CN110011282A - 一种直流短路故障性质判断方法及直流***重合闸方法 - Google Patents

一种直流短路故障性质判断方法及直流***重合闸方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种直流短路故障性质判断方法及直流***重合闸方法，包括：直流断路器分闸后，通过直流输电线路的直流输出端的换流器产生预设的交流检测信号，注入到直流输电线路，预设的交流检测信号的频率等于直流断路器的换流支路接入短路故障后的直流输电线路后的电路的谐振频率；检测直流输出端连接的直流断路器输出端的直流电流响应值和直流电压响应值；根据直流电流响应值和直流电压响应值判断短路故障的性质，当直流电流响应值大于预设第一电流判据，且直流电压响应值大于预设第一电压判据时，短路故障为永久性故障，否则短路故障为瞬时性故障。本发明通过主动注入信号对短路故障性质进行判别，从而避免断路器重合闸于永久性故障。

Description

一种直流短路故障性质判断方法及直流***重合闸方法
技术领域
本发明属于柔性直流输电领域，更具体地，涉及一种直流短路故障性质判断方法及直流***重合闸方法。
背景技术
柔性直流输电***具有诸多技术优势，可实现大规模、高波动性可再生能源的平滑接入，可提供灵活、快捷的潮流控制，是解决大范围电力传输、提高可再生能源利用率以及提升供电可靠性和***稳定性等问题的有效方案。考虑到未来大规模、远距离输电的需求，架空输电线路是必然选择。应对架空线路时常发生的直流故障是构建柔性直流电网首要解决的技术难题。
基于全桥型子模块的全桥型模块化多电平换流器(MMC)可通过闭锁绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)的方式来阻断故障电流，也可通过设计控制器主动控制直流故障电流。由于全桥型MMC所需功率器件数目是半桥型MMC的2倍，增加了换流器的成本和损耗。混合型MMC由全桥型子模块和半桥型子模块级联而成，可对直流电流进行控制，在故障期间主动限制故障电流，辅以低容量直流断路器隔离故障线路，成为兼具经济性与技术优势的选择。
柔性直流电网需考虑混合型MMC和直流断路器的配合以快速清除直流故障，使得健全***可不间断运行。与交流***故障保护类似，还需考虑快速重合闸方案以实现故障后快速恢复供电。通常情况下，当直流线路故障发生后，断路器动作以切断故障电流。在线路去游离后，直流断路器重合闸，通过能否建立直流电压实现对故障性质的判断。若能够建立直流电压，表明故障已经消失，为瞬时性故障，***恢复正常运行；若直流电压无法建立，则为永久性故障，故障电流急剧上升，直流断路器需再次分闸。这种重启方法在重合闸于永久性故障时会对***造成二次危害，且二次分闸进一步增加了直流断路器的开断容量需求。对于基于混合型MMC的架空柔直***，其在直流故障期间仍可控制直流电压/电流，具备主动注入信号的能力。另一方面，级联全桥型直流断路器、机械式直流断路器等断路器拓扑在主支路在分闸后，换流支路仍串联于线路之中，为换流器注入信号的流通提供了路径。
因此，研究基于混合型MMC主动信号注入的自适应重合闸控制技术，是提高架空柔性直流电网运行可靠性的重要途径。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于解决柔性直流电网重合闸于永久性故障时会对***造成二次危害且需要再次分闸的技术问题。
为实现上述目的，第一方面，本发明提供一种直流短路故障性质判断方法，该方法应用于直流输电***，直流输电***包括换流器之间的直流输电线路，每条直流输电线路的两端各有一个直流断路器，所述换流器用于将交流信号转换为直流信号或将直流信号转换为交流信号，两个换流器之间进行直流输电，包括以下步骤：
所述直流断路器包括机械开关、吸能支路及换流支路，当所述直流输电线路发生短路故障后，所述直流断路器的机械开关打开，短路电流流经换流支路，最终被吸能支路吸收；
