CN107482594B - 一种降低交直流系统中方向保护误动率的三相重合时序整定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种降低交直流系统中方向保护误动率的三相重合时序整定方法，属于电力系统保护技术领域。本发明方法为：当交直流系统中逆变侧交流线路发生三相短路故障时，通过逆变器熄弧角判断是否发生换相失败；根据判断结果，计算直流系统等值阻抗；根据直流系统等值阻抗，分别计算健全线路首、末端方向保护的方向元件测量相角；根据测量相角，确定首、末端重合时序。本发明可有效降低交直流串联系统中方向保护误动率，效果良好。

Description

一种降低交直流系统中方向保护误动率的三相重合时序整定 方法

技术领域

本发明涉及一种降低交直流系统中方向保护误动率的三相重合时序整定方法，属于电力系统保护技术领域。

背景技术

交直流串联系统中，换流器的换相失败是直流系统最常见的故障之一。换相失败不仅影响直流系统安全稳定运行，而且也会影响受端交流系统中保护特性的不正确动作。2003年以来南方电网就先后发生两起因天广直流和三广直流换相失败，引发交流线路保护发生误动。目前，研究认为导致换相失败的因素主要包括熄弧角过小、交流电压大幅度下降、越前触发角过小以及线电压过零点漂移等。

造成换相失败的因素很多，而换相失败又很有可能导致交流系统继电保护的不正确动作。

作为提高电力系统并列运行的稳定性和可靠性的有效措施，自动重合闸已得到广泛应用。实际中通常由线路首、末端轮换投入无压检定首先重合以解决永久故障时线路两侧断路器工作条件不对等的问题。重合时序对交直流电力系统的暂态功角、电压稳定性和重合闸过电压有一定的影响。在交直流串联系统中，特别是逆变侧近端的交流输电线路发生故障时，重合闸的投入时序可影响到换相失败的发生概率，进而影响到交流系统方向保护的正确动作。

发明内容

本发明提供了一种降低交直流系统中方向保护误动率的三相重合时序整定方法，以用于利用最佳的重合时序降低交直流串联系统中方向保护发生的误动率。

本发明的技术方案是：一种降低交直流系统中方向保护误动率的三相重合时序整定方法，当交直流系统中逆变侧交流线路发生三相短路故障时，通过逆变器熄弧角判断是否发生换相失败；根据判断结果，计算直流系统等值阻抗；根据直流系统等值阻抗，分别计算健全线路首、末端方向保护的方向元件测量相角；根据测量相角，确定首、末端重合时序。

所述当交直流系统中逆变侧交流线路发生三相短路故障时，通过逆变器熄弧角判断是否发生换相失败，具体为：

交直流系统中逆变侧交流线路发生三相短路故障时，若逆变器熄弧角γ<15°，判断为发生换相失败；若熄弧角γ≥15°，则未发生换相失败。

所述根据判断结果，计算直流系统等值阻抗，具体为：

若判断结果为发生换相失败，则根据式(1)计算直流系统发生换相失败时，直流系统等值阻抗z_dc：

式中，π为圆周率，β为越前触发角，γ为关断角，λ为换相失败后直流电流直流分量相当于正常运行时的倍数，i_dc.eq0为正常运行时的直流电流，u为正常运行状态下逆变侧换流母线电压，Δu为逆变侧换流母线电压故障分量；

若判断结果为未发生换相失败，则逆变侧通常处于定关断角控制方式，根据式(2)计算直流系统等值阻抗z_dc：

式中，x_μ为换相电抗，n_T为换流变压器变比。

所述根据直流系统等值阻抗，分别计算健全线路首、末端方向保护的方向元件测量相角，具体为：

1)线路首端重合：

①将直流系统等值阻抗z_dc代入式(3)，计算故障线路首端投入三相重合闸时，与之并联的健全线路首端方向保护的方向元件测量相角θ₁：

式中，x_s1、x_s2分别为整流侧和逆变侧系统等值电抗，x_L1为健全线路L₁的电抗，x_L2k为故障点距线路首端的电抗，x_L2k＝x₁l_k，x₁为线路单位电抗，l_k为故障点距线路首端的距离，z_set为整定阻抗；

