一种控制高压直流断路器的方法与流程

本发明涉及电力电子技术领域，特别是涉及一种控制高压直流断路器的方法。

背景技术：

近年来随着输电技术的发展，直流输电技术应用越来越广泛，直流输电系统已经成为电力输送网不可缺少的一部分。直流输电系统与交流输电系统相比，由于其阻尼低，故障发展快，造成出现控制保护难度大等一系列的故障处理难题。

为了解决这些难题，借鉴了传统交流输电系统故障处理的方法，采用高压直流断路器进行有效的故障隔离。在直流输电系统中，包括多个高压直流断路器，每个高压直流断路器具有多个输入输出端。图1为现有技术中高压直流断路器的结构图。如图1所示，高压直流断路器包括一个断流开关S、多个上通流开关S1N和多个下通流开关S2N。断流开关S的上端与上直流母线L1相连，断流开关S的下端与下直流母线L2相连。上直流母线L1与上通流开关S1N的上端连接，下直流母线L2与下通流开关S2N的下端连接，上通流开关S1N的下端与下通流开关S2N的上端连接，输入输出端I/O的上端经限流电抗器L与上通流开关S1N的下端和下通流开关S2N的上端相连，输入输出端I/O的下端与换流器或直流线路连接。

当高压直流断路器所在的线路正常时，高压断路器中的每个上通流开关是导通的，下通流开关是关断的，且断流开关是关断的。因此每个输入输出端通过其对应的上通流开关与供电线路连接，从而为与其连接的直流线路供电。如果某一条直流线路出现故障，则需要控制该直流线路所在的高压直流断路器中的相应的开关进行相应的动作，以隔离发生故障的线路。

现有技术中，对于高压直流断路器的控制方式为：先对各高压直流断路器上的每个线路进行故障定位，当确定了发生故障的线路时，再向对应的高压直流断路器发送断路器动作指令，该断路器动作指令包括动操作指令和断操作指令两部分，所谓动操作指令就是将发生故障的线路的断流开关导通，上通流开关关断，下通流开关导通；所谓断操作指令就是在动操作指令的基础上，将该高压直流断路器中的断流开关再次关断。上述过程就是控制高压直流断路器的方法，但是由于高压直流断路器在执行断路器动作指令时，无论是动操作指令还是断操作指令均有一定的延时，尤其是动操作过程受机械开关的影响，延时更长。而发送断路器动作指令时，所在的线路已经出现了故障，在高压断路器执行断路器动作指令的过程中，该故障线路上的电流依然在快速上升，可能超过高压直流断路器电流切断能力的上限，导致高压直流断路器的相应开关并不能按照断路器动作指令进行，因此对于高压直流断路器本身以及发生故障的线路均有较大的冲击和损害。

由此可见，如何降低高压直流断路器的损害和保证高压直流断路器的可靠性是本领域技术人员亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种控制高压直流断路器的方法，能够在电力线路出现故障时，提前控制预故障线路对应的直流断路器进行动操作指令，减少了直流断路器完全断开前故障电流上升时间，降低高压直流断路器的损害并且提高了高压直流断路器的可靠性。

为达到上述目的，本发明提供一种控制高压直流断路器的方法，包括以下步骤：

S10：获取电力线路中各高压直流断路器所在的各直流线路上的电信号参数，并依据预故障判断规则筛选出预故障线路；其中，所述预故障线路的个数大于实际故障线路的个数；

S11：控制各所述预故障线路对应的开关执行动操作指令，同时对各所述预故障线路进行故障定位以确定实际故障线路；

S12：控制各所述实际故障线路对应的开关执行断操作指令，并控制除各所述实际故障线路外的其余预故障线路对应的开关恢复至执行所述动操作指令之前的状态。

优选地，所述S10具体包括：

获取各高压直流断路器的各输入输出端的电流变化率；

判断各所述电流变化率中的最大值是否超过第一预定值；

如果是，则确定超过所述第一预定值的直流线路为所述预故障线路。

优选地，所述S10具体包括：

获取各所述高压直流断路器的各所述输入输出端的电压变化率；

判断各所述电压变化率中的最大值是否超过第二预定值；

如果是，则确定超过所述第二预定值的直流线路为所述预故障线路。

优选地，所述S10具体包括：

获取各所述高压直流断路器的各所述输入输出端的电流变化率和电压变化率；

判断各所述电压变化率与各所述电压变化率的和中的最大值是否超过第三预定值；

如果是，则确定超过所述第三预定值的直流线路为所述预故障线路。

优选地，所述S10具体包括：

获取各所述高压直流断路器的各所述输入输出端的电流变化率和电压变化率；

计算各所述电流变化率与电流变化率基准值的差值以作为各电流有效增量以及各所述电压变化率与电压变化率基准值的差值以作为各电压有效增量；

筛选出各所述电流有效增量中的最大值和各所述电压有效增量中的最大值，并计算各所述电流有效增量与电流有效增量中的最大值的比值以作为各电流统一有效增量，以及各所述电压有效增量与电压有效增量中的最大值的比值以作为各电压统一有效增量；

