ЗАЩИТА В ПЕРЕХОДНОМ РЕЖИМЕ ДЛЯ МУЛЬТИТЕРМИНАЛЬНОЙ HDVC СЕТИ
PROTECTION IN TRANSITION MODE FOR MULTI-TERMINAL HDVC NETWORK

Настоящее изобретение относится к способу и устройству для обеспечения защиты в переходном режиме от неисправностей для мультитерминальной сети высоковольтного постоянного тока (HVDC).
Передача HVDC в настоящее время в основном используется для передачи высокой мощности на большие расстояния без значительных потерь, что делает HVDC предпочтительным режимом передачи мощности по сравнению с передачей переменного тока (АС) на большие расстояния, например более 100 км. В общих применениях, HVDC может переносить больше мощности на проводник, чем AC, так как, для данной номинальной мощности, постоянное напряжение в DC-линии ниже, чем пиковое напряжение в АC-линии. Ток, необходимый для зарядки и разрядки емкости кабеля, вызывает дополнительные потери мощности, когда кабель переносит AC, в то время как это имеет минимальный эффект для DC-передачи. Использование HVDC-сетей также экономит затраты, так как только один или два проводника требуются для HVDC-передачи, в то время как три провода требуются AC-передачи. Даже затраты на изоляцию могут быть сэкономлены в HVDC-передаче. Диэлектрические потери мощности в кабелях меньше в DC, чем в АС. Следовательно, токонесущая способность кабелей может быть значительно увеличена. HVDC-сети, имеющие более двух терминалов (выводов), называются мультитерминальными HVDC-сетями и в настоящее время все чаще используются. Мультитерминальные HVDC сети могут повышать надежность передачи мощности, обеспечивая несколько альтернативных путей передачи, вместо того чтобы ограничиваться одним путем передачи, как в случае двухтерминальных HVDC.
Однако при существующей технологии вся HVDC-сеть подвергается воздействию неисправности короткого замыкания в любом месте на DC-стороне. До сих пор не существует известного способа для идентификации неисправности по его местоположению и селективного выбора DC-линий, которые не затронуты неисправностью, и продолжения их эксплуатации.
Поэтому существует настоятельная потребность в системе защиты для мультитерминальных HVDC-сетей для идентификации неисправностей короткого замыкания и для селективной эксплуатации мультитерминальной HVDC-сети во время неисправностей.
Задачей настоящего изобретения является обеспечение быстродействующего, надежного и отказоустойчивого способа защиты от неисправностей для мультитерминальной HVDC-сети, который обеспечивает селективную работу сети, таким образом, избегая отключений в случае неисправностей.
Задача настоящего изобретения решается способом обеспечения защиты от неисправностей для мультитерминальной HVDC-сети и устройством для защиты от неисправностей мультитерминальной HVDC-сети. HVDC-сеть содержит преобразовательную станцию, подстанцию DC-коммутатора и DC-линию, соединяющую преобразовательную станцию и подстанцию DC-коммутатора. Преобразовательная станция имеет положительный полюс, отрицательный полюс и нейтральный полюс. Положительный полюс находится на положительном выводе (терминале) преобразователя, отрицательный полюс находится на отрицательном терминале преобразователя, и нейтральный полюс либо соединен с землей, либо является плавающим нейтральным полюсом, так как HVDC-сеть может быть заземлена или изолирована.
Раскрытый способ содержит этап измерения DC-напряжения смещения Ud, имеющего полярность и значение, этап определения того, имеется ли условие неисправности, путем сравнения DC-напряжения смещения Ud с пороговым напряжением смещения Ut и этап идентификации тип неисправности на основании полярности и значения DC-напряжения смещения Ud.
