CN114336551A - 一种基于mmc的柔性直流输电***故障保护*** - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于MMC的柔性直流输电***故障保护***。本发明中，故障保护模块的内部设计了切断滤波电容接地点以切断故障电流通路的方法保护***元件。虽然这种方法会提高***绝缘水平，但是可以有效地阻断故障电流通路，维持***安全可靠运行，同时交流***单相接地故障保护模块和交流***相间短路故障保护模块配合使用，当***发生单极接地短路故障时，可以改变直流***的运行方式，使其由双极运行改变为单极运行。通过利用单极运行方式，可以有效地维持***运行，减少故障带来的部分损失，从而提高了该***的保护性能，保障了输电***的安全稳定。

Description

一种基于MMC的柔性直流输电***故障保护***
技术领域
本发明属于输电***故障保护技术领域，具体为一种基于MMC的柔性直流输电***故障保护***。
背景技术
柔性直流输电作为新一代直流输电技术，其在结构上与高压直流输电类似，仍是由换流站和直流输电线路(通常为直流电缆)构成。基于电压源换流器的高压直流输电技术由加拿大McGill大学的Boon-Teck Ooi等人于1990年提出，是一种以电压源换流器、自关断器件和脉宽调制(PWM)技术为基础的新型输电技术，该输电技术具有可向无源网络供电、不会出现换相失败、换流站间无需通信以及易于构成多端直流***等优点。
但是常见的***在运行时，当输电***发生故障时，此时不能及时对故障信息进行推送，工作人员存在信息查看不及时的风险，从而影响故障发生时处理的及时性。
发明内容
本发明的目的在于：为了解决上述提出的问题，提供一种基于MMC的柔性直流输电***故障保护***。
本发明采用的技术方案如下：一种基于MMC的柔性直流输电***故障保护***，包括电源开关模块、数据采集模块、数据输出模块、处理器模块、故障分析模块、故障保护模块、报警信息推送模块、信息输出模块、预设短信模块、网络对接模块、子模块故障保护模块、网侧交流***故障保护模块、交流***单相接地故障保护模块、交流***相间短路故障保护模块、直流输电线路单极接地故障保护模块、工作人员接收终端，所述电源开关模块的输出端连接有所述数据采集模块的输入端，所述数据采集模块的输出端连接有所述数据输出模块的输入端，所述数据输出模块的输出端连接有所述处理器模块的输入端，所述处理器模块的输出端连接有所述故障分析模块的输入端，所述故障分析模块的输出端连接有所述故障保护模块的输入端，所述故障保护模块的输出端连接有所述报警信息推送模块的输入端；
所述故障保护模块的内部固定安装有子模块故障保护模块、网侧交流***故障保护模块、交流***单相接地故障保护模块、交流***相间短路故障保护模块和直流输电线路单极接地故障保护模块，所述子模块故障保护模块、网侧交流***故障保护模块、交流***单相接地故障保护模块、交流***相间短路故障保护模块和直流输电线路单极接地故障保护模块的输出端连接有所述故障保护模块的输入端；
所述报警信息推送模块的内部固定安装有信息输出模块、预设短信模块、网络对接模块和工作人员接收终端，所述信息输出模块、预设短信模块、网络对接模块和工作人员接收终端的输出端连接有所述报警信息推送模块的输入端。
在一优选的实施方式中，所述故障分析模块内部设置的MMC-HVDC***的直流侧发生双极短路时，相当于交流***发生三相对称短路，短路点电压迅速降低为0，换流站之间的功率传输也迅速停止，短路点电流迅速由正常值增加到额定值的数倍；换流站接入的交流***会通过各相桥臂各个子模块中的二极管D2向故障点注入短路电流，同时，在换流站闭锁前，各个子模块中的电容通过子模块中的IGBT1向故障点注入电容放电电流，因此，在换流站闭锁前，直流侧双极故障的短路电流由上述两种电流叠加组成。
