CN116774103B - 一种直流电网故障检测方法及检测终端 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种直流电网故障检测方法及检测终端，属于电力系统输配电技术领域；故障启动判据为测量到直流线路电压跌落超过阈值，若系统中线路发生短路故障时，采集直流线路两端装设的电阻型超导限流器的电压，若故障发生的电压值与非故障电压值之差大于预设阈值时，将判断出的故障线路；对于经过渡电阻短路故障，设计基于线路首末两端电流幅值和变化率的故障检测和判断方法。本发明结合了电阻型超导限流器的失超特性，能够在故障检测的同时对故障电流幅值起到抑制效果。与直流断路器配合，能够提高直流断路器开断故障电流的可靠性和安全性。

Description

一种直流电网故障检测方法及检测终端

技术领域

本发明属于电力系统输配电技术领域，具体涉及一种直流电网故障检测方法及检测终端。

背景技术

在加快推进新型电力系统建设背景下，风电、光伏、电动汽车等可再生能源和灵活资源广泛接入电力系统，直流输电具有供电能力强、系统损耗小、电能质量高、可控性好的特点，能够较好地接纳新能源场站，方便直流负荷接入，实现“源网荷”之间智能互动，是未来解决大规模灵活资源并网消纳问题的重要手段。

目前直流电网的短路故障快速检测成为了制约直流电网发展的关键技术问题。由大量电力电子器件构成的直流电网阻尼小，这将导致故障发生后，故障电流的峰值大且上升速度快。另外，由电力电子器件构成的换流站等关键设备的过流能力低，短路故障极易造成器件和设备的损坏。因而与传统交流电网相比，对直流电网故障检测的速度和准确性要求更高。

随着第二代高温超导材料的发展，电阻型超导限流器能够在系统正常运行时处于超导态对系统运行无影响，故障后自动失超体现出大电阻特性抑制故障电流的快速增大，为解决直流电网短路故障问题提供了可行的解决方案。

但目前，绝大多数针对电阻型超导限流器应用于直流电网的研究聚焦于其故障后的限流作用，鲜有研究关注利用电阻型超导限流器失超特性，实现快速准确的直流电网故障检测，同时发挥其限流和故障检测两方面作用。

发明内容

本发明提供一种基于超导限流器的直流电网故障检测方法，方法利用限流器故障后失超的特点，在实现快速准确的直流电网故障检测同时，对直流侧短路故障发展起到抑制作用，使得仅跳开故障线路两端所连的直流断路器即可实现故障隔离，保证系统其余部分正常运行。

方法包括：

定义故障启动判据；

故障启动判据为测量到直流线路电压跌落超过阈值，表达式如：

(1)

u _dcp和u _dcn分别表示直流线路l _ij的正极和负极测量到的直流电压，U _st为选取的故障启动逻辑的电压阈值；

定义故障识别判据；

线路l _ij故障检测启动判据被触发后，进一步进行故障识别。利用故障线路两端的电阻型超导限流器上的电压会明显高于非故障线路上电阻型超导限流器两端的电压值，实现区内故障和区外故障区分，表达式如：

(2)

u _rip和u _rin分别代表安装在直流线路l _ij上换流站i侧正极和负极线路上的电阻型超导限流器两端的电压，U _idf为选取的故障识别阈值；

选取的阈值U _idf应大于故障发生后非故障线路上电阻型超导限流器两端测得的电压最大值，同时小于故障线路上电阻型超导限流器两端出现的最小电压。

定义故障类型判断判据；

利用故障线路同一端正负极电阻型超导限流器两端的电压差进一步判断故障类型，表达式为：

(3)

用D _u代表不同故障类型，U _dis为用于区分故障类型的阈值。

进一步需要说明的是，当正极线路上的电阻型超导限流器两端电压与负极线路上电阻型超导限流器两端电压的绝对值之差超过阈值+U _dis时，判断为正极短路故障；

当差值小于-U _dis判断为负极短路故障；

当差值的绝对值小于U _dis，则判断为发生极间短路故障。

进一步需要说明的是，针对经大过渡电阻的短路故障检测，方法利用电流特性实现判断。定义直流线路l _ij的电流变化率R _k和幅值A _k，其中k取i或j，表示直流线路l _ij两端的测量结果；

