CN106663933B - 用于多端hvdc电网的瞬态保护 - Google Patents

用于多端hvdc电网的瞬态保护 Download PDF

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Abstract

本发明公开了用于提供多端HVDC电网的防故障保护的方法和装置。方法包括如下步骤：测量具有极性和值的DC位移电压Ud的步骤，通过将DC位移电压Ud与阈值位移电压Ut进行比较确定是否存在短路故障的步骤，和基于DC位移电压Ud的极性和值识别故障类型的步骤。所公开的装置包括：具有正极和负极的换流器，DC开关子站，将换流器和DC开关子站连接的DC线，和瞬态故障检测器。所述瞬态故障检测器包括感测正极的正瞬态电压Up的正电压传感器和感测负极的负瞬态电压Un的负电压传感器，和适合于从正瞬态电压Up和负瞬态电压Un导出DC位移电压Ud的控制单元。

Description

用于多端HVDC电网的瞬态保护
技术领域
本发明涉及用于提供多端HVDC电网的防故障瞬态保护的方法和装置。
背景技术
HVDC输电广泛地用于长距离输送高功率而无任何明显的损失，从而使得HVDC是优于AC输电的长距离电力输送的优选模式，例如超过100km。在一般的应用中，HVDC与AC相比，每个导体可携带更多的电力，因为对于给定的额定功率，DC线中的恒定的电压低于AC线中的峰值电压。电缆的电容的充放电所要求的电流在电缆携带AC时导致另外的功率损失，而这对于DC输电具有最小的影响。使用HVDC电网也节约了成本，因为对于HVDC输电仅要求一个或两个导体，而对于AC输电需要三个导体。甚至绝缘成本也可在HVDC输电中得以节约。电缆中的介电功率损失在DC中小于AC中。因此，电缆的电流携带能力可明显地提高。具有超过两个端子的HVDC电网被称为多端HVDC电网且现在日益广泛地使用。多端HVDC电网可通过提供数个替代的输电路径而非如在双端HVDC的情况中自身限制到单独的输电路径而提高电力输送的可靠性。
然而，以现有的技术，整个HVDC电网由于在DC侧的任何位置处的短路故障而受到影响。目前不存在已知用于在故障位置方面识别故障且选择性地选择不受到故障影响的DC线且继续使用所述DC线的方法。
因此存在对于如下保护***的急迫需求，即所述保护***用于多端HVDC电网以用于识别短路故障且用于在故障期间多端HVDC电网的选择性的运行。
发明内容
本发明的任务是提供快速、可靠且稳定的用于多端HVDC电网的防故障保护的方法，所述方法使得可在故障的情况中选择电网的运行从而因此避免大停电。
本发明的任务通过用于提供多端HVDC电网的防故障保护的方法和多端HVDC电网的防故障保护的装置实现。HVDC电网包括换流器站、DC开关子站和将换流器站和DC开关子站连接的DC线。换流器站具有正极、负极和中性极。正极处于换流器的正端子处，负极处于换流器的负端子处，且中性极连接到大地或是浮动中性极，因为HVDC电网可接地或被绝缘。
所公开的方法包括如下步骤：测量具有极性和值的DC位移电压Ud，通过将DC位移电压Ud与阈值位移电压Ut进行比较确定是否存在故障情况，和基于DC位移电压Ud的极性和值识别故障类型。
故障类型可分为三类故障类型，即正极到中性极短路，负极到中性极短路，或正极到负极短路。
根据本发明的优选实施例，DC位移电压Ud从正极处测量的瞬态正极电压Up和负极处测量的瞬态负极电压Un计算。瞬态正极电压Up和瞬态负极电压Un是DC瞬态电压，所述DC瞬态电压直接通过DC电网的电压变换器端子测量。DC位移电压Ud计算为正瞬态电压Up和负瞬态电压Un的平均值，且可通过如下等式表达：
Ud＝(Up+Un)/2
有利地，阈值电压Ut设定为高于在正常情况下最大DC位移电压Ud的值。例如，阈值电压Ut设定为比在正常情况下最大DC位移电压Ud高10％。这可保证对于故障的正确的且仍早期的检测，而对电压的不明显波动不做出反应。
在多端HVDC电网的正常运行情况期间，在正极和负极处测量的电压的大小相等或换言之对称。然而，在发生故障时，电压可能经历不平衡，且正瞬态电压Up与负瞬态电压Un不同。确定是否存在故障的步骤通过评估DC位移电压Ud的值是否大于阈值位移电压Ut执行。
