CN110320447A - 基于联接变经高阻接地的直流电网拓扑及其故障定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于联接变经高阻接地的直流电网拓扑及其故障定位方法，首先通过检测电压信号的方式检测直流线路的直流电压信号，初步判定是否发生故障，当判定发生故障后，控制短路掉联接变压器中性点与地之间设置的高阻接地线路，这样的话，由于联接变压器中性点与地之间设置的高阻值电阻被短路掉，直流线路中就会产生故障电流，进而根据故障电流进行故障定位的检测。因此，该故障定位方法适用于基于联接变经高阻接地的直流电网拓扑，能够实现故障定位，进而根据故障的位置进行故障检修，满足了联接变经高阻接地的直流电网拓扑的故障定位需求。另外，该故障定位方法简单、实用，易于工程现场实施，提高了直流电网的可靠性。

Description

基于联接变经高阻接地的直流电网拓扑及其故障定位方法

技术领域

本发明涉及一种基于联接变经高阻接地的直流电网拓扑及其故障定位方法。

背景技术

直流配电网可缓解交流电网站点走廊有限与负荷密度高的矛盾，具有更好接纳直流负荷、终端用户负荷直流化趋势明显以及更好的优质用电需求、易于分布式能源和储能的高密度接入和充分利用需求等优点，因此，直流配电网将是配电网的主要发展方向。

直流配电网作为一种新的配电技术，正处于初步发展阶段，如图1所示，联接变(联接变压器)经高阻(阻值非常大的电阻R)接地是直流配电网典型的拓扑方式，即联接变中性点通过高阻接地线路接地，高阻接地线路上串设有高阻值电阻R。如图1所示，基于联接变经高阻接地的直流电网拓扑包括换流站直流区和直流配用电区，其中，换流站直流区对应的换流站的个数为3个，当然，换流站还可以根据实际需要设定成其他的个数；直流配用电区中接入的分布式发电可以是光伏发电，也可以是水力发电或者是风力发电等等，还可以是多个分布式发电的任意组合，当然，也可以没有分布式发电；直流配用电区中的用电部分有储能***、充电桩、直流负荷和交流负荷，当然，用电的具体形式根据实际需要进行接入，还有就是，如果该***仅仅是一个直流输电***，就可以没有用电部分。图1所示的联接变经高阻接地的直流配电网拓扑发生故障时，比如换流站直流区或直流配用电区发生单极接地故障时，由于高阻接地的方式，故障回路(即直流线网中发生故障的相关直流线路)中的故障电流极小，无法通过电流实现故障定位，进而无法根据故障的位置进行故障检修，无法满足联接变经高阻接地的直流配电网拓扑的故障定位需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于联接变经高阻接地的直流电网拓扑的故障定位方法，用以解决基于联接变经高阻接地的直流电网拓扑在发生故障时，故障回路中的故障电流极小，无法通过电流实现故障定位的问题。本发明同时提供一种基于联接变经高阻接地的直流电网拓扑，用以解决基于联接变经高阻接地的直流电网拓扑在发生故障时，故障回路中的故障电流极小，无法通过电流实现故障定位的问题。

为实现上述目的，本发明的方案包括：

一种基于联接变经高阻接地的直流电网拓扑的故障定位方法，包括以下步骤：

(1)检测直流线路的电压信号，并根据检测到的电压信号判断是否发生故障；

(2)根据电压信号判定发生故障时，控制短路掉联接变压器中性点与地之间设置的高阻接地线路；

(3)根据故障电流进行故障定位的检测。

由于联接变压器中性点与地之间设置有高阻接地线路，发生故障时，故障电流极小，无法通过电流实现故障定位，那么，首先通过检测电压信号的方式检测直流线路的直流电压信号，初步判定是否发生故障，当判定发生故障后，控制短路掉联接变压器中性点与地之间设置的高阻接地线路，这样的话，由于联接变压器中性点与地之间设置的高阻值电阻被短路掉，直流线路中就会产生故障电流，进而根据故障电流进行故障定位的检测。因此，该故障定位方法适用于基于联接变经高阻接地的直流电网拓扑，能够在该直流电网拓扑发生故障时进行故障定位，进而根据故障的位置进行故障检修，满足了联接变经高阻接地的直流配电网拓扑的直流电网需求。另外，该故障定位方法简单、实用，易于工程现场实施，提高了直流电网的可靠性。

进一步地，为了提升根据电压信号进行故障诊断的可靠性，步骤(1)中，检测直流线路的正极电压信号和负极电压信号，计算正极电压信号和负极电压信号之和，得到直流电压变化量，当直流电压变化量大于电压变化量设定阈值时，判定发生故障。

