CN111289843B - 一种mmc-mtdc系统直流线路极间故障测距方法 - Google Patents

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Abstract

本申请属于MMC‑MTDC系统故障检测技术领域，尤其涉及一种MMC‑MTDC系统直流线路极间故障测距方法。当前的MMC‑MTDC系统故障点检测存在计算复杂、效率不高的问题。本申请提供的MMC‑MTDC系统直流线路极间故障测距方法，通过检测电压变化率判别是否发生直流线路极间故障；进而通过比较每条直流线路的电流方向变化，判定发生极间故障的直流线路；再应用等效电路原理列出等效电路方程，定位直流线路上故障点的位置。本申请所需电气参数量少，采样频率较低，原理简单，操作性强；可实现故障快速检测、诊断以及故障的快速定位，为系统保护提供故障准确位置信息，有利于MMC‑MTDC系统的保护和恢复。

Description

一种MMC-MTDC系统直流线路极间故障测距方法
技术领域
本申请涉及MMC-MTDC系统故障检测技术领域，尤其涉及一种MMC-MTDC系统直流线路极间故障测距方法。
背景技术
基于模块化多电平换流器的多端直流(MMC-MTDC)系统近年来得到了迅速发展，该系统的故障测距可以借鉴传统直流输电系统的测距方法。目前使用的故障测距方法主要包括行波测距法、故障分析法和主动式波形注入法。
行波测距法通过检测故障行波到达测距装置的时间来计算故障距离，理论上不受线路参数、故障初始时刻的影响，但是故障行波易受随机性干扰和随机误差的影响。同时，如果算法或者小波基选取不当会导致行波到达时刻的检测存在时间偏移。除此之外，故障行波因在线路中发生折射和反射迅速衰减，无法多次测量，影响了行波测距的精度。主动式波形注入法通过向控制系统调制波注入持续时间较短且幅值较小的测距波或者向故障后的直流线路注入相应的测距脉冲，基于检测脉冲出现的时刻差来计算故障距离，这种方法需要很高的采样频率，如果主动式测距波选取的不当会影响到系统的正常运行。故障分析法利用直流线路模型和参数，通过故障后的暂态电路和暂态电气量测量值来求解出故障距离，其测距精度易受故障电阻、线路参数等因素影响。
因此，对于MMC-MTDC系统极间故障而言，亟待一种更加简便易行、高效准确和可靠性高的故障点检测方法，以改善现有技术中的不足。
发明内容
本申请提供了一种MMC-MTDC系统直流线路极间故障测距方法，以解决MMC-MTDC系统极间故障中缺乏简便易行、高效准确和可靠性高的故障点检测方法的问题。
本申请采用的技术方案如下：
一种MMC-MTDC系统直流线路极间故障测距方法，包括以下步骤：
如果双极接线的模块化多电平多端柔性直流(MMC-MTDC)系统检测到直流正极与直流负极对地电压的变化率一个为正数一个为负数，且变化率绝对值均大于预设门槛值，则判定MMC-MTDC系统发生直流线路极间故障；
判定发生极间故障后，对于每条正极(或负极)直流线路，对比故障前与故障后该线路两端直流电流的方向是否发生变化，如果该线路两端直流电流的方向均未发生变化或均发生变化，则判定该线路为正常线路；如果该线路两端直流电流的方向有一端发生变化而另一端未发生变化，则判定该线路为故障线路；
基于故障线路的线路参数及电气测量值，运用等效电路原理，得出等效电路方程：
Figure GDA0003200197380000021
式中：uM为直流线路始端换流站两极间直流电压，uN为直流线路末端换流站两极间直流电压，iM为从线路始端流入正极直流线路的电流，iN为从线路末端流入正极直流线路的电流，RM、LM分别为故障点与线路始端之间正极直流线路的线路电阻和线路电感，RN、LN分别为故障点与线路末端之间正极直流线路的线路电阻和线路电感，Rf为极间故障时的过渡电阻；
假设故障点与线路始端之间的距离为x，单位长度的线路电阻与电感分别为R0与L0，线路全长为l且已知，可得：
Figure GDA0003200197380000022
