本發(fā)明涉及用于提供多端HVDC電網(wǎng)的防故障瞬態(tài)保護的方法和裝置。

背景技術(shù)：

HVDC輸電廣泛地用于長距離輸送高功率而無任何明顯的損失，從而使得HVDC是優(yōu)于AC輸電的長距離電力輸送的優(yōu)選模式，例如超過100km。在一般的應用中，HVDC與AC相比，每個導體可攜帶更多的電力，因為對于給定的額定功率，DC線中的恒定的電壓低于AC線中的峰值電壓。電纜的電容的充放電所要求的電流在電纜攜帶AC時導致另外的功率損失，而這對于DC輸電具有最小的影響。使用HVDC電網(wǎng)也節(jié)約了成本，因為對于HVDC輸電僅要求一個或兩個導體，而對于AC輸電需要三個導體。甚至絕緣成本也可在HVDC輸電中得以節(jié)約。電纜中的介電功率損失在DC中小于AC中。因此，電纜的電流攜帶能力可明顯地提高。具有超過兩個端子的HVDC電網(wǎng)被稱為多端HVDC電網(wǎng)且現(xiàn)在日益廣泛地使用。多端HVDC電網(wǎng)可通過提供數(shù)個替代的輸電路徑而非如在雙端HVDC的情況中自身限制到單獨的輸電路徑而提高電力輸送的可靠性。

然而，以現(xiàn)有的技術(shù)，整個HVDC電網(wǎng)由于在DC側(cè)的任何位置處的短路故障而受到影響。目前不存在已知用于在故障位置方面識別故障且選擇性地選擇不受到故障影響的DC線且繼續(xù)使用所述DC線的方法。

因此存在對于如下保護系統(tǒng)的急迫需求，即所述保護系統(tǒng)用于多端HVDC電網(wǎng)以用于識別短路故障且用于在故障期間多端HVDC電網(wǎng)的選擇性的運行。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的任務是提供快速、可靠且穩(wěn)定的用于多端HVDC電網(wǎng)的防故障保護的方法，所述方法使得可在故障的情況中選擇電網(wǎng)的運行從而因此避免大停電。

本發(fā)明的任務通過用于提供多端HVDC電網(wǎng)的防故障保護的方法和多端HVDC電網(wǎng)的防故障保護的裝置實現(xiàn)。HVDC電網(wǎng)包括換流器站、DC開關(guān)子站和將換流器站和DC開關(guān)子站連接的DC線。換流器站具有正極、負極和中性極。正極處于換流器的正端子處，負極處于換流器的負端子處，且中性極連接到大地或是浮動中性極，因為HVDC電網(wǎng)可接地或被絕緣。

所公開的方法包括如下步驟：測量具有極性和值的DC位移電壓Ud，通過將DC位移電壓Ud與閾值位移電壓Ut進行比較確定是否存在故障情況，和基于DC位移電壓Ud的極性和值識別故障類型。

故障類型可分為三類故障類型，即正極到中性極短路，負極到中性極短路，或正極到負極短路。

根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，DC位移電壓Ud從正極處測量的瞬態(tài)正極電壓Up和負極處測量的瞬態(tài)負極電壓Un計算。瞬態(tài)正極電壓Up和瞬態(tài)負極電壓Un是DC瞬態(tài)電壓，所述DC瞬態(tài)電壓直接通過DC電網(wǎng)的電壓變換器端子測量。DC位移電壓Ud計算為正瞬態(tài)電壓Up和負瞬態(tài)電壓Un的平均值，且可通過如下等式表達：

Ud＝(Up+Un)/2

有利地，閾值電壓Ut設定為高于在正常情況下最大DC位移電壓Ud的值。例如，閾值電壓Ut設定為比在正常情況下最大DC位移電壓Ud高10％。這可保證對于故障的正確的且仍早期的檢測，而對電壓的不明顯波動不做出反應。

