CN114268082B - 一种断路器失灵识别保护方法、介质及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种断路器失灵识别保护方法、介质及系统，包括：若特高压直流换流站的任一换流器区域发生故障，则保护装置动作出口，故障换流器区域的换流器以及故障换流器区域对站同极对应的换流器区域的换流器均闭锁；故障换流器区域以及故障换流器区域对站同极对应的换流器区域的断路器均按照预设逻辑动作；计算按照预设逻辑动作的每一断路器的延时时间；在每一断路器的延时时间后，采集每一断路器两端的电压；根据采集的每一断路器两端的电压，计算每一断路器的电压有效值；根据每一断路器的动作类型，判断每一断路器的电压有效值是否满足预设条件；若任一断路器满足预设条件，则失灵保护出口。本发明加快识别特高压直流换流站断流器失灵及保护。

Description

一种断路器失灵识别保护方法、介质及系统

技术领域

本发明涉及特高压直流换流站断流器技术领域，尤其涉及一种断路器失灵识别保护方法、介质及系统。

背景技术

我国是一个能源分布中心与电力负荷中心极不重合的大国，负荷中心主要分布在华东长三角、华北京津唐以及华南珠三角等经济发达地区，占总能源消耗量的3/4以上；而专用于发电的一次能源煤炭和水力资源，则主要集中在西部和西南等经济欠发达地区，因此电力需要在能源中心与负荷中心之间远距离传输。

在此背景下，与交流输电相比，高压直流输电不存在稳定性问题，并且具有线路造价低、能量损耗小、控制快速简单等一系列优点。而特高压直流输电与传统高压直流输电相比更是有着输电效率高、可靠性与稳定性强、电力传输成本低等显著优势，而且在大容量、远距离输电应用场景下更能得以发挥。综上所述，建设特高压直流输电工程对发展我国电气行业具有重要意义。

特高压直流换流站的每极有两个串联的十二脉动换流器，运行方式灵活，其中双极四换流器、双极三换流器或单极双换流器运行方式占直流系统运行时间90％以上。当单换流器发生故障时，换流器差动保护、极差动保护动作，因配置的隔离开关动作过慢，且不具备灭弧能力，所以需靠交流断路器、中性母线断路器动作开断故障电流，实现故障隔离。故障换流器隔离过程耗费时间超过110秒，将导致两端交流系统大规模配套电源机组切机和大规模负荷切除，损失巨额功率，大大影响直流输电系统供电可靠性和经济性指标。

发明内容

本发明实施例提供一种断路器失灵识别保护方法、介质及系统，以解决现有技术不能快速有效识别特高压直流换流站断流器失灵并进行相应保护的问题。

第一方面，提供一种断路器失灵识别保护方法，所述断路器用于特高压直流换流站，所述识别保护方法包括：

若特高压直流换流站的任一换流器区域发生故障，则保护装置动作出口，故障换流器区域的换流器以及故障换流器区域对站同极对应的换流器区域的换流器均闭锁；

故障换流器区域以及故障换流器区域对站同极对应的换流器区域的断路器均按照预设逻辑动作；

计算按照预设逻辑动作的每一断路器的延时时间；

在每一断路器的延时时间后，采集每一断路器两端的电压；

根据采集的每一断路器两端的电压，计算每一断路器的电压有效值；

根据每一断路器的动作类型，判断每一断路器的电压有效值是否满足预设条件；

若任一断路器满足预设条件，则失灵保护出口。

第二方面，提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序指令；所述计算机程序指令被处理器执行时实现如上述第一方面实施例所述的断路器失灵识别保护方法。

第三方面，提供一种断路器失灵识别保护系统，包括：如上述第二方面实施例所述的计算机可读存储介质。

这样，本发明实施例，通过配置单换流器故障快速隔离的失灵保护，可加快单换流器区域故障的故障隔离速度，避免故障发展至严重故障，以提升特高压直流系统运行的可靠性和经济性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例的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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例1的断路器失灵识别保护方法的流程图；

图2是本发明实施例2的断路器失灵识别保护方法的流程图；

图3是本发明实施例3的断路器失灵识别保护方法的流程图；

图4是本发明应用例的特高压直流系统换流站拓扑图；

图5是本发明应用例采集的特高压直流系统换流站的断路器的电压波形图，其中，断路器为旁通断路器；

图6是本发明应用例采集的特高压直流系统换流站的断路器的电压波形图，其中，断路器为阴极断路器、阳极断路器和并联断路器；

图7是本发明应用例的故障后流经换流器阴极断路器的电流波形图；

图8是本发明应用例的故障后流经换流器阳极断路器的电流波形图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获取的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本发明实施例1公开了一种断路器失灵识别保护方法。断路器用于特高压直流换流站。如图1所示，该识别保护方法包括如下的步骤：

