CN103887810B - 基于短路比动态跟踪的直流系统持续换相失败判断方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于短路比动态跟踪的直流系统持续换相失败判断方法，包括以下步骤：计算交流系统正常运行方式下，交流系统的有效短路比ESCR和多馈入短路比MSCR_i；计算线路故障断开情况下交流系统的有效短路比和多馈入短路比对线路故障进行排序；组合最恶劣的连锁故障集；计算连锁故障下的交流系统的有效短路比ESCR_l和多馈入短路比MSCR_l；判断是否发生换相失败。本发明提供通过对现行和规划的交直流混联电网可能存在的暂态电压失稳事故进行特征分析，可以依据交流故障对直流系统稳定运行的危害程度实现有效的故障筛选和排序，结合故障后潮流转移情况实现了连锁故障集的合理构建，可对故障后直流系统持续换相失败和受端电网电压失稳风险进行快速评估。

Description

基于短路比动态跟踪的直流系统持续换相失败判断方法

技术领域

本发明属于电力系统安全稳定分析领域，具体涉及一种基于短路比动态跟踪的直流系统持续换相失败判断方法。

背景技术

我国电网目前已形成华北-华中交流互联电网，华东电网孤网运行，通过直流系统与华北-华中电网相联。依据规划，未来10-20年我国还将建设数十回特高压直流工程，逐步形成特高压交直流混联电网，通过特高压直流、交流系统向中东部负荷中心供电。常规的高压直流输电系统需要受端交流系统提供足够的换相电压，且发生换相失败后还将从交流系统吸收大量无功，多直流馈入后受端电网将面临严重的安全稳定问题。

短路比是研究直流系统逆变站交流系统强度的有效指标，基于短路比的电压稳定分析广泛地应用在学术界和工程界中，为电网规划和运行提供了参考依据。但目前的短路比、有效短路比、多馈入短路比等指标多用于电网网架强度评估，尚未充分挖掘其适用范围和场景。

对于交直流混联馈入受端电网，更为严重的安全稳定问题是可能发生的交直流系统连锁故障，即交流系统故障后可能引起直流系统持续换相失败，进而导致直流闭锁更大功率转移至交流通道，引发连锁性电网崩溃事故。针对此问题目前的研究手段仍显单一，工程上主要采用时域仿真方法，通过对各种交直流系统故障组合的暂态稳定仿真来评估其是否会引发直流系统持续换相失败，进而引起更为严重的连锁故障；但此方法面临着工作量大、难以穷举故障隐患等问题。此外，国内外在连锁故障的形成机理和演化过程等方面开展了部分研究，提出了故障后潮流转移评估、基于电网小世界特性等分析方法，推进了连锁故障集构建技术的发展；但目前的研究方法多侧重于理论分析或运行经验总结，如何结合电网实际情况提出连锁故障集构建的有效实用化方法尚需进一步研究。

因此，结合我国电网的发展实际和未来规划，亟待解决交直流混联受端电网连锁故障集的合理生成和连锁故障下直流系统是否持续换相失败的快速判断等技术问题。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种基于短路比动态跟踪的直流系统持续换相失败判断方法，通过对现行和规划的交直流混联电网可能存在的暂态电压失稳事故进行特征分析，提出了动态短路比的计算方法和评估流程，可以依据交流故障对直流系统稳定运行的危害程度实现有效的故障筛选和排序，结合故障后潮流转移情况实现了连锁故障集的合理构建，可对故障后直流系统持续换相失败和受端电网电压失稳风险进行快速评估。

为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：

本发明提供一种基于短路比动态跟踪的直流系统持续换相失败判断方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1：计算交流系统正常运行方式下，交流系统的有效短路比ESCR和多馈入短路比MSCR_i；

