级联型混合直流断路器故障类型判别闭合控制方法和装置与流程

本发明涉及级联型混合直流断路器故障类型判别闭合控制方法和装置。

背景技术：

基于电压源型换流器的柔性直流输电技术由于其有功无功解耦独立控制、能够接入弱电网、向无源负荷供电、具备电网黑启动能力、动态响应快、谐波特性优良且占地面积小等诸多优点，在大规模间歇性新能源并网、孤岛无源负荷供电、交流电网互联和城市智能供配电等方面得到了越来越广泛的应用。

柔性直流输电存在直流短路故障的问题，尤其是架空线作为直流线路时，直流故障发生的概率相对较大。若不采取有效措施，会导致系统的电力中断，同时造成电力设备的过流损坏。为了满足柔性直流输电系统的可靠运行，系统需要具备直流故障穿越功能。

目前业界有两种直流故障穿越方案，一种方案为半桥型MMC换流器配置直流断路器，利用直流断路器开断直流短路电流；另一种方案为故障自清除MMC换流器配置快速机械开关，利用故障自清除MMC换流器清除故障电流。针对于柔性直流电网这一未来发展方向，直流断路器方案对于交流电网的稳定性优势更大，受到业界的广泛关注，因此，一般情况下，是在直流输电线路中设置直流断路器来实现对故障的隔离。

如图1所示，为直流断路器的整体拓扑图，包括主支路、转移支路和耗能支路，主支路上串设有机械开关和若干个子模块，转移支路上串设有若干个子模块，其中，不管是主支路上的子模块还是转移支路上的子模块，一般情况下是全桥子模块，但是也不排除其他具有同样功能的子模块，图1中子模块以全桥子模块为例。耗能支路由避雷器等构成，用于吸收直流系统短路电流。

当检测到有故障发生时，比如直流短路故障发生时，需立即开断故障线路两侧的直流断路器，这一部分属于常规技术，这里就不再具体说明，而断路器开断的过程如下：

图2-a至2-d是该直流断路器的开断过程示意图。如图2-a所示，正常运行时，转移支路处于闭锁阻断状态，主支路中超高速机械开关闭合，主支路中的子模块处于导通状态，正常负荷电流经主支路流通；如图2-b所示，当出现故障需要断开直流断路器时，转移支路上的各子模块导通，实现转移支路导通，并闭锁关断主支路中的子模块，实现主支路的关断，故障电流由主支路向转移支路转移；如图2-c所示，电流转移完成后，主支路电流降为零，开断机械开关；如图2-d所示，机械开关断开后，闭锁转移支路中的子模块，实现转移支路的关断，并且避雷器动作吸收短路故障能量，抑制暂态电压，直至短路电流降为零，分断过程结束。

在直流断路器断开之后，即在故障发生的一定时间后，需要对断路器进行重合闸操作，目前我们采用以下控制过程进行重合闸操作：

图3-a至3-c，并结合图2-a、2-c和2-d，为直流断路器闭合过程示意图。如图2-d所示，为断路器关断状态下的示意图，主支路机械开关为分断状态，主支路与转移支路中的子模块均处于闭锁关断状态；当直流断路器需要闭合时，如图3-a所示，开通转移支路中的子模块，即将子模块由闭锁关断状态转换为导通状态；当转移支路中的子模块全部开通时，就如图2-c所示；如图3-b所示，待线路电流稳定后，在主支路中的子模块处于闭锁关断状态下，闭合机械开关；如图3-c所示，逐步开通主支路中的子模块；之后逐步闭锁关断转移支路中的子模块，该过程中流经直流断路器的电流逐步从转移支路转移到主支路中，待主支路中的子模块全部开通，转移支路中的子模块全部闭锁，流经断路器的电流达到稳定后，断路器重合闸动作完成，完成之后直流断路器处于正常工作状态，可由图2-a表示。

合理有效的故障恢复策略，比如直流短路故障恢复策略对柔性直流系统的稳定性启到关键作用。但是，上述在进行直流断路器闭合时，较易出现二次故障，不利于系统稳定，易造成线路中的设备损坏。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种级联型混合直流断路器故障类型判别闭合控制方法，用以解决在直流断路器闭合时易出现二次故障的问题。本发明同时提供一种级联型混合直流断路器故障类型判别闭合控制装置。

