CN107785875B - 一种计算单极接地故障时产生线路操作过电压的方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种计算单极接地故障时产生线路操作过电压的方法，所述方法包括：获取计算直流线路发生单极接地故障时在健全极上产生操作过电压需要的参数；设置计算过电压的允许最大误差值；根据所述参数，将所述直流线路分成至少2段，计算对直流线路划分不同的段数值时，不同段数值对应的操作过电压值；计算最大段数值对应的操作过电压值与所述最大段数值小于1的段数值对应的操作过压值之间的操作过电压值的偏差值；所述操作过电压的偏差值不大于所述允许最大误差值，所述直流线路发生单极接地故障时在健全极上产生操作过电压为最大段数值对应的操作过电压值。

Description

一种计算单极接地故障时产生线路操作过电压的方法及系统
技术领域
本发明涉及高压直流输电技术领域，更具体地，涉及一种计算单极接地故障时产生线路操作过电压的方法及系统。
背景技术
直流输电工程的设计与运行需切实做好过电压与绝缘配合工作。研究表明，单极接地故障是直流输电线路发生概率较高的故障之一，其通过极线间的电磁耦合作用，在健全极线路上产生较为严重的缓波前过电压。仔细分析直流线路发生单极接地故障时极线间的电磁耦合作用和波过程，准确计算健全极上产生的缓波前过电压，合理确定直流线路操作空气间隙，是做好直流线路绝缘配合的重要基础，也是直流线路过电压的研究重点。
直流线路发生单极接地故障时，健全极上会产生复杂的波过程和电磁耦合，直流线路长度、接地电阻、杆塔布置等都是直流线路操作过电压的重要影响因素，目前多采用PSCAD软件程序进行分析计算。现有技术对于直流线路的处理，有两种方法。一是直接将整条线路作为计算对象，输入整条线路的长度，取线路上典型杆塔的导地线结构参数、沿线平均土壤电阻率、接地电阻等相关参数，分析线路上产生的操作过电压最大值；另外一种是将直流线路进行分段处理，输入分段之后各线段的参量值进行计算。相比较而言，将直流线路进行分段处理的方法更贴近实际情况，考虑得更细致和全面，线路分段数越多，计算结果更为准确。
但是因研究对象的不同，将直流线路的分段数设为一固定值显然是不合理的。计算中，随着线路分段数的增多，计算量和计算时间也随之增加，且数据趋于饱和后，再继续细分的意义也不太明显。因此，在分析计算中，直流线路分段数的合理确定也很重要，一方面要保证分析计算结果的准确性，同时还要避免数据量过大计算时间过长所造成的不必要的浪费。
因此，需要一种技术，基于对直流线路进行分段，准确计算单极接地故障时产生线路操作过电压的方法及系统。
发明内容
本发明提供了一种计算单极接地故障时产生线路操作过电压的方法及系统，以解决如何基于对直流线路进行分段，准确计算单极接地故障时产生线路操作过电压的问题。
为了解决上述问题，本发明提供了一种计算单极接地故障时产生线路操作过电压的方法，所述方法包括：
获取计算直流线路发生单极接地故障时在健全极上产生操作过电压需要的参数；
设置计算过电压的允许最大误差值；
根据所述参数，将所述直流线路分成至少2段，计算对直流线路划分不同的段数值时，不同段数值对应的操作过电压值；
计算最大段数值对应的操作过电压值与所述最大段数值小于1的段数值对应的操作过压值之间的操作过电压值的偏差值；
若所述操作过电压的偏差值不大于所述允许最大误差值，所述直流线路发生单极接地故障时在健全极上产生操作过电压为最大段数值对应的操作过电压值。
优选地，若所述操作过电压的偏差值大于所述允许最大误差值，则增加对所述直流线路分段的数值。
优选地，每次增加的直流线路分段的数值为1。
优选地，所述参数包括：系统参数、换流站参数、设备参数、直流线路参数及杆塔参数。
优选地，通过电磁暂态仿真软件PSCAD计算对直流线路划分不同的段数值时，不同段数值对应的操作过电压值。
基于本发明的另一方面，提供一种计算单极接地故障时产生线路操作过电压的系统，所述系统包括：
获取单元，用于获取计算直流线路发生单极接地故障时在健全极上产生操作过电压需要的参数；
设置单元，用于设置计算过电压的允许最大误差值；