步骤2：计算线路故障断开情况下交流系统的有效短路比和多馈入短路比

步骤3：对线路故障进行排序；

步骤4：组合最恶劣的连锁故障集；

步骤5：计算连锁故障下的交流系统的有效短路比ESCR_l和多馈入短路比MSCR_l；

步骤6：判断是否发生换相失败。

所述步骤1中，交流系统正常运行方式下，交流系统的有效短路比ESCR和多馈入短路比MSCR_i分别表示为：

$\mathrm{ESCR}=\frac{S_{\mathrm{ac}}-Q_{\mathrm{cN}}}{P_{\mathrm{dN}}}---\left(1\right)$

${\mathrm{MSCR}}_i=\frac{1}{\left|Z_{\mathrm{si}}\right|P_{\mathrm{dNi}}+\underset{j=1,j\≠i}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left|Z_{\mathrm{ij}}\right|P_{\mathrm{dNj}}}---\left(2\right)$

其中，S_ac为换流母线的短路容量；P_dN为额定直流功率；Q_cN为当换流站交流母线电压U取额定值U_N时，无功补偿设备产生的无功功率；P_dNi为第i回直流系统的额定运行功率；Z_si为第i回直流换流母线的自阻抗；Z_ij为第i回和第j回直流换流母线之间的互阻抗；P_dNj为第j回直流系统的额定运行功率，i,j＝1,2,…,n，n为交流系统中直流系统的数量。

所述线路故障包括线路三永短路跳单回故障N₁、同杆并架线路三永跳双回故障N₂、线路三相短路单相开关拒动后备保护动作同跳另一回线路故障N₃和无短路冲击故障N₄；

按照电网正常运行方式下交流系统的有效短路比ESCR和多馈入短路比MSCR_i的计算方式计算线路故障断开情况下交流系统的有效短路比和多馈入短路比其中；k＝1,2,3,4。

所述步骤3中，按照计算出的或的大小对线路故障进行排序。

所述步骤4中，采用PSD-BPA潮流程序在线完成第N次线路故障后潮流转移情况仿真和评估，从而判断出第N次线路故障后潮流分布情况，判断可能导致线路重载或母线电压偏低的情况，进而确定第N+1次故障所涉元件，从而组合出可能发生的最恶劣连锁故障集。

所述步骤5中，同样按照电网正常运行方式下交流系统的有效短路比ESCR和多馈入短路比MSCR_l的计算方式计算连锁故障下的交流系统的有效短路比ESCR_l和多馈入短路比MSCR_l。

所述步骤6中，通过评估连锁故障下交流系统强度，根据以下判断标准判断是否发生换相失败；

1）ESCR_l/MSCR_l≤1.5，判断该交流系统为极弱系统，发生直流系统持续换相失败可能性高；

2）1.5＜ESCR_l/MSCR_l≤2.5，判断该交流系统为弱系统，发生直流系统持续换相失败可能性不大；

3）2.5＜ESCR_l/MSCR_l，判断该交流系统为强系统，基本不会引起直流系统持续换相失败。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

通过对不同故障后交流系统的有效短路比ESCR和多馈入短路比MSCR指标的评估，可以实现交流电网单一故障排序，在此基础上结合故障后潮流转移评估，可以快速构建较为合理的、符合电网实际的连锁故障集，评估其引发交直流混联直流系统持续换相失败的风险。与其他方法相比，该方法计算量小、物理意义明确，易于在线实施，可实现直流持续换相失败风险的快速判断，并可实现连锁故障集的合理构建。

附图说明

图1是基于短路比动态跟踪的直流系统持续换相失败判断方法流程图；

图2是本发明实施例中交直流混联电网结构示意图；

图3是本发明实施例中连锁故障发生后部分母线电压恢复曲线图；

图4是本发明实施例中连锁故障发生后哈郑直流逆变侧熄弧角曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1，本发明提供一种基于短路比动态跟踪的直流系统持续换相失败判断方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1：计算交流系统正常运行方式下，交流系统的有效短路比ESCR和多馈入短路比MSCR_i；