所述直流断路器分闸后，通过直流输电线路的直流输出端的换流器产生预设的交流检测信号，注入到直流输电线路，所述预设的交流检测信号的频率根据所述直流断路器的换流支路接入短路故障后的直流输电线路后的电路的谐振频率设定，以使得所述预设交流检测信号可以流经所述直流断路器的换流支路；
检测所述直流输出端连接的直流断路器输出端的直流电流响应值和直流电压响应值；
根据所述直流电流响应值和直流电压响应值判断所述短路故障的类型，当所述直流电流响应值大于预设第一电流判据，且所述直流电压响应值大于预设第一电压判据时，所述短路故障为永久性故障，否则所述短路故障为瞬时性故障，所述第一电流判据和第一电压判据根据所述预设的交流检测信号的幅值以及所述直流断路器的换流支路接入短路故障后的直流输电线路后的电路的参数设定。
可选地，所述短路故障为瞬时性故障，具体包括：
当直流电流响应大于第一电流判据，且直流电压响应小于第二电压判据时，判断故障为瞬时性故障，或当直流电流响应小于第二电流判据时，判断故障为瞬时性故障；第二电流判据小于第一电流判据，第二电压判据小于第一电压判据，所述第二电流判据和第二电压判据根据所述预设的交流检测信号的幅值以及所述直流断路器的换流支路接入短路故障后的直流输电线路后的电路的参数设定。
可选地，所述预设的交流检测信号通过换流器的直流电流控制器注入，通过改变直流控制器的参考值信号的幅值和频率注入预设交流检测信号，所述直流控制器的参考值信号频率对应预设交流检测信号的频率。
可选地，所述预设的交流检测信号通过换流器的直流调制比信号注入，通过改变直流调制比信号的幅值和频率注入预设交流检测信号，所述直流调制比信号的频率对应预设交流检测信号的频率。
可选地，注入预设交流检测信号时，所述直流控制器的参考值信号的幅值为0pu～0.1pu。
可选地，注入预设交流检测信号时，所述直流调制比信号的幅值为1pu～1.1pu。
可选地，直流断路器为：耦合型机械直流断路器、负压耦合型机械直流断路器或级联全桥子模块型混合型直流断路器。
可选地，换流器为：子模块混合型模块化多电平换流器、全桥型模块化多电平换流器或交叉级联型模块化多电平换流器。
第二方面，本发明提供一种基于上述第一方面提供的直流短路故障性质判断方法的直流***重合闸方法，包括：
当判断短路故障为永久性故障时，控制直流断路器进入闭锁状态，使得所述直流断路器的机械开关不再闭合，等待直流输电线路故障检修；
当判断短路故障为瞬时性故障，控制直流断路器重合闸，闭合所述直流断路器的机械开关。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
(1)本发明提出了一种基于换流器主动控制的故障重合闸故障性质判别方法，通过在换流器控制器中加入直流故障性质辨识控制模式，使换流器可以在直流故障发生且直流断路器分闸后，通过切换控制模式产生主动信号，经直流断路器支路注入至故障线路，根据不同故障性质而产生不同响应。
(2)本发明提出了一种故障性质辨识判据，根据永久性直流短路故障和瞬时性直流短路故障情形下不同的等效电路，通过判断暂态线路电压、电气或者断路器两端电气量大小，判别故障性质，避免了断路器重合闸于永久性故障，降低柔性直流输电网络对于直流断路器开断容量的要求，简化断路器拓扑的设计，提高柔性直流输电***安全性，降低直流工程建设成本。
附图说明
图1是本发明实施例采用的一种混合型MMC拓扑；
图2是本发明实施例提供的一种含直流电流参考值预设控制模式的换流器的控制逻辑示意图；
图3是本发明实施例提供的一种含直流调制比预设控制模式的换流器的控制逻辑示意图；
图4是本发明实施例研究的直流断路器的结构示意图；
图5是本发明实施例提供的一种机械式断路器的结构示意图；
图6是本发明实施例提供的机械式断路器开断后注入信号的流通路径；
图7是本发明实施例提供的一种永久性故障期间换流器、直流断路器以及架空线构成的等效电路示意图；
图8是本发明实施例提供的一种瞬时性故障期间两端换流器、直流断路器以及架空线构成的等效电路示意图；
