用于检测hvdc输电系统中的故障的方法和设备的制作方法

用于检测hvdc输电系统中的故障的方法和设备的制作方法
【专利摘要】一种用于检测高压直流HVDC输电系统(304)中的故障的设备(302)，该系统包括用于携带直流DC的内件(306)和外件(308)，其中内件包括用于携带直流的至少一个HVDC传输或分配线路(310)，以及外件通过至少一个电感器(312)与内件分隔，该设备包括：电流确定部件(330)，用于确定HVDC传输或分配线路所携带的电流；电压确定部件(334)，用于确定在HVDC输电系统的第一位置(336)的电压；阻抗确定部件(342)，用于基于所确定电流和电压来确定阻抗；导数确定部件(344)，用于确定阻抗的导数；以及故障检测部件，设置成至少部分基于阻抗的导数来检测内件上的故障。HVDC输电系统包括这种设备。一种用于检测上述高HVDC输电系统中的故障的方法，该方法包括下列步骤：确定HVDC传输或分配线路所携带的电流(502)；确定在HVDC输电系统的第一位置的电压(502)；基于所确定电流和电压来确定阻抗(504)；确定阻抗的导数(506)；以及至少部分基于阻抗的导数来检测内件上的故障(512)。
【专利说明】用于检测HVDC输电系统中的故障的方法和设备

【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种用于检测高压直流HVDC输电系统中的故障的方法，该系统包括 用于携带直流DC的内件（internal part)和外件（external part),其中内件包括用于携 带直流的至少一个HVDC传输或分配线路，以及外件通过至少一个电感器与内件分隔。此 夕卜，本发明涉及一种用于检测上述HVDC输电系统中的故障的设备，该设备包括用于检测内 件上的故障的故障检测部件、用于确定HVDC传输或分配线路所携带的电流的电流确定部 件以及用于确定在HVDC输电系统的第一位置的电压的电压确定部件。本发明还涉及一种 HVDC输电系统，其中内件包括用于携带直流的至少一个HVDC传输或分配线路，以及外件通 过至少一个电感器与内件分隔，该系统包括至少一个转换器站，其设置成将交流AC转换成 直流以供输入到至少一个HVDC传输或分配线路，和/或将直流转换成交流。

【背景技术】
[0002] 高压直流HVDC配电网络或者HVDC输电系统将直流用于传输电力，与更常见AC系 统形成对照。对于长距离传输或分配，HVDC系统可以不太昂贵，并且可遭受较低电损耗。由 于电力生成通过交流电流/电压（AC电力）进行，电流必须转换为直流以供HVDC传输或分 配，以及HVDC输电系统的直流必须转换成交流以供输入到相邻AC系统。一般来说，HVDC输 电系统包括至少一个HVDC传输或分配线路，用于携带直流DC ;转换器站，用于将交流转换 成直流以供输入到HVDC输电系统；以及转换器站，用于将直流又转换成交流以供输入到AC 系统。至少一个HVDC传输或分配线路可包括至少一个长距离HVDC环节或电缆，以用于长 距离、例如在海底携带直流。
[0003] -般来说，HVDC输电系统可包括用于携带直流的内件和外件。内件包括用于携带 直流的至少一个HVDC传输或分配线路，以及外件通过至少一个电感器/电抗器与内件分 隔。HVDC输电系统可包括多个保护功能。一个重要保护功能是线路故障保护。又称作内 部故障的内件上的故障、例如线路故障必然伴有传输或分配容量的损耗，并且因此需要迅 速校正或解决。典型线路故障、例如短路暗示电压下降发生，以及电流的增加发生。线路故 障保护的关键步骤是确定故障是内件上的故障，即，辨别内件上的故障和外件上的故障，因 为与外件上的故障相比，内件上的故障以不同方式来处理。外件上的故障例如可由外件的 断路器来处理和操控。可能是极-地/接地故障的内件上的故障例如可由内件或线路的 (一个或多个）DC断路器来处理和操控，其配置成在检测到内件上的故障时断开有故障线 路。优选的是仅断开有故障线路而不是断开HVDC输电系统的较大部分或者整个HVDC输电 系统，以便使对电力传输或分配的影响为最小，并且允许系统的无故障部分继续传送电力。