步骤S101：若特高压直流换流站的任一换流器区域发生故障，则保护装置动作出口，故障换流器区域的换流器以及故障换流器区域对站同极对应的换流器均闭锁。

一般的，特高压直流换流站包括互为对侧的两个换流站。其中，一个换流站为整流站，另一个换流站为逆变站。每一换流站包括两个极。每一极包括两个换流器区域。其中，一个换流器区域为高端换流器区域，另一个换流器区域为低端换流器区域。例如，整流站的极1高端换流器区域的对站同极对应的换流器区域为逆变站的极1高端换流器区域。

具体的，闭锁故障换流器区域的换流器，对站同极对应的换流器区域的换流器的晶闸管触发脉冲，在交流侧系统影响下，流过晶闸管的电流很快过零，实现换流器的关断。

步骤S102：故障换流器区域以及故障换流器区域对站同极对应的换流器区域的断路器均按照预设逻辑动作。

该预设逻辑可根据实际情况设置。对于断路器，其动作包括合闸和分闸。

步骤S103：计算按照预设逻辑动作的每一断路器的延时时间。

应当理解的是，不仅要计算故障换流器区域的动作的断路器的延时时间，还要计算故障换流器区域对站同极对应的换流器区域的动作的断路器的延时时间。

具体的，断路器的延时时间的计算式为：

T_d＝t_{brk_act}+t_return+t_margin；

其中，t_{brk_act}表示断路器动作的机械动作时间，根据实际动作采集，即若是分闸则是机械分闸时间，若是合闸则是机械合闸时间。应当理解的是，若断路器为直流断路器，则机械动作时间可忽略不计。t_return表示电压元件的返回时间，由互感器采集电压信号的迟滞进行整定得到，本发明实施例可根据具体互感器参数性质预设。t_margin表示时间配合裕度，由互感器发生拖尾现象的拖尾信号衰减至0的时间进行整定，本发明实施例可根据具体互感器参数性质预设。

通过引入时间配合裕度计算延时时间，有助于解决互感器拖尾现象引起的失灵保护误动问题。

步骤S104：在每一断路器的延时时间后，采集每一断路器两端的电压。

具体可通过现有的电压采集设备采集得到。

步骤S105：根据采集的每一断路器两端的电压，计算每一断路器的电压有效值。

具体的，电压有效值的计算式为：

其中，U_rms表示电压有效值。K表示电压可靠系数，可根据实际情况和经验预设。T表示时间窗长度，可根据实际情况确定。T₀表示当前时刻，u为采集的断路器两端的电压。

步骤S106：根据每一断路器的动作类型，判断每一断路器的电压有效值是否满足预设条件。

具体的，预设条件包括：

(1)动作类型为合闸的断路器的失灵保护电压大于合闸失灵阈值。

(2)动作类型为分闸的断路器的失灵保护电压小于分闸失灵阈值。

断路器合闸失灵阈值和分闸失灵阈值应避开换流器正常运行状态下的电压波动，因此，合闸失灵阈值的计算式为：u_set1＝K₁×M₁×u_n。分闸失灵阈值的计算式为：u_set2＝M₂×u_n÷K₂。

其中，u_set1表示合闸失灵阈值。K₁表示合闸电压可靠系数，可根据经验预设。M₁表示合闸电压整定系数，可根据经验预设。u_set2表示分闸失灵阈值，K₂表示分闸电压可靠系数，可根据经验预设。M₂表示分闸电压整定系数，可根据经验预设。u_n表示直流额定电压。