由以上两式解得线路始端距离故障点的距离x为：
Figure GDA0003200197380000023
可选的，在所述如果双极接线的模块化多电平多端柔性直流(MMC-MTDC)系统检测到直流正极与直流负极对地电压的变化率一个为正数一个为负数，且变化率绝对值均大于预设门槛值，则判定MMC-MTDC系统发生直流线路极间故障的步骤中，包括：
如果MMC-MTDC系统同时满足
Figure GDA0003200197380000024
和
Figure GDA0003200197380000025
其中up、un分别为始端换流站直流正极与直流负极的对地电压，UN为直流线路额定电压，则判定MMC-MTDC系统发生直流线路极间故障。
可选的，在所述由以上两式解得线路始端距离故障点的距离x的步骤中，还包括：
在预设时间段t内计算n次线路始端距离故障点的距离x，对n次计算结果进行滑动平均值滤波处理，得到处理后的线路始端距离故障点的距离xav：
Figure GDA0003200197380000026
式中，n为滑动滤波数据窗内采样点的总数，xk为n次计算中第k次计算的故障距离x。
可选的，所述预设时间段t为5ms,所述计算n次中的n为10。
可选的，在所述在预设时间段t内计算n次线路始端距离故障点的距离x，对n次计算结果进行滑动平均值滤波处理，得到处理后的线路始端距离故障点的距离xav的步骤之后，还包括：
启动直流线路保护动作，切断直流线路通路。
可选的，在所述判定发生极间故障后，对于每条正极(或负极)直流线路，对比故障前与故障后该线路两端直流电流的方向是否发生变化，如果该线路两端直流电流的方向均未发生变化或均发生变化，则判定该线路为正常线路；如果该线路两端直流电流的方向有一端发生变化而另一端未发生变化，则判定该线路为故障线路的步骤中，还包括：
启动直流线路保护动作，使发生直流线路极间故障的直流线路两端断路器断开。
可选的，在所述在预设时间段t内计算n次线路始端距离故障点的距离x，对n次计算结果进行滑动平均值滤波处理，得到处理后的线路始端距离故障点的距离xav的步骤之后，还包括：
将所述距离xav的信息发送至运维控制中心。
采用本申请的技术方案的有益效果如下：
本申请提供的一种MMC-MTDC系统直流线路极间故障测距方法，通过检测电压波动率判别是否发生直流线路极间故障；进而通过比较每条直流线路的电流方向变化，判定发生直流线路极间故障的直流线路；再应用等效电路原理，列出等效电路方程，求解方程定位直流线路上故障点的位置。本申请基于故障线路两端暂态直流电压和暂态直流电流，采样频率较低，附加设备少；本方法需要的电气参数较少，原理简单，可操作性强；可实现故障的快速检测、诊断以及故障的快速定位，从而及时高效为保护系统提供故障位置信息，有利于MMC-MTDC系统的保护和恢复。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，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为本申请一种MMC-MTDC系统结构示意图；
图2为本申请MMC-MTDC系统直流线路发生极间故障后等效电路图；
图3为本申请的一个实施例的流程图；
图4为本申请的另一实施例的流程图；
图示说明：
其中，图1为了示例性地说明MMC-MTDC系统，给出了一个四端柔性直流输电系统的示意图，每个换流站均采用模块化多电平换流器(MMC)。
图2所示为故障点的电容放电等效电路图：参考图1，当直流线路发生极间故障之后，各个换流站的直流电容向故障点馈入故障电流，当故障发生在线路line12上，此时1、2、3、4四个直流节点同时向故障点注入故障电流，将这四个直流节点分为两类：1、2为与故障点直接相连的直流节点，3、4为不与故障点直接相连的节点。与故障点非直接相连的节点向故障点的馈流回路必须先通过直接相连节点，因此其放电过程受到故障区段两端换流站的直流电压的影响。只有当故障区段的直流电压小于非故障区段的直流电压时，3、4直流节点才能向故障点馈流。上述直流电压由MMC直流电容电压决定，因此在故障发生后的电容放电初始阶段，故障区段的直流电容电压低于同一时刻非故障区段的直流电容电压，可以认为此时的放电回路只由1、2直流节点处换流站等效电路构成。由于交流侧电流三相对称，故计算直流电流时可不计交流侧影响,故等效电路如图2所示。