分段单元，用于根据所述参数，将所述直流线路分成至少2段；
第一计算单元，用于计算对直流线路划分不同的段数值时，不同段数值对应的操作过电压值；
第二计算单元，用于计算最大段数值对应的操作过电压值与所述最大段数值小于1的段数值对应的操作过压值之间的操作过电压值的偏差值；
判断单元，若所述操作过电压的偏差值不大于所述允许最大误差值，所述直流线路发生单极接地故障时在健全极上产生操作过电压为最大段数值对应的操作过电压值。
优选地，所述判断单元还用于：若所述操作过电压的偏差值大于所述允许最大误差值，则增加对所述直流线路分段的数值。
优选地，所述分段单元还用于：每次增加的直流线路分段的数值为1。
优选地，所述参数包括：系统参数、换流站参数、设备参数、直流线路参数及杆塔参数。
优选地，所述第一计算单元还用于通过电磁暂态仿真软件PSCAD计算对直流线路划分不同的段数值时，不同段数值对应的操作过电压值。
本发明技术方案基于直流线路发生单极接地故障时在线路上产生缓波前过电压的仿真计算中各输入参量的误差允许范围，分析比较根据不同分段数计算得到的对应最大缓波前过电压值的变化情况，从而确定直流线路的分段数。采用该方法确定的直流线路分段数进行线路操作过电压计算，充分考虑了不同直流输电工程的差异，同时也避免了线路分段数过多所带来的计算时间长和计算量大等问题，计算结果将更加准确，为直流输电工程绝缘配合提供重要依据。
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一种计算单极接地故障时产生线路操作过电压的方法流程图；以及
图2为根据本发明实施方式的一种计算单极接地故障时产生线路操作过电压的系统结构图。
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一种计算单极接地故障时产生线路操作过电压的方法流程图。现有技术的实施方式在直流输电工程的设计与运行中，采用PSCAD计算程序分析直流线路发生单极接地故障时线路上产生的缓波前过电压时，对直流线路的处理要么视为一整体，输入平均典型数值，要么划分为固定段数，输入各线段的分段参数，这样不利于获取准确的过电压计算值，且忽略了各研究对象的差异性。如图1所示，本发明实施方式提供了一种直流线路单极接地故障在健全极产生缓波前过电压计算的直流线路分段确定方法。本申请实施方式针对目前采用PSCAD程序分析直流线路发生单极接地故障在健全极上产生缓波前过电压时，将直流线路视为整体或固定分段的不足，提出了一种直流线路分段数的确定方法。其特征在于，基于直流输电工程设计与运行单位提供的直流线路相关参数及资料，采用PSCAD计算程序，将直流线路的分段数逐渐增加，在计算机中输入分段后各线段参量，计算单极接地故障线路操作过电压，并将不同分段情况下的计算结果进行比较，从而确定直流线路的分段数和线路发生单极接地故障在健全极产生的操作过电压最大值。
优选地，步骤1：获取计算直流线路发生单极接地故障时在健全极上产生操作过电压需要的参数。本申请实施方式中采用计算机收集整理直流线路单极接地故障操作过电压计算参数。在计算直流线路发生单极接地故障时在健全极上产生的操作过电压需要由工程设计或运行单位提供以下参数，并采用计算机进行整理。优选地，参数包括：系统参数、换流站参数、设备参数、直流线路参数及杆塔参数。其中包括：
系统参数：直流额定电压及换流站容量、短路电流水平等；
换流站参数及主设备参数：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、避雷器等设备参数；
直流线路参数及杆塔参数：线路长度、档距长度、塔型、导线及金属回线结构参数等；
优选地，设置计算过电压的允许最大误差值；本申请中，设计与运行单位还将计算过电压允许最大误差值设为A。
优选地，步骤2：根据参数，将直流线路分成至少2段，计算对直流线路划分不同的段数值时，不同段数值对应的操作过电压值。本申请中，利用PSCAD程序，将直流线路进行分段，通过计算机计算单极接地故障操作过电压。
