CN114156842A - 一种真双极柔直输电线路自适应熄弧时刻重合闸方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种真双极柔直输电线路自适应熄弧时刻重合闸方法。包括：1)真双极柔直输电线路发生单极接地故障，故障极两端断路器跳闸；2)提取故障极端电压信号，并计算故障极端电压绝对值信号；3)计算绝对值信号在每相邻两个时间窗内的积分值A_i和B_i，求得每相邻两个时间窗的积分比K_i，4)设定阈值K_set，若K_i≥K_set，说明故障已熄弧，但为避免偶然性，规定若检测到K_i≥K_set在连续T_c时间内恒成立才判断故障已熄弧，执行步骤5)，若在每个连续T_c时间内都存在K_i<K_set，且已达到T_max，则执行步骤6)；5)判断该故障为瞬时性故障，经过重合延时T_d发出合闸指令；6)判断该故障为永久性故障，闭锁重合闸。

Description

一种真双极柔直输电线路自适应熄弧时刻重合闸方法

技术领域

本发明属于电力系统继电保护领域，具体涉及到一种适用于真双极柔直输电线路的自适应熄弧时刻重合闸方法。

背景技术

高压直流输电技术以其线损小、输送距离远、输送容量大、无需同步运行等优点，在跨区域送电、大电网互联以及分布式能源接入等领域得到了广泛的应用。柔性直流输电作为新一代直流输电技术，潮流控制灵活、不易发生换相失败，近年来被国内外学者广泛关注。柔性直流输电网一般采用架空线路进行功率传输，而架空输电线路暴露在室外，工作条件恶劣，是整个输电系统中发生故障概率最高的元件，且故障多为瞬时性故障。自动重合闸可在瞬时性故障后快速恢复潮流，提升柔性直流输电可靠性。

然而，自动重合闸缺乏故障类型判别环节，当重合于永久性故障时，会对整个系统造成不必要的二次冲击，尤其是柔直系统阻尼低、故障电流上升速度快以及电力电子器件过流能力弱，对二次冲击的承受能力更差。因此，在断路器重合前对故障类型进行判别，实现“自适应”重合闸就显得尤为重要。

现有自适应重合闸技术普遍能够实现故障类型的判别，在判别出永久性故障时，闭锁重合闸，有效避免传统自动重合闸盲目重合于永久性故障所带来的二次冲击，在判别出瞬时性故障时，等待固定的去游离时间后进行重合闸操作，恢复供电。然而，为进一步提高重合闸的“自适应”性能，自适应重合闸技术不应只注重于故障类型的判别，还应进一步对瞬时性故障熄弧时刻进行识别，现有的自适应重合闸技术在判别出瞬时性故障后等待固定的去游离时间进行合闸操作会使其存在以下缺陷：一方面，若瞬时性故障熄弧时间较慢，可能会由于没有充分地去游离，导致瞬时性故障断路器合闸失败，造成不必要的停运，例如，2013年中国的楚穗直流因去游离过程结束后电弧未熄灭，故障未消除，直流电压建立失败导致闭锁。另一方面，对于熄弧较快的瞬时性故障，固定的去游离延时会导致系统不必要的非全极运行时间。因此，重合闸的“自适应”不仅应体现故障类型的自适应，还应进一步体现在合闸时间的自适应。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种真双极柔直输电线路自适应熄弧时刻重合闸方法，避免了传统自动重合闸盲目重合于永久性故障给系统及电力设备造成的损害，同时对瞬时性故障熄弧时刻进行识别，优化了瞬时性故障合闸时间，确保断路器可靠合闸。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

一种真双极柔直输电线路自适应熄弧时刻重合闸方法，包括以下步骤：

1)真双极柔直输电线路发生单极接地故障，故障极两端断路器跳闸；

2)提取故障极端电压信号U₀，并计算故障极端电压绝对值信号U_amp；

3)计算故障极端电压绝对值信号U_amp在每相邻两个时间窗内的积分值A_i和B_i，求得每相邻两个时间窗的积分比K_i；

4)设定积分比阈值K_set，若K_i≥K_set，说明故障已熄弧，但为避免偶然性，规定若检测到K_i≥K_set在连续T_c时间内恒成立才判断故障已熄弧，执行步骤5)，若在每个连续T_c时间内都存在K_i<K_set，且已达到判据最大截止时间T_max，则执行步骤6)，若未达到判据最大截止时间T_max，则执行步骤3)；

