CN104950205A - 一种交流系统故障对直流线路影响的量化分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种交流系统故障对直流线路影响的量化分析方法，该量化分析方法包括：步骤1、通过交直流潮流交替解耦算法和网络拓扑分析，获得随机交流线路故障下电网的电压状态；步骤2、根据当前电网的电压状态，基于电压质量的数理统计分析评估体系对电网中直流线路电压进行分析，分析当前电网中直流线路电压受交流线路故障的影响；步骤3、对于当前电网中直流线路电压受交流线路故障的影响进行进一步分析，基于边际效用对电网中直流线路电压受交流线路故障的影响进行量化比较分析。应用本发明的方法，可对交流线路故障对直流线路影响定量分析，这对交直流混合运行电力系统的连锁故障后续的建模及分析具有重大意义。

Description

一种交流系统故障对直流线路影响的量化分析方法

技术领域

本发明涉及一种交流系统故障对直流线路影响的量化分析方法。

背景技术

随着电力技术的进步和电力需求的增长，通过区域电网互联形成更大规模的联合电网，已经成为当前电力系统发展的趋势。但2003年以来国内外发生的多次大停电事故表明，一方面，随电网互联程度的加深，电力系统的局部扰动或故障更容易通过连锁反应传播蔓延至整个联合电网，连锁故障已经成为威胁电力系统安全的重要因素之一。另一方面，高压直流输电技术广泛应用于远距离输电和大电网互联，在取得了良好效益的同时亦增加了电网的复杂性，使得电力系统的安全稳定问题更加突出。

对于交直流混合运行电力系统的连锁故障研究，在理论方面，传统的交流系统连锁故障传播机理已不能完全适用交直流电网的研究，因此寻找更准确的交直流混合运行电力系统的连锁故障机理，确定电网运行的薄弱环节，对预防连锁故障的发生具有重要的现实意义。

到目前为止，国内外众多学者在连锁故障方面已经做了许多有益的工作，内容主要包含机理、模型、分析方法等，但这些研究大多数值适用于传统交流电网。要分析交直流混合运行电力系统的连锁故障机理，首先要考虑交直流线路之间的相互影响。直流线路故障对交流线路的影响可用潮流转移的思想解释；交流线路故障对直流线路的影响主要体现在，直流系统可能由于交流母线故障导致的电压幅值过低或交流换相电压过零点的相角偏移而发生换相失败，严重时闭锁，中断功率传输。但是，上述方法只对交流线路故障对直流线路的影响进行了定性分析，无法从定量角度上判断交流线路故障对直流线路影响的大小，这对交直流混合运行电力系统的连锁故障后续的建模及分析没有太大的意义。

发明内容

针对现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种交流系统故障对直流线路影响的量化分析方法，用于解决现有分析方法存在的上述问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种交流系统故障对直流线路影响的量化分析方法，该量化分析方法包括：

步骤1、通过交直流潮流交替解耦算法和网络拓扑分析，获得随机交流线路故障下电网的电压状态；

步骤2、根据当前电网的电压状态，基于电压质量的数理统计分析评估体系对电网中直流线路电压进行分析，分析当前电网中直流线路电压受交流线路故障的影响；

步骤3、对于当前电网中直流线路电压受交流线路故障的影响进行进一步分析，基于边际效用对电网中直流线路电压受交流线路故障的影响进行量化比较分析。

本发明中，交直流潮流交替解耦算法是交直流电力系统分析的基础，是将直流环节作为交流电网的负荷。既可用于两端直流输电，也可用于多端直流输电。而且因为不需要对原交流系统的雅可比矩阵进行修改，这样可以很方便的利用原有交流系统的潮流计算程序。

考虑直流系统影响交流系统的功率注入，交流系统传统潮流方程需改为：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}P=P_s-P_{ac}(\mathrm{\δ},V)-P_d(U_t,\mathrm{\θ})\\ \mathrm{\Δ}Q=Q_s-Q_{ac}(\mathrm{\δ},V)-Q_d(U_t,\mathrm{\θ})\end{array}\right.---\left(1\right)$

