CN111830431A - 一种用于对真双极柔性直流输电系统进行故障判别的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于对真双极柔性直流输电系统进行金属回线故障判别的方法及系统，其中方法包括：在柔性直流输电系统的不对称运行状态下，当发生金属回线的接地短路和断线故障时，计算所述柔性直流输电系统的直流系统电压和接地电流，获取所述直流系统电压计算值和所述接地电流计算值；在柔性直流输电系统的不对称运行状态下，测量所述柔性直流输电系统的直流系统电压和接地电流，获取所述直流系统电压测量值和所述接地电流测量值；对比所述直流系统电压测量值和所述直流系统电压计算值，以及对比所述接地电流测量值和所述接地电流计算值，确定所述金属回线的故障类型和故障位置。

Description

一种用于对真双极柔性直流输电系统进行故障判别的方法及 系统

技术领域

本发明涉及柔性直流输电技术领域，更具体地，涉及一种用于对真双极柔性直流输电系统进行故障判别的方法及系统。

背景技术

高压直流输电作为电能传输的一种重要方式，是实现电力的大规模、远距离输送，提高清洁能源发电并网的稳定性和利用率的重要技术支撑手段，而基于模块化多电平换流器(Module Multilevel Converter，MMC)的柔性直流输电技术，具有模块化程度高、波形质量好、占地面积小等优点，被广泛用于直流输电工程中。对称真双极主接线方式可以提高直流系统的输电稳定性和可靠性，已投运的厦门柔直工程和正在建设的张北柔直工程都采用对称金属回线主接线方式。在金属回线无故障的情况下，真双极系统可切换多种运行方式，运行方式比较灵活，但是金属回线存在故障时，切换运行方式可能会威胁直流系统的安全稳定运行。

目前柔性直流输电系统对于直流线路的故障研究主要集中于直流线路单极接地和双极短路故障下短路电流的计算，对于金属回线的故障特性的相关研究很少。由于新能源大多处于电网末端，距离负荷中心较远，大规模新能源开始经由柔性直流输电系统送出，国内的柔性直流输电工程也进入了快速发展期。柔性直流输电的安全运行对于新能源的可靠送出具有重大的意义。因此为了完善柔直系统的故障特性研究，很有必要对采用真双极接线的柔直系统金属回线故障特性进行研究，及时发现故障并清除，解除潜在安全威胁，为柔直电网的安全运行提供必要的保障。

因此，需要一种故障，以实现用于对真双极柔性直流输电系统进行故障判别的技术。

发明内容

本发明技术方案提供一种用于对真双极柔性直流输电系统进行故障判别的方法及系统，以解决如何对真双极柔性直流输电系统进行故障判别的问题。

为了解决上述问题，本发明提供了一种用于对真双极柔性直流输电系统进行故障判别的方法，所述方法包括：

在柔性直流输电系统的不对称运行状态下，当发生金属回线的接地短路和断线故障时，获取所述直流系统电压计算值和所述接地电流计算值；以及获取所述直流系统电压测量值和所述接地电流测量值；

对比所述直流系统电压测量值和所述直流系统电压计算值，以及对比所述接地电流测量值和所述接地电流计算值，确定所述金属回线的故障类型和故障位置。

优选地，还包括：建立所述柔性直流输电系统的拓扑图，分析所述柔性直流输电系统在对称运行状态下，当发生金属回线的接地短路和断线故障时，对所述柔性直流输电系统运行的影响。

优选地，还包括：

在柔性直流输电系统的不对称运行状态下，若金属回线存在接地故障，此时会有电流流过金属回线层，同时接地点构成了回路，会有电流流过，，图中R_ij为各条线路的等效电阻，当换流器发生闭锁故障时，在柔性直流输电系统的不对称运行状态下，有：

其中，i＝1,2,3,4；I_in为第i个换流站的负极直流电流；I_iN为第i个换流站的金属回线电流；I_ip为第i个换流站的正极直流电流；

在柔性直流输电系统由对称状态切换为不对称运行状态时，定直流电压站存在一个调节过程，I_1N和I_3N分别为：

在稳态时，有：

I_3N＝f(t_∞)＝-I_1N (5)

其中f(t)为I_3N关于时间t的函数；f(t_∞)为I_3N的稳态值；t为时间；t₀为故障时刻；

若金属回线存在断线故障，金属回线仍有电流流过，接地点没有回路，稳态情况下，接地点不存在电流，金属回线层中性线母线电压会发生偏移，引起直流系统电压的偏移。

优选地，其中所述在柔性直流输电系统的不对称运行状态下，当发生金属回线的接地短路和断线故障时，计算所述柔性直流输电系统的直流系统电压和接地电流，获取所述直流系统电压计算值和所述接地电流计算值，包括：

当所述金属回线发生接地短路的故障时，根据基尔霍夫电流原理，求得各条支路的电流，其中入地电流：

其中I_g为入地电流；I_1N为换流站S1的负极直流电流；R₁为R₁＝R₁₄+R₃₄，R₁₄为换流站S₁为S₄间金属回线的电阻值，R₂为R₂＝R_{12_2}+R₂₃，R₂₃为换流站S₂至S₃间金属回线的电阻值，R_{12_2}为换流站S₁至S₂间金属回线短路点到换流站S₂的电阻值，R₃＝R_{12_1}，R₃为换流站S₁至S₂间金属回线短路点到换流站S₁的电阻值，R_g为接地电阻；