R _k(k=i, j)的表达式为：

(4)

式中i _kp和i _kn分别代表换流站k侧正负极线路上的电流变化率；

I _set1为电流变化率的阈值；

当正极和负极线路电流变化率均小于预设电流变化阈值时，R _k取0，为正常运行情况；如线路任意一极测得电流变化率超过预设电流变化阈值时，R _k=1，为故障状态。

进一步需要说明的是，方法中，A _k(k=i, j)的表达式为：

(5)

式中i _ip和i _in分别代表线路i侧正负极线路上的电流；

i _jp和i _jn分别代表线路j侧正负极线路上的电流；

I _set2为电流幅值阈值。

本发明还提供一种检测终端，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，处理器执行所述程序时实现直流电网故障检测方法的步骤。

从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：

本发明的直流电网故障检测方法中，系统正常运行时，限流器处于超导态，不影响系统正常运行。区内发生金属性短路故障和经电阻短路故障后，所提方法能够正确判断出故障类型，区外故障所提方法能够正确识别从而保证了本线路保护不误动。当发生外部扰动时，所提方法在最严重干扰情况下也能保持不误判。

本发明所提基于电阻型超导限流器的直流电网故障检测方法，在故障检测同时能够起到限流作用。与安装在直流电网中的直流断路器配合，电阻型超导限流器限制故障电流的幅值和上升率，提高直流断路器开断故障电流的可靠性和安全性，对提高直流电网的安全性具有重要意义。

附图说明

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

图1为直流电网故障检测方法实施流程图；

图2为典型直流电网拓扑及电阻型超导限流器在系统中的安装位置示意图；

图3为直流电网换流站拓扑示例图；

图4为电阻型超导限流器结构图；

图5为电阻型超导限流器电阻值随电流幅值变化而增大特性示意图。

具体实施方式

本发明提供的基于电阻型超导限流器的直流电网故障检测方法，实现在较短时间内，检测出直流电网故障状态。其中，流过限流器的电流越大，限流器的失超越快，即限流器的电阻值越大。若系统中各条直流线路两端均加装电阻型超导限流器，则故障后故障线路上流过最大的电流，使得系统中故障线路上安装的电阻型超导限流器将测得最大的失超电阻阻值，不同线路上电阻型超导限流器两端电压将出现明显的差异。利用这一特性可以准确快速的识别出系统中发生的故障的线路。

对于本发明的直流电网故障检测方法来讲既有硬件层面的技术也有软件层面的技术。直流电网故障检测方法基础技术一般包括如传感器、专用人工智能芯片、云计算、分布式存储、大数据处理技术、操作/交互系统、机电一体化等技术。直流电网故障检测方法软件技术主要包括自然语言处理技术、机器学习/深度学习以及计算机程序代码，程序设计语言包括但不限于面向对象的程序设计语言—诸如Java、Smalltalk、C++，还包括常规的过程式程序设计语言—诸如“C”语言或类似的程序设计语言。

本发明涉及的直流电网故障检测方法利用电阻型超导限流器来实现检测技术，通过建立故障类型模型以及故障识别模型，结合传感器监控、数据传输等技术，实现快速准确的直流电网故障检测，限流器同时起到故障检测和限流两方面作用，为解决直流电网短路故障问题提供可行方案。

直流电网故障检测方法可以应用于一个或者多个检测终端中，所述检测终端是一种能够按照事先设定或存储的指令，自动进行数值计算和/或信息处理的设备，其硬件包括但不限于微处理器、专用集成电路(Application SpecificIntegratedCircuit，ASIC)、可编程门阵列(Field－ProgrammableGate Array，FPGA)、数字处理器(DigitalSignalProcessor，DSP)、嵌入式设备等。