步骤S107：若任一断路器满足预设条件，则失灵保护出口。

任一断路器满足预设条件，表明该断路器可能没有正确动作，存在失灵风险，因此，失灵保护出口。

若所有断路器均不满足预设条件，则表明所有断路器均正确动作。

实施例1通过上述的过程，可以初步判断断路器是否存在失灵风险，以便失灵保护出口。

实施例2

本发明实施例2公开了一种断路器失灵识别保护方法。断路器用于特高压直流换流站。如图2所示，该识别保护方法包括如下的步骤：

步骤S201：若特高压直流换流站的任一换流器区域发生故障，则保护装置动作出口，故障换流器区域的换流器以及故障换流器区域对站同极对应的换流器区域的换流器均闭锁。

步骤S202：故障换流器区域以及故障换流器区域对站同极对应的换流器区域的断路器均按照预设逻辑动作。

步骤S203：计算按照预设逻辑动作的每一断路器的延时时间。

步骤S204：在每一断路器的延时时间后，采集每一断路器两端的电压。

步骤S205：根据采集的每一断路器两端的电压，计算每一断路器的电压有效值。

步骤S206：根据每一断路器的动作类型，判断每一断路器的电压有效值是否满足预设条件。

步骤S207：若任一断路器满足预设条件，则失灵保护出口。

步骤S201～S207与实施例1的步骤S101～S107相同，在此不再赘述。

步骤S208：将满足预设条件的断路器按照预设逻辑重新动作。

步骤S209：在重新动作的断路器的延时时间后，采集重新动作的断路器两端的电压。

延时时间与前述的延时时间相同。断路器两端的电压具体可通过现有的电压采集设备采集得到。

步骤S210：根据采集的重新动作的断路器两端的电压，计算重新动作的断路器的电压有效值。

该电压有效值的计算式与实施例1中的计算式相同，在此不再赘述。

步骤S211：根据重新动作的断路器的动作类型，判断重新动作的断路器的电压有效值是否满足预设条件。

该预设条件与实施例1中的预设条件相同，在此不再赘述。

步骤S212：若满足预设条件，则确定重新动作的断路器未正确动作。

应当理解的是，若不满足预设条件，则重新动作的断路器正确动作。

实施例2通过上述的过程，可以确定断路器是否未正确动作。

实施例3

本发明实施例3公开了一种断路器失灵识别保护方法。断路器用于特高压直流换流站。如图3所示，该识别保护方法包括如下的步骤：

步骤S301：若特高压直流换流站的任一换流器区域发生故障，则保护装置动作出口，故障换流器区域的换流器以及故障换流器区域对站同极对应的换流器区域的换流器均闭锁。

步骤S302：故障换流器区域以及故障换流器区域对站同极对应的换流器区域的断路器均按照预设逻辑动作。

步骤S303：计算按照预设逻辑动作的每一断路器的延时时间。

步骤S304：在每一断路器的延时时间后，采集每一断路器两端的电压。

步骤S305：根据采集的每一断路器两端的电压，计算每一断路器的电压有效值。

步骤S306：根据每一断路器的动作类型，判断每一断路器的电压有效值是否满足预设条件。

步骤S307：若任一断路器满足预设条件，则失灵保护出口。

步骤S308：将满足预设条件的断路器按照预设逻辑重新动作。

步骤S309：在重新动作的断路器的延时时间后，采集重新动作的断路器两端的电压。

步骤S310：根据采集的重新动作的断路器两端的电压，计算重新动作的断路器的电压有效值。

步骤S311：根据重新动作的断路器的动作类型，判断重新动作的断路器的电压有效值是否满足预设条件。

步骤S312：若满足预设条件，则确定重新动作的断路器未正确动作。

步骤S301～S312与实施例2的步骤S201～S212相同，在此不再赘述。

步骤S313：将未正确动作的断路器所在的保护区域的相邻断路器以及未正确动作的断路器对应的对站同极所在的保护区域的相邻断路器断开。

保护区域指的是该断路器所在换流站的所在极的两个换流器区域，因此，保护区域对站同极也应当包括对站同极的两个换流器区域。具体的，本发明实施例的保护区域的相邻断路器包括：保护区域连接的中性母线断路器，以及，每一换流器区域连接的两个交流断路器。同样的，保护区域对站同极对应的相邻断路器也包括对应的中性母线断路器和每一换流器区域连接的两个交流断路器。

实施例3通过上述的过程，当确定断路器未正确动作后，将未正确动作的断路器所在的保护区域的相邻断路器以及对站同极对应的保护区域的相邻断路器断开，从而实现换流器区域故障的快速隔离。

应用例

下面结合具体应用例对本发明实施例的方案做进一步的阐述。

如图4所示，为±800kV特高压直流输电系统整流侧极1区域连接方式示意图。其中，Q11、Q12、Q21、Q22为交流断路器，Q1为旁通断路器，Q3为阳极断路器，Q4为并联断路器，Q5为阴极断路器，NBS为中性母线断路器。以故障的整流侧极1区域为例描述该识别保护方法(对站同极进行相应的操作，下文不再描述)，具体如下：