[0004] 当故障在传输线路上发生时，所谓的行波发生，其如从故障位置所观看沿两个方 向传播。当这些波到达转换器站时，行波被反射，并且可来回反弹。行波在AC和DC传输线 路上发生，并且在现有技术中用于传输线路上的故障检测和故障定位。在US 4719980中公 开一种将行波用于此目的的方法。
[0005] US2009/0085574公开一种用于定位DC分配系统中的相-接地故障的方法。
[0006] GB1297628描述一种DC线路故障检测器，其中包括用于监测线电压的变化率的部 件以及用于监测线电流的变化率的部件。
[0007] SHU Hong-chun 等人的论文 "The identification of Internal and External Faults for ±800kV UHVDC Transmission Line based on Mathematical Morphology，'（第 288-292 页，Faculty of Electrical Engineering,Kunming University of Science and Technology,Kunming,Yunnan Province,China)公开一种基于数学形态的用于内部故障与 外部故障之间的快速辨别的算法。
[0008] W099/63641描述用于检测双极HVDC设备中的传输线路上的故障的方法和装置。
[0009] 发明目的 本发明的发明人已经发现，对于线路故障保护以及对于高压直流HVDC输电系统的电 力传输至关重要的是有效地确定故障是系统的内件上的故障，即，辨别系统的内件上的故 障和外件上的故障。
[0010] 因此，本发明的一个目的是改进HVDC输电系统中的故障的检测。
[0011] 本发明的另一目的是改进系统的内件上的故障的检测。
[0012] 本发明的另一目的是改进内件上的故障与外件上的故障之间的辨别。


【发明内容】

[0013] 本发明的上述目的通过提供一种用于检测高压直流HVDC输电系统中的故障的方 法来实现，其中，该系统包括用于携带直流DC的内件和外件，其中内件包括用于携带直流 的至少一个HVDC传输或分配线路，以及外件通过至少一个电感器与内件分隔，该方法包括 下列步骤： ?确定HVDC传输或分配线路所携带的电流， ?确定在HVDC输电系统的第一位置的电压， ?基于所确定电流和电压来确定阻抗， ?确定阻抗的导数，以及 ?至少部分基于阻抗的导数来检测内件上的故障。
[0014] 通过按照本发明的方法，实现HVDC输电系统中的故障的改进并且更有效的检测， 以及提供相对现有技术方法、内件上的故障的改进并且更有效的检测。通过按照本发明的 方法，提供内件上的故障与外件上的故障之间的有效辨别。通过使用阻抗的导数作为用于 检测内件上的故障并且用于辨别内件上的故障和外件上的故障的基础，与使用电压和电流 的导数来检测内件上的故障的现有技术方法相比，提供一种用于检测内件上、例如HVDC传 输或分配线路上的故障的更健壮方法。因此，通过使用阻抗的导数作为用于检测内件上的 故障的基础，新方法对于在低电压/高电流的瞬变是健壮的。包括功率半导体元件、例如 IGBT的有源限流装置的使用可增强瞬变电流。通过新方法，更易于辨别内件上的故障和外 件上的故障，特别是当内件包括长距离HVDC线路、例如比250 km要长的HVDC线路时。通 过使用阻抗的导数作为用于检测内件上的故障的基础，本发明的发明人已经发现，新方法 对长距离HVDC线路上的失真是健壮的。通过本发明的新方法，增强HVDC输电系统的保护， 并且有效地改进HVDC输电系统中的电力传输及其控制。
[0015] 当检测到内件上的故障、即内部故障时，内部故障可按照技术人员已知的方式、例 如通过断开有故障内件或者有故障线路来处理。
[0016] 外件通过至少一个电感器来分隔暗示至少一个电感器形成内件与外件之间的边 界。至少一个电感器可将外件连接到内件。内件可具有多个端子部分，其中每个通过至少 一个电感器连接到外件。
