混合式直流断路器的辅助电路、多端柔性直流电网故障性质识别方法及系统

摘要

本发明公开了一种混合式直流断路器的辅助电路、多端柔性直流电网故障性质识别方法及系统，所述辅助电路添加在混合式直流断路器转移支路靠近架空线路侧的Nc个IGBT子模块上；所述辅助电路包括：晶闸管、电阻R

说明书

技术领域

本发明涉及柔性直流电网线路故障恢复技术领域，尤其涉及混合式直流断路器的辅助电 路、多端柔性直流电网故障性质识别方法及系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

随着直流断路器的发展以及现代电网对于运行灵活性的要求，基于架空线路的多端柔性 直流电网在大型清洁能源发电并网、大容量输电方面优势突出，是交流电网的重要补充，目 前在建的张北工程便是通过架空线路输电的四端柔性直流电网。

发明人发现，相比于直流电缆，架空线由于暴露在空气中因此故障概率较高。据统计， 电力系统中的大部分故障均发生在架空线。目前柔性直流系统的故障隔离方法主要为基于交 流断路器，故障自清除换流器以及直流断路器的方法。基于直流断路器的故障隔离方案被认 为是处理多端直流电网直流线路故障的最佳方案，而混合式直流断路器是目前工程应用较为 成熟的拓扑，张北工程所采用的直流断路器便是500kV混合式直流断路器。

由于架空线故障大多为瞬时性故障，因此在交流系统中交流架空线一般要配置重合闸技 术，利用故障后经短暂延时再重合交流断路器的方法可以实现瞬时性故障的清除，缩短了供 电恢复时间，极大的提高了供电可靠性。据统计，交流系统中架空线重合闸重合成功的概率 为60％～90％，并且随着电压等级的提高，重合成功率也大幅增加。因此，重合闸技术可以 极大地提高交流系统对于线路故障的应对能力，并且该技术可同样的应用于通过架空线输电 的柔性直流电网。但是，重合闸技术也存在一定的缺点。由于断路器重合时可能重合于永久 性故障，此时会导致电力系统在较短的时间内连续遭受两次故障冲击，会降低电气设备绝缘、 减少其使用寿命。对于柔性直流电网来说，由于柔性直流电网的低阻抗特性以及电力电子器 件的脆弱性，连续遭受故障冲击带来的危害要远大于交流系统。因此，为避免重合于永久性 故障，为直流断路器是否进行重合提供依据，研究适用于柔性直流电网的故障性质识别方法 具有重要意义。

目前交流系统主要利用故障切除相与健全相之间由于耦合作用而产生的恢复电压进行瞬 时性与永久性故障的识别。由于柔性直流电网故障切除后极线之间并无耦合关系，因此该方 法对于柔性直流系统不适用。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种混合式直流断路器的辅助电路、多端柔性直流电 网故障性质识别方法及系统，通过混合式直流断路器辅助电路向直流线路注入特征信号从而 实现直流线路故障性质判别。通过在混合式直流断路器中增加辅助电路，利用混合式直流断 路器切断故障电流后IGBT子模块缓冲电容中储存的能量实现故障性质判别，硬件附加成本 小，控制简单，并且具有永久性故障测距功能。对提高直流架空线路的供电可靠性和避免重 合于永久性故障导致的二次冲击具有重要意义。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

在一个或多个实施方式中公开的一种混合式直流断路器的辅助电路，所述辅助电路添加 在混合式直流断路器转移支路靠近架空线路侧的Nc个IGBT子模块上；所述辅助电路包括： 晶闸管、电阻R_g以及快速机械开关，所述晶闸管分别串联在架空线路与第一个IGBT子模块>

进一步地，所述N_c取为转移支路IGBT子模块总数N的10％-20％。

在一个或多个实施方式中公开的一种配置混合式直流断路器的多端柔性直流电网故障性 质识别系统，包括上述的混合式直流断路器的辅助电路，将储存在换流支路IGBT子模块缓 冲电路的缓冲电容中的能量作为特征信号注入源，检测直流线路的故障性质。

