一种断路器失灵保护方法、介质及系统

1.本发明涉及特高压直流换流站断路器技术领域，尤其涉及一种断路器失灵保护方法、介质及系统。


背景技术：

2.当能源分布中心与电力负荷中心极不重合，需要在能源中心与负荷中心之间远距离传输。与交流输电相比，高压直流输电不存在稳定性问题，并且具有线路造价低、能量损耗小、控制快速简单等一系列优点。而特高压直流输电与传统高压直流输电相比更是有着输电效率高、可靠性与稳定性强、电力传输成本低等显著优势，而且在大容量、远距离输电应用场景下更能得以发挥。综上所述，建设特高压直流输电工程对发展电气行业具有重要意义。
3.特高压直流换流站的每极有两个串联的十二脉动换流器，运行方式灵活，其中双极四换流器、双极三换流器或单极双换流器运行方式占直流系统运行时间90％以上。当单换流器发生故障时，换流器差动保护、极差动保护动作，因配置的隔离开关动作过慢，且不具备灭弧能力，所以需靠交流断路器、中性母线断路器动作开断故障电流，实现故障隔离。若断路器无法正确动作，将导致两端交流系统大规模配套电源机组切机和大规模负荷切除，损失巨额功率，大大影响直流输电系统供电可靠性和经济性指标。


技术实现要素：

4.本发明实施例提供一种断路器失灵保护方法、介质及系统，以解决现有技术不能快速有效对特高压直流换流站断路器失灵进行相应保护的问题。
5.第一方面，提供一种断路器失灵保护方法，所述断路器用于特高压直流换流站，所述失灵保护方法包括：
6.若特高压直流换流站的任一换流器区域发生故障，则保护装置动作出口，该特高压直流换流站的故障换流器区域所在极以及故障换流器区域对站同极的所有换流器均移相；
7.故障换流器区域以及故障换流器区域对站同极对应的换流器区域的旁通断路器和通流断路器均按照预设逻辑动作；
8.计算按照预设逻辑动作的每一所述通流断路器的延时时间；
9.在每一所述通流断路器的延时时间后，采集每一所述通流断路器两端的电压；
10.根据采集的每一所述通流断路器两端的电压，计算每一所述通流断路器的电压的低频段分量能量；
11.根据每一所述通流断路器的动作类型，判断每一所述通流断路器的电压的低频段分量能量是否满足预设条件；
12.若任一所述通流断路器满足预设条件，则该通流断流器的失灵保护出口。
13.第二方面，提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计
算机程序指令；所述计算机程序指令被处理器执行时实现如上述第一方面实施例所述的断路器失灵保护方法。
14.第三方面，提供一种断路器失灵保护系统，包括：如上述第二方面实施例所述的计算机可读存储介质。
15.这样，本发明实施例，可加快单换流器区域故障的故障隔离速度，避免发展至严重故障，以提升特高压直流系统运行的可靠性和经济性；同时将自相关消噪算法应用于希尔伯特变换，对其加以改进，克服了方法原有的模态混叠、计算成本高和噪声残差等问题。
附图说明
16.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例的描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
17.图1是本发明实施例1的断路器失灵保护方法的流程图；
18.图2是本发明实施例2的断路器失灵保护方法的流程图；
19.图3是本发明实施例3的断路器失灵保护方法的流程图；
20.图4是本发明应用例的特高压直流系统换流站拓扑图；
21.图5是本发明应用例计算得到的低频段分量的瞬时幅值的波形图；
22.图6是本发明应用例的故障后流经阳极断路器和阴极断路器的电流波形图。
具体实施方式
23.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获取的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
24.实施例1
25.本发明实施例1公开了一种断路器失灵保护方法。断路器用于特高压直流换流站。如图1所示，该失灵保护方法包括如下的步骤：
26.步骤s101：若特高压直流换流站的任一换流器区域发生故障，则保护装置动作出口，该特高压直流换流站的故障换流器区域所在极以及故障换流器区域对站同极的所有换流器均移相。