并求得各换流站对应中性线母线的电压U_G1,U_G2,U_G3,U_G4，其中：

U_G1为换流站S1中性线母线电压,U_G2为换流站S₂中性线母线电压,U_G3为换流站S₃中性线母线电压,U_G4为换流站S₄中性线母线电压；

用同样的方法求得换流站不对称运行时，流入接地点电流和各中性线的母线电压，

I'g为换流站S4不对称运行时金属回线接地点电流；U_G3’为S₄不对称运行时金属回线接地，S₃的中性线母线电压；

其中，R₁＝R₁₄+R₃₄，R₂＝R_{12_2}+R₂₃，R₃＝R₁₂，R₁′＝R₃₄,R₃′＝R₁₄+R_{12_1}，R_12-1＝rL，r为金属回线单位长度电阻参数，L为接地点离金属回线母线G₁的距离；R₁₂为换流站S₁至S₂间金属回线电阻；R₁₄为换流站S₁至S₄间金属回线电阻；R₃₄换流站S₃至S₄间金属回线电阻；R_12-1为故障点到S₁间金属回线电阻；R_12-2为金属回线故障点到S₂间金属回线电阻；R₂₃为,换流站S₂至S₃间金属回线电阻；

当金属回线存在断线故障时，接地点不会有电流流过，此时可得：

U_G4＝I_4N(R₁₂+R₂₃+R₁₄) (10)

由于接地点电位为0，各换流站对地直流电压在稳态时没有变化，极间电压会发生偏移：

U_4P为换流站正极对金属回线的电压，U_4n为金属回线对负极线路的电压；U_dc为柔直系统直流额定电压。

基于本发明的另一方面，本发明提供一种用于对真双极柔性直流输电系统进行故障判别的系统，所述系统包括：

计算单元，用于在柔性直流输电系统的不对称运行状态下，当发生金属回线的接地短路和断线故障时，获取所述直流系统电压计算值和所述接地电流计算值；

测量单元，用于获取所述直流系统电压测量值和所述接地电流测量值；

确定单元，用于对比所述直流系统电压测量值和所述直流系统电压计算值，以及对比所述接地电流测量值和所述接地电流计算值，确定所述金属回线的故障类型和故障位置。

优选地，还包括分析单元，用于：建立所述柔性直流输电系统的拓扑图，分析所述柔性直流输电系统在对称运行状态下，当发生金属回线的接地短路和断线故障时，对所述柔性直流输电系统运行的影响。

优选地，还包括分析单元，用于：

在柔性直流输电系统的不对称运行状态下，若金属回线存在接地故障，此时会有电流流过金属回线层，同时接地点构成了回路，会有电流流过，，图中R_ij为各条线路的等效电阻，当换流器发生闭锁故障时，在柔性直流输电系统的不对称运行状态下，有：

其中，i＝1,2,3,4；I_in为第i个换流站的负极直流电流；I_iN为第i个换流站的金属回线电流；I_ip为第i个换流站的正极直流电流；

在柔性直流输电系统由对称状态切换为不对称运行状态时，定直流电压站存在一个调节过程，I_1N和I_3N分别为：

在稳态时，有：

I_3N＝f(t_∞)＝-I_1N (5)

其中f(t)为I_3N关于时间t的函数；f(t_∞)为I_3N的稳态值；t为时间；t₀为故障时刻；

若金属回线存在断线故障，金属回线仍有电流流过，接地点没有回路，稳态情况下，接地点不存在电流，金属回线层中性线母线电压会发生偏移，引起直流系统电压的偏移。

优选地，其中计算单元用于在柔性直流输电系统的不对称运行状态下，当发生金属回线的接地短路和断线故障时，计算所述柔性直流输电系统的直流系统电压和接地电流，获取所述直流系统电压计算值和所述接地电流计算值，还用于：

当所述金属回线发生接地短路的故障时，根据基尔霍夫电流原理，求得各条支路的电流，其中入地电流：

其中I_g为入地电流；I_1N为换流站S1的负极直流电流；R₁为R₁＝R₁₄+R₃₄，R₁₄为换流站S₁为S₄间金属回线的电阻值，R₂为R₂＝R_{12_2}+R₂₃，R₂₃为换流站S₂至S₃间金属回线的电阻值，R_{12_2}为换流站S₁至S₂间金属回线短路点到换流站S₂的电阻值，R₃＝R_{12_1}，R₃为换流站S₁至S₂间金属回线短路点到换流站S₁的电阻值，R_g为接地电阻；

并求得各换流站对应中性线母线的电压U_G1,U_G2,U_G3,U_G4，其中：

U_G1为换流站S1中性线母线电压,U_G2为换流站S₂中性线母线电压,U_G3为换流站S₃中性线母线电压,U_G4为换流站S₄中性线母线电压；

用同样的方法求得换流站不对称运行时，流入接地点电流和各中性线的母线电压，

I'g为换流站S4不对称运行时金属回线接地点电流；U_G3’为S₄不对称运行时金属回线接地，S₃的中性线母线电压；

其中，R₁＝R₁₄+R₃₄，R₂＝R_{12_2}+R₂₃，R₃＝R₁₂，R₁′＝R₃₄,R₃′＝R₁₄+R_{12_1}，R_12-1＝rL，r为金属回线单位长度电阻参数，L为接地点离金属回线母线G₁的距离；R₁₂为换流站S₁至S₂间金属回线电阻；R₁₄为换流站S₁至S₄间金属回线电阻；R₃₄换流站S₃至S₄间金属回线电阻；R_12-1为故障点到S₁间金属回线电阻；R_12-2为金属回线故障点到S₂间金属回线电阻；R₂₃为,换流站S₂至S₃间金属回线电阻；