根据工程设计与运行单位提供的资料，利用PSCAD程序，通过计算机分别输入交流系统、换流站及设备参数，并将直流线路划分为n段(n＝1,2,……,N-1,N；n从1开始取值，并逐次增加)，在计算机程序中输入n值对应下的直流线路参数，并计算该分段数下直流线路发生单极接地故障在健全极上产生的操作过电压最大值Un。
优选地，步骤3：计算最大段数值对应的操作过电压值与最大段数值小于1的段数值对应的操作过压值之间的操作过电压值的偏差值。
本申请中，读取不同分段数下的计算结果，计算结果偏差值B。
基于步骤，通过PSCAD程序中的数据读取点读取直流线路分段数为N-1和N时的单极接地故障操作过电压最大值UN-1和UN，将两者计算结果进行比较，计算结果偏差B值：
Figure BDA0001435067610000061
优选地，步骤4：对操作过电压值的偏差值进行判断：若操作过电压的偏差值不大于允许最大误差值，直流线路发生单极接地故障时在健全极上产生操作过电压为最大段数值对应的操作过电压值。
优选地，若操作过电压的偏差值大于允许最大误差值，则增加对直流线路分段的数值。优选地，每次增加的直流线路分段的数值为1。
本申请中将计算结果偏差值B与设计运行单位提供的误差值A进行比较，确定直流线路分段数和单极接地故障在健全极上产生的操作过电压最大值计算结果。
将B值与设计与运行单位提供的最大允许误差值A进行比较：
若B﹥A，则再计算n＝N+1时的单极接地故障操作过电压最大值，重复步骤2和步骤3，如此循环；
若B≤A，则直流线路分段数确定为N，该直流线路发生单极接地故障在健全极上产生的操作过电压最大值计算结果则为分段数N对应的值UN。
本申请利用PSCAD程序，将直流线路分段数从1开始取值计算，逐次增加，得到不同分段数N下的直流线路单极接地故障在健全极上产生的缓波前过电压最大值UN。本申请将直流工程设计与运行单位提供的参数最大误差值A设为线路分段数确定的基准值。本申请取线路分段数为N-1和N时的单极接地故障操作过电压最大值UN-1和UN，计算结果偏差值
Figure BDA0001435067610000071
并与A值进行比较：
若B≤A，线路分段数确定为N，计算结果确定为UN；
若B﹥A时，线路分段数继续增加并进行计算。
本发明基于直流线路发生单极接地故障时在极线间产生的电磁耦合和波过程，充分考虑了不同直流工程中的系统、主设备、线路等参数的差异，将直流线路分段并逐次递增进行处理，在PSCAD程序中进行仿真计算，依据设计与运行单位提供的参数最大误差作为基准值，将不同直流线路分段数情况下的线路发生单极接地故障时在健全极上产生的缓波前过电压最大计算值进行计算比较，并最终确定线路分段数取值和过电压计算值。该方法弥补了目前仿真计算中将直流线路视为一整体或直接定为一固定数值的不足，充分考虑了不同研究对象之间的差异性，同时也避免了因线路分段数过多所带来的数据冗余和浪费，以及计算时间长和计算量大等问题。采用该方法得到的计算结果更加准确，为直流工程线路的绝缘配合提供了重要的参考依据。
以下是本发明实施方式对直流线路发生单极接地故障在健全极上产生缓波前过电压计算的举例说明：
首先，对设计单位提供的一个两端500kV直流电网工程设计资料，采用计算机收集整理该工程的系统参数、换流站及主设备参数、直流线路参数，且各参数中最大允许误差A为2％。
根据设计单位提供的参数和资料，在PSCAD程序中输入计算参数，计算直流线路分段为n时，直流线路发生单极接地故障在健全极上产生的操作过电压最大值Un，计算结果列表如下：
Figure BDA0001435067610000072
Figure BDA0001435067610000081
计算结果偏差值
Figure BDA0001435067610000082
并与A值进行比较。从上表的计算结果中可以看出：
当n＝7时，B＝2.077％，B﹥A；
当n＝8时，B＝1.73％，B﹤A。
因此，该工程直流线路分段数取为8段，直流线路发生单极接地故障在健全极上产生的操作过电压最大值计算结果为U8＝689.8kV。
图2为根据本发明实施方式的一种计算单极接地故障时产生线路操作过电压的系统结构图。如图2所示，一种计算单极接地故障时产生线路操作过电压的系统200包括：