图9是本发明实施例提供的一种基于直流短路故障性质判断方法的直流***重合闸方法流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明采用的具体技术方案如下：在直流线路去游离后，通过切换换流器控制产生主动信号，经直流断路器支路注入至故障线路；根据注入信号在永久性直流短路故障和瞬时性直流短路故障情形下不同的响应特性，对短路故障性质进行判别，从而避免断路器重合闸于永久性故障，降低柔性直流输电网络对于直流断路器开断容量的要求，简化断路器拓扑的设计，提高柔性直流输电***安全性，降低直流工程建设成本。
具体地，包括一种电压源型换流器重合闸主动控制方法，在换流器控制器中加入直流故障性质辨识控制模式，通过在故障性质辨识控制指令值中设计特定参考量，并将其作为直流故障发生且直流断路器分闸后直流电流控制器的控制指令值。根据注入信号在永久性直流短路故障和瞬时性直流短路故障情形下不同的响应特性，对短路故障性质进行判别。当判别为永久性故障时，闭锁直流断路器，等待直流线路故障检修；当判别为瞬时性故障时，则正常进行重合闸。
优选地，所述的故障性质辨识控制可采用直流电流控制器Idcref为注入信号，通过预设Idcref指令值，注入脉冲或交变信号至故障线路。
优选地，所述的故障性质辨识控制可采用直流调制比Mdc为注入信号，通过预设Mdc指令值，注入脉冲或交变信号至故障线路。
具体地，直流电流控制器预设值可为脉冲量、交变量等，通过注入主动信号，经由直流断路器连接在电网中的支路导通，根据永久性故障或瞬时性故障产生不同的响应。
具体地，直流调制比Mdc预设值可为脉冲量、交变量等，通过注入主动信号，经由直流断路器连接在电网中的支路导通，根据永久性故障或瞬时性故障产生不同的响应。
优选地，所述的注入信号的幅值不宜过大，尽量减小对***的影响，注入频率应以可通过断路器换流支路为前提进行设定，可根据等效电路的谐振频率进行计算确定。
具体地，电压源型换流器指子模块具备输出负电压能力的模块化多电平换流器，所述子模块具备输出负电压能力的模块化多电平换流器包含但不限于子模块混合型模块化多电平换流器、全桥型模块化多电平换流器、交叉级联型模块化多电平换流器等。
具体地，直流断路器拓扑包含但不限于耦合型机械直流断路器、负压耦合型机械直流断路器、级联全桥子模块型混合型直流断路器等。其特征在于，直流断路器在主支路分闸后，通过换流支路的电感或电容设备仍与直流网络有电气连接。
具体地，故障性质预判判据通过基于注入信号流入故障线路后，在瞬时性故障和永久性故障产生的不同响应而提取。永久性故障与瞬时性故障的信号流通路径不一样，其等效电路完全不同，因此产生的响应也有一定差异。对线路暂态量进行时域或频域分析，得到永久性故障和瞬时性故障的暂态响应差异，从而提取出故障特征量，得到永久性故障辨识判据。
更进一步地，永久性、瞬时性故障特征量可采用直流线路电压、直流线路电流、直流断路器端电压等信号的响应为判据。
更进一步地，为降低检测信号的提取难度，同时增加故障性质判据的检测灵敏度，可采用直流电流响应为主判据，设置第一电流判据Idc_set1与第二电流判据Idc_set2，当直流电流响应Idc大于第一电流判据Idc_set1时，则可初步判断故障为永久性故障，并进行辅助判据检验；当直流电流响应Idc小于第二电流判据Idc_set2时，则可判断故障为瞬时性故障，第一电流判据Idc_set1大于第二电流判据Idc_set2。
更进一步地，为提高故障性质辨识的准确性，可采用直流电压响应为辅助判据，设置第一电压判据Udc_set1与第二电压判据Udc_set2，当直流电压响应Udc大于第一电压判据Udc_set1时，则可判断故障为永久性故障；当直流电压响应Udc小于第二电压判据Udc_set2时，则可判断故障为瞬时性故障，第一电压判据Udc_set1大于第二电压判据Udc_set2。
作为本发明的进一步优选，预判出故障性质后，提供一种直流断路器重合闸逻辑。当判别为永久性故障时，闭锁直流断路器主支路脉冲，等待直流线路故障检修；当判别为瞬时性故障时，则给直流断路器下发合闸指令，进行重合闸。
