具体的，根据在柔性直流电网在永久性直流短路故障和瞬时性直流短路故障情形下不同的等效电路，通过检测并判断故障特征量的大小，来判断故障性质，避免了故障后首先对直流断路器重合闸而若重合闸与永久性故障的情况，降低了柔性直流电网对于直流断路器开断容量的要求，简化了短路器拓扑的设计，提高柔性直流电网的安全性。

优选的，上述控制该输电线路输入侧的主动型换流器产生交流检测信号，具体为：控制主动型换流器中的直流电流控制器产生直流调制比信号并在该直流调制比信号上叠加一组交流信号，形成交流检测信号。

交流检测信号是由主动型换流器的直流电流控制器产生，通过控制在直流控制器中原始直流调制比信号的输入端附加一组交流信号而生产成。其中，向直流调制比信号的输入端附加一组交流信号的原因是：使得注入线路的信号由原始直流调制比信号转换为交流信号以通过直流断路器的换流支路进入故障输电线路，进而进行故障特征量检测和故障性质判别。

需要说明的是，附加的交流信号可为脉冲量、正弦量等，通过向故障输电线路注入主动信号，经由直流断路器连接在电网中的支路导通，根据永久性故障或瞬时性故障产生不同的响应。

如图7所示，含直流调制比预设控制模式的定直流功率换流器的控制逻如下：在直流调制比信号M_dc的输入端增加一组交流信号，在直流线路去游离后，启动故障性质辨识控制模式，将直流调制比信号M_dc的输入端的附加交流信号M_{dc_into}叠加进来，从而生成交流检测信号注入至直流故障线路，进行故障性质预判。此时，M_dc由两部分组成，一部分为无附加信号注入时系统自身调制比分量M_dc0，直流功率参考值P_dcref与直流功率测量值P_dcpu的差值经定直流功率控制的PI控制器后，转化为直流电流参考值I_dcref，其输出范围为±I_dcmax，故障后，使能信号F_fault控制I_dcref取值为I_{dcref_set}，从而避免故障期间过流，I_dcref与直流电流测量值I_dcpu的差值经PI控制器处理后输出M_dc0；另一部分为故障性质判别时主动注入的附加调制比分量M_{dc_into}。其中，直流调制比预设控制模式用于控制换流器输出不同的信号。

如图8所示，含直流调制比预设控制模式的定直流电压换流器的控制逻辑如下：在直流调制比信号M_dc的输入端增加一组交流信号，在直流线路去游离后，启动故障性质辨识控制模式，将直流调制比信号M_dc的输入端的附加交流信号叠加进来，从而生成交流检测信号注入至直流故障线路，进行故障性质预判。此时，M_dc由两部分组成，一部分为无附加信号注入时系统自身调制比分量M_dc0，直流电压参考值V_dcref与直流电压测量值V_dcpu的差值经定直流电压控制的PI控制器后，转化为直流电流参考值I_dcref，其输出范围为±I_dcmax，故障后，使能信号F_fault控制I_dcref取值为I_{dcref_set}，从而避免故障期间过流，I_dcref与直流电流测量值I_dcpu的差值经PI控制器处理后输出M_dc0；另一部分为故障性质判别时主动注入的附加调制比分量M_{dc_into}。在本示例中，该交流信号采用正弦信号，幅值选取为0～0.05pu，频率选取为50Hz。

通过在主动型MMC的直流电流控制器中加入直流短路故障性质辨识控制模式，使换流器可以在直流故障发生且直流断路器开断后，切换控制模式而产生预设的交流检测信号，经直流断路器换流支路注入至故障线路，根据不同故障性质而产生不同响应，进而判别故障性质。其中，产生预设的交流检测信号的优选方式为在原有产生的直流信号基础上叠加一交流信号，简单方便，采用叠加信号的方法向故障输电线路注入特征信号，便于预设值设置以及故障性质判断，精确可靠。

注入信号的幅值不宜过大，尽量减小对系统的影响。因此，优选的，上述交流信号的幅值为0.05pu。

优选的，上述交流信号的频率为工频50Hz。

注入频率应以可通过直流断路器的换流支路为前提进行设定，其中，预设交流检测信号的频率采用工频50Hz，以使得交流检测信号可以流经直流断路器的换流支路，并尽量减小电感电容等元件的充放电影响。

优选的，各直流断路器独立的为：耦合型机械直流断路器、负压耦合型机械直流断路器或级联全桥子模块型混合型直流断路器。

优选的，上述主动型换流器为：子模块混合型模块化多电平换流器或全桥型模块化多电平换流器。

全桥型模块化多电平换流器可通过闭锁绝缘栅双极型晶体管(Insulated GateBipolar Transistor，IGBT)的方式来阻断故障电流，也可通过设计控制器主动控制直流故障电流。子模块混合型模块化多电平换流器由全桥型子模块和半桥型子模块级联而成，可对直流电流进行控制，在故障期间主动限制故障电流，辅以低容量直流断路器隔离故障线路，成为兼具经济性与技术优势的选择，例如，如图9所示的子模块混合型模块化多电平换流器，每个桥臂均由50％全桥型子模块FBSM和50％半桥型子模块HBSM串联一个桥臂电抗器L而成，T1-T4分别表示每个全桥型子模块的四个IGBT，其中，v_a、v_b、v_c分别表示换流器交流侧相电压，V_dc表示换流器直流侧输出电压，v_pa、v_na分别表示上下桥臂电压。对于全桥型子模块，其工作模式如表1所示，其能输出负电压，可使换流器在负压运行，其中，U_sm表示子模块输出的电压，U_C表示子模块电容电压。本发明所涉及的控制系统适用于各个已知的、能稳定输出负电压的MMC拓扑。

