Dc网络中的故障定位的制作方法

Dc网络中的故障定位的制作方法
【专利摘要】本发明申请涉及用于在DC电力传输网络或电网（200）中进行帮助确定网络中故障位置的故障防护的方法和装置。该方法包括，在故障情况下，控制该网络的至少一个限流元件（201、202）以便将故障电流流动限制为低于第一电流电平，所述第一电流电平位于所述网络在正常工作时的期望电流工作范围内，即安全电平。限流元件（201）可以是适合的电压源变流器（101）或能够限流的DC断路器（202）。然后控制故障电流以维持非零电平的故障电流。然后由故障电流检测模块（203a?d）确定该网络不同部分处的故障电流的特征。然后由故障电流模块（203a?d）或控制系统（205）基于该网络不同部分处的故障电流的所确定的特征，确定故障的位置。该特征可以包括电流的方向或极性。在一些实施例中，这些限流元件可以对故障电流施加在网络上不同的AC调制，并且故障电流的特征可以包括此类调制的存在或缺失。
【专利说明】
DC网络中的故障定位
技术领域
[0001] 本发明涉及用于识别和/或定位用于传输电力的DC(直流电）电网或网络中的故障 的方法和装置，具体来说涉及用于高压DC(HVDC)供电电网中的故障定位和隔离的方法和装 置。
【背景技术】
[0002] DC电力传输在多个不同应用中被采用。HVDC对于长距离电力传输和/或互连以不 同频率工作的交流电(AC)网络尤其有用。由此第一站可以将电能通过DC传输线路，例如架 空线路或海底或埋设的电缆传送到第二站。第一站可以通过从接收的AC输入供电进行转换 来生成DC供电。第二站然后典型地提供从DC返回到AC的转换。第一站和第二站中每一个因 此可以典型地包括用于从AC至DC或反之进行转换的电压源换流器(VSC)。
[0003] 在实际的DC电力传输网络中，将会有故障保护系统，其用于在导致实际低阻抗短 路的DC侧故障事件中保护网络的组件。此类故障可能由于如绝缘击穿、导体意外桥接等的 多种原因而发生，这可能潜在地导致高故障电流形成，这可能损坏HVDC变流器的组件和/或 传输网络的其他组件。
[0004] 为了防止此类损坏，DC传输网络可以包括一个或多个DC断路器。用于HVDC传输的 DC断路器已有开发，并且W02013/127462或W02013/127463是DC电力传输网络中能够采用的 适合断路器的示例。在网络中此点处形成高故障电流的情况下，这些断路器能够快速工作 将故障电流驱动为〇,并断开电路，并且由此防止或至少限制对网络组件的损害。
[0005] 此外，VSC的一些设计能够处理故障，并且在故障形成的情况下，能够工作以阻隔 故障并将注入相关传输线路的电流快速地驱动为〇。例如，在故障情况中可以使用多电平模 块化变流器(MMC)来消除故障电流，该多电平模块化变流器(MMC)具有基于全桥拓扑的模 块。W02011/012174是能够用于DC侧进行故障阻隔的适合MMC VSC的示例。
[0006] 最初，HVDC电力传输系统倾向于针对点到点传输来实现，即仅从第一站到第二站。 然而，越来越多地，提出在网格网络或DC电网上实现HVDC电力传输，该网格网络或DC电网包 括连接多于两个电压变流器的多个DC传输路径。此类DC网络在如从可再生源发电，如风电 厂的应用中很有用，其中可以有多个源，该多个源可以在地理上相距遥远和/或支持现有AC 传输能力，从而使得所说的智能电网能够处理能量交易要求和多个发电源。
[0007] 在具有多个VSC的DC网络中，在变流器之间具有多个连接路径，可以利用多个故障 阻隔元件来实现一种故障保护系统，这些故障阻隔元件设成确保一个网络部分上的故障能 够与网络其余部分隔离。例如，W02012/123015描述在DC电网上可以如何将多个VSC连接到 DC传输线路，这些DC传输线路可以一起连接在变电站中以及可以提供DC断路器以使一个传 输线路上的故障能够快速地与网络的其余部分隔离。该文献还描述可以将DC电网划分成不 同的区域以及可以使用限流器以在清除故障的同时限制在故障情况下多个区域之间的故 障电流流动。
[0008] HVDC断路器技术已显著地发展，并且当代DC断路器和/或具有故障阻隔能力的VSC 能够非常快速地工作以可能地以约数毫秒计的时间标度上或更快地将故障电流驱动为0。 这种快速操作在减少高故障电流导致的任何损坏的可能性上可以获益，但是这在DC网络的 控制和保护系统能够定位网络中故障位置方面产生挑战性。

【发明内容】

[0009]本发明的实施例由此涉及允许确定DC网络中故障位置的方法和装置。
[0010]由此，根据本发明，提供一种在DC电力传输网络中进行故障定位的方法，其包括： 在故障情况下，控制该网络的至少一个限流元件以便将故障电流流动限制为低于第一 电流电平，该第一电流电平位于网络在正常工作时的期望电流工作范围内； 控制所述至少一个限流元件以将非零电平的故障电流维持在低于所述第一电流电平 的电平； 确定网络的不同部分处的所述故障电流的特征；以及 基于网络的不同部分处的所述故障电流的所确定的特征来确定故障的位置。