27.一般的，特高压直流换流站包括互为对侧的两个换流站。其中，一个换流站为整流站，另一个换流站为逆变站。每一换流站包括两个极。每一极包括两个换流器区域。其中，一个换流器区域为高端换流器区域，另一个换流器区域为低端换流器区域。例如，整流站的极1高端换流器区域的对站同极对应的换流器区域为逆变站的极1高端换流器区域。
28.应当理解的是，上述移相的换流器也包括相应区域的健全换流器。
29.具体的，通过控制系统将两侧换流器的触发角迅速增大，使整流器工作在逆变状态，由直流系统向两侧交流系统输送能量，从而使直流输电系统中的故障电流减小。其中，移相阶段触发角设置为164
°
，移相时间设置为200ms。
30.步骤s102：故障换流器区域以及故障换流器区域对站同极对应的换流器区域的旁通断路器和通流断路器均按照预设逻辑动作。
31.该预设逻辑可根据实际情况设置。对于每种断路器，其动作包括合闸和分闸。
32.本发明实施例的通流断路器指的是，特高压直流换流站的换流器区域中，故障前电流流经的断路器，以及，故障后稳态电流流经的断路器。
33.步骤s103：计算按照预设逻辑动作的每一通流断路器的延时时间。
34.应当理解的是，不仅要计算故障换流器区域动作的通流断路器的延时时间，还要计算故障换流器区域对站同极对应的换流器区域动作的通流断路器的延时时间。
35.具体的，通流断路器的延时时间的计算式为：
36.td＝t
brk_act
t
return
t
margin
。
37.其中，td表示通流断路器的延时时间。t
brk_act
表示通流断路器动作的机械动作时间，根据实际动作采集，即若是分闸则是机械分闸时间，若是合闸则是机械合闸时间。应当理解的是，若通流断路器为直流断路器，则机械动作时间可忽略不计。t
return
表示电压元件的返回时间，由互感器采集电压信号的迟滞进行整定得到，本发明实施例可根据具体互感器参数性质预设。t
margin
表示时间配合裕度，由互感器发生拖尾现象的拖尾信号衰减至0的时间进行整定，本发明实施例可根据具体互感器参数性质预设。
38.通过引入时间配合裕度计算延时时间，有助于解决互感器拖尾现象引起的失灵保护误动问题。
39.步骤s104：在每一通流断路器的延时时间后，采集每一通流断路器两端的电压。
40.具体可通过现有的电压采集设备采集得到。
41.步骤s105：根据采集的每一通流断路器两端的电压，计算每一通流断路器的电压的低频段分量能量。
42.应当理解的是，本发明实施例所述的低频段的频率小于1khz。
43.具体的，该步骤基于改进希尔伯特变换计算方法，包括如下的过程：
44.(1)对通流断路器两端的电压添加正负白噪声后，得到第一信号和第二信号。
45.具体的，添加正负白噪声的算式为：
[0046][0047]
其中，m1(t)表示第一信号，m2(t)表示第二信号，u(t)表示通流断路器两端的电压，n(t)表示白噪声。
[0048]
白噪声为多组互相独立的序列，利用白噪声的上述特性，添加到原始数据中，能够放大不同模态的不相关程度，进而帮助分解原有方法难以分解的模态(即解决模态混叠问题)。另外，添加的白噪声序列有正有负，在模态分解过程中可以相互抵消，减小重构误差。
[0049]
(2)将第一信号和第二信号分别进行多次经验模态分解，分别得到多个频率由低到高的第一信号的本征模态函数分量和第二信号的本征模态函数分量。
[0050]
具体的，经验模态分解的算式为：
[0051]
[0052][0053]
其中，ci(t)表示第一信号的本征模态函数分量，di(t)表示第二信号的本征模态函数分量，n表示数量。
[0054]
(3)将最低频段的第一信号的本征模态函数分量和最低频段的第二信号的本征模态函数分量分别进行希尔伯特变换，分别得到第一变换分量和第二变换分量。
[0055]
具体的，希尔伯特变换的算式为：
[0056][0057][0058]
其中，表示第一变换分量，c1(t)表示最低频段的第一信号的本征模态函数分量，d1(t)表示最低频段的第二信号的本征模态函数分量，表示第二变换分量，τ表示积分变量，取值范围为(-∞, ∞)，*表示卷积符号。
[0059]
(4)根据第一信号的本征模态函数分量和第一变换分量计算得到第一瞬时幅值，以及，根据第二信号的本征模态函数分量和第二变换分量计算得到第二瞬时幅值。
[0060]
具体的，瞬时幅值的算式为：
[0061][0062][0063]
