一种多端直流输电系统的单站退出方法及装置与流程

1.本发明涉及直流输电领域，具体涉及多端直流输电系统的单站退出方法及装置。


背景技术：

2.多端直流输电应用中，若单站发生区内故障或者需要检修，最佳方式为将该站在线退出、其他站继续保持运行。
3.一种做法是在换流站与直流线路间增加分断电流能力强的直流断路器，通过直流断路器快速隔离故障站。但是直流断路器的成本高、占地大、构造复杂和可靠性降低。在现有的技术下，随着电压等级的升高，直流断路器成本和难度几乎呈指数级增长，在特高压场合下几乎无法应用。
4.另一种做法是采用常规交流断路器改造成的高压断路器，结构简单、成本低廉，几乎适用于任何电压等级。但其分断直流电流能力十分有限，在特高压场合甚至只有几十安培。因此高压断路器不能直接去快速隔离故障站，需要控制保护系统将电流控制至分断电流以下才能可靠隔离。
5.考虑到经济性和可靠性，在特高压应用场合利用高压断路器来实现换流站的在线退出是现有技术下的唯一选择。特高压工程一般输送的功率都很高，退站过程中引起的功率波动对系统的稳定运行影响较大，因此退站策略需要与稳控相配合，一般来讲功率从一个稳态到另一个稳态的时间越短越好，即退站的过程越短越好。对于一些配网工程或者成本有限的工程，高压断路器方案也是降低成本的有效措施。因此，亟需研究基于高压断路器的多端直流输电的单站退出策略，确保换流站能够可靠隔离且退站过程短暂。


技术实现要素：

6.本发明的目的，在于提供一种多端直流输电系统的单站退出方法及装置,解决高压断路器可靠和快速分断的问题，适用于多端直流输电工程。
7.为了达成上述目的，本发明的解决方案是：
8.第一方面，本发明提出了一种多端直流输电系统的单站退出方法，所述多端直流输电系统至少包含三个换流站，其中一个换流站为直流电压控制站、其余换流站为直流功率控制站，各换流站通过直流线路连接；待退出换流站与直流线路间配置至少一个断路器；所述单站退出方法包括：
9.换流站控制保护系统收到退站指令后，闭锁待退出站的换流器和跳开交流侧开关；
10.闭锁直流功率控制站；
11.闭锁直流电压控制站；
12.检测待退出站流过断路器的电流，当电流低于预设分断阈值持续超过第一预设时间定值、且所有换流站均已闭锁时，下发断路器分闸命令；
13.待断路器跳开后，待退出站执行直流侧极隔离、重新解锁直流电压控制站并将直
流电压控至正常值、重新解锁直流功率控制站并将直流功率控至正常值。
14.优选地，所述闭锁直流功率控制站包括：通过直流功率控制站将直流功率按一定的斜率降至零后，再闭锁直流功率控制站。
15.优选地，所述闭锁直流功率控制站包括：检测当前直流功率或电流，当低于设定的功率或者电流闭锁阈值时，直接闭锁直流功率控制站，否则先把直流功率控至闭锁阈值后再闭锁直流功率控制站。
16.优选地，若待退出站为直流电压控制站，在闭锁待退出站的换流器和跳开交流侧开关后，由其中一个原直流功率控制站接管直流电压控制成为新的直流电压控制站。
17.优选地，若非退出直流功率控制站的换流阀为晶闸管换流阀，可不闭锁只进行移相。
18.优选地，所述闭锁直流电压控制站的步骤包括：通过直流电压控制站将直流电压控至零后再闭锁直流电压控制站。
19.优选地，所述闭锁直流电压控制站之前还包括：检测直流电压控制站的直流电流方向及幅值，若检测到直流电流的方向指向直流线路且幅值高于过流阈值，则直接闭锁直流电压控制站，否则先将直流电压控至零后，再闭锁直流电压控制站。
20.优选地，所述将直流功率控至正常值的步骤包括：直流功率控制站解锁后先控直流功率为零，待直流线路电压高于预设电压阈值后再将直流功率控至正常值。
