CN102761123A - 一种基于安装故障限流器的多直流落点系统分区方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于安装故障限流器的多直流落点系统分区方法，其通过在合适的交流线路上安装故障限流器，将多直流落点系统划分为若干个相互之间由故障限流器隔开的区域电网；当多直流落点系统中某个区域电网的交流系统发生短路故障时，故障限流器的阻抗将上升至其额定值，从而增大各个区域电网之间的电气距离，限制短路故障从故障区域电网传递至其它区域电网，提高其它区域电网中交流母线电压，缩短其它区域电网中各回直流线路的换相失败持续时间，加快这些直流线路传输功率的恢复速度，从而缓解多直流落点系统中多回直流线路同时发生换相失败所带来的交流系统功率不平衡和潮流转移问题，提高交流系统短路故障下多直流落点系统的安全稳定性。

Description

一种基于安装故障限流器的多直流落点系统分区方法
技术领域
本发明属于电力系统稳定控制技术领域，具体涉及一种基于安装故障限流器的多直流落点系统分区方法。
背景技术
发电站把石化能、水能、核能、风能和太阳能等转化为电能，电能经整流站、逆变站、变电站和电力线路输送并分配至用户，在那里经电动机、电炉和电灯等负载设备又将电能转化为机械能、热能和光能等。故发电站、整流站、逆变站、变电站、电力线路以及各种用电负载等联系在一起组成的统一整体称为电力系统。
我国能源资源和负荷分布极不平衡，直流输电技术因其在大容量、远距离输电领域的经济技术优势，在我国西电东送工程和全国联网工程中发挥着非常重要的作用。随着越来越多直流工程的投运，我国部分大区电网已经出现多回直流系统的逆变站位于同一交流系统的情况，而且在未来几年中这种现象将更加普遍。当多直流落点(逆变站)位于同一交流系统，则我们称这类电力系统为多直流落点系统。
多直流落点系统中，发电站、逆变站和变电站相互之间通过交流线路连接，各个直流落点之间的电气距离很近，交流系统和直流系统之间、各个直流系统之间的相互作用特性非常复杂。特别是当交流系统发生短路故障时，多回直流线路将同时发生换相失败，交流系统将因多回直流线路传输功率的中断而产生较大的功率不平衡和潮流转移，从而影响到整个多直流落点系统的安全稳定运行。因此，研究如何改善在交流系统短路故障下多直流落点系统的安全稳定性，是电力系统稳定控制技术领域中一项非常重要的课题。
杨卫东和徐政等在标题为混合交直流电力系统的非线性调制策略(中国电机工程学报，2002，22(7)：1-6)的文献中提出了一种非线性直流调制策略以改善大扰动情形下交直流互联系统的动态性能；Reeve J和Lane-Smith S P在标题为Multi-infeed HVDC transient response and recovery strategies(IEEE Trans onPower Delivery，1993，8(4)：1995-2001)的文献中提出了通过改变整流侧的电流参考，采用步进方式恢复直流系统的方法。上述文献中所介绍方法虽然在一定程度上可以改善多直流落点系统的暂态稳定性，但同时也存在增加系统运行的复杂性、降低供电可靠性的缺点，而且在某些情况下其改善效果并不明显。
发明内容
针对现有技术所存在的上述技术缺陷，本发明提供了一种基于安装故障限流器的多直流落点系统分区方法，能够提高短路故障下多直流落点系统的安全稳定性，且实施简单，效果显著。
一种基于安装故障限流器的多直流落点系统分区方法，包括如下步骤：
(1)对多直流落点系统进行短路故障稳定性检测，记录在任一工况下引起多直流落点系统不稳定的短路故障次数k，进而构建对应的故障集合；
所述的故障集合包含有每起引起多直流落点系统不稳定的短路故障的故障信息；
统计多直流落点系统中故障限流器的待选安装线路，所述的待选安装线路包括逆变站与逆变站间的交流线路、变电站与变电站间的交流线路以及逆变站与变电站间的交流线路；
根据故障限流器的待选安装线路，得到