其中，c1(t)表示第一瞬时幅值，d1(t)表示第二瞬时幅值，j表示虚数单位。
[0064]
(5)根据第一瞬时幅值和第二瞬时幅值计算得到通流断路器的电压的低频段分量的瞬时幅值。
[0065]
具体的，瞬时幅值的计算式为：
[0066][0067]
其中，a(t)表示通流断路器的电压的低频段分量的瞬时幅值。
[0068]
(6)根据通流断路器的电压的低频段分量的瞬时幅值计算得到通流断路器的电压的低频段分量能量。
[0069]
具体的，通流断路器的电压的低频段分量能量的算式为：
[0070][0071]
其中，e
u_l
表示通流断路器的电压的低频段分量能量，t表示时间窗长度，可根据实际情况确定。
[0072]
步骤s106：根据每一通流断路器的动作类型，判断每一通流断路器的电压的低频段分量能量是否满足预设条件。
[0073]
具体的，预设条件包括：
[0074]
(1)动作类型为合闸的通流断路器的电压的低频段分量能量大于第一阈值。
[0075]
具体的，第一阈值应避开断路器闭合状态下的最大电压低频波动，因此，可将有压
判据的第一阈值保守地整定为该最大值乘以第一可靠系数，即第一阈值通过下式得到：
[0076]eset1
＝k1·eclose_max
。
[0077]
其中，e
set1
表示第一阈值。k1表示第一可靠系数，可根据经验预设。e
close_max
表示通流断路器开断状态下的最大电压低频波动能量，可通过测量得到。
[0078]
因此，有压判据e
u_l
》e
set1
。
[0079]
(2)动作类型为分闸的通流断路器的电压的低频段分量能量小于第二阈值。
[0080]
具体的，第二阈值应避开断路器开断状态下的最小电压低频波动，因此，将其保守地整定为该最小值除以第二可靠系数，即第二阈值通过下式得到：
[0081]eset2
＝e
open_min
/k2。
[0082]
其中，e
set2
表示第二阈值。k2表示第二可靠系数，可根据经验预设。e
open_min
表示通流断路器开断状态下的最小电压低频波动能量，可通过测量得到。
[0083]
因此，无压判据e
u_l
《e
set2
。
[0084]
步骤s107：若任一通流断路器满足预设条件，则该通流断流器的失灵保护出口。
[0085]
任一通流断路器满足预设条件，表明该通流断路器可能没有正确动作，存在失灵风险，因此，该通流断路器的失灵保护出口。
[0086]
若所有通流断路器均不满足预设条件，则表明所有通流断路器均正确动作。
[0087]
实施例1通过上述的过程，可以初步判断通流断路器是否存在失灵风险，以便失灵保护出口。
[0088]
实施例2
[0089]
本发明实施例2公开了一种断路器失灵保护方法。断路器用于特高压直流换流站。如图2所示，该失灵保护方法包括如下的步骤：
[0090]
步骤s201：若特高压直流换流站的任一换流器区域发生故障，则保护装置动作出口，该特高压直流换流站的故障换流器区域所在极以及故障换流器区域对站同极的所有换流器均移相。
[0091]
步骤s202：故障换流器区域以及故障换流器区域对站同极对应的换流器区域的旁通断路器和通流断路器均按照预设逻辑动作。
[0092]
步骤s203：计算按照预设逻辑动作的每一通流断路器的延时时间。
[0093]
步骤s204：在每一通流断路器的延时时间后，采集每一通流断路器两端的电压。
[0094]
步骤s205：根据采集的每一通流断路器两端的电压，计算每一通流断路器的电压的低频段分量能量。
[0095]
步骤s206：根据每一通流断路器的动作类型，判断每一通流断路器的电压的低频段分量能量是否满足预设条件。
[0096]
步骤s207：若任一通流断路器满足预设条件，则该通流断流器的失灵保护出口。
[0097]
步骤s201～s207与实施例1的步骤s101～s107相同，在此不再赘述。
[0098]
步骤s208：将满足预设条件的该通流断路器按照预设逻辑重新动作。
[0099]
步骤s209：在重新动作的该通流断路器的延时时间后，采集重新动作的该通流断路器两端的电压。
[0100]
延时时间与前述的延时时间相同。通流断路器两端的电压具体可通过现有的电压采集设备采集得到。
[0101]
步骤s210：根据采集的重新动作的该通流断路器两端的电压，计算重新动作的该通流断路器的电压的低频段分量能量。
