一种故障能量吸收及多种直流故障检测装置

1.本发明涉及直流输电技术领域，具体为一种故障能量吸收及多种直流故障检测装置


背景技术：

2.柔性直流输电结合了电力电子、电力系统、通信原理和自动控制等各方面先进技术,拥有良好的可控性和适应性,运行方式灵活、可应用范围广,对于新型电力系统建设中大规模新能源消纳和电网智能化、数字化建设有着重大作用，柔性直流输电技术的发展也面临着诸如换流器与直流断路器等一次设备的研发、直流故障的快速处理、大规模直流电网暂态仿真等亟待解决的问题。其中直流故障后系统的生存和自愈问题是限制柔性直流电网快速发展的瓶颈之一。
3.针对柔性直流电网故障后系统的生存和自愈问题，故障识别是其中的关键科学问题之一，主要体现在两个方面：1)故障类型和故障线路的识别：柔性直流电网由于低阻尼的特点，短路电流上升速度极快，故障的检测与识别要求在毫秒级的时间内完成。2)永久性故障和暂时性故障的识别：传统交流电网通过多次重合闸技术检测故障性质，而对于具有低阻尼特性的直流系统，多次重合闸技术对于直流断路器的切断容量提出了极高的要求，同时一旦重合于永久性故障，电力电子器件将再次遭受故障冲击，严重时可能损毁器件。
4.基于以上研究，如何在直流输电电路中实现故障点的检测定位，成为本领域亟待解决的技术难题。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种故障能量吸收及多种直流故障检测装置，主要能够吸收故障电路的剩余电能，实现故障检测定位的能量供给，并对直流配电网的故障进行检测及定位。
6.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种故障能量吸收及多种直流故障检测装置，包括线路模块、故障定位模块与储能模块，所述线路模块包括正极线路和负极线路、设置在所述正极线路上的隔离开关qs1、设置在所述正极线路上的限流电抗器l
x1
、设置在所述负极线路上的隔离开关qs2、设置在所述正极电路上的开关qs3、设置在所述负极电路上的开关qs4、连接在所述负极电路上的限流电抗器l
x2
、设置在所述隔离开关qs1和所述限流电抗器l
x1
之间的连接点j、设置在所述隔离开关qs2和所述限流电抗器l
x2
之间设有连接点k、设置在所述限流电抗器l
x1
与其远端之间的连接点a、设置在所述限流电抗器l
x2
与其远端之间的连接点b；
7.所述故障定位模块包括连接在所述连接点b上的开关s2、连接在所述开关s2上的开关管t2、连接在所述开关管t2上的电容c2、连接在所述电容c2上的电容c1、连接在所述电容c1上的开关管t1、连接在所述开关管t1上的开关s1、设置在所述开关s2与开关管t2之间的连接点d、设置在所述开关s1与开关管t1之间的连接点c、设置在所述开关管t1与电容c1之间的连
接点e、设置在所述开关管t2与电容c2之间的连接点f、设置在所述连接点e与所述连接点d之间的开关管t3、连接在所述开关管t1上的二极管d1、连接在所述开关管t2上的二极管d2、连接在所述开关管t3上的二极管d3、设置在所述连接点f与所述连接点c之间的二极管d4、设置在所述连接点k与所述连接点c之间的二极管d5、设置在所述连接点d与所述连接点j之间的二极管d6；
8.所述储能模块包括dc/dc转换器和蓄电池。
9.进一步的，所述故障定位模块整体为桥式结构。
10.进一步的，所述电容c1与电容c2之间设置有接地点g。
11.进一步的，所述二极管d1具有阴极和阳极，所述开关管t1具有集电极和发射极，所述二极管d1的阴极连接在开关管t1的集电极上，二极管d1的阳极连接在开关管t1的发射极上。
12.进一步的，所述二极管d2具有阴极和阳极，所述开关管t2具有集电极和发射极，所述二极管d2的阴极连接在开关管t2的集电极上，二极管d2的阳极连接在开关管t2的发射极上。
13.进一步的，所述二极管d3具有阴极和阳极，所述开关管t3具有集电极和发射极，所述二极管d3的阴极连接在开关管t3的集电极上，二极管d3的阳极连接在开关管t3的发射极上。