21.优选地，上述方法还包括：检测待退出站流过断路器的电流时，若电流高于预设分断阈值持续时间超过功率中断允许时间，或者断路器未成功跳开，则退站失败、跳开其他站的交流侧开关。
22.优选地，若待退出站与其他站通讯故障，则仅待退出站参与操作，其他站不参与操作；收到退站指令后，闭锁待退出站的换流器和跳开交流侧开关；待退出站完成闭锁和跳开交流开关后，直接检测待退出站流过断路器的电流，当电流低于分断阈值持续超过第二预设时间定值时再分开断路器，待断路器跳开后执行直流侧极隔离。
23.第二方面，本发明提出了一种多端直流输电系统的单站退出装置，所述多端直流输电系统至少包含三个换流站，其中一个换流站为直流电压控制站、其余换流站为直流功率控制站，各换流站通过直流线路连接；待退出换流站与直流线路间配置至少一个断路器；其特征在于，所述单站退出装置包括：
24.待退出站闭锁单元：用于收到退站指令后，闭锁待退出站的换流器和跳开交流侧开关；
25.正常站闭锁单元：用于闭锁直流功率控制站和闭锁直流电压控制站；
26.断路器分闸单元：用于检测待退出站流过断路器的电流，当电流低于预设分断阈值持续超过第一预设时间定值、且所有换流站均已闭锁时，下发断路器分闸命令；
27.隔离及解锁单元：用于检测断路器状态，确认断路器跳开后，在待退出站执行直流侧极隔离，重新解锁直流电压控制站并将直流电压控至正常值，重新解锁直流功率控制站并将直流功率控至正常值。
28.优选地，所述正常站闭锁单元中的闭锁直流功率控制站包括：通过直流功率控制站将直流功率按一定的斜率降至零后，再闭锁直流功率控制站。
29.优选地，所述正常站闭锁单元中的闭锁直流功率控制站包括：检测当前直流功率
或电流，当低于设定的功率或者电流闭锁阈值时，直接闭锁直流功率控制站，否则先把直流功率控至闭锁阈值后再闭锁直流功率控制站。
30.优选地，所述待退出站闭锁单元中，若待退出站为直流电压控制站，在闭锁待退出站的换流器和跳开交流侧开关后，控制一个原直流功率控制站接管直流电压控制成为新的直流电压控制站。
31.优选地，若非退出直流功率控制站的换流阀为晶闸管换流阀，可不闭锁只进行移相。
32.优选地，所述正常站闭锁单元中的闭锁直流电压控制站包括：通过直流电压控制站将直流电压控至零后再闭锁直流电压控制站。
33.优选地，所述正常站闭锁单元中，在闭锁直流电压控制站之前还包括：检测直流电压控制站的直流电流方向及幅值，若检测到直流电流的方向指向直流线路且幅值高于过流阈值，则直接闭锁直流电压控制站，否则先将直流电压控至零后，再闭锁直流电压控制站。
34.优选地，所述隔离及解锁单元中，将直流功率控至正常值包括：直流功率控制站解锁后先控直流功率为零，待直流线路电压高于预设电压阈值后再将直流功率控至正常值。
35.采用上述方案后，本发明在换流站与直流线路间配置有断路器，通过将直流线路电压短暂降至零并闭锁所有换流站的方式、将断路器处于无压无流状态，确保流过断路器的电流基本为零时再分开断路器；待断路器跳开后非退出站立即重新解锁并将直流功率控至正常值，整个过程造成的系统功率暂停时间较短，能够满足系统稳定运行要求。当故障点可能引起非退出站设备过流时，采取了直流反向电流预判判据加速闭锁过程，避免了非退出站的保护动作。采用本发明后多端直流输电工程可选择成本低廉、结构简单的高压断路器，有效降低建设成本、提高系统运行的可靠性和灵活性。
附图说明
36.图1是本发明的一个三端直流实施例的主接线示意图；
37.图2是本发明的单站退出方法基础流程图；
38.图3是本发明的一种直流电压控制站退站方法流程图；
39.图4是本发明的一种直流控制站加速闭锁方法的流程图；
40.图5是本发明的一种多功率站功率恢复方法的流程图；
41.图6是本发明的一种通讯故障下退站方法的流程图；
