一种实现带并联电抗器输电线路的自适应重合闸方法与流程

本发明属于电力系统继电保护的自动化技术领域，特别涉及一种实现带并联电抗器输电线路的自适应重合闸方法。

背景技术：

在现代的电力系统中，超/特高压输电线路发生的故障，多于90％的故障类型为单相接地短路，其中瞬时故障所占的比例又大于80％。近些年来，单相自适应重合闸技术方面的研究取得了较大进展。输电线路自适应重合闸这一研究方向由中国学者葛耀中教授于20世纪80年代提出，此后国内外学者对此展开了一系列研究，研究的核心内容是瞬时性与永久性故障判别。

目前，关于瞬时性与永久性故障判别原理的研究主要分为以下两类：基于恢复电压和基于瞬时性故障的电弧特性。对于带并联电抗器的线路，由于恢复电压较低，不便于故障检测，因此有关的研究较少。以上研究均针对纯交流系统，并未对交直流互联系统进行研究分析，未充分考虑直流馈入交流电网的电流变化特征以及交直流互联不同拓扑情况下的故障特征。

鉴于此，本发明提出一种带并联电抗器输电线路的自适应重合闸系统及其方法。首先，通过波形叠加法分别建立了不同类型换相失败情况下的开关函数模型。然后，对双端带并联电抗器的线路进行分析，分别建立了线路上发生瞬时故障和永久故障时的等值电路。通过求解并对比两种故障情形下的故障相电流提出了区分永久性与瞬时性故障的方法，从而提出新的自适应重合闸方法。最后，通过仿真验证了所提结论的正确性及方法的有效性，提出的方法能准确判别瞬时及永久故障，实现带并联电抗器线路的自适应重合闸。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种实现带并联电抗器输电线路的自适应重合闸方法，所述实现带并联电抗器输电线路的自适应重合闸的流程图包括顺序相连的信息采集模块、电流计算模块、电流比较模块和重合闸命令输出模块；信息采集模块用于采集带并联电抗器线路两端的电压、电流、通过与并联电抗器相连的电抗器电流及线路结构参数信息；并将采集数据发送至电流计算模块，电流计算模块计算不同换相失败情形下的故障相的计算电流，电流比较模块将计算电流与实际测量电流进行比较，从而判定发生故障类型，重合闸命令输出模块发出

所述的重合闸命令输出模块用于根据电流比较模块判断的故障类型输出重合闸命令，其特征在于，所述带并联电抗器输电线路发生故障分为永久性故障和瞬时故障，实际上在发生永久性故障和瞬时故障时的故障相电流回路有区别，其电流也将存在差异；由以上分析可知，如果输电线路发生的是瞬时故障，利用线路各相元件上测得的电流量，能够在线计算出故障相上流过电抗器的电流iaxn，其中，iaxn为a相上流过电抗器的电流iaxn；当计算电流i′axn与所测电流iaxn的误差在idz浮动门槛的允许范围内时，则判别为瞬时故障；若差别大于上述范围，则判别为永久性故障；具体包括以下步骤：

步骤1：信息采集，

采集带并联电抗器线路两端的电压、电流、通过与并联电抗器相连的电抗器电流、线路结构参数等信息。

步骤2：计算故障相电流

利用信息采集模块采集到的信息计算不同换相失败情形下的故障相计算电流。

步骤3：就上述计算得到的电流与测量电流比较

在发生换相失败时，对交流侧的瞬时故障以及永久故障的电路结构没有影响，因此，根据该原理，线路发生瞬时故障时得到：

i′axn(t)-iaxn(t)＝0(8)

式(8)中时间t为故障点熄弧与重合闸重合之间的时段，若计及诸多误差因素，利用以下判据进行瞬时性故障的判断：

上式t1到t2的这段时间是实现判断所需要的数据窗长度；

idz采用浮动门槛，即上述计算电流i′axn与所测电流iaxn的误差范围；且有：

上式中的制动系数kdz＝0.6～0.7；

步骤4：重合闸命令输出

根据电流比较模块判断的故障类型输出重合闸命令，若为瞬时性故障则发出重合闸命令，若为永久性故障，则不发出重合闸命令。

所述步骤2计算故障相电流是根据下面公式(16)计算的，

上述式(16)是根据双端带并联电抗器线路π型等值电路，在式(9)中，n端流过故障相电抗器的电流测量值iaxn为已知量，因此，通过计算得到流过n端故障相的电抗器电流计算值i′axn与已知电流测量值iaxn比较，如果差值符合小于浮动门槛idz；即达到识别故障类型的目的。