②将直流系统等值阻抗z_dc代入式(4)，计算故障线路首端投入三相重合闸时，与之并联的健全线路末端方向保护的方向元件测量相角θ₂：

2)线路末端重合：

①将直流系统等值阻抗z_dc代入式(5)，计算故障线路末端投入三相重合闸时，与之并联的健全线路首端方向保护的方向元件测量相角θ'₁：

式中，x_L2k'为故障点距线路末端的电抗，x_L2k'＝x₁(l₂-l_k)，l₂为故障线路长度；

②将直流系统等值阻抗z_dc代入式(6)，计算故障线路末端投入三相重合闸时，与之并联的健全线路末端方向保护的方向元件测量相角θ′₂：

所述根据测量相角，确定首、末端重合时序，具体为：

首、末端分别重合时，健全线路首、末端方向保护的方向元件测量相角分别为θ₁、θ₂、θ′₁、θ′₂，若-90°≤θ₁≤90°且-90°≤θ₂≤90°，则选择末端先重合可以降低健全线路方向保护误动风险；若-90°≤θ′₁≤90°且-90°≤θ′₂≤90°则选择首端先重合可以降低健全线路方向保护误动风险；否则，首、末端重合时序对健全线路方向保护没有影响。

本发明的有益效果是：

1、本发明考虑逆变侧是否发生换相失败，且未发生换相失败时考虑故障模式下最为常用的定关断角控制方式计算直流系统等值阻抗，贴合工程实际，计算精度较高。

2、在分析首、末端重合时序对方向保护影响机理的基础上，推导出健全线路首、末端方向元件测量相角的计算公式，原理清楚，计算简便，可有效提高计算速度。

3、大量仿真表明，本发明专利可有效降低交直流串联系统中方向保护误动率，效果良好。

附图说明

图1为交直流串联系统接线图；图中G₁和G₂分别为整流侧和逆变侧发电机，T₁和T₂为变压器，L₁、L₂为双回交流输电线路，M、N为交流母线，1、2、3、4为方向保护编号。

图2为线路首端重合等值电路图；图中E₁、E₂分别为发电机G₁和G₂的等值电动势，x_s1、x_s2分别为整流侧和逆变侧系统等值电抗，z_dc为直流系统等值阻抗，x_L1为交流输电线路中健全线路L₁电抗，x_L2k为故障点距线路L₂首端的电抗，x_L2k'为故障点距线路L₂末端的电抗，M、N为交流母线。

图3为线路末端重合等值电路图；图中E₁、E₂分别为发电机G₁和G₂的等值电动势，x_s1、x_s2分别为整流侧和逆变侧系统等值电抗，z_dc为直流系统等值阻抗，x_L1为交流输电线路中健全线路L₁电抗，x_L2k为故障点距线路首端L₂的电抗，x_L2k'为故障点距线路末端L₂的电抗，M、N为交流母线。

图4为两区域交直流串联系统接线图；图中G1—G6为发电机，B1—B12为母线，R1、R2为直流系统整流侧母线，I1、I2为直流系统逆变侧母线，数字1、2为交流线路方向保护编号。

图5为熄弧角变化曲线；图中熄弧角(°)为熄弧角(角度)，时间(s)为时间(秒)。

图6为首端重合保护1方向元件测量相角变化曲线；图中相角(°)为测量相角，时间(c)为时间(周波)。

图7为末端重合保护1方向元件测量相角变化曲线；图中相角(°)为测量相角，时间(c)为时间(周波)。

图8为首端重合保护2方向元件测量相角变化曲线；图中相角(°)为测量相角，时间(c)为时间(周波)。

图9为末端重合保护2方向元件测量相角变化曲线；图中相角(°)为测量相角，时间(c)为时间(周波)。

具体实施方式

实施例1：如图1-9所示，一种降低交直流系统中方向保护误动率的三相重合时序整定方法，当交直流系统中逆变侧交流线路发生三相短路故障时，通过逆变器熄弧角判断是否发生换相失败；根据判断结果，计算直流系统等值阻抗；根据直流系统等值阻抗，分别计算健全线路首、末端方向保护的方向元件测量相角；根据测量相角，确定首、末端重合时序。