计算各所述输入输出端的所述电流统一有效增量与所述电压统一有效增量的和以作为统一有效增量总和；

判断各所述统一有效增量总和中的最大值是否超过第四预定值；

如果是，则确定超过所述第四预定值的直流线路为所述预故障线路。

优选地，所述电流变化率对应的时间增量不大于200us。

优选地，所述电压变化率对应的时间增量不大于200us。

优选地，所述第四预定值为1.5。

本发明所提供的一种控制高压直流断路器的方法，实时获取直流线路上的电信号参数，根据预判断规则筛选出预故障线路，且对预故障线路对应的开关执行动操作指令的同时通过现有技术对故障定位，确定出实际的故障线路，再对实际的故障线路对应的开关执行断操作指令，并对除实际故障以外的执行了动操作指令的预故障线路恢复至其执行动操作指令之前的状态。

因此，本发明在线路出现故障之前首先筛选出预故障线路，并且在对预故障线路进行故障定位的同时，就对预故障线路执行了动操作指令，在定位出实际故障线路后，直接对实际故障线路执行断操作指令，而将已经执行动操作指令且不是实际故障线路的线路恢复，从而完成对实际故障线路的隔离，与现有技术相比，本发明能够提前控制预故障线路进行动操作指令，从而节省了在定位出实际故障线路后，再执行动操作指令的时间，所以减少了故障电流的上升时间，进而降低了故障电流超过高压直流断路器的电流切断能力上限的可能性，提高了高压直流断路器的可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中高压直流断路器的结构图；

图2为本发明实施例公开的一种控制高压直流断路器的方法的流程图；

图3为本发明实施例公开的另一种控制高压直流断路器的方法的流程图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。

本发明的核心是提供一种控制高压直流断路器的方法，通过获取各高压直流断路器的电信号参数，再经过预故障判断规则进行判断，筛选出预故障线路，对预故障线路执行动操作指令的同时进行故障定位，故障定位完成后，直接对故障线路执行断操作指令，即可完成对故障线路的隔离。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

实施例一

图2为本发明实施例公开的一种控制高压直流断路器的方法的流程图，如图2所示，该方法具体包括：

S10：获取电力线路中各高压直流断路器所在的各直流线路上的电信号参数，并依据预故障判断规则筛选出预故障线路。

其中，预故障线路的个数大于实际故障线路的个数。

在具体实施时，电力线路包括多个高压直流断路器，每个高压直流断路器有多个输入输出端，每个输入输出端连接一条直流线路。对于步骤S10来说，可以实时获取，也可以周期性地获取，本实施例不作限定。可以理解的是，如果周期性的获取，可以减少运算量，但是有可能错过最佳的采集时间；如果是实时测量，虽然运算量较大，但是能够较及时的获取各直流线路上的电信号的参数。本步骤中电信号参数可以为电流变化率参数、电压变化率参数或电流变化率参数和电压变化率参数的整体。根据预先设置的预故障判断规则，通过获取的电信号参数筛选出各高压直流断路器中，最有可能出现异常的输入输出端，则该输入输出所在的直流线路就是预故障线路。可以理解的是，预故障判断规则相对于现有技术中的精确故障定位规则而言只是为了预先筛选出有可能发生故障的线路，而不是真正发生故障的线路。因此，预故障判断规则比精确故障定位规则更为宽松，换句话说，通过精确故障定位规则能够确定出2条实际故障线路的话，则通过预故障判断规则可以筛选出2条以上的预故障线路，而2条以上的预故障线路中包含了2条实际故障的线路。综上所述，预故障判断规则如何设置需要根据实际情况而定，只要保证经过预故障判断规则判断后，筛选出的预故障线路的个数大于实际故障线路的个数即可。