在一优选的实施方式中，所述子模块故障保护模块的内部，当子模块处于闭锁状态：子模块发出故障报警，并且禁止故障子模块投入；(2)子模块处于投入状态：规定电流方向处于上半周时为电流正方向；故障电流方向为正时，电流通过短路点对直流电容充电；当达到时间常数规定的时间时，直流电容电压达到额定值；故障电流为负时，子模块直流电容电压逐渐下降；因为在旁路开关闭合动作完成前短路电流仍通过故障IGBT，这会造成元件的二次损坏；因此，首先对故障子模块IGBT进行闭锁；然后通过直接闭合旁路开关将故障子模块旁路；通过向***发出故障报警，禁止故障子模块再次通入；最后投入空闲的冗余子模块；恢复***正常运行；(3)子模块处于切除状态：规定电流方向处于上半周时为电流正方向；故障电流为正时，此时IGBT1被短路；电流通过短路与IGBT2导通，直流电容通过IGBT1～IGBT2回路迅速放电；此时，流经IGBT1、IGBT2和电容上的电流迅速增大，这时短路电流可以达到额定电流的几十倍，这样大的短路电流会导致IGBT1和IGBT2***；但是由于当子模块发生故障后保护控制策略会使IGBT自关断，所以在旁路开关动作结束前短路电流流经IGBT1对电容充电；当故障发生在电流小于零的下半周期，由于IGBT的短路使IGBT2两端电压升高为电容电压，IGBT2由导通状态转为截止状态，这时电容通过短路点放电，投入子模块电压会扩大故障范围；当电容电压降为零，IGBT2截止，短路电流通过续流二极管继续导通，子模块输出电压降为零；当IGBT2发生短路故障时，若IGBT1导通会造成电容两极短路，同时由于放电通路造成两极产生很大的放电电流，必须通过闭合旁路开关才能不会造成故障损坏器件。
在一优选的实施方式中，所述网侧交流***故障保护模块的内部，当网侧交流***发生故障时，可以利用传统交流***的继电保护策略对***进行保护；传统的交流***继电保护与自动重合闸相配合，一般是瞬时故障或者误操作、误动作先断路器切断线路，然后自动重合闸合闸；若故障时间超过自动重合闸合闸时间，断路器永久切断故障线路直到故障排除。
在一优选的实施方式中，所述交流***单相接地故障保护模块的内部当故障发生时滤波电容接地与故障接地点可以形成闭合的谐振通路，这样会使故障处的相电压含有大量谐波和间歇波，同时直流线路会发生交流偏置对***的稳定运行造成影响；而当滤波电容没有接地点时，当发生交流***单相接地故障时由于没有形成闭合的谐振回路，所以只会造成直流正负极出现交流偏置；不过这时对于交流***由于中性点发生偏移使非故障相相电压升高为线电压，需要提高一些设备的绝缘性能；这样会提高工程的总造价；故障保护策略可以设计成当***发生交流***单相接地故障时，切断滤波电容接地；这时对于滤波电容接地的设计可以参考传统交流***对变压器中性点是否接地的设计去设计滤波电容是否接地。
在一优选的实施方式中，所述交流***相间短路故障保护模块根据交流***故障相相电压降为一半来判断是否发生交流***相间短路故障；当判断出***发生交流***相间短路故障后，相应的控制保护策略应该断开交流***并且闭锁换流站，当故障排除以后应当重新启动换流站恢复***的正常运行。
在一优选的实施方式中，所述直流输电线路单极接地故障保护模块的内部当***发生单极接地短路故障时，可以改变直流***的运行方式，使其由双极运行改变为单极运行；这时由于直流***的运行方式发生改变，对应的极间电压不变；由于某一极接地，此极对地电压降为0；所以另一极对地电压升高为Udc；当直流输电线路正常运行时，对于整流站和逆变站来说两极的作用是不同的；设A极电流正方向为整流站流向逆变站，B极电流正方向为逆变站流向整流站；当A极发生单极接地短路故障时，由于B极电流方向无法满足有功功率由整流站流向逆变站，为使***可以降功率单极运行，必须将B极电流流向改变成相反方向才能满足半有功功率单极运行条件；而对于B极发生单极接地短路故障时，则A极电流方向可以满足半功率单极运行条件。
在一优选的实施方式中，所述预设短信模块针对需要发送短信报警的发送号码、发送内容等进行设置，所述预设短信模块包括：注册用户代码、接收人姓名、短信接收号码、短信内容等；每个登录用户可设置多个短信接收号码，每个接收号码可预审相应的短信信息，输电***故障报警时可发送此内容，亦可手动编辑后发送，输电***故障内容中，这些联系人可作为紧急联系人及紧急联系电话使用。