14.进一步的，所述储能模块并联于所述电容c1和电容c2两端。
15.进一步的，所述开关管t1、开关管t2与开关管t3均为绝缘栅双极型晶体管。
16.进一步的，所述二极管d5和二极管d6均为由若干二极管串联形成的二极管组。
17.一种故障能量吸收及多种直流故障检测装置的故障检测方法，具体步骤如下：
18.s1：直流线路正常输电时，隔离开关qs1、隔离开关qs2、隔离开关qs3、与隔离开关qs4均闭合，开关管t1、开关管t2和开关管t3均断开，开关s1和开关s2均断开；
19.s2：(1)双极短路故障发生后，切断隔离开关qs1、隔离开关qs2、隔离开关qs3与隔离开关qs4，故障隔离；
20.(2)单极接地故障发生后，隔离开关qs1、隔离开关qs2、隔离开关qs3与隔离开关qs4仍闭合；
21.s3：故障定位模块与正极线路、负极线路和单极或双极故障线路构成充电回路，限流电抗器l
x1
、限流电抗器l
x2
和直流线路中剩余的电能通过该回路为电容c1与电容c2充电；
22.s4：单极接地或双极短路故障发生后，通过控制开关管t1、开关管t2、开关管t3和开关s1、开关s2的通断，发送一个上升沿时间为t0的检测行波，在检测点检测反射回的反向行波，记录接收时间为t1，则可通过公式
[0023][0025]
计算得到故障点与检测点的距离l，其中v为检测行波的波速；
[0026]
s5：若l等于直流线路两端的间距，判断故障为暂时性故障，重新闭合隔离开关qs1、隔离开关qs2、隔离开关qs3和隔离开关qs4，恢复输电；
[0027]
若否，则故障判断为永久性故障，对故障点进行检修，而后再进入步骤s4进行操
作。
[0028]
本发明至少具备以下有益效果：
[0029]
本发明通过与直流输电线路并联设置的特定电路拓扑，使得故障时的故障能量得以回收，并将其再利用于直流配电网的故障检测及定位；正常输电时，故障定位模块与输电线路相互独立，电容两端电压为零，对直流线路不产生影响，亦无能量损耗；发生单极接地或双极短路故障时，故障定位模块的电容吸收故障能量提供检测电压，通过开关管的通断发出检测电压行波对故障位置进行检测，根据反射回的电压行波接收时间进行故障性质的判别及故障地点定位，并且本发明还可在正常运行时作为储能给直流负荷供电，故障时给吸收电容充电以便对故障进行二次检测，实现故障性质的判别及定位功能。
[0030]
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
[0031]
图1是本发明的结构示意图；
[0032]
图2是本发明在正常输电时的示意图；
[0033]
图3是本发明在双极短路故障时的示意图；
[0034]
图4是本发明在正极接地故障时的示意图；
[0035]
图5是本发明在负极接地故障时的示意图；
[0036]
图6是本发明在双极短路故障时发射检测电压行波的电路示意图；
[0037]
图7是本发明在正极接地故障时发射检测电压行波的电路示意图；
[0038]
图8是本发明在负极接地故障时发射检测电压行波的电路示意图；
[0039]
图9是本发明中内部保护模块作用时的示意图；
[0040]
图10是本发明中搭建的仿真电路拓扑模型示意图；
[0041]
图11是本发明中双极短路故障电流波形；
[0042]
图12是本发明中双极短路电容的电压波形；
[0043]
图13是本发明中正极接地故障电流波形；
[0044]
图14是本发明中正极接地电容的电压波形；
[0045]
图15是本发明中永久性双极短路故障时电压正向行波波形；
[0046]
图16是本发明中永久性双极短路故障时电压反向行波波形；
[0047]
图17是本发明中永久性正极接地故障时电压正向行波波形；
[0048]
图18是本发明中永久性正极接地故障时电压反向行波波形；
[0049]
图19是本发明中暂时性双极短路故障时电压正向行波波形；
[0050]
图20是本发明中暂时性双极短路故障时电压反向行波波形。
[0051]
附图标记：
[0052]