当金属回线存在断线故障时，接地点不会有电流流过，此时可得：

U_G4＝I_4N(R₁₂+R₂₃+R₁₄) (10)

由于接地点电位为0，各换流站对地直流电压在稳态时没有变化，极间电压会发生偏移：

U_4P为换流站正极对金属回线的电压，U_4n为金属回线对负极线路的电压；U_dc为柔直系统直流额定电压。

本发明技术方案提供一种用于对真双极柔性直流输电系统进行故障判别的方法及系统，其中方法包括：在柔性直流输电系统的不对称运行状态下，当发生金属回线的接地短路和断线故障时，计算柔性直流输电系统的直流系统电压和接地电流，获取直流系统电压计算值和接地电流计算值；在柔性直流输电系统的不对称运行状态下，测量柔性直流输电系统的直流系统电压和接地电流，获取直流系统电压测量值和接地电流测量值；对比直流系统电压测量值和直流系统电压计算值，以及对比接地电流测量值和接地电流计算值，确定金属回线的故障类型和故障位置。本发明技术方案提供了一种检测真双极柔性直流输电系统金属回线是否存在故障的方法，在系统切换为不对称运行状态一段时间后，首先通过检测接地点是否有电流来判断金属回线是否发生接地故障或断线故障，再通过接地点电流大小和直流电压大小来判断故障发生的位置。

附图说明

通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式：

图1为根据本发明优选实施方式的一种用于对真双极柔性直流输电系统进行故障判别的方法流程图；

图2为根据本发明优选实施方式的一种真双极柔性直流输电系统金属回线故障类型及位置判别方法流程图；

图3为根据本发明优选实施方式的真双极柔性直流输电系统的拓扑图；

图4为根据本发明优选实施方式的金属回线存在接地故障时不对称运行状态下接地电流计算的示意图；

图5为根据本发明优选实施方式的金属回线存在断线故障时不对称运行状态下中性线电气量计算的示意图；

图6为根据本发明优选实施方式的案例1的接地电流和S4负极电流；

图7为根据本发明优选实施方式的案例2的换流站S4直流电压；以及

图8为根据本发明优选实施方式的一种用于对真双极柔性直流输电系统进行故障判别的系统结构图。

具体实施方式

现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。

除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。

图1为根据本发明优选实施方式的一种用于对真双极柔性直流输电系统进行故障判别的方法流程图。本发明提出了一种真双极柔性直流输电系统金属回线故障类型及位置判别方法，确定金属回线故障类型及位置的方法主要包括下述步骤：建立真双极柔性直流输电系统的拓扑图，分析对称运行状态下金属回线接地短路故障和断线故障特性；提出运行方式切换方法，在不对称运行状态下分析金属回线短路故障和接地故障情况下的故障特性；计算系统切换为不对称运行状态后，金属回线发生接地故障和断线故障时直流系统电压和接地电流的表达式；测量不对称运行状态下系统直流电压的值和接地电流的值，通过与理论推导表达式的对比即可确定金属回线故障类型和故障位置。如图1所示，本发明提供一种用于对真双极柔性直流输电系统进行故障判别的方法，方法包括：

优选地，在步骤101：在柔性直流输电系统的不对称运行状态下，当发生金属回线的接地短路和断线故障时，计算柔性直流输电系统的直流系统电压和接地电流，获取直流系统电压计算值和接地电流计算值。优选地，方法还包括：建立柔性直流输电系统的拓扑图，分析柔性直流输电系统在对称运行状态下，当发生金属回线的接地短路和断线故障时，对柔性直流输电系统运行的影响。

优选地，方法还包括：

在柔性直流输电系统的不对称运行状态下，若金属回线存在接地故障，此时会有电流流过金属回线层，同时接地点构成了回路，会有电流流过，，图中R_ij为各条线路的等效电阻，当换流器发生闭锁故障时，在柔性直流输电系统的不对称运行状态下，有：

其中，i＝1,2,3,4；I_in为第i个换流站的负极直流电流；I_iN为第i个换流站的金属回线电流；I_ip为第i个换流站的正极直流电流；

在柔性直流输电系统由对称状态切换为不对称运行状态时，定直流电压站存在一个调节过程，I_1N和I_3N分别为：

在稳态时，有：

I_3N＝f(t_∞)＝-I_1N (5)

其中f(t)为I_3N关于时间t的函数；f(t_∞)为I_3N的稳态值；t为时间；t₀为故障时刻；

若金属回线存在断线故障，金属回线仍有电流流过，接地点没有回路，稳态情况下，接地点不存在电流，金属回线层中性线母线电压会发生偏移，进而引起直流系统电压的偏移。

本发明建立真双极柔性直流输电系统的拓扑图，分析对称运行状态下金属回线接地短路故障和断线故障特性；本发明提出运行方式切换方法，在不对称运行状态下分析金属回线接地短路故障和断线故障情况下的故障特性；本发明计算系统切换为不对称运行状态后，金属回线发生接地短路故障和断线故障时直流系统电压和接地电流的表达式。如图2所示。