在一优选的实施方式中，所述网络对接模块中设计输电***故障数据自动上传到公安内网，互联网数据定时清理。要实现此设计，必须建立网闸，利用特殊通道保证数据安全传输。
在一优选的实施方式中，所述工作人员接收终端的内部设置有控制台、登录、管理员管理、角色管理、输电***区域管理、数据统计；后台管理人员可根据统计数据或收集来的信息，形成输电***预警信息，发布到相应的辖区，给输电***操作工作人员观看以作防范。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明中，故障保护模块的内部设计了切断滤波电容接地点以切断故障电流通路的方法保护***元件。虽然这种方法会提高***绝缘水平，但是可以有效地阻断故障电流通路，维持***安全可靠运行，同时交流***单相接地故障保护模块和交流***相间短路故障保护模块配合使用，当***发生单极接地短路故障时，可以改变直流***的运行方式，使其由双极运行改变为单极运行。通过利用单极运行方式，可以有效地维持***运行，减少故障带来的部分损失，从而提高了该***的保护性能，保障了输电***的安全稳定。
2、本发明中，报警信息推送模块可以对故障信息进行推送，从而使得工作人言可以通过手机端及时对故障信息进行查看，避免了信息传输不及时导致的故障不能及时清理，为该***的稳定性提供了保障。
附图说明
图1为本发明的***框图；
图2为本发明中故障保护模块***框图；
图3为本发明中报警信息推送模块***框图。
图中标记：1-电源开关模块、2-数据采集模块、3-数据输出模块、4-处理器模块、5-故障分析模块、6-故障保护模块、7-报警信息推送模块、8-信息输出模块、9-预设短信模块、10-网络对接模块、11-子模块故障保护模块、12-网侧交流***故障保护模块、13-交流***单相接地故障保护模块、14-交流***相间短路故障保护模块、15-直流输电线路单极接地故障保护模块、16-工作人员接收终端。
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用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参照图1-3，
一种基于MMC的柔性直流输电***故障保护***，包括电源开关模块1、数据采集模块2、数据输出模块3、处理器模块4、故障分析模块5、故障保护模块6、报警信息推送模块7、信息输出模块8、预设短信模块9、网络对接模块10、子模块故障保护模块11、网侧交流***故障保护模块12、交流***单相接地故障保护模块13、交流***相间短路故障保护模块14、直流输电线路单极接地故障保护模块15、工作人员接收终端16，电源开关模块1的输出端连接有数据采集模块2的输入端，数据采集模块2的输出端连接有数据输出模块3的输入端，数据输出模块3的输出端连接有处理器模块4的输入端，处理器模块4的输出端连接有故障分析模块5的输入端，故障分析模块5的输出端连接有故障保护模块6的输入端，故障保护模块6的输出端连接有报警信息推送模块7的输入端；
故障保护模块6的内部固定安装有子模块故障保护模块11、网侧交流***故障保护模块12、交流***单相接地故障保护模块13、交流***相间短路故障保护模块14和直流输电线路单极接地故障保护模块15，子模块故障保护模块11、网侧交流***故障保护模块12、交流***单相接地故障保护模块13、交流***相间短路故障保护模块14和直流输电线路单极接地故障保护模块15的输出端连接有故障保护模块6的输入端；
报警信息推送模块7的内部固定安装有信息输出模块8、预设短信模块9、网络对接模块10和工作人员接收终端16，信息输出模块8、预设短信模块9、网络对接模块10和工作人员接收终端16的输出端连接有报警信息推送模块7的输入端。