42.图7是本发明的多端直流单站退出装置示意图。
具体实施方式
43.下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。
44.本发明提供的单站退出方法适用于多端直流输电系统，包括多端常规直流、多端柔性直流以及多端混合直流。多端直流输电系统至少包含三个换流站，其中一个换流站为直流电压控制站、其余换流站为直流功率控制站，各换流站均连接至直流线路；退出换流站与直流线路间配置有至少一个断路器。图1为一个三端直流的实施例，三个换流站的直流侧均连接至正极线路11和负极线路12，断路器13换流站1未配置、换流站2配置一个、换流站3配置两个，换流站2和换流站3具备本方案提出的单站退出方法实施条件。
45.本发明提供了一种多端直流输电系统的单站退出方法实施例一，参照图2所示，该方法包括以下步骤：
46.步骤201、换流站控制保护系统收到退站指令后，闭锁待退出站的换流器和跳开交流侧开关。
47.具体的，如果退站命令为手动下发，可要求运行人员手动将该站功率先降至最小时下发或者下发后控制系统自动将功率控制至最小再闭锁；如果退站命令为保护下发，则直接将待退出站的换流器闭锁。
48.步骤202、闭锁直流功率控制站。
49.具体的，通过直流功率控制站将直流功率按一定的斜率降至零后，再闭锁直流功率控制站。
50.优选的实施例中，检测当前直流功率或电流，当低于设定的功率或者电流闭锁阈值时，直接闭锁直流功率控制站，否则先把直流功率控至闭锁阈值后再闭锁直流功率控制站。为了缩短此过程，斜率宜在不影响控制性能的前提下越快越好。
51.步骤203、闭锁直流电压控制站。
52.具体的，直流电压控制站控制直流电压按一定的斜率降至零后再将换流器闭锁；为了缩短此过程，斜率宜在不影响控制性能的前提下越快越好。
53.步骤204、检测待退出站流过断路器的电流，当电流低于预设分断阈值持续超过第一预设时间定值、且所有换流站均已闭锁时，下发断路器分闸命令；
54.具体的，分断阈值根据断路器允许的分闸电流设置，本发明的针对对象是低成本的高压断路器，其分闸电流较小，阈值需充分考虑测量精度的影响留有合适的裕度；为了缩短此过程，第一预设时间尽可能小，但至少大于或等于交流系统频率周期的一半。
55.步骤205、检测到待退出站断路器分位。
56.具体的，对仅配置了一个断路器的换流站，只检测该断路器的分位；对配置了两个断路器的换流站，宜检测两个断路器均分位。
57.步骤206、待退出站执行直流侧极隔离。
58.具体的，在退出站与直流线路间连接的断路器分开后，进一步将直流侧极隔离，从而与直流线路可靠断开。极隔离要求换流器与正直流线路间至少有一个隔离刀闸分开、换流器与负直流线路间至少有一个隔离刀闸分开。
59.步骤207、重新解锁直流电压控制站并将直流电压控至正常值。
60.具体的，在退出站与直流线路间连接的断路器分开后，直流电压控制站重新解锁并控制直流电压按一定的斜率升至正常值；为了缩短此过程，斜率宜在不影响控制性能的前提下越快越好。
61.步骤208、重新解锁直流功率控制站并将直流功率控至正常值。
62.具体的，在退出站与直流线路间连接的断路器分开后，直流功率控制站重新解锁并控制直流功率按一定的斜率升至正常值；为了缩短此过程，斜率宜在不影响控制性能的前提下越快越好。
63.多端直流输电工程运行时一般仅有一个直流电压控制站，运行的直流功率控制站会对直流电压控制有一定的接管顺序。如图3所示，多端直流输电系统的单站退出方法的又一个实施例在实施例一的基础上将实施例一步骤201至步骤203调整为以下步骤：
64.步骤301、待退出直流电压控制站收到退站指令，闭锁换流器和跳交流侧开关。