[0011] 因此，响应于故障，本发明的方法施加限流以将故障电流流动减少为低于第一电 平，该第一电平位于网络在正常工作时的期望电流工作范围内。换言之，将故障电流减小到 不可能导致损坏网络的安全电平。然而，并非尽可能快地将故障电流驱动到〇的常规方法， 而是将故障电流维持在此低电平一段时间。通过在故障情况中维持低但非零电流，可以利 用故障状况期间网络中电流的特征来确定有关故障位置的信息。
[0012] 在一些实施例中，确定故障电流的特征可以包括确定网络不同部分处的故障电流 的极性或方向。确定故障的位置可以包括确定其中电流极性或方向改变的网络部分。附加 地或备选地，确定网络不同部分处的故障电流的特征可以包括确定网络不同部分处的差分 电流。
[0013] 在一些实施例中，可以控制至少一个限流元件以对所述故障电流施加预定调制。 换言之，故障电流可以不维持在恒定电平，但是可以施加预设的调制，如具有特征频率的AC 调制。确定故障电流的特征然后可以包括监视所述预定调制的存在或缺失。位于不同网络 部分处的多个限流元件可以各控制成对故障电流施加具有特征频率的预定调制，其中至少 一些限流元件控制成施加具有彼此不同的特征频率的调制。确定故障电流的特征然后可以 包括监视所述不同特征频率的存在或缺失。
[0014] 可以将非零电平的故障电流维持在低于所述第一电流电平的电平处持续第一时 间窗口，该第一时间窗口可以具有预定持续时间或可以在生成指示故障位置已确定的控制 信号时结束。在该第一时间窗口结束时，该至少一个限流元件可以控制成将故障电流减小 至 IJ0。
[0015] 在确定故障的位置之后，可以开启一个或多个断路器以将包含故障的网络部分从 网络其余部分断开。
[0016] 在一些实施例中，至少一个限流元件包括电压源变流器的一部分。附加地或备选 地，至少一个限流元件可以包括能以限流模式工作的DC断路器。
[0017] 本发明的多个实施例还涉及一种故障控制系统。由此，在本发明的的另一个方面 中，提供一种用于DC电力传输网络的故障控制系统，其包括： 位于网络中的至少一个限流元件，该或每个限流元件配置成，在故障情况下将故障电 流流动限制于第一电流电平以下，该第一电流电平位于网络在正常工作时的期望电流工作 范围内，并且将非零电平的故障电流维持在低于所述第一电流电平的电平； 位于网络不同部分处的多个故障电流检测模块，用于确定所述故障电流的特征；以及 控制器，用于基于网络不同部分处的所述故障电流的所确定的特征来确定故障的位 置。
[0018] 本发明此方面的故障控制系统可以以与上文结合本发明的第一方面论述全部相 同的方式工作并且提供全部相同的优点。
[0019] 具体来说，该故障电流检测模块可以配置成确定故障电流的极性或方向，以及该 控制器可以配置成通过确定其中电流的极性或方向改变的网络部分来确定故障的位置。在 一些实施例中，该故障电流检测模块可以配置成确定网络不同部分处的差分电流。
[0020] 至少一个限流元件可以配置成对位于低于所述第一电流电平的电平处的所述非 零电平的故障电流施加预订调制。该故障电流检测模块可以配置成监视所述预定调制的存 在或缺失。该预定调制可以具有特征频率。在一些实施例中，位于不同网络部分处的多个限 流元件可以配置成将具有特征频率的预定调制施加到该故障电流，其中至少一些限流元件 配置成施加具有彼此不同特征频率的调制。在此情况中，这些故障电流检测模块可以配置 成监视不同特征频率的存在或缺失。
[0021] 至少一个限流元件可以配置成将非零电平的故障电流维持在低于所述第一电流 电平的电平处持续第一时间窗口，该第一时间窗口可以具有预定持续时间或该控制器可以 配置成在故障位置已确定时生成控制信号以及该第一时间窗口在所述控制信号生成时结 束。在该第一时间窗口结束时，该至少一个限流元件可以配置成将故障电流减小到0。
[0022] 该系统还可以包括一个或多个断路器，以及一旦确定故障位置，则该控制器可以 控制一个或多个断路器将包含故障的网络部分从网络其余部分断开。
[0023] 该控制器可以形成故障电流检测模块的至少一部分以及每个故障电流检测模块 均可以包括控制器。但是，在一些实施例中，该控制器对于该故障电流检测模块可以是分开 的。
[0024] 至少一个限流元件可以包括电压源变流器部分和/或至少一个限流元件可以包括 能以限流模式工作的DC断路器。
[0025] 虽然能以限流模式工作的DC断路器或电压源变流器是公知的，但是配置成维持低 但是非零故障电流并对故障电流施加预定调制以便协助故障定位的限流元件代表本发明 的又一个方面。由此，在本发明的又一个方面中，提供一种用于DC电力传输网络的限流装 置，其包括： 多个串联模块，所述模块中每一个包括采用限流工作模式能够选择性地连接以提供限 流的至少一个元件； 用于控制所述模块的控制器，该控制器配置成： 在故障情况下，激活该限流工作模式以便将流经该限流装置的故障电流限制为低于第 一电流电平； 将非零电平的故障电流维持在低于所述第一电流电平的电平；以及 选择性地连接和断开所述模块的限流元件以对故障电流施加预定调制。