Figure BDA00001873040000021
种故障限流器的安装方案，n为故障限流器的安装个数，m为待选安装线路的条数；
(2)判断
Figure BDA00001873040000022
种安装方案中的安装方案Pi是否有效：若有效，则进入步骤(3)；若无效，则进入步骤(5)；i为自然数且
Figure BDA00001873040000023
i和n的初始值均为1；
(3)确定多直流落点系统在安装方案Pi下的安装效果指标Ji，判断Ji是否大于Jbest：若是，则使Jbest＝Ji，将Ji对应的安装方案Pi作为最优安装方案，并进入步骤(4)；若否，则进入步骤(5)；Jbest的初始值为0；
(4)判断Jbest是否等于k：若是，则根据当前的最优安装方案在多直流落点系统中安装故障限流器以对多直流落点系统进行分区；若否，则进入步骤(5)；
(5)判断i是否等于
Figure BDA00001873040000024
若是，则进入步骤(6)；若否，则使i加1后返回执行步骤(2)；
(6)判断n是否等于最大安装个数：若是，则根据当前的最优安装方案在多直流落点系统中安装故障限流器以对多直流落点系统进行分区；若否，则使n加1使i＝1后执行返回步骤(2)；所述的最大安装个数为实际经验给定值。
所述的步骤(2)中，判断安装方案Pi是否有效的方法如下：
a.构建多直流落点系统的网络模型：将多直流落点系统中的逆变站、发电站以及变电站均作为节点，将多直流落点系统中的交流线路均作为网络线；
b.将多直流落点系统中根据安装方案Pi安装有故障限流器的交流线路对应的网络线从网络模型中删除；
c.从网络模型中任取一节点，判断该节点是否存在邻接节点：若不存在，则判定安装方案Pi有效；若存在，则将该节点及其所有邻接节点合并成一个新节点，并进入步骤d；
d.判断所述的新节点是否存在邻接节点：若不存在，则判定安装方案Pi有效；若存在，则根据步骤c将该新节点及其所有邻接节点合并，进而再进行邻接节点的判断，依此反复执行直至网络模型中的所有节点都被合并，则判定安装方案Pi无效。
若节点B通过网络线与节点A相连，则节点B为节点A的邻接节点。
所述的步骤(3)中，确定多直流落点系统在安装方案Pi下的安装效果指标Ji的方法为：依次将故障集合中的每起短路故障施加于根据安装方案Pi进行分区的多直流落点系统上；对该多直流落点系统进行短路故障稳定性检测，记录故障集合中引起该多直流落点系统不稳定的短路故障个数x，则多直流落点系统在安装方案Pi下的安装效果指标Ji=k-x。
对多直流落点系统进行故障稳定性检测的方法为：若某起故障被清除后，多直流落点系统中所有逆变站及变电站的电压均恢复并保持在0.9pu(标幺值)及以上，则判定多直流落点系统在该故障作用下稳定；若否，则判定多直流落点系统在该故障作用下不稳定。
本发明通过在合适的交流线路上安装故障限流器，将多直流落点系统划分为若干个相互之间由故障限流器隔开的区域电网；当多直流落点系统中的交流系统没有发生短路故障时，故障限流器的阻抗为零，因而故障限流器的运行不会影响交流系统的潮流分布和电压水平；当多直流落点系统中某个区域电网的交流系统发生短路故障时，故障限流器的阻抗将上升至其额定值，从而增大各个区域电网之间的电气距离，限制短路故障从故障区域电网传递至其它区域电网，提高其它区域电网中交流母线电压，缩短其它区域电网中各回直流线路的换相失败持续时间，加快这些直流线路传输功率的恢复速度，从而缓解多直流落点系统中多回直流线路同时发生换相失败所带来的交流系统功率不平衡和潮流转移问题，提高交流系统短路故障下多直流落点系统的安全稳定性。
故本发明在正常情况下使整个多直流落点系统作为一个整体运行，故障情况下将整个系统自动分裂成若干个区域电网，从而有效改善交流系统短路故障后多直流落点系统的安全稳定性；相对现有技术，本发明方法具有简单可靠、不会增加系统运行的复杂性、改善效果明显的优点。
附图说明
图1为本发明多直流落点系统分区方法的步骤流程图。
图2为某一多直流落点系统的结构示意图。
