CN114859172A - 基于幅值判据的柔性直流电网接地故障选线的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出了基于幅值判据的柔性直流电网接地故障选线的方法及装置，包括：获取柔性直流电网母线直流共模电压绝对值和直流支路三次谐波共模有功功率；基于获得的数据利用幅值判据来诊断接地故障支路，在诊断出接地故障支路后，控制系统发出信号切除该条直流支路。从而避免了逐路断开各支路来查找故障支路造成的其他支路短时停电，使得直流电网可靠性得到提高。

Description

基于幅值判据的柔性直流电网接地故障选线的方法及装置

技术领域

本发明属于直流电网继电保护技术领域，尤其涉及基于幅值判据的柔性直流电网接地故障选线的方法及装置。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

针对由一条母线、一条AC/DC电源支路和若干负荷支路组成的直流侧不接地柔性直流电网，在进行故障诊断时，存在的技术问题是：

柔性直流配电系统中如果交流侧采用高阻接地，直流侧就不需要其他的接地措施，此时直流侧如果发生一点接地故障，会导致直流侧出现直流电压偏置，但短路电流很小，传统方法通常采用逐路断开各支路来查找接地支路，这样的查找方法会造成试拉的支路短时停电。

因此，需要快速准确地选出故障线路进行切除，同时不造成非故障支路短时停电。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提供了基于幅值判据的柔性直流电网接地故障选线的方法，在诊断出接地故障支路后，发出信号告知控制系统切除该条直流支路，从而避免了其他支路短时停电，提高了直流电网运行的可靠性。

为实现上述目的，本发明的一个或多个实施例提供了如下技术方案：

第一方面，公开了基于幅值判据的柔性直流电网接地故障选线的方法，包括：

获取柔性直流电网母线直流共模电压绝对值和直流支路三次谐波共模有功功率；

基于获得的数据利用幅值判据来诊断接地故障支路，在诊断出接地故障支路后，控制系统发出信号切除该条直流支路。

作为进一步的技术方案，所述幅值判据为：

若直流母线出现直流共模电压偏置，且各直流支路三次谐波共模有功功率小于电源支路额定功率的设定值，则判定是电源进线支路发生接地故障；

若直流母线出现直流共模电压偏置，电源支路三次谐波共模有功功率大于电源支路额定功率的设定值，在其他负荷支路中，若第j条支路上的三次谐波共模有功功率最大，则判定是负荷支路j发生故障。

作为进一步的技术方案，直流母线出现直流共模电压偏置的判断依据是：

|U_com0|>k·U_dc

其中，k为过电压可靠系数，k取值范围为0<k<0.5，母线的直流共模电压为U_com0，其绝对值为|U_com0|，U_dc为直流母线额定极间电圧。

作为进一步的技术方案，若记电源支路为第一条支路，即|P_1com3|>ε，在其他负荷支路中，若第j条支路上的三次谐波共模有功功率最大，即：|P_jcom3|＝Max{|P_2com3|，|P_3com3|，...，|P_ncom3|}，2≤j≤n；