本发明的有益效果是能够很好地区别出瞬时和永久性故障，并且具有较高的灵敏度，并且具有很高的准确度。

附图说明

图1是实现带并联电抗器输电线路的自适应重合闸流程图。

图2是实施方式中的三相电开关函数曲线图。

图3是实施方式中的v1-v3单次换相失败各换流阀导通曲线图。

图4是实施方式中的v4-v6和v5-v1连续换相失败各换流阀导通曲线图。

图5是实施方式中的v4-v6和v1-v3不连续换相失败各换流阀导通曲线图。

图6是实施方式中的瞬时故障a相电流示意图。

图7是实施方式中的永久故障a相电流示意图。

图8是实施方式中的线路π型等值电路。

图9是实施方式中的线路两端带并联电抗器的hvdc模型。

图10是实施方式中的单次换相失败后的开关函数曲线，其中(a)a相电流开关函数曲线，(b)b相电流开关函数曲线。(c)c相电流开关函数曲线。

图11是实施方式中的连续换相失败后的开关函数曲线，其中，(a)a相电流开关函数曲线，((b)b相电流开关函数曲线，c)c相电流开关函数曲线。

图12是实施方式中的连续换相失败后的直流与交流电流曲线，其中，(a)直流电流，(b)a相交流电流，(c)b相交流电流，(d)c相交流电流。

图13是实施方式中的连续换相失败后的瞬时与永久故障仿真与计算曲线，其中(a)瞬时故障，(b)永久故障。

图14是实施方式中的动作量与制动量曲线,其中(a)瞬时故障，(b)永久故障。

具体实施方式

本发明提供一种实现带并联电抗器输电线路的自适应重合闸方法，下面结合附图，对本发明作详细说明。

图1是实现带并联电抗器输电线路的自适应重合闸的流程图，包括顺序相连的信息采集模块、电流计算模块、电流比较模块和重合闸命令输出模块。

对于带并联电抗器输电线路，换相失败一般可分类成单次换相失败、连续换相失败和不连续换相失败。当发生单次换相失败时，由于换流站控制器的调节能力较强所以对系统的影响很小，然而在发生连续换相失败或者不连续换相失败时，系统已经不能通过控制方式的转换调节使系统恢复正常，因此会对直流系统产生很大的影响，更严重时可能造成直流闭锁，从而使得直流功率无法送出。首先，通过波形叠加法分别建立了不同类型换相失败情况下的开关函数模型。然后，对双端带并联电抗器的线路进行分析，分别建立了线路上发生瞬时故障和永久故障时的等值电路。通过求解并对比两种故障情形下的故障相电流，判别、区分永久性故障与瞬时性故障。

在对换流阀进行换相的研究中，一般十二脉动换流桥可分为两个六脉动换流桥的组合，故直接分析六脉动的换流桥，即可由公式(1)能得到三相电流开关函数的曲线图。正常状态下，当系统稳定运行时一个周波中的逆变侧三相电流开关函数曲线图如图2所示，开关函数值为0.5表示换相过程。

由分析可知开关函数工频分量可以表示为：

即可表示为一个换流阀上下两桥臂的值相减，所以只要分析换相失败过程中上下桥臂的开关状况即可得出每相的电流开关函数。分别表示a,b,c三相的电流开关函数工频分量，分别表示换流阀v1-v6的电流开关函数工频分量。

对阀v1-v3单次换相失败情况分析，假设在相应的t0-t1时间段换相结束后，原本应关断的阀v1由于交流侧故障导致的熄弧角过小而没有关断，在t1-t2时间段内，sv1＝1,sv4＝0.5。可以推出当阀v1-v3发生换相过程失败时的svb与svc的开关函数曲线，如图3所示。

由图3可知，对每个阀的换相曲线进行傅里叶分析并结合式(1)可得到发生单次换相失败时三相电流开关函数工频分量为：

式(2)中,μ′为换相角。由式(2)分析可知此时的交流侧等效工频直流量为：

式(3)中,μ′为换相角，t为开关函数的周期，c为直流线路电容值，zs为交流系统阻抗，zf为接地电阻，u0dc.inv为正常运行时的直流电压，i0dc为正常运行时的直流电流，ω3为角频率ω3≈ω0。由上式能得出发生单次换相失败后由直流侧流入交流侧的等效工频电流量，可知等效工频电流量与换相角μ′，换相失败前电流量i0dc，换相失败前电压量u0dc.inv以及接地电阻zf有关。

同理分析接连两次换相失败。接下来以v4-v6和v5-v1连续换相失败为例展开研究，如图4所示。

由图4可知，对每个阀的换相曲线进行傅里叶分析并结合式(1)可得到发生两次连续换相失败时三相电流开关函数工频量：

由分析可知此时的交流侧等效工频直流量为：

对不连续的两次换相失败进行分析。当v4-v6换相失败之后，即使之后的v5-v1能顺利换相，但换流器仍在不正常换相过程中，直流电流可能会持续变大直到之后的v1-v3换相失败。接下来以v4-v6和v1-v3不连续换相失败进行研究，如图5所示。