5)判断该故障为瞬时性故障，经过重合延时T_d发出合闸指令；

6)判断该故障为永久性故障，闭锁重合闸。

优选地，所述故障极端电压绝对值信号U_amp的计算公式为：

U_amp＝|U₀|

式中U₀为故障极端电压信号。

优选地，所述故障极端电压绝对值信号U_amp在每相邻两个时间窗内的积分值A_i和B_i的计算公式为：

式中T_W为积分比时间窗长，t_i为当前时刻值。

优选地，所述积分比时间窗长T_W的设置原则为：

3T_W＜100ms

式中100ms为绝缘恢复时间。

优选地，所述每相邻两个时间窗的积分比K_i的计算公式为：

优选地，所述积分比阈值K_set的设置原则为：

K_set＝1.3K_theory

式中K_theory为积分比的理论值。

优选地，所述积分比的理论值K_theory＝1。

优选地，所述T_c为循环判断时间，其设置原则为：

优选地，所述最大截止时间T_max按去游离时间进行整定，对于±500kV真双极柔直输电系统，选取T_max＝300ms。

优选地，所述重合延时T_d的设置原则为绝缘恢复时间减去T_c，对于±500kV真双极柔直输电系统，T_d应设置为：

T_d＝100ms-T_c。

本发明所述的一种真双极柔直输电线路自适应熄弧时刻重合闸方法，利用故障极端电压绝对值信号在每相邻两个时间窗内的积分比来对故障类型以及熄弧时刻进行识别，可以实现永久性故障断路器可靠闭锁，瞬时性故障快速可靠恢复供电。

附图说明

本发明有如下附图：

图1瞬时性故障熄弧前故障极端电压等效电路；

图2瞬时性故障熄弧后故障极端电压等效电路；

图3永久性故障故障极端电压等效电路；

图4真双极柔直输电线路自适应熄弧时刻重合闸方法流程图；

图5瞬时性故障时故障极端电压及积分比识别结果示意图；

图6永久性故障时故障极端电压及积分比识别结果示意图；

附图说明：

u₁、u₂：正负极等值电压源；

C_m：极间耦合电容；

C₀：极对地耦合电容；

g_m、极间电导；

g₀：极对地电导；

R_arc：电弧电阻；

R_trst：过渡电阻；

u_m：极间耦合电压；

u₀：故障极端电压；

U_amp：故障极端电压绝对值信号；

A_i、B_i：相邻两个时间窗的积分；

K_i：每相邻两个时间窗的积分比；

K_set：积分比阈值；

T_c：循环判断时间；

T_max：最大截止时间；

T_d：重合延时。

具体实施方式

以下结合附图1-6对本发明作进一步详细说明。

1、瞬时性故障熄弧前故障极端电压

真双极柔直输电线路发生单极接地故障，断路器断开后，故障极端电压主要由静电耦合电压构成，与交流输电线路不同的是，直流输电线路表面电压恒定，使得极—极和极—地间存在离子流，离子流从物理意义上可以用电导表示，因此还应考虑极间电导和极对地电导。由于线路两端断路器已经断开，因此线路电阻、电感可以忽略。故障熄弧前，故障点通过电弧电阻以及过渡电阻接地，图1为瞬时性故障熄弧前故障极端电压等效电路。通过列写KCL、KVL可得：

求解式(1)得到瞬时性故障熄弧前故障极端电压为：

式中U_sp为瞬时性故障熄弧前初始时刻故障极端电压；τ_s为瞬时性故障熄弧前阶段时间常数，

令

则由式(2)可以看出，瞬时性故障熄弧前故障极端电压主要由健全极耦合所产生的零状态响应分量u_zss和断路器断开时刻电压所产生的零输入响应分量u_zis组成。其中零状态响应分量可进一步整理为：

以某直流电网工程参数为参考，由于正极等值电压源u₁的数量级为10⁵V，g_m数量级通常小于10^-7mho，R_arc和R_trst数量级小于10²Ω，因此u_zss系数项的数量级通常小于10⁰V，而u_sp数量级通常为10⁴—10⁵V，因此，瞬时性故障熄弧前故障极端电压的变化趋势主要取决于零输入响应u_zis，可以认为故障极端电压近似为：

从式(4)可以看出其变化趋势为指数衰减，因此熄弧前故障极端电压整体呈现一种指数衰减的趋势。而稳态时，C_m、C₀等于0，即τ_s＝0，可推导出故障极端电压稳态值U_0s：

