CN117175494B - 一种柔性直流电网自适应重合闸方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种柔性直流电网自适应重合闸方法及系统，属于电力系统继电保护领域。发生故障后，本发明利用直流断路器进行故障隔离，对故障线路电压进行持续采样，按照设定的时间窗长提取各时窗内电压数据的最大值与最小值并计算二者乘积，根据二者乘积计算各时窗的符号函数值，利用符号函数构造识别判据，结合各时窗的符号函数值识别故障类型，若识别为永久性故障，出口闭锁信号；若识别为瞬时性故障，计算熄弧时刻，去游离后出口合闸信号。本发明针对柔性直流电网直流断路器跳闸后进行自适应重合闸，无需主动注入信号，仅利用故障线路残余电压进行计算分析，易于实现；无需改变换流站运行方式与直流断路器拓扑结构，成本较低，普适性较高。
Description
技术领域
本发明涉及一种柔性直流电网自适应重合闸方法及系统，属于电力系统继电保护领域。
背景技术
直流电网是现代电网发展变革的重要方向，基于模块化多电平换流器的直流输电技术凭借其开关损耗低、无换向失败问题、可扩展的模块化的结构等优点，在新能源发电并网、向无源系统供电等领域有着广阔的应用场景。在实际工程中，柔性直流电网因其输电距离较长，电压等级较高等特点，大面积使用架空线路进行功率的传输，相较于电缆线输电，架空线路发生故障概率高；发生故障时故障电流上升快，对系统和设备造成的冲击巨大，因此通过安装在线路两端的直流断路器跳闸来隔离故障。实际工程中，架空线路故障大多数为瞬时性故障，这就需要在直流断路器跳闸后进行系统重启快速恢复供电，提供电力系统的供电可靠性。目前工程中所使用的自动重合闸方案通常为：在直流断路器跳闸后等待150ms~350ms的固定去游离后，将线路两侧的直流断路器合闸，若重合于永久性故障则直流断路器二次跳闸。该方法无法识别故障类型，若重合于永久性故障会对系统与设备造成严重的二次冲击，因此有必要在重合闸之前识别故障类型，发生瞬时性故障时，优化合闸时刻，较快恢复系统供电；发生永久性故障时立即将直流断路器闭锁，保护系统与设备的运行安全。
目前，有专家提出利用全桥子模块FBSM构造换流站不控整流运行方式，通过检测不控整流运行方式下直流线路是否出现电流来实现故障性质识别，但该方法应用于多端直流电网时会对供电可靠性造成不利影响；另外有专家提出通过改进的机械式直流断路器实现故障识别，抗过渡电阻能力较强，但针对不同拓扑的机械式直流断路器，均需要进行不同的拓扑结构改进；进一步的有专家提出在混合型MMC 的极控制器中加入一种故障性质辨识控制模式，该控制策略逻辑简单，不需要额外增加装置，但需等待固定去游离后注入信号进行故障识别，对于故障时间极短的瞬时故障无法做到快速重合闸。上述方法需要改变换流站的控制方式、改变直流断路器的拓扑结构，不具备普适性，改造成本较高。
发明内容
鉴于上述，本发明提供一种柔性直流电网自适应重合闸方法及系统，无需增设附加装置，无需主动注入信号，仅利用直流断路器跳闸后的残余电气量识别故障类型，具有较高的普适性。
故障发生后，故障线路两端断路器跳闸隔离故障，当发生瞬时性故障时，在故障消失后，由于线路全线无接地点，线路两端开路，电压在传输过程中在导线两端发生全反射，表现为振荡衰减状态，残余能量无直接泄放回路，将向零轴一侧发生明显的偏移，在能量衰减结束之前无过零点；当线路发生永久性故障时，由于故障点一直存在，残余能量将通过故障接地点快速泄放，线路无法积累电荷，电压呈现出整体围绕零轴快速振荡衰减的状态。因此通过检测直流断路器跳闸后故障极电压在衰减振荡过程中是否偏移零轴来识别故障。本发明的采用如下技术方案：
一种柔性直流电网自适应重合闸方法及系统，其具体步骤为：
Step1：在柔性直流电网发生区内故障后，装设于故障线路两端的直流断路器跳闸，隔离故障。