为实现上述目的，本发明的方案包括一种级联型混合直流断路器故障类型判别闭合控制方法，包括以下步骤：

(1)在闭合直流断路器时，进行永久性故障判断；

(2)当判断为永久性故障时，停止闭合直流断路器操作，确保直流断路器处于断开状态；

所述永久性故障的判断条件有：流经直流断路器的电流超过设定的二次过流保护限值，或者转移支路中有至少一个子模块出现过压故障；

所述过流限值大于或者等于架空线路充电电流的最大值。

对于双端直流系统，在首次判断为永久性故障后，预留设定的故障恢复时间，重新尝试直流断路器重合闸操作设定次数，若故障依然存在，则确定为永久性故障。

对于双端直流系统，在因永久性故障而使直流断路器断开后，换流器转为STATCOM运行状态，为交流系统提供无功支撑。

当判断为非永久性故障时，继续完成闭合直流断路器操作。

在开通转移支路过程中，逐步开通转移支路上的各子模块。

一种级联型混合直流断路器故障类型判别闭合控制装置，包括：

判断模块，用于在闭合直流断路器时，进行永久性故障判断；

控制模块，用于当判断为永久性故障时，停止闭合直流断路器操作，确保直流断路器处于断开状态；

所述永久性故障的判断条件有：流经直流断路器的电流超过设定的二次过流保护限值，或者转移支路中有至少一个子模块出现过压故障；

所述过流限值大于或者等于架空线路充电电流的最大值。

对于双端直流系统，在首次判断为永久性故障后，预留设定的故障恢复时间，重新尝试直流断路器重合闸操作设定次数，若故障依然存在，则确定为永久性故障。

对于双端直流系统，在因永久性故障而使直流断路器断开后，换流器转为STATCOM运行状态，为交流系统提供无功支撑。

当判断为非永久性故障时，继续完成闭合直流断路器操作。

在开通转移支路过程中，逐步开通转移支路上的各子模块。

本发明提供的直流断路器闭合控制方法中，在闭合直流断路器时，尤其是在转移支路中的子模块开通过程中，需要对故障进行种类判断，看其是否为永久性故障，如果是永久性故障，那么如果闭合直流断路器，可能就会造成二次故障，不利于系统稳定，易造成线路中的设备损坏，所以，在判断出是永久性故障时，就需要停止闭合直流断路器操作，以保证避免出现二次故障，也就会避免损坏线路中的设备，有利于系统稳定。

而且，我们发现，若系统线路故障为永久性故障，那么，当转移支路中的处于闭锁状态的子模块提供的反向电动势不足以支撑系统直流电压时，就会出现流过断路器的电流超出限值的现象，即过流现象，或者出现子模块的电容电压超出设定过压限值的现象，即过压故障现象；因此，通过对可能出现的情况进行分析，得到永久性故障的判断方式有：流经直流断路器的电流超出二次过流保护限值，或者转移支路中至少一个子模块(具体数量根据需求设定)出现过压故障。这两个判断方式只要出现一种就可以判断出故障为永久性故障。因此，在判断永久性故障时，根据永久性故障出现的直流线路上的状态，反向推导出永久性故障的判断方式，所以，这种永久性故障判断方式能够准确对永久性故障进行判断。

