一种直流线路故障检测方法和装置与流程

本发明涉及继电保护技术领域，具体涉及一种直流线路故障检测方法和装置。

背景技术：

柔性直流电网通过对广域内可再生能源发电直流联网，有诸多优势：1)充分利用可再生能源发电的互补性，实现新能源发电的大规模集中接入，提高新能源发电利用率；2)直流电网不存在交流系统固有的频率稳定性问题，可以实现新能源的平滑接入，减少系统备用容量；3)可以实现有功无功的独立控制，减小无功需求；4)可以实现快速灵活的潮流分布，做到广域功率的调节互济；5)可长距离、大容量的电能传输。

柔性直流电网系统与交流系统有很大不同，故障后的故障电流上升迅速。当直流线路发生接地故障时，电压源型换流器(voltagesourceconverter，vsc)的电容首先在极短的时间内对故障点放电，造成线路电流迅速上升，安装了直流断路器的柔性直流电网不同于传统点对点直流输电系统，柔直线路发生故障后通过直流断路器快速切除故障，这对故障检测的快速性和灵敏性提出了很高的要求。

目前主要通过直流线路的电流或电压变化情况实现直流线路的故障检测，下面对直流线路的故障检测进行详细说明：

当直流线路的电流持续增大且大于电流阈值时，判断为直流线路发生故障；或当直流线路的电压降低且小于电压阈值时，判断为直流线路发生故障。

直流线路发生故障后，直流线路的电流中包含负荷分量与故障分量两部分，当直流线路重负荷期间发生经高阻接地等轻微故障时，负荷分量较大，故障分量较小，负荷分量大于故障分量，掩盖了故障特征，单纯依赖直流电流增大的检测方法不能从故障后电流中提取故障特征，无法准确检测直流线路故障是否发生，直流线路故障检测的灵敏度较低，进而影响直流线路保护的整体动作性能，利用直流电压下降方法检测直流线路故障受直流电压互感器断线的影响。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术中直流线路故障检测的灵敏度较低的不足，本发明提供一种直流线路故障检测方法和装置，先根据直流线路的电流确定直流线路的电流故障分量，然后根据直流线路的电流故障分量计算直流线路的电流故障分量能量，最后判断直流线路的电流故障分量能量是否满足直流线路故障判据，若满足，直流线路发生故障，保护装置动作；否则直流线路未发生故障，保护装置不动作，最终实现直流线路的故障检测。

为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：

本发明提供一种直流线路故障检测方法，包括：

根据直流线路的电流确定直流线路的电流故障分量；

根据直流线路的电流故障分量计算直流线路的电流故障分量能量；

判断直流线路的电流故障分量能量是否满足直流线路故障判据，若满足，直流线路发生故障，保护装置动作；否则直流线路未发生故障，保护装置不动作。

所述根据直流线路的电流确定直流线路的电流故障分量包括：

按下式计算直流线路的电流故障分量：

δi(t)＝i(t)-i(t-ts)

其中，δi(t)表示t时刻直流线路的电流故障分量，i(t)表示t时刻直流线路的电流，i(t-ts)表示t-ts时刻直流线路的电流，ts表示采样时间间隔。

所述i(t)和i(t-ts)通过采集装置得到；

所述采集装置包括直流电流传感器；

所述直流电流传感器采用零磁通电流传感器、光学电流互感器或霍尔效应传感器。

根据直流线路的电流故障分量按下式计算直流线路的电流故障分量能量：

i＝∑δi(t)

其中，i表示直流线路的电流故障分量能量。

所述直流线路故障判据如下式：

i≥iset.1

其中，iset.1表示第一能量阈值。

所述直流线路故障判据如下式：

其中，iset.2表示第二能量阈值。

本发明还提供一种直流线路故障检测装置，包括：

确定模块，用于根据直流线路的电流确定直流线路的电流故障分量；

计算模块，用于根据直流线路的电流故障分量计算直流线路的电流故障分量能量；

判断模块，用于判断直流线路的电流故障分量能量是否满足直流线路故障判据，若满足，直流线路发生故障，保护装置动作；否则直流线路未发生故障，保护装置不动作。

所述确定模块具体用于：

按下式计算直流线路的电流故障分量：

δi(t)＝i(t)-i(t-ts)