在一个或多个实施方式中公开的一种配置混合式直流断路器的多端柔性直流电网故障性 质识别方法，其特征在于，该方法基于上述的辅助电路，具体包括：

混合式直流断路器切除故障电流后，经过设定时间的故障点电弧去游离时间，为辅助电 路中所有的晶闸管施加触发信号，闭合辅助电路中的快速机械开关；

实时采集混合式直流断路器线路侧的电流数据；

对采集到的电流数据进行小波变换，计算第一尺度小波变换模极大值；

对得到的小波变换模极大值进行数据有效性检验，记录第一个以及第二个满足数据有效 性条件的小波变换模极大值的符号和采样时刻；

建立故障性质识别判据，利用计算得到的小波变换模极大值符号进行瞬时性故障与永久 性故障的识别。

进一步地，如果识别为瞬时性故障，则打开辅助电路中的快速机械开关并去除晶闸管的 触发信号，混合式直流断路器进行重合闸；如果识别为永久性故障，则打开辅助电路中的快 速机械开关并去除晶闸管的触发信号，混合式直流断路器不再进行重合。

进一步地，根据获得的第一个以及第二个满足数据有效性条件的小波变换模极大值采样 时刻计算故障距离。

进一步地，所述满足数据有效性条件的小波变换模极大值具体为：

设定整定值WTMM_set，取小波变换模极大值的绝对值大于所述整定值的数据为满足数据>

其中，整定值WTMM_set根据噪声所能引起的小波变换模极大值的最大值确定。

进一步地，建立故障性质识别判据，具体为：

定义第一尺度满足数据有效性条件的第一个以及第二个小波变换模极大值为WTMM_f、>s，若满足：

WTMM_f·WTMM_s＞0；

则判定为永久性故障，否则判定为瞬时性故障。

在一个或多个实施方式中公开的一种配置混合式直流断路器的多端柔性直流电网故障性 质识别系统，包括服务器，所述服务器包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器 上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述的配置混合式直流断路器的多端 柔性直流电网故障性质识别方法。

在一个或多个实施方式中公开的一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该 程序被处理器执行时执行上述的配置混合式直流断路器的多端柔性直流电网故障性质识别方 法。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)利用混合式直流断路器辅助电路实现特征信号的注入从而识别瞬时性以及永久性故 障，并且可以实现永久性故障的故障测距；

(2)在各种故障初始条件下可靠、快速地识别瞬时性以及永久性故障，过渡电阻、故障 位置、故障类型等因素对故障性质识别结果几乎没有影响，可靠性、灵敏性高；

(3)故障性质识别方法通过电流反射波的极性进行识别，具有绝对的选择性；

(4)识别方法原理简单、清楚，识别准确，易于工程实现，辅助电路附加成本小，且永 久性故障测距的精度可通过提高采样率实现，具有较高的实用价值。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示例性实 施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为实施例一中混合式直流断路器结构示意图；

图2为实施例一中二极管全桥式IGBT子模块结构示意图；

图3为实施例一中IGBT子模块缓冲电容充放电路径示意图；

图4(a)-(b)分别为实施例一中混合式直流断路器暂态各支路电流和电压波形；

图5(a)-(b)分别为实施例一中混合式直流断路器第一次以及第二次换流过程暂态电 流波形；

图6为实施例一中混合式直流断路器辅助电路结构示意图；

图7为实施例二中N_c个IGBT子模块缓冲电容放电路径示意图；

图8为实施例二中N_c个IGBT子模块缓冲电容放电过程等效电路；

图9为实施例二中电流行波折反射网格图；

图10为实施例二中故障性质识别方法流程图；

图11为实施例二中双端MMC-HVDC系统仿真模型；

图12为实施例二中直流架空线配置图；

图13(a)-(b)分别为实施例二中永久性故障下DCCB1暂态电流以及小波变换模极大 值波形；

图14(a)-(b)分别为实施例二中瞬时性故障下DCCB1暂态电流以及小波变换模极大 值波形；

图15(a)-(b)分别为实施例二中不同故障位置下故障性质识别结果；

图16(a)-(b)分别为实施例二中永久性极间短路故障下DCCB1暂态电流以及小波变 换模极大值波形；

图17(a)-(b)分别为实施例二中不同过渡电阻永久性故障下DCCB1暂态电流以及小 波变换模极大值波形。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指 明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解 的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申 请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图 包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时， 其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

实施例一

在一个或多个实施方式中公开了一种混合式直流断路器的辅助电路，如图6所示，辅助电 路添加在混合式直流断路器转移支路靠近架空线路侧的Nc个IGBT子模块上；辅助电路包括： 晶闸管、电阻Rg以及快速机械开关，所述晶闸管分别串联在架空线路与第一个IGBT子模块缓 冲电路的缓冲电容负极之间以及相邻两个IGBT子模块缓冲电路的缓冲电容之间，第Nc个 IGBT子模块缓冲电路的缓冲电容正极依次串联电阻和快速机械开关后接地；其中，Nc为设定 值。