本发明针对目前架空柔性直流电网发生永久性故障时，断路器重合闸可能面临的二次分闸问题，提出了一种基于换流器主动信号注入的柔性直流输电***重合闸方法。在直流故障发生且直流断路器分闸后，通过换流器控制产生主动信号，经直流断路器支路注入至故障线路；根据注入信号在永久性直流短路故障和瞬时性直流短路故障情形下不同的响应特性，对短路故障性质进行判别，从而避免断路器重合闸于永久性故障，降低柔性直流输电网络对于直流断路器开断容量的要求，简化断路器拓扑的设计，提高柔性直流输电***安全性，降低直流工程建设成本。
图1为本发明实施例采用的一种混合型MMC拓扑。其每个桥臂均由一半全桥型子模块FBSM和一半半桥型子模块HBSM串联而成。对于全桥型子模块，其工作模式如表1所示，其特征在于能输出负电压，可使换流器在负压运行，其中，T1-T4分别表示每个全桥型子模块的四个IGBT，Usm表示子模块输出的电压，Uc表示子模块内电容电压。本发明所涉及的控制***适用于各个已知的，能稳定输出负电压的MMC拓扑。
表1全桥型子模块开关状态
图2为本发明提出的一种直流故障性质辨识控制模式，在换流器直流电流控制中加入预设控制指令值，设计一组故障辨识控制参考量。在直流线路去游离后，启动故障性质辨识控制模式，将直流电流控制器参考值Idcref的输入端的开关接头切换至预设值，从而生成主动信号注入至直流故障线路，进行故障性质预判。该预设值采用交变信号，在本实施例中幅值选取为0～0.1pu(标幺值)，频率以通过断路器换流支路为前提进行设定，根据等效电路的谐振频率进行计算确定。
图3为本发明提出的另一种直流故障性质辨识控制模式，在控制器的直流控制中设计一组直流调制比预设控制指令值，在直流线路去游离后，启动故障性质辨识控制模式，将直流调制比信号Mdc的输入端切换至预设值，从而生成主动信号注入至直流故障线路，进行故障性质预判。该预设值采用交变信号，在本实施例中幅值选取为1～1.1pu(标幺值)，频率以通过断路器换流支路为前提进行设定，根据等效电路的谐振频率进行计算确定。
图4为本发明实施例采用的直流断路器的拓扑图，断路器由主支路、换流支路和吸能支路组成，其中主支路为直流断路器在正常运行时导通的支路。在直流故障发生后，主支路分闸，故障电流流经换流支路和吸能支路。换流支路由于电感或电容等器件存在，与直流网络仍有电气连接。
图5为本发明实施例提供的一种机械式断路器的结构示意图。机械式断路器由快速机械开关、换流支路和吸能支路构成，其制造成本和运行损耗相对较低。快速机械开关在正常运行时闭合，在直流故障发生后，机械开关快速分闸，故障电流流经换流支路和吸能支路。
图6为直流断路器断开后，换流站通过断路器换流支路(L，C)向故障点注入信号的导通路径。换流支路由于电感或电容等器件存在，与直流网络仍有电气连接。换流器发出的注入信号，通过换流支路流入故障线路。
图7为直流故障为永久性故障时的等效电路，换流器等效为直流电压源与注入信号发生器的叠加，断路器的换流支路构成了LC通路。其中，直流断路器通路右侧的电感为限流电抗器。通过计算等效电路的谐振频率，选取合适的Idcref或Mdc注入信号，可以产生容易检测的直流电流响应量。
图8为直流故障为瞬时性故障时的等效电路，瞬时性故障清除后，两端换流器与直流输电架空线通过两端的直流断路器换流支路相连，构成完整回路。注入信号在瞬时性故障等效电路中衰减严重，直流电流响应量很小。
图9为本发明实施例提供的一种基于直流短路故障性质判断方法的直流***重合闸方法流程图，包括以下步骤：
(1)检测到直流短路故障信号，直流断路器分闸。
(2)切换换流器控制模式，向***注入信号。
(3)提取注入信号响应特征量，判断其是否符合永久性故障判据，进行故障性质预判。
为降低检测信号的提取难度，同时增加故障性质判据的检测灵敏度，本发明采用注入信号后产生的直流电流响应为主判据，设置第一电流判据Idc_set1与第二电流判据Idc_set2，当直流电流响应Idc大于第一电流判据Idc_set1时，则可初步判断故障为永久性故障，并进行辅助判据检验；当直流电流响应Idc小于第二电流判据Idc_set2时，则可判断故障为瞬时性故障，Idc_set1大于Idc_set2。