上式中：Ps、Qs为滤波器和无功补偿装置及负荷的注入功率；Pac、Qac是注入交流系统的功率；Pd、Qd是注入直流系统的功率。直流系统状态变量Ut为交流母线电压，θ为整流侧触发角或逆变侧的关断角。根据方程，第k+1次的和前一次相比负荷增加量：

$\begin{array}{cc}{P}_{di,k+1}^{\max }={\mathrm{\ηP}}_{di,k}^{\max }& \\ Q_{di,k+1}^{\max }{=\mathrm{\ηQ}}_{di,k}^{\max }& i\∈L\end{array}---\left(2\right)$

求得Pd(Ut)和Qd(Ut)。

式中：L属于负荷节点集合；和为时段k，节点i的有功，无功最大值；η为负荷增长因子。

因此上式可改为：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}P=P_s-P_{ac}(\mathrm{\δ},V)-P_d\left(U_t\right)\\ \mathrm{\Δ}Q=Q_s-Q_{ac}(\mathrm{\δ},V)-Q_d\left(U_t\right)\end{array}\right.---\left(3\right)$

式中没有直流输电系统变量，可用牛顿法或PQ法求解。

网络拓扑分析是指对进行开断操作后的电网进行网络连接关系分析，对电网结构和负荷等情况进行辨识。

边际效用是经济学中的价值论，边际效用是指每增加购买一单位的某种商品给消费者带来的总效用的变化量。效用论者认为人对物品的欲望会随其不断被满足而递减。

由于直流线路本身是定功率运行，所以交流线路故障对直流线路影响主要体现在对直流线路逆变侧电压的影响，直流线路逆变侧电压降低会造成直流换相失败。

类似的，在本发明中，随着电压从0不断增加到额定值，其对直流线路换相失败的影响逐渐减小，也就是说，电压每增加一定的值给直流线路带来的总影响的变化量在减小。反之，电压从额定值下降的越多，对直流线路总影响的变化量在增大。所以，设v为直流线路逆变侧电压，V_infl为交流系统故障对直流线路影响的量化指标：

安全边际率是经济学中用于企业分析其经营的安全程度的指标，安全边际M_s就是实质价值或内在价值与价格的顺差。类似的，在本发明中引入安全边际M_s，即交流线路故障对直流线路电压的影响增量，使交流系统故障对不同直流线路的影响进行量化比较。

M_s＝V_infl-V_infl·基准           (5)

化简得：

可得到交流线路故障对不同直流线路影响的倍数关系：

$k=\frac{M_{{\mathrm{sn}}_1}}{M_{{\mathrm{sn}}_2}}\×100\%---\left(7\right)$

上式表示，在故障的情况下，此故障对n₁线路影响与对n₂线路影响的百分比。

应用本发明的方法，可对交流线路故障对直流线路影响定量分析，这对交直流混合运行电力系统的连锁故障后续的建模及分析具有重大意义。

根据本发明另一具体实施方式，步骤3中，基于边际效用对电网中直流线路电压受交流线路故障的影响进行量化利用如下公式：

其中，v为交流系统故障情况下直流线路逆变侧电压，v_额为直流线路逆变侧的额定电压。

根据本发明另一具体实施方式，步骤3中，交流系统故障对不同直流线路的影响进行量化比较利用如下公式：

M_s＝V_infl-V_infl·基准；

$k=\frac{M_{{\mathrm{sn}}_1}}{M_{{\mathrm{sn}}_2}}\×100\%;$

其中，V_infl为交流线路故障对直流线路电压的影响，V_infl·基准为影响的基准值，即选定基准电压下影响的量化值，M_s为安全边际即交流线路故障对直流线路电压的影响增量，k为在故障的情况下，此故障对n₁线路影响与对n₂线路影响的百分比。

