CN103746400B - 一种高压直流输电最后断路器及最后线路保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压直流输电最后断路器及最后线路保护方法，所述高压直流输电的直流逆变侧换流母线同时接有500KV交流场以及220KV交流场，其包括以下步骤：步骤1、当500KV交流场发生全部断线时，隔离所述500KV交流场对应的最后断路器引发的直流闭锁信号，直流逆变侧换流母线通过自耦变压器经220KV交流场向外传输电力；步骤2、检测所述向外传输电力的220kV交流场和自耦变压器是否发生过载情况，当220kV交流场或自耦变压器中至少一个发生过载时，降低直流输电线路上传输的功率。该方法与传统最后断路器动作保护策略相比，最有更大的灵活性，且能够尽可能大的保证受端的电力需求。

Description

一种高压直流输电最后断路器及最后线路保护方法

技术领域

本发明涉及高压直流输电技术领域，具体涉及一种高压直流输电最后断路器及最后线路保护的改进方法。

背景技术

高压直流输电鉴于其传输容量高、可控性高等优点被广泛应用于国内外电网。随着电力电子技术的不断发展，传输容量不断提高。在高压直流输电系统中，通常会配置最后断路器及最后线路保护，避免换流站最后线路切除或最后断路器跳闸时危及一次设备安全。

目前国内直流输电应用较多的传输电压水平为正负500kV，直流逆变侧换流母线接有500kV交流场，以及通过自耦变压器接有220kV交流场向外传输电力。而直流受端通常落点重负荷区，一旦500kV交流场最后断路器或最后线路保护动作启动直流闭锁，可能会导致受端交流系统限负荷，甚至给系统安全带来很大风险。

高压直流闭锁是指：移除换流阀的触发脉冲，触发脉冲移除后，电流一旦为零，阀组就会自动关断。闭锁的主要目的是取消触发脉冲，是换流阀处于关断状态，直流不再传输电力。

高压直流换流站的最后断路器及最后线路保护设计通常基于交流场出线结构，对于同时有500kV和220kV交流场的换流站，最后断路器和最后线路保护设计也是基于直流落点交流场的出线结构。由于一些直流逆变侧同时接有500kV和220kV交流场，因此，本发明研究的500kV交流场最后断路器或线路保护动作后直流不需要闭锁，只需通过自耦变以及所连的220kV交流场向受端交流系统继续送电可以作为最后断路器或最后线路保护改进的技术方向。

但由于500kV交流场最后断路器动作以后，所有500kV交流母线全部断开，直流传输的电力全部通过220kV交流场向外输送电力，此时有可能造成220kV交流线路或自耦变压器过载，或者当某条交流线路故障时，造成系统崩溃。故本发明除了改进了最后断路器动作方案以外，同时加以直流降功率防止直流逆变侧交流母线过载，且直流降功率可增加系统稳定性。

发明内容

针对以上不足，本发明的目的是提供一种高压直流输电最后断路器及最后线路保护方法，其在直流输电受端500kV交流场发生断线故障后，最后断路器不给予动作信号，直流输电功率继续通过220kV交流场向外传输电力，保证受端电网的需求。

为实现以上目的，本发明采取了的技术方案是：

一种高压直流输电最后断路器及最后线路保护方法，所述高压直流输电的直流逆变侧换流母线同时接有500KV交流场以及220KV交流场，其包括以下步骤：

步骤1、当500KV交流场发生全部断线时，隔离所述500KV交流场对应的最后断路器引发的直流闭锁信号，直流逆变侧换流母线通过自耦变压器经220KV交流场向外传输电力；

步骤2、检测所述向外传输电力的220kV交流场和自耦变压器是否发生过载情况，当220kV交流场或自耦变压器中至少一个发生过载时，降低直流输电线路上传输的功率。

所述220kV交流场是否发生过载情况的检测方法是：当220kV交流场的潮流功率大于该220kV交流场的额定功率时，则为220kV交流场的过载。

所述自耦变压器是否发生过载情况的检测方法是：当自耦变压器公共绕组的视在功率大于其公共绕组的额定容量时，则为自耦变压器的过载；其中，

公共绕组的视在功率为：

$S_G=\sqrt{{(P_2-\frac{P_1}{k_{12}})}^2+{(Q_2-\frac{Q_1}{k_{12}})}^2}$

S_G为自耦变压器公共绕组的视在功率，P₁、Q₁分别为自耦变压器高压绕组侧有功功率和无功功率，P₂、Q₂分别为自耦变压器中压绕组侧的有功功率和无功功率，k₁₂为自耦变压器高压绕组侧和中压绕组侧的额定电压比例系数；