进一步地，为了提升故障定位的可靠性，步骤(3)中，直流电网拓扑中的各线路上的保护装置根据故障电流进行故障定位。

本发明还提供一种基于联接变经高阻接地的直流电网拓扑，包括直流线网和至少两个换流站，所述直流线网包括第一直流线路，换流站之间通过所述第一直流线路进行连接，至少一个换流站中设置有联接变压器，联接变压器的中性点通过高阻接地线路接地，所述高阻接地线路并联设置有一个旁通支路，所述旁通支路上串设有旁通开关，用于在旁通开关闭合时短路掉所述高阻接地线路，所述基于联接变经高阻接地的直流电网拓扑还包括故障定位装置，所述故障定位装置实现的故障定位策略包括以下步骤：

(1)检测直流线网的电压信号，并根据检测到的电压信号判断是否发生故障；

(2)根据电压信号判定发生故障时，控制短路掉联接变压器中性点与地之间设置的高阻接地线路；

(3)根据故障电流进行故障定位的检测。

由于联接变压器中性点与地之间设置有高阻接地线路，发生故障时，故障电流极小，无法通过电流实现故障定位，那么，首先通过检测电压信号的方式检测直流线路的直流电压信号，初步判定是否发生故障，当判定发生故障后，控制短路掉联接变压器中性点与地之间设置的高阻接地线路，这样的话，由于联接变压器中性点与地之间设置的高阻值电阻被短路掉，直流线路中就会产生故障电流，进而根据故障电流进行故障定位的检测。因此，能够在该直流电网拓扑发生故障时进行故障定位，进而根据故障的位置进行故障检修，满足了联接变经高阻接地的直流配电网拓扑的直流电网需求。另外，该直流电网拓扑中的故障定位策略简单、实用，易于工程现场实施，提高了直流电网的可靠性。

进一步地，为了提升根据电压信号进行故障诊断的可靠性，步骤(1)中，检测直流线路的正极电压信号和负极电压信号，计算正极电压信号和负极电压信号之和，得到直流电压变化量，当直流电压变化量大于电压变化量设定阈值时，判定发生故障。

进一步地，所述直流电网拓扑还包括分布式发电部分和用电部分，所述直流线网还包括第二直流线路和第三直流线路，所述分布式发电部分的直流电输出端通过第二直流线路连接所述第一直流线路，所述用电部分通过第三直流线路连接所述第一直流线路。

进一步地，为了提升故障定位的可靠性，步骤(3)中，直流线网中的各线路上的保护装置根据故障电流进行故障定位。

附图说明

图1是现有的基于联接变经高阻接地的直流电网拓扑结构图；

图2是本发明提供的基于联接变经高阻接地的直流电网拓扑结构图；

图3是本发明提供的基于联接变经高阻接地的直流电网拓扑中直流配用电区GOOSE组网示意图。

具体实施方式

基于联接变经高阻接地的直流电网拓扑实施例：

本实施例提供一种基于联接变经高阻接地的直流电网拓扑，包括直流线网和至少两个换流站，这里换流站以3个为例，如图2所示，分别为站1、站2和站3。该直流电网拓扑中可以只包含换流站，不涉及其他的分布式发电部分和用电部分，那么，该直流电网拓扑就为一种直流输电***，当然，该直流电网拓扑中除了换流站之外，还可以涉及其他的分布式发电部分和用电部分，那么，该直流电网拓扑就为一种集输电、配电和用电的直流电网***。本实施例中，该直流电网拓扑包含换流站、相关的分布式发电部分和用电部分，那么，直流线网就包括三种直流线路，分别是第一直流线路、第二直流线路和第三直流线路，换流站之间通过第一直流线路进行连接，分布式发电部分的直流电输出端通过第二直流线路连接第一直流线路，用电部分通过第三直流线路连接第一直流线路。分布式发电部分以光伏发电为例，当然，也可以是水力发电或者是风力发电等等，还可以是多个分布式发电的任意组合；本实施例中，用电部分包括储能***、充电桩、直流负荷和交流负荷。那么，该直流电网拓扑整体上就可以分为两个区域，分别是换流站直流区和直流配用电区，这两个区域的具体划分范围见图2所示。

站1、站2和站3中至少一个换流站中设置有联接变压器，本实施例中，站1中设置联接变压器。该联接变压器的中性点通过高阻接地线路接地，如图2所示，高阻接地线路上串设有阻值非常大的电阻R，电阻R阻值的具体选择要求为常规技术，这里就不再具体说明。并且，该高阻接地线路并联设置有一个旁通支路，该旁通支路上串设有旁通开关K，那么，当旁通开关K闭合时就能够短路掉高阻接地线路，即短路掉电阻R，当然，在直流电网拓扑正常运行过程中，旁通开关K处于断开状态。