根据本发明另一具体实施方式，步骤1中的交直流潮流交替解耦算法具体包括如下步骤：

步骤101、换流器参数和直流输电电流Id已知，用估计的换流器交流电压Ur、Ui，计算直流输电作为负荷吸收的有功和无功功率Pr、Qr、Pi、Qi；

步骤102、用已知负荷求解交流潮流，得到换流器交流电压的改进值；

步骤103、重复步骤101和步骤102，直到交流潮流收敛并满足直流输电的运行条件为止。

根据本发明另一具体实施方式，求解交流系统潮流时，将含有直流系统的交流节点看作负荷节点，用相应节点上的有功功率(Pdr、Pdi)和无功功率(Qdr、Qdi)的来等值。

根据本发明另一具体实施方式，求解直流系统潮流时，认为换流器交流侧母线电压恒定，其值为前一次交流系统潮流计算的结果(Utr、Uti)。

根据本发明另一具体实施方式，在交替迭代过程中，交流系统潮流的求解为直流系统潮流的求解提供换流器交流侧的母线电压值，而直流系统潮流的求解又为下一次迭代中的交流系统潮流的求解提供换流器的等值功率；按上述过程循环迭代直至收敛。

根据本发明另一具体实施方式，直流系统为两端直流系统或多端直流系统。

根据本发明另一具体实施方式，当直流系统为多端直流系统，直流网络用高斯—塞德尔迭代法求解。

根据本发明另一具体实施方式，当直流系统为两端直流系统，用直流线路的代数方程参与直流系统求解过程。

与现有技术相比，本发明具备如下有益效果：

应用本发明的方法，可对交流线路故障对直流线路影响定量分析，这对交直流混合运行电力系统的连锁故障后续的建模及分析具有重大意义。

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

附图说明

图1是实施例1中，交流系统故障对直流线路影响的量化指标计算流程；

图2是实施例1中，交直流交替解耦潮流计算示意图；

图3是实施例1中，交流系统故障对直流线路影响的量化曲线；

图4是实施例2中，电网交流系统故障下，对直流线路影响的对比图。

具体实施方式

实施例1

图1是本发明提供的交流系统故障对直流线路影响的量化指标计算流程。图1中，本发明提供的交流系统故障对直流线路影响的量化指标计算包括下列步骤：

步骤1：电网故障状态下指标提取。通过交直流潮流交替解耦算法和网络拓扑分析，获得随机交流线路故障下电网的电压状态。为分析交流线路故障对直流线路影响和量化刻画提供数据支撑。其计算过程如下：

1)：首先读入电网参数，确定发电机的出力和负荷需求。随机地选择一条交流线路进行开断操作。

2)：对产生线路开断后的网络进行网络拓扑分析，若存在网络解列和丢失负荷情况发生，则重新选择故障线路，进入步骤1)；否则，进入步骤3)。

3)：通过交直流潮流交替解耦算法确定线路潮流和节点电压。

4)：统计本次故障中的直流线路逆变侧电压。仿真计算结束。

仿真结束，得到当前电网的电压状态。

步骤2：根据当前电网的电压状态，对电网中直流线路电压进行分析，分析当前电网中直流线路电压受交流线路故障的影响。

由换流原理可知，逆变器的触发角α、换相角μ₂、关断角γ以及超前触发角β之间有如下关系：

α＝180°-β            (8)

β＝γ+μ₂             (9)

逆变器的直流电压、换相角和关断角可分别用以下公式表示：

U_d2＝1.35E₂cosγ-(3/π)X_γ2I_d          (10)

$\begin{array}{c}{\mathrm{\μ}}_2={\cos }^{-1}\[\cos \mathrm{\γ}-6X_{\mathrm{\γ}2}{I}_d/\left(1.35E_2\right)\]-\mathrm{\γ}---\left(11\right)\\ \mathrm{\γ}={\cos }^{-1}\[\left(U_{d2}+\frac{3}{\mathrm{\π}}{X}_{\mathrm{\γ}2}{I}_d\right)/\left(1.35E_2\right)\]---\left(12\right)\end{array}$