Step2：对故障线路电压数据进行持续采样。
Step3：对获取的电压数据按照设定的时间窗长提取各时窗内电压数据的最大值与最小值，分别计算各时窗内电压数据的最大值与最小值的乘积，其具体步骤如下：
Step3.1：对获取的电压数据按照设定的时间窗长提取各时窗内电压数据的最大
值与最小值，所述时间窗长，L为输电线路长度，v为行波波速。
Step3.2：计算各时窗内电压数据的最大值与最小值的乘积：
(1)
式中，k表示第k个时窗，Umax(k)表示第k个时窗内电压数据的最大值，Umin(k)表示第k个时窗内电压数据的最小值。
Step4：根据所述各时窗内电压数据的最大值与最小值的乘积计算各时窗的符号函数值，最大值的乘积与最小值的乘积若大于0，则表明故障极电压偏移零轴：
(2)
式中，k表示第k个时窗。
Step5：计算并设定整定判定时限，在整定判定时限内利用符号函数构造识别判据，结合所述各时窗的符号函数值，识别故障类型，若识别为永久性故障，出口闭锁信号，流程结束；若识别为瞬时性故障，执行Step6，其具体步骤如下：
Step5.1：对于永久性故障，电压幅值低于一定值时的计算结果将没有意义，需要确定一个最小的电压阈值0.01Un，需计算并设定整定判定时限tset，若在直流断路器跳闸后100ms内故障极残余电压U在t4时刻衰减至0.01Un，则令 tset= t4；目前实际工程中所运用的自动重合闸方案在直流断路器跳闸后固定去游离时间通常为200ms，由于本发明在识别出瞬时性故障之后还需留有100ms的去游离时间，待去游离结束后进行重合闸，因此若在直流断路器跳闸后100ms内故障极残余电压U未衰减至0.01Un，则令tset=100ms。
Step5.2：为保证识别判据的可靠性，在整定重合闸时限tset内出现连续三个时窗满足电压最大值与最小值的乘积大于0，证明电压已完全偏移零轴，判定为发生瞬时性故障，在整定判定时限tset内利用符号函数构造识别判据，结合所述各时窗的符号函数值，识别故障类型：
(3)
式中，kset为在整定判定时限约束下时窗序号的最大值。
若满足，
(4)
则为瞬时性故障；
反之，则为永久性故障，出口闭锁信号。
Step6：计算故障点熄弧时刻，基于故障点熄弧时刻确定直流断路器重合闸的具体时刻，其具体步骤如下：
Step6.1：认为故障在满足故障识别判据的第一个时窗的首端消失，计算故障点熄弧时刻tend：
(5)
式中，为满足识别判据的第一个时窗序号。
Step6.2：故障消失后，需等待一定时间，待绝缘介质恢复绝缘强度后才能进行重合闸，根据计算得到的熄弧时刻tend，待100ms去游离，保护装置向直流断路器出口合闸信号，两端保护处直流断路器合闸。
一种柔性直流电网自适应重合闸系统，主要包括：
故障处理模块，用于当输电线路发生故障后，对故障线路进行故障隔离；
数值采集计算模块，用于获取故障线路保护安装处的电压数据，按照设定的时间窗长计算各时窗内电压数据的最大值与最小值的乘积，计算各时窗的符号函数值；
故障类型识别模块，用于利用符号函数构造识别判据识别故障类型，对于瞬时性故障出口合闸信号，对于永久性故障出口闭锁信号。
重合闸控制模块，用于接收所述故障类型识别模块发出的合闸或闭锁信号，控制直流断路器进行相应动作。
所述故障处理模块具体包括：
信号接收单元，用于接收跳闸信号；
动作启动单元，用于控制直流断路器跳闸。
所述数值采集计算模块具体包括：
数据采集单元，用于提取并存储互感器二次侧的电压数据；
线模转换单元，用于对获得的故障极电压进行解耦，得出线模电压；
数值计算单元，按照时间窗长，计算各时窗内电压数据的最大值与最小值
的乘积S(k)，计算各时窗的符号函数值sgn[k]。
所述故障类型识别模块具体包括：
整定判定时限设定单元，用于分析获取的故障极电压数据，计算并设定整定判定时限tset；