从式(5)可知，故障极端电压稳态值最终稳定在一个接近于0的较小值，即瞬时性故障熄弧前阶段故障极端电压逐渐衰减并趋近于0。

2、瞬时性故障熄弧后故障极端电压

故障熄弧后输电线路静电耦合和离子流作用仍然存在，故障支路消失，瞬时性故障熄弧后故障极端电压等效电路如图2所示。

通过列写KCL、KVL可得：

进一步求解得到瞬时性故障熄弧后故障极端电压为：

式中U_rp为瞬时性故障熄弧后初始时刻故障极端电压，可认为U_rp＝U_0s；τ_r为瞬时性故障熄弧后阶段时间常数，

由式(7)可以看出，瞬时性故障熄弧后故障极端电压也是由零状态响应分量u_zsr和零输入响应分量u_zir组成。其中零状态响应分量可进一步整理为：

由于g₀>g_m，并且数量级上通常是g_m的10⁰—10²倍，因此u_zsr系数项数量级通常为10³—10⁵V，而U_rp＝U_0s，U_0s为瞬时性故障熄弧前故障极端电压稳态值，其数量级通常小于10⁰V，因此，瞬时性故障熄弧后故障极端电压的变化趋势主要取决于零状态响应u_zsr，可以认为故障极端电压近似为：

从式(9)可以看出其变化趋势为对数上升，因此熄弧后故障极端电压整体呈现一种对数上升的趋势。稳态时，τ_r＝0，可得故障极端电压稳态值U_0r：

从式(10)可知，故障极端电压稳态值最终稳定在数量级为10³—10⁵V的值，并且由于g₀>g_m，因此，必定满足U_0r<u₁/2，瞬时性故障熄弧后故障极端电压逐渐上升并稳定在U_0r。

3、永久性故障故障极端电压

当输电线路发生永久性故障时，故障点经过渡电阻可靠接地，永久性故障下故障极端电压计算电路如图3所示。

对图3列写KCL、KVL可得：

进一步求解得到永久性故障故障极端电压为：

式中U_bp为永久性故障断路器断开时刻故障极端电压；τ_p为永久性故障时间常数，

永久性故障故障极端电压也是由零状态响应分量u_zsp和零输入响应分量u_zip组成。其中零状态响应分量可进一步整理为：

由于正极等值电压源u₁的数量级为10⁵V，g_m数量级通常小于10^-7mho，R_trst数量级小于10²Ω，因此u_zsp系数项的数量级通常小于10⁰V，而U_bp数量级通常为10⁴—10⁵V，因此，永久性故障故障极端电压的变化趋势主要取决于零输入响应u_zip，可以认为故障极端电压近似为：

从式(14)可以看出其变化趋势为指数衰减，因此永久性故障故障极端电压整体呈现一种指数衰减的趋势。而稳态时，C_m、C₀等于0，即τ_p＝0，可推导出故障极端电压稳态值U_0p：

从式(15)可知，故障极端电压稳态值最终稳定在一个接近于0的较小值，即永久性故障故障极端电压逐渐衰减并趋近于0。

综上所述，瞬时性故障时故障点熄弧前后故障极端电压存在明显差异，熄弧前由于故障点还未消失，故障极端电压逐渐衰减趋近于0。而熄弧后接地点消失，由于健全极对故障极的耦合作用，使得故障极端电压出现恢复并趋于一个稳定值。永久性故障时，故障极端电压衰减并趋近于0。

由于实际输电线路为分布参数，因此断路器断开后故障极端电压不会只呈现理论分析的指数衰减，还会含有振荡信号，使得熄弧前故障极端电压呈现振荡衰减的趋势，为避免振荡对识别结果产生影响，选取故障极端电压绝对值信号作为积分比对象。

图4为本发明提供的一种真双极柔直输电线路自适应熄弧时刻重合闸方法流程图，包括以下步骤：

1)真双极柔直输电线路发生单极接地故障，故障极两端断路器跳闸；

2)提取故障极端电压信号U₀，并计算故障极端电压绝对值信号U_amp；

3)计算故障极端电压绝对值信号U_amp在每相邻两个时间窗内的积分值A_i和B_i，求得每相邻两个时间窗的积分比K_i；

4)设定积分比阈值K_set，若K_i≥K_set，说明故障已熄弧，但为避免偶然性，规定若检测到K_i≥K_set在连续T_c时间内恒成立才判断故障已熄弧，执行步骤5)，若在每个连续T_c时间内都存在K_i<K_set，且已达到判据最大截止时间T_max，则执行步骤6)，若未达到判据最大截止时间T_max，则执行步骤3)；

