一种柔性直流输电系统直流双极短路故障辨识方法.pdf

本发明公开了一种柔性直流输电系统直流双极短路故障辨识方法，检测计算直流母线电压和正、负直流母线电流，当上述各参数同时满足以下条件时，确定该系统发生直流双极短路故障：①直流母线电压UDC的绝对值小于电压比较限值UDCSset；②正、负直流母线电流值IDCP、IDCN的绝对值均大于电流比较限值IDCSset。该方法依据双极短路断线故障发展过程中电压、电流的变化特性，且由于直流母线电流是根据控制系统的不同而变化，故选择直流母线电压、直流电流作为故障辨识参数，通过比较故障辨识参数与其限值的大小关系来实现对直流断线故障的辨识，能够快速、准确的对模块化多电平换流器柔性直流输电系统直流双极短路故障进行辨识，提高故障辨识的准确率，避免其它故障引起的误判。

1.  一种柔性直流输电系统直流双极短路故障辨识方法，其特征在于：检测计算直流母线电压和正、负直流母线电流，当上述各参数同时满足以下条件时，确定该系统发生直流双极短路故障：
①直流母线电压U_DC的绝对值小于电压比较限值U_DCSset；
②正、负直流母线电流值I_DCP、I_DCN的绝对值均大于电流比较限值I_DCSset。

2.  根据权利要求1所述的柔性直流输电系统直流双极短路故障辨识方法，其特征在于：所述直流侧正、负直流母线对地电压和正、负直流母线电流均为标幺值的格式。

3.  根据权利要求2所述的柔性直流输电系统直流双极短路故障辨识方法，其特征在于：所述电压比较限值U_DCSset为0.5pu，电流比较限值I_DCSset为1.5pu。

4.  根据权利要求1所述的柔性直流输电系统直流双极短路故障辨识方法，其特征在于，所述直流母线电压的计算公式如下：
U_DC＝U_DCP-U_DCN
式中，U_DCP为正直流母线对参考地电压，U_DCN为负直流母线对参考地电压。