由图5可知，对每个阀的换相曲线进行傅里叶分析并结合式(1)可得到发生不连续的两次换相失败时三相电流开关函数工频量为：

由分析可知此时的交流侧等效工频直流量为：

经过以上分析可知，在任意类型换相失败情形下，分析开关函数的影响时都可先对每个换流阀的开断进行分析，从而得出阀的换流图，再进行傅里叶分解叠加得到最终的开关函数，最后通过代入到交直流等效变换的式子中得到交流侧等效工频电流量。

在超高压大容量电力的传输过程中，输电线路上一般会安装一定比例的并联电抗器，达到限制潜供电流的目的。但由于并联电抗器上小电抗会对线路产生补偿作用，使得正常相在故障点的耦合电压变小，导致基于拍频特性的电压判据基本不能应用。而传统的基于电流的判别方法由于受到系统发生换相失败时产生的谐波影响会出现很大的误差。提出一种可用于高压线路上双端带并联电抗器情况下发生换相失败时的瞬时性故障识别方法。

大多数超/特高压线路采用双端带并联电抗器的方式，因此以双端带并联电抗器线路为例来说明基本的识别方法。图6所示为瞬时故障模型，此时故障消失，一次电弧阶段已结束且电弧不再重燃，线路处于电压恢复阶段且重合闸尚未动作。永久性故障模型如图7所示，此时故障点不会消失且故障相线路处于断开状态，系统运行在缺相模式下。

在图6和图7中，m、n两端都配有并联电抗器，配有自适应重合闸，a相为故障相。在图6和图7中，in表示n端中性点小电抗器通过的电流，im表示m端中性点小电抗器通过的电流，iaxn表示n端a相并联电抗器通过的电流，iaxm表示m端a相并联电抗器通过的电流，c0为整段线路的等效对地电容，ln1为n端并联电抗器，ln0为中性点小电抗器，lm1为m端并联电抗器、lm0为中性点小电抗器，ib、ic为流过健全线的电流，ibn、icn为n端测量装置在健全相保护安装测点处测得的电流。

瞬时性故障判据：

在线路发生永久性故障情况下，电流首先经过a相两侧的对地电容、并联电抗器再经过并联电抗器处小电抗器最后通过故障点的过渡电阻流回构成通路。当线路发生瞬时故障时，电流首先经过a相一侧的并联电抗器和对地电容再经过并联电抗器处小电抗器最后由另一侧的并联电抗器处小电抗器和并联电抗器以及对地电容流回构成回路。由此可知，线路发生永久性故障和瞬时故障时的故障相电流回路有很大的区别，其电流也将存在差异。由以上分析可知，如果输电线路发生的是瞬时性故障，按照图6所示的瞬时性故障模型，利用线路元件上测得的电流量，可在线计算出故障相上流过电抗器的电流iaxn，当计算电流i′axn与所测电流iaxn在误差允许范围内差别不大时，则判别为瞬时故障。若差别很大，则判别为永久性故障。因此，根据该原理，线路发生瞬时故障时可得到：

i′axn(t)-iaxn(t)＝0(8)

式(8)中时间t为故障点熄弧与重合闸重合之间的时段。若计及诸多误差因素，可利用以下判据进行瞬时性故障的判断：

上式t1到t2的这段时间是实现判断所需要的数据窗长度。

idz采用浮动门槛，且有：

上式中的制动系数kdz＝0.6～0.7。

在式(9)中，n端流过故障相电抗器的电流测量值iaxn为已知量。因此，通过计算得到流过n端故障相的电抗器电流计算值i′axn，即可达到识别故障类型的目的。

双端带并联电抗器故障电流计算：

为计算出n端故障相电抗器的电流计算值i′axn，需要对模型作进一步的细化分析，考虑到线路的电容和电抗，作出图6中mn段高压线路的π型等值电路图，如图8所示。

在π型等值电路模型中将电容分配到线路的双端，忽略线路的自阻，线路的自感为ls、互感为lm，对地电容为c0，互感电容为cm，输电线路长为l。将图8代入图6中的mn线路后可得，在瞬时故障后有：

i′axn＝i2+i3+i5+i6-i1-i4-iaxm(11)

其中iaxm可以表示为：

式(12)中令而uam由图8可知为：

由图8可知有：

将式(12)～(15)代入到式(11)并简化整理可得下式：

由于并联电抗器的存在,可知当断路器跳开之后未发生故障的相在故障相上的感应电压较低，因此在计算ubm、ucm、ib、ic时未考虑故障相电压、电流对其的影响；而在计算uam时忽略了耦合电流在线路上的损耗，将故障相线路两端的电压视为相同，同时也是为了降低微分方程阶数。