具体实施方式
下面将详细地对实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下实施例中描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。仅是与权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的系统和方法的示例。
本申请中，MMC-MTDC系统，为基于模块化多电平换流器的多端柔性直流输电系统，为本领域技术人员所熟知的电网直流输电系统。
参见图1与图2，便于理解下述实施例的技术方案。
本申请提供的一种MMC-MTDC系统直流线路极间故障测距方法，包括以下步骤：
如果双极接线的模块化多电平多端柔性直流(MMC-MTDC)系统检测到直流正极与直流负极对地电压的变化率一个为正数一个为负数，且变化率绝对值均大于预设门槛值，则判定MMC-MTDC系统发生直流线路极间故障；
判定发生极间故障后，对于每条正极(或负极)直流线路，对比故障前与故障后该线路两端直流电流的方向是否发生变化。如果该线路两端直流电流的方向均未发生变化或均发生变化，则判定该线路为正常线路；如果该线路两端直流电流的方向有一端发生变化而另一端未发生变化，则判定该线路为故障线路；
基于故障线路的线路参数及电气测量值，运用等效电路原理，得出等效电路方程：
Figure GDA0003200197380000041
式中：uM为直流线路始端换流站两极间直流电压，uN为直流线路末端换流站两极间直流电压，iM为从线路始端流入正极直流线路的电流，iN为从线路末端流入正极直流线路的电流，RM、LM分别为故障点与线路始端之间正极直流线路的线路电阻和线路电感，RN、LN分别为故障点与线路末端之间正极直流线路的线路电阻和线路电感，Rf为极间故障时的过渡电阻；
假设故障点与线路始端之间的距离为x，单位长度的线路电阻与电感分别为R0与L0，线路全长为l且已知，可得：
Figure GDA0003200197380000051
由以上两式解得线路始端距离故障点的距离x为：
Figure GDA0003200197380000052
参见图3，在本实施例中，当发生直流线路极间故障时，电压会降低，产生波动，因而通过测量直流线路的电压变化率可有效判定是否产生直流线路极间故障。由于MMC-MTDC系统包括多条直流线路，在发生直流线路极间故障时，仍需进一步判断具体哪一条直流线路产生故障，通过比较每条直流线路的电流方向变化，判定发生极间故障的直流线路。设M、N侧换流站之间的直流线路为产生极间故障的直流线路，根据等效电路原理，列出等效电路方程，进而解得M侧换流站距离故障点的距离x。本实施例的技术方案原理简单，电气参数少、操作性强，同时故障点测量及时准确，有利于电网系统的保护和恢复。
可选的，在所述如果双极接线的模块化多电平多端柔性直流(MMC-MTDC)系统检测到直流正极与直流负极对地电压的变化率一个为正数一个为负数，且变化率绝对值均大于预设门槛值，则判定MMC-MTDC系统发生直流线路极间故障的步骤中，包括：
如果MMC-MTDC系统同时满足
Figure GDA0003200197380000053
和
Figure GDA0003200197380000054
其中up、un分别为始端换流站直流正极与直流负极的对地电压，UN为直流线路额定电压，则判定MMC-MTDC系统发生直流线路极间故障。
参见图4，在本实施例中，设定MMC-MTDC系统的直流电压变化率的判定门槛值为6％，当直流正负极对地电压变化率一正一负且绝对值均超出6％额定电压的范围即被视为存在直流线路极间故障。6％门槛值的设定，有利于排除测量误差和噪声的干扰影响，增强本实施例中检测的可靠性。