[0026] 该预定调制可以具有特征频率。该限流装置可以包括能以限流模式工作的DC断路 器或可以包括电压源变流器的一部分。
[0027] 用于此类限流器的控制器连同控制此类限流装置的方法可以视为本发明的另一 个方面。
[0028] 本发明的方面还在于用于确定DC网络中故障的位置的控制装置。由此，在本发明 的的另一个方面中，提供一种用于DC电力传输网络中的故障防护的控制装置，其包括:控制 器，所述控制器配置成在故障状况期间从多个故障电流监视模块中每一个接收故障电流的 特征的指示，并且由所述故障电流的所述特征来确定该网络中故障的位置。
[0029] 该特征可以是电流的测量。该控制器可以由所述电流的测量确定故障电流的相对 方向或极性。备选地，该控制器可以从这些故障电流监视模块接收故障电流的相对方向或 极性的指示。在任一情况中，该控制器均可以由所述电流的方向或极性来确定故障的位置。 附加地或备选地，该控制器可以配置成识别故障电流中的一个或多个特征频率并使用此类 特征频率的存在和/或缺失来确定故障的位置。
【附图说明】
[0030] 现在将参考附图仅以示例方式描述本发明，其中： 图1图示DC网络的一个示例； 图2图示DC网络中实现的故障防护系统的实施例； 图3图示可以如何控制故障电流的一个实施例； 图4图不可以如何控制故障电流的另一个实施例； 图5图示可以形成VSC-部分的适合限流装置的原理； 图6图示能以限流模式工作的适合DC断路器的原理； 图7图示故障防护模块可以如何应用处理以检测特征电流频率;以及 图8图示可用于检测故障电流的特征频率的滤波器组。
【具体实施方式】
[0031] 图1图示DC网络100的一个示例。多个电压源变流器(VSC) 101经多个DC传输路径彼 此连接，这些DC传输路径可以包括如架空电力线路、海底或埋设的电缆等的传输线路。在下 文示例中，将多种传输路径通称为DC线路，此术语应涵盖任何类型的DC传输路径，例如架空 线路和海底或埋设的电缆。DC线路的至少一部分还可以包括供电站或变电站或网络的其他 部分内的传输路径。图1图示放射型网络的示例，其中将链接VSC、DC线路1-4的不同的DC线 路连接在一起。当然要认识到，这仅仅是一个说明性示例，并且变流器和连接路径的数量可 以具体根据应用有所变化以及存在许多其他网络配置。
[0032] DC网络100还包括用于在故障情况下保护网络的多个故障防护元件。在附图中100 所示的示例中，DC断路器102a-d位于不同DC线路之间的连接处。此外，还可以有与每个DC线 路关联的故障防护元件。例如，VSC 101可以具有故障阻隔能力，例如它们可以是全桥MMC类 型的，其能够在故障情况中将电流驱动为〇,或包括用于限流的故障模块，和/或可以在给定 DC线路上提供附加DC断路器102e-f。
[0033]在故障情况下，在DC线路之一上存在至地线的实际短路的DC网络中，即网络的至 少一部分中的电流上升，这会导致网络的该部分中的故障防护元件激活。HVDC网络中的常 规方法是通过将故障电流，即故障情况中流动的电流驱动为O来尽可能快地清除故障，以使 能够将故障点处的损坏减到最小。但是，先前描述的故障防护兀件，例如全桥MMC和DC断路 器，能够在仅数毫秒内消除DC故障电流。本发明人已认识到，尽可能快地清除故障的常规方 法可能在DC电网的故障防护系统在尝试确认故障所在（即线路或电缆上哪部分）以便能够 隔离电网的受影响部分以及其余健康部分恢复工作时造成问题。本质上，当代的DC断路器 或故障阻隔变流器工作快到使得控制和防护系统只有非常少的时间推断故障所在，然后断 路器就中断故障电流，这样实际上销毁了证据。
[0034] 本发明的实施例因此利用能够在故障情况中提供限流的故障防护元件。在检测到 故障时，这些故障防护元件提供快速限流以将故障电流限制为低但是非零的电平，此电平 足够低以使故障电流的任何损害影响被减小或消除，但是其具有能够被监视的可检测特征 以使故障位置能够被检测到。可以将故障电流限制为低于第一预定电流电平，该第一预定 电流电平位于网络的正常工作电流范围内。由此，通过确保故障电流低于第一电平，将其约 束于应该不会对网络组件导致任何损坏的电平。在一些实施例中，该第一电流电平本身可 以是相对较低的电流电平，例如，低于正常工作中的期望电流电平，并且因此可以将故障电 流控制为具有低于网络正常工作的低电平。但是，将故障电流的电平控制为足够高到可被 检测到。
[0035] 该DC网络内的故障电流检测模块然后可以监视网络的不同部分处的限流的故障 电流的特征，以便确定网络中故障的位置，至少确定到故障电流检测模块限定的多个不同 区域内。一旦确定了故障位置，则可以将故障电流驱动到零，并将网络的受影响部分从网络 的其余部分断开。如果可能，则可以对网络的健康部分重新启动正常工作。
