CN107623331A - 一种直流故障下功率冲击简化模型的构建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种直流故障下功率冲击简化模型的构建方法，包括步骤1，获取直流故障发生时直流系统输出功率的实测数据；步骤2，根据实测数据判断故障；步骤3，构建模型。本发明针对直流故障下功率波动过程复杂多样，通过对不同故障下功率冲击形式的总结，构建直流故障的功率冲击简化模型，该模型保留了直流故障下功率冲击的关键特性，同时，模型简单实用，可应用于对交直流电网的联络线功率振荡的仿真研究。
Description
技术领域
本发明涉及一种直流故障下功率冲击简化模型的构建方法，属于建模技术领域。
背景技术
我国是世界上直流输电规模最大的国家，目前投运直流系统共有22回，直流系统的增多，直流系统故障频繁发生，多直流馈入的落点地区多回直流系统同时故障也时有发生。交直流互联电网中，交流系统发生短路故障可能引起逆变站换相失败，如果异常因素未及时清除，逆变站换流器连续换相失败甚至闭锁。直流系统输送容量更大，大容量的功率冲击对交流系统的联络线功率振荡影响重大。所以，建立一种简单且有效的直流系统故障下的功率冲击模型，对于研究交直流电网的联络线功率振荡十分必要。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种直流故障下功率冲击简化模型的构建方法。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种直流故障下功率冲击简化模型的构建方法，包括，
步骤1，获取直流故障发生时直流系统输出功率的实测数据；
步骤2，根据实测数据判断故障；故障包括直流系统发生一次换向失败、直流系统发生多次换向失败、直流系统一极发生闭锁故障，且没有极功率转移、直流系统一极发生闭锁故障，另一极未发生闭锁故障，且有极功率转移、以及直流系统发生若干次换相失败后闭锁；
步骤3，构建模型；
若直流系统发生一次换向失败，将直流系统的功率冲击近似为一个脉冲冲击，模型为：
ΔPDC＝-ΔEfδ(t-t0)
其中，ΔPDC为功率冲击，ΔEf为换相失败的能量冲击值，δ(t)为脉冲函数，t0为换相失败发生时间；
若直流系统发生多次换向失败，将直流系统的功率冲击近似为多个脉冲冲击，模型为：
其中，ΔEf1,...,ΔEfn为第一次至第n次换相失败的能量冲击值，t1,...,tn为第一次至第n次换相失败发生时间；
若直流系统一极发生闭锁故障，且没有极功率转移，将直流系统的功率冲击近似为一个阶跃冲击，模型为：
ΔPDC＝-ΔPfε(t-t′0)
其中，ΔPf为故障极的阶跃冲击幅值，ε(t)为阶跃函数，t′0为故障极闭锁发生时间；
若直流系统一极发生闭锁故障，另一极未发生闭锁故障，且有极功率转移，将直流系统故障极的功率冲击近似为一个阶跃冲击，健全极的功率冲击近似为若干个阶跃冲击，模型为；
其中，ΔPf1,...,ΔPfm为健全极的第一次至第m次阶跃冲击幅值，t′1,...,t′m为健全极的第一次至第m次阶跃冲击发生时间；
若直流系统发生若干次换相失败后闭锁，则将直流系统的功率冲击近似为若干个脉冲冲击后发生阶跃冲击，模型为：
其中，tn+1为n次换向失败后闭锁发生的时间。
根据实测数据绘制功率曲线，根据曲线判断故障。
当直流系统每个极的有功功率在N1秒内从稳定值突变到极限阈值P1以下，并在N2秒内回复至稳定值，则判断发生了一次换相失败；
当直流系统某一极的有功功率在N1秒内从稳定值突变到极限阈值P2以下，并在N3秒内维持不变，则判断该极发生了闭锁故障；
在已判别直流系统一极发生闭锁故障的基础上，若另一极的有功功率在N1秒内从稳定值突变到一个高于稳定值的值，并在N4秒内维持不变，则判别该极未发生闭锁故障，并发生了极功率转移。
N1秒为0.2秒，极限阈值P1为稳定值的50％，N2为0.5秒，极限阈值P2为稳定值的5％，N3秒为3秒，N4秒为1秒。