一种柔性直流输电系统直流双极短路故障辨识方法
技术领域
本发明属于电力系统柔性输配电、电力电子和用户电力技术领域，具体涉及一种模块化多电平换流器柔性直流输电系统直流双极短路故障辨识方法。
背景技术
随着全控型电力电子器件的发展和电力电子技术在电力系统中的应用，基于电压源换流器的柔性直流输电技术日益受到重视。模块化多电平换流器是柔性直流输电系统应用中电压源换流器的一种，它由多个半桥子模块按照一定的方式连接而成，通过分别控制各个子模块IGBT组件的投入和切除状态使换流器输出的交流电压逼近正弦波，实现能量的高效传输。
输电线路是模块化多电平换流器柔性直流输电系统的重要组成部分。目前柔性直流输电工程普遍采用电缆进行功率传输，一方面使得系统造价大大升高，一方面直流电缆还受到直流电压的限制，功率输送十分有限，我国直流电缆技术也较落后；特高压直流输电工程均采用架空线进行功率传输，但是由于传输距离较远，跨区地理环境复杂，直流故障率较高，数据显示线路故障约占直流输电系统故障的50％，其线路保护正确动作切除故障也只有50％，从而导致不必要的直流停运。将架空线引入到柔性直流输电中，可以降低系统造价，同时提升系统电压等级，提升系统容量，但是如何提升输电线路故障时线路保护的正确动作率，减少不必要的直流停运，是一个很大的难题，而线路保护的正确动作取决于对线路故障的快速地、准确地辨识。
通常情况下，MMC-HVDC直流系统采用双极对称传输方式，一般而言，直流双极短路故障常为外界机械应力导致，视为永久性故障，因此一旦检测到故障，两端换流站将闭锁退出运行。中国专利申请号201210326230.8公开了一种全桥MMC-HVDC直流故障分类检测与保护方法，针对直流双极短路故障的判别，通过检测正负极电压的方式进行判断，若正负两极电压的值低于所设定的15％的阈值，则说明检测到双极短路故障的发生。这种判断方法的唯一判别条件就是正负直流母线的电压，判断条件比较单一，很容易发生误判现象。由于目前已经出现很多具有直流故障穿越能力的模块化多电平换流器拓扑，比如H桥级联型模块化多电平换流器，在进行直流双极短路故障穿越时，将直流母线电压控为零，此时仅靠着直流母线电压进行故障辨识，将造成误判。另外，在系统发生非金属性直流双极短路故障时，故障点电阻不为零，直流母线电压不一定会降低至15％以下，因此选择15％作为参考阈值会出现漏判。因此，这种判别方式可靠性较低，为提高系统可靠性、保护及时性和运维高效性，亟待提出一种高效普遍适用的模块化多电平换流器柔性直流输电系统直流单极接地故障辨识方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种柔性直流输电系统直流双极短路故障辨识方法，提高判断直流双极短路故障的可靠性，避免其它故障引起的错判和误判。
为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：一种柔性直流输电系统直流双极短路故障辨识方法，检测计算直流母线电压和正、负直流母线电流，当上述各参数同时满足以下条件时，确定该系统发生直流双极短路故障：
①直流母线电压U_DC的绝对值小于电压比较限值U_DCSset；
②正、负直流母线电流值I_DCP、I_DCN的绝对值均大于电流比较限值I_DCSset。
所述直流侧正、负直流母线对地电压和正、负直流母线电流均为标幺值的格式。
所述电压比较限值U_DCSset为0.5pu，电流比较限值I_DCSset为1.5pu。
所述直流母线电压的计算公式如下：
U_DC＝U_DCP-U_DCN
式中，U_DCP为正直流母线对参考地电压，U_DCN为负直流母线对参考地电压。
本发明的柔性直流输电系统直流双极短路故障辨识方法依据双极短路断线故障发展过程中电压、电流的变化特性，且由于直流母线电流是根据控制系统的不同而变化，故选择直流母线电压、直流电流作为故障辨识参数，通过比较故障辨识参数与其限值的大小关系来实现对直流断线故障的辨识，能够快速、准确的对模块化多电平换流器柔性直流输电系统直流双极短路故障进行辨识，提高故障辨识的准确率，避免其它故障引起的误判。该方法与现有技术的辨识方法相比更为合理，辨识故障的准确度更高、速度更快。
采用数据标幺值的格式进行对比，能够高效且普遍适用于各种等级容量的模块化多电平换流器柔性直流输电系统。
附图说明
图1是本发明提供的直流双极短路故障辨识流程图；
图2是本发明提供的直流双极短路故障辨识相关参数检测位置示意图；
图3是本发明提供的直流双极短路故障的阀侧交流场故障特性示意图；
图4是本发明提供的直流双极短路故障的直流场故障特性示意图；
图5是本发明提供的直流双极短路故障的故障辨识结果示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体的实施例对本发明进行进一步介绍。
如图1所示为本发明柔性直流输电系统直流双极短路故障辨识方法的流程图，由图可知，该方法的具体过程如下：检测计算直流母线电压和正、负直流母线电流，当上述各参数同时满足以下条件时，确定该系统发生直流双极短路故障：