故障分析模块5内部设置的MMC-HVDC***的直流侧发生双极短路时，相当于交流***发生三相对称短路，短路点电压迅速降低为0，换流站之间的功率传输也迅速停止，短路点电流迅速由正常值增加到额定值的数倍；换流站接入的交流***会通过各相桥臂各个子模块中的二极管D2向故障点注入短路电流，同时，在换流站闭锁前，各个子模块中的电容通过子模块中的IGBT1向故障点注入电容放电电流，因此，在换流站闭锁前，直流侧双极故障的短路电流由上述两种电流叠加组成。
子模块故障保护模块11的内部，当子模块处于闭锁状态：子模块发出故障报警，并且禁止故障子模块投入；子模块处于投入状态：规定电流方向处于上半周时为电流正方向；故障电流方向为正时，电流通过短路点对直流电容充电；当达到时间常数规定的时间时，直流电容电压达到额定值；故障电流为负时，子模块直流电容电压逐渐下降；因为在旁路开关闭合动作完成前短路电流仍通过故障IGBT，这会造成元件的二次损坏；因此，首先对故障子模块IGBT进行闭锁；然后通过直接闭合旁路开关将故障子模块旁路；通过向***发出故障报警，禁止故障子模块再次通入；最后投入空闲的冗余子模块；恢复***正常运行；(3)子模块处于切除状态：规定电流方向处于上半周时为电流正方向；故障电流为正时，此时IGBT1被短路；电流通过短路与IGBT2导通，直流电容通过IGBT1～IGBT2回路迅速放电；此时，流经IGBT1、IGBT2和电容上的电流迅速增大，这时短路电流可以达到额定电流的几十倍，这样大的短路电流会导致IGBT1和IGBT2***；但是由于当子模块发生故障后保护控制策略会使IGBT自关断，所以在旁路开关动作结束前短路电流流经IGBT1对电容充电；当故障发生在电流小于零的下半周期，由于IGBT的短路使IGBT2两端电压升高为电容电压，IGBT2由导通状态转为截止状态，这时电容通过短路点放电，投入子模块电压会扩大故障范围；当电容电压降为零，IGBT2截止，短路电流通过续流二极管继续导通，子模块输出电压降为零；当IGBT2发生短路故障时，若IGBT1导通会造成电容两极短路，同时由于放电通路造成两极产生很大的放电电流，必须通过闭合旁路开关才能不会造成故障损坏器件。
网侧交流***故障保护模块12的内部，当网侧交流***发生故障时，可以利用传统交流***的继电保护策略对***进行保护；传统的交流***继电保护与自动重合闸相配合，一般是瞬时故障或者误操作、误动作先断路器切断线路，然后自动重合闸合闸；若故障时间超过自动重合闸合闸时间，断路器永久切断故障线路直到故障排除。
交流***单相接地故障保护模块13的内部当故障发生时滤波电容接地与故障接地点可以形成闭合的谐振通路，这样会使故障处的相电压含有大量谐波和间歇波，同时直流线路会发生交流偏置对***的稳定运行造成影响；而当滤波电容没有接地点时，当发生交流***单相接地故障时由于没有形成闭合的谐振回路，所以只会造成直流正负极出现交流偏置；不过这时对于交流***由于中性点发生偏移使非故障相相电压升高为线电压，需要提高一些设备的绝缘性能；这样会提高工程的总造价；故障保护策略可以设计成当***发生交流***单相接地故障时，切断滤波电容接地；这时对于滤波电容接地的设计可以参考传统交流***对变压器中性点是否接地的设计去设计滤波电容是否接地。
交流***相间短路故障保护模块14根据交流***故障相相电压降为一半来判断是否发生交流***相间短路故障；当判断出***发生交流***相间短路故障后，相应的控制保护策略应该断开交流***并且闭锁换流站，当故障排除以后应当重新启动换流站恢复***的正常运行。
直流输电线路单极接地故障保护模块15的内部当***发生单极接地短路故障时，可以改变直流***的运行方式，使其由双极运行改变为单极运行；这时由于直流***的运行方式发生改变，对应的极间电压不变；由于某一极接地，此极对地电压降为0；所以另一极对地电压升高为Udc；当直流输电线路正常运行时，对于整流站和逆变站来说两极的作用是不同的；设A极电流正方向为整流站流向逆变站，B极电流正方向为逆变站流向整流站；当A极发生单极接地短路故障时，由于B极电流方向无法满足有功功率由整流站流向逆变站，为使***可以降功率单极运行，必须将B极电流流向改变成相反方向才能满足半有功功率单极运行条件；而对于B极发生单极接地短路故障时，则A极电流方向可以满足半功率单极运行条件。