故障类型识别单元，用于利用符号函数构造识别判据，结合各时窗的符号函数值，在整定判定时限内识别故障类型；
动作信号发出单元，用于当识别为瞬时性故障时计算出故障熄弧时刻，经过固定去游离后出口合闸信号；识别为永久性故障时出口闭锁信号。
所述重合闸控制模块具体包括：
合闸单元：用于接收合闸信号，控制直流断路器重合闸；
闭锁单元：用于接收闭锁信号，控制直流断路器闭锁。
本发明具有以下有益技术效果：
1、本发明针对柔性直流电网发生故障直流断路器跳闸后进行故障类型识别，无需主动注入信号，仅利用故障线路残余电压进行计算分析，易于实现；
2、本发明无需改变换流站运行方式与直流断路器拓扑结构，成本较低，普适性较高；
3、本发明将故障线路电压偏移零轴时刻作为故障熄弧时刻，与实际熄弧时刻的误差极小，对合闸时刻作出了极大的优化，较快恢复系统供电，提高了供电可靠性；
4、本发明经大量仿真分析，相较于其他方法，本发明在线路远端发生永久性高阻故障时仍能准确识别出永久性故障，出口闭锁信号。
附图说明
图1为本发明仿真模型拓扑图；
图2为直流断路器拓扑图；
图3为实施例1的包括具体步骤的故障类型识别流程图；
图4为实施例1的系统功能框图；
图5为实施例1的故障识别结果示意图；
图6为实施例2的故障识别结果示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
实施例1：柔性直流电网仿真模型系统如附图1所示，线路Line1全线长200km，电压等级为±500kV。设置故障发生在线路Line1左端50km处，故障类型设置为正极接地瞬时性故障，故障持续时间为40ms，过渡电阻设置为0Ω，采样率为10kHz。
基于本发明提供的一种柔性直流电网自适应重合闸方法的故障类型识别流程图如附图3所示，实施的具体步骤为：
Step1：t0时刻在柔性直流电网发生区内故障后，t1=6ms时刻装设于故障线路两端的直流断路器跳闸，隔离故障，所述直流断路器拓扑结构如附图2所示。
Step2：对故障线路电压数据进行持续采样。
Step3：对获取的电压数据按照设定的时间窗长提取各时窗内电压数据的最大值与最小值，分别计算各时窗内电压数据的最大值与最小值的乘积。
Step3.1：对获取的电压数据按照设定的时间窗长提取各时窗内电压数据的最大
值与最小值，本实施例中所述时间窗长，L为输电线路长度，v为行波波速。
Step3.2：计算各时窗内电压数据的最大值与最小值的乘积：
(1)
式中，k表示第k个时窗，Umax(k)表示第k个时窗内电压数据的最大值，Umin(k)表示第k个时窗内电压数据的最小值。
Step4：根据所述各时窗内电压数据的最大值与最小值的乘积计算各时窗的符号函数值：
(2)
式中，k表示第k个时窗。
Step5：计算并设定整定判定时限，在整定判定时限内利用符号函数构造识别判据，结合所述各时窗的符号函数值，识别故障类型，若识别为永久性故障，出口闭锁信号，流程结束；若识别为瞬时性故障，计算熄弧时刻，出口合闸信号。
Step5.1：目前实际工程中所运用的自动重合闸方案在直流断路器跳闸后固定去游离时间通常为200ms，由于本发明在识别出瞬时性故障之后还需留有100ms的去游离时间，待去游离结束后进行重合闸，因此若在直流断路器跳闸后100ms内故障极残余电压U未衰减至0.01Un，则令tset=100ms。
Step5.2：在整定判定时限tset内利用符号函数构造识别判据，结合所述各时窗的符号函数值，识别故障类型：
(3)
如图5所示，第14、15、16个时窗的符号函数值满足：
(4)
识别为瞬时性故障。
Step6：计算故障点熄弧时刻，基于故障点熄弧时刻确定直流断路器重合闸的具体时刻。
Step6.1：计算故障点熄弧时刻tend：
(5)
计算得到故障在断路器跳闸后35.1ms时刻消失，即故障持续时间为41.1ms，与故障持续时间t 2=40ms的误差仅为1.1ms。