式中，X_γ2为逆变器的等值换相电抗；E₂为逆变器的换相线电压有效值；U_d2为逆变器的直流电压；I_d为直流电流；γ为逆变器的关断角；μ₂为逆变器的换相角。

通常在额定工况下，μ₂约为15°～20°，γ约为16°～18°。对于逆变器，α的工作范围为90°＜α＜180°，即β的工作范围为0°＜α＜90°。假定γ_min为晶闸管换流阀恢复阻断能力所需要的时间，则根据目前晶闸管的制造水平约为400μs(约为7.2°)。这意味着，逆变器在运行中，如果电压降低导致γ角小于7°，则会发生换相失败。

步骤3：对于当前电网中直流线路电压受交流线路故障的影响进行进一步分析，基于边际效用对电网中直流线路电压受交流线路故障的影响进行量化分析。

如图2所示，在求解交流系统潮流时，将含有直流系统的交流节点看作负荷节点，用相应节点上的有功功率(Pdr、Pdi)和无功功率(Qdr、Qdi)的来等值。而在求解直流系统潮流时，认为换流器交流侧母线电压恒定，其值为前一次交流系统潮流计算的结果(Utr、Uti)。在交替迭代过程中，交流系统潮流的求解为直流系统潮流的求解提供换流器交流侧的母线电压值，而直流系统潮流的求解又为下一次迭代中的交流系统潮流的求解提供换流器的等值功率。按上述过程循环迭代直至收敛。

直流线路逆变侧电压越低，造成直流线路逆变侧换相失败的可能性就越大，说明此交流线路故障对直流线路影响越大。但是，根据边际效用，电压减小量与造成直流线路逆变侧换相失败的可能性即交流线路故障对直流线路影响不成正比。如图3所示，曲线交流系统故障对直流线路影响的量化曲线。曲线表达式为可以采用安全边际M_s＝V_infl-V_infl·基准来表示交流线路故障对直流线路电压的影响增量，表示在故障的情况下，此故障对n₁线路影响与对n₂线路影响的百分比。

实施例2

本实施例以某区域电网为例，采用交流系统故障对直流线路影响的量化指标对不同的交流线路故障对直流线路的影响进行量化比较，对本发明的发明内容进一步说明。

步骤1：首先读入区域电网的参数，确定发电机的出力和负荷需求。随机地选择几条交流线路进行开断操作。通过交直流潮流交替解耦算法和网络拓扑分析，获得随机交流线路故障下电网的电压状态。如表1所示。

逆变侧电压(kV)	故障1	故障2	故障3	故障4	故障5
						直流线路1	498	472	421	472	472
直流线路2	499	473	419	473	395
						直流线路3	498	472	420	421	320
直流线路4	498	472	425	472	315
						直流线路5	499	473	456	367	423
直流线路6	497	471	452	365	489
						直流线路7	500	474	449	369	471

表1：随机交流线路故障下电网的电压状态

步骤2：根据当前电网的电压状态，对电网中直流线路电压进行分析，分析当前电网中直流线路电压受交流线路故障的影响。如表2所示。

电压影响	故障1	故障2	故障3	故障4	故障5
						直流线路1	轻微下降	小幅下降	中幅下降	小幅下降	小幅下降
直流线路2	轻微下降	小幅下降	中幅下降	小幅下降	中幅下降
						直流线路3	轻微下降	小幅下降	中幅下降	中幅下降	严重下降
直流线路4	轻微下降	小幅下降	中幅下降	小幅下降	严重下降
						直流线路5	轻微下降	小幅下降	小幅下降	大幅下降	中幅下降
直流线路6	轻微下降	小幅下降	小幅下降	大幅下降	小幅下降
						直流线路7	轻微下降	小幅下降	小幅下降	大幅下降	小幅下降

表2：随机交流线路故障对直流线路的影响

从表2中可以看出交流故障对直流线路的影响大小，但是，不能量化的比较直流线路所受影响的大小。

步骤3：对于当前电网中直流线路电压受交流线路故障的影响进行进一步分析，基于边际效用对电网中直流线路电压受交流线路故障的影响进行量化比较分析。

利用公式

及

M_s＝V_infl-V_infl·基准

取电压不发生变化的情况下对电网的影响为基准值。得到电网发生交流线路故障对直流线路影响的量化值。并绘制柱形图如图4所示。在图中可直观的看出不同交流线路故障对直流线路影响的大小量化关系。