在多端HVDC電網(wǎng)的正常運行情況期間，在正極和負極處測量的電壓的大小相等或換言之對稱。然而，在發(fā)生故障時，電壓可能經(jīng)歷不平衡，且正瞬態(tài)電壓Up與負瞬態(tài)電壓Un不同。確定是否存在故障的步驟通過評估DC位移電壓Ud的值是否大于閾值位移電壓Ut執(zhí)行。

根據(jù)本發(fā)明的另外的實施例，識別故障類型的步驟通過測量DC位移電壓Ud的極性和值執(zhí)行。如果DC位移電壓Ud的極性為負，則故障類型識別為正極到中性極短路，如果DC位移電壓(Ud)的極性為正，則故障類型識別為負極到中性極短路，且如果DC位移電壓(Ud)具有大于閾值位移電壓(Ut)的值，則故障類型識別為正極到負極短路。通過識別故障類型，可觸發(fā)故障線的選擇性隔離處理，以提供如在本發(fā)明中公開的保護機制。此外，根據(jù)本發(fā)明的替代變體，故障類型識別僅基于DC位移電壓Ud的極性測量，因此對于測量精度的要求更不嚴格。

如果DC位移電壓Ud具有小于閾值位移電壓Ut的值，則未檢測到故障情況。這意味著HVDC電網(wǎng)正常工作且無任何短路故障。只要位移電壓Ud具有小于閾值位移電壓的值，則指示系統(tǒng)正常運行而無任何短路故障。

在本發(fā)明的另一個實施例中，方法包括檢測故障電流的方向的步驟。故障電流的方向當在換流器處測量時可向著換流器或向著DC線。類似地，當在DC開關(guān)子站處測量時，故障電流的方向可向著DC開關(guān)子站或向著DC線。對于前述情況的每個，故障電流的方向基于在換流器端子處測量的DC瞬態(tài)電流改變ΔId的極性和在DC開關(guān)子站處測量的DC瞬態(tài)電流改變ΔId的極性來檢測。方法允許基于DC瞬態(tài)電流的評估對于通過整個HVDC電網(wǎng)的任何短路故障電流的高速方向檢測。而且，因為故障方向檢測僅基于DC瞬態(tài)電流的改變ΔId的極性測量，所以在測量DC瞬態(tài)電流的改變ΔId時不存在具有高精確性的嚴格要求。

DC瞬態(tài)電流改變ΔId計算為在DC瞬態(tài)電流Id和額定DC電流Idc之間的差異，且可通過如下等式表達：

ΔId＝Id-Idc

DC瞬態(tài)電流Id是在例如短路的故障情況期間流過電網(wǎng)的故障電流。其可直接通過HVDC電網(wǎng)的電流變換器直接測量。額定DC電流Idc是在正常運行情況下或多端HVDC電網(wǎng)無故障情況下、即在故障發(fā)生前流過電網(wǎng)的電流。

根據(jù)本發(fā)明的實施例，檢測故障電流的方向的步驟通過感測DC瞬態(tài)電流改變ΔId的極性執(zhí)行，使得當在換流器端子處DC瞬態(tài)電流改變ΔId的極性為負時則故障電流的方向向著DC線；當在換流器端子處DC瞬態(tài)電流改變ΔId的極性為正時則故障電流的方向向著換流器；當在DC開關(guān)子站端子處DC瞬態(tài)電流改變ΔId的極性為正時則故障電流的方向向著DC線；且當在DC開關(guān)子站端子處DC瞬態(tài)電流改變ΔId的極性為負時則故障電流的方向向著DC開關(guān)子站。故障電流的方向檢測可用于多端HVDC電網(wǎng)的不同的端子的不同的保護，這通過選擇地阻斷或允許故障電流路徑進行。