Тип неисправности может быть классифицирован на три типа неисправностей, а именно короткое замыкание от положительного к нейтральному полюсу, короткое замыкание от отрицательного к нейтральному полюсу или короткое замыкание от положительного к отрицательному полюсу.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения, DC-напряжение смещения Ud вычисляется из положительного переходного напряжения Up, измеренного на положительном полюсе, и отрицательного переходного напряжения Un, измеренного на отрицательном полюсе. Положительное переходное напряжение Up и отрицательное переходное напряжение Un являются DC-переходными напряжениями, которые измеряются непосредственно через терминалы трансформатора напряжения DC-сети. DC-напряжение смещения Ud вычисляется как среднее значение положительного переходного напряжения Up и отрицательного переходного напряжения Un и может быть представлено следующей формулой:
Ud=(Up+Un)/2.
Предпочтительно пороговое напряжение Ut устанавливается на значение, которое выше, чем максимальное DC-напряжение смещения Ud в нормальном состоянии. Например, пороговое значение Ut устанавливается на значение, которое на 10% выше, чем максимальное DC-напряжение смещения Ud в нормальном состоянии. Это обеспечит корректное, еще раннее обнаружение неисправности, не реагируя на незначительные флуктуации в напряжении.
Во время нормального рабочего состояния мультитерминальной HVDC-сети, величины напряжений, измеренных на положительном и отрицательном полюсах, равны или, другими словами, симметричны. Однако когда возникает неисправность, может восприниматься дисбаланс в напряжениях, и положительное переходное напряжение Up отличается от отрицательного переходного напряжения Un. Этап определения того, существует ли неисправность, выполняется путем оценки, является ли значение DC-напряжения смещения Ud большим, чем пороговое напряжение смещения Ut.
В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения, этап идентификации типа неисправности выполняется путем измерения полярности и значения DC-напряжения смещения Ud. Если полярность DC-напряжения смещения Ud отрицательна, тип неисправности идентифицируется как короткое замыкание от положительного к нейтральному полюсу, если полярность DC-напряжения смещения (Ud) положительна, тип неисправности идентифицируется как короткое замыкание от отрицательного к нейтральному полюсу, и если DC-напряжение смещения (Ud) имеет большее значение, чем пороговое напряжение смещения (Ut), тип неисправности идентифицируется как короткое замыкание от положительного к отрицательному полюсу. Путем идентификации типа неисправности, может быть запущен процесс для селективной изоляции неисправной линии, чтобы обеспечить механизм защиты, как раскрыто в настоящем изобретении. Кроме того, в соответствии с альтернативным вариантом осуществления настоящего изобретения, идентификация типа неисправности основана только на измерении полярности DC-напряжения смещения Ud, следовательно, это предъявляет менее строгие требования к точности измерения.
В случае если DC-напряжение смещения Ud имеет меньшее значение, чем пороговое напряжение смещения Ut, то никакое условие неисправности не обнаруживается. Это означает, что HVDC-сеть работает нормально и без каких-либо неисправностей короткого замыкания. До тех пор пока напряжение смещения Ud имеет значение меньшее, чем пороговое напряжение смещения, это указывает на то, что система работает нормально без каких-либо неисправностей короткого замыкания.
В другом варианте осуществления изобретения, способ содержит этап определения направления тока неисправности. Направление тока неисправности может быть направлением к преобразователю или к DC-линии при измерении на преобразователе. Аналогичным образом, направление тока неисправности может быть направлением к подстанции DC-коммутатора или к DC-линии при измерении на подстанции DC-коммутатора. Направление тока неисправности определяется на основе полярности изменения DC-переходного тока ΔId, измеренного на терминале преобразователя, и полярности изменения DC-переходного тока ΔId, измеренного на терминале подстанции DC-коммутатора, для каждого из упомянутых выше случаев. Способ обеспечивает быстродействующее определение направления любого тока короткого замыкания через всю HVDC-сеть на основе оценки DC-переходного тока. Кроме того, поскольку определение направления неисправности основано только на измерении полярности изменения DC-переходного тока ΔId, не предъявляется строгое требование к высокой точности измерения значений изменения DC-переходного тока ΔId.
