CN107609256A - 一种直流电网金属回线断线过电压计算方法及系统 - Google Patents

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李晓岚
何慧雯
王磊
周姣
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Abstract

本发明公开了一种直流电网金属回线断线过电压计算方法，所述方法包括：获取直流输电工程线路的参数数据；根据所述直流输电工程线路的参数数据利用电磁暂态仿真软件PSCAD建立直流电网金属回线断线过电压仿真分析模型；按照预设分段阈值分别将直流线路中极线和金属回线进行分段，并在所述极线和金属回线上设置各段的电压读取点；根据预设时间控制所述过电压仿真分析模型中每个开关的通断，模拟直流电网金属回线断线故障；利用所述过电压仿真分析模型计算所述直流电网金属回线断线过电压。利用本发明的方法得到的计算结果较为贴近真实情况，为直流输电工程中线路绝缘配合设计提供参考，同时也为直流输电工程中直流线路的运行及维护提供依据。

Description

一种直流电网金属回线断线过电压计算方法及系统
技术领域
本发明涉及高压直流输电技术领域，并且更具体地，涉及一种直流电网金属回线断线过电压计算方法及系统。
背景技术
由于具有远距离、大容量输电的特点，高压直流输电技术应用日益广泛。直流输电系统双极运行方式下，当换流站的某个极或者某极输电线路发生故障需要退出运行时，通常在故障极停运时，健全极的电流通过两端接地极和大地所构成的回路返回，首先自动形成单极大地回线方式。但由于在此种运行方式下，大地中长期有大直流电流通过，将会引起中性点接地变压器直流偏磁增大造成变压器磁饱和，因此，一般会手动选择将单极大地回线方式转换为单极金属回线方式，以避免由于单极大地回线方式导致的变压器磁饱和等问题。因而，单极金属回线是直流输电工程中很重要的一种运行方式。
在单极金属回线运行方式下，单极发生瞬时性线路故障的概率将会增大。若金属回线因雷击等原因引起断线故障，会在极线和金属回线上产生一定的过电压，将对直流输电工程的安全稳定运行造成一定的而影响，而过电压的大小是否会影响极线和金属回线上的绝缘配合则是直流工程设计中需要考虑的问题。而在目前的直流工程线路设计中，尚未考虑金属回线断线的工况，显然是不全面的。因此准确计算分析金属回线断线在极线和金属回线上所引起的过电压，合理判断金属回线断线工况是否会影响线路的绝缘配合，是直流输电工程设计和运行的重要参考依据。
发明内容
本发明提供了一种直流电网金属回线断线过电压计算方法及系统，以解决直流电网金属回线断线故障过程中的过电压确定问题。
为了解决上述问题，根据本发明的一个方面，提供了一种直流电网金属回线断线过电压计算方法，所述方法包括：
获取直流输电工程线路的参数数据；
根据所述直流输电工程线路的参数数据利用电磁暂态仿真软件PSCAD建立直流电网金属回线断线过电压仿真分析模型；
按照预设分段阈值分别将直流线路中极线和金属回线进行分段，并在所述极线和金属回线上设置各段的电压读取点；
根据预设时间控制所述过电压仿真分析模型中每个开关的通断，模拟直流电网金属回线断线故障；
利用所述过电压仿真分析模型计算所述直流电网金属回线断线过电压，所述过电压包括:极线过电压和金属回线上的过电压。
优选地，其中所述获取直流输电工程线路的参数数据包括：
系统数据，包括：直流额定电压数据、换流站容量数据和短路电流水平数据；
主要设备数据，包括：换流器数据、换流变压器数据、桥臂电抗器数据、限流电抗器数据、启动电阻数据、直流断路器数据和避雷器数据；
直流线路数据，包括：线路长度数据、档距长度数据、塔型数据、导线及金属回线结构数据；
金属回线断线故障数据，包括：金属回线断线位置数据、金属回线断线及接地间隔时间数据。
优选地，其中所述根据预设时间阈值控制所述过电压仿真分析模型中每个开关的通断，模拟直流电网金属回线断线故障，包括：
根据预设时间阈值控制所述过电压仿真分析模型中第一开关断开，然后控制第二开关闭合，模拟直流电网金属回线断线故障，其中所述第一开关置于直流金属回线中，第二开关接地。
优选地，其中所述利用所述过电压仿真分析模型计算所述直流电网金属回线断线过电压，包括：
分别获取直流电网金属回线断线过程中极线和金属回线上各段的电压读取点处的最大电压作为分段电压；
分别选取所述极线和金属回线上的分段电压的最大值作为极线过电压和金属回线上的过电压。