在另一個實施例中，為觸發(fā)故障電流的方向檢測設定了另外的前提條件。設定了閾值瞬態(tài)電流改變ΔIt值，所述閾值瞬態(tài)電流改變ΔIt值高于正常運行情況下的最大電流變換器測量誤差。例如，閾值瞬態(tài)電流改變ΔIt值可設定為高于電流變換器額定電流10％的值。當DC瞬態(tài)電流改變ΔId的值大于閾值瞬態(tài)電流改變值ΔIt時，則檢測故障電流的方向的步驟被觸發(fā)。這將保證方法抵抗測量誤差且是穩(wěn)定的。

在再另一個實施例中，方法進一步包括檢測故障相對于每個換流器站是內(nèi)部故障還是外部故障的步驟，即故障處于換流器站內(nèi)部還是外部。此檢測通過在換流器端子和DC開關(guān)子站端子之間比較DC瞬態(tài)電流改變ΔId的極性來進行。此步驟允許設定瞬態(tài)線差動保護且有助于識別且隔離其上已發(fā)生故障的換流器站。

在一個實施例中，檢測故障相對于換流器站是內(nèi)部故障還是外部故障的步驟執(zhí)行為使得當在換流器端子處的DC瞬態(tài)電流改變ΔId的極性和在DC開關(guān)子站端子處的DC瞬態(tài)電流改變ΔId的極性不同時則故障是內(nèi)部故障。在內(nèi)部故障期間，即在故障特別地處在換流器站處時，在換流器端子以及DC開關(guān)子站端子處的故障電流的方向都向著DC線。當在換流器端子處的DC瞬態(tài)電流改變ΔId的極性和在DC開關(guān)子站端子處的DC瞬態(tài)電流改變ΔId的極性相同時關(guān)于特定的換流器站檢測到外部故障。在外部故障期間，即當故障不處在特定的換流器站處而是處在任何其他換流器站處時，在換流器端子處的故障電流的方向向著DC線，且在DC開關(guān)子站端子處故障電流的方向向著DC開關(guān)子站或在換流器端子處的故障電流的方向向著換流器站，且在DC開關(guān)子站端子處的故障電流的方向向著DC線。

在本發(fā)明的另一個實施例中，方法進一步包括提供用于DC開關(guān)子站的多個端子的瞬態(tài)匯流條差動保護的步驟。當在DC開關(guān)子站的所有多個端子處的DC瞬態(tài)電流改變ΔId的極性為負時則故障是內(nèi)部故障，且當在DC開關(guān)子站的所有多個端子處的DC瞬態(tài)電流改變ΔId的極性不同時則故障是相對于特定的DC開關(guān)子站的外部故障。瞬態(tài)匯流條差動保護以在單獨的DC開關(guān)子站內(nèi)的多個端子或饋線中的極性比較來工作。這有助于識別相對于DC開關(guān)子站的多個端子的外部故障或內(nèi)部故障。

根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，方法包括基于由故障引發(fā)的行波的傳播時間檢測在DC線上的瞬態(tài)故障位置的步驟。此步驟使得方法可在受影響的DC線上定位故障生成點且將其隔離，使得多端HVDC電網(wǎng)繼續(xù)以剩余的端子運行。此特征有助于DC線的維護。

DC瞬態(tài)電壓或電流分別通過HVDC電網(wǎng)的電壓變換器或電流變換器直接測量。然后計算模極大值，所述模極大值是DC瞬態(tài)電壓或電流的系數(shù)的嚴格的局部絕對極大值。DC線具有兩個端子，即連接到換流器的換流器端子和連接到DC開關(guān)子站的DC開關(guān)子站端子。檢測瞬態(tài)故障位置的步驟基于在兩個端子處電壓或電流浪涌到達時間。用于從第一端子(例如，換流器端子)檢測瞬態(tài)故障位置的典型的故障檢測算法可表達如下：