预设短信模块9针对需要发送短信报警的发送号码、发送内容等进行设置，预设短信模块9包括：注册用户代码注册手机号、接收人姓名、短信接收号码、短信内容等；每个登录用户可设置多个短信接收号码，每个接收号码可预审相应的短信信息，输电***故障报警时可发送此内容，亦可手动编辑后发送，输电***故障内容中，这些联系人可作为紧急联系人及紧急联系电话使用。
网络对接模块10中设计输电***故障数据自动上传到公安内网，互联网数据定时清理。要实现此设计，必须建立网闸，利用特殊通道保证数据安全传输。
工作人员接收终端16的内部设置有控制台、登录、管理员管理、角色管理、输电***区域管理、数据统计；后台管理人员可根据统计数据或收集来的信息，形成输电***预警信息，发布到相应的辖区，给输电***操作工作人员观看以作防范。
故障保护模块6的内部设计了切断滤波电容接地点以切断故障电流通路的方法保护***元件。虽然这种方法会提高***绝缘水平，但是可以有效地阻断故障电流通路，维持***安全可靠运行，同时交流***单相接地故障保护模块13和交流***相间短路故障保护模块14配合使用，当***发生单极接地短路故障时，可以改变直流***的运行方式，使其由双极运行改变为单极运行。通过利用单极运行方式，可以有效地维持***运行，减少故障带来的部分损失，从而提高了该***的保护性能，保障了输电***的安全稳定。
报警信息推送模块7可以对故障信息进行推送，从而使得工作人言可以通过手机端及时对故障信息进行查看，避免了信息传输不及时导致的故障不能及时清理，为该***的稳定性提供了保障。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于MMC的柔性直流输电***故障保护***，包括电源开关模块(1)、数据采集模块(2)、数据输出模块(3)、处理器模块(4)、故障分析模块(5)、故障保护模块(6)、报警信息推送模块(7)、信息输出模块(8)、预设短信模块(9)、网络对接模块(10)、子模块故障保护模块(11)、网侧交流***故障保护模块(12)、交流***单相接地故障保护模块(13)、交流***相间短路故障保护模块(14)、直流输电线路单极接地故障保护模块(15)、工作人员接收终端(16)，其特征在于：所述电源开关模块(1)的输出端连接有所述数据采集模块(2)的输入端，所述数据采集模块(2)的输出端连接有所述数据输出模块(3)的输入端，所述数据输出模块(3)的输出端连接有所述处理器模块(4)的输入端，所述处理器模块(4)的输出端连接有所述故障分析模块(5)的输入端，所述故障分析模块(5)的输出端连接有所述故障保护模块(6)的输入端，所述故障保护模块(6)的输出端连接有所述报警信息推送模块(7)的输入端；
所述故障保护模块(6)的内部固定安装有子模块故障保护模块(11)、网侧交流***故障保护模块(12)、交流***单相接地故障保护模块(13)、交流***相间短路故障保护模块(14)和直流输电线路单极接地故障保护模块(15)，所述子模块故障保护模块(11)、网侧交流***故障保护模块(12)、交流***单相接地故障保护模块(13)、交流***相间短路故障保护模块(14)和直流输电线路单极接地故障保护模块(15)的输出端连接有所述故障保护模块(6)的输入端；
所述报警信息推送模块(7)的内部固定安装有信息输出模块(8)、预设短信模块(9)、网络对接模块(10)和工作人员接收终端(16)，所述信息输出模块(8)、预设短信模块(9)、网络对接模块(10)和工作人员接收终端(16)的输出端连接有所述报警信息推送模块(7)的输入端。
