CN114779017B - 一种同送同受系统同时换相失败预测方法 - Google Patents
一种同送同受系统同时换相失败预测方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种同送同受系统同时换相失败预测方法，为后续判换相失败预防控制的研究提供理论支撑。利用同送同受系统的受端换流站电压交互影响特征，并结合换相失败临界熄弧角表达式构建非故障线路与故障线路同时发生换相失败的判据，在现有的直流系统控制系统中附加识别判据和保护逻辑，进一步提高输电线路控制系统对换相失败的灵敏性和运行可靠性，同时有助于提升输电线路运行的稳定性。
Description
技术领域
本发明属于电力技术领域，更为具体地讲，涉及一种同送同受系统同时换相失败预测方法。
背景技术
我国电力资源与负荷分布特点决定了我国以特高压直流输电为基础的西电东送电网结构。在2020年，部分特高压直流工程投运后，与原有的特高压直流输电系统形成了典型的同送同受多端直流输电系统。
近年来，清洁能源发电并网容量的扩增使得部分直流系统送端整流站间的电气距离减小，在受端多馈入结构的基础上进一步加强了送端整流站间的交互影响，使得直流输电网架呈现出同时具有多馈出、多馈入结构特征的同送同受输电系统。
然而新型系统虽然扩大了清洁能源协调消纳能力、提高了输电容量及输电灵活性，但更加复杂的结构也给电网的安全稳定运行带来更大的挑战。其中，换相失败作为直流输电系统最常见的故障之一，其影响因素较多。但现有的研究方法均是将送端视作多个单馈出系统，受端作为多馈入系统展开研究，难以对同时具有多馈出、多馈入直流输电结构的同送同受输电系统做出准确反映，因此，同送同受系统受端换相失败的风险评估问题亟需研究。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种同送同受系统同时换相失败预测方法，结合换相失败临界熄弧角建立非故障换流母线所处换流站与故障换流母线所在换流站同时发生换相失败的识别判据，从而更好地保障输电线路安全稳定运行。
为实现上述发明目的，本发明一种同送同受系统同时换相失败预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、确定同送同受系统中受端换流母线间的同送同受交互因子；
(1.1)、根据同送同受系统送、受端交流系统阻抗网络求解同送同受系统的多馈出交互因子及多馈入交互因子：
其中，MOVIFji表示系统送端换流母线i和j的多馈出交互因子，MIIFji表示系统受端换流母线i和j的多馈入交互因子；ZRij、ZRii为送端整流侧交流系统阻抗网络的互阻抗与自阻抗，ZIij、ZIii受端逆变侧交流系统阻抗网络的互阻抗与自阻抗；
(1.2)、确定整定系数α和β：
其中，ΔMOVIFji表示送端整流侧交流系统阻抗网络的结构改变前的多馈出交互因子与改变结构后的多馈出交互因子的差值，ΔMIIFji表示受端逆变侧交流系统阻抗网络的结构改变前的多馈入交互因子与改变结构后的多馈入交互因子的差值；
(1.3)、计算受端换流母线i与j间的同送同受交互因子MOMI_IFji：
其中，ΔUi为受端换流母线i的电压变化量，ΔUj为受端换流母线j的电压变化量；
(2)、计算使得非故障换流母线与故障换流母线同时发生换相失败的临界同送同受交互作用因子；
(2.1)、假设故障发生在受端换流母线i所连接的交流系统上，计算非故障受端换流母线j在受端换流母线i发生故障后的电压波动；
ΔULj＝ΔULi*MOMI_IFji
其中，ΔULi为受端换流母线i在故障发生后的电压跌落有效值的，ΔULj为由受端交互影响在受端非故障换流母线j上产生的电压跌落有效值；
(2.2)、计算换相过程中受端非故障换流母线j所在换流站暂态过程的熄弧角熄弧角γj：