[0036] 图2图示根据本发明的实施例的DC网络200的一个示例。图2同样示出与图1所示相 似的放射型网络。但是，同样地，将认识到，也可以实现其他网络配置，并且将理解，本发明 的原理普遍性地可应用于任何DC网络。
[0037]该DC网络的DC线路同样通过DC断路器102a_d彼此连接。但是，在本实施例中，这些 断路器仅在已确定故障的位置之后才全面工作以完全断开，即，中断相关电路连接，以及仅 将网络的故障部分断开所需的那些断路器可以全面工作以中断电路。为了能够确定故障电 流，该DC网络包括用于在故障情况中应用限流的限流元件和用于根据限流的故障电流的特 征来确定故障位置的故障电流检测模块。
[0038]在图2所示的实施例中，每个VSC 101设有故障电流限制系统201。正如上文提到 的，具有限流能力的VSC是公知的。VSC的适合故障模块的一个示例在W02011/012174有所描 述，其内容通过引用并入本文，但是将认识到，还可以使用其他设计。由此，可以包括例如 VSC的故障模块和/或相关控制系统的VSC 101的限流系统201能够控制故障电流以便在故 障情况中限制故障电流。可以控制VSC以将故障电流向下驱动到低但是非零的电平，然后将 电流限制在期望的电平持续一段时间。由此，VSC的限流系统201可以配置成允许特征故障 电流流动以便能够执行故障定位，然后才将故障电流驱动到零。这意味着相关DC断路器 102a-d能够工作以仅中断隔离网络的故障部分所需的位置中的电路。
[0039]在一些实施例中，作为使用VSC控制故障电流的补充或替代，可以有限流元件202， 其可以是例如DC线路上的能以限流模式工作的DC断路器。还能够以限流模式工作的DC断路 器是公知的。能够采用的适合DC断路器的示例在W02013/127462或W02012/127463中有所描 述，其内容通过引用并入本文。其他设计的DC断路器也是公知的，并且可以被采用。此类DC 断路器可以工作以控制从VSC注入网络的故障电流，并且可以工作以如描述的相似方式控 制故障电流。
[0040]在一些实施例中，DC线路之间的DC断路器102a-d还能够提供限流。
[0041 ] 虽然如W02013/127462或W02012/127463中描述的DC断路器能够用作完全DC断路 器，并且还能以限流模式来使用并由此实现两种功能。在以一些实施例中，如果期望的话， 可以将单独的限流元件与DC断路器的至少其中之一串联来提供。例如，可以将限流元件204 与断路器102a串联来提供。可以提供该限流元件仅来提供限流并且还可以不实现完全DC断 路器的功能。在此类实施例中，如果限流元件204能够提供全部所需的限流，则使用没有限 流功能性的DC断路器102a是可能的。备选地，DC断路器102a能够提供某种限流功能性，且附 加的限流元件204提供用于例如允许对受限的故障电流进行调制的附加限流。
[0042]网络中还提供故障电流检测模块203a_d。在此实施例中，将故障电流检测模块与 DC断路器102a-d关联。一般，网络中DC断路器的位置能够将限定依据所需故障定位而定的 粒度的多个网络部分断开。由此可以有与DC断路器关联的故障电流检测模块。由此，如果存 在附加DC断路器202,则可以有关联的故障电流检测元件203。但是，在一些实例中，可能期 望有附加故障电流检测元件203,用于例如监视VSC 101控制的故障电流，因为可以有助于 缩小范围到DC线路中发生故障的一段。
[0043] 这些故障电流检测模块监视故障电流的特征以及控制器确定有关故障位置的信 息。在一些实施例中，故障电流检测模块203a_d可以配置成与至少其相邻故障电流检测模 块通信，并且基于故障电流的特征的检测来控制其相应DC断路器102a_d。换言之，用于确定 故障位置的控制器至少有关于给定故障电流检测模块可以在一个或多个模块本身中实现。 但是，在一些实施例中，故障防护控制系统205包括适合控制器，其可以设成与故障电流检 测模块203a-d的至少其中一些通信。
[0044] 图3图示在故障情况期间可如何控制故障电流。图3图示DC网络中给定位置处相对 于时间的电流，例如限流元件控制的电流。最初，在时间11之前，DC网络正在正常工作，以及 电流处于正常工作电平11处。当然，将认识到的，在实际中，正常工作电流可能在某些期望 的极限内变化，但是为了容易解释，将认为存在相对恒定的稳态电流。在时间tl处，网络中 产生故障，这导致电流中的上升。在点t2处，此电流变得足够高而指示故障，并导致限流元 件工作，例如可以在与限流DC断路器关联的控制电路内生成命令开启该断路器并开始限流 或限制注入VSC的电流。该限流元件将花费短暂时间响应，并由此故障电流将继续上升。但 是，在t3处，该限流元件开始减小故障电流，并由此在时间t3处的电流因此表示峰值故障电 流。这些限流元件因此促使故障电流减小，直到在时间t4处达到电流电平12为止。在本示例 中，限流的电流电平12比正常工作电流11低，这意味着对系统的导电部分的压力回到正常 工作极限内。