步骤2：计算线路故障断开情况下交流系统的有效短路比和多馈入短路比

步骤3：对线路故障进行排序；

步骤4：组合最恶劣的连锁故障集；

步骤5：计算连锁故障下的交流系统的有效短路比ESCR_l和多馈入短路比MSCR_l；

步骤6：判断是否发生换相失败。

所述步骤1中，交流系统正常运行方式下，交流系统的有效短路比ESCR和多馈入短路比MSCR_i分别表示为：

$\mathrm{ESCR}=\frac{S_{\mathrm{ac}}-Q_{\mathrm{cN}}}{P_{\mathrm{dN}}}---\left(1\right)$

${\mathrm{MSCR}}_i=\frac{1}{\left|Z_{\mathrm{si}}\right|P_{\mathrm{dNi}}+\underset{j=1,j\≠i}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left|Z_{\mathrm{ij}}\right|P_{\mathrm{dNj}}}---\left(2\right)$

其中，S_ac为换流母线的短路容量；P_dN为额定直流功率；Q_cN为当换流站交流母线电压U取额定值U_N时，无功补偿设备产生的无功功率；P_dNi为第i回直流系统的额定运行功率；Z_si为第i回直流换流母线的自阻抗；Z_ij为第i回和第j回直流换流母线之间的互阻抗；P_dNj为第j回直流系统的额定运行功率，i,j＝1,2,…,n，n为交流系统中直流系统的数量。

所述线路故障包括线路三永短路跳单回故障N₁、同杆并架线路三永跳双回故障N₂、线路三相短路单相开关拒动后备保护动作同跳另一回线路故障N₃和无短路冲击故障N₄；

按照电网正常运行方式下交流系统的有效短路比ESCR和多馈入短路比MSCR_i的计算方式计算线路故障断开情况下交流系统的有效短路比和多馈入短路比其中；k＝1,2,3,4；具体有：

$\mathrm{ESC}{R}_{N_k}=\frac{S_{\mathrm{ac}{N}_k}-Q_{\mathrm{cN}}}{P_{d{N}_k}}---\left(3\right)$

${\mathrm{MSCR}}_{N_k}=\frac{1}{\left|Z_{s{N}_{k}i}\right|P_{d{N}_{k}i}+\underset{j=1,j\≠i}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left|Z_{N_k\mathrm{ij}}\right|P_{d{N}_{k}j}}---\left(4\right)$

其中，为N_K故障后换流母线的短路容量；为N_K故障后直流稳态功率；Q_cN为当换流站交流母线电压U取额定值U_N时，无功补偿设备产生的无功功率；为N_K故障后第i回直流稳态功率；为N_K故障后第i回直流换流母线的自阻抗；为N_K故障后第i回和第j回直流换流母线之间的互阻抗；为N_K故障后第j回直流稳态功率，i,j＝1,2,…,n，n为交流系统中直流系统的数量。

所述步骤3中，按照计算出的或的大小对线路故障进行排序。

所述步骤4中，采用PSD-BPA潮流程序在线完成第N次线路故障后潮流转移情况仿真和评估，从而判断出第N次线路故障后潮流分布情况，判断可能导致线路重载或母线电压偏低的情况，进而确定第N+1次故障所涉元件，从而组合出可能发生的最恶劣连锁故障集。

所述步骤5中，同样按照电网正常运行方式下交流系统的有效短路比ESCR和多馈入短路比MSCR_l的计算方式计算连锁故障下的交流系统的有效短路比ESCR_l和多馈入短路比MSCR_l；具体有：

${\mathrm{ESCR}}_l=\frac{S_{\mathrm{acl}}-Q_{\mathrm{cN}}}{P_{\mathrm{dl}}}---\left(5\right)$

${\mathrm{MSCR}}_l=\frac{1}{\left|Z_{\mathrm{sli}}\right|P_{\mathrm{dli}}+\underset{j=1,j\≠i}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left|Z_{\mathrm{lij}}\right|P_{\mathrm{dlj}}}---\left(6\right)$