获取单元201，用于获取计算直流线路发生单极接地故障时在健全极上产生操作过电压需要的参数。
设置单元202，用于设置计算过电压的允许最大误差值。
分段单元203，用于根据参数，将直流线路分成至少2段。
第一计算单元204，用于计算对直流线路划分不同的段数值时，不同段数值对应的操作过电压值。
优选地，第一计算单元还用于通过电磁暂态仿真软件PSCAD计算对直流线路划分不同的段数值时，不同段数值对应的操作过电压值。
第二计算单元205，用于计算最大段数值对应的操作过电压值与最大段数值小于1的段数值对应的操作过压值之间的操作过电压值的偏差值；
判断单元206，若操作过电压的偏差值不大于允许最大误差值，直流线路发生单极接地故障时在健全极上产生操作过电压为最大段数值对应的操作过电压值。
优选地，判断单元206还用于：若操作过电压的偏差值大于允许最大误差值，则增加对直流线路分段的数值。
优选地，分段单元203还用于：每次增加的直流线路分段的数值为1。
优选地，参数包括：系统参数、换流站参数、设备参数、直流线路参数及杆塔参数。
本申请实施方式的一种计算单极接地故障时产生线路操作过电压的系统200与本申请实施方式的一种计算单极接地故障时产生线路操作过电压的方法100相对应，在此不再进行赘述。
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 (6)

1.一种计算单极接地故障时产生线路操作过电压的方法，所述方法包括：
步骤一，获取计算直流线路发生单极接地故障时在健全极上产生操作过电压需要的参数；
步骤二，设置计算过电压的允许最大误差值；
步骤三，根据所述参数，将所述直流线路分成至少2段，计算对直流线路划分不同的段数值时，不同段数值对应的操作过电压值；
步骤四，计算最大段数值N对应的操作过电压值UN与所述最大段数值小于1的段数值N-1对应的操作过电压值UN-1之间的操作过电压值的偏差值
Figure FDA0002228390520000011
步骤五，若所述操作过电压的偏差值不大于所述允许最大误差值，所述直流线路发生单极接地故障时在健全极上产生操作过电压为最大段数值对应的操作过电压值；
若所述操作过电压的偏差值大于所述允许最大误差值，则增加对所述直流线路分段的数值，每次增加的直流线路分段的数值为1，然后重复步骤三和步骤四，如此循环。
2.根据权利要求1所述的方法，所述参数包括：系统参数、换流站参数、设备参数、直流线路参数及杆塔参数。
3.根据权利要求1所述的方法，通过电磁暂态仿真软件PSCAD计算对直流线路划分不同的段数值时，不同段数值对应的操作过电压值。
4.一种计算单极接地故障时产生线路操作过电压的系统，所述系统包括：
获取单元，用于获取计算直流线路发生单极接地故障时在健全极上产生操作过电压需要的参数；
设置单元，用于设置计算过电压的允许最大误差值；
分段单元，用于根据所述参数，将所述直流线路分成至少2段；
第一计算单元，用于计算对直流线路划分不同的段数值时，不同段数值对应的操作过电压值；
第二计算单元，用于计算最大段数值N对应的操作过电压值UN与所述最大段数值小于1的段数值N-1对应的操作过电压值UN-1之间的操作过电压值的偏差值
Figure FDA0002228390520000021
判断单元，若所述操作过电压的偏差值不大于所述允许最大误差值，所述直流线路发生单极接地故障时在健全极上产生操作过电压为最大段数值对应的操作过电压值；
若所述操作过电压的偏差值大于所述允许最大误差值，则增加对所述直流线路分段的数值，每次增加的直流线路分段的数值为1，然后重复第一计算单元和第二计算单元的计算，如此循环。
5.根据权利要求4所述的系统，所述参数包括：系统参数、换流站参数、设备参数、直流线路参数及杆塔参数。
6.根据权利要求4所述的系统，所述第一计算单元还用于通过电磁暂态仿真软件PSCAD计算对直流线路划分不同的段数值时，不同段数值对应的操作过电压值。
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