因此，就硬件电路结构而言，与现有的直流电网拓扑相比，本实施例提供的直流电网拓扑中多了一个旁通支路。如图2所示，图中IDP1为换流器正极线电流，IDN1为换流器负极线电流，UDP1为正极线电压，UDN1为负极线电压，IDPL1、IDPL2以及IDPL3为对应直流线路的正极线电流，IDNL1为负极线电流等等。以上电压以及电流信号可用于电压故障判定以及电流差动保护定位。另外，对于图2所示的直流电网拓扑中的其他结构以及相关器件，由于与本申请的发明点无关，而且属于常规技术，本实施例就不再具体介绍。

直流电网拓扑还包括故障定位装置，该故障定位装置能够实现一种适用于图2所示直流电网拓扑的故障定位方法，因此，该故障定位装置本质上是一种故障定位方法。该故障定位装置可以是软件模块，也可以是硬件控制设备，通过内部加载的软件程序实现相关控制功能。

故障定位方法包括以下步骤：

首先，检测直流线网，即第一直流线路、第二直流线路和第三直流线路上的电压信号，并根据检测到的电压信号判断是否发生故障。以下给出一种具体的判断过程：检测直流线路的正极电压信号(为正值)和负极电压信号(为负值)，比如图2中检测直流线路的正极线电压UDP1和负极线电压UDN1，计算正极电压信号和负极电压信号之和，得到直流电压变化量，这里采用的计算公式为|UDP1+UDN1|，由于正常情况下正极电压信号和负极电压信号相加之和为0，或者得到的数值比较小，即直流电压变化量为0或者是一个比较小的数值，那么，设定一个电压变化量设定阈值，通过比较实际的直流电压变化量与电压变化量设定阈值来判断是否发生故障，具体为：当直流电压变化量大于电压变化量设定阈值时，表示电压波动很大，判定发生故障，比如，换流站直流区或者直流配用电区发生单极接地故障；否则，判定没有发生故障。这里，电压变化量设定阈值可以为直流线路正常运行时电压变化量的最大允许值，当然，还可以考虑预留一定的安全裕度，即电压变化量设定阈值略大于直流线路正常运行时电压变化量的最大允许值。

然后，当判定发生故障时，由于高阻接地方式，此时故障电流极小，无法通过电流实现定位，那么，控制短路掉联接变压器中性点与地之间设置的高阻接地线路，即控制闭合旁通开关K，这样的话，线路中就产生故障电流，以便能进一步准确定位故障。

最后，根据故障电流进行故障定位的检测。

根据故障电流进行故障定位的检测技术比较成熟，比如授权公告号为CN102445638B、CN102508121B以及CN105510773B的中国专利文件中公开的直流输电***故障定位方法。作为一个具体实施方式，本实施例给出一种根据故障电流进行故障定位的具体实现过程，如下所述：

换流站直流区配置集中式保护装置，直流配用电区配置分布式保护装置，作为直流故障定位的基础，其中集中式保护装置的保护功能包含：直流电压不平衡保护、直流过电压保护、换流器母线差动保护和直流线路差动保护等等；直流配用区按照直流进线、馈线配置独立的分布式保护装置，保护功能包含：过流保护等等，而且，分布式保护装置通过GOOSE组网，与相邻保护装置通信，如图3所示，A1-A6为分布式就地化保护装置。

故障定位方法中的故障判定过程可以由集中式保护装置完成，集中式保护装置检测电压信号，当直流电压变化量大于电压变化量设定阈值时，集中式保护装置中的电压不平衡保护、直流过压保护动作，判定发生故障，而且，旁通开关K的闭合控制也由集中式保护装置完成，集中式保护装置向旁通开关K发出“闭合旁通开关”信号，短路掉联接变压器中性点与地之间设置的高阻接地线路。然后通过集中式保护装置的差动保护实现换流站直流区的直流故障定位，由分布式保护装置组网方式实现直流配用电区的直流故障定位。

因此，直流线网中的各线路上的保护装置根据故障电流进行故障定位，以图2而言，比如：根据配置的正极直流线路1(即IDPL1对应的正极直流线路)差动保护、正极直流线路2(即IDPL2对应的正极直流线路)差动保护、正极直流线路3(即IDPL3对应的正极直流线路)差动保护、负极直流线路1(即与IDPL1对应的正极直流线路相对应的负极直流线路)差动保护、负极直流线路2(即与IDPL2对应的正极直流线路相对应的负极直流线路)差动保护以及负极直流线路3(即与IDPL3对应的正极直流线路相对应的负极直流线路)差动保护的动作结果，就能清晰定位故障发生在直流线路的具体区域，然后实现故障隔离、***恢复运行等操作。