公共绕组额定容量：

S_GN=K_bS_1N

S_GN为自耦变压器公共绕组的额定容量，K_b为效益系数，S_1N为自耦变压器高压绕组侧的额定容量。

该方法还包括步骤3、直流输电功率降低后，检测直流逆变侧换流母线是否过电压，如果过电压，则切除直流逆变侧的部分无功补偿装置，以稳定直流逆变侧换流母线电压。

直流逆变侧换流母线是否过电压的检测方法是：直流逆变侧换流母线在工频下交流电压均方根值升高，超过其额定值的10%，并且持续时间大于1分钟的长时间电压变动。

本发明的目的是针对现有技术不足而提出一种高压直流输电最后断路器及最后线路保护的改进方法，其特点当直流输电受端500kV交流场发生断线故障后，最后断路器不触发直流闭锁信号，直流输电功率继续通过220kV交流场向外传输电力，保证受端电网的需求。同时为了防止220kV交流场出现过载情况，通过直流降功率策略，在保证直流继续输送电力的同时，增加了系统的稳定性。该方法与传统最后断路器动作保护策略相比，最有更大的灵活性，且能够尽可能大的保证受端的电力需求。

本发明具有如下优点：

在500kV交流场最后断路器动作时，没有触发直流闭锁信号，直流输电功率继续通过220kV交流场向负荷传输电力，保证了输电的可靠性。在防止直流逆变侧220kV交流线路和自耦变压器过负荷的基础上，进行直流降功率运行，同时直流输电功率的下降增加了系统的稳定性。

附图说明

图1为本发明一种高压直流输电最后断路器及最后线路保护方法的流程图。

图2为自耦变压器原理图。

其中，P₁、Q₁分别为自耦变压器高压绕组侧有功功率和无功功率，P₂、Q₂分别为自耦变压器中压绕组侧的有功功率和无功功率，P₃、Q₃分别为自耦变压器高压绕组侧低压绕组侧有功功率和无功功率，I_G为公共绕组电流。

图3为直流逆变侧换流母线电压曲线图。

由图3知，直流逆变侧换流母线电压没有出现过电压情况。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。

请参照图1所示，高压直流输电最后断路器及最后线路保护方法，高压直流输电的直流逆变侧换流母线同时接有500KV交流场以及220KV交流场，其包括以下步骤：

S101、检测500kV交流场线路是否发生断线，发生断线的方式包括但不局限于断线故障以及自耦变压器检修时断开500kV交流场线路。

S102、如果500kV交流场线路全部断开，则执行步骤S104，反之，则执行步骤S103。实际运行中，如果还有500kV交流场线路没有断开，那么最后断路器就不会动作，也不会触发直流闭锁信号，这种情况不属于本发明讨论的内容。

S103、直流逆变侧换流母线通过500kV交流场、以及通过自耦变压器经220kV交流场二种方式共同向外传输电力。

S104、隔离该断开的500kV交流场的最后断路器引发的直流闭锁，即修改该断开的500kV交流场的最后断路器的控制逻辑，使其不触发直流闭锁信号。

S105、直流逆变侧换流母线通过自耦变压器经220kV交流场向外传输电力。

S106、对向外传输电力的自耦变压器和220kV交流场的过载情况进行监视。由于500kV交流场最后断路器动作以后，所有500kV交流场的交流母线全部断开，直流传输的电力全部通过220kV交流场向外输送电力，此时有可能造成220kV交流线路或自耦变压器过载，或者当某条交流线路故障时，造成系统崩溃。

S107、当220kV交流线路或自耦变压器发生过载情况，则执行步骤S108，反之，执行步骤S106进行实时检测。

其中，对自耦变压器是否发生过载情况的检测方法是：实时工况下自耦变压器公共绕组的视在功率，以此将视在功率与额定容量进行比较，当自耦变压器公共绕组的视在功率大于其公共绕组的额定容量时，则为自耦变压器的过载。

请参照图2所示，自耦变压器数学模型为：

高压绕组侧三相复功率：

$\stackrel{\→}{S}=3{\stackrel{\·}{U}}_1{\stackrel{\·}{I}}_1=3k_{12}{\stackrel{\·}{U}}_2{\stackrel{\·}{I}}_1=P_1+j{Q}_1---\left(1\right)$