混合式直流断路器由主支路、转移支路以及金属氧化物压敏电阻(MOV)三部分组成， 如图1所示。主支路由基于IGBT的负载电流开关(LCS)以及超高速机械开关串联构成，LCS 主要由IGBT子模块相互串并联构成。转移支路由许多IGBT子模块串联构成(在高压、大容 量应用场景下通常为数百个)，并且被划分为几组，每组并联有一个MOV，MOV用来吸收故障回路中的残存能量。转移支路中的IGBT子模块主要有IGBT全桥型、二极管全桥型、共发射、集电极串联型等结构，这几种结构都是组合利用了IGBT电流转移能力以及电容电流缓冲 能力实现断路器内部成功换流。由于二极管全桥型成本较低，因此在高压大容量场合多采用 二极管全桥型IGBT子模块，其结构如图2所示。

图2中R_s表示缓冲电阻，C_s表示缓冲电容，D_s表示二极管，上述三种元件共同构成了IGBT>

当直流输电系统正常运行时，负荷电流全部通过混合式直流断路器的主支路，由于主支 路主要包含机械开关以及负载电流开关中少量的IGBT子模块，因此损耗较小，通常为0.01％ 的输送容量。当故障发生后，通过闭锁LCS中的IGBT子模块将故障电流由主支路换流至转移 支路，待主支路中故障电流减弱到超高速机械开关关断条件时断开超高速机械开关，此时故 障电流已经全部换流至转移支路。之后闭锁转移支路的IGBT子模块，将故障电流换流至MOV 支路，通过MOV消耗掉储存在直流电抗器以及故障回路中的残存能量，从而将故障电流切断。 混合式直流断路器分断故障电流时断路器各支路中的电流(i_main表示主支路电流，i_transfer表示>MOV表示MOV中的电流)以及电压如图4所示。

图4中，t₀时刻发生故障，主支路电流快速上升；t₁时刻流过主支路的故障电流达到最大>2时刻第一次换流完成，超高速机械开关开始启动分闸；t₃时刻>4时刻第二次换流完成，之后电流>5时刻电流下降至零，混合式直流断路器动作完成，故障电流被清除。

以上过程中，由于IGBT子模块缓冲电容的存在，t₁-t₂时间段内的第一次详细换流过程是>3-t₄时间段进行的第二次换流过程中，故障电流首先由转移支路IGBT换流>

当混合式直流断路器动作完成后，缓冲电容储存的能量并没有消失，因此通过增加辅助 电路，将储存在换流支路IGBT子模块中的缓冲电容的能量作为特征信号注入源，可以用来检 测直流线路的故障性质。

用于故障性质识别的混合式直流断路器辅助电路如图6所示，辅助电路主要包括晶闸管、 电阻R_g以及快速机械开关。辅助电路添加在混合式直流断路器转移支路靠近线路侧的N_c个>c推荐取为转移支路IGBT子模块总数N的10％-20％。N_c的个数能够影响>

实施例二

基于实施例一中所述的辅助电路，提出一种配置混合式直流断路器的多端柔性直流电网 故障性质识别方法及其应用，如图10所示，包括以下步骤：

(1)为混合式直流断路器配置辅助电路，辅助电路包括晶闸管、电阻R_g以及快速机械>

(2)混合式直流断路器切除故障电流后，经过200毫秒的故障点电弧去游离时间，首先 为辅助电路中所有的晶闸管施加触发信号，而后闭合辅助电路中的快速机械开关；

(3)实时采集混合式直流断路器线路侧的电流数据；

(4)将步骤(3)采集到的电流数据进行小波变换，计算第一尺度小波变换模极大值； 具体为：

式中，a₀(k)为原始信号，h₀、h₁分别为低通和高通滤波器；a_j(k)、d_j(k)为原信号的第j层>s的原始信号中提取的频段0～f_s/2^j+1和>s/2^j+1～f_s/2^j的信号分量；