其中，n为与母线相连的支路总数，ε为三次谐波共模有功功率测量可能出现的最大误差，ε取电源支路额定功率的1％。

作为进一步的技术方案，采样得到母线正极电压、负极电压，获得母线共模电压；

采样得到各直流支路正极电流、负极电流，获得各支路共模电流。

作为进一步的技术方案，还包括：

通过连续采样及傅里叶算法得到母线的直流共模电压U_com0、母线的三次共模电压以及各支路三次谐波共模电流向量；

对母线的直流共模电压求取其绝对值得到|U_com0|、对母线的三次共模电压求取其绝对值得到

以及对各支路三次谐波共模电流向量求取幅值，得到

求取

与

之间的相角差为α，获得各支路三次谐波共模有功功率大小：

作为进一步的技术方案，所述柔性直流电网由一条母线、一条AC/DC电源支路和若干负荷支路组成。

第二方面，公开了基于幅值判据的柔性直流电网接地故障选线的装置，包括：

检测单元，用于采集得到母线正极电压、负极电压，各直流支路正极电流、负极电流；

继电保护装置，用于获取检测单元采集的数据，并基于采集的数据获取柔性直流电网母线直流共模电压绝对值和直流支路三次谐波共模有功功率；

基于获得的数据利用幅值判据来诊断接地故障支路，在诊断出接地故障支路后，控制发出信号切除该条直流支路。

作为进一步的技术方案，所述检测单元包括：电压传感器及电流传感器；

所述电压传感器一次侧分别接入正、负极直流母线及接地，所述电压传感器二次侧接入继电保护装置；

所述电流传感器装设在直流支路正、负极上，所述电流传感器二次侧接至继电保护装置。

作为进一步的技术方案，所述继电保护装置包括：模拟量采集模块、中央处理单元及执行单元；

所述模拟量采集模块分别接入电压传感器及电流传感器，实现对模拟量的采集并传输至中央处理单元；

所述中央处理单元用于执行幅值判据并诊断出接地故障支路，将相应信号发送至执行单元；

所述执行单元接收接地故障支路信息后切除该条直流支路。

上述基于幅值判据的柔性直流电网接地故障选线的方法、系统适用于直流侧不接地柔性直流配电网。

以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

本发明首次提出了利用直流电压偏置及各支路三次谐波共模有功功率大小来诊断接地故障支路，在诊断出接地故障端后，发出信号告知控制系统切除该条直流支路，从而避免了逐路断开各支路来查找故障支路造成的其他支路短时停电，使得直流电网可靠性得到提高。

本发明不需要存储直流电压偏置及各支路三次谐波共模有功功率历史数据，幅值判据数据丢失后面依旧可以通过故障后的数据选出故障线路。

本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明所述柔性直流电网接地故障选线的方法中保护装置的安装示意图；

图2是本发明所述柔性直流电网接地故障选线的方法中进行故障保护的逻辑框图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明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发明的示例性实施方式。

在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

当AC/DC采用空间矢量脉宽调制技术(SVPWM)时，通常会产生纵向的三次谐波共模电压，如果交流侧中性点经高阻接地，直流侧不接地，正常运行时三次谐波不构成通路，各个支路没有三次谐波电流，当任一支路发生单极接地故障，三次谐波电压构成通路，在直流侧产生共模的三次谐波电压，产生三次谐波共模功率。

实施例一

本实施例公开了基于幅值判据的柔性直流电网接地故障选线的方法，针对由一条母线、一条AC/DC电源支路和若干负荷支路组成的直流侧不接地柔性直流电网，经测量计算得到母线的直流共模电压为U_com0，其幅值即为绝对值为|U_com0|，经测量计算得到各支路的三次谐波共模有功功率，设第i条支路三次谐波共模有功功率为P_icom3，其幅值即为绝对值为|P_icom3|，当该柔性直流电网发生接地故障时，可通过下面判据诊断是何条线路发生接地故障：

参见附图2所示，判据1：若直流母线出现直流共模电压偏置，即：|U_com0|>k·U_dc，且各直流支路三次谐波共模有功功率很小，即：|P_icom3|<ε，i＝1，2，…，n，则判定是电源进线支路发生接地故障；

判据2：若直流母线出现直流共模电压偏置，即：|U_com0|>k·U_dc，且电源支路三次谐波共模有功功率较大，若记电源支路为第一条支路，即|P_1com3|>ε，在其他负荷支路中，若第j条支路上的三次谐波共模有功功率最大，即：|P_jcom3|＝Max{|P_2com3|，|P_3com3|，...，|P_ncom3|}，2≤j≤n，则判定是负荷支路j发生故障。

其中：k为过电压可靠系数，k取值范围为0<k<0.5，n为与母线相连的支路总数，ε为三次谐波共模有功功率测量可能出现的最大误差，ε取电源支路额定功率的1％。

由于|U_com0|>k·U_dc是接地故障发生时必然会出现的与正常状态完全不同的一个状态，本发明用这个来判断接地故障是否发生；|P_icom3|的大小用来筛选发生故障的为电源支路和负荷支路，如果是负荷支路，确定具体是哪条负荷支路。