1、正极线路；2、负极线路；3、故障定位模块；4、储能模块；5、线路模块。
具体实施方式
[0053]
下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它
实施例，都属于本公开保护的范围。
[0054]
请参阅图1-20，本发明提供一种技术方案：一种故障能量吸收及多种直流故障检测装置，包括线路模块5、故障定位模块3与储能模块4。
[0055]
根据图1所示，线路模块5包括正极线路1和负极线路2、设置在正极线路1上的隔离开关qs1、设置在正极线路1上的限流电抗器l
x1
、设置在负极线路2上的隔离开关qs2、设置在正极电路上的开关qs3、设置在负极电路上的开关qs4、连接在负极电路上的限流电抗器l
x2
、设置在隔离开关qs1和限流电抗器l
x1
之间的连接点j、设置在隔离开关qs2和限流电抗器l
x2
之间设有连接点k、设置在限流电抗器l
x1
与其远端之间的连接点a、设置在限流电抗器l
x2
与其远端之间的连接点b。
[0056]
故障定位模块3整体呈桥式结构，故障定位模块3包括连接在连接点b上的开关s2、连接在开关s2上的开关管t2、连接在开关管t2上的电容c2、连接在电容c2上的电容c1，电容c1与电容c2之间设置有接地点g，便于在单极接地故障时与故障接地点及相关二极管、开关管形成能量吸收回路或故障检测回路、连接在电容c1上的开关管t1、连接在开关管t1上的开关s1、设置在开关s2与开关管t2之间的连接点d、设置在开关s1与开关管t1之间的连接点c、设置在开关管t1与电容c1之间的连接点e、设置在开关管t2与电容c2之间的连接点f、设置在连接点e与连接点d之间的开关管t3、连接在开关管t1上的二极管d1、连接在开关管t2上的二极管d2、连接在开关管t3上的二极管d3、设置在连接点f与连接点c之间的二极管d4、设置在连接点k与连接点c之间的二极管d5、设置在连接点d与连接点j之间的二极管d6。
[0057]
需要说明的是，二极管d1、二极管d2和二极管d3均包括阳极和阴极，开关管t1、开关管t2和开关管t2均包括集电极和发射极，二极管d1的阴极连接在开关管t1的集电极上，二极管d1的阳极连接在开关管t1的发射极上；二极管d2的阴极连接在开关管t2的集电极上，二极管d2的阳极连接在开关管t2的发射极上；二极管d3的阴极连接在开关管t3的集电极上，二极管d3的阳极连接在开关管t3的发射极上，利用反并联的二极管d1、二极管d2和二极管d3主要能够抑制逆向电流。
[0058]
进一步的，储能模块4包括dc/dc转换器和蓄电池，且dc/dc转换器连接在蓄电池的两端，储能模块4并联于电容c1和电容c2的两端，利用储能模块4，能够实现功率的双向流动，在输电线路正常运行时可充当直流电源给直流负荷供电，在故障时可给电容c1、c2充电以维持故障检测时所需电压。
[0059]
进一步的，开关管t1、开关管t2和开关管t3均为绝缘栅双极型晶体管。
[0060]
另外的，二极管d5和二极管d6均为由若干二极管串联形成的二极管组，主要用以承受高压，降低击穿风险。
[0061]
一种故障能量吸收及多种直流故障检测装置的故障检测方法，具体步骤如下：
[0062]
s1：直流线路正常输电时，隔离开关qs1、隔离开关qs2、隔离开关qs3、与隔离开关qs4均闭合，开关管t1、开关管t2和开关管t3均断开，开关s1和开关s2均断开，根据图2所示，电容c1、电容c2的电压为0，故障定位模块3中的二极管d5和二极管d6承受直流线路反向额定电压，相当于把整个故障定位模块3与传输线路隔离开来，因此正常运行时故障定位模块3对于直流系统正常运行不产生任何影响，不增加电能损耗；
[0063]
s2：(1)双极短路故障发生后，切断隔离开关qs1、隔离开关qs2、隔离开关qs3与隔离开关qs4，故障隔离；
[0064]
(2)单极接地故障发生后，隔离开关qs1、隔离开关qs2、隔离开关qs3与隔离开关qs4仍闭合；
[0065]