根据本发明的另一个方面，提供了一种直流电网金属回线断线过电压计算系统，所述系统包括：参数数据获取单元、模型建立单元、电压读取点设置单元、故障模拟单元和过电压计算单元，
所述参数数据获取单元，用于获取直流输电工程线路的参数数据；
所述模型建立单元，用于根据所述直流输电工程线路的参数数据利用电磁暂态仿真软件PSCAD建立直流电网金属回线断线过电压仿真分析模型；
所述电压读取点设置单元，用于按照预设分段阈值分别将直流线路中极线和金属回线进行分段，并在所述极线和金属回线上设置各段的电压读取点；
所述故障模拟单元，用于根据预设时间控制所述过电压仿真分析模型中每个开关的通断，模拟直流电网金属回线断线故障；
所述过电压计算单元，用于利用所述过电压仿真分析模型计算所述直流电网金属回线断线过电压，所述过电压包括:极线过电压和金属回线上的过电压。
优选地，其中所述获取直流输电工程线路的参数数据包括：
系统数据，包括：直流额定电压数据、换流站容量数据和短路电流水平数据；
主要设备数据，包括：换流器数据、换流变压器数据、桥臂电抗器数据、限流电抗器数据、启动电阻数据、直流断路器数据和避雷器数据；
直流线路数据，包括：线路长度数据、档距长度数据、塔型数据、导线及金属回线结构数据；
金属回线断线故障数据，包括：金属回线断线位置数据、金属回线断线及接地间隔时间数据。
优选地，其中所述故障模拟单元，根据预设时间阈值控制所述过电压仿真分析模型中每个开关的通断，模拟直流电网金属回线断线故障，包括：
根据预设时间阈值控制所述过电压仿真分析模型中第一开关断开，然后控制第二开关闭合，模拟直流电网金属回线断线故障，其中所述第一开关置于直流金属回线中，第二开关接地。
优选地，其中所述过电压计算单元，利用所述过电压仿真分析模型计算所述直流电网金属回线断线过电压，包括：
分段电压计算子单元，用于分别获取直流电网金属回线断线过程中极线和金属回线上各段的电压读取点处的最大电压作为分段电压；
过电压计算子单元，用于分别选取所述极线和金属回线上的分段电压的最大值作为极线过电压和金属回线上的过电压。
本发明提供了一种直流电网金属回线断线过电压计算方法及系统，用于对直流电网在单极金属回线运行方式下，金属回线发生断线时在极线和金属回线上产生过电压进行仿真计算，基于金属回线发生断线的过程，通过采用电磁暂态仿真软件PSCAD，设置金属回线动作开关，准确计算金属回线发生一端断线及另一端接地整个过程在直流线路极线和金属回线上所产生的过电压。利用本发明的方法得到的计算结果较为贴近真实情况，更加准确，能够弥补设计中未考虑该故障工况的不足，为直流输电工程中线路绝缘配合设计提供参考，同时也为直流输电工程中直流线路的运行及维护提供依据。
附图说明
通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式：
图1为根据本发明实施方式的直流电网金属回线断线过电压计算方法100的流程图；
图2为根据本发明实施方式的金属回线断线和开关的示意图；以及
图3为根据本发明实施方式的直流电网金属回线断线过电压计算系统300的结构示意图。
具体实施方式
现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。
除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。
图1为根据本发明实施方式的直流电网金属回线断线过电压计算方法100的流程图。如图1所示，本发明实施方式的直流电网金属回线断线过电压计算方法针对金属回线发生断线接地故障性质及特点，基于工程设计及运维单位提供的工程线路资料，由计算机运用、处理、分析涉及具体的直流输电工程金属回线断线故障的各种数据，利用电磁暂态仿真软件PSCAD，通过计算、分析和比较，得到故障时直流线路极线与金属回线上产生过电压最大值。利用本发明的方法得到的计算结果较为贴近真实情况，更加准确，能够弥补设计中未考虑该故障工况的不足，为直流输电工程中线路绝缘配合设计提供参考，同时也为直流输电工程中直流线路的运行及维护提供依据。本发明实施方式的直流电网金属回线断线过电压计算方法100从步骤101处开始，在步骤101获取直流输电工程线路的参数数据。优选地，其中所述获取直流输电工程线路的参数数据包括：
系统数据，包括：直流额定电压数据、换流站容量数据和短路电流水平数据；
主要设备数据，包括：换流器数据、换流变压器数据、桥臂电抗器数据、限流电抗器数据、启动电阻数据、直流断路器数据和避雷器数据；