根据本发明的另外的实施例，识别故障类型的步骤通过测量DC位移电压Ud的极性和值执行。如果DC位移电压Ud的极性为负，则故障类型识别为正极到中性极短路，如果DC位移电压(Ud)的极性为正，则故障类型识别为负极到中性极短路，且如果DC位移电压(Ud)具有大于阈值位移电压(Ut)的值，则故障类型识别为正极到负极短路。通过识别故障类型，可触发故障线的选择性隔离处理，以提供如在本发明中公开的保护机制。此外，根据本发明的替代变体，故障类型识别仅基于DC位移电压Ud的极性测量，因此对于测量精度的要求更不严格。
如果DC位移电压Ud具有小于阈值位移电压Ut的值，则未检测到故障情况。这意味着HVDC电网正常工作且无任何短路故障。只要位移电压Ud具有小于阈值位移电压的值，则指示***正常运行而无任何短路故障。
在本发明的另一个实施例中，方法包括检测故障电流的方向的步骤。故障电流的方向当在换流器处测量时可向着换流器或向着DC线。类似地，当在DC开关子站处测量时，故障电流的方向可向着DC开关子站或向着DC线。对于前述情况的每个，故障电流的方向基于在换流器端子处测量的DC瞬态电流改变ΔId的极性和在DC开关子站处测量的DC瞬态电流改变ΔId的极性来检测。方法允许基于DC瞬态电流的评估对于通过整个HVDC电网的任何短路故障电流的高速方向检测。而且，因为故障方向检测仅基于DC瞬态电流的改变ΔId的极性测量，所以在测量DC瞬态电流的改变ΔId时不存在具有高精确性的严格要求。
DC瞬态电流改变ΔId计算为在DC瞬态电流Id和额定DC电流Idc之间的差异，且可通过如下等式表达：
ΔId＝Id-Idc
DC瞬态电流Id是在例如短路的故障情况期间流过电网的故障电流。其可直接通过HVDC电网的电流变换器直接测量。额定DC电流Idc是在正常运行情况下或多端HVDC电网无故障情况下、即在故障发生前流过电网的电流。
根据本发明的实施例，检测故障电流的方向的步骤通过感测DC瞬态电流改变ΔId的极性执行，使得当在换流器端子处DC瞬态电流改变ΔId的极性为负时则故障电流的方向向着DC线；当在换流器端子处DC瞬态电流改变ΔId的极性为正时则故障电流的方向向着换流器；当在DC开关子站端子处DC瞬态电流改变ΔId的极性为正时则故障电流的方向向着DC线；且当在DC开关子站端子处DC瞬态电流改变ΔId的极性为负时则故障电流的方向向着DC开关子站。故障电流的方向检测可用于多端HVDC电网的不同的端子的不同的保护，这通过选择地阻断或允许故障电流路径进行。
在另一个实施例中，为触发故障电流的方向检测设定了另外的前提条件。设定了阈值瞬态电流改变ΔIt值，所述阈值瞬态电流改变ΔIt值高于正常运行情况下的最大电流变换器测量误差。例如，阈值瞬态电流改变ΔIt值可设定为高于电流变换器额定电流10％的值。当DC瞬态电流改变ΔId的值大于阈值瞬态电流改变值ΔIt时，则检测故障电流的方向的步骤被触发。这将保证方法抵抗测量误差且是稳定的。
在再另一个实施例中，方法进一步包括检测故障相对于每个换流器站是内部故障还是外部故障的步骤，即故障处于换流器站内部还是外部。此检测通过在换流器端子和DC开关子站端子之间比较DC瞬态电流改变ΔId的极性来进行。此步骤允许设定瞬态线差动保护且有助于识别且隔离其上已发生故障的换流器站。
在一个实施例中，检测故障相对于换流器站是内部故障还是外部故障的步骤执行为使得当在换流器端子处的DC瞬态电流改变ΔId的极性和在DC开关子站端子处的DC瞬态电流改变ΔId的极性不同时则故障是内部故障。在内部故障期间，即在故障特别地处在换流器站处时，在换流器端子以及DC开关子站端子处的故障电流的方向都向着DC线。当在换流器端子处的DC瞬态电流改变ΔId的极性和在DC开关子站端子处的DC瞬态电流改变ΔId的极性相同时关于特定的换流器站检测到外部故障。在外部故障期间，即当故障不处在特定的换流器站处而是处在任何其他换流器站处时，在换流器端子处的故障电流的方向向着DC线，且在DC开关子站端子处故障电流的方向向着DC开关子站或在换流器端子处的故障电流的方向向着换流器站，且在DC开关子站端子处的故障电流的方向向着DC线。
