多端柔性直流电网单极接地自适应重合闸方法与流程

本发明涉及电力系统保护控制领域，特别是涉及一种适用于多端柔性直流电网的新型单极接地自适应重合闸方法。

背景技术：

多端柔性直流电网中架空线路发生单极接地故障时，切除故障极线路后，剩余网络仍能继续运行。但是考虑到架空线路瞬时性故障发生概率较高，需要配置重合闸方法判断故障性质，以保证瞬时性故障情况下能够在故障消失以后快速重合被切除线路。

目前，多端柔性直流电网中配置的单极接地重合闸判断方法一般是：在切除故障线路并经历一段时间的去游离过程以后，重合被切除故障线路两端的直流断路器(或直流开关，具体取决于电网所采取的故障隔离方案)。通过判断能否建立故障极电压实现故障性质的判断：若故障极能够建立起正常运行电压，则表明故障已经消失，为瞬时性故障，重合成功；若故障极仍然无法建立起正常运行电压，表明故障点仍然存在，为永久性故障，重合失败，再次实行故障隔离。

这种方法简单可靠，但是在重合于永久性单极接地故障时，会对直流电网产生二次过压、二次过流冲击的危害。当系统采用伪双极接线时，会由于直流电网的电压控制策略而在非故障极和换流器交流侧产生直流电压偏置，从而对系统造成二次过电压冲击；当直流电网采用真双极接线时，则会由于换流器子模块电容二次放电而产生二次过流危害。因此，有必要设计一种能够预判故障性质的多端柔性直流电网单极接地自适应重合闸方法。

技术实现要素：

针对目前多端柔性直流电网中配置的重合闸方法重合于永久性单极接地故障时会对系统造成二次过压、二次过流冲击的问题，本发明提出了一种多端柔性直流电网单极接地自适应重合闸方法，能够实现故障性质的预判。

本发明提出了一种多端柔性直流电网单极接地自适应重合闸方法，该方法针对基于直流断路器和基于换流器自清除这两种直流电网典型的直流故障隔离方案，分别提出了相应的重合闸判断方法，具体步骤如下：

1、当直流电网基于直流断路器实现故障隔离时，单极接地自适应重合闸的判断包括以下步骤：

步骤1、发生单极接地故障后，根据保护信号跳开故障极线路两端直流断路器，实现故障极线路的切除。需要注意的是，与故障极对应的非故障极无需被切除。

步骤2、经历去游离过程的延时Δt₁以后，测量故障极线路对地电压U_f；

步骤3、将故障极电压U_f与重合闸判断整定值U_set进行比较：根据输电线路间静电感应原理，若U_f>U_set，判定该故障为瞬时性故障，在延时Δt₂后重合直流断路器；若U_f<U_set，判定该故障为永久性故障，不重合直流断路器；

(2)、当直流电网基于换流器自清除实现故障隔离时，单极接地自适应重合闸的判断包括以下步骤：

步骤1、发生单极接地故障后，立即闭锁直流电网内各换流器，实现故障电流的清除(当换流站为真双极接线时，各换流站仅需闭锁故障极对应换流器，而非故障极对应换流器仍然保持正常运行)；

步骤2、清除故障电流后，根据接收到的保护信号跳开故障极线路两端的快速直流开关，实现故障极线路的物理隔离；同样，与故障极线路对应的非故障极无需切除；

步骤<3>、解锁直流电网中所有换流器，恢复剩余网络的继续运行；

步骤<4>、经历去游离过程的延时Δt₁以后，测量故障极线路对地电压U_f；

步骤5、将故障极电压U_f与重合闸判断整定值U_set进行比较：根据输电线路间静电感应原理，若U_f>U_set，判定该故障为瞬时性故障，在延时Δt₂后重合直流开关；若U_f<U_set，判定该故障为永久性故障，不重合直流开关。

提出了上述重合闸判断方法中门槛值U_set的整定计算方法。具体原则为：若故障点一直存在，被切除的故障极线路电压将一直被故障点钳位在0值附近；若故障点已经消失，被切除的故障极线路将会由于静电感应而在仍处于带电运行状态的健全极作用下感应出一定的电压(这也是本发明提出的自适应重合闸方法的根本原理)。据此，本发明提出如式(1)所示的U_set整定计算方法；

$U_{set}=U_{health}\&times;\frac{{\mathrm{\&alpha;}}_{21}}{{\mathrm{\&alpha;}}_{11}}/k---\left(1\right)$