直流线路数据，包括：线路长度数据、档距长度数据、塔型数据、导线及金属回线结构数据；
金属回线断线故障数据，包括：金属回线断线位置数据、金属回线断线及接地间隔时间数据。
在本发明的实施方式中，通过计算机收集并整理直流输电工程线路的数据资料，包括：直流输电工程线路资料主要包括系统资料，包括直流额定电压及换流站容量、短路电流水平等；换流站及主要设备资料，包括换流器、换流变压器、桥臂电抗器、限流电抗器、启动电阻、直流断路器、避雷器等设备资料；直流线路资料，包括线路长度、档距长度、塔型、导线及金属回线结构参数等资料；金属回线断线故障资料，包括金属回线断线位置、金属回线断线及接地间隔时间等。
优选地，在步骤102根据所述直流输电工程线路的参数数据利用电磁暂态仿真软件PSCAD建立直流电网金属回线断线过电压仿真分析模型。
优选地，在步骤103按照预设分段阈值分别将直流线路中极线和金属回线进行分段，并在所述极线和金属回线上设置各段的电压读取点。
在本发明的实时方式中，结合直流工程线路资料，参考直流工程设计和运维单位所提供的线路长度以及档距等资料来确定直流线路中极线与金属回线分段数N值。利用电磁暂态仿真软件PSCAD，通过计算机分别输入交流系统、换流站及设备、直流线路及杆塔等多个参数，同时将直流线路中极线和金属回线分为N段，利用电磁暂态仿真软件PSCAD在各段设置电压读取点，以方便程序计算时获取极线和金属回线上各分段点的电压值。其中，极线上电压读取点为：Up1,Up2……UpN-1,UpN,UpN+1；金属回线上电压为读取点为Umr1,Umr2……UmrN-1,UmrN,UmrN+1。
优选地，在步骤104根据预设时间控制所述过电压仿真分析模型中每个开关的通断，模拟直流电网金属回线断线故障。优选地，其中所述根据预设时间阈值控制所述过电压仿真分析模型中每个开关的通断，模拟直流电网金属回线断线故障，包括：
根据预设时间阈值控制所述过电压仿真分析模型中第一开关断开，然后控制第二开关闭合，模拟直流电网金属回线断线故障，其中所述第一开关置于直流金属回线中，第二开关接地。
图2为根据本发明实施方式的金属回线断线和开关的示意图。如图2所示，基于金属回线断线故障存在金属回线发生断线和随后接地两个过程，在PSCAD模型中金属回线断线处设置两个开关，K1和K2。故障前，K1闭合，K2断开；当金属回线发生断线故障时，先将K1断开，随后再将K2闭合。金属回线发生断线及接地故障的预设的间隔时间要依据直流工程设计和运维单位所提供的金属回线断线故障资料来确定。
优选地，在步骤105利用所述过电压仿真分析模型计算所述直流电网金属回线断线过电压，所述过电压包括:极线过电压和金属回线上的过电压。
优选地，其中所述利用所述过电压仿真分析模型计算所述直流电网金属回线断线过电压，包括：
分别获取直流电网金属回线断线过程中极线和金属回线上各段的电压读取点处的最大电压作为分段电压；
分别选取所述极线和金属回线上的分段电压的最大值作为极线过电压和金属回线上的过电压。
在本发明的实施方式中，将系统方式设置为单极金属回线运行方式，在直流系统运行至稳态后，设置金属回线发生断线故障时间及随后接地时间，计算该过程中极线和金属回线上的过电压，然后读取计算数据，获得极线和金属回线上的最大过电压值。读取极线和金属回线上各分段点的电压最大值为：
极线上：Up1(max),Up2(max)……UpN-1(max),UpN(max),UpN+1(max)；
金属回线上：Umr1(max),Umr2(max)……UmrN-1(max),UmrN(max),UmrN+1(max)。
然后，获取分段点电压的最大值作为极线和金属回线上的最大过电压，即：
极线最大过电压为：
MAX[Up1(max),Up2(max)……UpN-1(max),UpN(max),UpN+1(max)]；
金属回线最大过电压为：
MAX[Umr1(max),Umr2(max)……UmrN-1(max),UmrN(max),UmrN+1(max)]。
以下具体举例说明本发明的实施方式
首先，对设计单位提供的一个两端500kV柔性直流电网设计资料，采用计算机收集整理了该直流工程的系统参数、换流站及主设备参数、直流线路参数，要求考虑该直流系统在单极金属回线运行方式下(负极退出运行)，系统运行至稳态后2s时，在金属回线中点处(直流线路总长50km，即断线处为距离换流站25km处的金属回线上)发生断线及接地故障的工况，计算在该工况下极线和金属回线上产生的过电压，设计单位提供的金属回线发生断线及接地故障间隔时间为100ms。