为提高故障性质辨识的准确性，本发明采用注入信号后产生的直流电压响应为辅助判据，设置第一电压判据Udc_set1与第二电压判据Udc_set2，当直流电压响应Udc大于第一电压判据Udc_set1时，则可判断故障为永久性故障；当直流电压响应Udc小于第二电压判据Udc_set2时，则可判断故障为瞬时性故障，Udc_set1大于Udc_set2。
(4)重合闸动作指导，基于故障性质辨识判据，当判别为永久性故障时，断路器进入闭锁状态，等待直流线路故障检修；当判别为瞬时性故障时，则按原计划进行重合闸。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种直流短路故障性质判断方法，该方法应用于直流输电***，直流输电***包括换流器之间的直流输电线路，每条直流输电线路的两端各有一个直流断路器，所述换流器用于将交流信号转换为直流信号或将直流信号转换为交流信号，两个换流器之间进行直流输电，其特征在于，包括以下步骤：
所述直流断路器包括机械开关、吸能支路及换流支路，当所述直流输电线路发生短路故障后，所述直流断路器的机械开关打开，短路电流流经换流支路，最终被吸能支路吸收；
所述直流断路器分闸后，通过直流输电线路的直流输出端的换流器产生预设的交流检测信号，注入到直流输电线路，所述预设的交流检测信号的频率根据所述直流断路器的换流支路接入短路故障后的直流输电线路后的电路的谐振频率设定，以使得所述预设交流检测信号可以流经所述直流断路器的换流支路；
检测所述直流输出端连接的直流断路器输出端的直流电流响应值和直流电压响应值；
根据所述直流电流响应值和直流电压响应值判断所述短路故障的类型，当所述直流电流响应值大于预设第一电流判据，且所述直流电压响应值大于预设第一电压判据时，所述短路故障为永久性故障，否则所述短路故障为瞬时性故障，所述第一电流判据和第一电压判据根据所述预设的交流检测信号的幅值以及所述直流断路器的换流支路接入短路故障后的直流输电线路后的电路的参数设定。
2.根据权利要求1所述的直流短路故障性质判断方法，其特征在于，所述短路故障为瞬时性故障，具体包括：
当直流电流响应大于第一电流判据，且直流电压响应小于第二电压判据时，判断故障为瞬时性故障，或当直流电流响应小于第二电流判据时，判断故障为瞬时性故障；第二电流判据小于第一电流判据，第二电压判据小于第一电压判据，所述第二电流判据和第二电压判据根据所述预设的交流检测信号的幅值以及所述直流断路器的换流支路接入短路故障后的直流输电线路后的电路的参数设定。
3.根据权利要求1所述的直流短路故障性质判断方法，其特征在于，所述预设的交流检测信号通过换流器的直流电流控制器注入，通过改变直流控制器的参考值信号的幅值和频率注入预设交流检测信号，所述直流控制器的参考值信号频率对应预设交流检测信号的频率。
4.根据权利要求1所述的直流短路故障性质判断方法，其特征在于，所述预设的交流检测信号通过换流器的直流调制比信号注入，通过改变直流调制比信号的幅值和频率注入预设交流检测信号，所述直流调制比信号的频率对应预设交流检测信号的频率。
5.根据权利要求3所述的直流短路故障性质判断方法，其特征在于，注入预设交流检测信号时，所述直流控制器的参考值信号的幅值为0pu～0.1pu。
6.根据权利要求4所述的直流短路故障性质判断方法，其特征在于，注入预设交流检测信号时，所述直流调制比信号的幅值为1pu～1.1pu。
7.根据权利要求4所述的直流短路故障性质判断方法，其特征在于，所述直流断路器为：耦合型机械直流断路器、负压耦合型机械直流断路器或级联全桥子模块型混合型直流断路器。
8.根据权利要求4所述的直流短路故障性质判断方法，其特征在于，所述换流器为：子模块混合型模块化多电平换流器、全桥型模块化多电平换流器或交叉级联型模块化多电平换流器。
9.一种基于权利要求1至8任一项所述的直流短路故障性质判断方法的直流***重合闸方法，其特征在于，包括：
当判断短路故障为永久性故障时，控制直流断路器进入闭锁状态，使得所述直流断路器的机械开关不再闭合，等待直流输电线路故障检修；
当判断短路故障为瞬时性故障，控制直流断路器重合闸，闭合所述直流断路器的机械开关。
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