检测终端旨在表示各种形式的数字计算机，诸如，膝上型计算机、台式计算机、工作台、个人数字助理、服务器、刀片式服务器、大型计算机、和其它适合的计算机。电子设备还可以表示各种形式的移动装置，诸如，个人数字处理、蜂窝电话、智能电话、可穿戴设备和其它类似的计算装置。本文所示的部件、它们的连接和关系、以及它们的功能仅仅作为示例，并且不意在限制本文中描述的和/或者要求的本申请实施例的实现。典型的，本申请实施例公开的电子设备可以是一种车载设备。

检测终端所处的网络包括但不限于互联网、广域网、城域网、局域网、虚拟专用网络(VirtualPrivateNetwork，VPN)等。

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，所描述的实施例仅仅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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1至5所示是一具体实施例中基于电阻型超导限流器的直流电网故障检测方法的流程图及相关示意图，具体涉及如下方式。

本实施例定义换流站具有多条直流线路，多条直流线路可以采用多种拓扑结构进行连接，比如树状，环形，交叉连接等等。可以对直流线路设置为直流线路l _ij，这里的i和j可以代表相应直流线路的编码。

本实施例为了降低故障线路对其他线路的影响，当连接换流站i和j的直流线路l _ij上发生短路故障，仅需要跳开故障线路两端所连的直流断路器即可实现故障隔离，而系统中其余位置的断路器应保持不动作以保证系统非故障区域的运行。

根据本申请的实施例，为了避免在系统正常运行时，故障检测逻辑受到干扰而频繁启动，同时保证发生短路故障后故障检测能够快速启动，故障检测方法中定义了启动判据。利用短路故障会造成直流电压显著跌落的特点，定义启动判据为测量到直流线路电压跌落超过阈值，表达式如：

(1)

u _dcp和u _dcn分别表示直流线路l _ij的正极和负极测量到的直流电压，U _st为选取的故障启动逻辑的电压阈值；可以理解的是，当测量到直流线路上正极或负极电压跌落超过电压阈值时，故障检测启动。

根据本申请的实施例，若系统中直流线路l _ij发生短路故障，则直流线路l _ij两端装设的电阻型超导限流器上的电压会明显升高，远高于非故障线路上电阻型超导限流器两端的电压值。因此，利用这一特点实现区内故障和区外故障区分。

(2)

u _rip和u _rin分别代表安装在直流线路l _ij上换流站i侧正极和负极线路上的电阻型超导限流器两端的电压，U _idf为选取的故障识别阈值。选取的阈值U _idf大于故障发生后非故障线路上电阻型超导限流器两端测得的电压最大值，同时小于故障线路上电阻型超导限流器两端可能出现的最小电压。

对于本发明的障类型判断来讲，当发生极间短路故障时，故障线路同一端正负极上的电阻型超导限流器均迅速失超。极间短路故障正负极线路经故障点构成放电回路，正负极线路上故障电流大小相同。

由此分别装设在正负极线路上的电阻型超导限流器失超过程也近似一致，故正负极线路上的电阻型超导限流器两端的电压近似相等。若发生单极短路故障，仅故障极线路流过故障电流，将造成电阻型超导限流器失超；而非故障极基本保持额定电流，电阻型超导限流器保持超导态。由此故障线路同一端正负极电阻型超导限流器将测得很大的电压差。

当然本发明还利用故障发生后的特点，可以准确区分出线路的故障状态。

可选地，故障类型判断的表达式为：

(3)

用D _u代表不同故障类型，U _dis为用于区分故障类型的阈值。

本发明的实施例中，当u _rip正极线路上的电阻型超导限流器两端电压于u _rin负极线路上电阻型超导限流器两端电压的绝对值之差超过阈值U _dis，则判断为正极短路故障。可选地，D _u为3；当差值小于-U _dis判断为负极短路故障，可选地，D _u为2。