在本发明的另一个实施例中，方法进一步包括提供用于DC开关子站的多个端子的瞬态汇流条差动保护的步骤。当在DC开关子站的所有多个端子处的DC瞬态电流改变ΔId的极性为负时则故障是内部故障，且当在DC开关子站的所有多个端子处的DC瞬态电流改变ΔId的极性不同时则故障是相对于特定的DC开关子站的外部故障。瞬态汇流条差动保护以在单独的DC开关子站内的多个端子或馈线中的极性比较来工作。这有助于识别相对于DC开关子站的多个端子的外部故障或内部故障。
根据本发明的另一个实施例，方法包括基于由故障引发的行波的传播时间检测在DC线上的瞬态故障位置的步骤。此步骤使得方法可在受影响的DC线上定位故障生成点且将其隔离，使得多端HVDC电网继续以剩余的端子运行。此特征有助于DC线的维护。
DC瞬态电压或电流分别通过HVDC电网的电压变换器或电流变换器直接测量。然后计算模极大值，所述模极大值是DC瞬态电压或电流的系数的严格的局部绝对极大值。DC线具有两个端子，即连接到换流器的换流器端子和连接到DC开关子站的DC开关子站端子。检测瞬态故障位置的步骤基于在两个端子处电压或电流浪涌到达时间。用于从第一端子(例如，换流器端子)检测瞬态故障位置的典型的故障检测算法可表达如下：
L1F＝(L-v*(t2-t1))/2
在以上等式中，L1F是瞬态故障位置距第一端子的距离，即在此示例中距换流器端子的距离；v是通过故障引发的行波的速度；t1是在第一端子处、即换流器端子处的电压或电流的模极大值的时间；且t2是第二端子处、即在此示例中DC开关子站端子处的电压或电流的模极大值的时间。
对于瞬态故障定位，DC瞬态电压Up、Un和电流Id二者可用于具有电缆线或架空线的HVDC电网。然而，对于具有混合线的HVDC电网，仅可使用瞬态电流Id。
在本发明的一个实施例中公开了用于多端HVDC电网的防故障保护的装置。装置包括具有正极和负极的换流器站、DC开关子站、将换流器站和DC开关子站连接的DC线和瞬态故障检测器。瞬态故障检测器包括感测正极处的正瞬态电压Up的正电压传感器和感测负极处的负瞬态电压Un的负电压传感器和适合于从正瞬态电压Up和负瞬态电压Un导出DC位移电压Ud的控制单元。DC位移电压具有极性和值。瞬态故障检测器检测HVDC电网中的短路故障的类型。这有助于识别多端电网中的故障的属性，即为正极上的故障、负极上的故障还是正极和负极之间的故障。
在装置的再另一个实施例中，装置进一步包括瞬态故障方向检测器以用于检测通过多端HVDC电网的故障电流的方向。瞬态故障方向检测器包括用于从电流变换器直接测量DC瞬态电流Id的电流传感器。
本发明的以上所述的和其他的特征现在将参考本发明的附图解释。图示的实施例意图于阐述而非限制本发明。附图中包含如下各图，其中在描述和附图中类似的附图标号指示类似的部分。
附图说明
图1是用于提供多端HVDC电网的防故障瞬态保护的装置的示意图。
图2展示了在本发明中公开的装置的方框图。
图3示出了包含根据所公开的方法的步骤的流程图。
具体实施方式
如在图1中可见，换流器2包括两个极，即正极3和负极4。换流器2通过DC线7连接到DC开关子站6。DC线7通过换流器端子8连接到换流器2且通过DC开关子站端子9连接到DC开关子站6。换流器2的中性极可接地或被隔离和浮置。多端HVDC设置可包括数个此换流器2。
在故障类型识别期间，三个类型的故障识别为正极3到中性极5短路，负极4到中性极5短路，或正极3到负极4短路。
故障电流方向检测在换流器以及DC开关子站处执行。当从换流器2的换流器端子8观察时，故障电流方向为向着换流器2还是向着DC线7，或当在DC开关子站6的DC开关子站端子9处测量时，故障电流方向为向着DC开关子站6还是DC线7。
对于外部故障或内部故障检测，对于每个换流器2识别故障位于此特定的换流器2内还是多端HVDC电网1的任何其他换流器内。
图2展示了在本发明中公开的装置10的方框图。换流器2通过DC线7连接到DC开关子站6。装置10包括瞬态故障检测器11。瞬态故障检测器11分别通过正电压传感器12和负电压传感器13测量正极3和负极4处的瞬态电压Up、Un。控制单元14从正瞬态电压Up和负瞬态电压Un导出DC位移电压Ud。装置10进一步包括瞬态故障方向检测器15，所述瞬态故障方向检测器15包括用于检测故障电流的方向的电流传感器16。