小波变换模极大值d_j(k_n)定义为：|d_j(k_n)|≥|d_j(k)|；

其中，d_j(k)为原信号的第j层平滑细节系数。

(5)对步骤(4)得到的小波变换模极大值进行数据有效性检验，记录第一个以及第二 个满足数据有效性条件的小波变换模极大值的符号和采样时刻；具体为：

设定整定值WTMM_set，取小波变换模极大值的绝对值大于所述整定值的数据为有效数据；

式中，整定值WTMM_set根据噪声所能引起的小波变换模极大值的最大值确定。

(6)建立故障性质识别判据，利用步骤(5)计算得到的小波变换模极大值符号进行瞬 时性故障与永久性故障的识别；

定义第一尺度满足数据有效性条件的第一个以及第二个小波变换模极大值为WTMM_f、>s，若满足

WTMM_f·WTMM_s＞0；

则判定为永久性故障，否则判定为瞬时性故障。

(7)若步骤(6)识别为瞬时性故障，则打开辅助电路中的快速机械开关并去除晶闸管 的触发信号，之后混合式直流断路器进行重合闸。若步骤(6)识别为永久性故障，则打开辅 助电路中的快速机械开关并去除晶闸管的触发信号，混合式直流断路器不再进行重合。同时， 根据步骤(5)获得的第一个及第二个小波变换模极大值采样时刻计算故障距离。

步骤(6)中，故障性质识别原理为：

利用晶闸管施加触发信号后快速机械开关闭合导致转移支路中线路侧N_c个IGBT子模块>

在混合式直流断路器切断故障电流后，经过200毫秒的故障点电弧去游离时间，对辅助 电路中的晶闸管施加触发信号，随后闭合快速机械开关。此时，直流母线电压会平均分配到 混合式直流断路器转移支路中靠近母线侧的N-N_c个IGBT子模块上，因此N-N_c个IGBT子模>c个IGBT子模块，当>c个IGBT子模块的缓冲电容会通过晶闸管、电阻R_g以及快速机械开>cU_c和C_s/N_c分别是N_c个IGBT子模块的等效电压和等效缓冲电容，Z_c是直流线路的波阻抗，晶闸管的通>

晶闸管触发后闭合快速机械开关相当于叠加一个幅值为N_cU_c的阶跃输入。在此阶跃输入>

式中，ΔI(s)和Δi(t)分别为初始电流行波的频域和时域表达式。通过改变电阻R_g的阻值可>

电流行波传播过程中的折反射网格图如图9所示。电流行波传播到波阻抗不连续处会发 生折反射。不考虑线路衰减，初始电流行波的第一个反射波如下式所示：

ΔI_r＝ΓΔI(3)

式中，Г为电流行波的反射系数，可以通过下式得到：

式中，Z₂为电流行波将要进入部分的等效特征阻抗，Z_c为线路的波阻抗。

假设故障点处过渡电阻为R_f，则故障点处的电流行波反射系数Г_f为：

由上式可以看出，无论过渡电阻为何值，Z₂均小于Z_c。因此，故障点电流行波的反射系>f总大于零。

对于线路对端的电流行波反射系数Г_t，由于直流线路被隔离，即线路对端开路，此时Z₂为无穷大，因此对端线路端口的电流行波反射系数Г_t近似为-1。

根据以上分析，可以得出结论：

快速机械开关闭合后，若直流断路器线路侧检测到的初始电流行波与初始电流行波的第 一个反射波极性相同，则说明故障仍然存在于线路上，否则说明故障已经消失。因为若闭合 快速机械开关时故障仍然存在，则继电器检测到的初始电流行波的第一个反射波为故障点反 射波，由于故障点处的电流行波反射系数为正，因此第一个反射波与初始电流行波的极性相 同。否则继电器检测到的初始电流行波的第一个反射波为线路对端反射波，线路对端电流行 波反射系数为负，因此第一个反射波与初始电流行波的极性相反。

因此，基于以上结论可以判断直流线路上发生的故障为瞬时性故障还是永久性故障。

步骤(7)中，当判定发生永久性故障时，故障距离计算方法为：

由图9可以看出，故障距离可以利用下式计算：

式中，v是电流行波的传播速度，t_f是检测到的初始电流行波时刻，t_s是第一个反射波的>s为线路对端的反>m等于线路长度。反射波的到达时间可以通过小波变换模极大值的对>

上式的计算精度与采样率有关，如果采样率为f，则上式的最大测距误差l_error为：

利用PSCAD构建双端MMC-HVDC柔性直流系统仿真模型，对所提故障性质识别方法进行仿真验证：

1)建立模型

本发明依据张北柔性直流示范工程的相关参数，在PSCAD/EMTDC软件中搭建了如图 11所示的±500kV双端柔直系统仿真模型。图11中换流站为对称双极结构，每个换流站包含 两个MMC，换流站的主要参数示于表1。仿真模型中直流架空线采用分布依频模型，其长度 为262km，其配置如图12所示。