Step6.2：根据计算得到的熄弧时刻tend，待100ms去游离，在断路器跳闸后135.1ms时刻出口合闸信号，两端保护处直流断路器合闸。
图4为本发明提供的一种柔性直流电网自适应重合闸系统功能框图，主要包括：
故障处理模块，用于当输电线路发生故障后，对故障线路进行故障隔离；
数值采集计算模块，用于获取故障线路保护安装处的电压数据，按照设定的时间窗长计算各时窗内电压数据的最大值与最小值的乘积，计算各时窗的符号函数值；
故障类型识别模块，用于利用符号函数构造识别判据识别故障类型，对于瞬时性故障出口合闸信号，对于永久性故障出口闭锁信号。
重合闸控制模块，用于接收所述故障类型识别模块发出的合闸或闭锁信号，控制直流断路器进行相应动作。
所述故障处理模块具体包括：
信号接收单元，用于接收跳闸信号；
动作启动单元，用于控制直流断路器跳闸。
所述数值采集计算模块具体包括：
数据采集单元，用于提取并存储互感器二次侧的电压数据；
线模转换单元，用于对获得的故障极电压进行解耦，得出线模电压；
数值计算单元，按照时间窗长，计算各时窗内电压数据的最大值与最小值
的乘积S(k)，计算各时窗的符号函数值sgn[k]。本实施例中，τ=2.7ms。
所述故障类型识别模块具体包括：
整定判定时限设定单元，用于分析获取的故障极电压数据，计算并设定整定判定时限tset，本实施例中，计算并设定tset=100ms；
故障类型识别单元，用于利用符号函数构造识别判据，结合各时窗的符号函数值，在整定判定时限内识别故障类型；
动作信号发出单元，用于当识别为瞬时性故障时计算出故障熄弧时刻，经过固定去游离后出口合闸信号；识别为永久性故障时出口闭锁信号。本实施例中，识别为瞬时性故障，故障持续时间为41.0168ms，在断路器跳闸后135.0168ms时刻出口合闸信号。
所述重合闸控制模块具体包括：
合闸单元：用于接收合闸信号，控制直流断路器重合闸；
闭锁单元：用于接收闭锁信号，控制直流断路器闭锁。
实施例2：柔性直流电网仿真模型系统如附图1所示，线路Line1全线长200km，电压等级为±500kV。设置故障发生在线路Line1左端180km处，故障类型设置为正极接地永久性故障，故障持续时间为无穷大，过渡电阻设置为200Ω，采样率为10kHz。
基于本发明提供的一种柔性直流电网自适应重合闸方法的故障类型识别流程图如附图3所示，实施的具体步骤为：
Step1：t0时刻在柔性直流电网发生区内故障后，t1=6ms时刻装设于故障线路两端的直流断路器跳闸，隔离故障,所述直流断路器拓扑结构如附图2所示。
Step2：对故障线路电压数据进行持续采样。
Step3：对获取的电压数据按照设定的时间窗长提取各时窗内电压数据的最大值与最小值，分别计算各时窗内电压数据的最大值与最小值的乘积。
Step3.1：对获取的电压数据按照设定的时间窗长提取各时窗内电压数据的最大
值与最小值，本实施例中所述时间窗长，L为输电线路长度，v为行波波速。
Step3.2：计算各时窗内电压数据的最大值与最小值的乘积：
(1)
式中，k表示第k个时窗，Umax(k)表示第k个时窗内电压数据的最大值，Umin(k)表示第k个时窗内电压数据的最小值。
Step4：根据所述各时窗内电压数据的最大值与最小值的乘积计算各时窗的符号函数值：
(2)
式中，k表示第k个时窗。
Step5：计算并设定整定判定时限，在整定判定时限内利用符号函数构造识别判据，结合所述各时窗的符号函数值，识别故障类型，若识别为永久性故障，出口闭锁信号，流程结束；若识别为瞬时性故障，计算熄弧时刻，出口合闸信号。
Step5.1：对于永久性故障，电压幅值低于一定值时的计算结果将没有意义，需要确定一个最小的电压阈值0.01Un，需计算并设定整定判定时限tset，在直流断路器跳闸后100ms内故障极残余电压U在t4=97ms时刻衰减至0.01Un，则令 tset= 97ms；