[0017] 至少一个HVDC传输或分配线路可以是一个或多个线路，并且可以是HVDC线路、 例如电缆、高架线路或者长距离HVDC环节或电缆或者其混合。
[0018] 确定电压的步骤可包括确定在系统的内件上、例如接近电感器的第一位置的电 压。
[0019] 按照根据本发明的方法的一有利实施例，该方法包括确定一段时间期间的电流和 电压，并且确定该段时间的阻抗，其中该方法包括确定该段时间的阻抗的导数，并且该段时 间的阻抗的导数至少部分用作用于检测内件上的故障的基础。通过这个实施例，系统的内 件上的故障的检测进一步得到改进。
[0020] 本发明的上述目的还通过一种用于检测HVDC输电系统中的故障的设备来实现， 其中，该系统包括用于携带直流DC的内件和外件，其中内件包括用于携带直流的至少一个 HVDC传输或分配线路，以及外件通过至少一个电感器与内件分隔，该设备包括： 故障检测部件，用于检测内件上的故障， 电流确定部件，用于确定HVDC传输或分配线路所携带的电流，以及 电压确定部件，用于确定在HVDC输电系统的第一位置的电压，其中该设备包括 阻抗确定部件，用于基于所确定电流和电压来确定阻抗，以及 导数确定部件，用于确定阻抗的导数，并且其中故障检测部件设置成至少部分基于阻 抗的导数来检测内件上的故障。
[0021] 电流确定部件可采取电流确定设备的形式，电压确定部件可采取电压确定设备的 形式，阻抗确定部件可采取阻抗确定设备的形式，导数确定部件可采取导数确定设备的形 式，以及故障检测部件可采取故障检测设备的形式。
[0022] 按照本发明的设备及其实施例的积极技术效果对应于结合按照本发明的方法及 其实施例所述的技术效果。
[0023] 按照根据本发明的设备的一有利实施例，电流确定部件包括用于测量HVDC传输 或分配线路所携带的电流的电流测量部件。电流测量部件可采取本领域的技术人员已知的 常规电流测量设备的形式。
[0024] 按照根据本发明的设备的另一有利实施例，电压确定部件包括用于测量在HVDC 输电系统的第一位置的电压的电压测量部件。电压测量部件可采取本领域的技术人员已知 的常规电压测量设备的形式。
[0025] 按照根据本发明的设备的另一个有利实施例，电压测量部件设置成测量在内件上 的第一位置的电压。
[0026] 按照根据本发明的设备的又一有利实施例，故障检测部件设置成检测包括至少一 个高架线路的内件上的故障。
[0027] 按照本发明的设备的多个部件可实现为直接可加载到至少一个数字计算机的内 部存储器中的至少一个计算机程序产品，其中包括用于在所述至少一个产品运行于所述至 少一个计算机时执行按照权利要求的实施例的任一个的方法步骤的软件代码部分。该设备 可包括处理器、例如CPU。
[0028] 本发明的上述目的还通过提供一种包括用于携带直流DC的内件和外件的高压直 流HVDC输电系统来实现，其中内件包括用于携带直流的至少一个HVDC传输或分配线路，以 及外件通过至少一个电感器与内件分隔，该系统包括至少一个转换器站，其设置成将交流 AC转换成直流以供输入到至少一个HVDC传输或分配线路，和/或将直流转换成交流，其中 该系统包括权利要求11-17中的任一项所述的至少一个设备和/或按照该设备的实施例的 任一个的至少一个设备。按照本发明的HVDC输电系统及其实施例的积极技术效果对应于 结合按照本发明的设备或方法及其实施例所述的技术效果。至少一个HVDC传输线路可以 是一个或多个HVDC传输线路。
[0029] 按照根据本发明的HVDC输电系统的一有利实施例，该系统包括多个转换器站和 多个HVDC传输或分配线路。
[0030] 多个HVDC传输或分配线路或者转换器站可以分别是两个或更多HVDC传输或分配 线路或者转换器站。至少一个设备可以是一个或多个设备、例如两个或更多设备。多个设 备可连接到相同HVDC传输或分配线路或者不同HVDC传输或分配线路。
[0031] 按照根据本发明的HVDC输电系统的另一有利实施例，该系统包括至少三个转换 器站或者至少四个转换器站或者至少五个转换器站。