本发明中的拓扑如图3中所示，VSC_ip(i＝1,2,3,4)为各换流器正极，VSC_in为各换流器负极(i＝1,2,3,4),I_ip(i＝1,2,3,4)为各换流器正极直流电流，I_in(i＝1,2,3,4)为各换流器负极直流电流，I_iN为各换流站注入金属回线的电流，I_g为接地点对地电流。G_i为换流站i的中性线母线，其中换流站VSC3为定直流电压站，稳态时根据基尔霍夫电流定律可知：

此时，金属回线没有电流流过。因此，可以认为金属回线等电位，且因为接地点的缘故，金属回线电位为0。由电路原理可知，若金属回线发生接地短路故障，故障点不会存在短路电流，金属回线电位仍然为0。同样，金属回线出现断线故障时，金属回线电位仍为0。因此，在正负极对称运行的情况下，金属回线的接地短路故障或断线故障不会对柔性直流输电的稳定运行带来任何影响，但是此时金属回线故障无法被识别，当系统切换运行方式时，会威胁系统的安全稳定运行，同样必须改变系统的运行方式才能检测金属回线是否存在故障。

本发明切换柔直系统为不对称运行状态，若金属回线存在接地故障，此时会有电流流过金属回线层，同时接地点构成了回路，会有电流流过，主电路拓扑仍如图3所示，金属回线层拓扑如图4，图中R_ij为各条线路的等效电阻，以换流器VSC_1p发生闭锁故障为例，切换不对称运行后，有：

切换过程中，定直流电压站存在一个调节过程，I_1N和I_3N分别为

在稳态时，有：

I_3N＝f(t_∞)＝-I_1N (5)

若金属回线存在断线故障，此时金属回线层仍有电流流过，但是接地点没有回路，稳态情况下，接地点不存在电流，但是金属回线层中性线母线电压会发生偏移，进而引起系统直流电压的偏移。

本发明中当金属回线存在接地故障时，根据基尔霍夫电流原理，可以求得各条支路的电流，其中入地电流：

并可求得各换流站对应中性线母线的电压U_G1,U_G2,U_G3,U_G4。其中：

用同样的方法可以求得换流站VSC4不对称运行时，流入接地点的电流和各中性线的母线电压。

其中，R₁＝R₁₄+R₃₄，R₂＝R_{12_2}+R₂₃，R₃＝R₁₂，R₁′＝R₃₄,R₃′＝R₁₄+R_{12_1}，R_12-1＝rL。r为金属回线单位长度电阻参数，L为接地点离金属回线母线G₁的距离。

当金属回线存在断线故障时，以G_3-4检修为例，金属回线层等效电路如图5所示，接地点不会有电流流过，以换流站VSC4正极闭锁为例，此时可得：

U_G4＝I_4N(R₁₂+R₂₃+R₁₄) (10)

由于接地点电位为0，各换流站对地直流电压在稳态时几乎没有变化，但是极间电压会发生偏移：

U_4P为换流站VSC4正极对金属回线的电压，U_4n为金属回线对负极线路的电压。

同理，可求得其它金属回线线路检修时，不同换流站发生故障时中性线母线的电位。

优选地，在步骤102：获取直流系统电压测量值和接地电流测量值。

优选地，在步骤103：对比直流系统电压测量值和直流系统电压计算值，以及对比接地电流测量值和接地电流计算值，确定金属回线的故障类型和故障位置。

优选地，其中在柔性直流输电系统的不对称运行状态下，当发生金属回线的接地短路和断线故障时，计算柔性直流输电系统的直流系统电压和接地电流，获取直流系统电压计算值和接地电流计算值，包括：

当金属回线发生接地短路的故障时，根据基尔霍夫电流原理，求得各条支路的电流，其中入地电流：

其中I_g为入地电流；I_1N为换流站S1的负极直流电流；R₁为R₁＝R₁₄+R₃₄，R₁₄为换流站S₁为S₄间金属回线的电阻值，R₂为R₂＝R_{12_2}+R₂₃，R₂₃为换流站S₂至S₃间金属回线的电阻值，R_{12_2}为换流站S₁至S₂间金属回线短路点到换流站S₂的电阻值，R₃＝R_{12_1}，R₃为换流站S₁至S₂间金属回线短路点到换流站S₁的电阻值，R_g为接地电阻；

并可求得各换流站对应中性线母线的电压U_G1,U_G2,U_G3,U_G4，其中：

U_G1为换流站S1中性线母线电压,U_G2为换流站S₂中性线母线电压,U_G3为换流站S₃中性线母线电压,U_G4为换流站S₄中性线母线电压；

用同样的方法求得换流站不对称运行时，流入接地点电流和各中性线的母线电压，

I'g为换流站S4不对称运行时金属回线接地点电流；U_G3’为S₄不对称运行时金属回线接地，S₃的中性线母线电压；

其中，R₁＝R₁₄+R₃₄，R₂＝R_{12_2}+R₂₃，R₃＝R₁₂，R₁′＝R₃₄,R₃′＝R₁₄+R_{12_1}，R_12-1＝rL，r为金属回线单位长度电阻参数，L为接地点离金属回线母线G₁的距离；R₁₂为换流站S₁至S₂间金属回线电阻；R₁₄为换流站S₁至S₄间金属回线电阻；R₃₄换流站S₃至S₄间金属回线电阻；R_12-1为故障点到S₁间金属回线电阻；R_12-2为金属回线故障点到S₂间金属回线电阻；R₂₃为,换流站S₂至S₃间金属回线电阻；