Step5.2：在整定判定时限tset内利用符号函数构造识别判据，结合所述各时窗的符号函数值，识别故障类型：
(3)
如图6所示，在整定判定时限97ms之内，所有时窗的符号函数值都为-1，无时窗满足识别判据，
(4)
识别为永久性故障，出口闭锁信号，两端保护处直流断路器闭锁，流程结束。
图4为本发明提供的柔性直流电网自适应重合闸系统功能框图，包括：
故障处理模块，用于当输电线路发生故障后，对故障线路进行故障隔离；
数值采集计算模块，用于获取故障线路保护安装处的电压数据，按照设定的时间窗长计算各时窗内电压数据的最大值与最小值的乘积，计算各时窗的符号函数值；
故障类型识别模块，用于利用符号函数构造识别判据识别故障类型，对于瞬时性故障出口合闸信号，对于永久性故障出口闭锁信号。
重合闸控制模块，用于接收所述故障类型识别模块发出的合闸或闭锁信号，控制直流断路器进行相应动作。
所述故障处理模块具体包括：
信号接收单元，用于接收跳闸信号；
动作启动单元，用于控制直流断路器跳闸。
所述数值采集计算模块具体包括：
数据采集单元，用于提取并存储互感器二次侧的电压数据；
线模转换单元，用于对获得的故障极电压进行解耦，得出线模电压；
数值计算单元，按照时间窗长，计算各时窗内电压数据的最大值与最小值
的乘积S(k)，计算各时窗的符号函数值sgn[k]。本实施例中，τ=2.7ms。
所述故障类型识别模块具体包括：
整定判定时限设定单元，用于分析获取的故障极电压数据，计算并设定整定判定时限tset，本实施例中，计算并设定tset=97ms；
故障类型识别单元，用于利用符号函数构造识别判据，结合各时窗的符号函数值，在整定判定时限内识别故障类型；
动作信号发出单元，用于当识别为瞬时性故障时计算出故障熄弧时刻，经过固定去游离后出口合闸信号；识别为永久性故障时出口闭锁信号。本实施例中识别为永久性故障，出口闭锁信号。
所述重合闸控制模块具体包括：
合闸单元：用于接收合闸信号，控制直流断路器重合闸；
闭锁单元：用于接收闭锁信号，控制直流断路器闭锁。
实施例3：柔性直流电网仿真模型系统如附图1所示，线路Line1全线长200km，电压等级为±500kV。分别设置正极接地故障发生在线路Line1中点处，故障持续时间t 2为24ms；设置正极接地故障发生在线路Line1末端处，故障持续时间t 2为36ms，过渡电阻均为30Ω，采样率均为10kHz。
依照前述实施例1、2记载的方法对实施例3中所述故障进行识别，将所得故障识别结果与基于行波主频率跃变的自适应重合闸方法所得故障识别结果进行比较，比较结果如表1所示。
表1 ：不同方法结果对比
与基于行波主频率跃变的自适应重合闸方法比较，本发明提供的自适应重合闸方法对于故障持续时间计算精度更高，对于线路中点处发生的瞬时性故障也能准确识别，比较结果如上表1所示。
通过验证表明本发明所述的一种柔性直流电网自适应重合闸方法及系统可准确识别出瞬时性故障，计算出故障消失时刻，可靠性高。
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (7)
1.一种柔性直流电网自适应重合闸方法，其特征在于，包括如下步骤：
Step1：在柔性直流电网发生区内故障后，装设于故障线路两端的直流断路器跳闸，对故障线路进行故障隔离；
Step2：通过高速采集装置对故障线路电压数据进行持续采样；
Step3：对获取的电压数据按照设定的时间窗长提取各时窗内电压数据的最大值与最小值，分别计算各时窗内电压数据的最大值与最小值的乘积；
Step4：根据所述各时窗内电压数据的最大值与最小值的乘积计算各时窗的符号函数值；
Step5：计算并设定整定判定时限，在整定判定时限内利用符号函数构造识别判据，结合所述各时窗的符号函数值，识别故障类型，若识别为永久性故障，出口闭锁信号，流程结束；若识别为瞬时性故障，执行Step6；