其中，Xcj表示受端非故障换流母线j所连接换流变压器的正序漏抗，Idj表示受端非故障换流母线j所连接直流线路的直流电流，ULjN表示受端非故障换流母线j的额定电压，βj表示受端非故障换流母线j所在换流站换流阀的超前触发角；
(2.3)、计算同送同受系统中使得非故障换流母线j与故障换流母线i同时发生换相失败的临界同送同受交互作用因子CMOMI_IFji：
γj＝γmin
其中，ULiN表示受端换流母线i的额定运行电压，Xkj％表示受端非故障换流母线j连接换流变压器的阻抗标幺值，γj表示换流母线j所在换流站换流阀熄弧角，γmin表示发生换相失败的最小临界值；
(3)、预测受端非故障换流母线j所在换流站是否会发生换相失败；
对比MOMI_IFji与CMOMI_IFji的值的大小，如果MOMI_IFji>CMOMI_IFji，则判定为受端换流母线i发生金属性三相接地短路故障，受端换流母线j与受端换流母线i同时发生换相失败。
本发明的发明目的是这样实现的：
本发明一种同送同受系统同时换相失败预测方法，为后续判换相失败预防控制的研究提供理论支撑。利用同送同受系统的受端换流站电压交互影响特征，并结合换相失败临界熄弧角表达式构建非故障线路与故障线路同时发生换相失败的判据，在现有的直流系统控制系统中附加识别判据和保护逻辑，进一步提高输电线路控制系统对换相失败的灵敏性和运行可靠性，同时有助于提升输电线路运行的稳定性。
同时，本发明一种同送同受系统同时换相失败预测方法还具有以下有益效果：
(1)、本发明在原有熄弧角的计算方法上进行改进，增添了针对同送同受这一新型直流输电网架结构下的各逆变站故障暂态过程的熄弧角计算方法；
(2)、判别换相失败方法时采用电气量信号间接判断换相失败结果，并未直接通过测量换流站每一个阀管的电流过零点到电压过零点的电角度从而获得熄弧角，减小了对硬件控制电路的要求，在工程上更易实现，由较高准确度；
(3)、通过发明所提的同时换相失败方法可附加在已有控制系统中，可以对受端换流母线间的强交互耦合影响是否会引起非故障换流母线在故障换流母线发生故障时与故障换流母线一同发生换相失败做出精确预测，采用准稳态的指标用作暂态过程的故障判据，减小了工程计算复杂度。
附图说明
图1是本发明一种同送同受系统同时换相失败预测方法流程图；
图2是多回同送同受特高压直流输电系统在大电网中的结构示意图；
图3是双回同送同受特高压直流输电等值电磁拓扑模型；
图4是某一换流站熄弧角与某二换流站熄弧角的波形图；
图5是某一直流受端换流站发生换相失败故障后某二直流高层换流阀最小熄弧角仿真图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
实施例
在本实施例中，图2展示了多回同送同受特高压直流输电系统在大电网背景下的结构示意图，其送、受端交流电力网络电气距离均较小，交互耦合特性更加紧密，单一的故障因故障传导效应存在引发更严重故障的可能，威胁电网运行稳定性。以图3所示双回同送同受特高压直流输电等值电磁拓扑模型为例进行说明，故障描述：t＝1.0s时某一直流换流母线发生A相短路接地故障，故障持续时间为0.05s，仿真时长设置为3.5s，仿真步长设置为0.0001s。
下面我们对本发明一种同送同受系统同时换相失败预测方法进行详细说明，如图1所示，具体包括以下步骤：
S1、确定同送同受系统中受端换流母线间的同送同受交互因子；
S1.1、在PSCAD仿真软件中建立双回同送同受特高压直流输电模型中如图3所示，各整流站均配备定电流控制、逆变侧均配备定电流和定熄弧角控制。模型中送、受端换流站之间的电气耦合程度以等效阻抗的形式表示。脚标R均表示整流侧，脚标I均表示逆变侧，SR1、SR2、SI1、SI2、SI3分别为交流系统整流侧和逆变侧的等效电源，ZR1、ZR2、ZI1、ZI2、ZI3分别为送受端交流系统的等效阻抗，ZR12、ZI12、ZI13分别为整流侧和逆变侧各交流系统换流母线之间的等效联系阻抗。ZR23是某二直流逆变站采用分层接入，高低换流站之间的等效联系阻抗。受端换流站馈入500kV环网，送端馈出于750kV网架。