[0045] 正如上文提到的，这些限流元件可以包括先前提到的类型的DC断路器和/或故障 阻隔VSC。因此，在tl与t4之间的时段中故障防护电路响应故障的操作可以大致与常规故障 防护系统的响应相同。因此，本发明实施例对故障的响应与常规方法一样快，并且时间t3处 达到的峰值电流尽可能的低。但是，在本发明的实施例中，一旦将故障电流减小到安全但是 非零电平时，则将其维持在此电平处或附近持续时间窗口 wl。在用于故障防护的常规方法 中，在时间t5处故障电流将被驱动到零，如点划线所指示的。
[0046]时间窗口 wl应足够长以便允许故障电流检测模块监视此"痕迹"电流的特征，即， 时间窗口 wl期间维持的故障电流。一旦确定了故障位置，则可以在时间t6处将故障电流驱 动到零。时间窗口 wl可以是预计足够长以用于精确故障定位或可将故障电流维持直到来自 故障电流检测模块203和/或故障防护控制系统205的控制信号指示已确定故障位置为止的 固定时间段。
[0047]在一些实施例中，故障电流检测模块203可以配置成执行差分电流监视和/或方向 比较。在一个实施例中，限流的故障电流(即"痕迹"电流)的极性，即方向可以作为用于确定 故障位置的特征。
[0048]再次参考图2,考虑如图指示的DC线路3上形成故障。VSC 101的限流系统201和/或 限流DC断路器202(如果存在的话)将如上文描述地工作以将该网络部分处的峰值故障电流 减到最小并快速将故障电流减小到电平12。在此点处，流到故障点的故障电流可能由网络 中的多种源提供。图2中的灰色箭头指示电流在网络中可能如何流动。由此，电流可能从DC 线路1以及也可能从DC线路2向故障点流动。流经故障电流检测模块203b的电流因此将包括 这两个电流的分量，并且电流的方向将是从DC线路2到DC线路3。这可以视为第一方向上的 电流，将称为顺流。还将有从DC线路4流到DC线路3的电路，因此经故障电流检测元件203c的 电流可以标识为在反方向上流动，即，逆流电流。因此，使用电流的相对方向或极性可以被 用于确定故障位于该故障电流检测模块所在的特定DC线路的逆流还是顺流。
[0049]每个故障电流检测模块203a_d因此可以确定该位置处的任何电流的特征极性，并 生成适合的控制信号C1-C4。此控制信号可以至少传递到相邻故障电流检测模块，以便能够 检测故障的位置和/或传递到故障防护控制系统205以便能够检测故障的位置。一旦确检测 至I做障的位置，则可以将故障电流驱动到零，并向相关DC断路器发出控制信号CTR，在本示 例中为102b和102c，以便隔离网络的受影响部分。然后可以禁用DC线路3上的VSC，而网络其 余部分上的VSC可以恢复正常工作而不进行限流。
[0050] 在一些实施例中，可以由限流元件以帮助故障位置位检测的特征方式来调制受控 的故障电流。例如，可以将AC分量调制到受控故障电流上。AC分量可以具有特征频率，以及 网络的不同部分处的限流元件可以设为施加不同的特征频率以便能够进行故障位置确定。
[0051] 图4图示故障情况中随时间控制故障电流以提供特征AC分量的原理。图4示出给定 限流模块的相对于时间的故障电流。发生故障所在的时间tl与将故障电流限制于期望的安 全但非零电平所在的t4之间的初始控制与先前描述相同。但是，在t4处，将限流器控制为使 故障电流的电平按如数十Hz的特征频率变化。可以将故障电流调制在DC电平12附近，DC电 平12低于网络的正常工作电流。在一些实施例中，调制中允许的最大故障电流可以低于正 常工作电流11。同样地，在确定了故障电流位置之后，可以消除故障电流，并且可以开启相 关DC断路器以隔离网络的受影响部分。
[0052]正如上文提到的，不同网络部分处的限流元件可以设为提供不同特征频率的受控 电流。因此，再次参考图2,考虑与DC线路1关联的组件，例如VSC的限流元件201将AC分量引 入到第一频率，如15 Hz的受控电流中。流经故障电流检测模块203a的电流In由此将具有DC 分量以及还具有第一频率的AC分量。现在考虑与DC线路2关联的组件将AC引入到第二频率， 如25Hz的DC线路中的受控电流If 2中，第二频率不同于第一频率。流经故障电流检测模块 203b的电流因此将具有DC分量以及还具有同时来自的AC分量，即将有第一和第二 频率，15 Hz和25 Hz的AC分量。来自第三和第四DC线路的分量可以分别引入第三和第四特 征频率，如35 Hz和45 Hz的AC分量，第三和第四特征频率不同于第一和第二频率。流经故障 电流检测模块203c的电流IF4将包含第四频率，45Hz的分量。由此，第一、第二和第三频率的 AC分量将被故障电流检测模块203a-d的至少其中之一检测到。但是，由于第三DC线路上的 故障电流直接流到故障点，所以第三特征频率，例如35 Hz的分量将不会被故障电流检测模 块203a-d中任一个检测到。因此，可以利用特征频率的存在和/或缺失来确定故障的位置。 可以使用检测AC分量作为检测受控故障电流的DC分量的补充或替代。