当金属回线存在断线故障时，接地点不会有电流流过，此时可得：

U_G4＝I_4N(R₁₂+R₂₃+R₁₄) (10)

由于接地点电位为0，各换流站对地直流电压在稳态时没有变化，极间电压会发生偏移：

U_4P为换流站正极对金属回线的电压，U_4n为金属回线对负极线路的电压；U_dc为柔直系统直流额定电压。

本发明测量不对称运行状态下系统直流电压的值和接地电流的值，通过与理论推导表达式的对比即可确定金属回线故障类型和故障位置。

本发明切换柔直系统为不对称运行状态，测量接地点的电流及柔直系统的直流电压。为保证调节过程已完毕，观察切换状态600ms后的波形。若接地点存在电流，说明此时金属回线存在接地故障，然后通过观测电流幅值的大小，结合式(6)和式(8)即可确定接地故障的位置。如果此时接地电流为0，可排除金属回线接地故障，再读取直流电压的值，可确定是否存在断线故障，并通过直流电压值判断断线故障发生于哪一条金属回线上。

本发明填补了真双极柔性直流输电系统金属回线故障特性研究的空白。本发明指出了系统在对称运行状态下，无法检测到金属回线故障；但是在检修或者其它原因需要切换柔直系统为不对称运行时，金属回线故障存在时的一些故障特性，若故障没有及时清除，会威胁柔直系统的长期安全稳定运行。本发明通过在系统不对称运行状态下测量的电气量确定金属回线故障的类型及其位置，为及时清除金属回线故障提供了一定的理论研究基础。

依据本发明的真双极柔性直流输电系统故障判别的方法。本发明实施方式中直流输电系统的基本参数如下：

表1直流电网系统参数

表2直流电网系统参数

金属回线线路模型采用频率相关模型，电阻参数为r＝0.020345Ω/km。案例1：

接地故障点设置在G₁母线上，接地故障一直存在未被清除，选取功率容量较大的换流站S₄，在t＝2.0s时刻，VSC_4p发生闭锁，使系统处于不对称运行状态。

案例2：

当金属回线检修时，以G_3-4检修为例，线路G_3-4断开，在t＝2.0s时，换流站S4单极闭锁，使系统处于不对称运行状态。

案例1得到的结果如图6所示。

案例2得到的结果如图7所示。

金属回线不同位置接地故障时，接地电流计算值与仿真值对比如下表

表3直流电网系统参数

金属回线不同位置断线时，极间直流电压计算值与仿真值对比如下表

表4直流电网系统参数

图8为根据本发明优选实施方式的一种用于对真双极柔性直流输电系统进行故障判别的系统结构图。如图8所示，本发明提供一种用于对真双极柔性直流输电系统进行故障判别的系统，系统包括：

计算单元801，用于在柔性直流输电系统的不对称运行状态下，当发生金属回线的接地短路和断线故障时，计算柔性直流输电系统的直流系统电压和接地电流，获取直流系统电压计算值和接地电流计算值。优选地，系统还包括分析单元，用于：建立柔性直流输电系统的拓扑图，分析柔性直流输电系统在对称运行状态下，当发生金属回线的接地短路和断线故障时，对柔性直流输电系统运行的影响。

优选地，系统还包括分析单元，用于：

在柔性直流输电系统的不对称运行状态下，若金属回线存在接地故障，此时会有电流流过金属回线层，同时接地点构成了回路，会有电流流过，，图中R_ij为各条线路的等效电阻，当换流器发生闭锁故障时，在柔性直流输电系统的不对称运行状态下，有：

其中，i＝1,2,3,4；I_in为第i个换流站的负极直流电流；I_iN为第i个换流站的金属回线电流；I_ip为第i个换流站的正极直流电流；

在柔性直流输电系统由对称状态切换为不对称运行状态时，定直流电压站存在一个调节过程，I_1N和I_3N分别为：

在稳态时，有：

I_3N＝f(t_∞)＝-I_1N (5)

其中f(t)为I_3N关于时间t的函数；f(t_∞)为I_3N的稳态值；t为时间；t₀为故障时刻；

若金属回线存在断线故障，金属回线仍有电流流过，接地点没有回路，稳态情况下，接地点不存在电流，金属回线层中性线母线电压会发生偏移，进而引起直流系统电压的偏移。

本发明建立真双极柔性直流输电系统的拓扑图，分析对称运行状态下金属回线接地短路故障和断线故障特性；本发明提出运行方式切换方法，在不对称运行状态下分析金属回线接地短路故障和断线故障情况下的故障特性；本发明计算系统切换为不对称运行状态后，金属回线发生接地短路故障和断线故障时直流系统电压和接地电流的表达式。如图2所示。

本发明中的拓扑如图3中所示，VSC_ip(i＝1,2,3,4)为各换流器正极，VSC_in为各换流器负极(i＝1,2,3,4),I_ip(i＝1,2,3,4)为各换流器正极直流电流，I_in(i＝1,2,3,4)为各换流器负极直流电流，I_iN为各换流站注入金属回线的电流，I_g为接地点对地电流。G_i为换流站i的中性线母线，其中换流站VSC3为定直流电压站，稳态时根据基尔霍夫电流定律可知：