所以有：

$3{\stackrel{\·}{U}}_2{\stackrel{\·}{I}}_1=\frac{P_1+j{Q}_1}{k_{12}}---\left(2\right)$

中压侧的三相复功率：

$\stackrel{\→}{S}=3{\stackrel{\·}{U}}_2{\stackrel{\·}{I}}_2=P_2+j{Q}_2---\left(3\right)$

${\stackrel{\→}{S}}_G=3{\stackrel{\·}{U}}_2{\stackrel{\·}{I}}_G=3{\stackrel{\·}{U}}_2({\stackrel{\·}{I}}_2-{\stackrel{\·}{I}}_1)=P_2+j{Q}_2-\frac{P_1+j{Q}_1}{k_{12}}=(P_2-\frac{P_1}{k_{12}})+j(Q_2-\frac{Q_1}{k_{12}})---\left(4\right)$

上式中P₁、Q₁分别为自耦变压器高压绕组侧有功功率和无功功率，P₂、Q₂分别为自耦变压器中压绕组侧的有功功率和无功功率，k₁₂为自耦变压器高压绕组侧和中压绕组侧的额定电压比例系数，由此可得出，公共绕组的视在功率为：

$S_G=\sqrt{{(P_2-\frac{P_1}{k_{12}})}^2+{(Q_2-\frac{Q_1}{k_{12}})}^2}---\left(5\right)$

公共绕组额定容量：

S_GN=K_bS_1N

S_GN为自耦变压器公共绕组的额定容量，K_b为效益系数，S_1N为自耦变压器高压绕组侧的额定容量。

运行时，自耦变压器过载的准则是：

S_G>S_GN   （6）

220kV交流场是否发生过载情况的检测方法是：当220kV交流场的潮流功率大于该220kV交流场的额定功率时，则为220kV交流场的过载。

S108、当220kV交流场或自耦变压器中的某一个或多个发生过载情况，则降低直流输电线路上传输的电力的功率。

S109、检测直流逆变侧换流母线过电压情况。当直流输电功率降低时，直流逆变站所消耗的无功减少，有可能导致无功补偿过剩，引起直流逆变侧换流母线过电压，导致直流逆变侧换流母线电压不稳定。直流逆变侧换流母线是否过电压的检测方法是：直流逆变侧换流母线在工频下交流电压均方根值升高，超过其额定值的10%，并且持续时间大于1分钟的长时间电压变动。

S110、当直流逆变侧换流母线过电压时，执行步骤S111，反之，执行步骤S109进行实时检测直流逆变侧换流母线的电压情况。

S111、切除直流逆变侧的部分无功补偿装置，以稳定直流逆变侧换流母线电压。

下面通过具体案例对本发明进行具体的描述，有必要在此指出的是本具体案例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员可以根据上述发明的内容作出一些非本质的改进和调整。

实施例：

1、判断500kV交流线路全部断开且直流不闭锁时，220kV交流线路和自耦变压器的过负荷情况。

以南网电网某直流为例，直流逆变侧接有500kV交流场，且通过自耦变压器接有220kV交流场。500kV交流场除甲乙两条交流线路外全部断线检修，此时当有在一台自耦变压器和一条220kV交流线路断线检修的情况下，甲乙500kV交流线路发生故障断开。在不触发直流闭锁信号的情况下，观察220kV交流线路和自耦变压器过负荷情况。

待研究三相自耦变压器的额定容量为S_1N/S_2N/S_3N=1000/1000/300MVA；额定电压比为500/220/34.5kV。两台自耦变压器低压绕组侧都为中压绕组侧输送300MVar的无功功率。由此可以计算出其高中压绕组电压比：

$k_{12}=\frac{U_{1N}}{U_{2N}}=\frac{25}{11}---\left(7\right)$

效益系数：

$K_b=1-\frac{1}{k_{12}}=\frac{14}{25}---\left(8\right)$

公共绕组额定容量：

S_GN=K_bS_1N=560MVA   （9）

故障后220kV交流线路潮流情况如表1所示。

表1故障后220kV交流线路潮流情况

故障后自耦变压器上潮流情况如表2所示。

表2故障后自耦变压器上潮流情况

由式（5）计算出第2台 $S_{G2}=\sqrt{{(1324-1324*\frac{11}{25})}^2+{(-13+125*\frac{11}{25})}^2}=742.63\mathrm{MVA}$