5)判断该故障为瞬时性故障，经过重合延时T_d发出合闸指令；

6)判断该故障为永久性故障，闭锁重合闸。

图5为本发明实施例提供的瞬时性故障时故障极端电压及积分比识别结果示意图。由于所提方法是基于前后每相邻两个时间窗的积分比，而每个时间窗长为20ms，因此第一个积分比结果是在断路器断开后40ms得到的。故障熄弧前故障极端电压呈现逐渐衰减的趋势并趋近于0，故障熄弧后由于正极线路的耦合，使得故障极端电压呈现恢复现象。故障积分比首次超过积分比阈值的时刻为58ms，此时积分比为1.32，20ms后(78ms)的积分比为2.041，20ms内积分比始终大于积分比阈值，可以确定故障已熄弧，并将58ms输出为检测熄弧时刻，而实际熄弧时刻为34ms，误差仅为24ms。

在识别出故障电弧已经熄灭后，等待绝缘恢复完成即可进行重合闸操作，无需继续等待自动重合闸的固有合闸时间，从而实现自适应熄弧时刻的重合闸，有效减少系统不必要的非全极运行时间，优化合闸时间，大大提升系统运行的经济性与可靠性。

图6为本发明实施例提供的永久性故障时故障极端电压及积分比识别结果示意图。永久性故障在断路器断开后，故障极端电压逐渐衰减且不存在恢复现象。对应的积分比在整个检测时间内始终没有超过积分比阈值，且整个检测过程中积分比最大为1.197，不会造成误判，能够可靠识别永久性故障，继而闭锁重合闸，有效避免了传统自动重合闸盲目合闸于永久性故障带来的冲击。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种真双极柔直输电线路自适应熄弧时刻重合闸方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)真双极柔直输电线路发生单极接地故障，故障极两端断路器跳闸；

2)提取故障极端电压信号U₀，并计算故障极端电压绝对值信号U_amp；

3)计算故障极端电压绝对值信号U_amp在每相邻两个时间窗内的积分值A_i和B_i，求得每相邻两个时间窗的积分比K_i；

4)设定积分比阈值K_set，若K_i≥K_set，说明故障已熄弧，但为避免偶然性，规定若检测到K_i≥K_set在连续T_c时间内恒成立才判断故障已熄弧，执行步骤5)，若在每个连续T_c时间内都存在K_i<K_set，且已达到判据最大截止时间T_max，则执行步骤6)，若未达到判据最大截止时间T_max，则执行步骤3)；

5)判断该故障为瞬时性故障，经过重合延时T_d发出合闸指令；

6)判断该故障为永久性故障，闭锁重合闸。

2.如权利要求1所述的真双极柔直输电线路自适应熄弧时刻重合闸方法，其特征在于，所述故障极端电压绝对值信号U_amp的计算公式为：

U_amp＝|U₀|

式中U₀为故障极端电压信号。

3.如权利要求2所述的真双极柔直输电线路自适应熄弧时刻重合闸方法，其特征在于，所述故障极端电压绝对值信号U_amp在每相邻两个时间窗内的积分值A_i和B_i的计算公式为：

式中T_W为积分比时间窗长，t_i为当前时刻值。

4.如权利要求3所述的真双极柔直输电线路自适应熄弧时刻重合闸方法，其特征在于，所述积分比时间窗长T_W的设置原则为：

3T_W＜100ms

式中100ms为绝缘恢复时间。

5.如权利要求3所述的真双极柔直输电线路自适应熄弧时刻重合闸方法，其特征在于，所述每相邻两个时间窗的积分比K_i的计算公式为：

6.如权利要求1所述的真双极柔直输电线路自适应熄弧时刻重合闸方法，其特征在于，所述积分比阈值K_set的设置原则为：

K_set＝1.3K_theory

式中K_theory为积分比的理论值。

7.如权利要求6所述的真双极柔直输电线路自适应熄弧时刻重合闸方法，其特征在于，所述积分比的理论值K_theory＝1。

8.如权利要求1所述的真双极柔直输电线路自适应熄弧时刻重合闸方法，其特征在于，所述T_c为循环判断时间，其设置原则为：

9.如权利要求1所述的真双极柔直输电线路自适应熄弧时刻重合闸方法，其特征在于，所述最大截止时间T_max按去游离时间进行整定，对于±500kV真双极柔直输电系统，选取T_max＝300ms。

10.如权利要求1所述的真双极柔直输电线路自适应熄弧时刻重合闸方法，其特征在于，所述重合延时T_d的设置原则为绝缘恢复时间减去T_c，对于±500kV真双极柔直输电系统，T_d应设置为：

T_d＝100ms-T_c。

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