一种基于动态重合闸时序的换相失败闭锁方法与流程

本发明涉及一种基于动态重合闸时序的换相失败闭锁方法，涉及电力系统技术领域。

背景技术：

十三五期间，随着特高压交直流电网的快速发展，我国电网“强直弱交”矛盾突出，电网的运行特性发生了深刻变化，主要体现在三个方面：(1)故障对系统的冲击全局化，电网运行安全风险增大；(2)电源结构发生深刻变化，电网调节能力严重下降；(3)电力电子化特征凸显，电网稳定形态更加复杂。电网运行特征使得交流系统微小扰动就会引起整个特高压交直流电网安全稳定问题，特别是交流故障引发换相失败，进而导致直流闭锁是影响特高压交直流电网稳定运行的最大问题。持续性换相失败会不断对电网产生冲击，同时对电力电子器件产生不利影响；同时持续性换相失败导致直流闭锁后容易诱发受端低频、送端高压等连锁故障。因此，当直流换相失败发生时，既不要盲目闭锁直流，也不能任由换相失败持续性发展，需要寻找一种合理的直流闭锁方法。

现阶段换相失败导致直流闭锁主要有两种方法：直流100Hz保护(方法1)以及基于N次功率跌落的闭锁方法(方法2)。方法1主要利用了换相失败时逆变侧直流电流会出现大量的100Hz分量的特征。方法1有I、II段保护，其具体措施如表1所示。

表1直流100Hz直流闭锁方法

方法1的主要特点为：I段保护采取降低直流电流整定值的方法来避免换相失败的目的。该段保护的存在虽然很好的保证了不会盲目闭锁直流的目的，但是由于直流控制本身存在低压限流的环节，该环节一般仅需10ms即可降低直流电流的整定值，因此方法1中I段存在不起作用的可能；II段根据不同的直流工程设置了不同的整定时间，总体上II段的整定时间缺乏合理的理论证明。

方法2主要利用了换相失败期间功率跌落的特点进行直流闭锁，如图1所示。研究发现，换相失败期间每次功率跌落大约为200ms左右，当累计跌落N次时就闭锁直流。N的取值影响因素较多，如受端系统强度、送端特别是含新能源送端的承受过电压能力等。现阶段除了利用仿真确定N的取值外，很难对N的取值进行定量的说明。同时，随着新能源本身承受低/过电压穿越能力的提升，如何避免多馈入直流受端同时发生换相失败成为直流闭锁的主要考虑因素。因此，迫切需要寻找一种合适的直流闭锁方法。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的是提供一种与自动重合闸时序相配合的基于动态重合闸时序的换相失败闭锁方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种基于动态重合闸时序的换相失败闭锁方法，其特征在于包括以下内容：

1)当受端电网交流系统发生故障时，记录交流故障时刻t₀；

2)判断该交流故障是否引发换相失败，如果没引发换相失败，无需闭锁直流；否则认为引发换相失败，进入步骤3)；

3)断路器断开并在重合闸整定时间T时进行自动重合闸操作，如果在时刻t＝t₀+T重合闸成功，表明该交流故障为瞬时性故障，换相失败在故障消失后会自行恢复，无需闭锁直流，否则认为该交流故障为永久性故障，进入步骤4)；

4)重合于永久性故障时，断路器重合不成功，随后再次跳开，等待一段时间t₁，判断在时刻t＝t₀+T+t₁时是否继续换相失败，如果在时刻t＝t₀+T+t₁换相失败已结束，表明换相失败在其他交流系统电压的支撑下已自行恢复，无需闭锁直流，否则，认为直流发生了持续换相失败，闭锁直流；其中，t₁表示考虑断路器完全跳开因素所需的时间裕度。

进一步地，对于单馈入或者多馈入地区中直流落点电气距离较远地区，断路器的自动重合闸时间T为：

T＝(t_p.2+t_QF2+t_u)-(t_p.1+t_QF1)

式中，t_p.1表示本侧保护I段的动作时间，t_p.2表示对侧II段保护的动作时间，t_QF1、t_QF2为两侧断路器的动作时间，t_u表示断路器、故障点的灭弧时间。

进一步地，对于除去直流落点电气距离较远地区的其它多馈入密集直流地区，断路器的自动重合闸时间T＝max(T₁、T₂)，其中，

T₁＝(t_p.2+t_QF2+t_u)-(t_p.1+t_QF1)

式中，t_p.1表示本侧保护I段的动作时间，t_p.2表示对侧II段保护的动作时间，t_QF1、t_QF2为两侧断路器的动作时间，t_u表示断路器、故障点的灭弧时间；