其中，S_acl为连锁故障后换流母线的短路容量；P_dl为连锁故障后直流稳态功率；Q_cN为当换流站交流母线电压U取额定值U_N时，无功补偿设备产生的无功功率；P_dli为连锁故障后第i回直流稳态功率；Z_sli为连锁故障后第i回直流换流母线的自阻抗；Z_lij为连锁故障后第i回和第j回直流换流母线之间的互阻抗；P_dlj为连锁故障后第j回直流稳态功率，i,j＝1,2,…,n，n为交流系统中直流系统的数量。

所述步骤6中，通过评估连锁故障下交流系统强度，根据以下判断标准判断是否发生换相失败；

1）ESCR_l/MSCR_l≤1.5，判断该交流系统为极弱系统，发生直流系统持续换相失败可能性高；

2）1.5＜ESCR_l/MSCR_l≤2.5，判断该交流系统为弱系统，发生直流系统持续换相失败可能性不大；

3）2.5＜ESCR_l/MSCR_l，判断该交流系统为强系统，基本不会引起直流系统持续换相失败。

以图2所示交直流混联电网直流系统持续换相失败判断为例，有如下实施例：

A、以某水平年河南电网哈郑直流近区为例，电网正常运行方式安排如下：围绕特高压哈郑直流馈入，500kV郑州、官渡、嵩山三站形成交直流馈入受端电网，通过500kV郑州换流站-汴西双回、郑州换-官渡、官渡-汴西、郑州-郑州南双回、郑州-嘉和、郑州-马寺、嵩山-马寺、郑北-获嘉双回、郑北-郑州换双回线路与主网相连，嵩郑地区外受电力占当地负荷约52%。该方式下，500kV官渡、郑州、嵩山母线电压分别为503.2、502.0、495.6kV；嵩郑地区220kV母线电压运行在198～216kV之间，电压水平较低；嵩郑地区接入220kV电网机组基本已达到无功上限，无动态备用。计算有效短路比ESCR为5.14，属于强交流系统，抵御各种故障冲击的能力较强。

B、分析计算各种简单线路故障开断情况下的有效短路比ESCR，并按照ESCR的大小对简单线路故障进行排序，单一故障后电网SCR和ESCR计算结果统计表如表1所示。

表1

序号	故障	ESCR
			1	官渡-汴西N-1	5.09
2	郑州-马寺N-1	5.08

3	嵩山主变N-1	5.07
			4	嵩山-马寺N-1	5.02
5	官渡主变N-1	5.01
			6	郑州-嘉和N-1	5.00
7	嵩山主变N-2	4.86
			8	郑州主变N-1	4.78
9	郑州主变N-2	4.75
			10	官渡主变N-2	4.70
11	郑州-郑州南N-2	4.69
			12	郑北-获嘉N-2	4.42
13	郑州换-官渡N-2	3.86
			14	郑州换-汴西N-2	3.80
15	郑州换-郑北N-2	3.71

C、依据表1短路比指标计算结果，结合故障后潮流转移情况，连锁故障下电网SCR和ESCR计算结果统计表如表2所示。

表2

可依据表2设计连锁故障时序如下：

（1）考虑引起哈郑直流近区有效短路比降低最为严重的500kV郑州换-郑北N-2、郑州换-汴西N-2故障同时发生，计算得到有效短路比为2.04，哈郑直流近区降低为弱受端电网。

（2）依据电网拓扑结构和负荷分布，故障后大量潮流将涌向500kV官渡-汴西线路，因此考虑连锁发生500kV官渡-汴西N-1故障，计算得到有效短路比为1.20，哈郑直流近区降低为极弱受端电网，易引发直流系统持续换相失败。