本发明实施例子采用幅值判据，本方法仅利用继电保护装置所采集到的当下时刻的数据进行判断，不使用其他时刻的数据。

该判据所依据的数据能够做到随取随用，不需要单独的存储，能够满足实时性的需求。需要说明的是，本发明在直流侧不接地柔性直流网络母线和母线引出的支路分别装设可监测母线共模电压以及各支路共模有功功率大小的继电保护装置，当直流母线出现直流共模电压偏置，若各直流支路三次谐波共模有功功率很小，判定电源进线支路上发生接地故障，若电源支路三次谐波共模有功功率较大，判定三次谐波共模有功功率最大的负荷支路上发生接地故障。本发明适用于一条母线引出若干条支路的直流侧不接地柔性直流网络，可在某一条支路发生接地故障时，迅速判断故障发生线路并发出信号告知控制系统切除该段线路，保障柔性直流电网安全可靠运行。

实施例二

如图1所示，本实施例的目的是提供基于幅值判据的柔性直流电网接地故障选线的装置，包括：

检测单元，用于采集得到母线正极电压、负极电压，各直流支路正极电流、负极电流；

继电保护装置，用于获取检测单元采集的数据，并基于采集的数据获取柔性直流电网母线直流共模电压绝对值和直流支路三次谐波共模有功功率；

基于获得的数据利用幅值判据来诊断接地故障支路，在诊断出接地故障支路后，控制发出信号切除该条直流支路。

本实施例子的柔性直流电网的若干条支路包括电源支路和负荷支路，都连接在母线上。

上述检测单元包括：电压传感器及电流传感器。利用一个电压传感器实现对母线电压的监测，每个支路均设置有电流传感器，实现对每个支路电流的监测。

具体安装时，将电压传感器一次侧分别接入正、负极直流母线及接地，电压传感器二次侧接入继电保护装置模拟量采集模块；在直流支路正、负极上装设电流传感器，电流传感器二次侧接至继电保护装置模拟量采集模块。

上述继电保护装置包括：模拟量采集模块、中央处理单元及执行单元；

模拟量采集模块分别接入电压传感器及电流传感器，实现对模拟量的采集并传输至中央处理单元；具体的，模拟量采集模块将电流电压模拟量输入到中央处理单元；

中央处理单元用于执行幅值判据并诊断出接地故障支路，将相应信号发送至执行单元；

执行单元接收接地故障支路信息后切除该条直流支路。

具体的，中央处理单元对模拟量进行处理判断出故障线路；中央处理单元发送命令给执行单元执行线路开关跳闸命令，跳开故障线路。

继电保护装置可采样得到母线正极电压u_p、负极电压u_n，各直流支路正极电流i_ip、负极电流i_in，则母线共模电压u_com＝(u_p+u_n)/2，各支路共模电流i_icom＝i_ip+i_in。通过连续采样及傅里叶算法可以得到母线的直流共模电压U_com0，求取其绝对值得到|U_com0|、母线的三次共模电压

求取其绝对值得到

以及各支路三次谐波共模电流向量

求取幅值，得到

求取

与

之间的相角差为α，则各支路三次谐波共模有功功率大小

上述母线的直流共模电压U_com0为母线共模电压U_com经傅里叶分解后得到的直流分量的绝对值。

柔性直流电网接地故障选线的保护逻辑框图如图2所示。当柔性直流电网与母线相连的所有直流支路均不发生接地故障时，不会出现共模直流偏置电压和三次谐波共模有功功率，继电保护计算得到的母线直流共模电压绝对值|U_com0|和直流支路三次谐波共模有功功率|P_icom3|，两者都不会大于测量最大误差，不会误判。

当某一条直流支路发生接地故障时，等效于故障点接入一个共模直流电源，直流线路出现直流共模电压偏置，即|U_com0|>k·U_dc，并且AC/DC换流器产生的三次谐波共模电压构成通路，三次谐波共模电压传递到直流侧，直路线路出现三次谐波共模有功功率，若故障点发生在电源进线支路，则各条直流支路不会检测到三次谐波共模有功功率，继电保护计算得到的共模有功功率不会大于测量最大误差，即|P_icom3|<ε，i＝1,2,…,n，此时可以判定是电源进线支路发生了接地故障。

若故障点发生在其他负荷支路，则该负荷支路与电源支路构成通路，该支路与电源支路都会检测到较大三次谐波共模有功功率，不失一般性，设电源支路为第一条支路，第j条负荷支路接地，2≤j≤n，则|P_1com3|>ε，其他支路不接地所以三次谐波共模有功功率近似为0，因此检测到j支路在负荷支路中三次谐波共模有功功率最大。