65.具体的，如果退站命令为手动下发，可要求运行人员手动或程序自动调整功率控制站的功率指令、将待退出站的功率控制至最小再闭锁；如果退站命令为保护下发，则直接将待退出站的换流器闭锁。
66.步骤302、直流功率控制站按预设顺序，由其中一站接管直流电压控制。
67.具体的，运行的直流功率控制站按预设的直流电压控制接管顺序，在原直流电压控制站闭锁时立即接管直流电压控制，成为新的直流电压控制站。
68.步骤303、剩余直流功率控制站将直流功率控至零后闭锁。
69.具体的，剩余直流功率控制站将直流功率按一定的斜率降至零后，再闭锁直流功率控制站。
70.优选的实施例中，检测剩余的直流功率控制站的直流功率或电流，当低于设定的功率或者电流闭锁阈值时，直接闭锁直流功率控制站，否则先把直流功率控至闭锁阈值后再闭锁直流功率控制站。为了缩短此过程，斜率宜在不影响控制性能的前提下越快越好。
71.步骤304、新直流电压控制站将直流电压控至零后闭锁。
72.具体的，新直流电压控制站控制直流电压按一定的斜率降至零后再将换流器闭锁；为了缩短此过程，斜率宜在不影响控制性能的前提下越快越好。
73.优选的实施例中，在前述的一种多端直流输电系统的单站退出方法实施例一基础上，当多端直流输电系统为混合直流时，若非退出直流功率控制站的换流阀为晶闸管换流阀，可不闭锁只进行移相。
74.一种多端直流输电系统的单站退出方法的再一个实施例，对于极母线等影响直流侧的故障退站，可加快直流电压控制站闭锁的过程。如图4所示，在实施例一的基础上，将步骤203调整为以下步骤：
75.步骤401、直流电压控制站收到其他站退站指令。
76.步骤402、检测直流电压控制站的直流电流方向及幅值。
77.步骤403、判断是否直流电流方向指向直流线路、且幅值高于预设电流阈值，是则执行步骤404，否则执行步骤405。
78.步骤404、换流器直接闭锁。
79.具体的，预设电流阈值需小于直流母线的耐受能力并确保退出站的故障不会引起正常的直流电压控制站的任何保护动作。
80.步骤405、将直流电压按一定斜率控至零后闭锁。
81.前述的一种多端直流输电系统的单站退出方法，在故障站断路器分位后，其余换流站将恢复直流电压或直流功率，如图5所示为，多端直流输电系统的单站退出方法的另一个实施例在实施例一的基础上，将实施例一的步骤208进行如下调整：
82.步骤501、直流功率控制站收到退出站断路器分位。
83.步骤502、换流器解锁并控制零功率。
84.具体的，对于采用全控器件的换流器，可解锁控零功率；对于采用晶闸管的换流器，仍保持移相。
85.步骤503、检测到直流线路电压高于预设电压阈值，将直流功率按一定斜率控至正常值。
86.具体的，预设电压阈值可根据换流器的类型和换流站的功率指令来分别设置：如整流站设置低些、逆变站设置高些，可加速直流电压建立过程；采用晶闸管换流阀的换流站设置低些，加速电流建立过程。
87.优选的实施例中，在前述的一种多端直流输电系统的单站退出方法实施例一基础上，若退出站断路器电流不满足条件超过功率中断允许时间或者断路器未成功跳开，则退站失败、通知其他站跳开交流侧开关。
88.一种多端直流输电系统的单站退出方法的又一个实施例中，若退出站站间通讯故障，其他站将收不到退站信号、无法进行闭锁和重启。对于影响直流侧的故障，其他站将根据自身的保护动作情况进行相应的操作；对于不影响直流侧的故障，可将故障站隔离。如图6所示，一种通讯故障下的退站方法步骤如下：
89.步骤601、与其他站通讯故障下，收到退站指令，闭锁待退出站和跳交流侧开关。
90.步骤602、检测待退出站断路器电流低于预设分断阈值持续超过第二预设时间定值，下发断路器分闸命令。