其中，δi(t)表示t时刻直流线路的电流故障分量，i(t)表示t时刻直流线路的电流，i(t-ts)表示t-ts时刻直流线路的电流，ts表示采样时间间隔。

所述确定模块包括采集装置，所述采集装置用于采集i(t)和i(t-ts)，所述采集装置包括直流电流传感器；

所述直流电流传感器采用零磁通电流传感器、光学电流互感器或霍尔效应传感器。

所述计算模块具体用于：

根据直流线路的电流故障分量按下式计算直流线路的电流故障分量能量：

i＝∑δi(t)

其中，i表示直流线路的电流故障分量能量。

所述直流线路故障判据如下式：

i≥iset.1

其中，iset.1表示第一能量阈值。

所述直流线路故障判据如下式：

其中，iset.2表示第二能量阈值。

与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有以下有益效果：

本发明提供的直流线路故障检测方法中，先根据直流线路的电流确定直流线路的电流故障分量，然后根据直流线路的电流故障分量计算直流线路的电流故障分量能量，最后判断直流线路的电流故障分量能量是否满足直流线路故障判据，若满足，直流线路发生故障，保护装置动作；否则直流线路未发生故障，保护装置不动作，最终实现直流线路的故障检测；

本发明提供的直流线路故障检测装置包括用于根据直流线路的电流确定直流线路的电流故障分量的确定模块、用于根据直流线路的电流故障分量计算直流线路的电流故障分量能量的计算模块以及用于根据直流线路的电流故障分量能量判断直流线路是否发生故障的判断模块，最终实现直流线路的故障检测；

本发明提供的技术方案中通过直流线路不同时刻的电流确定直流线路的电流故障分量，消除了负荷分量对故障检测灵敏度的影响；

本发明提供的技术方案中通过直流线路的电流故障分量计算直流线路的电流故障分量能量，且只通过直流线路的电流故障分量能量进行直流线路的故障检测，不受电压互感器断线影响；

本发明提供的技术方案中通过对直流线路的电流故障分量进行积分实现了故障特征的连续递增变化，不仅提高了直流线路的故障检测速度，同时提高了故障检测的灵敏度；

本发明的技术方案中提供了第一故障检测判据和第二故障检测判据两种判据，选择其一即可实现对直流线路的故障检测，实施过程简单可靠。

附图说明

图1是本发明实施例1中直流线路故障检测方法流程图；

图2是本发明实施例中直流线路发生故障后电流故障分量采样值示意图；

图3是本发明实施例中直流线路的电流故障分量能量示意图；

图4是本发明实施例2中直流线路故障检测方法流程图；

图5是本发明实施例3中四端柔性直流电网示意图；

图6是本发明实施例3中康保-丰宁线中点发生单极经300欧姆接地故障时电流故障分量仿真波形示意图；

图7是本发明实施例3中康保-丰宁线中点发生单极经300欧姆接地故障时电流故障分量能量仿真波形示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

实施例1

本发明实施例1提供了一种直流线路故障检测方法，该直流线路故障检测方法的具体流程图如图1所示，具体过程如下：

s101：根据直流线路的电流确定直流线路的电流故障分量；

s102：根据s101确定的直流线路的电流故障分量计算直流线路的电流故障分量能量；

s103：判断s102计算的直流线路的电流故障分量能量是否满足第一直流线路故障判据，若满足第一直流线路故障判据，则表明直流线路发生故障，保护装置动作；否则表明直流线路未发生故障，保护装置不动作。

上述s101中，根据直流线路的电流确定直流线路的电流故障分量的具体过程如下：

1)通过采集装置采集t时刻直流线路的电流i(t)和t-ts时刻直流线路的电流i(t-ts)，其中ts表示采样时间间隔。

2)按下式计算直流线路的电流故障分量：

δi(t)＝i(t)-i(t-ts)