S11：控制各预故障线路对应的开关执行动操作指令，同时对各预故障线路进行故障定位以确定实际故障线路。

为了让本领域技术人员更加清楚本发明的技术方案，本实施例中以具体例子加以说明，可以理解的是，例子只是一种具体的应用场景，并不代表只能是例子中的一种实施方式。例如：电力线路中包括了4个高压直流断路器，分别为高压直流断路器Q1，高压直流断路器Q2，高压直流断路器Q3和高压直流断路器Q4。每个高压直流断路器中均包括多个输入输出端，输入输出端的数量可以相同，也可以不同，至于高压直流断路器的结构参见图1，本实施例不再赘述。本实施例以各高压直流断路器中包括3个输入输出端为例说明，分别为1号输入输出端、2号输入输出端和3号输入输出端。例如，在具体实施时，通过步骤S10的判断，高压直流断路器Q1的1号输入输出端对应的直流线路为预故障线路、高压直流断路器Q3的2号输入输出端对应的直流线路为预故障线路和高压直流断路器Q4的2号输入输出端对应的直流线路为预故障线路。则对高压直流断路器Q1中相应的开关(预故障线路所在的开关)、高压直流断路器Q3中相应的开关(预故障线路所在的开关)和高压直流断路器Q4中相应的开关(预故障线路所在的开关)执行动操作指令，可以理解的是，就是对高压直流断路器Q1的1号输入输出端、高压直流断路器Q3的2号输入输出端和高压直流断路器Q4的2号输入输出端所在的开关以及高压直流断路器Q1的断流开关、高压直流断路器Q2的断流开关、和高压直流断路器Q3的断流开关执行动操作指令。其中，在本实施例中，动操作指令则为导通高压直流断路器Q1、高压直流断路器Q3和高压直流断路器Q4的断流开关，导通高压直流断路器Q1的1号输入输出端、高压直流断路器Q3的2号输入输出端和高压直流断路器Q4的2号输入输出端对应的下通流开关，关断高压直流断路器Q1的1号输入输出端、高压直流断路器Q3的2号输入输出端和高压直流断路器Q4的2号输入输出端对应的上通流开关。

需要说明的是，在执行动操作指令时，故障定位操作也同时在进行，因为已经筛选出预故障线路，所以在进行故障定位时，只需要对预故障线路进行故障定位即可。其中，由于故障定位采用的是现有技术，本实施例暂不赘述其具体的操作过程。

S12：控制各实际故障线路对应的开关执行断操作指令，并控制除各实际故障线路外的其余预故障线路对应的开关恢复至执行动操作指令之前的状态。

在具体实施时，故障定位完成后，立即对确定出现故障的线路直接执行断操作指令，断操作指令实际为关断出现故障的高压断路器的断流开关。同时对未出现故障的预故障线路的对应开关恢复其未执行动操作指令之前的状态，即将未故障的预故障线路的上通流开关导通，下通流开关关断。

可以理解的是，如上述举例，定位出高压直流断路器Q1的1号输入输出端对应的预故障线路为故障线路，则对高压直流断路器Q1对应的开关执行断操作指令，即关断高压直流断路器Q1的断流开关。同时将高压直流断路器Q3和高压直流断路器Q4所对应的开关恢复至未执行动操作指令之前，即导通高压直流断路器Q3的2号输入输出端和高压直流断路器Q4的2号输入输出端对应的上通流开关，关断高压直流断路器Q3的2号输入输出端和高压直流断路器Q4的2号输入输出端对应的下通流开关。

为了让本领域技术人员更清楚上述实施例中高压直流断路器在不同状态下各开关的导通和关断情况，下面根据上述实施例中的具体例子，再利用表1说明不同状态下各高压直流断路器中各开关的导通和关断情况。

高压直流断路器Q1的1号输入输出端、高压直流断路器Q3的2号输入输出端和高压直流断路器Q4的2号输入输出端所对应的各开关情况如表1中动操作状态一栏和断操作状态一栏所示。

表1

其中，表1中Q1-1号、Q3-2号和Q4-2号分别代表高压直流断路器Q1的1号输入输出端、高压直流断路器Q3的2号输入输出端和高压直流断路器Q4的2号输入输出端。表中原始状态一栏表示的是电力线路未发生故障时，高压直流断路器Q1的1号输入输出端、高压直流断路器Q3的2号输入输出端和高压直流断路器Q4的2号输入输出端所对应的各开关情况。表中“-”表示对各开关没有执行任何操作。