根据另外的实施例，装置10包括瞬态故障***(在图2中未示出)以用于检测DC线7上的故障位置。瞬态故障***包括用于测量正瞬态电压Up和负瞬态电压Un的电压传感器或用于测量DC瞬态电流Id的电流传感器。
图3展示了被执行以用于向多端HVDC电网1提供防短路故障瞬态保护的步骤。方法100包括测量具有极性和值的DC位移电压Ud的第一步骤101。然后执行确定故障是否存在的步骤102。最后执行识别故障类型的步骤103。
所公开的方法100通过识别故障类型、故障的换流器和另外地识别故障生成处的位置而为HVDC电网1提供了防短路故障保护。
方法100允许测量具有极性和值的DC位移电压Ud。当发生短路故障情况时，所公开的方法100通过将DC位移电压Ud与阈值位移电压Ut进行比较认识到故障的发生。在DC位移电压Ud超过阈值位移电压Ut时，识别到短路情况。随后的步骤是基于DC位移电压Ud的极性和值将故障类型识别为正极3到中性极5短路、负极4到中性极5短路或正极3到负极4短路。
另外，方法包括如下步骤，即检测，当在换流器2的换流器端子8处测量时故障电流的方向为向着换流器2还是向着DC线7，或在DC开关子站6的DC开关子站端子9处测量时故障电流的方向为向着DC开关子站6还是向着DC线7。故障电流的方向检测基于在换流器端子8处测量的DC瞬态电流改变ΔId的极性和在DC开关子站端子9处测量的DC瞬态电流改变ΔId的极性进行。
另外，方法100包括检测故障是相对于换流器2的内部故障还是外部故障的步骤，这通过在换流器端子8和DC开关子站端子9之间比较DC瞬态电流改变ΔId的极性来进行。
在方法100的再另一个实施例中构思了为DC开关子站6的多个端子提供瞬态汇流条差动保护。在此步骤中，当DC瞬态电流改变ΔId的极性在DC开关子站6的所有多个端子处为负时则故障为相对于DC开关子站6的内部故障，且当DC瞬态电流改变ΔId的极性在DC开关子站6的所有多个端子处不同时则故障为相对于DC开关子站6的外部故障。
在再另一个实施例中，方法100包括基于由故障引发的行波的传播时间检测DC线7上的瞬态故障位置的步骤。
虽然本发明已参考具体实施例描述，但此描述不意味着以限制性意义解释。所公开的实施例的多种修改以及本发明的替代实施例在参考本发明的描述时也将对于本领域一般技术人员变得清楚。因此可考虑进行修改而不偏离如所限定的本发明的实施例。
附图标号列表
1 多端HVDC电网
2 换流器站
3 正极
4 负极
5 中性极
6 DC开关子站
7 DC线
8 换流器端子
9 DC开关子站端子
10 装置
11 瞬态故障检测器
12 正电压传感器
13 负电压传感器
14 控制单元
15 瞬态故障方向检测器
16电流传感器
100 方法
101 测量位移电压的步骤
102 确定是否存在故障的步骤
103 识别故障类型的步骤

Claims (14)

1.一种用于提供多端HVDC电网(1)的防故障保护的方法(100)，其中HVDC电网(1)包括具有正极(3)、负极(4)和中性极(5)的换流器(2)、DC开关子站(6)和将换流器(2)和DC开关子站(6)连接的DC线(7)；
所述方法(100)包括：
-测量具有极性和值的DC位移电压(Ud)的步骤(101)，其中，DC位移电压(Ud)计算为在正极处测量的正瞬态电压(Up)和在负极处测量的负瞬态电压(Un)的平均值；
-通过将DC位移电压(Ud)与阈值位移电压(Ut)进行比较确定是否存在故障的步骤(102)；
-基于DC位移电压(Ud)的极性和值识别如下三类故障类型的步骤(103)，即正极(3)到中性极(5)短路，负极(4)到中性极(5)短路，或正极(3)到负极(4)短路。
2.根据权利要求1所述的方法(100)，其中确定是否存在故障的步骤(102)通过评估DC位移电压(Ud)的值是否大于阈值位移电压(Ut)来执行。
3.根据权利要求1所述的方法(100)，其中识别故障类型的步骤(103)通过测量DC位移电压(Ud)的极性和值来执行，使得如果DC位移电压(Ud)的极性为负，则故障类型识别为正极(3)到中性极(5)短路，如果DC位移电压(Ud)的极性为正，则故障类型识别为负极(4)到中性极(5)短路，且如果DC位移电压(Ud)具有大于阈值位移电压(Ut)的值，则故障类型识别为正极(3)到负极(4)短路。