实施例2：如图1-9所示，一种降低交直流系统中方向保护误动率的三相重合时序整定方法，当交直流系统中逆变侧交流线路发生三相短路故障时，通过逆变器熄弧角判断是否发生换相失败；根据判断结果，计算直流系统等值阻抗；根据直流系统等值阻抗，分别计算健全线路首、末端方向保护的方向元件测量相角；根据测量相角，确定首、末端重合时序。

所述方法具体步骤如下：

Step1、交直流系统中逆变侧交流线路发生三相短路故障时，若逆变器熄弧角γ<15°，判断为发生换相失败，转入步骤Step2；若熄弧角γ≥15°，则未发生换相失败，转入步骤Step3；

Step2、根据式(1)计算直流系统发生换相失败时，直流系统等值阻抗z_dc：

式中，π为圆周率，β为越前触发角，γ为关断角，λ为换相失败后直流电流直流分量相当于正常运行时的倍数，i_dc.eq0为正常运行时的直流电流，u为正常运行状态下逆变侧换流母线电压，Δu为逆变侧换流母线电压故障分量；

Step3、未发生换相失败时，遭受扰动后，逆变侧通常处于定关断角控制方式，根据式(2)计算直流系统等值阻抗z_dc：

式中，x_μ为换相电抗，n_T为换流变压器变比；

Step4、线路首端重合

Step4.1、将直流系统等值阻抗z_dc代入式(3)，计算故障线路首端投入三相重合闸时，与之并联的健全线路首端方向保护的方向元件测量相角θ₁：

式中，x_s1、x_s2分别为整流侧和逆变侧系统等值电抗，x_L1为健全线路L₁的电抗，x_L2k为故障点距线路首端的电抗，x_L2k＝x₁l_k，x₁为线路单位电抗，l_k为故障点距线路首端的距离，z_set为整定阻抗；

①若熄弧角γ<15°，即发生换相失败，则将式(1)所示直流系统等值阻抗z_dc代入式(3)，得到发生换相失败时健全线路首端方向保护的方向元件测量相角θ₁，示于式(4)：

②若熄弧角γ≥15°，即未发生换相失败，则式(2)所示直流系统等值阻抗z_dc代入式(3)，得到定关断角控制方式下健全线路首端方向保护的方向元件测量相角θ₁，示于式(5)：

Step4.2、将直流系统等值阻抗z_dc代入式(6)，计算故障线路首端投入三相重合闸时，与之并联的健全线路末端方向保护的方向元件测量相角θ₂：

①若熄弧角γ<15°，即发生换相失败，则将式(1)所示直流系统等值阻抗z_dc代入式(6)，得到发生换相失败时健全线路末端方向保护的方向元件测量相角θ₂，示于式(7)：

②若熄弧角γ≥15°，即未发生换相失败，将式(2)所示直流系统等值阻抗z_dc代入式(6)，得到定关断角控制下健全线路末端方向保护的方向元件测量相角θ₂，示于式(8)：

Step5、线路末端重合

Step5.1、将直流系统等值阻抗z_dc代入式(9)，计算故障线路末端投入三相重合闸时，与之并联的健全线路首端方向保护的方向元件测量相角θ'₁：

式中，x_L2k'为故障点距线路末端的电抗，x_L2k'＝x₁(l₂-l_k)，l₂为故障线路长度；

①若熄弧角γ<15°，即发生换相失败，则将式(1)所示直流系统等值阻抗z_dc代入式(9)，得到发生换相失败时健全线路首端方向保护的方向元件测量相角θ'₁，示于式(10)：

②若熄弧角γ≥15°，即未发生换相失败，将式(2)所示直流系统等值阻抗z_dc代入式(9)，得到定关断角控制下健全线路首端方向保护的方向元件测量相角θ'₁，示于式(11)：

Step5.2、将直流系统等值阻抗z_dc代入式(12)，计算故障线路末端投入三相重合闸时，与之并联的健全线路末端方向保护的方向元件测量相角θ′₂：

①若熄弧角γ<15°，即发生换相失败，则将式(1)所示直流系统等值阻抗z_dc代入式(12)，得到发生换相失败时健全线路末端方向保护的方向元件测量相角θ′₂，示于式(13)：