该直流断路器闭合控制方法适用于各类柔性直流系统，在判定出永久性故障之后，停止闭合直流断路器操作，确保断路器为断开状态，以完成故障恢复。

附图说明

图1是直流断路器的一种拓扑图；

图2-a是直流断路器正常运行时的示意图；

图2-b是直流断路器开断过程中的电流转移时的示意图；

图2-c是直流断路器开断过程中的转移完成时的示意图；

图2-d是直流断路器开断过程中的电流关断时的示意图；

图3-a是直流断路器转移支路中的子模块逐渐开通时的示意图；

图3-b是直流断路器开通过程中的闭合机械开关时的示意图；

图3-c是直流断路器开通过程中的电流转移时的示意图；

图4是双端柔性直流系统示意图；

图5是四端柔性直流电网系统示意图；

图6是直流故障穿越流程示意图；

图7是双端柔性直流系统故障处理及恢复策略流程示意图；

图8是柔性直流电网系统故障处理及恢复策略流程示意图。

具体实施方式

级联型混合直流断路器故障类型判别闭合控制方法实施例

本发明提供的级联型混合直流断路器故障类型判别闭合控制方法的基本技术方案包括以下步骤：

(1)在闭合直流断路器时，进行永久性故障判断；

(2)当判断为永久性故障时，停止闭合直流断路器操作；

永久性故障的判断方式有：流经直流断路器的电流超过设定的二次过流保护限值，或者转移支路中有至少一个子模块出现过压故障。

基于以上基本技术方案，下面结合附图做进一步详细的说明。

本实施例中的闭合控制方法具备广泛地适用性，比如：双端柔性直流系统、多端柔性直流系统、柔性直流电网系统及混合直流输电系统等。以下分别针对双端柔性直流系统和柔性直流电网对该故障恢复方法进行具体说明，图4为双端柔性直流系统的拓扑结构图(图中，K1-K4是机械式快速开关，DCB1和DCB2是直流断路器)，图5是四端柔性直流电网系统，即柔性直流电网的拓扑结构图。

对于双端柔性直流系统：

双端柔性直流系统在发出故障后会将故障线路切除，由于只有一条直流输电线路，那么将中断功率传输。另外，多端柔性直流系统中主要功率传输线路故障时，系统功率传输也将被迫中断；混合直流输电系统中的柔性直流换流器部分也可与上述双端柔性直流系统类似，均在将故障线路切除之后将中断功率传输。

图6给出了系统直流短路的故障处理过程，当系统检测到直流短路故障发生后，需立刻开断故障线路两侧的直流断路器。

对于直流断路器的开断过程，背景技术中已有介绍，这里就不再具体说明。另外，故障发生后，在断路器开断的同时还可以将双端柔性直流系统中的换流器调整至STATCOM运行状态，能够向交流系统提供无功支撑，便于故障发生后的快速恢复。

确认故障线路两侧直流断路器开断后，系统需要等待一段时间再进行系统重合闸操作，即直流断路器闭合操作。该段时间包括两部分，分别是直流电弧灭弧过程和直流线路去游离过程。直流线路灭弧，也就是直流断路器抑制直流短路电流的过程，该过程维持的时间与直流断路器、直流线路、直流电抗器、桥臂电抗器等参数相关，一般会控制在20ms以内；直流线路去游离过程，是在电弧熄灭后，需要一段时间将原电弧中的导电离子和电子扩散，空气冷却，以避免重合闸后电弧重新建立的过程，直流架空线路去游离的时间一般为150ms至500ms。

首先将故障线路其中一端的直流断路器闭合，闭合过程操作为如下说明：

闭合之前，直流断路器的关断状态如图2-d所示，主支路机械开关为分断状态，主支路与转移支路中全桥子模块均处于闭锁状态，即处于关断状态。

由于转移支路中的全桥子模块的个数可能不止一个，因此在闭合直流断路器的过程中，首先应逐步开通转移支路中的各全桥子模块，将全桥子模块由闭锁状态转换为开通状态，可以逐步开通，也可以将所有的全桥子模块分为若干组，逐组开通。

在转移支路中的各全桥子模块逐步开通过程中，需要进行永久性故障类型判断，若线路出现永久性故障，那么，当转移支路中剩余的处于闭锁状态的全桥子模块提供的反向电动势不足以支撑系统直流电压时，会出现流过断路器的电流超过限值的现象，即过流现象，或者转移支路中的全桥子模块的电容电压超出设定的过压限值的现象，即过压故障现象。另外，可将非永久性故障的故障类型称为瞬时性故障，若系统线路故障为瞬时性故障，且线路绝缘已经得到恢复，在开通直流断路器时，转移支路上也会流过架空线路充电电流。

因此，在判别故障类型时，需设置一个二次过流保护限值，该二次过流保护限值大于或者等于架空线路的充电电流的最大值，最好该保护限值要略大于架空线路的充电电流的最大值。架空线路充电电流是指：架空线路中由于存在着杂散电容，那么，架空线路充电电流就是指对杂散电容进行充电的充电电流，进而，架空线路的充电电流的最大值就是指对杂散电容进行充电的最大充电电流。另外，若故障已经恢复，即系统线路故障为瞬时性故障，且线路绝缘已经得到恢复时，在闭合直流断路器时直流电网依然会向架空线路杂散电容充电，导致断路器流经架空线路充电电流。