[0032] 按照根据本发明的HVDC输电系统的另一个有利实施例，至少一个HVDC传输或分 配线路包括至少一个长距离HVDC环节。有利地，HVDC传输或分配线路可包括至少两个长 距离HVDC环节或电缆。
[0033] 分别按照本发明的设备和系统的各种组件（其相互连接或可连接或者连接到或 可连接到其它单元）可例如经由导体、例如汇流条或DC线路相互电连接或可连接或者电连 接到或可连接到其它单元，和/或可例如电气或电感地、经由位于并且连接/可连接在例如 变压器、另一个转换器等的组件之间的附加中间电设备或单元间接连接或可连接。
[0034] 一般来说，高压可以是大约1-1. 5 kV和以上。但是，对于HVDC应用和系统，高压 可以是大约100 kv和以上，例如150 kv、320 kv、500 kv、800 kv或1000 kv和以上。按照 本发明的方法、设备和系统有利地适合于上述HVDC电压电平和更高的电平。
[0035] 分别按照本发明的方法、设备和系统的其它有利实施例以及本发明的其它优点出 现于所附权利要求书和实施例的详细描述。
[0036] 方法、设备和系统的相应特征和实施例可按照各种可能方式相结合，从而提供其 它有利实施例。

【专利附图】

【附图说明】
[0037] 为了进行示范，现在通过实施例、接合附图更详细地描述本发明，附图包括： 图1是示出通过HVDC传输线路的电力传输的示意图； 图2是示出在稳态期间通过具有HVDC传输线路的HVDC输电系统的电力传输的示意 图； 图3是示出图2所示的HVDC输电系统中的内部故障的示意图； 图4是示出稳态期间的直流的模拟的示意图，其中示出纹波的幅值； 图5是示出从故障250 km所测量的内部故障的表达2. 4的输出的示意图； 图6是示出图2所示的HVDC输电系统中的外部故障的示意图； 图7是示出如在250 km HVDC电缆上的外部故障和内部故障分别存在的情况下测量的 电流和电压的模拟的示意图； 图8是示出基于如图7所示的所确定电流和电压、外部故障和内部故障分别存在的情 况下的表达2. 4和2. 9的输出并且因而还有阻抗的示意图； 图9是示出在外部故障和内部故障分别存在的情况下的所确定阻抗的导数的示意图； 图10是示出按照本发明的设备和系统的方面的示意图；以及 图11是按照本发明的方法的方面的示意流程图。

【具体实施方式】
[0038] 如先前所述，线路故障保护的关键步骤是检测故障是内件上的故障，S卩，辨别高压 直流HVDC输电系统的内件102上的故障和外件104上的故障。参照图1，内件102可包括 HVDC传输或分配线路110 (以下称作HVDC线路110)，例如电缆或高架线路。内件102的保 护区106可从第一位置108 (其中携带直流11)延伸到连接在另一线路端的电感器112 (图 1中又示为L2)。图1中，电感器112在第一端将外件104与内件102分隔。因此，电感器 112将外件104上的故障（又称作外部故障）与内件102上的故障分隔。内件102上的故 障又可称作内部故障或线路故障。因此，电压和电流瞬变可被认为是基于一端测量的保护 方案的关键。图1中，线路故障保护的一端测量可在第一位置108进行。图1中，Fl示出 内部故障的位置，以及F2示出外部故障的位置。
[0039] 如果线路故障保护的一端测量而是在第二位置109 (其中携带直流12)进行，则在 接近电感器112的第一端，另一个电感器113 (在图1中又示为LI)是在第二端将外件与内 件分隔的电感器。
[0040] 源自故障位置的电压和电流波将在它们沿HVDC线路110传播时遭受失真和衰减。 因此，在沿HVDC线路110的某个距离之后并且当应用现有技术方法时，内部故障与外部故 障之间的差别可能过小而无法将故障确定地识别为在第一位置108的一端测量的内部故 障或外部故障。这限制现有方法的HVDC线路110的长度，其中应用一端测量保护，以覆盖 整个保护区106,其可对应于HVDC线路110的长度。在现有技术中，长距离HVDC线路的保 护（其中保护涉及辨别内件上的故障和外件上的故障的步骤）因而是成问题的，特别是对 一端测量保护。