Step6：计算故障点熄弧时刻，基于故障点熄弧时刻确定混合断路器重合闸的具体时刻；
所述Step3具体为：
Step3.1：对获取的电压数据按照设定的时间窗长提取各时窗内电压数据的最大值与最小值，所述时间窗长，L为输电线路长度，v为行波波速；
Step3.2：计算各时窗内电压数据的最大值与最小值的乘积：
；
式中，k表示第k个时窗，Umax(k)表示第k个时窗内电压数据的最大值，Umin(k)表示第k个时窗内电压数据的最小值；
所述Step4具体为：
根据所述各时窗内电压数据的最大值与最小值的乘积计算各时窗的符号函数值：
；
所述Step5具体为：
Step5.1：计算并设定整定判定时限tset，若在直流断路器跳闸后100ms内故障极残余电压U在t4时刻衰减至0.01Un，则令 tset= t4；若在直流断路器跳闸后100ms内故障极残余电压U未衰减至0.01Un，则令tset=100ms；
Step5.2：在整定判定时限tset内利用符号函数构造识别判据，结合所述各时窗的符号函数值，识别故障类型：
；
式中，kset为在整定判定时限约束下时窗序号的最大值；
若满足，，则为瞬时性故障；
反之，则为永久性故障，出口闭锁信号。
2.根据权利要求1所述的柔性直流电网自适应重合闸方法，其特征在于，所述Step6具体为：
Step6.1：计算故障点熄弧时刻tend：
；
式中，为满足识别判据的第一个时窗序号；
Step6.2：根据计算得到的熄弧时刻tend，待100ms去游离，出口合闸信号，两端保护处直流断路器合闸。
3.一种用于实现如权1所述的柔性直流电网自适应重合闸方法的系统，其特征在于，包括：
故障处理模块，用于当输电线路发生故障后，对故障线路进行故障隔离；
数值采集计算模块，用于获取故障线路保护安装处的电压数据，按照设定的时间窗长计算各时窗内电压数据的最大值与最小值的乘积，计算各时窗的符号函数值；
故障类型识别模块，用于利用符号函数构造识别判据识别故障类型，对于瞬时性故障出口合闸信号，对于永久性故障出口闭锁信号；
重合闸控制模块，用于接收所述故障类型识别模块发出的合闸或闭锁信号，控制直流断路器进行相应动作。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述故障处理模块具体包括：
信号接收单元，用于接收跳闸信号；
动作启动单元，用于控制直流断路器跳闸。
5.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述数值采集计算模块具体包括：
数据采集单元，用于提取并存储互感器二次侧的电压数据；
线模转换单元，用于对获得的故障极电压进行解耦，得出线模电压；
数值计算单元，按照时间窗长，计算各时窗内电压数据的最大值与最小值的乘积S(k)，计算各时窗的符号函数值sgn[k]。
6.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述故障类型识别模块具体包括：
整定判定时限设定单元，用于分析获取的故障极电压数据，计算并设定整定判定时限tset；
故障类型识别单元，用于利用符号函数构造识别判据，结合各时窗的符号函数值，在整定判定时限内识别故障类型；
动作信号发出单元，用于当识别为瞬时性故障时计算出故障熄弧时刻，经过固定去游离后出口合闸信号；识别为永久性故障时出口闭锁信号。
7.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述重合闸控制模块具体包括：
合闸单元：用于接收合闸信号，控制直流断路器重合闸；
闭锁单元：用于接收闭锁信号，控制直流断路器闭锁。
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