图3为图2安装故障限流器分区后的结构示意图。
图4为分区前和分区后N1的电压变化曲线。
图5为分区前和分区后N2的电压变化曲线。
图6为分区前和分区后N3的电压变化曲线。
图7为分区前和分区后N1的关断角变化曲线。
图8为分区前和分区后N2的关断角变化曲线。
图9为分区前和分区后N3的关断角变化曲线。
图10为分区前和分区后直流线路1的输送功率变化曲线。
图11为分区前和分区后直流线路2的输送功率变化曲线。
图12为分区前和分区后直流线路3的输送功率变化曲线。
图13为分区前和分区后交流线路Z1-N1的输送功率变化曲线。
图14为分区前和分区后交流线路Z2-N2的输送功率变化曲线。
图15为分区前和分区后交流线路Z3-N3的输送功率变化曲线。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明多直流落点系统分区方法进行详细说明。
本实施方式所研究的多直流落点系统如图2所示，送端电网和受端电网构成一个电力系统；其中，发电站G1～G3、变电站B1～B3以及整流站Z1～Z3组成送端电网，发电站G4～G6、逆变站N1～N3、变电站B4～B9以及负载L1～L3组成受端电网。送端电网和受端电网之间共有三回直流线路和三回交流线路(Z1-N1、Z2-N2、Z3-N3)，三回直流线路对应的三个直流落点分别是受端电网的逆变站N1～N3。由于三回直流线路的落点于同一受端电网，所以该受端电网为一个典型的多直流落点系统。
如图1所示，针对上述多直流落点系统的基于安装故障限流器的系统分区方法，包括如下步骤：
(1)对多直流落点系统进行短路故障稳定性检测：若某起故障被清除后，多直流落点系统中所有逆变站及变电站的电压均恢复并保持在0.9pu及以上，则判定多直流落点系统在该故障作用下稳定；若否，则判定多直流落点系统在该故障作用下不稳定；
记录在任一工况下引起多直流落点系统不稳定的短路故障次数k，进而构建对应的故障集合；故障集合包含有每起引起多直流落点系统不稳定的短路故障的故障信息；本实施方式中，通过电力系统暂态稳定分析软件对多直流落点系统进行短路故障稳定性检测，测得某一工况下当变电站B6发生三相短路故障时系统无法稳定。
统计多直流落点系统中故障限流器(FCL)的待选安装线路，待选安装线路包括逆变站与逆变站间的交流线路、变电站与变电站间的交流线路以及逆变站与变电站间的交流线路；在本实施方式的多直流落点系统中，待选安装线路为B4-B5、B5-B6、N1-B4、N2-B5和N3-B6共五条。
根据故障限流器的待选安装线路，得到
Figure BDA00001873040000051
种故障限流器的安装方案，n为故障限流器的安装个数；
(2)判断
Figure BDA00001873040000052
种安装方案中的安装方案Pi是否有效(令i和n的初始值均为1)：若有效，则进入步骤(3)；若无效，则进入步骤(5)；i为自然数且
Figure BDA00001873040000061
Figure BDA00001873040000062
判断安装方案Pi是否有效的方法如下：
a.构建多直流落点系统的网络模型：将多直流落点系统中的逆变站、发电站以及变电站均作为节点，将多直流落点系统中的交流线路均作为网络线；
b.将多直流落点系统中根据安装方案Pi安装有故障限流器的交流线路对应的网络线从网络模型中删除；
c.从网络模型中任取一节点，判断该节点是否存在邻接节点：若不存在，则判定安装方案Pi有效；若存在，则将该节点及其所有邻接节点合并成一个新节点，并进入步骤d；
d.判断所述的新节点是否存在邻接节点：若不存在，则判定安装方案Pi有效；若存在，则根据步骤c将该新节点及其所有邻接节点合并，进而再进行邻接节点的判断，依此反复执行直至网络模型中的所有节点都被合并，则判定安装方案Pi无效。
(3)确定多直流落点系统在安装方案Pi下的安装效果指标Ji：依次将故障集合中的每起短路故障施加于根据安装方案Pi进行分区的多直流落点系统上；对该多直流落点系统进行短路故障稳定性检测，记录故障集合中引起该多直流落点系统不稳定的短路故障个数x，则多直流落点系统在安装方案Pi下的安装效果指标Ji＝k-x；