如图3所示，以图3中的双回同送同受特高压直流输电系统为例进行说明，基于PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真软件搭建模型，模型采用电网的某一特高压直流工程和某二特高压直流输电工程及近区交流电网的精细化运行参数等效化简而来，模型相关参数如表1所示，模型送、受端落点如图2中的大电网所示。
表1
本实施例中，某二直流受端采用分层接入交流电网的结构，将与中性线相连的换流站称为低层换流站，未与中性线直接相连的换流站称为高层换流站。分层结构用于缓解受端交流电网对直流线路的无功电压支撑压力。
本实施例仅以某一直流故障后某二直流高层为例进行分析，根据同送同受特高压直流输电系统的送、端交流系统等效阻抗及交流系统间的等效联系阻抗求解送、受端阻抗矩阵：
如表1所示可以得到送、受端交流近区的等效导纳矩阵，由于本实施例仅以某一直流故障后某二直流高层为例进行分析，分析忽略某二直流受端低层节点，则可以如下的导纳矩阵得到：
Y_REC表示整流侧导纳矩阵，Y_INV表示逆变侧导纳矩阵。
根据已得到的送、受端导纳矩阵求解系统送、受端的阻抗矩阵；
由送、受端阻抗矩阵求解其送、受端阻抗模值矩阵；
最后我们将某一直流系统角标符号用1表示，某二直流系统送端及受端高层角标符号用2表示、受端低层用3表示。以某一直流系统于某二直流系统高层交互影响为例，求解同送同受系统的多馈出交互因子及多馈入交互因子：
S1.2、确定整定系数α和β：
在本实施例中，在保持系统受端(送端)阻抗网络不变的情况下，改变送端(受端)阻抗网络结构，将送端(受端)交流电网间的联系阻抗置0，使得交流电网间的电气距离为0，此时将送端多个交流电网视作一单馈出结构(将受端多个交流电网视作一单馈入结构)，即此时送端(受端)交流系统的交互因子为1，计算该结构下同送同受系统的多馈出交互因子(多馈入交互因子)与原电力阻抗网络结构下的多馈出交互因子(多馈入交互因子)的差值。因此上述公式中ΔMOVIFji表示送端整流侧交流系统阻抗网络的结构改变前的多馈出交互因子与改变结构后的多馈出交互因子的差值，ΔMIIFji表示受端逆变侧交流系统阻抗网络的结构改变前的多馈入交互因子与改变结构后的多馈入交互因子的差值，且ΔMOVIFji和ΔMIIFji满足：
其中，MOVIFji'表示送端多个交流电网间的联系阻抗置0后同送同受系统的多馈出交互因子值，MIIFji'表示受端多个交流电网间的联系阻抗置0后同送同受系统的多馈入交互因子值；在本实施例中，当联系阻抗置0后，交流电力网络间的电气距离为0，即此时两个交流系统连接在同一个换流母线上，其MOVIFji'或MIIFji'的值为1；
S1.3、计算受端换流母线i与j间的同送同受交互因子MOMI_IFji：
其中，ΔUi为受端换流母线i的电压变化量，ΔUj为受端换流母线j的电压变化量；
在本实施例中，我们保持MIIF21不变，将送端交流线路联系阻抗置0，此时的多馈出交互因子MOVIF21'为1，计算ΔMOVIF21＝|MOVIF21-MOVIF'21|＝0.7801；
保持MOVIF21不变，将受端交流线路联系阻抗置0，此时的多馈入交互因子MIIF21'，其值为0.3738，计算ΔMIIF21＝|MIIF21-MIIF'21|＝0.8691；
令α/β＝ΔMOVIFji/ΔMIIFji，联立α+β＝1，即可求得α＝0.4730，β＝0.5270，从而得到MOMI_IF21＝0.1730。
S2、计算使得非故障换流母线与故障换流母线同时发生换相失败的临界同送同受交互作用因子；