表1换流站主要参数

混合式直流断路器的主要参数示于表2。根据PSCAD/EMTDC软件的线路参数程序，可 以得到电流行波的传播速度为298.41米/微秒，直流线路的波阻抗为325Ω。直流断路器端口 继电器的采样频率为100kHz，因此根据式(7)可得故障测距的最大误差为1.492km。在仿真模 型中，N_c取为转移支路IGBT子模块总数的10％，即30。因此根据图6所示的辅助电路结构>g取为80Ω。

表2混合式直流断路器主要参数

由于瞬时性故障持续时间通常小于200毫秒，因此在DCCB中断故障电流后，故障性质 识别在200毫秒时启动。为避免噪声干扰，WTMM_set设置为0.005。

2)永久性故障仿真

在距离换流站S₁100km处设置永久性正极接地故障，过渡电阻为50Ω。故障性质识别在>

由图13(a)和图13(b)可知，第一个以及第二个满足数据有效性条件的小波变换模极 大值均为负极性，因此判断该故障为永久性故障，此时直流断路器不再进行重合。此外，经 计算得到的故障距离为99.967km，与实际故障距离误差仅为0.033km。

3)瞬时性故障仿真

在距离换流站S₁100km处设置瞬时性正极接地故障，故障持续时间为200毫秒，过渡电>

由于线路故障为瞬时性故障，因此当进行故障性质识别时，故障已经消失，直流断路器 出口继电器检测到的第一个反射电流行波是由线路对端反射而非故障点反射。如图14(a) 和图14(b)所示，满足数据有效性条件的第一个和第二个小波变换模极大值具有不同的符 号，因此，故障性质识别结果为瞬时性故障，直流断路器可以进行重合。

4)影响因素分析

本部分考虑的影响因素为故障位置、故障距离以及故障类型等。

A.不同故障位置。在直流线路上距离换流站S₁以26.2km(10％线路长度)为间隔分别>

由图15(a)和图15(b)可知，第一个和第二个满足数据有效性条件的小波变换模极大 值具有相同的符号，因此判定线路上发生的故障为永久性故障，因此故障性质识别结果正确， 并且故障测距的最大误差为0.3％，能够满足工程需要。因此，故障位置不会影响故障性质识 别方法的判别结果。

B.不同故障类型。在距离换流站S₁100km处设置永久性极间短路故障，故障电阻为50Ω。>

如图16(a)和图16(b)所示，第一个及第二个满足数据有效性条件的小波变换模极大 值均为负，因此故障性质识别方法判定发生的故障为永久性故障。故障测距结果为99.067km， 误差仅为0.033km，该结果与相同故障位置发生的正极接地故障的故障测距结果相同。因此， 故障类型对于故障性质识别方法的判别结果几乎没有影响。

C.不同过渡电阻。在距离换流站S₁100km处设置永久性正极接地故障，过渡电阻分别为>

由图17(a)和图17(b)可知，改变过渡电阻并不会影响反射波的极性以及到达时间， 仅会影响电流行波的幅值。但是，即使过渡电阻高达500Ω，故障性质识别方法依然能够准确 判别故障性质以及计算故障距离。

D.其他影响因素。根据式(1)可以得到，初始电流行波各个频率分量的幅值|ΔI(jω)|为：

因此，在不考虑线路衰减的情况下，初始电流行波在故障点的反射波各个频率分量的幅 值|ΔI_r(jω)|为：

式中Г为故障点处电流行波反射系数，可以近似看作一个常数。

由式(9)可以看出，故障点反射波各个频率分量的幅值|ΔI_r(jω)|可以通过增大缓冲电容C_s以及采用的IGBT子模块的个数N_c来提高，从而增加故障性质识别方法的灵敏度。

本发明通过为混合式直流断路器配置辅助电路，利用混合式直流断路器切断故障电流后 转移支路部分缓冲电容储存的能量实现故障性质识别。先将触发信号施加在辅助电路中的晶 闸管，之后闭合快速机械开关，利用混合式直流断路器出口处采集的电流数据并进行小波变 换，求得电流行波第一尺度满足数据有效性条件的第一个以及第二个小波变换模极大值，之 后通过其极性识别瞬时性以及永久性故障，并且在判别为永久性故障后计算永久性故障的故 障距离。仿真分析表明，在各种故障条件下，本发明均能正确识别瞬时性故障与永久性故障， 灵敏度高，可靠性强。另外，该发明还可以实现永久性故障测距，测距误差小、精度高。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限 制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付 出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。