基于上述判断条件，当二者之差的绝对值小于U _dis，则判断为发生极间短路故障，可选地，D _u值为1。

本发明还考虑了经大电阻短路故障的识别。大电阻的阻值可以基于换流站的容量，或者直流线路的电压等等来进行设置，这里不做限定。

具体的讲，当直流系统发生经电阻的短路故障，若过渡电阻较大，故障电流可能未超过电阻型超导限流器的临界电流，不会引起电阻型超导限流器失超。这种情况下，利用电阻型超导限流器两端电压的方法将无法实现故障检测，需要通过其他故障特征实现系统的短路故障检测。

也就是说，发生经高阻短路故障时，故障线路电流会发生突变；利用这一特点，本发明基于线路首末两端电流幅值和变化率的，识别经高阻短路故障的方法。这里，定义故障线路R _k和A _k，分别表示电流变化率和幅值。其中，k可取i或j，表示直流线路l _ij两端的测量结果。比如命名靠近换流站的直流线路为i=1或j=1，则k=1。

R _k(k=i, j)的表达式为：

(4)

式中i _kp和i _kn分别代表换流站k侧正负极线路上的电流变化率；I _set1为电流变化率的阈值。可以看出，只有正常运行情况下当正极和负极线路电流变化率均小于阈值时，R _k取0；否则线路同一端任意一极测得电流变化率超过阈值，R _k=1。

A _k(k=i, j)的表达式为：

(5)

式中i _ip和i _in分别代表线路i侧正负极线路上的电流；i _jp和i _jn分别代表线路j侧正负极线路上的电流。I _set2为电流幅值的阈值。

本发明的实施例中，所提基于故障电流的经大电阻故障识别逻辑为，当直流线路l _ij的首末两端均测得电流变化率超过了阈值，即R _i和R _j同时为1，此时表明直流线路l _ij极有可能发生了短路故障。在此基础上，进一步分析线路上的电流幅值。若直流线路发生故障，则发生故障的直流线路两端换流站均会向故障点放电，从而导致线路两端电流方向由同向变为反向。此时，按照正常运行时规定的电流正方向，则一侧电流为正，而另一侧电流将变为负值；二者之差将远大于非故障情况，可以判定故障发生。

本实施例中，若的直流线路l _ij正极两端电流幅值之差的绝对值超过阈值，而负极线路两端电流之差的绝对值未超过I _set2，则表明故障类型为正极经电阻的短路故障，此时A _k记为3。

同理，当负极线路两端电流之差的绝对值超过阈值而正极未超过，则表明故障类型为负极经电阻的短路故障，此时A _k记为2。当正负极线路两端电流之差的绝对值均小于所取阈值的情况，表明发生极间短路故障，取A _k为1。

应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。

以下是本公开实施例提供的直流电网故障检测系统的实施例，该系统与上述各实施例的直流电网故障检测方法属于同一个发明构思，在直流电网故障检测系统的实施例中未详尽描述的细节内容，可以参考上述直流电网故障检测方法的实施例。

系统可以定义故障启动判据；

故障启动判据为测量到直流线路电压跌落超过阈值，表达式如：

(1)

u _dcp和u _dcn分别表示直流线路l _ij的正极和负极测量到的直流电压，U _st为选取的故障启动逻辑的电压阈值；

若系统中直流线路l _ij发生短路故障时，采集直流线路l _ij两端装设的电阻型超导限流器的电压，若故障发生的电压值与非故障电压值之差大于预设阈值时，进一步通过比较正负极线路上电阻型超导限流器的电压差判断故障类型；若未超过阈值，则进一步判断是否发生经高阻短路故障，若线路两端均测得电流突变，则进一步比较线路两端得电流之差判断故障类型，通过系统的报警显示模块发出报警提示信息；系统还将故障线路与非故障线路进行切断，隔开故障线路。否则退出故障检测逻辑，等待下次启动。