②若熄弧角γ≥15°，即未发生换相失败，将式(2)所示直流系统等值阻抗z_dc代入式(12)，得到定关断角控制下健全线路末端方向保护的方向元件测量相角θ′₂，示于式(14)：

Step6、降低健全线路方向保护误动率的重合时序方案

首、末端分别重合时，健全线路首、末端方向保护的方向元件测量相角分别为θ₁、θ₂、θ′₁、θ′₂，若-90°≤θ₁≤90°且-90°≤θ₂≤90°，则选择末端先重合可以降低健全线路方向保护误动风险；若-90°≤θ′₁≤90°且-90°≤θ′₂≤90°则选择首端先重合可以降低健全线路方向保护误动风险；若-90°≤θ₁≤90°，90°<θ₂<270°或90°<θ₁<270°，-90°≤θ₂≤90°或-90°≤θ′₁≤90°，90°<θ′₂<270°或90°<θ′₁<270°，-90°≤θ′₂≤90°，则首、末端重合时序对健全线路方向保护没有影响。

实施例3：如图4所示的两区域交直流串联系统，送端交流电网(G1-G5,B1-B10)通过直流系统和与之串联D的双回500kV交流输电线路向受端端电网(G6)送电。以逆变侧母线B11至G6间输电线路L2发生三相故障为例，说明本发明的具体实施步骤：

1、仿真计算输电线路L2在0周波发生三相故障，5周波线路首端断路器跳闸，10周波线路末端断路器跳闸，逆变侧熄弧角变化曲线，如图5所示。显然，发生三相短路故障时，熄弧角γ降至0°，逆变器熄弧角γ<15°，判断为发生换相失败。

2、根据式(1)计算直流系统发生换相失败时，直流系统等值阻抗z_dc：

式中，π为圆周率，β为越前触发角，γ为关断角，λ为换相失败后直流电流直流分量相当于正常运行时的倍数，i_dc.eq0为正常运行时的直流电流，u为正常运行状态下逆变侧换流母线电压，Δu为逆变侧换流母线电压故障分量；

3、线路首端重合

3.1、将直流系统等值阻抗z_dc代入式(2)，计算故障线路首端投入三相重合闸时，与之并联的健全线路首端方向保护的方向元件测量相角θ₁：

式中，x_s1、x_s2分别为整流侧和逆变侧系统等值电抗，x_L1为健全线路L₁的电抗，x_L2k为故障点距线路首端的电抗，x_L2k＝x₁l_k，x₁为线路单位电抗，l_k为故障点距线路首端的距离，z_set为整定阻抗的设定值；

3.2、将直流系统等值阻抗z_dc代入式(4)，计算故障线路首端投入三相重合闸时，与之并联的健全线路末端方向保护的方向元件测量相角θ₂：

4、线路末端重合

4.1、将直流系统等值阻抗z_dc代入式(6)，计算故障线路末端投入三相重合闸时，与之并联的健全线路首端方向保护的方向元件测量相角θ'₁：

式中，x_L2k'为故障点距线路末端的电抗，x_L2k'＝x₁(l₂-l_k)，l₂为故障线路长度；

4.2、将直流系统等值阻抗z_dc代入式(8)，计算故障线路末端投入三相重合闸时，与之并联的健全线路末端方向保护的方向元件测量相角θ′₂：

5、降低健全线路方向保护误动率的重合时序方案

首、末端分别重合时，健全线路首、末端方向保护的方向元件测量相角分别为θ₁、θ₂、θ′₁、θ′₂，若-90°≤θ₁≤90°且-90°≤θ₂≤90°，则选择末端先重合可以降低健全线路方向保护误动风险；若-90°≤θ′₁≤90°且-90°≤θ′₂≤90°则选择首端先重合可以降低健全线路方向保护误动风险；若-90°≤θ₁≤90°，90°<θ₂<270°或90°<θ₁<270°，-90°≤θ₂≤90°或-90°≤θ′₁≤90°，90°<θ′₂<270°或90°<θ′₁<270°，-90°≤θ′₂≤90°，则首、末端重合时序对健全线路方向保护没有影响。