S2.1、假设故障发生在受端换流母线i所连接的交流系统上，计算非故障受端换流母线j在受端换流母线i发生故障后的电压波动；
ΔULj＝ΔULi*MOMI_IFji
其中，ΔULi为受端换流母线i在故障发生后的电压跌落有效值，ΔULj为由受端交互影响在受端非故障换流母线j上产生的电压跌落有效值；
S2.2、计算换相过程中受端非故障换流母线j所在换流站暂态过程的熄弧角熄弧角γj：
在本实施例中，传统的标称熄弧角的计算公式为：
其中，γ为换流阀的标称熄弧角，Xc换流变压器正序漏抗，Id表示直流电流，ΔULi表示换流母线线电压有效值，β表示超前触发角。
而在本发明中，将受端换流母线i在故障发生后的电压跌落有效值代入标称熄弧角表达式中，得到换流母线j所在换流站暂态过程的熄弧角熄弧角γj：
其中，Xcj表示受端非故障换流母线j所连接换流变压器的正序漏抗，Idj表示受端非故障换流母线j所连接直流线路的直流电流，ULjN表示受端非故障换流母线j的额定电压，βj表示受端非故障换流母线j所在换流站换流阀的超前触发角；
S2.3、计算同送同受系统中使得非故障换流母线j与故障换流母线i同时发生换相失败的临界同送同受交互作用因子CMOMI_IFji：
γmin＝γj
其中，ULiN表示受端换流母线i的额定运行电压，Xkj％表示受端非故障换流母线j连接换流变压器的阻抗标幺值，γmin表示发生换相失败的最小临界值；
在本实施例中，γmin表示换流阀换相失败临界熄弧角，其大小仅与换流阀本身采用的电力电子器件固有管段特性相关，不随系统运行工况的变化而发生改变，其大小为7°电角度，即γmin＝7°。CMOMI_IFji表示换流母线j发生换相失败的临界同送同受交互因子，代入表1相应数据可得在本实施例中CMOMI_IF21＝0.1485。
S3、预测受端非故障换流母线j所在换流站是否会发生换相失败；
在本实施例中，MOMI_IF21＝0.1730＞CMOMI_IF21＝0.1485，因此本发明认为虽然故障发生在换流母线1处，但由于故障传导效应以及换流母线间的强交互耦合影响，换流母线2所在换流站也会发生换相失败。预测过程中仅采用系统准稳态的电气量间接计算得到熄弧角，而非依据实时采集电压过零点到电流过零点的时间来直接测量熄弧角，因此本发明还具有避免对硬件信号采集电路及输出电路的高精度需求，在工程上更易实现，同时以准稳态计算代替暂态计算，减少了工程计算复杂度的优点。采用基于仿真方法得到的故障暂态过程中某一换流站熄弧角与某二换流站熄弧角的波形图如图4所示，由图4可以看出虽然故障发生在某一直流的受端换流母线处，但某二直流因为换流站间的强交互耦合影响与某一直流一起发生同时换相失败，与本发明预测结果相同，验证了本发明对同送同受直流输电系统换相失败预测结果的准确性。因此，在直流输电线路现有的控制电路中附加简单换相失败识别判据，快速且准确地识别非故障线路的逆变站的换相失败故障，既能够一定程度上反映故障的严重程度，也能帮助系统制定合适的换相失败预测方案。
为验证本发明的准确性，改变同送同受直流输电系统送、受端的联系阻抗，使得系统的阻抗矩阵发生改变，使系统处于不同工况下运行，观察本发明一种同送同受特高压直流输电系统的同时换相失败风险评估方法的适应性和有效性，图5为各工况下某二直流换流站最小熄弧角的仿真波形图，统计结果如表2所示：
表2
| 算例 | MIIF21 | MOMI_IF21 | CMOMI_IF21 | 是否换相失败 |
| 工况1 | 0.1146 | 0.1760 | 0.1485 | 否 |
| 工况2 | 0.1299 | 0.1837 | 0.1485 | 否 |
| 工况3 | 0.1453 | 0.2244 | 01485 | 是 |