①直流母线电压U_DC的绝对值小于电压比较限值U_DCSset；
②正、负直流母线电流值I_DCP、I_DCN的绝对值均大于电流比较限值I_DCSset。
直流双极短路故障发生后直流电压突降，降低程度与短路电阻有关，同时直流电流急剧增加，因此选择直流电压、直流电流作为双极短路故障的辨识依据。
为提高该方法的适用性，使其可以便于在各等级容量的直流输电系统中使用，本实施例中采用标幺值的形式进行计算。标幺值是电力系统分析和工程计算中常用的数值标记方法，表示各物理量及参数的相对值，单位为pu(也可以认为其无量纲)。标幺值是相对于某一基准值而言的，同一有名值(实际值)，当基准值选取不同时，其标幺值也不同，其计算公式为：标幺值＝有名值/基准值，标幺值是个相对值，没有单位。使用标幺值的好处：1)只需确定各电压级的基准值，而后直接在各自的基准值下计算标幺值，不需要进行参数和计算结果的折算；2)对于低压系统，功率的标幺值远小于1；3)用标幺值后，电力系统的元件参数比较接近，易于进行计算和对结果的分析比较。它是用实际值除于基值，可以使得在实际计算中更加简单使得计算更 快可以避免在电力公式中复杂的换算。工程计算中，往往不用各物理量的实际值，而是用实际值和相同单位的某一选定的基值的比值(标幺值)来进行计算。
考虑提高故障辨识在较高阻抗下的兼容性，配置直流电压比较限值U_DCSset为0.5pu，同时考虑提高故障辨识速度以压低短路电流，配置直流电流比较限值I_DCSset为1.5pu。该阈值的设定不仅能够避免漏判、误判，还能够缩短故障电流增长的时间，有利于换流阀系统的安全以及故障穿越策略的实施。
下面以对称单极接线方式为例进行说明，在上述需要检测计算的各参数中，正、负直流母线电流I_DCP和I_DCN可以直接测量得到，而直流母线电压无法直接检测得到，则需要通过测量到的正、负直流母线对地电压计算得到，直流母线电压的计算公式如下：U_DC＝U_DCP-U_DCN，式中，U_DCP为正直流母线对参考地电压，U_DCN为负直流母线对参考地电压。
下面以对称单极接线方式为例进行说明，如图2所示为本发明直流双极短路故障辨识相关参数检测位置示意图，该系统包括阀侧变压器、桥臂电抗器、换流阀、直流母线上的平波电抗器和二极管。阀侧的变压器采用星三角接法，故障监测点有五处，其中①为正直流母线电流，②为负直流母线电流，③为正直流母线对地电压，④为负直流母线对地电压，直流母线电压由正、负直流母线对地电压的测量值计算得到，将各选定参数与对应的限值U_DCSset、I_DCSset进行比较，具体判别公式如下：
①|U_DC|＜U_DCSset
②(|I_DCP|＞I_DCSset)&(|I_DCN|＞I_DCSset)
若上述两个条件均满足，则可判定直流双极短路故障发生。
本发明是结合直流电压变化特点和故障电流显著增加特点进行直流断路的辨识，即首先进行直流电压的判断，短路故障后直流电压首先快速降低；再次从短路故障电流值进行判断，为提高辨识的准确性，正负直流电流判断使用了“与”的关系，至此可以准确识别直流线路短路故障。
为了证明方法的可行性，以对称单极接线方式为基础，并集合对称双极和多端系统对直流故障的故障辨识要求，按照单换流站站内测量就能辨识故障的要求，进行直流双极短路故障辨识普适方法的设计与仿真验证。该仿真系统是直流电压为400kV、额定功率为100MW的双端仿真模型，设定在1s时刻引入直流双极短路故障。仿真时，为检验低功率下的双极短路故障辨识能力，系统传输功率设定为1pu，即系统以1*100MW的功率运行。
由于直流双极短路故障发展过程与控制方式关系不大，仅与整流或是逆变的运行状态有关，这里仅给出整流运行时的故障发展过程仿真波形，如图3和图4所示。图3为阀侧交流场波形图，图中由上至下依次为三相交流相对地电压、三相交流电流、交流功率、接地电流的仿真波形图；图4为直流场波形图，图中由上至下依次为正、负直流母线对地电压、直流电流、直流功率、交直流功率差波形图。
根据图3和图4可知，当在1s时刻发生双极短路故障时，在正、负直流母线电压和直流电流波形图中，很明显可以看出正、负直流母线电压在1s时刻均迅速趋近于0，直流电流突然增大；同时，故障后功率传输中断，直流功率也突变为0。另外，从其他图中可以看出，发生故障时，交流侧的交流对地电压、交流电流和交流功率也存在较大变化交流侧的电流也会逐渐变为0，而接地电流则没有明显的变化趋势，由于这些变化不是直流双极短路故障所特 有的，所以不能作为判据，只能作为辅助参考。
如图5所示，根据该方法可以正确辨识到直流双极短路故障发生的标志为故障状态显示由0变为1，仿真结果证实了本发明所示的直流双极短路故障辨识方法能够快速、准确的对直流双极短路故障进行辨识。
需要说明的是：本发明的直流双极短路故障辨识方法主要适用于对称单极系统，通过简单的扩展和参数微调，也可以适用于对称双极系统以及多端柔性直流输电系统。
以上实施例仅用于帮助理解本发明的核心思想，不能以此限制本发明，对于本领域的技术人员，凡是依据本发明的思想，对本发明进行修改或者等同替换，在具体实施方式及应用范围上所做的任何改动，均应包含在本发明的保护范围之内。