其中，δi(t)表示t时刻直流线路的电流故障分量，i(t)表示t时刻直流线路的电流，i(t-ts)表示t-ts时刻直流线路的电流，ts表示采样时间间隔。

直流线路发生故障后电流故障分量采样值示意图如图2所示，从图2中可以看出，发生故障前直流线路的电流故障分量采样值为0，发生故障后直流线路的电流故障分量采样值大于0，且不断增大。

上述1)中的采集装置可以为直流电流传感器，该直流电流传感器可以采用零磁通电流传感器、光学电流互感器或霍尔效应传感器。

上述s102中，根据s101确定的直流线路的电流故障分量计算直流线路的电流故障分量能量具体过程如下：

对直流线路的电流故障分量进行逐点积分，即可得到直流线路的电流故障分量能量，用公式表示为：

i＝∑δi(t)

其中，i表示直流线路的电流故障分量能量。

直流线路的电流故障分量能量示意图如图3所示，发生故障前直流线路的电流故障分量能量为0，发生故障后直流线路的电流故障分量能量大于0，且不断增大，增大速度显著大于发生故障后直流线路的电流故障分量采样值的增大速度。

上述s103中，第一直流线路故障判据如下式：

i≥iset.1

其中，iset.1表示第一能量阈值。

基于同一发明构思，本发明实施例1还提供了一种直流线路故障检测装置，这些设备解决问题的原理与直流线路故障检测方法相似，本发明提供的直流线路故障检测装置可以包括第一确定模块、第一计算模块和第一判断模块，下面分别介绍上述三个模块的功能：

其中的第一确定模块，用于根据直流线路的电流确定直流线路的电流故障分量；

其中的第一计算模块，用于根据直流线路的电流故障分量计算直流线路的电流故障分量能量；

其中的第一判断模块，用于判断直流线路的电流故障分量能量是否满足第一直流线路故障判据，若满足第一直流线路故障判据，直流线路发生故障，保护装置动作；否则直流线路未发生故障，保护装置不动作。

上述的第一确定模块根据直流线路的电流确定直流线路的电流故障分量的具体过程如下：

按下式计算直流线路的电流故障分量：

δi(t)＝i(t)-i(t-ts)

其中，δi(t)表示t时刻直流线路的电流故障分量，i(t)表示t时刻直流线路的电流，i(t-ts)表示t-ts时刻直流线路的电流，ts表示采样时间间隔。

上述的第一确定模块包括采集装置，采集装置用于采集i(t)和i(t-ts)，采集装置可以为直流电流传感器，直流电流传感器可以采用零磁通电流传感器、光学电流互感器或霍尔效应传感器。

上述的第一计算模块根据直流线路的电流故障分量计算直流线路的电流故障分量能量的具体过程如下：

根据直流线路的电流故障分量按下式计算直流线路的电流故障分量能量：

i＝∑δi(t)

其中，i表示直流线路的电流故障分量能量。

上述第一判断模块根据直流线路的电流故障分量能量判断直流线路是否故障的过程中用到的第一直流线路故障判据如下式：

i≥iset.1

其中，iset.1表示第一能量阈值。

实施例2

本发明实施例2提供了一种直流线路故障检测方法，该直流线路故障检测方法的具体流程图如图4所示，具体过程如下：

s201：根据直流线路的电流确定直流线路的电流故障分量；

s202：根据s201确定的直流线路的电流故障分量计算直流线路的电流故障分量能量；

s203：判断s202计算的直流线路的电流故障分量能量是否满足第二直流线路故障判据，若满足第二直流线路故障判据，则表明直流线路发生故障，保护装置动作；否则表明直流线路未发生故障，保护装置不动作。

上述s201中，根据直流线路的电流确定直流线路的电流故障分量的具体过程如下：

1)通过采集装置采集t时刻直流线路的电流i(t)和t-ts时刻直流线路的电流i(t-ts)，其中ts表示采样时间间隔。

2)按下式计算直流线路的电流故障分量：

δi(t)＝i(t)-i(t-ts)