此时，金属回线没有电流流过。因此，可以认为金属回线等电位，且因为接地点的缘故，金属回线电位为0。由电路原理可知，若金属回线发生接地短路故障，故障点不会存在短路电流，金属回线电位仍然为0。同样，金属回线出现断线故障时，金属回线电位仍为0。因此，在正负极对称运行的情况下，金属回线的接地短路故障或断线故障不会对柔性直流输电的稳定运行带来任何影响，但是此时金属回线故障无法被识别，当系统切换运行方式时，会威胁系统的安全稳定运行，同样必须改变系统的运行方式才能检测金属回线是否存在故障。

本发明切换柔直系统为不对称运行状态，若金属回线存在接地故障，此时会有电流流过金属回线层，同时接地点构成了回路，会有电流流过，主电路拓扑仍如图3所示，金属回线层拓扑如图4，图中R_ij为各条线路的等效电阻，以换流器VSC_1p发生闭锁故障为例，切换不对称运行后，有：

切换过程中，定直流电压站存在一个调节过程，I_1N和I_3N分别为

在稳态时，有：

I_3N＝f(t_∞)＝-I_1N (5)

若金属回线存在断线故障，此时金属回线层仍有电流流过，但是接地点没有回路，稳态情况下，接地点不存在电流，但是金属回线层中性线母线电压会发生偏移，进而引起系统直流电压的偏移。

本发明中当金属回线存在接地故障时，根据基尔霍夫电流原理，可以求得各条支路的电流，其中入地电流：

并可求得各换流站对应中性线母线的电压U_G1,U_G2,U_G3,U_G4。其中：

用同样的方法可以求得换流站VSC4不对称运行时，流入接地点的电流和各中性线的母线电压。

其中，R₁＝R₁₄+R₃₄，R₂＝R_{12_2}+R₂₃，R₃＝R₁₂，R₁′＝R₃₄,R₃′＝R₁₄+R_{12_1}，R_12-1＝rL。r为金属回线单位长度电阻参数，L为接地点离金属回线母线G₁的距离。

当金属回线存在断线故障时，以G_3-4检修为例，金属回线层等效电路如图5所示，接地点不会有电流流过，以换流站VSC4正极闭锁为例，此时可得：

U_G4＝I_4N(R₁₂+R₂₃+R₁₄) (10)

由于接地点电位为0，各换流站对地直流电压在稳态时几乎没有变化，但是极间电压会发生偏移：

U_4P为换流站VSC4正极对金属回线的电压，U_4n为金属回线对负极线路的电压。

同理，可求得其它金属回线线路检修时，不同换流站发生故障时中性线母线的电位。

测量单元802，用于在柔性直流输电系统的不对称运行状态下，测量柔性直流输电系统的直流系统电压和接地电流，获取直流系统电压测量值和接地电流测量值。

确定单元803，用于对比直流系统电压测量值和直流系统电压计算值，以及对比接地电流测量值和接地电流计算值，确定金属回线的故障类型和故障位置。

优选地系统中计算单元用于在柔性直流输电系统的不对称运行状态下，当发生金属回线的接地短路和断线故障时，计算柔性直流输电系统的直流系统电压和接地电流，获取直流系统电压计算值和接地电流计算值，还用于：

当金属回线发生接地短路的故障时，根据基尔霍夫电流原理，求得各条支路的电流，其中入地电流：

其中I_g为入地电流；I_1N为换流站S1的负极直流电流；R₁为R₁＝R₁₄+R₃₄，R₁₄为换流站S₁为S₄间金属回线的电阻值，R₂为R₂＝R_{12_2}+R₂₃，R₂₃为换流站S₂至S₃间金属回线的电阻值，R_{12_2}为换流站S₁至S₂间金属回线短路点到换流站S₂的电阻值，R₃＝R_{12_1}，R₃为换流站S₁至S₂间金属回线短路点到换流站S₁的电阻值，R_g为接地电阻；

并可求得各换流站对应中性线母线的电压U_G1,U_G2,U_G3,U_G4，其中：

U_G1为换流站S1中性线母线电压,U_G2为换流站S₂中性线母线电压,U_G3为换流站S₃中性线母线电压,U_G4为换流站S₄中性线母线电压；

用同样的方法求得换流站不对称运行时，流入接地点电流和各中性线的母线电压，

I'g为换流站S4不对称运行时金属回线接地点电流；U_G3’为S₄不对称运行时金属回线接地，S₃的中性线母线电压；

其中，R₁＝R₁₄+R₃₄，R₂＝R_{12_2}+R₂₃，R₃＝R₁₂，R₁′＝R₃₄,R₃′＝R₁₄+R_{12_1}，R_12-1＝rL，r为金属回线单位长度电阻参数，L为接地点离金属回线母线G₁的距离；R₁₂为换流站S₁至S₂间金属回线电阻；R₁₄为换流站S₁至S₄间金属回线电阻；R₃₄换流站S₃至S₄间金属回线电阻；R_12-1为故障点到S₁间金属回线电阻；R_12-2为金属回线故障点到S₂间金属回线电阻；R₂₃为,换流站S₂至S₃间金属回线电阻；

当金属回线存在断线故障时，接地点不会有电流流过，此时可得：

U_G4＝I_4N(R₁₂+R₂₃+R₁₄) (10)