由式（5）计算出第3台 $S_{G3}=\sqrt{{(712-712*\frac{11}{25})}^2+{(58+128*\frac{11}{25})}^2}=417.79\mathrm{MVA}$

由式（5）计算出第4台 $S_{G4}=\sqrt{{(712-712*\frac{11}{25})}^2+{(-15+136*\frac{11}{25})}^2}=401.23\mathrm{MVA}$

由表1和表2分析可知，在500kV交流线路全部断开且直流没有发生闭锁的情况下，220kV交流线路不会发生过载情况，有一台自耦变压器发生过载。

2、进行直流降功率运行，同时切除部分直流逆变侧无功补偿器，然后观察自耦变压器是否还会出现过负荷情况，且观察直流逆变侧换流母线是否会出现过电压情况。

直流降功率运行以后的自耦变压器潮流情况如表3所示。

表3直流降功率后自耦变压器上潮流情况

由式（5）计算出第2台 $S_{G2}=\sqrt{{(790-790*\frac{11}{25})}^2{+(241-123*\frac{11}{25})}^2}=480.25\mathrm{MVA}$

由式（5）计算出第3台 $S_{G3}=\sqrt{{(567-567*\frac{11}{25})}^2+{(136+65*\frac{11}{25})}^2}=357.65\mathrm{MVA}$

由式（5）计算出第4台 $S_{G4}=\sqrt{{(567-567*\frac{11}{25})}^2+{(57+73*\frac{11}{25})}^2}=329.79\mathrm{MVA}$

由表3知，在直流降功率运行后，自耦变压器不会出现过载情况。直流逆变侧换流母线电压如图3所示。由图3可知，直流逆变侧换流母线不会出现过电压情况。

最终的仿真结果与本发明的思路相一致，在最后断路器断开以后，直流闭锁信号不动作，直流输电功率继续通过220kV交流线路向外传输电力。为了防止直流逆变侧交流母线和变压器出现过载情况，通过直流降功率运行可有效的解决过载情况，保证了直流受端用电的可靠性。

上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

Claims (4)

1.一种高压直流输电最后断路器及最后线路保护方法，所述高压直流输电的直流逆变侧换流母线同时接有500KV交流场以及220KV交流场，其特征在于，其包括以下步骤：

步骤1、当500KV交流场发生全部断线时，隔离所述500KV交流场对应的最后断路器引发的直流闭锁信号，直流逆变侧换流母线通过自耦变压器经220KV交流场向外传输电力；

步骤2、检测所述向外传输电力的220kV交流场和自耦变压器是否发生过载情况，当220kV交流场或自耦变压器中至少一个发生过载时，降低直流输电线路上传输的功率；

所述自耦变压器是否发生过载情况的检测方法是：当自耦变压器公共绕组的视在功率大于其公共绕组的额定容量时，则为自耦变压器的过载；其中，

公共绕组的视在功率为：

$S_G=\sqrt{{(P_2-\frac{P_1}{k_{12}})}^2+{(Q_2-\frac{Q_1}{k_{12}})}^2}$

S_G为自耦变压器公共绕组的视在功率，P₁、Q₁分别为自耦变压器高压绕组侧有功功率和无功功率，P₂、Q₂分别为自耦变压器中压绕组侧的有功功率和无功功率，k₁₂为自耦变压器高压绕组侧和中压绕组侧的额定电压比例系数；

公共绕组的额定容量：

S_GN＝K_bS_1N

S_GN为自耦变压器公共绕组的额定容量，K_b为效益系数，S_1N为自耦变压器高压绕组侧的额定容量。

2.根据权利要求1所述的高压直流输电最后断路器及最后线路保护方法，其特征在于，所述220kV交流场是否发生过载情况的检测方法是：当220kV交流场的潮流功率大于该220kV交流场的额定功率时，则为220kV交流场的过载。

3.根据权利要求1所述的高压直流输电最后断路器及最后线路保护方法，其特征在于，该方法还包括：

步骤3、直流输电功率降低后，检测直流逆变侧换流母线是否过电压，如果过电压，则切除直流逆变侧的部分无功补偿装置，以稳定直流逆变侧换流母线电压。

4.根据权利要求3所述的高压直流输电最后断路器及最后线路保护方法，其特征在于，直流逆变侧换流母线是否过电压的检测方法是：直流逆变侧换流母线在工频下交流电压均方根值升高，超过其额定值的10％，并且持续时间大于1分钟的长时间电压变动。