一种伪双极柔性直流系统故障性质识别方法

1.本发明属于电力系统及其自动化直流输电技术领域，具体涉及一种基于残余电压差分的伪双极柔性直流系统故障性质识别方法。


背景技术：

2.基于全控型电力电子器件的电压源型换流器(voltage source converter,vsc)的高压直流输电系统具有独立控制无功有功、不存在换相失败、可为无源孤岛供电等诸多优点，是未来电力系统的重要发展方向。柔性直流系统的电能载体主要包括直流电缆和架空线，其中后者在投资成本、输送容量、线路损耗等方面具有明显优势。因此，架空线在柔性直流系统中得到广泛应用。然而，由于长期裸露在复杂环境中，架空线发生故障的概率较高，特别是瞬时性故障概率高达80％，严重影响系统的供电可靠性。
3.针对交流系统中的架空线故障，广泛采用的自动重合闸方法为不预先判断故障性质而直接重合断路器，若重合于永久性故障，则会产生极大的冲击电流，需断路器再次开断该故障电流；若重合于瞬时性故障，则断路器重合成功，系统恢复输电能力。对于直流系统中的架空线，若仍采用交流系统的自动重合闸方法，则不可避免可能重合于永久性故障，此时的浪涌电流会对直流系统造成二次电流冲击，严重威胁电力电子器件的安全性；其次，机械式直流断路器通常不具备在百毫秒时间内连续二次开断故障电流的能力。因此，如何在重合前可靠识别架空线故障性质(永久性或瞬时性)，然后根据识别结果制定自适应重合闸策略具有理论意义和工程实用价值。
4.目前的故障性质识别方法通常是依靠换流器的控制或直流断路器的部分重合向故障线路注入“小扰动”信号，根据激励响应差异来识别故障性质。其缺点在于需要改变换流器的控制策略或直流断路器中机械开关的连续多次操作；更致命的是，无法准确得知绝缘恢复时刻，需要被动预留几百毫秒的故障点去游离时间，导致重合速度缓慢。


技术实现要素：

5.本发明公开了一种基于残余电压差分的伪双极柔性直流系统故障性质识别方法，不需要改变换流器控制策略或直流断路器中机械开关的连续多次操作，而仅通过分析故障点消失前后的故障线路两端电压信号的差异，获得故障点绝缘状态的实时信息，识别永久性和瞬时性故障性质，提高自适应重合闸的速度和成功率。技术方案如下：
6.一种伪双极柔性直流系统故障性质识别方法，该方法是指在架空线两端的正、负极装设的4台直流断路器都跳闸后，采集架空线两端的电压信号，根据故障点消失前后两端电压的差异来判断故障点绝缘状态的实时信息，识别永久性故障和瞬时性故障。技术方案如下：
7.一种伪双极柔性直流系统故障性质识别方法，执行步骤如下：
8.(1)设单位长度电感和电容分别为l0、c0，根据故障架空线路的分布参数，计算1khz以下电压波的传播速度ν0：
[0009][0010]
再根据故障架空线路长度l，计算线路两端电压量的时间差τ：
[0011][0012]
(2)实时采集故障线路j端和k端的残余电压信号，计算am和vd:
[0013]
am＝|u
res_j
(t)|+|u
res_j
(t)|
[0014]
其中，u
res_j
(t)为故障线路j端所测得的残余电压实时信号；u
res_k
(t)为故障线路k端所测得的残余电压实时信号；am为j端和k端残余电压绝对值之和；vd为j端和k端残压电压差分值。
[0015]
(3)根据am和vd获得故障点绝缘状态实时信息：
[0016]
当am不等于零，且vd小于整定值s时，判断故障消失，为瞬时性故障；否则，判定为永久性故障。
[0017]
优选地，整定值s＝0.1。
[0018]
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
[0019]
在故障开断及故障性质识别过程中，换流器的控制策略不需改变，可保持健全线路的连续功率传输；直流断路器中的机械开关不需连续多次分合闸操作，可减少机械开关操动机构中的储能容量，降低机械开关的成本和体积；能够有效识别永久性故障和瞬时性故障的绝缘恢复时刻，可提高重合闸的速度和成功率。
附图说明
[0020]
图1：伪双极直流系统故障架空线两端直流断路器开断故障后，故障点绝缘未恢复时的架空线路等效电路图
[0021]
图2：伪双极直流系统故障架空线两端直流断路器开断故障后，故障点完全恢复后的架空线路等效电路图
具体实施方式
[0022]
下面结合附图和实例对本发明做进一步的详细说明。
[0023]
本发明在伪双极直流系统架空线两端的正、负极装设的4台直流断路器都跳闸后，采集架空线两端的电压信号，根据故障点消失前后两端电压的差异来判断故障点绝缘状态的实时信息，识别永久性故障和瞬时性故障。
[0024]
伪双极直流系统故障架空线两端直流断路器开断后，当故障点绝缘未恢复时，其等效电路如图1所示。根据电磁传播定律，故障线路j端的残余电压u
res_j
(t)会以速度ν0沿着架空线传播到故障点，发生负的全反射；同样，故障线路k端的残余电压u
res_k
(t)也以速度ν0沿架空线传播至故障点，发生负的全反射。此时，故障点将故障线路分为独立的两段，j端的残余电压u
res_j
(t)不会传播至k端，u
res_j
(t)和u
res_k
(t)的幅值、波形不完全相同。
[0025]
伪双极直流系统故障架空线两端直流断路器开断后，当故障点绝缘恢复，故障点
消失后，其等效电路如图1所示。根据电磁传播定律，故障线路j端的残余电压u
res_j
(t)会以速度ν0沿着架空线穿越故障点传播到线路k端，u
res_j
(t)和u
res_k
(t)的波形完全相同，但存在一定的时间差τ。
[0026]
电压波沿架空线的传播速度ν0的计算公式如下：
[0027][0028]
故障点消失后，根据线路长度l和电磁波传播速度ν0，可计算j端残余电压u
res_j
(t)和k端残余电压u
res_j
(t)之间存在的时间差τ：
[0029][0030]
根据实时采集故障线路j端和k端的残余电压信号，计算am和vd:
[0031]
am＝|u
res_j
(t)|+|u
res_j
(t)|
[0032]
其中，u
res_j
(t)为故障线路j端所测得的残余电压实时信号；u
res_k
(t)为故障线路k端所测得的残余电压实时信号；am为j端和k端残余电压绝对值之和；vd为j端和k端残压电压差分值。
[0033]
根据am和vd判断故障性质：
[0034]
当am不等于零，且vd小于整定值s，本发明取s为0.1，判断故障消失，为瞬时性故障；否则，判断故障为永久性故障。