换相失败直流系统的功率冲击近似为一个三角形脉冲冲击，
其中，ΔP′DC为换相失败期间直流系统功率变化量，Δt为换相失败持续时间。
ΔP′DC为0.7倍的初始功率。
本发明所达到的有益效果：本发明针对直流故障下功率波动过程复杂多样，通过对不同故障下功率冲击形式的总结，构建直流故障的功率冲击简化模型，该模型保留了直流故障下功率冲击的关键特性，同时，模型简单实用，可应用于对交直流电网的联络线功率振荡的仿真研究。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为直流换相失败PMU实测录波曲线；
图3为换相失败功率冲击与三角形脉冲拟合对比图；
图4为为某直流系统发生连续换相失败的实测录波曲线；
图5为银东超高压直流输电系统单极闭锁故障时实测PMU曲线；
图6为直流系统故障极功率实测录波曲线；
图7为直流系统健全极功率实测录波曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，一种直流故障下功率冲击简化模型的构建方法，包括以下步骤：
步骤1，获取直流故障发生时直流系统输出功率的实测数据；现在我国常见的直流系统一般为双极运行，则需分别获取两极的输出功率的实测数据(即有功功率数据)。
步骤2，根据实测数据绘制功率曲线，根据曲线判断故障。
故障包括直流系统发生一次换向失败、直流系统发生多次换向失败、直流系统一极发生闭锁故障，且没有极功率转移、直流系统一极发生闭锁故障，另一极未发生闭锁故障，且有极功率转移、以及直流系统发生若干次换相失败后闭锁。
具体判断过程如下：
当直流系统每个极的有功功率在N1秒内从稳定值突变到极限阈值P1以下，并在N2秒内回复至稳定值，则判断发生了一次换相失败；其中N1秒为0.2秒，极限阈值P1为稳定值的50％，N2为0.5秒。
当直流系统某一极的有功功率在N1秒内从稳定值突变到极限阈值P2以下，并在N3秒内维持不变，则判断该极发生了闭锁故障；其中极限阈值P2为稳定值的5％，N3秒为3秒。
在已判别直流系统一极发生闭锁故障的基础上，若另一极的有功功率在N1秒内从稳定值突变到一个高于稳定值的值，并在N4秒内维持不变，则判别该极未发生闭锁故障，并发生了极功率转移；其中N4秒为1秒。
步骤3，构建模型。
根据换相失败的功率波形进行特性分析，可知在直流系统发生换相失败时，直流系统的输出功率发生大幅跌落，并且在短时间内恢复至初始功率，整个换相失败的持续时间很短(大约为几百毫秒)，近似为脉冲过程。若研究的时间尺度较长(十几秒至几十秒)，则认为换相失败持续时间可忽略不计，换相失败发生于一瞬间，并且在这一瞬间直流输出功率大幅跌落。而脉冲函数是对强度极大、作用时间极短暂的一类理想化数学模型，因此完全可以采用脉冲函数表示换相失败时的功率冲击。
如图2所示，某超高压直流输电系统由于逆变侧交流系统发生短路故障引起的直流换相失败PMU实测录波曲线。故障前直流系统送电功率为3010MW，换相失败发生后80ms直流系统功率达到最低值650MW，100ms后直流系统功率恢复至故障前功率90％，后经20ms直流系统功率恢复至3000MW。整个换相失败持续时间为180ms，而大区间功率振荡周期为数秒，由于直流换相失败持续时间相对于大区间功率振荡周期很短，在分析联络线功率振荡时，可以将其看作是脉冲功率冲击形式。
直流系统发生一次换向失败下的功率冲击模型：
将直流系统的功率冲击近似为一个脉冲冲击，模型为：
ΔPDC＝-ΔEfδ(t-t0)
其中，ΔPDC为功率冲击，ΔEf为换相失败的能量冲击值，δ(t)为脉冲函数，t0为换相失败发生时间。
由对换相失败期间功率波动特性研究，把直流系统换相失败下系统功率冲击近似看为脉冲冲击，换相失败发生后直流系统功率下降至最低值的速度略快于直流系统功率恢复的速度，但可以用一个三角形脉冲近似等效。图3为换相失败功率冲击与三角形脉冲拟合对比图，可以看出，换相失败下直流系统功率波动与三角形脉冲拟合较好，求取换相失败的能量冲击值则可为：