L1F＝(L-v*(t2-t1))/2

在以上等式中，L1F是瞬態(tài)故障位置距第一端子的距離，即在此示例中距換流器端子的距離；v是通過故障引發(fā)的行波的速度；t1是在第一端子處、即換流器端子處的電壓或電流的模極大值的時間；且t2是第二端子處、即在此示例中DC開關(guān)子站端子處的電壓或電流的模極大值的時間。

對于瞬態(tài)故障定位，DC瞬態(tài)電壓Up、Un和電流Id二者可用于具有電纜線或架空線的HVDC電網(wǎng)。然而，對于具有混合線的HVDC電網(wǎng)，僅可使用瞬態(tài)電流Id。

在本發(fā)明的一個實施例中公開了用于多端HVDC電網(wǎng)的防故障保護的裝置。裝置包括具有正極和負極的換流器站、DC開關(guān)子站、將換流器站和DC開關(guān)子站連接的DC線和瞬態(tài)故障檢測器。瞬態(tài)故障檢測器包括感測正極處的正瞬態(tài)電壓Up的正電壓傳感器和感測負極處的負瞬態(tài)電壓Un的負電壓傳感器和適合于從正瞬態(tài)電壓Up和負瞬態(tài)電壓Un導出DC位移電壓Ud的控制單元。DC位移電壓具有極性和值。瞬態(tài)故障檢測器檢測HVDC電網(wǎng)中的短路故障的類型。這有助于識別多端電網(wǎng)中的故障的屬性，即為正極上的故障、負極上的故障還是正極和負極之間的故障。

在裝置的再另一個實施例中，裝置進一步包括瞬態(tài)故障方向檢測器以用于檢測通過多端HVDC電網(wǎng)的故障電流的方向。瞬態(tài)故障方向檢測器包括用于從電流變換器直接測量DC瞬態(tài)電流Id的電流傳感器。

本發(fā)明的以上所述的和其他的特征現(xiàn)在將參考本發(fā)明的附圖解釋。圖示的實施例意圖于闡述而非限制本發(fā)明。附圖中包含如下各圖，其中在描述和附圖中類似的附圖標號指示類似的部分。

附圖說明

圖1是用于提供多端HVDC電網(wǎng)的防故障瞬態(tài)保護的裝置的示意圖。

圖2展示了在本發(fā)明中公開的裝置的方框圖。

圖3示出了包含根據(jù)所公開的方法的步驟的流程圖。

具體實施方式

如在圖1中可見，換流器2包括兩個極，即正極3和負極4。換流器2通過DC線7連接到DC開關(guān)子站6。DC線7通過換流器端子8連接到換流器2且通過DC開關(guān)子站端子9連接到DC開關(guān)子站6。換流器2的中性極可接地或被隔離和浮置。多端HVDC設置可包括數(shù)個此換流器2。

在故障類型識別期間，三個類型的故障識別為正極3到中性極5短路，負極4到中性極5短路，或正極3到負極4短路。

故障電流方向檢測在換流器以及DC開關(guān)子站處執(zhí)行。當從換流器2的換流器端子8觀察時，故障電流方向為向著換流器2還是向著DC線7，或當在DC開關(guān)子站6的DC開關(guān)子站端子9處測量時，故障電流方向為向著DC開關(guān)子站6還是DC線7。

對于外部故障或內(nèi)部故障檢測，對于每個換流器2識別故障位于此特定的換流器2內(nèi)還是多端HVDC電網(wǎng)1的任何其他換流器內(nèi)。

圖2展示了在本發(fā)明中公開的裝置10的方框圖。換流器2通過DC線7連接到DC開關(guān)子站6。裝置10包括瞬態(tài)故障檢測器11。瞬態(tài)故障檢測器11分別通過正電壓傳感器12和負電壓傳感器13測量正極3和負極4處的瞬態(tài)電壓Up、Un?？刂茊卧?4從正瞬態(tài)電壓Up和負瞬態(tài)電壓Un導出DC位移電壓Ud。裝置10進一步包括瞬態(tài)故障方向檢測器15，所述瞬態(tài)故障方向檢測器15包括用于檢測故障電流的方向的電流傳感器16。

