CN108418191A - 一种直流电网自适应重合闸方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电力系统继电保护和自动化领域，具体涉及一种直流电网自适应重合闸方法：一种直流电网自适应重合闸方法：在故障极断路器跳闸后，经过相当的延时保证故障点充分去游离；对于单极接地故障，将故障极端电压检测值与单极接地故障重合闸直流电压阈值进行比较，若故障极端电压绝对值大于单极接地故障重合闸直流电压阈值，则认为故障已经消失，可以对故障极线路进行重合闸操作；对于双极短路故障，首先将故障线路其中一极两端的断路器先后重合，即先恢复单极运行；在重合后检测故障线路非重合极的电压，若非重合极电压小于双极短路故障重合闸直流电压阈值，则说明正负极间已不存在物理连接点，故障类型为瞬时性且已被完全清除，可以重合负极两端断路器，恢复线路正常运行。

Description

一种直流电网自适应重合闸方法

技术领域

本发明涉及电力系统继电保护和自动化领域，具体涉及一种对称双极接线结构MMC直流电网自适应重合闸方法。

背景技术

近年来，我国风力发电、光伏发电等可再生能源装机容量不断扩大，使得发电中心远离负荷中心。高压直流输电方式因为适用于远距离大容量的输电，获得了较大的关注和发展。目前，具有有功和无功功率独立控制属性的MMC换流器广泛应用在柔性直流输电实际工程中，具有输出电压等级高、开关损耗低和输出电压波形好等优点。

利用MMC-HVDC虽然可以大大提高清洁能源发电基地的并网效率，并缓解电压波动对电网造成的冲击，但同时也对系统安全稳定运行提出了更高要求。目前高压大容量的柔性直流电网多采用架空线的“半桥子模块结构+高压大电流直流断路器”的拓扑结构，系统故障率较高且多为瞬时性故障，直流侧故障对整个柔性直流电网产生十分严重的影响，因此需要完整可靠的自动重合闸方案来提高系统运行的可靠性。适用于柔性直流电网的重合闸技术具重要价值和研究前景。目前重合闸技术的主要问题在于难以区分瞬时性故障和永久性故障。传统自适应重合闸方法中进行故障性质判别的方法有两种：一是在重合闸之前根据系统电压电流电弧等参数情况判断故障性质；二是利用脉冲关合技术进行重合闸，再根据重合期间的电压电流数据判断故障性质。但这两种方法计算量大，易受谐波干扰，实际应用难度较高。由于柔性直流电网对自动重合闸时限要求更高，传统自适应重合闸方法已不再适用。目前急需一种能够应用于高压大容量柔性直流电网的新型自适应重合闸方法。因此，针对直流电网各种类型故障，设计新型自适应重合闸方法，是直流电网发展与推广的迫切需求。配合先进的高压大容量直流断路器，继电保护装置能够快速地实现故障处理功能，从而提高系统供电的可靠性。

发明内容

本发明提出了一种通过检测电压偏移量来判断故障性质的方法，该方法不需要考虑电弧复杂的动态特性，降低了判断复杂性，并以此方法为基础整理了一整套适用于直流电网的自适应重合闸方案，解决了直流电网中盲目重合的问题。技术方案如下：

一种直流电网自适应重合闸方法，包括如下步骤：

(1)在故障极断路器跳闸后，经过相当的延时保证故障点充分去游离；

(2)对于单极接地故障，将故障极端电压检测值与单极接地故障重合闸直流电压阈值进行比较，若满足式(1)即故障极端电压绝对值大于单极接地故障重合闸直流电压阈值，则认为故障已经消失，可以对故障极线路进行重合闸操作；若不满足式(1)，则可判定故障为永久性故障，此时不重合故障极并进行沿线检修；

|U_dcf|＞ΔU_thd1 (1)

式中，U_dcf表示故障极端电压检测值；ΔU_thd1表示单极接地故障重合闸直流电压阈值，其大小设置为0.5U_in；

(3)对于双极短路故障，首先将故障线路其中一极两端的断路器先后重合，即先恢复单极运行；在重合后检测故障线路非重合极的电压，若满足式(2)即非重合极电压小于双极短路故障重合闸直流电压阈值，则说明正负极间已不存在物理连接点，故障类型为瞬时性且已被完全清除，可以重合负极两端断路器，恢复线路正常运行；若不满足式(2)，则说明极间故障仍未消除，故障为永久性故障，不再对负极断路器进行重合；同时正极两端断路器应重新动作切除线路，进行故障测距并检查线路排除故障；

U_dcn＜ΔU_thd2 (2)

式中，U_dcn表示故障线路非重合极电压；ΔU_thd2表示双极短路故障重合闸直流电压阈值，其值应大于重合极产生的静电感应电压U_in，并小于正常运行时的重合极电压U_dcp-ref，可以设置为0.25U_dcp-ref。

本发明利用了故障极线路稳态静电感应电压的特性，使得保护装置仅通过检测线路电压就能实现故障性质的判断，同时又避免重合闸过程中出现二次过流，从而大大提高了自动重合闸速度和可靠性。与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、相较传统自适应重合闸方法，本方法不需要考虑电弧复杂的动态特性，降低了故障类型判断过程的计算量和复杂性，提高了故障处理速度。

2、相较传统自适应重合闸方法，本方法在处理双极短路故障时，仅重合其中一极线路即可判断故障性质，避免重合闸过程中出现二次过流。

附图说明

图1为四端环状MMC柔性直流输电网示意图；

图2为正负极线路等效示意图；

图3为自适应重合闸流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明作进一步的详细说明。

图1所示为一个典型的四端环状MMC柔性直流输电系统，其中任意一条线路的正负两极都有可能发生故障。直流线路上易发生单极接地故障和双极短路故障，对这两种故障要加以区分。