91.具体的，由于其他站仍在运行，第二预设时间定值需远大于第一预设时间定值、避免断路器流过的电流波动超过分断阈值引起分闸失败。
92.步骤603、检测到待退出站断路器分位，下发直流侧极隔离。
93.采用上述方案后，本发明在换流站与直流线路间配置有断路器，通过将直流线路电压短暂降至零并闭锁所有换流站的方式、将断路器处于无压无流状态，确保流过断路器的电流基本为零时再分开断路器；待断路器跳开后非退出站立即重新解锁并将直流功率控至正常值，整个过程造成的系统功率暂停时间较短，能够满足系统稳定运行要求。当故障点可能引起非退出站设备过流时，采取了直流反向电流预判判据加速闭锁过程，避免了非退出站的保护动作。采用本发明后多端直流输电工程可选择成本低廉、结构简单的高压断路器，有效降低建设成本、提高系统运行的可靠性和灵活性。
94.如图7所示为本发明提出了一种多端直流输电系统的单站退出装置实施例，所述多端直流输电系统至少包含三个换流站，其中一个换流站为直流电压控制站、其余换流站为直流功率控制站，各换流站通过直流线路连接；待退出换流站与直流线路间配置至少一个断路器；所述单站退出装置包括：待退出站闭锁单元、正常站闭锁单元、断路器分闸单元和断路器分闸单元。其中：
95.待退出站闭锁单元：用于收到退站指令后，闭锁待退出站的换流器和跳开交流侧开关。
96.正常站闭锁单元：用于闭锁直流功率控制站和闭锁直流电压控制站。
97.断路器分闸单元：用于检测待退出站流过断路器的电流，当电流低于预设分断阈值持续超过第一预设时间定值、且所有换流站均已闭锁时，下发断路器分闸命令。
98.隔离及解锁单元：用于检测断路器状态，确认断路器跳开后，在待退出站执行直流侧极隔离，重新解锁直流电压控制站并将直流电压控至正常值，重新解锁直流功率控制站并将直流功率控至正常值。
99.优选的实施例中，在上述装置实施例的基础上，所述正常站闭锁单元中的闭锁直流功率控制站包括：通过直流功率控制站将直流功率按一定的斜率降至零后，再闭锁直流功率控制站。
100.优选的实施例中，在上述装置实施例的基础上，所述正常站闭锁单元中的闭锁直流功率控制站包括：检测当前直流功率或电流，当低于设定的功率或者电流闭锁阈值时，直接闭锁直流功率控制站，否则先把直流功率控至闭锁阈值后再闭锁直流功率控制站。
101.优选的实施例中，在上述装置实施例的基础上，所述待退出站闭锁单元中，若待退出站为直流电压控制站，在闭锁待退出站的换流器和跳开交流侧开关后，控制一个原直流功率控制站接管直流电压控制成为新的直流电压控制站。
102.优选的实施例中，在上述装置实施例的基础上，若非退出直流功率控制站的换流阀为晶闸管换流阀，可不闭锁只进行移相。
103.优选的实施例中，在上述装置实施例的基础上，所述正常站闭锁单元中的闭锁直流电压控制站包括：通过直流电压控制站将直流电压控至零后再闭锁直流电压控制站。
104.优选的实施例中，在上述装置实施例的基础上，所述正常站闭锁单元中，在闭锁直流电压控制站之前还包括：检测直流电压控制站的直流电流方向及幅值，若检测到直流电流的方向指向直流线路且幅值高于过流阈值，则直接闭锁直流电压控制站，否则先将直流电压控至零后，再闭锁直流电压控制站。
105.优选的实施例中，在上述装置实施例的基础上，所述隔离及解锁单元中，将直流功率控至正常值包括：直流功率控制站解锁后先控直流功率为零，待直流线路电压高于预设电压阈值后再将直流功率控至正常值。
106.最后应该说明的是：结合上述实施例仅说明本发明的技术方案而非对其限制。所属领域的普通技术人员应当理解到：本领域技术人员可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，但这些修改或变更均在申请待批的专利要求保护范围之内。