4.根据权利要求1所述的方法(100)，其中如果DC位移电压(Ud)具有小于阈值电压(Ut)的值，则未检测到故障情况。
5.根据权利要求1所述的方法(100)，其中所述方法进一步包括步骤：
-当在换流器(2)的换流器端子(8)处测量时，基于换流器端子(8)处测量的DC瞬态电流改变(ΔId)的极性，故障电流的方向为向着换流器(2)还是DC线(7)，或
-当在DC开关子站(6)的DC开关子站端子(9)处测量时，基于DC开关子站端子(9)处测量的DC瞬态电流改变(ΔId)的极性，故障电流的方向为向着DC开关子站(6)还是DC线(7)。
6.根据权利要求5所述的方法(100)，其中DC瞬态电流改变(ΔId)计算为DC瞬态电流(Id)和额定DC电流(Idc)之间的差异。
7.根据权利要求5所述的方法(100)，其中检测故障电流的方向的步骤通过感测DC瞬态电流改变(ΔId)的极性执行，使得当DC瞬态电流改变(ΔId)的极性在换流器端子(8)处为负时则换流器端子(8)处的故障电流的方向为向着DC线(7)，当DC瞬态电流改变(ΔId)的极性在换流器端子(8)处为正时则故障电流的方向为向着换流器(2)，当DC瞬态电流改变(ΔId)的极性在DC开关子站端子(9)处为正时则故障电流的方向在DC开关子站端子(9)处为向着DC线(7)，且当DC瞬态电流改变(ΔId)的极性在DC开关子站端子(9)处为负时则故障电流的方向为向着DC开关子站(6)。
8.根据权利要求5所述的方法(100)，其中所述方法(100)进一步包括如下步骤，即通过在换流器端子(8)和DC开关子站端子(9)之间比较DC瞬态电流改变(ΔId)的极性，检测故障为相对于换流器(2)的内部故障还是外部故障。
9.根据权利要求8所述的方法(100)，其中检测故障为相对于换流器(2)的内部故障还是外部故障的步骤执行为使得：在换流器端子(8)处的DC瞬态电流改变(ΔId)的极性和DC开关子站端子(9)处的DC瞬态电流改变(ΔId)的极性不同时则故障为相对于换流器(2)的内部故障，且在换流器端子(8)处的DC瞬态电流改变(ΔId)的极性和DC开关子站端子(9)处的DC瞬态电流改变(ΔId)的极性相同时则故障为相对于换流器(2)的外部故障。
10.根据权利要求5所述的方法(100)，其中所述方法(100)进一步包括提供用于DC开关子站(6)的多个端子的瞬态汇流条差动保护的步骤，其中当在DC开关子站(6)的所有多个端子处的DC瞬态电流改变(ΔId)的极性为负时则故障是相对于DC开关子站(6)的内部故障，且当在DC开关子站(6)的所有多个端子处的DC瞬态电流改变(ΔId)的极性不同时则故障是相对于DC开关子站(6)的外部故障。
11.根据以上权利要求中任一项所述的方法(100)，其中所述方法进一步包括基于由故障引发的行波的传播时间检测DC线(7)上的瞬态故障位置的步骤。
12.一种用于提供多端HVDC电网(1)的防故障保护的装置(10)，所述装置(10)包括：
-具有正极(3)和负极(4)的换流器(2)；
-DC开关子站(6)；
-将换流器(2)和DC开关子站(6)连接的DC线(7)；
-瞬态故障检测器(11)，所述瞬态故障检测器(11)包括感测正极(3)的正瞬态电压(Up)的正电压传感器(12)和感测负极(4)的负瞬态电压(Un)的负电压传感器(13)，和适合于从正瞬态电压(Up)和负瞬态电压(Un)导出DC位移电压(Ud)的控制单元(14)；所述DC位移电压(Ud)具有极性和值，
其中，DC位移电压(Ud)计算为在正极处测量的正瞬态电压(Up)和在负极处测量的负瞬态电压(Un)的平均值。
13.根据权利要求12所述的装置(10)，其中所述装置(10)进一步包括瞬态故障方向检测器(15)，所述瞬态故障方向检测器(15)包括用于感测DC瞬态电流(Id)的电流传感器(16)以用于检测故障电流的方向。
14.根据权利要求13所述的装置(10)，所述装置(10)进一步包括用于检测DC线(7)上的故障位置的瞬态故障***；所述瞬态故障***包括用于测量正瞬态电压(Up)或负瞬态电压(Un)的电压传感器或用于测量DC瞬态电流(Id)的电流传感器的至少一个。
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