其中，ΔP′DC为换相失败期间直流系统功率变化量，Δt为换相失败持续时间。
由相关文献和大量的实测录波数据分析可得，换相失败引起的直流系统功率波动过程持续时间约为200ms左右，换相失败期间直流系统功率最低值采用0.3倍初始功率，即直流系统功率变化量为0.7倍初始功率。在做功率冲击等效计算时，若对精度要求不高，Δt取200ms，ΔP′DC取0.7倍的初始功率。
如图4所示，为某直流系统发生连续换相失败的实测录波曲线，由于交流系统多回交流线相继发生跳闸，交流侧电压异常，直流系统受交流侧电压异常的影响发生连续换相失败。由实测录波曲线知，两次换相失败间隔时间大约为5s，两次换相失败冲击幅值略有不同，两次换相失败均为负功率冲击过程。
直流系统发生多次换向失败下的功率冲击模型：
对于交流侧电压异常引起的逆变站换相失败，交流侧电压未及时恢复，直流系统会发生连续换相失败，将直流系统的功率冲击近似为多个脉冲冲击，模型为：
其中，ΔEf1,...,ΔEfn为第一次至第n次换相失败的能量冲击值，t1,...,tn为第一次至第n次换相失败发生时间。
根据直流闭锁后的功率波形进行特性分析，可知在直流系统发生闭锁后，直流系统的输出功率在极短的时间内(大约为几十至几百毫秒)发生大幅跌落，并维持一段时间。若研究的时间尺度较长(十几秒至几十秒)，则认为功率跌落的时间可忽略不计，直流系统的输出功率从初始值跌落至低值发生于一瞬间。而阶跃函数反映的是从0到1的跳变过程，是描述跳变过程的一类理想化数学模型，因此完全可以采用阶跃函数表示直流闭锁时的功率变化过程。同时，若直流系统的一极发生闭锁，而另一极未闭锁并存在极功率转移，其功率的恢复过程也十分短暂，也可采用阶跃函数表示功率变化过程。
如图5所示，为银东超高压直流输电系统单极闭锁故障时实测PMU曲线。故障前直流系统运行方式为单极金属回线方式，故障原因为设备故障闭锁保护动作；闭锁前直流系统稳态输送有功功率为1982MW，单极闭锁后直流系统输送功率降至0MW，由实测PMU数据知直流系统功率由1982MW降至0MW仅用时80ms，功率下降过程短暂。
直流系统一极发生闭锁故障，且没有极功率转移下的功率冲击模型：
将直流系统的功率冲击近似为一个阶跃冲击，模型为：
ΔPDC＝-ΔPfε(t-t′0)
其中，ΔPf为故障极的阶跃冲击幅值，ε(t)为阶跃函数，t′0为故障极闭锁发生时间。
如图6所示，为该直流系统故障极(即发生闭锁故障的一极)功率实测录波曲线，闭锁前该极全压运行，即投入两组换流器阀组，闭锁后阀组输送功率由2100MW经40ms降至0MW，此过程可视为功率阶跃下降的过程，图7为该直流系统健全极(即没有发生闭锁故障的一极)功率实测录波曲线，闭锁后，该极阀组电流增加，换流器过载运行，输送功率由1000MW经200ms升至1830MW并维持约3s，此过程可视为功率阶跃上升的过程，阶跃幅值约为830MW；过载运行结束后阀组电流恢复至额定电流运行，系统输送功率经100ms降至1650MW，这一过程可看作功率阶跃下降，阶跃幅值约为150MW。通过上述过程的分析，可知健全极功率波动过程可视为阶跃的叠加。
直流系统一极发生闭锁故障，另一极未发生闭锁故障，且有极功率转移下的功率冲击模型：
将直流系统故障极的功率冲击近似为一个阶跃冲击，健全极的功率冲击近似为若干个阶跃冲击，模型为；
其中，ΔPf1,...,ΔPfm为健全极的第一次至第m次阶跃冲击幅值，t′1,...,t′m为健全极的第一次至第m次阶跃冲击发生时间；
直流系统发生若干次换相失败后闭锁下的功率冲击模型：
将直流系统的功率冲击近似为若干个脉冲冲击后发生阶跃冲击，模型为：
其中，tn+1为n次换向失败后闭锁发生的时间。
上述方法针对直流故障下功率波动过程复杂多样，通过对不同故障下功率冲击形式的总结，构建直流故障的功率冲击简化模型，该模型保留了直流故障下功率冲击的关键特性，同时，模型简单实用，可应用于对交直流电网的联络线功率振荡的仿真研究。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种直流故障下功率冲击简化模型的构建方法，其特征在于：包括，