根據(jù)另外的實施例，裝置10包括瞬態(tài)故障定位器(在圖2中未示出)以用于檢測DC線7上的故障位置。瞬態(tài)故障定位器包括用于測量正瞬態(tài)電壓Up和負瞬態(tài)電壓Un的電壓傳感器或用于測量DC瞬態(tài)電流Id的電流傳感器。

圖3展示了被執(zhí)行以用于向多端HVDC電網(wǎng)1提供防短路故障瞬態(tài)保護的步驟。方法100包括測量具有極性和值的DC位移電壓Ud的第一步驟101。然后執(zhí)行確定故障是否存在的步驟102。最后執(zhí)行識別故障類型的步驟103。

所公開的方法100通過識別故障類型、故障的換流器和另外地識別故障生成處的位置而為HVDC電網(wǎng)1提供了防短路故障保護。

方法100允許測量具有極性和值的DC位移電壓Ud。當發(fā)生短路故障情況時，所公開的方法100通過將DC位移電壓Ud與閾值位移電壓Ut進行比較認識到故障的發(fā)生。在DC位移電壓Ud超過閾值位移電壓Ut時，識別到短路情況。隨后的步驟是基于DC位移電壓Ud的極性和值將故障類型識別為正極3到中性極5短路、負極4到中性極5短路或正極3到負極4短路。

另外，方法包括如下步驟，即檢測，當在換流器2的換流器端子8處測量時故障電流的方向為向著換流器2還是向著DC線7，或在DC開關(guān)子站6的DC開關(guān)子站端子9處測量時故障電流的方向為向著DC開關(guān)子站6還是向著DC線7。故障電流的方向檢測基于在換流器端子8處測量的DC瞬態(tài)電流改變ΔId的極性和在DC開關(guān)子站端子9處測量的DC瞬態(tài)電流改變ΔId的極性進行。

另外，方法100包括檢測故障是相對于換流器2的內(nèi)部故障還是外部故障的步驟，這通過在換流器端子8和DC開關(guān)子站端子9之間比較DC瞬態(tài)電流改變ΔId的極性來進行。

在方法100的再另一個實施例中構(gòu)思了為DC開關(guān)子站6的多個端子提供瞬態(tài)匯流條差動保護。在此步驟中，當DC瞬態(tài)電流改變ΔId的極性在DC開關(guān)子站6的所有多個端子處為負時則故障為相對于DC開關(guān)子站6的內(nèi)部故障，且當DC瞬態(tài)電流改變ΔId的極性在DC開關(guān)子站6的所有多個端子處不同時則故障為相對于DC開關(guān)子站6的外部故障。

在再另一個實施例中，方法100包括基于由故障引發(fā)的行波的傳播時間檢測DC線7上的瞬態(tài)故障位置的步驟。

雖然本發(fā)明已參考具體實施例描述，但此描述不意味著以限制性意義解釋。所公開的實施例的多種修改以及本發(fā)明的替代實施例在參考本發(fā)明的描述時也將對于本領(lǐng)域一般技術(shù)人員變得清楚。因此可考慮進行修改而不偏離如所限定的本發(fā)明的實施例。

附圖標號列表

1 多端HVDC電網(wǎng)

2 換流器站

3 正極

4 負極

5 中性極

6 DC開關(guān)子站

7 DC線

8 換流器端子

9 DC開關(guān)子站端子

10 裝置

11 瞬態(tài)故障檢測器

12 正電壓傳感器

13 負電壓傳感器

14 控制單元

15 瞬態(tài)故障方向檢測器

16 電流傳感器

17 變換器

100 方法

101 測量位移電壓的步驟

102 確定是否存在故障的步驟

103 識別故障類型的步驟