可选的，在所述由以上两式解得线路始端距离故障点的距离x的步骤中，还包括：
在预设时间段t内计算n次线路始端距离故障点的距离x，对n次计算结果进行滑动平均值滤波处理，得到处理后的线路始端距离故障点的距离xav：
Figure GDA0003200197380000061
式中，n为滑动滤波数据窗内采样点的总数，xk为n次计算中第k次计算的故障距离x。
参见图4，在本实施例中，通过对预设时间段t内对M侧换流站距离故障点的距离x进行滑动平均值滤波处理，进一步剔除噪点，将测量误差和噪声的干扰影响进一步降低，体现了本实施例方法的可靠性和实用性，在实际工作中具有更好的操作体验和指导价值。
可选的，所述预设时间段t为5ms,所述计算n次中的n为10。
本实施例中，设定预设时间段t为5ms，预设时间不宜过长也不宜太短，过长无法满足时效性，太短又可能因为取值的波动造成误判，因此在实际工程应用中，设定预设时间t为5ms，既能保证数据的可靠性，同时也满足了MMC-HVDC系统的瞬时物理量反应，在实践中效果良好。
可选的，在所述在预设时间段t内计算n次线路始端距离故障点的距离x，对n次计算结果进行滑动平均值滤波处理，得到处理后的线路始端距离故障点的距离xav的步骤之后，还包括：
启动直流线路保护动作，切断直流线路通路。
本实施例中，通过计算解得M侧换流站距离故障点的距离x的步骤之后，启动直流线路保护动作，切断直流线路通路。在实际工程中有较好应用，工程人员获知故障点信息后，为了保护电网输电线路，及时切断直流线路通路，有利于保护电网安全以及后期维修。
可选的，在所述判定发生极间故障后，对于每条正极(或负极)直流线路，对比故障前与故障后该线路两端直流电流的方向是否发生变化。如果该线路两端直流电流的方向均未发生变化或均发生变化，则判定该线路为正常线路；如果该线路两端直流电流的方向有一端发生变化而另一端未发生变化，则判定该线路为故障线路的步骤中，还包括：
启动直流线路保护动作，使发生直流线路极间故障的直流线路两端断路器断开。
本实施例中，在判定出具体哪一条直流线路发生极间故障后，及时切断该直流线路，有利于保护该直流线路的运行安全，尽可能降低对该直流线路的损害。
可选的，在所述在预设时间段t内计算n次线路始端距离故障点的距离x，对n次计算结果进行滑动平均值滤波处理，得到处理后的线路始端距离故障点的距离xav的步骤之后，还包括：
将所述距离xav的信息发送至运维控制中心。
本实施例中，在实际工程应用中，为了便于管理和控制，MMC-MTDC系统一般会接入电网控制中心，实施对MMC-MTDC系统的监控、管理和维保。将故障点的距离信息发送至电网控制中心，有利于工作快速反应、决策并指导MMC-MTDC系统的运营和维修。
本申请提供的一种MMC-MTDC系统直流线路极间故障测距方法，通过检测电压波动率判别是否发生直流线路极间故障；进而通过比较每条直流线路的电流方向变化，判定发生极间故障的直流线路；再应用等效电路原理，列出等效电路方程，求解得出M侧换流站距离故障点的距离x。本申请基于故障线路两端暂态直流电压和暂态直流电流，采样频率较低，附加设备少；本方法需要的电气参数较少，原理简单，可操作性强；可实现故障的快速检测、诊断以及故障的快速定位，从而及时高效为保护系统提供故障位置信息，有利于MMC-MTDC系统的保护和恢复。
本申请提供的实施例之间的相似部分相互参见即可，以上提供的具体实施方式只是本申请总的构思下的几个示例，并不构成本申请保护范围的限定。对于本领域的技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下依据本申请方案所扩展出的任何其他实施方式都属于本申请的保护范围。

Claims (7)

1.一种MMC-MTDC系统直流线路极间故障测距方法，其特征在于，包括以下步骤：