2.如权利要求1所述的一种基于MMC的柔性直流输电***故障保护***，其特征在于：所述故障分析模块(5)内部设置的MMC-HVDC***的直流侧发生双极短路时，相当于交流***发生三相对称短路，短路点电压迅速降低为0，换流站之间的功率传输也迅速停止，短路点电流迅速由正常值增加到额定值的数倍；换流站接入的交流***会通过各相桥臂各个子模块中的二极管D2向故障点注入短路电流，同时，在换流站闭锁前，各个子模块中的电容通过子模块中的IGBT1向故障点注入电容放电电流。
3.如权利要求1所述的一种基于MMC的柔性直流输电***故障保护***，其特征在于：所述子模块故障保护模块(11)的内部，当子模块处于闭锁状态：子模块发出故障报警，并且禁止故障子模块投入；子模块处于投入状态：规定电流方向处于上半周时为电流正方向；故障电流方向为正时，电流通过短路点对直流电容充电；当达到时间常数规定的时间时，直流电容电压达到额定值；故障电流为负时，子模块直流电容电压逐渐下降；因为在旁路开关闭合动作完成前短路电流仍通过故障IGBT，这会造成元件的二次损坏。
4.如权利要求1所述的一种基于MMC的柔性直流输电***故障保护***，其特征在于：所述网侧交流***故障保护模块(12)的内部，当网侧交流***发生故障时，利用传统交流***的继电保护策略对***进行保护；然后自动重合闸合闸；若故障时间超过自动重合闸合闸时间，断路器永久切断故障线路直到故障排除。
5.如权利要求1所述的一种基于MMC的柔性直流输电***故障保护***，其特征在于：所述交流***单相接地故障保护模块(13)的内部当故障发生时滤波电容接地与故障接地点可以形成闭合的谐振通路。
6.如权利要求1所述的一种基于MMC的柔性直流输电***故障保护***，其特征在于：所述交流***相间短路故障保护模块(14)根据交流***故障相相电压降为一半来判断是否发生交流***相间短路故障；当判断出***发生交流***相间短路故障后，相应的控制保护策略应该断开交流***并且闭锁换流站，当故障排除以后应当重新启动换流站恢复***的正常运行。
7.如权利要求1所述的一种基于MMC的柔性直流输电***故障保护***，其特征在于：所述直流输电线路单极接地故障保护模块(15)的内部当***发生单极接地短路故障时，可以改变直流***的运行方式，使其由双极运行改变为单极运行；这时由于直流***的运行方式发生改变，对应的极间电压不变；由于某一极接地，此极对地电压降为0；所以另一极对地电压升高为Udc；当直流输电线路正常运行时，对于整流站和逆变站来说两极的作用是不同的；设A极电流正方向为整流站流向逆变站，B极电流正方向为逆变站流向整流站；当A极发生单极接地短路故障时，由于B极电流方向无法满足有功功率由整流站流向逆变站，为使***可以降功率单极运行，必须将B极电流流向改变成相反方向才能满足半有功功率单极运行条件；而对于B极发生单极接地短路故障时，则A极电流方向可以满足半功率单极运行条件。
8.如权利要求1所述的一种基于MMC的柔性直流输电***故障保护***，其特征在于：所述预设短信模块(9)针对需要发送短信报警的发送号码、发送内容等进行设置，所述预设短信模块(9)包括：注册手机号、接收人姓名、短信接收号码、短信内容等；每个登录用户可设置多个短信接收号码，每个接收号码可预审相应的短信信息，输电***故障报警时可发送此内容，亦可手动编辑后发送，输电***故障内容中，这些联系人可作为紧急联系人及紧急联系电话使用。
9.如权利要求1所述的一种基于MMC的柔性直流输电***故障保护***，其特征在于：所述网络对接模块(10)中设计输电***故障数据自动上传到公安内网，互联网数据定时清理。
10.如权利要求1所述的一种基于MMC的柔性直流输电***故障保护***，其特征在于：所述工作人员接收终端(16)的内部设置有控制台、登录、管理员管理、角色管理、输电***区域管理、数据统计；后台管理人员可根据统计数据或收集来的信息，形成输电***预警信息，发布到相应的辖区，给输电***操作工作人员观看以作防范。
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