根据设计单位提供的参数和资料，在电磁暂态仿真软件PSCAD中输入计算参数，建立直流线路过电压仿真分析模型，同时将直流线路中极线和金属回线从左至右分为10段，并在各段设置电压读取点，极线与金属回线上各11个电压读取点，极线为Up1,Up2……Up10,Up11；金属回线为Umr1,Umr2……Umr10,Umr11。
在金属回线中点处(即距离换流站25km处)按照图2设置断线开关K1和K2，故障前K1闭合，K2断开；在系统运行至稳态后2s时K1动作，断开，2.1s时K2动作，闭合。
将该500kV直流输电工程运行方式设置为单极金属回线运行，运行电磁暂态仿真软件PSCAD，得到系统电压上升至500kV额定电压需1s。按照设计单位要求，金属回线发生断线故障时间为3s，且断线与接地时间间隔为100ms，即接地时间为3.1s。计算得到极线和金属回线上11个电压读取点电压分布，读取各电压读取点的峰值如表1所示。
表1各电压读取点的峰值
根据上表计算的结果得到：
极线最大过电压为：
MAX[Up1(max),Up2(max)……Up10(max),Up11(max)]＝572.3kV。
金属回线最大过电压为：
MAX[Umr1(max),Umr2(max)……Umr10(max),Umr11(max)]＝67.8kV。
图3为根据本发明实施方式的直流电网金属回线断线过电压计算系统300的结构示意图。如图3所示，本发明实施方式的直流电网金属回线断线过电压计算系统300包括：参数数据获取单元301、模型建立单元302、电压读取点设置单元303、故障模拟单元304和过电压计算单元305。优选地，在所述参数数据获取单元301，获取直流输电工程线路的参数数据。优选地，其中所述获取直流输电工程线路的参数数据包括：
系统数据，包括：直流额定电压数据、换流站容量数据和短路电流水平数据；
主要设备数据，包括：换流器数据、换流变压器数据、桥臂电抗器数据、限流电抗器数据、启动电阻数据、直流断路器数据和避雷器数据；
直流线路数据，包括：线路长度数据、档距长度数据、塔型数据、导线及金属回线结构数据；
金属回线断线故障数据，包括：金属回线断线位置数据、金属回线断线及接地间隔时间数据。
优选地，在所述模型建立单元302，根据所述直流输电工程线路的参数数据利用电磁暂态仿真软件PSCAD建立直流电网金属回线断线过电压仿真分析模型。
优选地，在所述电压读取点设置单元303，按照预设分段阈值分别将直流线路中极线和金属回线进行分段，并在所述极线和金属回线上设置各段的电压读取点。
优选地，在所述故障模拟单元304，根据预设时间控制所述过电压仿真分析模型中每个开关的通断，模拟直流电网金属回线断线故障。优选地，其中所述故障模拟单元，根据预设时间阈值控制所述过电压仿真分析模型中每个开关的通断，模拟直流电网金属回线断线故障，包括：
根据预设时间阈值控制所述过电压仿真分析模型中第一开关断开，然后控制第二开关闭合，模拟直流电网金属回线断线故障，其中所述第一开关置于直流金属回线中，第二开关接地。
优选地，在所述过电压计算单元305，利用所述过电压仿真分析模型计算所述直流电网金属回线断线过电压，所述过电压包括:极线过电压和金属回线上的过电压。
优选地，其中所述过电压计算单元，利用所述过电压仿真分析模型计算所述直流电网金属回线断线过电压，包括：
分段电压计算子单元，用于分别获取直流电网金属回线断线过程中极线和金属回线上各段的电压读取点处的最大电压作为分段电压；
过电压计算子单元，用于分别选取所述极线和金属回线上的分段电压的最大值作为极线过电压和金属回线上的过电压。
本发明的实施例的直流电网金属回线断线过电压计算系统300与本发明的另一个实施例的直流电网金属回线断线过电压计算方法100相对应，在此不再赘述。
已经通过参考少量实施方式描述了本发明。然而，本领域技术人员所公知的，正如附带的专利权利要求所限定的，除了本发明以上公开的其他的实施例等同地落在本发明的范围内。
通常地，在权利要求中使用的所有术语都根据他们在技术领域的通常含义被解释，除非在其中被另外明确地定义。所有的参考“一个/所述/该[装置、组件等]”都被开放地解释为所述装置、组件等中的至少一个实例，除非另外明确地说明。这里公开的任何方法的步骤都没必要以公开的准确的顺序运行，除非明确地说明。

Claims (8)

1.一种直流电网金属回线断线过电压计算方法，其特征在于，所述方法包括：