[0053]给定限流元件能够工作以调制故障电流的速度，可以针对特定应用选择特定频率 的AC调制。可以在可检测的范围中选择这些频率，并且最低频率分量可以部分地由精确检 测此类频率所需的时间决定。这些频率还可以选为使得网络给定部分处使用的每个特征频 率对于网络的该部分是唯一的且还不同于任何两个频率之间的频率差，以便避免与拍频效 应混淆，从而可以简化所使用的处理。
[0054]因此，可以看到，较之于通过将变流器电流驱动到零实际地将DC网络与所有能量 源断开，使小的受控电流馈入故障位置，将有助于网络故障防护设备精确地检测故障元件 (例如，线路或母线)并将正确的断路器跳闸。
[0055] 低受控故障电流的电平和任何AC分量的频率应该使得故障点上的网络电容放电 导致的高频振荡（"振铃"）与低受控故障电流之间进行判别成为可能。故障电流的DC和/或 AC分量可以使用适合的滤波器来提取。例如，可以使用低通滤波器布置来提取故障电流的 DC分量，和/或可以使用包括高通滤波器和/或一个或多个调谐带通滤波器或多个调谐陷波 滤波器(或其组合）的滤波器布置来提取AC分量及其相应的频率。将认识到，高通滤波器可 以输出包含若干不同频率的复数电流信号。本领域技术人员将知道有多种良好构建的数学 信号处理方法可用，其能够基于例如复数波形的傅立叶分析来提取个别频率分量。这些故 障电流检测模块由此可以包括用于确定AC频率和/或DC电流电平和极性的一个或多个滤波 器和一个或多个信号处理模块。在一些实施例中，该故障电流检测模块可以包括用于确定 AC特质频率信息和/或受控故障电流的DC分量的方向或极性的DC电流互感器(DCCT)。
[0056] 具体信号处理技术的选择将取决于所使用的AC频率的具体值。在最简单的情况 中，与每个DC线路关联的频率将是某个基准频率的倍数： 其中FBBn是与DC线路"η"关联的频率，Fbase是基准频率，以及kn是大于1的整数，其对于 每个DC线路是唯一的。在此情况中，所有频率表示为基准频率的谐波，并且因此在时间窗口 Tbase = 1/Fbase上是正交的（即，没有相互影响）。这种正交性属性允许常规频谱分析，如快速 傅立叶变换(FFT)的应用。图7图示来自每个故障防护模块203a-c的电流信号可以利用移动 FFT在等于T base = 1/Fbase的时间窗口上进行处理。图7图示可以产生的结果电流频谱，并且 示出还能够从FFT输出中取出故障电流的DC分量。对于图3所示的示例，所有电流信号中缺 失第三特征频率F 3的任何AC分量，这指示DC线路3上故障。
[0057] 在这种处理方案中，基准频率的选择规定FFT窗口的长度。例如，如果基准频率是 IOHz，则FFT窗口的长度将是100 ms，这意味着故障防护模块将需要至少100 ms才能检测到 故障导致的瞬变之后的新稳态信号，即，在故障瞬变之后将耗时至少100 ms才能确定位置 信息。在如IOHz的基准频率下，与每个DC线路关联的特征频率可以选自20Hz、30Hz、40Hz、 50Hz等的范围。代之以使用20 Hz的基准频率，则故障检测的最小响应时间将减小到故障之 后50 ms，但是每个DC线路的特征频率需要进一步间隔开，即40Hz、60Hz、80Hz、IOOHz等。因 此，可以通过考虑检测电流特征时的响应速度以及可以使用的特征频率的范围上的任何约 束来确定基准频率的选择。
[0058]将每个DC线路的特征频率选为某个基准频率的倍数的一个缺点在于，可能发生所 说的"拍频效应"，由此，例如30 Hz和50 Hz信号的组合可能会被视为按10 Hz频率调制的40 Hz正弦波。拍频效应的存在也许不会负面地影响上文的处理，因为采用了长FFT窗口。但是， 如果由于某些其他考虑不期望有拍频效应，则应该将DC线路的特征频率选为使得它们都不 等于任何两个其他频率的平均值，例如15Hz、25Hz、35Hz、45Hz等。对于此示例频率选择，为 了使用如上文描述的相同FFT技术，FFT窗口的持续时间将是200 ms(根据5 Hz的等效基准 频率）。在一些应用中，这种用于故障防护模块确定故障位置信息的响应时间可能不可接受 地慢。在此情况中，可以使用低通滤波器，如FIR或IIR滤波器来提取故障电流的DC分量，连 同对应于DC线路的具体特征频率调谐的一个或多个带通滤波器，例如，带通FIR或IIR滤波 器，如图8所示。在设计滤波器时，将所需的频率响应特征与组延迟响应进行平衡，这样很大 程度上将定义用于确定故障位置信息的响应时间。
[0059]在其中将故障电流控制成使得变流器仅产生低电平DC故障电流（即，没有任何显 著AC分量)的实施例中，这仅将有利于使用基于基尔霍夫电流定律的单元保护方案，例如差 分保护和方向对比方案。此类单元保护方案可以与典型地应用于AC网络上的那些方案类 似。