由于接地点电位为0，各换流站对地直流电压在稳态时没有变化，极间电压会发生偏移：

U_4P为换流站正极对金属回线的电压，U_4n为金属回线对负极线路的电压；U_dc为柔直系统直流额定电压。

本发明测量不对称运行状态下系统直流电压的值和接地电流的值，通过与理论推导表达式的对比即可确定金属回线故障类型和故障位置。

本发明切换柔直系统为不对称运行状态，测量接地点的电流及柔直系统的直流电压。为保证调节过程已完毕，观察切换状态600ms后的波形。若接地点存在电流，说明此时金属回线存在接地故障，然后通过观测电流幅值的大小，结合式(6)和式(8)即可确定接地故障的位置。如果此时接地电流为0，说明此时为断线故障，再读取直流电压的值，可确定断线故障发生于哪一条金属回线上。

本发明填补了真双极柔性直流输电系统金属回线故障特性研究的空白。本发明指出了系统在对称运行状态下，无法检测到金属回线故障；但是在检修或者其它原因需要切换柔直系统为不对称运行时，金属回线故障存在时的一些故障特性，若故障没有及时清除，会威胁柔直系统的长期安全稳定运行。本发明通过在系统不对称运行状态下测量的电气量确定金属回线故障的类型及其位置，为及时清除金属回线故障提供了一定的理论研究基础。

已经通过参考少量实施方式描述了本发明。然而，本领域技术人员所公知的，正如附带的专利权利要求所限定的，除了本发明以上公开的其他的实施例等同地落在本发明的范围内。

通常地，在权利要求中使用的所有术语都根据他们在技术领域的通常含义被解释，除非在其中被另外明确地定义。所有的参考“一个/所述/该[装置、组件等]”都被开放地解释为所述装置、组件等中的至少一个实例，除非另外明确地说明。这里公开的任何方法的步骤都没必要以公开的准确的顺序运行，除非明确地说明。

软件发明可存储在计算机可读取存储介质中的说明，请保存下面的模板：

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。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于对真双极柔性直流输电系统进行故障判别的方法，所述方法包括：

在柔性直流输电系统的不对称运行状态下，当发生金属回线的接地短路和断线故障时，获取所述直流系统电压计算值和所述接地电流计算值；以及获取所述直流系统电压测量值和所述接地电流测量值；

对比所述直流系统电压测量值和所述直流系统电压计算值，以及对比所述接地电流测量值和所述接地电流计算值，确定所述金属回线的故障类型和故障位置。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括：建立所述柔性直流输电系统的拓扑图，分析所述柔性直流输电系统在对称运行状态下，当发生金属回线的接地短路和断线故障时，对所述柔性直流输电系统运行的影响。

3.根据权利要求1所述的方法，还包括：

在柔性直流输电系统的不对称运行状态下，若金属回线存在接地故障，此时会有电流流过金属回线层，同时接地点构成了回路，会有电流流过，，图中R_ij为各条线路的等效电阻，当换流器发生闭锁故障时，在柔性直流输电系统的不对称运行状态下，有：

其中，i＝1,2,3,4；I_in为第i个换流站的负极直流电流；I_iN为第i个换流站的金属回线电流；I_ip为第i个换流站的正极直流电流；

在柔性直流输电系统由对称状态切换为不对称运行状态时，定直流电压站存在一个调节过程，I_1N和I_3N分别为：

在稳态时，有：

I_3N＝f(t_∞)＝-I_1N (5)

其中f(t)为I_3N关于时间t的函数；f(t_∞)为I_3N的稳态值；t为时间；t₀为故障时刻；

若金属回线存在断线故障，金属回线仍有电流流过，接地点没有回路，稳态情况下，接地点不存在电流，金属回线层中性线母线电压会发生偏移，引起直流系统电压的偏移。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述在柔性直流输电系统的不对称运行状态下，当发生金属回线的接地短路和断线故障时，计算所述柔性直流输电系统的直流系统电压和接地电流，获取所述直流系统电压计算值和所述接地电流计算值，包括：

当所述金属回线发生接地短路的故障时，根据基尔霍夫电流原理，求得各条支路的电流，其中入地电流：

其中I_g为入地电流；I_1N为换流站S1的负极直流电流；R₁为R₁＝R₁₄+R₃₄，R₁₄为换流站S₁为S₄间金属回线的电阻值，R₂为R₂＝R_{12_2}+R₂₃，R₂₃为换流站S₂至S₃间金属回线的电阻值，R_{12_2}为换流站S₁至S₂间金属回线短路点到换流站S₂的电阻值，R₃＝R_{12_1}，R₃为换流站S₁至S₂间金属回线短路点到换流站S₁的电阻值，R_g为接地电阻；

并求得各换流站对应中性线母线的电压U_G1,U_G2,U_G3,U_G4，其中：

U_G1为换流站S1中性线母线电压,U_G2为换流站S₂中性线母线电压,U_G3为换流站S₃中性线母线电压,U_G4为换流站S₄中性线母线电压；

用同样的方法求得换流站不对称运行时，流入接地点电流和各中性线的母线电压，

I'g为换流站S4不对称运行时金属回线接地点电流；U_G3’为S₄不对称运行时金属回线接地，S₃的中性线母线电压；

其中，R₁＝R₁₄+R₃₄，R₂＝R_{12_2}+R₂₃，R₃＝R₁₂，R₁′＝R₃₄,R₃′＝R₁₄+R_{12_1}，R_12-1＝rL，r为金属回线单位长度电阻参数，L为接地点离金属回线母线G₁的距离；