[0041] 下文中，参照图2-9公开作为本发明的基础的理论的背景。
[0042] 参照图2,示意示出稳态期间具有包括HVDC线路210、例如HDCV电缆的内件202 以及在前向通过电感器212与内件202分隔的外件204的HVDC输电系统。该系统为了便 于说明而经过简化。在这里，假定HVDC线路210、例如电缆或高架线路较短，使得传播时间 是可忽略的，这将简化时间的表示。此外，假定HVDC线路210是无损传输线路，这暗示电压 和电流波在它们沿HVDC线路210传播时将不易遭受任何失真。在这些假设下以及为了便 于说明，能够推断，HVDC线路210两端的电压和电流将一直相同，从而允许常规电路理论被 应用。实际上，例如，对于现实传输线路，上述简化假设不是有效的。
[0043] 在正常操作（没有施加故障）期间，无限电阻（开路）的电阻器能够被认为在所 有可能的将来故障位置中的极与地之间。当故障发生时，表示故障位置的那个特定电阻器 的电阻将突然下降到接近零的值（对于低阻抗故障）。作为本发明的起源的思路是监测故 障电阻，确定电阻下降的速率，并且基于电阻下降的速率来确定故障是内部故障还是外部 故障。
[0044] 参照图3,示意示出内部故障。通过关于故障是电阻性的假设，图3中，内部故障表 示为连接在HVDC线路210端部与地之间并且位于电感器212内部的电阻器214 (RJ，如图 3所示。备选地，故障也可由电感器表示。直流I(t)和电压U(t)在第一位置216来测量。 基于关于跨HVDC线路210的电压降一直为零（短路线路）的假设，下列表达2. 1和2. 2将 成立：

【权利要求】
1. 一种用于检测高压直流HVDC输电系统中的故障的方法，所述系统包括用于携带直 流DC的内件和外件，其中所述内件包括用于携带直流的至少一个HVDC传输或分配线路，并 且所述外件通过至少一个电感器与所述内件分隔，所述方法包括下列步骤： ?确定所述HVDC传输或分配线路所携带的电流（502)， ?确定在所述HVDC输电系统的第一位置处的所述电压（502)， ?基于所述所确定电流和电压来确定阻抗（504)， ?确定所述阻抗的导数（506)，以及 ?至少部分基于所述阻抗的所述导数来检测所述内件上的故障（512)。
2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括确定一段时间期间的所述电 流和所述电压（502)，并且确定所述一段时间期间的所述阻抗（504)，所述方法包括确定所 述一段时间期间的所述阻抗的所述导数（506)，并且所述一段时间期间的所述阻抗的所述 导数至少部分用作用于检测所述内件上的故障的基础（512)。
3. 如权利要求2所述的方法，其特征在于，检测所述内件上的故障的步骤包括检测所 述一段时间的所述阻抗的所述导数的下降（508)，并且所述阻抗的所述导数的下降至少部 分用作用于检测所述内件上的故障的基础。
4. 如权利要求3所述的方法，其特征在于，如果满足第一标准、即下降时所述阻抗的所 述导数下降设置因子（X)，则检测所述内件上的故障（512)。
5. 如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法包括确定所述一段时间期间在所 述HVDC输电系统的位置处的所述电压（502)，并且将所述一段时间的所述电压与设置电压 电平⑴进行比较（510)，以及检测所述内件上的故障的步骤（512)至少部分基于所述一段 时间期间的所述电压和所述设置电压电平的比较。
6. 如权利要求5所述的方法，其特征在于，如果满足第二标准、即所述一段时间期间的 所述电压低于所述设置电压电平（Y)，则检测所述内件上的故障（512)。
7. 如权利要求1至6中的任一项所述的方法，其特征在于，确定所述电流的步骤（502) 包括测量所述HVDC传输或分配线路所携带的所述电流。