由图5及表2可知，在工况1和工况2中，某二直流高层逆变站换流器并未发生换相失败，暂态过程换相角最小值均大于7°，换流阀成功完成换相。此时MOMI_IFji的大小均未超过临界换相失败值，而在工况3情况下，MOMI_IF21＝0.2244大于临界换相失败交互因子CMOMI_IF21＝0.1485，在图5中可以看到1s后该工况下某二直流高层换流站存在晶闸管的熄弧角小于7°，因此某二直流高层与某一直流受端换流站发生同时换相失败。预测结果与仿真结果一致，验证了本发明对同送同受系统同时换相失败预测方法的准确性和有效性。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
Claims (2)
1.一种同送同受系统同时换相失败预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、确定同送同受系统中受端换流母线间的同送同受交互因子；
(1.1)、根据同送同受系统送、受端交流系统阻抗网络求解同送同受系统的多馈出交互因子及多馈入交互因子：
其中，MOVIFji表示同送同受系统送端换流母线i和j的多馈出交互因子，MIIFji表示同送同受系统受端换流母线i和j的多馈入交互因子；ZRij、ZRii为送端整流侧交流系统阻抗网络的互阻抗与自阻抗，ZIij、ZIii受端逆变侧交流系统阻抗网络的互阻抗与自阻抗；
(1.2)、确定整定系数α和β：
其中，ΔMOVIFji表示送端整流侧交流系统阻抗网络的结构改变前的多馈出交互因子与改变结构后的多馈出交互因子的差值，ΔMIIFji表示受端逆变侧交流系统阻抗网络的结构改变前的多馈入交互因子与改变结构后的多馈入交互因子的差值；
(1.3)、计算受端换流母线i与j间的同送同受交互因子MOMI_IFji：
其中，ΔUi为受端换流母线i的电压变化量，ΔUj为受端换流母线j的电压变化量；
(2)、计算使得非故障换流母线与故障换流母线同时发生换相失败的临界同送同受交互作用因子；
(2.1)、假设故障发生在受端换流母线i所连接的交流系统上，计算非故障受端换流母线j在受端换流母线i发生故障后的电压波动；
ΔULj＝ΔULi*MOMI_IFji
其中，ΔULi为受端换流母线i在故障发生后的电压跌落有效值，ΔULj为由受端交互影响在受端非故障换流母线j上产生的电压跌落有效值；
(2.2)、计算换相过程中受端非故障换流母线j所在换流站暂态过程的熄弧角γj：
其中，Xcj表示受端非故障换流母线j所连接换流变压器的正序漏抗，Idj表示受端非故障换流母线j所连接直流线路的直流电流，ULjN表示受端非故障换流母线j的额定电压，βj表示受端非故障换流母线j所在换流站换流阀的超前触发角；
(2.3)、计算同送同受系统中使得非故障换流母线j与故障换流母线i同时发生换相失败的临界同送同受交互作用因子CMOMI_IFji：
γj＝γmin
其中，ULiN表示受端换流母线i的额定运行电压，Xkj％表示受端非故障换流母线j连接换流变压器的阻抗标幺值，γj表示受端非故障换流母线j所在换流站暂态过程的熄弧角，γmin表示换流阀发生换相失败的熄弧角最小临界值；
(3)、预测受端非故障换流母线j所在换流站是否会发生换相失败；
对比MOMI_IFji与CMOMI_IFji的值的大小，如果MOMI_IFji>CMOMI_IFji，则判定为受端换流母线i发生金属性三相接地短路故障，受端换流母线j与受端换流母线i同时发生换相失败。
2.根据权利要求1所述的一种同送同受系统同时换相失败预测方法，其特征在于，所述ΔMOVIFji和ΔMIIFji满足：
其中，MOVIFji'表示送端多个交流电网间的联系阻抗置0后同送同受系统的多馈出交互因子值，MIIFji'表示受端多个交流电网间的联系阻抗置0后同送同受系统的多馈入交互因子值。
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