所以，在逐步开通转移支路中全桥子模块的过程中，如果不确定线路故障已恢复，那么，检测转移支路中流过断路器的电流和转移支路中闭锁状态下的全桥子模块电容电压，做出如下判断：如果流经直流断路器的电流超过上述二次过流保护限值，或者转移支路中至少有一个全桥子模块出现过压故障(判断条件中，转移支路中的全桥子模块出现过压故障的个数根据实际工程需要进行设定)，那么，判定系统故障为永久性故障。根据上述描述可知，上述两个判断条件之间的逻辑关系是“或”，只要有一个条件满足，就可以判断为出现故障现象。对于双端柔性直流系统，根据上述判断条件可以初步判断出永久性故障，当然，如果想要进一步提升判断准确性，可以进行以下操作：当初步判断为永久性故障后，可以预留更长的系统故障恢复时间(该恢复时间可根据实际需要进行设定)，重新尝试直流断路器重合闸操作设定次数(该重合闸操作设定次数也可以根据实际需要进行设定，比如2次或者更多次)，若故障现象依然存在，则确定为永久性故障。

如果判断为永久性故障，那么，就需要进行故障保护操作，立即闭锁关断转移支路的全部全桥子模块，停止闭合直流断路器操作，确保直流断路器处于断开状态，保证设备安全和系统安全。进一步地，可以在确认直流断路器断开之后，打开直流断路器两侧的隔离刀闸，进行故障线路检修工作，待线路检修工作完成后，按上述操作重新进行系统重合闸。

当然，如果判断不符合上述判断条件，那么，系统故障就判定为瞬时性故障，且已经恢复系统绝缘。

若系统故障检测故障为瞬时性的，且系统绝缘已恢复，继续进行闭合操作。那么，转移支路中的全桥子模块就继续逐步开通，直至全部开通，如图2-c所示。

待转移支路上的线路电流稳定后，维持主支路中的全桥子模块为闭锁状态，闭合机械开关，如图3-b所示。

如图3-c所示，逐步开通主支路中的全桥子模块，直至主支路中的全桥子模块全部开通。

如图2-a所示，待主支路上的线路电流稳定后，逐步闭锁关断转移支路中全桥子模块，该过程中，直流断路器中的电流逐步从转移支路转移到主支路中。待转移支路全桥子模块全部闭锁关断，以及流经直流断路器的电流达到稳定后，故障线路单侧断路器重合闸动作完成。

然后，对故障线路另一侧的直流断路器进行重合闸操作，以完成整个双端柔性直流系统的故障恢复控制。另一侧直流断路器在重合闸过程中，已经不需要考虑永久性故障可能，可以一次性导通转移支路上的全桥子模块。

对于双端柔性直流系统，则需转换换流器的控制模式，由STATCOM运行模式转为功率传输模式。

图7给出双端柔性直流系统中直流断路器的系统故障处理以及恢复的整个流程示意图。当然，这只是一种具体的实施方式，本发明提供的直流断路器闭合控制方法并不局限于此。

对于柔性直流电网系统，以下以四端柔性直流电网系统为例：

当检测到直流短路故障发生后，需要判断换流器是否发生桥臂过流故障，若换流站不发生桥臂过流故障，则维持正常运行控制，待故障线路切除后，系统通过其他回路传输功率，维持正常运行；若部分换流器发生桥臂过流，换流器应立即闭锁，待确认直流断路器动作完成后，重新解锁恢复运行。不管换流器是否发生桥臂过流故障，只要检测到直流短路故障，就立刻开断故障线路两侧的直流断路器。