T₂＝0.625N-0.125

式中，N表示电网馈入特高压直流条数。

进一步地，判断交流故障是否引发换相失败基于熄弧角，将受端电网交流系统实际弧角r与系统设定的最小熄弧角r_min进行比较，如果r<r_min,则表示引发换相失败，否则没有引发换相失败。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明与动态自动重合闸时序相配合，为换相失败导致直流闭锁的整定时间提供了合理的理论依据。2、本发明与重合闸时间相配合，保证了直流闭锁时间与重合闸时间相适应：对于单馈入或者多馈入电气距离较远地区，可以以较快速度闭锁直流；对于密集多馈入地区，通过与较长的重合闸时间相配合，避免了交直流系统在较短时间内如重合于永久性故障时系统再次遭受冲击的发生，最大程度降低了多直流同时换相失败的概率。综上，本发明不仅充分发挥了直流系统自身控制的作用以保证换相失败的自行恢复，同时也实现了在持续性换相失败时可靠闭锁直流的目的。

附图说明

图1是现有技术中方法2的功率跌落示意图；

图2是现有技术中的交直流系统结构示意图；

图3是交流故障时重合闸动作时序图；

图4是重合于瞬时性故障时换相失败变化曲线示意图；

图5是重合于永久性故障换相失败变化曲线示意图；

图6是本发明的基于动态重合闸时序的换相失败闭锁方法流程图；

图7是本发明的动态重合闸时序曲线示意图；

图8本发明实施例中的华北电网网架结构图。

具体实施方式

以下结合附图来对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。

现有的高压交流系统中，一般都装有自动重合闸装置。同时为了实现只跳开故障相的目的，都具有单相重合闸功能，单相故障时只跳故障相；如果重合于瞬时性故障，则重合成功；如果是永久性故障，则跳开三相断路器，并不再重合。如图2所示，其中B_m、B_n分别表示线路两侧的断路器，F表示在线路T上发生故障，E_m、E_n表示两受端交流系统，断路器都具有自动重合闸功能。

如图3所示，当断路器重合于永久性故障时，线路两侧断路器跳开三相，且不再重合；当故障为瞬时性故障时，故障消失，断路器重合闸成功。如图4所示，通过熄弧角变化曲线来表征断路器重合于瞬时性故障时换相失败的动态变化过程：当熄弧角为0°时表示发生了换相失败故障(最小熄弧角设置为0°)，否则表示换相失败恢复。通过图4可以看出，虽然故障开始后(0.5s)换相失败立即发生，并且在0.6823s再次发生换相失败故障，但是随着瞬时性故障的消失(故障持续了0.2s)，换相失败在重合闸(1.1s)之前就已经恢复，显然在瞬时性故障时不需要将直流系统闭锁，换相失败可自行恢复。如图5所示，此曲线表明断路器重合于永久性故障时换相失败的动态变化过程。通过图5可以看出，断路器重合闸时由于故障仍然存在，所以再次引发了换相失败。由于断路器重合于永久性故障，所以断路器立刻跳开三相，且不再重合。但是此时逆变器在系统E_m的支撑下，换相失败仍存在自行恢复的可能。

结合图3～5可以分析得出，无论是永久性还是瞬时性故障，当断路器完成自动重合闸后，无论是否重合成功，换相失败都存在恢复的可能。因此，由换相失败引起的直流闭锁逻辑需要与自动重合闸时序相配合：在重合闸之前充分利用直流控制本身恢复换相失败，重合闸之后如果仍然存在换相失败，则表明该换相失败为持续性换相失败，需要将直流闭锁。为了防止重合于永久性故障时，系统在较短时间内再次造成冲击下可能诱发多直流同时换相失败的可能，为此本发明提出一种与动态自动重合闸时间相配合的方法，如图6所示，本发明包括以下步骤：

1、当受端电网交流系统发生故障时，记录交流故障时刻t₀。

2、判断该交流故障是否引发换相失败(CF)，如果没引发换相失败，无需闭锁直流，否则认为引发换相失败，进入步骤3，其中，判断交流故障是否引发换相失败可以根据实际需要采用各种现有方法进行判断，在此不做限定，本发明判断交流故障是否会引发换相失败是基于熄弧角，将受端电网交流系统实际熄弧角r与系统设定的最小熄弧角r_min进行比较，如果r<r_min,则表示引发换相失败，否则没有引发换相失败。

3、断路器断开并在重合闸整定时间T时进行自动重合闸操作，如果在时刻t＝t₀+T重合闸成功，表明该交流故障为瞬时性故障，换相失败在故障消失后会自行恢复，无需闭锁直流，否则认为该交流故障为永久性故障，进入步骤4。