即|P_jcom3|＝Max{|P_2com3|，|P_3com3|，...，|P_ncom3|}，据此可以判断第j条负荷支路发生了接地故障。

本领域技术人员应该明白，上述本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算机装置来实现，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。本发明不限制于任何特定的硬件和软件的结合。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.基于幅值判据的柔性直流电网接地故障选线的方法，其特征是，包括：

获取柔性直流电网母线直流共模电压绝对值和直流支路三次谐波共模有功功率；

基于获得的数据利用幅值判据来诊断接地故障支路，在诊断出接地故障支路后，控制系统发出信号切除该条直流支路。

2.如权利要求1所述的基于幅值判据的柔性直流电网接地故障选线的方法，其特征是，所述幅值判据为：

若直流母线出现直流共模电压偏置，且各直流支路三次谐波共模有功功率小于电源支路额定功率的设定值，则判定是电源进线支路发生接地故障；

若直流母线出现直流共模电压偏置，电源支路三次谐波共模有功功率大于电源支路额定功率的设定值，在其他负荷支路中，若第j条支路上的三次谐波共模有功功率最大，则判定是负荷支路j发生故障。

3.如权利要求2所述的基于幅值判据的柔性直流电网接地故障选线的方法，其特征是，直流母线出现直流共模电压偏置的判断依据是：

|U_com0|>k·U_dc

其中，k为过电压可靠系数，k取值范围为0<k<0.5，母线的直流共模电压为U_com0，其绝对值为|U_com0|，U_dc为直流母线额定极间电圧。

4.如权利要求2所述的基于幅值判据的柔性直流电网接地故障选线的方法，其特征是，若记电源支路为第一条支路，即|P_1com3|>ε，在其他负荷支路中，若第j条支路上的三次谐波共模有功功率最大，即：|P_jcom3|＝Max{|P_2com3|，|P_3com3|，...，|P_ncom3|}，2≤j≤n；

其中，n为与母线相连的支路总数，ε为三次谐波共模有功功率测量可能出现的最大误差，ε取电源支路额定功率的1％。

5.如权利要求1所述的基于幅值判据的柔性直流电网接地故障选线的方法，其特征是，采样得到母线正极电压、负极电压，获得母线共模电压；

采样得到各直流支路正极电流、负极电流，获得各支路共模电流。

6.如权利要求5所述的基于幅值判据的柔性直流电网接地故障选线的方法，其特征是，还包括：

通过连续采样及傅里叶算法得到母线的直流共模电压U_com0、母线的三次共模电压以及各支路三次谐波共模电流向量；

对母线的直流共模电压求取其绝对值得到|U_com0|、对母线的三次共模电压求取其绝对值得到

以及对各支路三次谐波共模电流向量求取幅值，得到

求取

与

之间的相角差为α，获得各支路三次谐波共模有功功率大小：

7.如权利要求1-6任一所述的基于幅值判据的柔性直流电网接地故障选线的方法，其特征是，所述柔性直流电网由一条母线、一条AC/DC电源支路和若干负荷支路组成。

8.基于幅值判据的柔性直流电网接地故障选线的装置，其特征是，包括：

检测单元，用于采集得到母线正极电压、负极电压，各直流支路正极电流、负极电流；

继电保护装置，用于获取检测单元采集的数据，并基于采集的数据获取柔性直流电网母线直流共模电压绝对值和直流支路三次谐波共模有功功率；

基于获得的数据利用幅值判据来诊断接地故障支路，在诊断出接地故障支路后，控制发出信号切除该条直流支路。

9.如权利要求8所述的基于幅值判据的柔性直流电网接地故障选线的系统，其特征是，所述检测单元包括：电压传感器及电流传感器；

所述电压传感器一次侧分别接入正、负极直流母线及接地，所述电压传感器二次侧接入继电保护装置；

所述电流传感器装设在直流支路正、负极上，所述电流传感器二次侧接至继电保护装置。

10.如权利要求8所述的基于幅值判据的柔性直流电网接地故障选线的系统，其特征是，所述继电保护装置包括：模拟量采集模块、中央处理单元及执行单元；

所述模拟量采集模块分别接入电压传感器及电流传感器，实现对模拟量的采集并传输至中央处理单元；

所述中央处理单元用于执行幅值判据并诊断出接地故障支路，将相应信号发送至执行单元；

所述执行单元接收接地故障支路信息后切除该条直流支路。

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