表1全桥型子模块开关状态

优选的，上述故障特征量为直流输电线路电压、直流输电线路电流或输入侧所述直流断路器的输出端电压。

优选的，当故障特征量为输入侧直流断路器的输出端电压时，则检测输电线路输入端口安装的直流断路器输出端的直流电压响应值，且基于不同故障性质对应不同直流电压响应值，将检测的直流电压响应值与预设值对比，判断得到短路故障性质，具体为：

基于不同故障性质对应不同等效电路，若检测的上述输出端电压小于其预设值，判断短路故障性质为永久性故障，否则，判断短路故障性质为瞬时性故障；其中，预设值的取值为根据上述交流检测信号的幅值以及换流支路接入该输电线路后的电路参数确定，具体的，可根据故障过渡电阻与电路总阻抗的比值初步计算理想预设值，结合仿真验证调整得到最终预设值。

因此，为降低检测信号的提取难度，同时增加故障性质判别的灵敏度和精确度，采用直流断路器端口电压响应为判据，设置电压预设值为U_{line_set}，当直流断路器端口电压响应小于电压预设值U_{line_set}时，则可判断故障为永久性故障；当直流断路器端口电压响应大于电压预设值U_{line_set}时，则可判断故障为瞬时性故障。

实施例二

一种柔性直流电网重合闸方法，包括：

基于如上实施例一所述的一种柔性直流电网短路故障性质判别方法得到的短路故障性质，若短路故障性质为永久性故障，则控制所有所述直流断路器进入闭锁状态；若短路故障性质为瞬时性故障，则控制所有所述直流断路器重合闸。

针对目前架空柔性直流电网发生永久性故障时，断路器重合闸可能面临的二次分闸问题，本发明引入一种基于主动型MMC信号注入的柔性直流电网重合闸方法。在直流故障发生且直流断路器开断后，切换直流断路器的直流电流控制模式以产生交流主动信号，经直流断路器支路注入至故障线路；根据注入信号在永久性直流短路故障和瞬时性直流短路故障情形下不同的响应特性，得到短路故障性质，并采取对应的措施进行线路检修或重合闸操作，从而避免断路器重合闸于永久性故障，加快直流电网在瞬时性故障清除后的恢复速度，提高柔性直流输电系统运行安全性。

相关技术方案同实施例一，在此不再赘述。

实施例三

一种存储介质，所述存储介质中存储有指令，当计算机读取所述指令时，输出使能信号，使所述计算机执行上述如上实施例一所述的一种柔性直流电网短路故障性质判别方法和如上实施例二所述的一种柔性直流电网重合闸方法。

相关技术方案同实施例一和实施例二，在此不再赘述。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种柔性直流电网短路故障性质判别方法，其特征在于，包括：

在柔性直流电网中的一条直流输电线路发生短路故障且该输电线路上的两个直流断路器均开断时，控制该输电线路输入侧的主动型换流器产生交流检测信号并通过输入端的所述直流断路器的换流支路注入该输电线路；

在该输电线路上检测故障特征量，并基于不同故障性质对应不同故障特征量响应，将检测的所述故障特征量与预设值对比，判断得到短路故障性质，完成柔性直流电网短路故障性质的判别。

2.根据权利要求1所述的一种柔性直流电网短路故障性质判别方法，其特征在于，所述控制该输电线路输入侧的主动型换流器产生交流检测信号，具体为：

控制主动型换流器中的直流电流控制器产生直流调制比信号并在该直流调制比信号上叠加一组交流信号，形成交流检测信号。

3.根据权利要求2所述的一种柔性直流电网短路故障性质判别方法，其特征在于，所述交流信号的幅值为0.04-0.06pu。

4.根据权利要求2所述的一种柔性直流电网短路故障性质判别方法，其特征在于，所述交流信号的频率为工频45-55Hz。

5.根据权利要求1所述的一种柔性直流电网短路故障性质判别方法，其特征在于，各所述直流断路器独立的为：耦合型机械直流断路器、负压耦合型机械直流断路器或级联全桥子模块型混合型直流断路器。

6.根据权利要求1所述的一种柔性直流电网短路故障性质判别方法，其特征在于，所述主动型换流器为：子模块混合型模块化多电平换流器或全桥型模块化多电平换流器。

7.根据权利要求1至6任一项所述的一种柔性直流电网短路故障性质判别方法，其特征在于，所述故障特征量为直流输电线路电压、直流输电线路电流或输入侧所述直流断路器的输出端电压。

8.根据权利要求7所述的一种柔性直流电网短路故障性质判别方法，其特征在于，当所述故障特征量为输入侧所述直流断路器的输出端电压时，则所述基于不同故障性质对应不同故障特征量响应，将检测的所述故障特征量与预设值对比，判断得到短路故障性质，具体为：

基于不同故障性质对应不同等效电路，若检测的所述输出端电压小于其预设值，判断短路故障性质为永久性故障，否则，判断短路故障性质为瞬时性故障；其中，所述预设值的取值为根据所述交流检测信号的幅值以及所述换流支路接入该输电线路后的电路参数确定。

9.一种柔性直流电网重合闸方法，其特征在于，包括：

基于如权利要求1至8任一项所述的一种柔性直流电网短路故障性质判别方法得到的短路故障性质，若短路故障性质为永久性故障，则控制所有所述直流断路器进入闭锁状态；若短路故障性质为瞬时性故障，则控制所有所述直流断路器重合闸。

10.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质中存储有指令，当计算机读取所述指令时，使所述计算机执行上述如权利要求1至8任一项所述的一种柔性直流电网短路故障性质判别方法和/或如权利要求9所述的一种柔性直流电网重合闸方法。

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