(1)极1高端换流器Thy1区域直流穿墙套管K1处发生接地故障，则换流器差动保护出口，发出换流器闭锁指令，故障换流器Thy1区域的换流器Thy1闭锁。

同理，故障换流器Thy1区域对站同极对应的换流器区域的换流器闭锁。

(2)故障换流器Thy1区域的断路器按如下的动作逻辑动作：闭合旁通断路器Q1，闭合并联断路器Q4，开断阴极断路器Q5和阳极断路器Q3，开断旁通断路器Q1。

同理，故障换流器Thy1区域对站同极对应的换流器区域的断路器也相应动作。

(3)采用T_d＝t_{brk_act}+t_return+t_margin计算故障换流器Thy1区域的旁通断路器Q1、阳极断路器Q3、并联断路器Q4和阴极断路器Q5的延时时间。

由于上述断路器为直流断路器，t_{brk_act}忽略不计，t_return预设为40ms，t_margin预设为30ms，则T_d＝70ms。

同理，故障换流器Thy1区域对站同极对应的换流器区域的断路器的T_d＝70ms。

(4)上述的旁通断路器Q1、阳极断路器Q3、并联断路器Q4和阴极断路器Q5接收到动作信号后均延时T_d，分别测量其两端电压，旁通断路器Q1、阳极断路器Q3、并联断路器Q4和阴极断路器Q5的电压波形如图5和图6所示。

同理，采集故障换流器Thy1区域对站同极对应的换流器区域的断路器的两端电压。

(5)根据采集的每一断路器两端的电压波形，通过计算旁通断路器Q1(分闸)、阳极断路器Q3(分闸)、并联断路器Q4(合闸)、阴极断路器Q5(分闸)的电压有效值分别为136.23kV、0.043kV、0.027kV、0.019kV。应当理解的是，旁通断路器Q1的合闸和分闸两个动作之间的间隔时间极短，不足以判断其合闸失灵，并且如果旁通断路器Q1合闸失灵，势必影响其他断路器的正确动作，因此，根据其他断路器失灵的判断结果，也可以保证整体的判断结果的准确。基于上述的原因，本发明实施例无需计算旁通断路器Q1合闸的电压有效值，进而无需判断旁通断路器Q1是否正确合闸。

同理，计算故障换流器Thy1区域对站同极对应的换流器区域的断路器的电压有效值。

(6)该应用例的合闸电压可靠系数K₁＝1.3，合闸电压整定系数M₁＝0.1，分闸电压可靠系数K₂＝1.3，分闸电压整定系数M₂＝0.1，直流额定电压u_n＝800kV。

合闸失灵阈值：u_set1＝K₁×M₁×u_n＝1.3×0.1×800＝104kV。

分闸失灵阈值：u_set2＝M₂×u_n÷K₂＝0.1×800÷1.3＝61.6kV。

因此，通过比较，阳极断路器Q3和阴极断路器Q5满足预设条件的分闸失灵判据，旁通断路器Q1不满足预设条件的分闸失灵判据，并联断路器Q4不满足预设条件的合闸失灵判据，故阳极断路器Q3和阴极断路器Q5存在发生分闸失灵的可能性。