利用公式

$k=\frac{M_{{\mathrm{sn}}_1}}{M_{{\mathrm{sn}}_2}}\×100\%$

得到电网发生交流线路故障对直流线路影响的百分比值，以故障5为例，计算百分比，并绘制表格如表3所示。

表3：电网发生交流线路故障对直流线路影响的百分比

上表中，例如交流线路故障对直流线路2的影响是对直流线路1的影响的83.69％。

虽然本发明以较佳实施例揭露如上，但并非用以限定本发明实施的范围。任何本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的发明范围内，当可作些许的改进，即凡是依照本发明所做的同等改进，应为本发明的范围所涵盖。

Claims (10)

1.一种交流系统故障对直流线路影响的量化分析方法，其特征在于，所述量化分析方法包括：

步骤1、通过交直流潮流交替解耦算法和网络拓扑分析，获得随机交流线路故障下电网的电压状态；

步骤2、根据当前电网的电压状态，基于电压质量的数理统计分析评估体系对电网中直流线路电压进行分析，分析当前电网中直流线路电压受交流线路故障的影响；

步骤3、对于当前电网中直流线路电压受交流线路故障的影响进行进一步分析，基于边际效用对电网中直流线路电压受交流线路故障的影响进行量化比较分析。

2.根据权利要求1所述的量化分析方法，其特征在于，步骤3中，所述基于边际效用对电网中直流线路电压受交流线路故障的影响进行量化利用如下公式：

其中，v为交流系统故障情况下直流线路逆变侧电压，v_额为直流线路逆变侧的额定电压。

3.根据权利要求1所述的量化分析方法，其特征在于，步骤3中，所述交流系统故障对不同直流线路的影响进行量化比较利用如下公式：

M_s＝V_infl-V_infl·基准；

$k=\frac{M_{{\mathrm{sn}}_1}}{M_{{\mathrm{sn}}_2}}\×100\%;$

其中，V_infl为交流线路故障对直流线路电压的影响，V_infl·基准为影响的基准值，即选定基准电压下影响的量化值，M_s为安全边际即交流线路故障对直流线路电压的影响增量，k为在故障的情况下，此故障对n₁线路影响与对n₂线路影响的百分比。

4.根据权利要求1所述的量化分析方法，其特征在于，步骤1中所述的交直流潮流交替解耦算法具体包括如下步骤：

步骤101、换流器参数和直流输电电流Id已知，用估计的换流器交流电压Ur、Ui，计算直流输电作为负荷吸收的有功和无功功率Pr、Qr、Pi、Qi；

步骤102、用已知负荷求解交流潮流，得到换流器交流电压的改进值；

步骤103、重复步骤101和步骤102，直到交流潮流收敛并满足直流输电的运行条件为止。

5.根据权利要求4所述的量化分析方法，其特征在于，求解交流系统潮流时，将含有直流系统的交流节点看作负荷节点，用相应节点上的有功功率(Pdr、Pdi)和无功功率(Qdr、Qdi)等值。

6.根据权利要求4所述的量化分析方法，其特征在于，求解直流系统潮流时，认为换流器交流侧母线电压恒定，其值为前一次交流系统潮流计算的结果(Utr、Uti)。

7.根据权利要求4所述的量化分析方法，其特征在于，在交替迭代过程中，交流系统潮流的求解为直流系统潮流的求解提供换流器交流侧的母线电压值，而直流系统潮流的求解又为下一次迭代中的交流系统潮流的求解提供换流器的等值功率；按上述过程循环迭代直至收敛。

8.根据权利要求1所述的量化分析方法，其特征在于，所述直流系统为两端直流系统或多端直流系统。

9.根据权利要求8所述的量化分析方法，其特征在于，当所述直流系统为多端直流系统，直流网络用高斯—塞德尔迭代法求解。

10.根据权利要求8所述的量化分析方法，其特征在于，当所述直流系统为两端直流系统，用直流线路的代数方程参与直流系统求解过程。