判断Ji是否大于Jbest(Jbest的初始值为0)：若是，则使Jbest=Ji，将Ji对应的安装方案Pi作为最优安装方案，并进入步骤(4)；若否，则进入步骤(5)；
(4)判断Jbest是否等于k：若是，则根据当前的最优安装方案在多直流落点系统中安装故障限流器以对多直流落点系统进行分区；若否，则进入步骤(5)；
(5)判断i是否等于
Figure BDA00001873040000063
若是，则进入步骤(6)；若否，则使i加1后返回执行步骤(2)；
(6)判断n是否等于最大安装个数nmax：若是，则根据当前的最优安装方案在多直流落点系统中安装故障限流器以对多直流落点系统进行分区；若否，则使n加1使i＝1后执行返回步骤(2)；本实施方式中，nmax＝3。
本实施方式中，当n＝1时，则共有
Figure BDA00001873040000071
种故障限流器的安装方案，但这5种安装方案都无法使系统在B6三相短路故障下保持稳定；故使n＝2，则对应有
Figure BDA00001873040000072
种故障限流器的安装方案，这10种安装方案中的P1如图3所示，其在B4-B5和B5-B6两条交流线路上各安装一台故障限流器，通过有效性判断和故障稳定性检测分析，证明该安装方案是一个有效的安装方案且能够使系统在B6三相短路故障下保持稳定；故最后多直流落点系统按该安装方案在B4-B5和B5-B6两条交流线路上安装故障限流器以对多直流落点系统进行分区。
为了进一步验证本实施方式的实际作用效果，图4至图15给出了分区前和分区后系统在B6三相短路故障下的暂态响应曲线。在图4至图15中，实线表示分区前系统变量的暂态响应曲线，虚线表示分区后系统变量的暂态响应曲线。
如图4至图6所示，在分区前，当B6发生三相短路故障时，由于受端电网内部电气联系紧密，整个受端电网电压水平将大幅下降。由于交流母线电压的下降，三回直流线路的逆变站N1～N3的关断角将立即下降至0°，即三回直流线路将立即发生换相失败，三回直流线路的输送功率将因而立即大幅下降。从图7至图9可以看出，三回直流线路第1次换相失败的持续时间相对较长，依次分别为140ms、90ms和200ms，而且直流线路1、3均还将发生1次后继换相失败，故三回直流线路的输送功率恢复困难。故障期间，损失的直流功率将转移至与三回直流线路并联的三回交流线路(Z1-N1、Z2-N2、Z3-N3)上。如图13至图15所示，在系统失稳之前，交流线路Z1-N1、Z2-N2、Z3-N3上通过的有功功率最高值分别为3150MW、3100MW和3200MW。大量潮流的转移将导致交流线路Z1-N1、Z2-N2、Z3-N3严重过载，并继而引起系统电压的下降和交流通道两侧机组功角的逐渐拉开。最终，逆变站N1～N3的电压均无法恢复保持在0.9pu及以上，整个系统无法保持稳定。
在分区后，当B6发生三相短路故障时，由于故障限流器的作用，非故障区域1、2与故障区域3之间的电气距离将明显增大，短路故障将难以传递至区域1、2。因此，如图4和图5所示，非故障区域各母线电压将可以维持在较高水平。对比图4和图5中的2条曲线可见，N1和N2电压的最低值分别从分区前的0.45pu和0.33pu上升至了分区后的0.96pu和0.94pu。由于N1和N2的电压较高，N1和N2关断角为0°的时间较短，即直流线路1和2的换相失败持续时间较短。对比图7和图8中的2条曲线可见，直流线路1和2换相失败的持续时间从分区前的140ms和90ms均下降到了分区后的40ms，而且在随后的恢复过程中均不会发生后继换相失败。对比图10至图12中的3条曲线可见，分区后三回直流线路输送功率的恢复速度明显加快。三回直流线路输送功率的快速恢复有效缓解了三回交流通道的潮流转移压力。对比图13至图15中的三条曲线可见，交流线路Z1-N1、Z2-N2、Z3-N3上通过的有功功率最高值分别从分区前的3150MW、3100MW和3200MW下降至分区后的2650MW、2750MW和3150MW。因此，在同样的故障情况下，逆变站N1～N3和变电站B4～B9的电压均可恢复并保持在0.9pu及以上，分区后的多直流落点系统可以保持稳定。