同理，故障换流器Thy1区域对站同极对应的换流器区域的断路器也进行相应的判断。

(7)阳极断路器Q3和阴极断路器Q5满足预设条件，则失灵保护出口。

同理，故障换流器Thy1区域对站同极对应的换流器区域的断路器若满足预设条件，则进行失灵保护出口。

(8)将阳极断路器Q3和阴极断路器Q5重新分闸。

同理，故障换流器Thy1区域对站同极对应的换流器区域的满足预设条件的断路器也重新动作。

(9)在阳极断路器Q3和阴极断路器Q5重新分闸后，延时时间70ms，然后采集阳极断路器Q3和阴极断路器Q5两端的电压，如图6所示。

同理，采集故障换流器Thy1区域对站同极对应的换流器区域的重新动作的断路器的两端电压。

(10)由图6所示电压波形图可以计算得到阳极断路器Q3(分闸)和阴极断路器Q5(分闸)的电压有效值分别为0.041kV、0.022kV。

同理，计算故障换流器Thy1区域对站同极对应的换流器区域的重新动作的断路器的电压有效值。

(11)通过比较，分闸动作的阳极断路器Q3和阴极断路器Q5两端的电压有效值仍然满足预设条件的分闸失灵判据。

同理，故障换流器Thy1区域对站同极对应的换流器区域的重新动作的断路器也进行相应的判断。

(12)阳极断路器Q3和阴极断路器Q5未能成功进行分闸动作。

同理，根据判断结果，确定故障换流器Thy1区域对站同极对应的换流器区域的重新动作的断路器是否成功进行相应动作。

(13)断开交流断路器Q11和Q12，断开中性母线断路器NBS。

同理，对站同极对应的断路器也断开，动作结束后，系统变为单极运行。

故障后流经阴极断路器Q5的电流波形图如图7所示，流经阳极断路器Q3的电流波形图如图8所示，换流器Thy1闭锁后，阴极断路器Q5因逆变侧电流方向不可逆向且其两端电位相等(旁通断路器Q1和并联断路器Q4先进行合闸操作)而未出现较大的故障电流；而极1低端换流器输出电流流经阳极断路器Q3、旁通断路器Q1至故障点K1形成故障回路，因此阳极断路器Q3出现了较大的故障电流。失灵保护出口后，故障电流很快减小，至1.1s时，即故障发生0.1s时，故障电流已基本降至0。因此，本发明实施例的方法能够在断路器失灵情况下快速动作，从而实现换流器区域故障的快速隔离，避免向严重故障发展，提升了特高压直流系统的可靠性和稳定性。

本发明实施例还公开了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序指令；所述计算机程序指令被处理器执行时实现如上述实施例所述的断路器失灵识别保护方法。

本发明实施例还公开了一种断路器失灵识别保护系统，包括：如上述实施例所述的计算机可读存储介质。

综上，本发明实施例，通过配置单换流器故障快速隔离的失灵保护，可加快单换流器区域故障的故障隔离速度，避免故障发展至严重故障，以提升特高压直流系统运行的可靠性和经济性。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种断路器失灵识别保护方法，其特征在于，所述断路器用于特高压直流换流站，所述识别保护方法包括：

若特高压直流换流站的任一换流器区域发生故障，则保护装置动作出口，故障换流器区域的换流器以及故障换流器区域对站同极对应的换流器区域的换流器均闭锁；

故障换流器区域以及故障换流器区域对站同极对应的换流器区域的断路器均按照预设逻辑动作；

计算按照预设逻辑动作的每一断路器的延时时间；

在每一断路器的延时时间后，采集每一断路器两端的电压；

根据采集的每一断路器两端的电压，计算每一断路器的电压有效值；

根据每一断路器的动作类型，判断每一断路器的电压有效值是否满足预设条件；

若任一断路器满足预设条件，则失灵保护出口；

所述预设条件包括：

动作类型为合闸的断路器的失灵保护电压大于合闸失灵阈值，或，动作类型为分闸的断路器的失灵保护电压小于分闸失灵阈值；

所述合闸失灵阈值的计算式为：u_set1＝K₁×M₁×u_n；所述分闸失灵阈值的计算式为：u_set2＝M₂×u_n÷K₂；

其中，u_set1表示合闸失灵阈值，K₁表示合闸电压可靠系数，M₁表示合闸电压整定系数，u_set2表示分闸失灵阈值，K₂表示分闸电压可靠系数，M₂表示分闸电压整定系数，u_n表示直流额定电压。

2.根据权利要求1所述的断路器失灵识别保护方法，其特征在于，所述失灵保护出口的步骤之后，所述方法还包括：

将满足预设条件的断路器按照预设逻辑重新动作；

在重新动作的断路器的延时时间后，采集重新动作的断路器两端的电压；

根据采集的重新动作的断路器两端的电压，计算重新动作的断路器的电压有效值；

根据重新动作的断路器的动作类型，判断重新动作的断路器的电压有效值是否满足预设条件；

若满足预设条件，则确定重新动作的断路器未正确动作。

3.根据权利要求2所述的断路器失灵识别保护方法，其特征在于：所述确定重新动作的断路器未正确动作的步骤之后，所述方法还包括：

将未正确动作的断路器所在的保护区域的相邻断路器以及未正确动作的断路器对应的对站同极所在的保护区域的相邻断路器断开。

4.根据权利要求1～3任一项所述的断路器失灵识别保护方法，其特征在于，所述断路器的延时时间的计算式为：

T_d＝t_{brk_act}+t_return+t_margin；

其中，t_{brk_act}表示断路器动作的机械动作时间，t_return表示电压元件的返回时间，t_margin表示时间配合裕度。

5.根据权利要求1～3任一项所述的断路器失灵识别保护方法，其特征在于，所述电压有效值的计算式为：

其中，U_rms表示电压有效值，K表示电压可靠系数，T表示时间窗长度，T₀表示当前时刻，u为断路器两端的电压。

6.一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上存储有计算机程序指令；所述计算机程序指令被处理器执行时实现如权利要求1～5中任一项所述的断路器失灵识别保护方法。

7.一种断路器失灵识别保护系统，其特征在于，包括：如权利要求6所述的计算机可读存储介质。