当直流线路发生单极接地故障时，根据镜像法和模拟电荷法的思想可以计算静电感应电压的理论值，首先将输电线路的导线等效成单根电荷，用线电荷密度来表示导线电荷，然后由线路间的电位系数计算得到线电荷密度，再通过镜像法计算在其周围产生的电场分布，最终得到故障极线路的感应电压值。

将大地设为一无限大接地平面，其上方存在两条无限长线电荷τ_p和τ_n。把地面视为零电位面，地面的影响采用镜像电荷进行代替。正负极线路等效示意图如图2所示。图2中，l_ij表示两极线路的间距，l_i'_j表示两极线路镜像的间距。h_i表示导线的对地高度，R_i表示输电导线的半径。根据镜像法原理易得线电荷τ_p及其镜像在负极线路处产生的电位为：

直流输电线路正负极的对地电压U和其单位长度上的电荷τ之间存在如下关系：

式中，λ为电位系数。电位系数用于衡量单位电荷在空间任意一点产生的电位的大小，包括自电位系数和互电位系数。

一极直流线路本身自电位系数计算公式为：

式中，ε₀为空气介电常数。

两极直流线路间的互电位系数计算公式为：

式(9)～(12)可用于确定故障极线路上的稳态静电感应电压理论值U_in。以图2所示参数为例，可计算出线路的自电位系数和互电位系数分别为1.44×10¹¹和3.25×10¹⁰。当正极发生接地故障时，负极电压幅值仍为400kV，将电压和电位系数值分别代入到式(10)，可得故障极线路上电荷τ为2927×10^-9C，再将其代入式(9)，即可得到故障极上的感应电压值约为95kV。正极线路故障并切除后，其上由负极线路感应出的电压测量值为正值；而负极线路故障并切除后，测量到的感应电压为负值。因此，在接地故障判据中可采用故障极线路端电压的绝对值。

在发生单极接地故障并断开故障极断路器后，经过相当的延时以保证故障点充分去游离，此时检测故障极端电压U_dcf。若其满足式(13)，则认为故障已经消失，可以对故障极线路进行重合闸操作；若不满足，则可判定故障为永久性故障，此时不重合故障极并进行沿线检修。

|U_dcf|＞ΔU_thd1 (13)

式中，ΔU_thd1表示设置的单极接地故障重合闸直流电压阈值，其大小可设置为0.5U_in。

当直流线路发生双极短路故障时，在经过充分的去游离时间后，首先将故障线路其中一极两端的断路器先后重合，即先恢复单极运行。由于正负极相互对称且均可独立运行，先重合任意一极均可。专利以重合正极线路为例，在重合后检测故障线路负极的电压U_dcn，判断其是否满足如式(14)所示的判据。

U_dcn＜ΔU_thd2 (14)

式中，ΔU_thd2表示设置的双极短路故障重合闸直流电压阈值，其值应大于正极产生的静电感应电压U_in，并小于正常运行时的正极电压U_dcp-ref，据此，可以将其设置为0.25U_dcp-ref。

若U_dcn变化很小，即满足式(14)，则说明正负极间已不存在物理连接点，故障类型为瞬时性且已被完全清除，可以重合负极两端断路器，恢复线路正常运行。如果U_dcn上升并达到接近正极直流电压的水平，即不满足式(14)，则说明极间故障仍未消除，故障为永久性故障，不再对负极断路器进行重合。同时正极两端断路器应重新动作切除线路，进行故障测距并检查线路排除故障，在此次动作过程中，断路器只需切断单极正常运行电流，极大优化了断路器的工作条件。

综合单极接地故障和双极短路故障情况下的重合闸过程，可得整体的重合闸方案流程图如图3所示。

Claims (1)

1.一种直流电网自适应重合闸方法，包括如下步骤：

(1)在故障极断路器跳闸后，经过相当的延时保证故障点充分去游离；

(2)对于单极接地故障，将故障极端电压检测值与单极接地故障重合闸直流电压阈值进行比较，若满足式(1)即故障极端电压绝对值大于单极接地故障重合闸直流电压阈值，则认为故障已经消失，可以对故障极线路进行重合闸操作；若不满足式(1)，则可判定故障为永久性故障，此时不重合故障极并进行沿线检修；

|U_dcf|＞ΔU_thd1 (1)

式中，U_dcf表示故障极端电压检测值；ΔU_thd1表示单极接地故障重合闸直流电压阈值，其大小设置为0.5U_in；

(3)对于双极短路故障，首先将故障线路其中一极两端的断路器先后重合，即先恢复单极运行；在重合后检测故障线路非重合极的电压，若满足式(2)即非重合极电压小于双极短路故障重合闸直流电压阈值，则说明正负极间已不存在物理连接点，故障类型为瞬时性且已被完全清除，可以重合负极两端断路器，恢复线路正常运行；若不满足式(2)，则说明极间故障仍未消除，故障为永久性故障，不再对负极断路器进行重合；同时正极两端断路器应重新动作切除线路，进行故障测距并检查线路排除故障；

U_dcn＜ΔU_thd2 (2)

式中，U_dcn表示故障线路非重合极电压；ΔU_thd2表示双极短路故障重合闸直流电压阈值，其值应大于重合极产生的静电感应电压U_in，并小于正常运行时的重合极电压U_dcp-ref，可以设置为0.25U_dcp-ref。