4、重合于永久性故障时，断路器重合不成功，随后再次跳开。等待一段时间t₁，判断在时刻t＝t₀+T+t₁时是否继续换相失败，如果在时刻t＝t₀+T+t₁换相失败已结束，表明换相失败在其他交流系统电压的支撑下已自行恢复，无需闭锁直流，否则，认为直流发生了持续换相失败，闭锁直流；其中，t₁表示考虑断路器完全跳开等因素所需时间裕度，本发明中t₁可以取为0.1s，以此为例，不限于此，可以根据实际需要进行选择，目的是防止误将直流闭锁。

目前断路器的自动重合闸时间T为：

T＝(t_p.2+t_QF2+t_u)-(t_p.1+t_QF1) (1)

式中，t_p.1表示本侧保护I段的动作时间(如图2所示，如果认为M为本侧，则t_p.1表示M侧保护I段动作时间，下同)；t_p.2表示对侧II段保护的动作时间；t_QF1、t_QF2为两侧断路器的动作时间；t_u表示断路器、故障点的灭弧时间。

但是对于断路器自动重合闸而言，如果断路器重合于永久性故障，系统短时间再次受到冲击，很可能导致多回直流同时换相失败，因此还需要一种新的自动重合闸整定方法，以适当延长重合闸时间，避免交直流系统在短时间内受到冲击。目前华东电网馈入特高压直流为5条(复奉直流、锦苏直流、宾金直流、宁绍直流、蒙潥直流)，是世界上直流馈入最密集的地区，则可取N的最大值为5，此时对应的重合闸时间T₁可取3s，3s是由非全相运行电网所能承受的最长时间(综合考虑发电机承受负序电流的能力、变压器零序保护动作时限及并联电抗器中性点小电抗器过电流能力等)。对于单馈入地区N＝1，断路器的自动重合闸时间T₁最小值为0.5s，基于此得到了如图7所示为断路器自动重合闸时间T₁与电网馈入特高压直流条数N之间的关系曲线图，即得到自动重合闸时间整定值T₁与电网馈入特高压直流条数N的关系式：

T₁＝0.625N-0.125 (2)

对于单馈入或者多馈入地区中直流落点电气距离较远地区，按照式(1)确定断路器的自动重合闸整定值，其中，本发明所说的多馈入地区中直流落点电气距离较远地区是指虽然是多直流馈入地区，但是单独一条直流并不能引起其他直流同时换相失败。

对于其它多馈入密集直流地区，断路器的自动重合闸整定值T₂选取式(1)、(2)其中的最大值，即T₂＝max(T、T₁)确定断路器的自动重合闸整定值。式(2)表明了自动合闸时间会随着不同的特高压直流馈入数的不同而发生改变，实现了动态重合闸时间整定。

断路器自动重合闸整定时间值采用上述取值方法，实现了直流闭锁时间与重合闸时间配合的目的：对于密集多馈入直流地区，由于重合闸时间T₂值相对较大，则降低了重合于永久性故障时，系统在较短时间内再次遭到冲击导致多直流同时换相失败的概率；对于单直流或者虽然是多直流，但是电气距离较远地区，仍然采用式(1)计算的重合闸时间。

下面以华北电网中山东地区为具体实施例详细说明本发明的基于动态重合闸时序的换相失败闭锁方法的具体过程。

1、华北电网包括蒙西电网、京津唐电网、山西电网、河北电网以及山东电网，如图8所示。通过图8可以看出，华北电网是大受大送端：既对外送出直流，也同时接受外部直流。其中，山东是最为密集馈入地区，一共有3条直流馈入，其中，扎青直流、上临直流为特高压直流，因此取N＝2。

2、通过式(1)确定，目前山东电网的自动重合闸时间整定值为T＝1s，根据式(2)可得，此时T₁＝1.125s，因此取T₂＝max(T,T₁)＝1.125s。

3、假定山东受端电网系统在t₀＝0s发生故障，根据熄弧角判别是否发生换相失败故障。如没发生，则表示交流故障不严重，无需闭锁直流；如发生换相失败，则检测时间t＝1.125s时是否重合成功：如成功，表明此故障为瞬时性故障，换相失败在故障消失后会自行恢复，无需闭锁直流；如不成功，表示此故障为永久性故障，重合不成功，断路器再次跳开；检测在t＝1.225s时换相失败是否仍然存在，如果不是，表明换相失败在其他交流系统电压的支撑下已自行恢复，否则认为直流发生了持续性换相失败，需要将直流可靠闭锁。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。