其中，δi(t)表示t时刻直流线路的电流故障分量，i(t)表示t时刻直流线路的电流，i(t-ts)表示t-ts时刻直流线路的电流，ts表示采样时间间隔。

直流线路发生故障后电流故障分量采样值示意图如图2所示，从图2中可以看出，发生故障前直流线路的电流故障分量采样值为0，发生故障后直流线路的电流故障分量采样值大于0，且不断增大。

上述1)中的采集装置可以为直流电流传感器，该直流电流传感器可以采用零磁通电流传感器、光学电流互感器或霍尔效应传感器。

上述s202中，根据s201确定的直流线路的电流故障分量计算直流线路的电流故障分量能量具体过程如下：

对直流线路的电流故障分量进行逐点积分，即可得到直流线路的电流故障分量能量，用公式表示为：

i＝∑δi(t)

其中，i表示直流线路的电流故障分量能量。

直流线路的电流故障分量能量示意图如图3所示，发生故障前直流线路的电流故障分量能量为0，发生故障后直流线路的电流故障分量能量大于0，且不断增大，增大速度显著大于发生故障后直流线路的电流故障分量采样值的增大速度。

上述s203中，第二直流线路故障判据如下式：

其中，iset.2表示第二能量阈值。

基于同一发明构思，本发明实施例2还提供了一种直流线路故障检测装置，这些设备解决问题的原理与直流线路故障检测方法相似，本发明提供的直流线路故障检测装置可以包括第二确定模块、第二计算模块和第二判断模块，下面分别介绍上述三个模块的功能：

其中的第二确定模块，用于根据直流线路的电流确定直流线路的电流故障分量；

其中的第二计算模块，用于根据直流线路的电流故障分量计算直流线路的电流故障分量能量；

其中的第二判断模块，用于判断直流线路的电流故障分量能量是否满足第二直流线路故障判据，若满足第二直流线路故障判据，直流线路发生故障，保护装置动作；否则直流线路未发生故障，保护装置不动作。

上述的第二确定模块根据直流线路的电流确定直流线路的电流故障分量的具体过程如下：

按下式计算直流线路的电流故障分量：

δi(t)＝i(t)-i(t-ts)

其中，δi(t)表示t时刻直流线路的电流故障分量，i(t)表示t时刻直流线路的电流，i(t-ts)表示t-ts时刻直流线路的电流，ts表示采样时间间隔。

上述的第二确定模块包括采集装置，采集装置用于采集i(t)和i(t-ts)，采集装置可以为直流电流传感器，直流电流传感器可以采用零磁通电流传感器、光学电流互感器或霍尔效应传感器。

上述的第二计算模块根据直流线路的电流故障分量计算直流线路的电流故障分量能量的具体过程如下：

根据直流线路的电流故障分量按下式计算直流线路的电流故障分量能量：

i＝∑δi(t)

其中，i表示直流线路的电流故障分量能量。

上述第二判断模块根据直流线路的电流故障分量能量判断直流线路是否故障的过程中用到的第二直流线路故障判据如下式：

其中，iset.2表示第二能量阈值。

实施例3

本发明实施例3以图5所示的四端柔性直流电网为例说明直流线路故障检测方法的具体过程：

图5中的康保、张北、丰宁、北京分别与直流电网相连的4个交流系统，且4个交流系统均与相应的换流站连接，换流站通过直流母线与直流线路相互连接，直流线路电压等级±500kv。

对图5中康保-丰宁线中点发生单极经300欧姆接地故障时电流故障分量进行仿真，具体的仿真波形示意图如图6所示，从图6可以看出电流故障分量在故障后5ms内由0增大至0.8ka后保持稳定。

对图5中康保-丰宁线中点发生单极经300欧姆接地故障时电流故障分量能量进行仿真，具体的仿真波形示意图如图7所示，从图7可以看出电流故障分量积分值在故障后持续增大，且故障后5ms内由0增大至40ka，可见图7中的故障特征更加显著，在相同定值情况下，利对电流故障分量进行积分构造的故障检测方法的故障识别能力更强。

为了描述的方便，以上所述装置的各部分以功能分为各种模块或单元分别描述。当然，在实施本申请时可以把各模块或单元的功能在同一个或多个软件或硬件中实现。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。