确认故障线路两侧直流断路器开断后，系统需要等待直流电弧灭弧过程和直流线路去游离过程再进行系统重合闸操作。

首先将故障线路其中一端的直流断路器闭合，闭合过程操作如下说明：

与上述双端直流系统相同，闭合之前，直流断路器的关断状态如图2-d所示，主支路机械开关为分断状态，主支路与转移支路中全桥子模块均处于闭锁状态，即处于关断状态。

在闭合直流断路器的过程中，首先应逐步开通转移支路中的各全桥子模块，即将全桥子模块由闭锁状态转换为开通状态。

在转移支路中的全桥子模块逐步开通过程中，需要进行永久性故障类型判断，若线路出现永久性故障，那么，当转移支路中剩余的处于闭锁状态的全桥子模块提供的反向电动势不足以支撑系统直流电压时，会出现流过断路器的电流超过限值的现象，即过流现象，或者转移支路中的全桥子模块的电容电压超出设定的过压限值的现象，即过压故障现象。另外，可将非永久性故障的故障类型称为瞬时性故障，若系统线路故障为瞬时性故障，且线路绝缘已经得到恢复，在开通直流断路器时，转移支路上也会流过架空线路充电电流。

因此，在判别故障类型时，需设置一个二次过流保护限值，该二次过流保护限值大于或者等于架空线路的充电电流的最大值，最好该保护限值要略大于架空线路的充电电流的最大值。

所以，在逐步开通转移支路中全桥子模块的过程中，检测转移支路中流过断路器的电流和转移支路中闭锁状态下的全桥子模块电容电压，做出如下判断：如果流经直流断路器的电流超过上述二次过流保护限值，或者转移支路中至少有一个全桥子模块出现过压故障(判断条件中，转移支路中的全桥子模块出现过压故障的个数根据实际工程需要进行设定)，那么，判定系统故障为永久性故障。

上述两个判断条件之间的逻辑关系是“或”，只要有一个条件满足，就可以判断为永久性故障。如果判断为永久性故障，那么，就需要进行故障保护操作，立即闭锁关断转移支路的全部全桥子模块，停止闭合直流断路器操作，确保直流断路器处于断开状态，保证设备安全和系统安全。进一步地，可以在确认直流断路器断开之后，打开直流断路器两侧的隔离刀闸，进行故障线路检修工作，待线路检修工作完成后，按上述操作重新进行系统重合闸。

当然，如果不符合上述判断条件，那么，系统故障就判定为瞬时性故障，且已经恢复系统绝缘。

若系统故障检测故障为瞬时性的，且系统绝缘已恢复，继续进行闭合操作。那么，转移支路中的全桥子模块就继续逐步开通，直至全部开通，如图2-c所示。

待转移支路上的线路电流稳定后，维持主支路中的全桥子模块为闭锁状态，闭合机械开关，如图3-b所示。

如图3-c所示，逐步开通主支路中的全桥子模块，直至主支路中的全桥子模块全部开通。

如图2-a所示，待主支路上的线路电流稳定后，逐步闭锁关断转移支路中全桥子模块，该过程中，直流断路器中的电流逐步从转移支路转移到主支路中。待转移支路全桥子模块全部闭锁关断，以及流经直流断路器的电流达到稳定后，故障线路单侧断路器重合闸动作完成。

然后，对故障线路另一侧的直流断路器进行相同的重合闸操作，以完成整个双端柔性直流系统的故障恢复控制。另一侧直流断路器在重合闸过程中，已经不需要考虑永久性故障可能，可以一次性导通转移支路上的全桥子模块。

图8给出四端柔性直流电网系统中直流断路器的系统故障处理以及恢复的整个流程示意图。当然，这只是一种具体的实施方式，本发明提供的直流断路器闭合控制方法并不局限于此。

级联型混合直流断路器故障类型判别闭合控制装置实施例

本实施例中，该装置包括两个模块，分别是判断模块和控制模块，其中，判断模块，用于在闭合直流断路器时，进行永久性故障判断。

控制模块，用于当判断为永久性故障时，停止闭合直流断路器操作，确保直流断路器处于断开状态。

这两个模块为软件模块，通过加载在控制系统中实现相应的功能，所以，这两个模块本质上是直流断路器闭合控制方法的两个步骤，因此该装置本质上仍旧是直流断路器闭合控制方法，由于上述方法实施例中已对该方法进行了详细地说明，这里就不再赘述。

以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述在转移支路上的子模块开通过程中，判断故障的类型，如果是永久性故障，则停止闭合直流断路器，保证直流断路器为断开状态。而对于其他部分，比如故障发生时，直流断路器断开，以及其他的过程均属于现有技术，并且也不是本发明的发明点，因此，在不脱离本发明的上述基本思路的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。