上式中，U_health为非故障极对地运行电压；k为可靠系数，一般取为5～10；α₂₁、α₁₁分别代表两极间互电位系数和非故障极自电位系数，根据静电场相关理论可得其计算公式分别如式(2)～(3)所示。

${\mathrm{\&alpha;}}_{21}=\frac{1}{2{\mathrm{\&pi;\&epsiv;}}_{0}l}ln\frac{\sqrt{d^2+4h^2}}{d}---\left(2\right)$

${\mathrm{\&alpha;}}_{11}=\frac{1}{2{\mathrm{\&pi;\&epsiv;}}_{0}l}ln\frac{2h}{R_0}---\left(3\right)$

上式中，ε₀为真空介电常数，一般取8.85×10^-9F/km；l为架空线路长度；h为架空线路对地距离；d为正负极间距离；R₀为架空线路半径。

与现有技术相比，本发明设计的单极接地自适应重合闸判断方法通过对处于切除状态故障极线路残压大小的测量比较，能够在故障极仍处于切除状态时就预先判断出故障性质。彻底避免了现有重合闸方法重合于永久性单极接地故障时产生的二次过压(伪双极接线时)、二次过流危害(真双极接线时)。而且，对伪双极接线和真双极接线的直流电网均适用。

附图说明

图1为多端柔性直流电网单极接地故障示意图；

图2为本发明的多端柔性直流电网基于直流断路器实现故障隔离时的单极接地自适应重合闸方法逻辑框图；

图3为本发明的多端柔性直流电网基于换流器自清除实现故障隔离时的单极接地自适应重合闸方法逻辑框图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。该实施例根据本发明技术方案进行实施，给出了详细具体的实施方式和操作过程，但本发明的应用范围不限于下述实施例。

如图1所示，为实施例中多端柔性直流电网单极接地故障示意图，具体为四端伪双极接线的柔性直流电网拓扑结构。

当直流电网利用直流断路器实现故障隔离时，单极接地故障自适应重合闸方法具体实施步骤如图2所示：

步骤1-1、发生单极接地故障后(故障位置在如图1中所示)，根据接收到的保护信号跳开故障极线路两端对应的直流断路器S₁、S₂(与故障极对应的非故障极两端直流断路器S₃、S₄无需实施跳闸动作)，此后剩余网络能够恢复正常运行。

步骤1-2、延时150ms确保线路去游离以后，测量图1中所示位置故障极线路对地电压U_f。

步骤1-3、将故障极电压U_f与整定值U_set进行比较：

根据输电线路间静电感应原理，若U_f>U_set，表明线路出现了残压，故障点已经消失，判定该故障为瞬时性故障，在延时10ms(确保故障极线路对端也完成了重合闸判断)后重合直流断路器；

若U_f<U_set，表明线路残压很小，故障点仍然存在，判定该故障为永久性故障，不重合直流断路器。

当直流电网基于换流器自清除实现故障隔离时，所有换流站必须采用具有故障自清除能力的换流器。单极接地故障自适应重合闸判断具体实施步骤如图3所示：

步骤2-1、发生单极接地故障后立即闭锁直流电网内所有换流器，实现故障电流的清除。需要注意的是，当换流站为真双极接线时，各换流站仅需闭锁故障极对应换流器，而非故障极对应换流器仍然保持正常运行。

步骤2-2、当测量到故障电流已经清零后，根据接收到的保护信号跳开故障极线路两端的快速直流开关S₁、S₂(与故障极对应的非故障极两端直流开关S₃、S₄无需实施跳闸动作)。

步骤2-3、解锁直流电网中所有换流器，实现剩余网络的继续运行。

步骤2-4、延时150ms确保线路去游离以后，测量图1中所示位置故障极线路对地电压U_f。

步骤2-5、将故障极电压U_f与整定值U_set进行比较：

根据输电线路间静电感应原理，若U_f>U_set，表明线路出现了残压，故障点已经消失，判定该故障为瞬时性故障，在延时10ms后(确保故障极线路对端也完成了重合闸判断)后重合直流开关；

若U_f<U_set，表明线路残压很小，故障点仍然存在，判定该故障为永久性故障，不重合直流开关。

上述中U_set可根据式(1)～(3)，并结合直流电网架空线路参数计算得到，本实施例中k取10。