s3：(1)双极短路故障时，开关s1、开关s2断开，故障定位模块3与正极线路1、负极线路2和双极故障线路构成充电回路，限流电抗器lx1、限流电抗器lx2和直流线路中剩余的电能通过该回路为电容c1、电容c2充电；
[0066]
根据图3所示，电流先后经过限流电抗器lx1、正极线路1、故障点、负极线路2、限流电抗器lx2、二极管d5的阳极、二极管d5的阴极、电容c1的正极、电容c1的负极、电容c2的正极、电容c2的负极、二极管d6的阳极、二极管d6的阴极，形成闭合回路；
[0067]
(2)正极接地故障时，开关s1、开关s2断开，故障定位模块3与正极线路1和正极接地线路构成充电回路，限流电抗器lx1和直流线路中剩余的电能通过该回路为电容c2充电；
[0068]
根据图4所示，电流先后经过限流电抗器lx1、正极线路11、故障接地点、故障定位模块3中的接地点、电容c2的正极、电容c2的负极、二极管d2的阳极、二极管d2的阴极、二极管d6的阳极、二极管d6的阴极，形成闭合回路；
[0069]
(3)负极接地故障时，开关s1、开关s2断开，故障定位模块3与负极线路2和负极接地线路构成充电回路，限流电抗器lx2和直流线路中剩余的电能通过该回路为电容c1充电；
[0070]
根据图5所示，电流先后经过限流电抗器lx2、二极管d5的阳极、二极管d5的阴极、二极管d1的阳极、二极管d1的阴极、电容c1的正极、电容c1的负极、故障检测定位模块3中的接地点、故障接地点、负极线路2，形成闭合回路；
[0071]
s4：单极接地或双极短路故障发生后，通过控制开关管t1、开关管t2、开关管t3和开关s1、开关s2的通断，发送一个上升沿时间为t0的检测行波，在检测点检测反射回的反向行波，记录接收时间为t1，则可通过公式
[0072][0073]
计算得到故障点与检测点的距离l，其中v为检测行波的波速；
[0074]
根据图6所示，双极短路时，控制开关管t1、开关管t2和开关s1、开关s2导通向线路发射检测电压行波；
[0075]
根据图7所示，正极接地时，控制开关管t1和开关s1导通向线路发射检测电压行波；
[0076]
根据图8所示，负极接地时，控制开关管t3和开关s2导通向线路发射检测电压行波；
[0077]
行波在故障点和线路末端将发生折反射，其中w
1f
为入射波，w1r为故障点的反射波，w
1z
为故障点透射波，w
2f
为电压行波在线路末端的反射波；
[0078]
s5：若l等于直流线路两端的间距，判断故障为暂时性故障，重新闭合隔离开关qs1、隔离开关qs2、隔离开关qs3和隔离开关qs4，恢复输电；
[0079]
若否，则故障判断为永久性故障，对故障点进行检修，而后再进入步骤s4进行操作。
[0080]
进一步地，根据图9所示，步骤s3中，在剩余电能释放完毕后，用储能模块4为电容c1、电容c2充电，用以维持检测电压，充电电流从电容c1、电容c2的正极进入，负极流出。
[0081]
进一步地，重复步骤s4若干次后，再进入步骤s5，以排除暂时性故障。
[0082]
在软件pscad/emtdc中搭建基于直流线路的故障能量吸收及多种直流故障检测装置的电路拓扑模型，根据图10所示，模型基于mmc柔性直流输电系统进行搭建。
[0083]
双极短路故障电流仿真结果参见图11，1.80s发生双极短路故障，1.816s时，故障电流衰减至隔离开关的关断允许范围，此时控制系统向隔离开关发出关断信号，隔离开关立即断开，故障隔离。
[0084]
电容c1的电压波形参见图12，储能模块4在故障电流减小为0后立刻接入电容c1、电容c2两侧为其充电，在仿真模型中，电容c1、电容c2的充电完成电压设计为2.2kv。
[0085]
单极接地故障，以正极接地为例，故障电流仿真结果见图13，1.80s发生双极短路故障，隔离开关暂时不会断开，故障能量在直流输电系统运行过程中逐渐储存到电容c2中。
[0086]
电容c2的电压波形见图14，储能模块4在故障过程中接入电容c1、电容c2两侧为其充电。
[0087]