由上述对比结果可看出：在采用本实施方式分区后，当交流系统发生短路故障时，故障限流器可以阻隔交流系统短路故障在各区域电网之间的传递，缩短各回直流线路换相失败持续时间，加快各回直流线路输送功率的恢复，缓解多回直流同时发生换相失败所引起的交流系统功率不平衡和潮流转移问题，有效提升多直流落点系统的安全稳定性。

Claims (4)

1.一种基于安装故障限流器的多直流落点系统分区方法，包括如下步骤：
(1)对多直流落点系统进行短路故障稳定性检测，记录在任一工况下引起多直流落点系统不稳定的短路故障次数k，进而构建对应的故障集合；
统计多直流落点系统中故障限流器的待选安装线路；根据故障限流器的待选安装线路，得到
Figure FDA00001873039900011
种故障限流器的安装方案，n为故障限流器的安装个数，m为待选安装线路的条数；
(2)判断种安装方案中的安装方案Pi是否有效：若有效，则进入步骤(3)；若无效，则进入步骤(5)；i为自然数且i和n的初始值均为1；
(3)确定多直流落点系统在安装方案Pi下的安装效果指标Ji，判断Ji是否大于Jbest：若是，则使Jbest＝Ji，将Ji对应的安装方案Pi作为最优安装方案，并进入步骤(4)；若否，则进入步骤(5)；Jbest的初始值为0；
(4)判断Jbest是否等于k：若是，则根据当前的最优安装方案在多直流落点系统中安装故障限流器以对多直流落点系统进行分区；若否，则进入步骤(5)；
(5)判断i是否等于
Figure FDA00001873039900014
若是，则进入步骤(6)；若否，则使i加1后返回执行步骤(2)；
(6)判断n是否等于最大安装个数：若是，则根据当前的最优安装方案在多直流落点系统中安装故障限流器以对多直流落点系统进行分区；若否，则使n加1使i＝1后执行返回步骤(2)。
2.根据权利要求1所述的基于安装故障限流器的多直流落点系统分区方法，其特征在于：所述的步骤(2)中，判断安装方案Pi是否有效的方法如下：
a.构建多直流落点系统的网络模型：将多直流落点系统中的逆变站、发电站以及变电站均作为节点，将多直流落点系统中的交流线路均作为网络线；
b.将多直流落点系统中根据安装方案Pi安装有故障限流器的交流线路对应的网络线从网络模型中删除；
c.从网络模型中任取一节点，判断该节点是否存在邻接节点：若不存在，则判定安装方案Pi有效；若存在，则将该节点及其所有邻接节点合并成一个新节点，并进入步骤d；
d.判断所述的新节点是否存在邻接节点：若不存在，则判定安装方案Pi有效；若存在，则根据步骤c将该新节点及其所有邻接节点合并，进而再进行邻接节点的判断，依此反复执行直至网络模型中的所有节点都被合并，则判定安装方案Pi无效。
3.根据权利要求1所述的基于安装故障限流器的多直流落点系统分区方法，其特征在于：所述的步骤(3)中，确定多直流落点系统在安装方案Pi下的安装效果指标Ji的方法为：依次将故障集合中的每起短路故障施加于根据安装方案Pi进行分区的多直流落点系统上；对该多直流落点系统进行短路故障稳定性检测，记录故障集合中引起该多直流落点系统不稳定的短路故障个数x，则多直流落点系统在安装方案Pi下的安装效果指标Ji=k-x。
4.根据权利要求1或3所述的基于安装故障限流器的多直流落点系统分区方法，其特征在于：对多直流落点系统进行故障稳定性检测的方法为：若某起故障被清除后，多直流落点系统中所有逆变站及变电站的电压均恢复并保持在0.9pu及以上，则判定多直流落点系统在该故障作用下稳定；若否，则判定多直流落点系统在该故障作用下不稳定。
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