8. 如权利要求1至7中的任一项所述的方法，其特征在于，确定所述电压的步骤（502) 包括测量在所述HVDC输电系统的所述第一位置处的所述电压。
9. 如权利要求8所述的方法，其特征在于，测量所述电压的步骤包括测量在所述内件 上的第一位置处的所述电压。
10. 如权利要求1至9中的任一项所述的方法，其特征在于，检测所述内件上的故障的 步骤（512)包括检测包括至少一个高架线路的内件上的故障。
11. 一种用于检测高压直流HVDC输电系统（304)中的故障的设备（302)，所述系统包 括用于携带直流DC的内件（306)和外件（308)，其中所述内件包括用于携带直流的至少一 个HVDC传输或分配线路（310)，并且所述外件通过至少一个电感器（312)与所述内件分隔， 所述设备包括 故障检测部件（346)，用于检测所述内件上的故障， 电流确定部件（330)，用于确定所述HVDC传输或分配线路所携带的所述电流，以及 电压确定部件（334)，用于确定在所述HVDC输电系统的第一位置（336)处的所述电压， 其特征在于所述设备包括 阻抗确定部件（342)，用于基于所述所确定电流和电压来确定所述阻抗，以及 导数确定部件（344)，用于确定所述阻抗的所述导数，并且所述故障检测部件设置成至 少部分基于所述阻抗的所述导数来检测所述内件上的故障。
12. 如权利要求11所述的设备，其特征在于，所述电流和电压确定部件（330,334)设置 成分别确定所述电流和所述电压，所述阻抗确定部件（342)设置成确定一段时间的所述阻 抗，所述导数确定部件（344)设置成确定所述一段时间的所述阻抗的所述导数，以及所述 故障检测部件（346)设置成至少部分基于所述一段时间的所述阻抗的所述导数来检测所 述内件（306)上的故障。
13. 如权利要求12所述的设备，其特征在于，所述故障检测部件（346)设置成检测所述 一段时间的所述阻抗的所述导数的下降，以及所述故障检测部件设置成至少部分基于所述 阻抗的所述导数的下降来检测所述内件（306)上的故障。
14. 如权利要求13所述的设备，其特征在于，所述故障检测部件（346)设置成如果满足 第一标准、即下降时所述阻抗的所述导数下降设置因子（X)时，则检测所述内件（306)上的 故障。
15. 如权利要求14所述的设备，其特征在于，所述电压确定部件（334)设置成确定所述 一段时间期间在所述HVDC输电系统的位置（336)处的所述电压，所述故障检测部件（346) 包括用于将所述一段时间的所述电压与设置电压电平（Y)进行比较的比较部件（348)，以 及所述故障检测部件设置成至少部分基于所述一段时间的所述电压与所述设置电压电平 的所述比较来检测所述内件（306)上的故障。
16. 如权利要求15所述的设备，其特征在于，所述故障检测部件（346)设置成如果满 足第二标准、即所述一段时间期间的所述电压低于所述设置电压电平（Y)，则检测所述内件 (306)上的故障。
17. 如权利要求11至16中的任一项所述的设备，其特征在于，所述故障检测部件 (346)设置成检测包括至少一个高架线路的内件（306)上的故障。
18. -种包括用于携带直流DC的内件（306)和外件（308)的高压直流HVDC输电系统 (304)，其中所述内件包括用于携带直流的至少一个HVDC传输或分配线路（310, 314, 316， 318,320)，以及所述外件通过至少一个电感器（312)与所述内件分隔，所述系统包括至少 一个转换器站（322, 324, 326, 328)，其设置成将交流AC转换成直流以供输入到所述至少一 个HVDC传输或分配线路，和/或将直流转换成交流，其中所述系统包括权利要求11-17中 的任一项所述的至少一个设备（302)。
【文档编号】G01R31/08GK104246522SQ201280070750
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2012年2月28日 优先权日:2012年2月28日
【发明者】约翰内斯森 N. 申请人:Abb 技术有限公司