[0102]
该电压的低频段分量能量的计算式与实施例1中的计算式相同，在此不再赘述。
[0103]
步骤s211：根据重新动作的该通流断路器的动作类型，判断重新动作的该通流断路器的电压的低频段分量能量是否满足预设条件。
[0104]
该预设条件与实施例1中的预设条件相同，在此不再赘述。
[0105]
步骤s212：若满足预设条件，则确定重新动作的该通流断路器未正确动作。
[0106]
应当理解的是，若不满足预设条件，则重新动作的通流断路器正确动作。
[0107]
实施例2通过上述的过程，可以确定通流断路器是否未正确动作。
[0108]
实施例3
[0109]
本发明实施例3公开了一种断路器失灵保护方法。断路器用于特高压直流换流站。如图3所示，该失灵保护方法包括如下的步骤：
[0110]
步骤s301：若特高压直流换流站的任一换流器区域发生故障，则保护装置动作出口，该特高压直流换流站的故障换流器区域所在极以及故障换流器区域对站同极的所有换流器均移相。
[0111]
步骤s302：故障换流器区域以及故障换流器区域对站同极对应的换流器区域的旁通断路器和通流断路器均按照预设逻辑动作。
[0112]
步骤s303：计算按照预设逻辑动作的每一通流断路器的延时时间。
[0113]
步骤s304：在每一通流断路器的延时时间后，采集每一通流断路器两端的电压。
[0114]
步骤s305：根据采集的每一通流断路器两端的电压，计算每一通流断路器的电压的低频段分量能量。
[0115]
步骤s306：根据每一通流断路器的动作类型，判断每一通流断路器的电压的低频段分量能量是否满足预设条件。
[0116]
步骤s307：若任一通流断路器满足预设条件，则该通流断流器的失灵保护出口。
[0117]
步骤s308：将满足预设条件的该通流断路器按照预设逻辑重新动作。
[0118]
步骤s309：在重新动作的该通流断路器的延时时间后，采集重新动作的该通流断路器两端的电压。
[0119]
步骤s310：根据采集的重新动作的该通流断路器两端的电压，计算重新动作的该通流断路器的电压的低频段分量能量。
[0120]
步骤s311：根据重新动作的该通流断路器的动作类型，判断重新动作的该通流断路器的电压的低频段分量能量是否满足预设条件。
[0121]
步骤s312：若满足预设条件，则确定重新动作的该通流断路器未正确动作。
[0122]
步骤s301～s312与实施例2的步骤s201～s212相同，在此不再赘述。
[0123]
步骤s313：将未正确动作的该通流断路器所在的换流器区域的相邻断路器以及未正确动作的该通流断路器对应的对站同极的换流器区域的相邻断路器断开。
[0124]
具体的，本发明实施例的换流器区域的相邻断路器包括：换流器域连接的中性母线断路器，以及，该换流器区域连接的两个交流断路器。
[0125]
实施例3通过上述的过程，当确定通流断路器未正确动作后，将未正确动作的通流断路器所在的换流器区域的相邻断路器以及对站同极对应的换流器区域的相邻断路器断
开，从而实现换流器区域故障的快速隔离。
[0126]
应用例
[0127]
下面结合具体应用例对本发明实施例的方案做进一步的阐述。
[0128]
如图4所示，为
±
800kv特高压直流输电系统整流侧极1区域连接方式示意图。其中，q11、q12、q21、q22为交流断路器，q1为旁通断路器，q3为阳极断路器，q4为并联断路器，q5为阴极断路器，nbs为中性母线断路器。q3、q4和q5为本发明实施例所述的通流断路器。以故障的整流侧极1区域为例描述该失灵保护方法(对站同极进行相应的操作，下文不再描述)，具体如下：
[0129]
(1)极1高端换流器thy1区域直流穿墙套管k1处发生接地故障，则保护装置差动保护出口，该特高压直流换流站的极1区域的所有换流器均移相。
[0130]
同理，故障换流器thy1区域对站极1的所有换流器也移相。
[0131]
(2)故障换流器thy1区域的旁通断路器和通流断路器均按如下的预设逻辑动作：闭合旁通断路器q1，闭合并联断路器q4，待故障电流衰减后，开断阴极断路器q5和阳极断路器q3，开断旁通断路器q1。
[0132]
同理，故障换流器thy1区域对站同极对应的换流器区域的旁通断路器和通流断路器也相应动作。
[0133]
(3)采用td＝t
brk_act
t