Изменение DC-переходного тока ΔId вычисляется как разность между DC-переходным током Id и номинальным DC-током Idc и может быть представлено следующей формулой:
ΔId=Id-Idc.
DC-переходный ток ΔId является током неисправности, который протекает через сеть в состоянии неисправности, такой как короткое замыкание. Он может быть измерен непосредственно через трансформатор тока HVDC-сети. Номинальный DC-ток Idc является током, который протекает через сеть в нормальном рабочем состоянии или в состоянии отсутствия неисправности мультитерминальной HVDC-сети, то есть перед возникновением неисправности.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения, этап определения направления тока неисправности выполняется путем определения полярности изменения DC-переходного тока ΔId таким образом, что когда полярность изменения DC-переходного тока ΔId на терминале преобразователя является отрицательной, то направление тока неисправности соответствует направлению к DC-линии; когда полярность изменения DC-переходного тока ΔId на терминале преобразователя является положительной, то направление тока неисправности соответствует направлению к преобразователю; когда полярность изменения DC-переходного тока ΔId на терминале подстанции DC-коммутатора является положительной, то направление тока неисправности соответствует направлению к DC-линии, а когда полярность изменения DC-переходного тока ΔId на терминале подстанции DC-коммутатора является отрицательной, то направление тока неисправности соответствует направлению к подстанции DC-коммутатора. Определение направления тока неисправности может быть использовано для дифференциальной защиты различных терминалов мультитерминальной HVDC-сети путем селективного блокирования или разблокирования пути тока неисправности.
В другом варианте осуществления дополнительный предварительный критерий установлен для запуска определения направления тока неисправности. Установлено пороговое значение изменения переходного тока ΔIt, которое выше, чем максимальная погрешность измерения трансформатора тока в нормальном рабочем состоянии. Например, пороговое значение изменения переходного тока ΔIt может быть установлено на значение, которое на 10% выше, чем номинальный ток трансформатора тока. Когда изменение DC-переходного тока ΔId имеет значение большее, чем пороговое значение изменения переходного тока ΔIt, то запускается этап определения направления тока неисправности. Это гарантирует, что данный способ устойчив к погрешностям измерений и является отказоустойчивым.
В еще одном варианте осуществления, способ дополнительно содержит этап определения, является ли неисправность внутренней или внешней по отношению к каждой преобразовательной станции, то есть, является ли неисправность внутренней по отношению к преобразовательной станции или внешней по отношению к ней. Это определение осуществляется путем сравнения полярностей изменения DC-переходного тока ΔId между терминалом преобразователя и терминалом подстанции DC-коммутатора. Этот этап обеспечивает создание переходной дифференциальной защиты линии и помогает идентифицировать и изолировать преобразовательную станцию, на которой возникла неисправность.
В одном варианте осуществления, этап определения того, является ли неисправность внутренней или внешней по отношению к преобразовательной станции, выполняется таким образом, что когда полярность изменения DC-переходного тока ΔId на терминале преобразователя и полярность изменения DC-переходного тока ΔId на терминале подстанции DC-коммутатора различны, то неисправность является внутренней. Во время внутренней неисправности, то есть когда неисправность имеет место на конкретной преобразовательной станции, направление тока неисправности на терминале преобразователя, а также на терминале подстанции DC-коммутатора оба соответствуют направлению к DC- линии. И внешняя неисправность определяется по отношению к конкретной преобразовательной станции, когда полярность изменения DC-переходного тока ΔId на терминале преобразователя и полярность изменения DC-переходного тока ΔId на терминале подстанции DC-коммутатора являются одинаковыми. Во время внешней неисправности, то есть когда неисправность возникает не в конкретной преобразовательной станции, а в любой другой преобразовательной станции, направление тока неисправности на терминале преобразователя соответствует направлению к DC-линии, и направление тока неисправности на терминале подстанции DC-коммутатора соответствует направлению к подстанции DC-коммутатора, или направление тока неисправности на терминале преобразователя соответствует направлению к преобразовательной станции, и направление тока неисправности на терминале подстанции DC-коммутатора соответствует направлению к DC-линии.