作为本发明的系统来讲，还可以配置直流电网故障检测操作界面，使检测人员在系统中添加未储存，或未进行配置的相关数据；或对已储存的相关数据进行修改，或删除。

还基于局域网，或广域网实时向系统的设备发送控制信息指令，获取设备的状态信息，对获取的设备信息与预设阈值进行比对，得到当前状态信息。还可以基于预测信息进行显示，通过数据信息趋势，形成柱状图，或曲线图，供检测人员监控使用。还用于跟踪收集每个直流线路状态，实现直流线路数据的共享，形成相同类别的直流线路之间的状态比对趋势图，比对状态图。还对每个直流线路状态信息，基于每天，每周、每月、每季度进行趋势显示。提高数据处理效率，保证检测过程监控稳定运行，能够实现快到提取。提升系统高并发能力。

本发明的直流电网故障检测系统利用故障发生后，直流电网中故障线路上的电流远高于非故障线路上的电流幅值，从而使故障线路上的电阻型超导限流器两端将测得最大的电压，这一特点，实现直流电网线路全长的快速短路故障检测。

本发明的直流电网故障检测系统结合了电阻型超导限流器的失超特性，能够在故障检测的同时对故障电流幅值起到抑制效果。与直流断路器配合，能够提高直流断路器开断故障电流的可靠性和安全性，对提高直流电网的安全性具有重要意义。

本发明的直流电网故障检测系统中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口、装置或单元的间接耦合或通信连接，也可以是电的，机械的或其它的形式连接。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (5)

1.一种直流电网故障检测方法，其特征在于，方法包括：

定义故障启动判据；

故障启动判据为测量到直流线路电压跌落超过阈值，表达式如：

(1)

u _dcp和u _dcn分别表示直流线路l _ij的正极和负极测量到的直流电压，U _st为选取的故障启动逻辑的电压阈值；

定义故障识别判据；

线路l _ij故障检测启动判据被触发后，进行故障识别；利用故障线路两端的电阻型超导限流器上的电压会高于非故障线路上电阻型超导限流器两端的电压值，实现区内故障和区外故障区分，表达式如：

(2)

u _rip和u _rin分别代表安装在直流线路l _ij上换流站i侧正极和负极线路上的电阻型超导限流器两端的电压，U _idf为选取的故障识别阈值；

选取的阈值U _idf大于故障发生后非故障线路上电阻型超导限流器两端测得的电压最大值，同时小于故障线路上电阻型超导限流器两端出现的最小电压；

方法中还定义故障类型判断判据；

利用故障线路同一端正负极电阻型超导限流器两端的电压差判断故障类型，表达式为：

(3)

用D _u代表不同故障类型，U _dis为用于区分故障类型的阈值。

2.根据权利要求1所述的直流电网故障检测方法，其特征在于，当正极线路上的电阻型超导限流器两端电压与负极线路上电阻型超导限流器两端电压的绝对值之差超过阈值+U _dis时，判断为正极短路故障；

当差值小于-U _dis判断为负极短路故障；

当差值的绝对值小于U _dis，则判断为发生极间短路故障。

3.根据权利要求1所述的直流电网故障检测方法，其特征在于，

方法利用电流特性实现判断；

定义直流线路l _ij的电流变化率R _k和幅值A _k，其中k取i或j，表示直流线路l _ij两端的测量结果；

R _k (k=i, j)的表达式为：

(4)

式中i _kp和i _kn分别代表换流站k侧正负极线路上的电流；

I _set1为电流变化率的阈值；

当正极和负极线路电流变化率均小于预设电流变化阈值时，R _k取0，为正常运行情况；如线路任意一极测得电流变化率超过预设电流变化阈值时，R _k=1，为故障状态。

4.根据权利要求3所述的直流电网故障检测方法，其特征在于，方法中，A _k (k=i, j)的表达式为：

(5)

式中i _ip和i _in分别代表线路i侧正负极线路上的电流；

i _jp和i _jn分别代表线路j侧正负极线路上的电流；

I _set2为电流幅值阈值。

5.一种检测终端，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至4任一项所述直流电网故障检测方法的步骤。