R₁₂为换流站S₁至S₂间金属回线电阻；R₁₄为换流站S₁至S₄间金属回线电阻；R₃₄换流站S₃至S₄间金属回线电阻；R_12-1为故障点到S₁间金属回线电阻；R_12-2为金属回线故障点到S₂间金属回线电阻；R₂₃为,换流站S₂至S₃间金属回线电阻；

当金属回线存在断线故障时，接地点不会有电流流过，此时可得：

U_G4＝I_4N(R₁₂+R₂₃+R₁₄) (10)

由于接地点电位为0，各换流站对地直流电压在稳态时没有变化，极间电压会发生偏移：

U_4P为换流站正极对金属回线的电压，U_4n为金属回线对负极线路的电压；U_dc为柔直系统直流额定电压。

5.一种用于对真双极柔性直流输电系统进行故障判别的系统，所述系统包括：

计算单元，用于在柔性直流输电系统的不对称运行状态下，当发生金属回线的接地短路和断线故障时，获取所述直流系统电压计算值和所述接地电流计算值；

测量单元，用于获取所述直流系统电压测量值和所述接地电流测量值；

确定单元，用于对比所述直流系统电压测量值和所述直流系统电压计算值，以及对比所述接地电流测量值和所述接地电流计算值，确定所述金属回线的故障类型和故障位置。

6.根据权利要求5所述的系统，还包括分析单元，用于：建立所述柔性直流输电系统的拓扑图，分析所述柔性直流输电系统在对称运行状态下，当发生金属回线的接地短路和断线故障时，对所述柔性直流输电系统运行的影响。

7.根据权利要求5所述的系统，还包括分析单元，用于：

在柔性直流输电系统的不对称运行状态下，若金属回线存在接地故障，此时会有电流流过金属回线层，同时接地点构成了回路，会有电流流过，，图中R_ij为各条线路的等效电阻，当换流器发生闭锁故障时，在柔性直流输电系统的不对称运行状态下，有：

其中，i＝1,2,3,4；I_in为第i个换流站的负极直流电流；I_iN为第i个换流站的金属回线电流；I_ip为第i个换流站的正极直流电流；

在柔性直流输电系统由对称状态切换为不对称运行状态时，定直流电压站存在一个调节过程，I_1N和I_3N分别为：

在稳态时，有：

I_3N＝f(t_∞)＝-I_1N (5)

其中f(t)为I_3N关于时间t的函数；f(t_∞)为I_3N的稳态值；t为时间；t₀为故障时刻；

若金属回线存在断线故障，金属回线仍有电流流过，接地点没有回路，稳态情况下，接地点不存在电流，金属回线层中性线母线电压会发生偏移，引起直流系统电压的偏移。

8.根据权利要求5所述的系统，其中计算单元用于在柔性直流输电系统的不对称运行状态下，当发生金属回线的接地短路和断线故障时，计算所述柔性直流输电系统的直流系统电压和接地电流，获取所述直流系统电压计算值和所述接地电流计算值，还用于：

当所述金属回线发生接地短路的故障时，根据基尔霍夫电流原理，求得各条支路的电流，其中入地电流：

其中I_g为入地电流；I_1N为换流站S1的负极直流电流；R₁为R₁＝R₁₄+R₃₄，R₁₄为换流站S₁为S₄间金属回线的电阻值，R₂为R₂＝R_{12_2}+R₂₃，R₂₃为换流站S₂至S₃间金属回线的电阻值，R_{12_2}为换流站S₁至S₂间金属回线短路点到换流站S₂的电阻值，R₃＝R_{12_1}，R₃为换流站S₁至S₂间金属回线短路点到换流站S₁的电阻值，R_g为接地电阻；

并求得各换流站对应中性线母线的电压U_G1,U_G2,U_G3,U_G4，其中：

U_G1为换流站S1中性线母线电压,U_G2为换流站S₂中性线母线电压,U_G3为换流站S₃中性线母线电压,U_G4为换流站S₄中性线母线电压；

用同样的方法求得换流站不对称运行时，流入接地点电流和各中性线的母线电压，

I'g为换流站S4不对称运行时金属回线接地点电流；U_G3’为S₄不对称运行时金属回线接地，S₃的中性线母线电压；

其中，R₁＝R₁₄+R₃₄，R₂＝R_{12_2}+R₂₃，R₃＝R₁₂，R₁′＝R₃₄,R₃′＝R₁₄+R_{12_1}，R_12-1＝rL，r为金属回线单位长度电阻参数，L为接地点离金属回线母线G₁的距离；

R₁₂为换流站S₁至S₂间金属回线电阻；R₁₄为换流站S₁至S₄间金属回线电阻；R₃₄换流站S₃至S₄间金属回线电阻；R_12-1为故障点到S₁间金属回线电阻；R_12-2为金属回线故障点到S₂间金属回线电阻；R₂₃为,换流站S₂至S₃间金属回线电阻；

当金属回线存在断线故障时，接地点不会有电流流过，此时可得：

U_G4＝I_4N(R₁₂+R₂₃+R₁₄) (10)

由于接地点电位为0，各换流站对地直流电压在稳态时没有变化，极间电压会发生偏移：

U_4P为换流站正极对金属回线的电压，U_4n为金属回线对负极线路的电压；U_dc为柔直系统直流额定电压。

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