一种基于故障时刻的直流系统换相失败风险评估方法与流程

本发明涉及电力技术领域中直流换相失败态势感知领域，特别是一种基于故障时刻的直流系统换相失败风险评估方法。

背景技术：

基于晶闸管的直流输电技术由于其大容量、远距离输电的优点在实际工程中得到了广泛的应用。我国华东、华南等负荷中心地区形成了典型的多馈入直流系统，其中华东电网截至2018年底共馈入11回直流，直流的密集接入在有效缓解用电压力的同时，也给电力系统的安全稳定运行也带来了新的挑战，其中直流换相失败就是一个重要的挑战。换相失败会引起直流传输功率的降低，在故障严重的情况下甚至会引起连续换相失败导致直流闭锁等更加严重的故障。

工程上通常采用换流母线电压幅值对换相失败风险进行评估，但这种评估方法将换相电压当作基波处理，而实际上故障期间换相电压含有较大的谐波分量。故障时刻会影响谐波初相，进而对换相过程造成影响。因此，研究故障时刻对直流系统换相失败的影响，对及时制定并采取控制防护措施具有重要的作用。但目前尚缺乏可行的量化评估方法。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提出一种基于故障时刻的直流系统换相失败风险评估方法，首先分析了各次谐波对换相电压-时间面积的影响，进一步计算了谐波整体的附加换相电压-时间面积；从工程实际角度出发，根据谐波频次越高、对应谐波含量越小的特点，定义了n次谐波的影响系数，并以2次谐波的影响系数作为附加换相电压-时间面积的关键指标；最后，通过故障时刻与关键指标之间的映射关系，来评估换相失败的风险。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于故障时刻的直流系统换相失败风险评估方法，包括如下步骤：

(1)分析各次谐波对换相电压-时间面积的影响；

(2)计算谐波整体的附加换相电压-时间面积；

(3)提取衡量换相失败风险的附加换相电压-时间面积的关键指标；

(4)根据故障时刻计算关键指标的值，评估换相失败风险。

进一步的，所述步骤(1)中各次谐波对换相电压-时间面积的影响，具体通过下式表达：

其中，sn表示n次谐波的换相电压-时间面积，en、分别表示各次谐波的幅值和相位，ω＝100π(rad/s)表示系统的基频角速度，积分上下限分别为换相开始时刻tβ以及换相结束时刻tγ；

更改积分区间从(tβ,tγ)变换为sn表示为下式：

其中，μ＝ω(tγ-tβ)表示换相重叠角。

进一步的，所述步骤(2)中换相失败故障是指当换流器两个阀进行换相时，在换相过程中退出导通的阀在反向电压的作用下未能及时恢复阻断能力，或者在反向电压作用期间换相过程未能结束，使本该关断的阀在正向电压作用下重新导通的现象。

进一步的，所述换相失败故障通过下式判别：

γ＜γmin

其中，γ＝ω(t0-tβ)表示阀熄弧角，t0为换相电压过零时刻；γmin表示阀固有极限熄弧角。

进一步的，所述步骤(2)中谐波整体的附加换相电压-时间面积通过下式计算：

进一步的，所述步骤(3)中衡量换相失败风险的附加换相电压-时间面积的关键指标，通过以下过程提取：

定义indexn为n次谐波分量的影响系数，根据下式计算得到：

因此，当谐波频次n比较小的时候，indexn作以下近似：

由上式可知，indexn和之间近似呈三角函数分布，幅值为

由于谐波次数越高，谐波的含量将快速衰减，因此δs近似认为由s2决定，即由index2决定。

进一步的，当index2最小时，认为换相失败风险最高。

进一步的，所述步骤(4)具体实现过程为：

(41)建立故障时刻与之间的映射关系：

其中，function表示故障时刻t_fault与2次谐波分量的初相之间的函数关系；

(42)计算关键指标index2：

(43)评估换相失败风险：

index2＞0表示故障谐波分量对换相过程有利，数值越大换相失败风险越低；

index2＜0表示故障谐波分量对换相过程不利，数值越小换相失败风险越高。

进一步的，所述步骤(42)中，当直流系统稳态运行时，熄弧角γ＝π-ωtγ≈π/12，触发超前角β＝π-ωtβ≈0.211π，index2近似写成：

与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

本发明针对交直流互联系统提出了一种基于故障时刻的直流系统换相失败风险评估方法，能对换相失败的风险进行有效评估，反应故障时刻对直流系统换相失败的影响，有助于电网的安全稳定高效运行。

附图说明

图1为本发明提供的一种基于故障时刻的直流系统换相失败风险评估方法流程示意图。

具体实施方式

以下将结合具体实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

如图1所示，本发明实施例提供的一种基于故障时刻的直流系统换相失败风险评估方法，包括：

步骤s1：分析各次谐波对换相电压-时间面积的影响，具体表现为：

其中，sn表示n次谐波的换相电压-时间面积，en、分别表示各次谐波的幅值和相位，ω＝100π(rad/s)表示系统的基频角速度，积分上下限分别为换相开始时刻tβ以及换相结束时刻tγ；

更改积分区间从(tβ,tγ)变换为sn可表示为下式：

其中，μ＝ω(tγ-tβ)表示换相重叠角。

步骤s2：计算谐波整体的附加换相电压-时间面积δs，具体通过下式实现：

步骤s3：提取衡量换相失败风险的附加换相电压-时间面积的关键指标；

换相失败故障是指当换流器两个阀进行换相时，在换相过程中退出导通的阀在反向电压的作用下未能及时恢复阻断能力，或者在反向电压作用期间换相过程未能结束，使本该关断的阀在正向电压作用下重新导通的现象。具体可用下式来判别：

γ＜γmin

其中，γ＝ω(t0-tβ)表示阀熄弧角，t0为换相电压过零时刻；γmin表示阀固有极限熄弧角，一般与阀固有特性有关。

提取衡量换相失败风险的附加换相电压-时间面积的关键指标，其具体实现过程为：

定义indexn为n次谐波分量的影响系数，可根据下式计算得到：

因此，当谐波频次n比较小的时候，indexn可作以下近似：

由上式可知，indexn和之间近似呈三角函数分布，幅值为

由于谐波次数越高，谐波的含量将快速衰减，因此δs可近似认为由s2决定，即由index2决定。当index2最小时，认为换相失败风险最高。

步骤s4：根据故障时刻计算关键指标的值，评估换相失败风险，具体实现过程为：

(41)建立故障时刻与之间的映射关系：

其中，function表示故障时刻t_fault与2次谐波分量的初相之间的函数关系；该映射可通过离线仿真数据拟合得到，结果为一次函数的表达形式；

(42)计算关键指标index2：

一般直流系统稳态运行时，熄弧角γ＝π-ωtγ≈π/12，触发超前角β＝π-ωtβ≈0.211π，因此index2可近似写成：

(43)评估换相失败风险：

index2＞0表示故障谐波分量对换相过程有利，数值越大换相失败风险越低；

index2＜0表示故障谐波分量对换相过程不利，数值越小换相失败风险越高。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。