[0060] 其他非单元保护方案，例如，过流和距离方案也常见于在AC网络中使用。此类保护 方案，其选择方式基于网络的阻抗特征，与仅是DC电流的受控故障电流一起使用不是很有 效。此类非单元保护方案需要受控故障电流包含某种AC分量，从而传输线路的电感阻抗能 够影响电压和电流测量。但是，正如上文提到的，可以控制故障电流以包含AC分量。由此，低 电平DC和AC故障电流的组合受控注入使得公知的尝试并测试的AC网络保护原理能够应用 于DC网络的新领域。这依赖于将故障电流维持在比仅是尽可能快地清除故障所需的时间更 长。正如先前提到的，当代故障阻隔VSC或DC断路器能够在数毫秒内将故障电流减小到0。这 与其中最佳断路器仍需约40-60 ms才能开启的AC保护方案形成对比，其允许有设计完善的 数字保护继电器有足够时间以便典型地使用差分电流测量来推断故障的位置。
[0061] 本发明实施例中确定故障位置所需的时间取决于所采用的策略以及受控故障电 流是单纯DC还是包含某种AC分量。仅依赖于故障电流的DC分量的策略提供数十毫秒内的精 确判别，例如10-20 ms内。使用故障电流的AC分量的方案必须使关联的频率能够被检测到， 这需要至少半个信号周期（以及优选地完整周期）。因此，位置判别可能稍微较慢，例如可能 需要约50-100 ms。
[0062] 正如上文提到的，可以利用至少一些VSC连接到DC网络来实现至少一些限流元件。 又如上文提到的，W02011/012174描述一种能够用于提供限流的VSC的适合故障模块。图5图 示VSC的适合限流模块201。该模块包括多个串联的子模块501，这些子模块被连接以形成链 节(chain I ink)变流器，可以在变流器内连接在AC和DC网络之间或可以包括VSC模块。图5 中图示三个此类子模块501，但是实践中可以有更多模块。每个子模块501包括电压源，在本 示例中电压源由通过两对开关503在全桥布置中连接的电容器502来提供，在本示例中，每 个开关包括与反并联二极管505连接的绝缘栅双极晶体管（IGBT)504。
[0063] 该全桥开关布置使得每个子模块的电容器能够被选择性地旁通或串联以便提供 抵抗变流器驱动电压的电压以便减小最终电流。该全桥布置意味着故障模块能够减小任一 方向上的电流。这些多个子模块能够各自被连接或旁通，并且可以控制个别子模块以提供 变化的反向电压，例如以便与可能正在驱动电流的AC电压匹配。该故障模块可以是VSC的单 独模块，或对于全桥MMC VSC，可以在需要时使用MMS的模块作为故障模块。
[0064] 在本发明的实施例中，这种故障模块能够以相同通用方式进行控制，但是控制为 生成不完全消除变流器电流而是允许受控故障电流流动的反向电压。同样地，通过改变连 接的子模块的数量以便按照特征频率的顺序改变反向电压，可以将该特征频率的AC分量施 加到故障电流。电流的控制可以通过例如变流器中对故障点馈电的伺服控制器来实现。在 故障模块实际通过变流器本身的元件，即MMC VSC的全桥模块来提供的情况中，变流器的DC 电压是控制因子。为了实现故障电流的恒定DC分量，变流器的DC电压可以控制为0,但是其 中反馈项与测量电流与期望的目标电流之差相关。
[0065] 正如上文提到的，可以通过如W02013/127462或W02012/127463中描述的能以限流 模式工作的DC断路器来实现至少一些限流元件。图6图示能以限流模式工作的高电压DC断 路器的原理。该DC断路器包括多个串联的模块601。图6中图示两个模块，但是实践中可以有 更多个。
[0066] 模块601具有两个端。机械开关元件602,如真空断路器，形成两个端之间的第一路 径。包括含反并联二极管的IBGT的开关603还并联在这些端之间，其提供至机械开关元件的 备选路径，以及提供在机械开关元件断开时选择性地连接或旁通电容器604和变阻器605的 部件。还可以可选地有晶闸管606。在正常工作中，机械开关元件是闭合的（以及IBGT开路） 以及机械开关元件提供经由模块601的导通路径。在故障情况中，IBGT导通以及电流开始流 经IGBT。然后触发机械开关元件开路。这导致电流从包含机械开关元件的路径快速地完全 换向到包含IGBT的路径。一旦机械开关元件完全开路，则IGBT断开，这导致电容器604充电， 形成驱动电压的反向电压。
[0067] 可以按与上文论述相似的方式形成让串联的此类模块具有足够反向电压以阻止 电流流动。故障电流的控制可以通过响应于测量电流与期望的目标电流之间的比较来选择 性地插入或旁通可变数量的串联DC断路器单元来实现。可以采用在在序列中机械开关开路 时选择性地控制IGBT连接或旁通电容器604来调制故障电流。
[0068]当然，将认识到，有多种其他方式，可以在DC断路器中或更一般性地在DC网络中实 现限流，本发明的实施例可以利用任何适合的限流DC断路器或通用限流器来实现。
[0069] 因此，一般地，本发明的实施例涉及用于控制DC网络进行帮助确定故障位置的故 障防护的工作的方法和装置。多个实施例涉及控制DC网络的方法，例如该DC网络具有用于 传输DC电力的多个互连的DC传输路径。该网络可以包括如用于调整DC电压的VSC的电压变 流器。该方法包括在故障情况下使用限流元件来将故障电流限制于安全但非零的电平，并 使用故障电流的特征来确定故障的位置。