В другом варианте осуществления изобретения, способ дополнительно содержит этап обеспечения переходной дифференциальной защиты сборной шины для множества терминалов подстанции DC-коммутатора. Когда полярность изменения DC-переходного тока ΔId на всех терминалах подстанции DC-коммутатора является отрицательной, то неисправность является внутренней, а когда полярность изменения DC-переходного тока ΔId на всех терминалах подстанции DC-коммутатора различна, то неисправность является внешней по отношению к конкретной подстанции DC-коммутатора. Переходная дифференциальная защита сборных шин работает на основе сравнения полярности между всеми терминалами или фидерами в одной подстанции DC-коммутатора. Это помогает в идентификации внешней неисправности или внутренней неисправности по отношению к множеству терминалов подстанции DC-коммутатора.
В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения, способ содержит этап определения местоположения переходной неисправности на DC-линии на основании времени распространения бегущих волн, инициированных неисправностью. Этот этап позволяет способу определять местоположение точки генерации неисправности на пораженной DC-линии и изолировать ее так, что мультитерминальная HVDC-сеть продолжает работать с остальными терминалами. Этот признак способствует поддержке DC-линии.
DC-переходное напряжение или ток измеряется непосредственно через трансформаторы напряжения или тока, соответственно, HVDC-сети. Затем вычисляется максимум по модулю, который является строгим локальным абсолютным максимальным значением коэффициентов DC-переходного напряжения или тока. DC-линия имеет два терминала: терминала преобразователя, соединенный с преобразователем, и терминал подстанции DC-коммутатора, соединенный с подстанцией DC-коммутатора. Этап определения местоположения переходной неисправности выполняется на основе времени прихода скачка напряжения или тока на два терминала. Примерный алгоритм обнаружения неисправности для определения местоположения переходной неисправности от первого терминала, скажем, терминала преобразователя, может быть представлен в виде:
L1F=(L-v⋅(t2-t1))/2.
В приведенной выше формуле L1F обозначает расстояние местоположения переходной неисправности от первого терминала, т.е. терминала преобразователя в этом примере; v - скорость бегущих волн, инициированных неисправностью; t1 - время, соответствующее максимуму по модулю напряжения или тока на первом терминале, то есть терминале преобразователя, и t2 - время, соответствующее максимуму по модулю напряжения или тока на втором терминале, то есть терминале подстанции DC-коммутатора в этом примере.
Для определения местоположения переходной неисправности, как DC-переходные напряжения Up, Un, так и ток Id могут быть использованы для HVDC-сетей, имеющих кабельные линии и воздушные линии. Однако для HVDC-сетей, имеющих смешанные линии, может быть использован только переходный ток Id.
В одном варианте осуществления настоящего изобретения раскрыто устройство для защиты от неисправностей мультитерминальной HVDC-сети. Устройство содержит преобразовательную станцию, имеющую положительный полюс и отрицательный полюс, подстанцию DC-коммутатора, DC-линию, соединяющую преобразовательную станцию и подстанцию DC-коммутатора, и детектор переходной неисправности. Детектор переходной неисправности содержит датчик положительного напряжения, измеряющий положительное переходное напряжение Up на положительном полюсе, и датчик отрицательного напряжения, измеряющий отрицательное переходное напряжение Un на отрицательном полюсе, и блок управления, который выполнен с возможностью вывода DC-напряжения смещения Ud из положительного Up и отрицательного Un переходных напряжений. DC-напряжение смещения имеет полярность и значение. Детектор переходной неисправности тип неисправностей короткого замыкания в HVDC-сети. Это способствует идентификации характера неисправности в мультитерминальных сетях как неисправности на положительном полюсе, отрицательном полюсе или между положительным и отрицательным полюсом.