因此，考虑严重故障时序为，郑州换-郑北双回、郑州换-汴西双回任一通道发生三永N-2故障，导致另一通道双回线同跳，同时导致官渡-汴西线路无故障跳开。

上述连锁故障发生后，哈郑直流近区交流系统有效短路比为1.20，哈郑直流近区降低为极弱受端电网，易引发直流系统持续换相失败。暂态稳定仿真计算结果表明，发生500kV郑州换-汴西三永N-2故障，导致官渡-汴西线路因过载同跳，进一步导致郑州换-郑北双回同跳故障后，哈郑直流送出通道严重削弱，故障后哈郑直流仅通过郑州换-官渡双回与系统相联；500kV郑州换、官渡母线电压最低达到0.7p.u.，引起哈郑直流换相失败；嵩郑地区部分220kV母线电压低至0.55-0.8p.u.，发生电压失稳。故障清除后，1.2-1.7秒之间哈郑直流发生持续多次换相失败。故障后部分母线电压恢复曲线和哈郑直流逆变侧熄弧角曲线如图3和图4所示。因此，通过对不同故障后交流系统有效短路比ESCR或多馈入短路比MSCR指标的评估，可以快速构建较为合理的、符合电网实际的连锁故障集，快速评估其引发交直流混联受端电网直流系统持续换相失败的风险。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.基于短路比动态跟踪的直流系统持续换相失败判断方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

步骤1：计算交流系统正常运行方式下，交流系统的有效短路比ESCR和多馈入短路比MSCR_i；

步骤2：计算线路故障断开情况下交流系统的有效短路比和多馈入短路比

步骤3：对线路故障进行排序；

步骤4：组合最恶劣的连锁故障集；

步骤5：计算连锁故障下的交流系统的有效短路比ESCR_l和多馈入短路比MSCR_l；

步骤6：判断是否发生换相失败；

所述步骤1中，交流系统正常运行方式下，交流系统的有效短路比ESCR和多馈入短路比MSCR_i分别表示为：

$ESCR=\frac{S_{ac}-Q_{cN}}{P_{dN}}---\left(1\right)$

${\mathrm{MSCR}}_i=\frac{1}{\left|Z_{si}\right|P_{dNi}+\underset{j=1,j\≠i}{\overset{n}{\Σ}}\left|Z_{ij}\right|P_{dNj}}---\left(2\right)$

其中，S_ac为换流母线的短路容量；P_dN为额定直流功率；Q_cN为当换流站交流母线电压U取额定值U_N时，无功补偿设备产生的无功功率；P_dNi为第i回直流系统的额定运行功率；Z_si为第i回直流换流母线的自阻抗；Z_ij为第i回和第j回直流换流母线之间的互阻抗；P_dNj为第j回直流系统的额定运行功率，i,j＝1,2,…,n，n为交流系统中直流系统的数量；

按照电网正常运行方式下交流系统的有效短路比ESCR和多馈入短路比MSCR_i的计算方式计算线路故障断开情况下交流系统的有效短路比和多馈入短路比其中；k＝1,2,3,4；

所述步骤3中，按照计算出的或的大小对线路故障进行排序；

所述步骤4中，采用PSD‐BPA潮流程序在线完成第N次线路故障后潮流转移情况仿真和评估，从而判断出第N次线路故障后潮流分布情况，判断可能导致线路重载或母线电压偏低的情况，进而确定第N+1次故障所涉元件，从而组合出可能发生的最恶劣连锁故障集；

所述步骤5中，同样按照电网正常运行方式下交流系统的有效短路比ESCR和多馈入短路比MSCR_i的计算方式计算连锁故障下的交流系统的有效短路比ESCR_l和多馈入短路比MSCR_l；

所述步骤6中，通过评估连锁故障下交流系统强度，根据以下判断标准判断是否发生换相失败；

1)ESCR_l/MSCR_l≤1.5，判断该交流系统为极弱系统，发生直流系统持续换相失败可能性高；

2)1.5＜ESCR_l/MSCR_l≤2.5，判断该交流系统为弱系统，发生直流系统持续换相失败可能性不大；

3)2.5＜ESCR_l/MSCR_l，判断该交流系统为强系统，基本不会引起直流系统持续换相失败。