6、重合时序方案验证

图1所示系统中母线B12至G6间输电线路L2发生三相故障，分别由线路首、末端首先重合时保护1、2方向元件测量相角变化曲线如图6-9所示。

对比图6-9可知，首端先重合时，在50周波时，保护1侧发生了功率倒向，其所在母线电压、电流之间的相位从-1.35°突变至93.27°，功率方向由正方向变为反方向，保护1向保护2发闭锁信号，流过保护2电压、电流之间的相位从168°变化到-86.12°，功率方向由反方向变为正方向，两侧保护感受到的功率方向相反，线路方向不会发生误动；末端先重合时，保护1安装处电压、电流之间相位从-1.351变化到-78.73，功率方向为正方向，保护2安装处电压、电流之间的相位从168°变化到88.63°，发生了功率倒向，功率方向由反方向变为正方向，线路方向保护发生误动。此时选择首端先重合可以降低线路纵联方向保护误动的风险。

以下是本发明的设计原理：

1.不同重合时序下健全线路方向保护的方向元件测量相角

采用如图1所示的交直流串联系统，当线路L₂上距首端l_k处发生三相短路故障，故障线路两端跳闸后，分析健全线路L₁在故障线路采用不同重合时序时线路两侧方向原件的测量相角。

故障线路L₂首端先重合，系统的等值电路图如图2所示，此时相当于L₂上同时发生了末端断线和l_k处发生三相短路的双重故障；由电路基本定律推导得到线路L₁首端方向保护的方向元件测量相角θ₁和末端方向保护的方向元件测量相角θ₂的表达式，如式(15)、(16)所示。

式中，x_s1、x_s2分别为整流侧和逆变侧系统等值电抗，z_dc为直流系统等值阻抗，x_L1为健全线路L₁的电抗，x_L2k为故障点距线路首端的电抗，x_L2k＝x₁l_k，x₁为线路单位电抗，l_k为故障点距线路首端的距离。

当故障线路末端先重合时，系统的等值电路图如图3所示，此时相当于在故障线路L₂上发生了首端断线和l_k处三相短路的双重故障，推导出健全线路L₁首端方向保护的方向元件测量相角θ′₁和末端方向保护的方向元件测量相角θ′₂如式(17)、(18)所示。

式中，x_L2k'为故障点距线路末端的电抗，x_L2k'＝x₁(l₂-l_k)，l₂为故障线路长度。

2.直流系统等值阻抗

将图1中所示直流系统在逆变侧M母线处进行等值，其等值阻抗为逆变侧母线的电压与由换流变注入母线电流的比值：

式中，i_d为逆变侧直流侧电流，i_dc.eq为逆变侧交流侧电流，π为圆周率，n_T为换流变变比，u为正常运行状态下逆变侧换流母线电压，Δu为逆变侧换流母线电压故障分量。

直流系统中换相角、越前触发角和关断角之间关系满足式(20)，

μ＝β-γ (20)

式中，μ为直流系统换相角，β为越前触发角，γ为关断角。

(1)发生换相失败

逆变器发生换相失败时，直流系统逆变侧通常已进入定关断角控制模式，整流侧采用定电流控制。建立逆变器的开关函数模型和直流电流暂态变化模型，推导出发生换相失败时经逆变器注入交流电网的等值工频电流为：