在本发明实施例中，在进行故障定位的同时，就对预故障线路执行了动操作指令，在定位出故障线路后，直接对故障线路执行断操作指令，即可完成对故障线路的隔离，与现有技术相比，本发明节省了在定位出故障线路后，再执行动操作指令的时间，所以减少了故障电流的上升时间，进而降低了故障电流超过高压直流断路器的电流切断能力上限的可能性，提高了高压直流断路器的可靠性。

实施例二

通过实施例一的介绍，为了使本领域技术人员更清楚在获取电力线路中各高压直流断路器所在的各直流线路上的不同电信号参数时，如何具体实施操作进行更具体的解释。

当测量的电信号参数为电流变化率参数时，则步骤S10具体包括如下步骤，其余步骤参见上文中S11和S12的说明。

S20：获取各高压直流断路器的各输入输出端的电流变化率。

S21：判断各电流变化率中的最大值是否超过第一预定值。其中，如果是，则确定超过第一预定值的直流线路为预故障线路。

在具体实施时，实时测量的电信号为电流信号I_di，根据公式(1)计算出各输入输出端的电流变化率，其中ΔI_di表示电流变化率，dt表示选取的时间增量为t，t不大于200us，dI_di表示选取的时间增量为dt时，直流电流在初始时刻的值与直流电流在达到时间增量dt时刻的值的差值，i表示第i号输入输出端，i为正整数。如i＝3，则ΔI_d3表示第3号输入输出端的电流变化率。根据公式计算出各高压直流断路器中各输入输出端的电流变化率后，判断各高压直流断路器电流变化率中的最大值是否超过第一预定值，如果超过，则该电流变化率对应的直流线路确定为预故障线路。

需要说明的是，测量的电信号参数为电流变化率时，预故障判断规则即为超过第一预定值的直流线路为预故障线路。其中，第一预定值可根据实际情况进行调整，如要求对预故障线路判断尽可能的精确，则第一预定值可设置偏大一些，但是与现有技术比，所筛选出的预故障线路个数还是大于实际故障线路的个数。

当测量的电信号参数为电压变化率时，则步骤S10具体包括如下步骤，其余步骤参见上文中S11和S12的说明。

S30：获取各高压直流断路器的各输入输出端的电压变化率。

S31：判断各电压变化率中的最大值是否超过第二预定值，如果是，则确定超过第二预定值的直流线路为预故障线路。

在具体实施时，实时测量的电信号为电压信号U_di，根据公式(2)计算出各输入输出端的电压变化率，其中ΔU_di表示电压变化率，dt表示选取的时间增量为t，t不大200us，dU_di表示选取的时间增量为dt时，直流电压在初始时刻的值与直流电压在达到时间增量dt时刻的值的差值。根据公式计算出各高压直流断路器中各输入输出端的电压变化率后，判断各高压直流断路器电压变化率中的最大值是否超过第二预定值，如果超过，则该电压变化率对应的直流线路确定为预故障线路。

需要说明的是，测量的电信号参数为电压变化率时，预故障判断规则即为超过第二预定值的直流线路为预故障线路。其中，第二预定值可根据实际情况进行调整，如要求对预故障线路判断尽可能的精确，则第二预定值可设置偏大一些，但是与现有技术比，所筛选出的预故障线路个数还是大于实际故障线路的个数。

当测量的电信号参数为电流变化率和电压变化率时，则步骤S10具体包括如下步骤，其余步骤参见上文中S11和S12的说明。

S40：获取各高压直流断路器的各输入输出端的电流变化率和电压变化率。

S41：判断各电压变化率与各电压变化率的和中的最大值是否超过第三预定值，如果是，则确定超过第三预定值的直流线路为预故障线路。

在具体实施时，实时测量的电信号为各输入输出端的电流信号I_di和电压信号U_di，根据公式(3)计算出电流变化率与电压变化率的和，其中ΔI_diU_di表示电流变化率与电压变化率的和，根据公式计算出各输入输出端的电流变化率与电压变化率的和后，判断各高压直流断路器电流变化率与电压变化率的和中最大值是否超过第三预定值，如果超过，则该电流变化率与电压变化率的各对应的直流线路确定为预故障线路。

需要说明的是，测量的电信号参数为电流变化率和电压变化率时，预故障判断规则即为超过第三预定值的直流线路为预故障线路。其中，第三预定值可根据实际情况进行调整，如要求对预故障线路判断尽可能的精确，则第三预定值可设置偏大一些，但是与现有技术比，所筛选出的预故障线路个数还是大于实际故障线路的个数。