获取直流输电工程线路的参数数据；
根据所述直流输电工程线路的参数数据利用电磁暂态仿真软件PSCAD建立直流电网金属回线断线过电压仿真分析模型；
按照预设分段阈值分别将直流线路中极线和金属回线进行分段，并在所述极线和金属回线上设置各段的电压读取点；
根据预设时间控制所述过电压仿真分析模型中每个开关的通断，模拟直流电网金属回线断线故障；
利用所述过电压仿真分析模型计算所述直流电网金属回线断线过电压，所述过电压包括:极线过电压和金属回线上的过电压。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取直流输电工程线路的参数数据包括：
系统数据，包括：直流额定电压数据、换流站容量数据和短路电流水平数据；
主要设备数据，包括：换流器数据、换流变压器数据、桥臂电抗器数据、限流电抗器数据、启动电阻数据、直流断路器数据和避雷器数据；
直流线路数据，包括：线路长度数据、档距长度数据、塔型数据、导线及金属回线结构数据；
金属回线断线故障数据，包括：金属回线断线位置数据、金属回线断线及接地间隔时间数据。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据预设时间阈值控制所述过电压仿真分析模型中每个开关的通断，模拟直流电网金属回线断线故障，包括：
根据预设时间阈值控制所述过电压仿真分析模型中第一开关断开，然后控制第二开关闭合，模拟直流电网金属回线断线故障，其中所述第一开关置于直流金属回线中，第二开关接地。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用所述过电压仿真分析模型计算所述直流电网金属回线断线过电压，包括：
分别获取直流电网金属回线断线过程中极线和金属回线上各段的电压读取点处的最大电压作为分段电压；
分别选取所述极线和金属回线上的分段电压的最大值作为极线过电压和金属回线上的过电压。
5.一种直流电网金属回线断线过电压计算系统，其特征在于，所述系统包括：参数数据获取单元、模型建立单元、电压读取点设置单元、故障模拟单元和过电压计算单元，
所述参数数据获取单元，用于获取直流输电工程线路的参数数据；
所述模型建立单元，用于根据所述直流输电工程线路的参数数据利用电磁暂态仿真软件PSCAD建立直流电网金属回线断线过电压仿真分析模型；
所述电压读取点设置单元，用于按照预设分段阈值分别将直流线路中极线和金属回线进行分段，并在所述极线和金属回线上设置各段的电压读取点；
所述故障模拟单元，用于根据预设时间控制所述过电压仿真分析模型中每个开关的通断，模拟直流电网金属回线断线故障；
所述过电压计算单元，用于利用所述过电压仿真分析模型计算所述直流电网金属回线断线过电压，所述过电压包括:极线过电压和金属回线上的过电压。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述获取直流输电工程线路的参数数据包括：
系统数据，包括：直流额定电压数据、换流站容量数据和短路电流水平数据；
主要设备数据，包括：换流器数据、换流变压器数据、桥臂电抗器数据、限流电抗器数据、启动电阻数据、直流断路器数据和避雷器数据；
直流线路数据，包括：线路长度数据、档距长度数据、塔型数据、导线及金属回线结构数据；
金属回线断线故障数据，包括：金属回线断线位置数据、金属回线断线及接地间隔时间数据。
7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述故障模拟单元，根据预设时间阈值控制所述过电压仿真分析模型中每个开关的通断，模拟直流电网金属回线断线故障，包括：
根据预设时间阈值控制所述过电压仿真分析模型中第一开关断开，然后控制第二开关闭合，模拟直流电网金属回线断线故障，其中所述第一开关置于直流金属回线中，第二开关接地。
8.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述过电压计算单元，利用所述过电压仿真分析模型计算所述直流电网金属回线断线过电压，包括：
分段电压计算子单元，用于分别获取直流电网金属回线断线过程中极线和金属回线上各段的电压读取点处的最大电压作为分段电压；
过电压计算子单元，用于分别选取所述极线和金属回线上的分段电压的最大值作为极线过电压和金属回线上的过电压。
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