[0070] 多个实施例还涉及用于DC网络的故障防护装置，其用于控制一个或多个限流元件 以便在故障情况中将DC网络中的电流限制于安全但非零的电平且具有能够实现故障定位 的特征。此类实施例可以包括用于将特征调制应用于受控故障电流的装置。多种实施例还 涉及用于确定受控故障电流的特征以确定故障位置的装置。
[0071]应该注意上文所述的实施例说明而非限制本发明，以及本领域技术人员在不背离 所附权利要求的范围的前提下将能够设计备选实施例。词汇"包括"不排除存在权利要求中 列出的那些以外的元件或步骤，"一个"不排除多个，以及单个特征或其他单元可以实现权 利要求中引述的若干单元的功能。权利要求中的任何引用符号不应视为由此限制其范围。
【主权项】
1. 一种在DC电力传输网络中进行故障定位的方法，其包括： 在故障情况下，控制所述网络的至少一个限流元件以便将故障电流流动限制为低于第 一电流电平，所述第一电流电平位于所述网络在正常工作时的期望电流工作范围内； 控制所述至少一个限流元件以将非零电平的故障电流维持在低于所述第一电流电平 的电平； 确定所述网络不同部分处的所述故障电流的特征；以及 基于网络不同部分处的所述故障电流的所确定的特征来确定故障的位置。2. 如权利要求1所述的方法，其中确定所述故障电流的所述特征包括确定所述网络不 同部分处的故障电流的极性或方向。3. 如权利要求2所述的方法，其中确定所述故障的位置包括确定其中电流的极性或方 向改变的网络的部分。4. 如前面任一权利要求所述的方法，其中确定网络不同部分处的所述故障电流的所述 特征包括确定所述网络不同部分处的差分电流。5. 如前面任一权利要求所述的方法，其中控制所述至少一个限流元件以将非零电平的 故障电流维持在低于所述第一电流电平的电平包括，控制所述限流元件以对所述故障电流 施加预定调制。6. 如权利要求5所述的方法，其中确定所述故障电流的所述特征包括监视所述预定调 制的存在或缺失。7. 如权利要求5或权利要求6所述的方法，其中该预定调制具有特征频率。8. 如权利要求7所述的方法，其中所述方法包括，控制位于所述网络不同部分处的多个 限流元件，以便对所述故障电流施加具有特征频率的预定调制，其中将至少一些限流元件 控制成施加具有彼此不同的特征频率的调制。9. 如权利要求8所述的方法，其中确定所述故障电流的所述特征包括监视所述不同特 征频率的存在或缺失。10. 如前面任一权利要求所述的方法，其中持续第一时间窗口将所述非零电平的故障 电流维持在低于所述第一电流电平的电平。11. 如权利要求10所述的方法，其中在所述第一时间窗口结束时，将所述至少一个限流 元件控制成将所述故障电流减小到〇。12. 如前面任一权利要求所述的方法，其包括:在确定所述故障的位置之后，开启一个 或多个断路器以将包含所述故障的网络的所述部分从所述网络其余部分断开。13. 如前面任一权利要求所述的方法，其中至少一个限流元件包括电压源变流器的一 部分。14. 如前面任一权利要求所述的方法，其中至少一个限流元件包括能以限流模式工作 的DC断路器。15. -种用于DC电力传输网络的故障控制系统，其包括： 位于网络中的至少一个限流元件，所述或每个限流元件配置成，在故障情况下，将故障 电流流动限制为低于第一电流电平，所述第一电流电平位于位于所述网络在正常工作时的 期望电流工作范围内，并且将非零电平的故障电流维持在低于所述第一电流电平的电平； 位于所述网络不同部分处的多个故障电流检测模块，所述多个故障电流检测模块用于 确定所述故障电流的特征；以及 控制器，所述控制器用于基于所述网络的不同部分处的所述故障电流的所确定的特征 来确定所述故障的位置。16. -种用于DC电力传输网络的限流装置，其包括： 多个串联模块，所述模块中每一个包括采用限流工作模式能够选择性地连接以提供限 流的至少一个元件； 用于控制所述模块的控制器，所述控制器配置成： 在故障情况下，激活所述限流工作模式以便将流经所述限流装置的故障电流限制为低 于第一电流电平； 将非零电平的故障电流维持在低于所述第一电流电平的电平；以及 选择性地连接和断开所述模块的所述限流元件以对所述故障电流施加预定调制。17. -种用于在DC电力传输网络中进行故障防护的控制装置，其包括： 控制器，所述控制器配置成在故障状况期间从多个故障电流监视模块中每一个接收故 障电流的特征的指示，并且由故障电流的所述特征来确定所述网络中故障的位置。
【文档编号】G01R31/08GK106062574SQ201580009633
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2015年2月18日
【发明人】C.戴维森, D.R.特赖纳, C.巴克, O.巴格利布特
【申请人】阿尔斯通技术有限公司