В еще одном варианте осуществления устройство дополнительно содержит детектор направления переходной неисправности для определения направления тока неисправности, проходящего через мультитерминальную HVDC-сеть. Детектор направления переходной неисправности содержит датчик тока для измерения DC-переходного тока Id непосредственно от трансформатора тока.
Вышеупомянутые и другие признаки настоящего изобретения будут теперь рассмотрены со ссылкой на прилагаемые чертежи согласно настоящему изобретению. Проиллюстрированные варианты осуществления предназначены только для иллюстрации, но не ограничения изобретения. Чертежи включают в себя следующие фигуры, на которых одинаковые ссылочные позиции обозначают одинаковые элементы, по всему описанию и чертежам.
Фиг. 1 является схематичным представлением устройства для обеспечения защиты от неисправностей в переходном режиме для мультитерминальной HVDC-сети.
Фиг. 2 показывает блок-схему устройства, как раскрыто в изобретении.
Фиг. 3 показывает блок-схему последовательности операций, содержащую этапы в соответствии с раскрытым способом.
Как показано на фиг. 1, преобразователь 2 содержит два полюса, положительный 3 и отрицательный 4 полюса. Преобразователь 2 соединен с подстанцией DC-коммутатора через DC-линию 7. DC-линия 7 соединяется с преобразователем 2 через терминал 8 преобразователя и с подстанцией DC-коммутатора через терминал 9 подстанции DC-коммутатора. Нейтральный полюс 5 преобразователя 2 может быть либо заземлен, либо изолирован и являться плавающим. Мультитерминальная HVDC-структура может содержать несколько таких преобразователей 2.
При идентификации типа неисправности, идентифицируются три типа неисправностей как короткое замыкание от положительного 3 к нейтральному 5 полюсу, короткое замыкание от отрицательного 4 к нейтральному 5 полюсу или короткое замыкание от положительного 3 к отрицательному 4 полюсу.
Определение направления тока неисправности выполняется в преобразователе, а также в подстанции DC-коммутатора. Направление тока неисправности соответствует направлению либо к преобразователю 2, либо к DC-линии 7, если смотреть от терминала 8 преобразователя 2, либо оно соответствует направлению к подстанции 6 DC-коммутатора или DC-линии 7 при измерении на терминале 9 подстанции 6 DC-коммутатора.
Для обнаружения внешней или внутренней неисправности, идентифицируют для каждого преобразователя 2, возникает ли неисправность в конкретном преобразователе 2 или в любом из других преобразователей в мультитерминальной HVDC-сети 1.
Фиг. 2 показывает блок-схему устройства 10, как раскрыто в настоящем изобретении. Преобразователь 2 соединен через DC-линию 7 с подстанцией 6 DC-коммутатора. Устройство 10 содержит детектор 11 переходной неисправности. Детектор 11 неисправности измеряет переходные напряжения Up, Un на положительном 3 и отрицательном 4 полюсах посредством датчика 12 положительного напряжения и датчика 13 отрицательного напряжения, соответственно. Блок 14 управления получает DC-напряжение смещения Ud из положительного Up и отрицательного Un переходных напряжений. Устройство 10 дополнительно содержит детектор 15 направления переходной неисправности, содержащий датчик 16 тока для определения направления тока неисправности.
В соответствии с другим вариантом осуществления, устройство 10 содержит блок определения местоположения переходной неисправности (не показан на фиг. 2) для определения местоположения неисправности на DC-линии 7. Блок определения местоположения переходной неисправности содержит датчик напряжения для измерения положительного Up или отрицательного Un переходных напряжений или датчик тока для измерения DC-переходного тока Id.