式中，i_dc.eq0为正常运行时的直流电流，λ为换相失败后直流电流直流分量相当于正常运行时的倍数，j为虚数单位。

对式(21)取模值得到等值工频电流幅值，如(22)所示。

将式(20)、(22)代入式(19)得到直流系统等值阻抗关于越前触发角、故障电压分量等电气量的关系表达式，如式(23)所示。

将式(23)所示直流系统等值阻抗代入式(15)—(18)得到逆变侧发生换相失败时，不同重合时序下健全线路首、末方向保护的方向元件测量相角。

(2)未发生换相失败

1)定关断角控制

直流系统采用定关断角控制方式下，直流电流i_d表达式如式(28)所示：

将式(28)、式(20)代入式(19)得到直流系统等值阻抗的表达式：

将式(29)所示直流系统等值阻抗分别代入式(15)—(18)得到处于定关断角控制方式时，不同重合时序下健全线路首、末方向保护的方向元件测量相角。

3、优选的重合时序方案

首、末端分别重合时，健全线路首、末端方向保护的方向元件测量相角分别为θ₁、θ₂、θ′₁、θ′₂，若-90°≤θ₁≤90°且-90°≤θ₂≤90°，则选择末端先重合可以降低健全线路方向保护误动风险；若-90°≤θ′₁≤90°且-90°≤θ′₂≤90°则选择首端先重合可以降低健全线路方向保护误动风险；否则，首、末端重合时序对健全线路方向保护没有影响。

上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (2)

1.一种降低交直流系统中方向保护误动率的三相重合时序整定方法，其特征在于：当交直流系统中逆变侧交流线路发生三相短路故障时，通过逆变器熄弧角判断是否发生换相失败；根据判断结果，计算直流系统等值阻抗；根据直流系统等值阻抗，分别计算健全线路首、末端方向保护的方向元件测量相角；根据测量相角，确定首、末端重合时序；

所述当交直流系统中逆变侧交流线路发生三相短路故障时，通过逆变器熄弧角判断是否发生换相失败，具体为：

交直流系统中逆变侧交流线路发生三相短路故障时，若逆变器熄弧角γ<15°，判断为发生换相失败；若熄弧角γ≥15°，则未发生换相失败；

所述根据判断结果，计算直流系统等值阻抗，具体为：

若判断结果为发生换相失败，则根据式(1)计算直流系统发生换相失败时，直流系统等值阻抗z_dc：

式中，π为圆周率，β为越前触发角，γ为关断角，λ为换相失败后直流电流直流分量相当于正常运行时的倍数，i_dc.eq0为正常运行时的直流电流，u为正常运行状态下逆变侧换流母线电压，Δu为逆变侧换流母线电压故障分量；

若判断结果为未发生换相失败，则逆变侧通常处于定关断角控制方式，根据式(2)计算直流系统等值阻抗z_dc：

式中，x_μ为换相电抗，n_T为换流变压器变比；

所述根据直流系统等值阻抗，分别计算健全线路首、末端方向保护的方向元件测量相角，具体为：

1)线路首端重合：

①将直流系统等值阻抗z_dc代入式(3)，计算故障线路首端投入三相重合闸时，与之并联的健全线路首端方向保护的方向元件测量相角θ1：

式中，x_s1、x_s2分别为整流侧和逆变侧系统等值电抗，x_L1为健全线路L₁的电抗，x_L2k为故障点距线路首端的电抗，x_L2k＝x₁l_k，x₁为线路单位电抗，l_k为故障点距线路首端的距离，z_set为整定阻抗；

②将直流系统等值阻抗z_dc代入式(4)，计算故障线路首端投入三相重合闸时，与之并联的健全线路末端方向保护的方向元件测量相角θ₂：

2)线路末端重合：

①将直流系统等值阻抗z_dc代入式(5)，计算故障线路末端投入三相重合闸时，与之并联的健全线路首端方向保护的方向元件测量相角θ′₁：

式中，x_L2k'为故障点距线路末端的电抗，x_L2k'＝x₁(l₂-l_k)，l₂为故障线路长度；

②将直流系统等值阻抗z_dc代入式(6)，计算故障线路末端投入三相重合闸时，与之并联的健全线路末端方向保护的方向元件测量相角θ′₂：

2.根据权利要求1所述的降低交直流系统中方向保护误动率的三相重合时序整定方法，其特征在于：所述根据测量相角，确定首、末端重合时序，具体为：

首、末端分别重合时，健全线路首、末端方向保护的方向元件测量相角分别为θ₁、θ₂、θ′₁、θ′₂，若-90°≤θ₁≤90°且-90°≤θ₂≤90°，则选择末端先重合可以降低健全线路方向保护误动风险；若-90°≤θ′₁≤90°且-90°≤θ′₂≤90°则选择首端先重合可以降低健全线路方向保护误动风险；否则，首、末端重合时序对健全线路方向保护没有影响。