步骤1，获取直流故障发生时直流系统输出功率的实测数据；
步骤2，根据实测数据判断故障；故障包括直流系统发生一次换向失败、直流系统发生多次换向失败、直流系统一极发生闭锁故障，且没有极功率转移、直流系统一极发生闭锁故障，另一极未发生闭锁故障，且有极功率转移、以及直流系统发生若干次换相失败后闭锁；
步骤3，构建模型；
若直流系统发生一次换向失败，将直流系统的功率冲击近似为一个脉冲冲击，模型为：
ΔPDC＝-ΔEfδ(t-t0)
其中，ΔPDC为功率冲击，ΔEf为换相失败的能量冲击值，δ(t)为脉冲函数，t0为换相失败发生时间；
若直流系统发生多次换向失败，将直流系统的功率冲击近似为多个脉冲冲击，模型为：
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其中，ΔEf1,...,ΔEfn为第一次至第n次换相失败的能量冲击值，t1,...,tn为第一次至第n次换相失败发生时间；
若直流系统一极发生闭锁故障，且没有极功率转移，将直流系统的功率冲击近似为一个阶跃冲击，模型为：
ΔPDC＝-ΔPfε(t-t′0)
其中，ΔPf为故障极的阶跃冲击幅值，ε(t)为阶跃函数，t′0为故障极闭锁发生时间；
若直流系统一极发生闭锁故障，另一极未发生闭锁故障，且有极功率转移，将直流系统故障极的功率冲击近似为一个阶跃冲击，健全极的功率冲击近似为若干个阶跃冲击，模型为；
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其中，ΔPf1,...,ΔPfm为健全极的第一次至第m次阶跃冲击幅值，t′1,...,t′m为健全极的第一次至第m次阶跃冲击发生时间；
若直流系统发生若干次换相失败后闭锁，则将直流系统的功率冲击近似为若干个脉冲冲击后发生阶跃冲击，模型为：
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其中，tn+1为n次换向失败后闭锁发生的时间。
2.根据权利要求1所述的一种直流故障下功率冲击简化模型的构建方法，其特征在于：根据实测数据绘制功率曲线，根据曲线判断故障。
3.根据权利要求1所述的一种直流故障下功率冲击简化模型的构建方法，其特征在于：当直流系统每个极的有功功率在N1秒内从稳定值突变到极限阈值P1以下，并在N2秒内回复至稳定值，则判断发生了一次换相失败；
当直流系统某一极的有功功率在N1秒内从稳定值突变到极限阈值P2以下，并在N3秒内维持不变，则判断该极发生了闭锁故障；
在已判别直流系统一极发生闭锁故障的基础上，若另一极的有功功率在N1秒内从稳定值突变到一个高于稳定值的值，并在N4秒内维持不变，则判别该极未发生闭锁故障，并发生了极功率转移。
4.根据权利要求3所述的一种直流故障下功率冲击简化模型的构建方法，其特征在于：N1秒为0.2秒，极限阈值P1为稳定值的50％，N2为0.5秒，极限阈值P2为稳定值的5％，N3秒为3秒，N4秒为1秒。
5.根据权利要求1所述的一种直流故障下功率冲击简化模型的构建方法，其特征在于：换相失败直流系统的功率冲击近似为一个三角形脉冲冲击，
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其中，ΔP′DC为换相失败期间直流系统功率变化量，Δt为换相失败持续时间。
6.根据权利要求5所述的一种直流故障下功率冲击简化模型的构建方法，其特征在于：ΔP′DC为0.7倍的初始功率。
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2017
- 2017-09-28 CN CN201710893957.7A patent/CN107623331B/zh active Active
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