return
t
margin
计算故障换流器thy1区域的旁通断路器q1、阳极断路器q3、并联断路器q4和阴极断路器q5的延时时间。
[0134]
由于上述断路器为直流断路器，t
brk_act
忽略不计，t
return
预设为40ms，t
margin
预设为30ms，则td＝70ms。
[0135]
同理，故障换流器thy1区域对站同极对应的换流器区域的断路器的td＝70ms。
[0136]
(4)上述的旁通断路器q1、阳极断路器q3、并联断路器q4和阴极断路器q5接收到动作信号后均延时td后，再分别测量其各自两端电压。
[0137]
同理，采集故障换流器thy1区域对站同极对应的换流器区域的旁通断路器和通流断路器的两端电压。
[0138]
(5)根据采集的每一通流断路器两端的电压，计算每一通流断路器的电压的低频段分量能量。
[0139]
其中，时窗t内失灵电压基于改进希尔伯特变换的计算结果如图5所示。该实施例的时窗t为10ms。根据曲线分别计算阳极断路器q3、并联断路器q4、阴极断路器q5两端电压的低频段分量能量。
[0140][0141][0142][0143]
同理，计算故障换流器thy1区域对站同极对应的换流器区域的通流断路器的电压的低频段分量能量。
[0144]
(6)该应用例的k1＝1.55，e
close_max
＝0.0016，则e
set1
＝k1·eclose_max
＝1.5
×
0.0016＝0.0024v2·
ms；该应用例的k2＝1.5，e
open_min
＝158.16，则e
set2
＝e
open_min
/k2＝158.16
÷
1.5
＝105.44v2·
ms。
[0145]
(7)则阳极断路器q3不满足预设条件，阳极断路器q3正常分闸；则并联断路器q4不满足预设条件，并联断路器q4正常合闸；则阴极断路器q5满足预设条件，阴极断路器q5存在发生分闸失灵的可能性，阴极断路器q5的失灵保护出口。
[0146]
同理，故障换流器thy1区域对站同极对应的换流器区域的通流断路器也进行相应的判断及根据判断结果是否进行失灵保护出口。
[0147]
(8)将阴极断路器q5重新分闸。
[0148]
同理，故障换流器thy1区域对站同极对应的换流器区域的满足预设条件的通流断路器也重新动作。
[0149]
(9)在阴极断路器q5重新分闸后，延时时间70ms，然后采集阴极断路器q5两端的电压。
[0150]
同理，采集故障换流器thy1区域对站同极对应的换流器区域的重新动作的通流断路器的两端电压。
[0151]
(10)重新计算阴极断路器q5的电压的低频段分量能量，并重新判断出阴极断路器q5的电压的低频段分量能量仍然满足预设条件，则阴极断路器q5分闸失灵。
[0152]
同理，计算故障换流器thy1区域对站同极对应的换流器区域的重新动作的通流断路器的电压的低频段分量能量，并进行相应判断。
[0153]
(11)断开交流断路器q11和q12，断开中性母线断路器nbs。
[0154]
同理，对站同极对应的断路器也断开，动作结束后，系统变为单极运行。
[0155]
在阳极断路器q3开断、阴极断路器q5拒动后，故障电流波形如图6所示，1.19s失灵保护出口，经过10ms长延时后，跳交流断路器q11和q12以及中性母线断路器nbs，隔离了故障极，断路器中的电流降低为0，且在1.22s时刻移相结束后，也没有出现大的故障电流。因此，本发明实施例的方案能够在断路器失灵情况下快速动作，提升了特高压直流系统的可靠性和稳定性。
[0156]
本发明实施例还公开了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序指令；所述计算机程序指令被处理器执行时实现如上述实施例所述的断路器失灵保护方法。
[0157]
本发明实施例还公开了一种断路器失灵保护系统，包括：如上述实施例所述的计算机可读存储介质。
[0158]
综上，本发明实施例，可加快单换流器区域故障的故障隔离速度，避免发展至严重故障，以提升特高压直流系统运行的可靠性和经济性；同时将自相关消噪算法应用于希尔伯特变换，对其加以改进，克服了方法原有的模态混叠、计算成本高和噪声残差等问题。
[0159]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。