如果双极接线的模块化多电平多端柔性直流(MMC-MTDC)系统检测到直流正极与直流负极对地电压的变化率一个为正数一个为负数，且变化率绝对值均大于预设门槛值，则判定MMC-MTDC系统发生直流线路极间故障；
判定发生极间故障后，对于每条正极直流线路，对比故障前与故障后该线路两端直流电流的方向是否发生变化，如果该线路两端直流电流的方向均未发生变化或均发生变化，则判定该线路为正常线路；如果该线路两端直流电流的方向有一端发生变化而另一端未发生变化，则判定该线路为故障线路；
基于故障线路的线路参数及电气测量值，运用等效电路原理，得出等效电路方程：
Figure FDA0003469402410000011
式中：uM为直流线路始端换流站两极间直流电压，uN为直流线路末端换流站两极间直流电压，iM为从线路始端流入正极直流线路的电流，iN为从线路末端流入正极直流线路的电流，RM、LM分别为故障点与线路始端之间正极直流线路的线路电阻和线路电感，RN、LN分别为故障点与线路末端之间正极直流线路的线路电阻和线路电感，Rf为极间故障时的过渡电阻；
假设故障点与线路始端之间的距离为x，单位长度的线路电阻与电感分别为R0与L0，线路全长为l且已知，可得：
Figure FDA0003469402410000012
由以上两式解得线路始端距离故障点的距离x为：
Figure FDA0003469402410000013
2.根据权利要求1所述的MMC-MTDC系统直流线路极间故障测距方法，其特征在于，在所述如果双极接线的模块化多电平多端柔性直流(MMC-MTDC)系统检测到直流正极与直流负极对地电压的变化率一个为正数一个为负数，且变化率绝对值均大于预设门槛值，则判定MMC-MTDC系统发生直流线路极间故障的步骤中，包括：
如果MMC-MTDC系统同时满足
Figure FDA0003469402410000021
和
Figure FDA0003469402410000022
其中up、un分别为始端换流站直流正极与直流负极的对地电压，UN为直流线路额定电压，则判定MMC-MTDC系统发生直流线路极间故障。
3.根据权利要求1所述的MMC-MTDC系统直流线路极间故障测距方法，其特征在于，在所述由以上两式解得线路始端距离故障点的距离x的步骤中，还包括：
在预设时间段t内计算n次线路始端距离故障点的距离x，对n次计算结果进行滑动平均值滤波处理，得到处理后的线路始端距离故障点的距离xav：
Figure FDA0003469402410000023
式中，n为滑动滤波数据窗内采样点的总数，xk为n次计算中第k次计算的故障距离x。
4.根据权利要求3所述的MMC-MTDC系统直流线路极间故障测距方法，其特征在于，
所述预设时间段t为5ms,所述计算n次中的n为10。
5.根据权利要求3所述的MMC-MTDC系统直流线路极间故障测距方法，其特征在于，在所述在预设时间段t内计算n次线路始端距离故障点的距离x，对n次计算结果进行滑动平均值滤波处理，得到处理后的线路始端距离故障点的距离的步骤之后，还包括：
启动直流线路保护动作，切断直流线路通路。
6.根据权利要求1所述的MMC-MTDC系统直流线路极间故障测距方法，其特征在于，在所述判定发生极间故障后，对于每条正极直流线路，对比故障前与故障后该线路两端直流电流的方向是否发生变化，如果该线路两端直流电流的方向均未发生变化或均发生变化，则判定该线路为正常线路；如果该线路两端直流电流的方向有一端发生变化而另一端未发生变化，则判定该线路为故障线路的步骤中，还包括：
启动直流线路保护动作，使发生直流线路极间故障的直流线路两端断路器断开。
7.根据权利要求3所述的MMC-MTDC系统直流线路极间故障测距方法，其特征在于，在所述在预设时间段t内计算n次线路始端距离故障点的距离x，对n次计算结果进行滑动平均值滤波处理，得到处理后的线路始端距离故障点的距离xav的步骤之后，还包括：
将所述距离xav的信息发送至运维控制中心。
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