下面对该拓扑模型的故障检测定位功能进行验证，仿真结果如图15-18所示，当电容c1、电容c2充电完成后，经过一定的去游离时间，控制开关管t1和开关管t2的通断来发射电压行波，设置开关管导通的持续时间为0.001s；
[0088]
若线路在300km处发生了永久性双极短路故障，1.8s时故障发生，在2.15s时，通过控制开关管的通断向故障点发出故障检测行波，即开关管t1、开关管t2导通，开关管t3断开，形成如图6所示故障检测回路；检测到发射的电压正向行波和反射回的电压反向行波的波形分别如图15和图16所示；图15中2.15s时发出电压正向行波，图16中2.152s时检测到第一个电压反向行波的波头，由于行波传播的波速接近于光速，按公式(1)，t0＝2.15s，t1＝2.152s，v为光速，可计算得到故障点与检测点的距离l为300km，根据反向电压行波与正向电压行波极性相反，判断其为故障点的反射；通过多次发射检测行波，故障仍然存在，因此可以判断故障为永久性双极短路故障。
[0089]
若线路在300km处发生了永久性正极接地故障，1.8s时故障发生，在2.15s时，通过控制开关管的通断向故障点发出故障检测行波，即开关管t1导通，开关管t2、开关管t3断开，形成如图7所示故障检测回路；检测到发射的电压正向行波和反射回的电压反向行波的波形分别如图17和图18所示；图17中2.15s时发出电压正向行波，图18中2.152s时检测到第一个电压反向行波的波头，由于行波传播的波速接近于光速，按公式(1)，t0＝2.15s，t1＝2.152s，v为光速，可计算得到故障点与检测点的距离l为300km，根据反向电压行波与正向电压行波极性相反，判断其为故障点的反射；通过多次发射检测行波，故障仍然存在，因此可以判断故障为永久性故障。
[0090]
若线路在300km处发生了暂时性双极短路故障，1.8s时故障发生、持续时间为0.39s，即2.19s时暂时性双极短路故障消失；分别在2.15s、2.18s和2.21s向故障点发出故障检测行波，即开关管t1、开关管t2导通，开关管t3断开，形成如图6所示故障检测回路；直流线路全长为500km，检测到的电压正向行波和电压反向行波的波形分别如图19和图20所示，细节处为在2.15s、2.18s和2.21s附近的波形放大图，图19的2.15s处检测出电压正向行波，图20的2.152s时检测到第一个电压反向行波的波头，极性和2.15s处发出的电压正向行波相反，可判断为故障点的反射，由于行波传播的波速接近光速，可计算得到故障点位置为300km，此时故障仍然存在；延迟30ms即2.18s时继续发出检测行波，图19的2.18s处检测出电压正向行波，图20的2.182s时检测到下一个电压反向行波波头，极性和2.18s处发出的电压正向行波相反，可判断为故障点的反射，计算得到故障点位置为300km，故障仍然存在；继续延迟30ms，在2.21s处发出检测行波，由上述设置(故障持续时间0.39s)已知，2.19s时双
极短路故障已经消失，图19的2.21s处检测出电压正向行波，图20的2.21333s时检测到下一个电压反向行波的波头，计算得到反射点距离检测点，也即连接点a距离为500km，极性和2.21s处发出的电压正向行波相同，因此判断其为直流线路末端边界的反射，故障消失，判断其为暂时性故障。
[0091]
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
[0092]
对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。当元件被称为“装配于”、“安装于”、“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
[0093]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
[0094]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。