Фиг. 3 показывает этапы, подлежащие выполнению для обеспечения защиты в переходном режиме мультитерминальной HVDC сети 1 от неисправностей короткого замыкания. Способ 100 содержит первый этап 101 измерения DC-напряжения смещения Ud, имеющего полярность и значение. После этого выполняется этап 102 определения, существует ли неисправность. Наконец, выполняется этап 103 идентификации типа неисправности.
Раскрытый способ 100 защищает HVDC сеть 1 от неисправностей короткого замыкания путем идентификации типа неисправности, неисправного преобразователя и дополнительно идентификации местоположения, где была сгенерирована неисправность.
Способ 100 обеспечивает измерение DC-напряжения смещения Ud, имеющего полярность и значение. Когда возникает событие неисправности короткого замыкания, раскрытый способ 100 распознает возникновение неисправности путем сравнения DC-напряжения смещения Ud с пороговым напряжением смещения Ut. Когда DC-напряжение смещения Ud превышает пороговое напряжение смещения Ut, идентифицируется состояние короткого замыкания. Следующим этапом является идентификация типа неисправности как короткое замыкание от положительного 3 к нейтральному 5 полюсу, короткое замыкание от отрицательного 4 к нейтральному 5 полюсу или короткое замыкание от положительного 3 к отрицательному 4 полюсу, на основе полярности и значения DC-напряжения смещения Ud.
Дополнительно способ содержит этап определения направления тока неисправности как направления к преобразователю 2 или DC-линии 7 при измерении на терминале 8 преобразователя или направления к подстанции 6 DC-коммутатора или DC-линии 7 при измерении на терминале 9 подстанции 6 DC-коммутатора. Направление тока неисправности определяется на основе полярности изменения DC-переходного тока ΔId, измеренного на терминале 8 преобразователя, и полярности изменения DC-переходного тока, измеренного на терминале 9 подстанции DC-коммутатора.
Кроме того, способ 100 содержит этап определения того, является ли неисправность внутренней или внешней по отношению к преобразователю 2, путем сравнения полярностей изменения DC-переходного тока ΔId между терминалом 8 преобразователя и терминалом 9 подстанции DC-коммутатора.
В еще одном варианте осуществления способа 100 предусмотрен этап обеспечения переходной дифференциальной защиты сборной шины для множества терминалов подстанции 6 DC-коммутатора. На этом этапе, когда полярность изменения DC-переходного тока ΔId на всех терминалах подстанции 6 DC-коммутатора является отрицательной, то неисправность является внутренней, а когда полярность изменения DC-переходного тока ΔId на всех терминалах подстанции 6 DC-коммутатора различна, то неисправность является внешней по отношению к конкретной подстанции 6 DC-коммутатора.
В еще одном варианте осуществления способ 100 содержит этап определения местоположения переходной неисправности на DC-линии 7 на основе времени распространения бегущих волн, инициированных неисправностью.
Хотя изобретение было описано со ссылкой на конкретные варианты осуществления, это описание не следует истолковывать в ограничивающем смысле. Различные модификации раскрытых вариантов осуществления, а также альтернативные варианты осуществления настоящего изобретения станут очевидными специалистам в данной области техники при обращении к описанию изобретения. Поэтому предполагается, что такие модификации могут выполняться без отклонения от вариантов осуществления настоящего изобретения, как определено.
Список ссылочных позиций
1 - мультитерминальная HVDC-сеть
2 - преобразовательная станция
3 - положительный полюс
4 - отрицательный полюс
5 - нейтральный полюс
6 - подстанция DC-коммутатора
7 - DC-линия
8 - терминал преобразователя
9 - терминал подстанции DC-коммутатора
10 - устройство
11 - детектор переходной неисправности
12 - датчик положительного напряжения
13 - датчик отрицательного напряжения
14 - блок управления
15 - детектор направления переходной неисправности
16 - датчик тока
17 - трансформатор
100 - способ
101 - этап измерения напряжения смещения
102 - этап определения, существует ли неисправность
103 - этап идентификации типа неисправности