其中，上述实施例中提及的公式(1)、(2)和(3)分别为

实施例三

为了提高对预故障线路判断的准确性，进一步减少故障定位时的时间，本发明实施例还公开了另一种控制高压直流断路器的方法，即相对于实施例二中的各例，在对电信号参数计算上进行了改进，如图3所示，图3为本发明实施例公开的另一种控制高压直流断路器的方法的流程图。其中，实施例一中的步骤S10包括步骤S50-步骤S54，具体过程如下：

S50：获取各高压直流断路器的各输入输出端的电流变化率和电压变化率。

S51：计算各电流变化率与电流变化率基准值的差值以作为各电流有效增量以及各电压变化率与电压变化率基准值的差值以作为各电压有效增量。

在具体实施时，获取到各输入输出端的电流变化率和电压变化率后，计算电流有效增量的公式为(4)，计算电压有效增量的公式为(5)。其中，K_Ii表示直流电流变化率的有效增量，K_Ui表示直流电压变化率的有效增量，r_Iref为直流电流变化率的基准值，r_Uref为直流电压变化率的基准值。

需要说明的是，由于r_Iref和r_Uref受高压直流输电系统拓扑结构、平波电抗器、输电线路等参数的影响，因此，根据高压直流输电系统参数的不同其值的大小也会不同，具体值可通过仿真确定，其中，r_Iref大于高压直流输电系统中直流电流阶跃响应的变化率，r_Uref大于高压直流输电系统中直流电压阶跃响应电压的变化率。通过计算，当K_Ii或K_Ui出现负值时，则直接设置K_Ii或K_Ui的值为0。

S52：筛选出各电流有效增量中的最大值和各电压有效增量中的最大值，并计算各电流有效增量与电流有效增量中的最大值的比值以作为各电流统一有效增量，以及各电压有效增量与电压有效增量中的最大值的比值以作为各电压统一有效增量。

在具体实施时，从计算出的所有电流有效增量中挑选出最大值，作为电流有效增量的最大值，通过公式(6)计算出电流统一有效增量。从计算出的所有电压有效增量中挑选出最大值，作为电压有效增量的最大值，通过公式(7)计算出电压统一有效增量。其中M_Ii表示电流变化率的统一有效增量，K_Imax为所有电流变化率的有效增量K_Ii中的最大值，M_Ui表示电压变化率的统一有效增量，K_Umax为所有直流电压变化率的有效增量K_Ui中的最大值。

需要说明的是，当K_Imax或K_Umax为0时，则M_Ii或M_Ui直接设置为0。

S53：计算各输入输出端的电流统一有效增量与电压统一有效增量的和以作为统一有效增量总和。

在具体实施时，通过公式(8)计算各输入输出端的电流统一有效增量与电压统一有效增量的和，二者的和P_i即为统一有效增量总和。

S54：判断各统一有效增量总和中的最大值是否超过第四预定值，如果是，则确定超过第四预定值的直流线路为预故障线路。

在具体实施时，挑选出各高压直流断路器统一有效增量总和中的最大值，判断各最大值是否超过第四预定值，即P_imax是否大于第四预定值，如果超过，则确定该最大值所对应的直流线路为预故障线路。

其中，上述实施例中提及的公式(4)、(5)、(6)、(7)和(8)分别为

P_i＝M_Ui+M_Ii(8)

例如，第四预定值为1.5，当1号高压直流断路器中统一有效增量总和的最大值为1.7时，超过第四预定值1.5，则1号高压直流断路器中统一有效增量总和中的最大值所对应的直流线路为预故障线路，当然，第四预定值也可以根据实际情况进行调整，本实施例不做具体限定。

S11：控制各预故障线路对应的开关执行动操作指令，同时对各预故障线路进行故障定位以确定实际故障线路。

S12：控制各实际故障线路对应的开关执行断操作指令，并控制除各实际故障线路外的其余预故障线路对应的开关恢复至执行动操作指令之前的状态。

需要说明的是，步骤S11和步骤S12在实施例一中已经详细描述，本实施暂不在赘述。

在本实施例中，获取到各高压直流断路器的电压变化率和电流变化率后，还进行了更精确的计算，挑选出的预故障线路更加准确，以尽量减少直流断路器动作个数，在满足故障点及时准确隔离的情况下，延长直流断路器的使用寿命。

以上对本发明所提供的一种控制高压直流断路器的方法进行了详细介绍。说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。