那么，产生故障电流后，假如故障发生在换流站直流区，则由集中式保护装置中的直流线路差动保护动作；假如故障发生在直流配用电区，则由分布式保护装置中的过流保护动作，分布式保护装置通过GOOSE组网与相邻保护装置通信，根据相邻保护动作信息进行综合判断。

另外，该故障定位方法可用嵌入式工业控制平台或PC装置来实现，此两种装置是直流输电领域常用的装置，同样适用于直流配电网领域。

上述实施例中，根据检测得到的第一直流线路、第二直流线路和第三直流线路上的电压信号进行故障判断，当然，如果直流电网拓扑中不涉及分布式发电部分和用电部分，那么，直流电网拓扑中就不包含第二直流线路和第三直流线路，进而只根据检测得到的第一直流线路上的电压信号进行故障判断。

以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本保护方案在于如下过程：对于联接变经高阻接地的直流电网拓扑，首先检测直流线网的电压信号，并根据检测到的电压信号判断是否发生故障，当直流线网发生故障时，控制短路掉联接变压器中性点与地之间设置的高阻接地线路，最后根据故障电流进行故障定位。而不局限于根据故障电流进行故障定位的具体实现过程，因此，在不脱离本发明的基本保护方案的情况下，现有技术中的根据故障电流进行故障定位的任何实现过程均落入本发明的保护范围内。

基于联接变经高阻接地的直流电网拓扑的故障定位方法实施例：

本实施例提供一种基于联接变经高阻接地的直流电网拓扑的故障定位方法，包括以下步骤：

(1)检测直流线路的电压信号，并根据检测到的电压信号判断是否发生故障；

(2)根据电压信号判定发生故障时，控制短路掉联接变压器中性点与地之间设置的高阻接地线路；

(3)根据故障电流进行故障定位的检测。

该故障定位方法可以单独保护，并不局限于图2所示的具体拓扑结构。只要使用该故障定位方法，任何拓扑结构均落入本发明的保护范围内。由于该故障定位方法的具体实施过程在上述基于联接变经高阻接地的直流电网拓扑实施例中已给出了详细地描述，本实施例就不再具体说明。

Claims (7)

1.一种基于联接变经高阻接地的直流电网拓扑的故障定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)检测直流线路的电压信号，并根据检测到的电压信号判断是否发生故障；

(2)根据电压信号判定发生故障时，控制短路掉联接变压器中性点与地之间设置的高阻接地线路；

(3)根据故障电流进行故障定位的检测。

2.根据权利要求1所述的基于联接变经高阻接地的直流电网拓扑的故障定位方法，其特征在于，

步骤(1)中，检测直流线路的正极电压信号和负极电压信号，计算正极电压信号和负极电压信号之和，得到直流电压变化量，当直流电压变化量大于电压变化量设定阈值时，判定发生故障。

3.根据权利要求1或2所述的基于联接变经高阻接地的直流电网拓扑的故障定位方法，其特征在于，步骤(3)中，直流电网拓扑中的各线路上的保护装置根据故障电流进行故障定位。

4.一种基于联接变经高阻接地的直流电网拓扑，包括直流线网和至少两个换流站，所述直流线网包括第一直流线路，换流站之间通过所述第一直流线路进行连接，至少一个换流站中设置有联接变压器，联接变压器的中性点通过高阻接地线路接地，其特征在于，所述高阻接地线路并联设置有一个旁通支路，所述旁通支路上串设有旁通开关，用于在旁通开关闭合时短路掉所述高阻接地线路，所述基于联接变经高阻接地的直流电网拓扑还包括故障定位装置，所述故障定位装置实现的故障定位策略包括以下步骤：

(1)检测直流线网的电压信号，并根据检测到的电压信号判断是否发生故障；

(2)根据电压信号判定发生故障时，控制短路掉联接变压器中性点与地之间设置的高阻接地线路；

(3)根据故障电流进行故障定位的检测。

5.根据权利要求4所述的基于联接变经高阻接地的直流电网拓扑，其特征在于，步骤(1)中，检测直流线路的正极电压信号和负极电压信号，计算正极电压信号和负极电压信号之和，得到直流电压变化量，当直流电压变化量大于电压变化量设定阈值时，判定发生故障。

6.根据权利要求4或5所述的基于联接变经高阻接地的直流电网拓扑，其特征在于，所述直流电网拓扑还包括分布式发电部分和用电部分，所述直流线网还包括第二直流线路和第三直流线路，所述分布式发电部分的直流电输出端通过第二直流线路连接所述第一直流线路，所述用电部分通过第三直流线路连接所述第一直流线路。

7.根据权利要求4或5所述的基于联接变经高阻接地的直流电网拓扑，其特征在于，步骤(3)中，直流线网中的各线路上的保护装置根据故障电流进行故障定位。