由式(16)可知，在本端健全相电流ibn、icn，健全相电压ubn、ucn，通过电抗器的电流ibxn、icxn以及通过与并联电抗器相连的电抗器电流in已知的情况下，流过故障相电抗器的电流i′axn可以根据它们计算出来。然后将计算得到的电流i′axn与实测电流iaxn代入式(9)即可得知故障是永久性还是瞬时性。

发生换相失败时，可以求得交流侧的故障相以及非故障相的电流，而发生换相失败对交流侧的瞬时故障以及永久故障的电路结构没有影响，因此可以直接将不同换相失败的电流代入到式(16)中取代ib+ic的值，即可得出在不同换相失败条件下的计算电流i′axn，从而判断出故障是否为瞬时性故障，当为瞬时性故障时启动重合装置进行重合闸。

基于pscad/emtdc建立如图9所示的直流系统模型。此模型在cigre的hvdc常用模型基础上增加一个直流回路构成12脉动的换流站,受端交流系统短路容量scr＝3.6，线路mn全长30km，线路参数为：r1＝0.025e^-3(ω/m)，l1＝0.8126e^-3(mh/m)，r0＝0.075e^-3(ω/m)，l0＝2.6345e^-3(mh/m)，c1＝0.014e^-3(μf/m)，c0＝0.0089e^-3(μf/m)。电抗器参数为：lm1＝5.4695h，lm0＝1.2613h，ln1＝5.4695h，ln0＝1.2613h。采样频率为5000hz，所有故障均发生在2s。

由于式(16)是通过对瞬时性故障的电路模型进行研究获得的，而对于永久性故障式(16)不成立，因此在发生瞬时故障时式(9)应成立，即瞬时故障时计算值和实测值在误差允许范围内相等，而在永久性故障情况下差异很大。

调整接地电阻的大小使换向器发生单次换相失败，在matlab软件中编写开关函数模型程序。在编程模型时，在开始发生换相失败时通过公式(2)修改开关函数，获得图10所示的电流开关函数曲线。仿真中在2.006s时发生单次换相失败故障，由图10中(a)a相电流开关函数曲线，(b)b相电流开关函数曲线，(c)c相电流开关函数曲线可知，此时发生了b-c换相失败。

由图10能得到，利用matlab基于式(2)编写程序得到的电流开关函数曲线与仿真中发生单次换相失败后电流开关函数的曲线变化特点相一致。说明开关函数与理论相符，能够很好地表示系统产生单次换相失败后的阀开关状态。

在模型中设置逆变侧交流线路单相接地故障，故障发生在2.006s，故障持续时间是0.2s，通过设置故障持续时间使得系统发生连续换相失败。本算例的判别依据为熄弧角γ的大小。假设晶闸管承受反向电压从而恢复阻断能力的最小熄弧角为γmin，当换流器实际熄弧角小于最小熄弧角时判别为发生了换相失败。在系统运行到2.0064s时，测出实际熄弧角小于7°，判别系统发生了连续换相失败，对开关函数进行计算仿真，所得的电流开关函数由图11表示。

由图11中电流开关函数曲线图中(a)a相电流开关函数曲线，(b)b相电流开关函数曲线，(c)c相电流开关函数曲线可知，建立的发生连续换相失败时的开关函数模型，与实际的开关函数有一定的区别。为了验证推导出的连续换相失败开关函数模型，对式(5)进行编程仿真，得到的结果与模型中的交流电流仿真结果比较如图12所示。

由图12中(a)直流电流，(b)a相交流电流，(c)b相交流电流，(d)c相交流电流可以看出，在发生单相故障时间段内，建立模型的直流电流及三相交流电流的计算结果都与pscad的仿真结果基本相同，与连续换相失败后交直流改变特性吻合。可知推导得到的开关函数模型能贴切地表达实际的情形。

对连续换相失败情况下的带双端并联电抗器线路进行瞬时性故障和永久性故障仿真模拟，在mn中点处设置故障，用式(16)计算所得的故障相电抗器电流和实测电流进行比较，结果如图13所示。

由图13中(a)瞬时故障，(b)永久故障可以看出，当发生瞬时故障时，计算值和仿真值基本相同，而当发生永久性故障时，计算值和仿真值的差别较大。因此，根据计算值与仿真值之间差值即可判断出故障是瞬时性还是永久故障。

为了验证判据的准确性，图14计算出了图13所对应的动作量(用虚线表示)与制动量(用实线表示)。判据式(9)中采样的数据窗为0.3s，除去判据数据窗的响应时间后，在图14的仿真结果中，判据的时间范围为1.65～1.95s。在此仿真中，设制动系数kdz＝0.65。

通过仿真图14中(a)瞬时故障，(b)永久故障可以看出，带双端电抗器的输电线路，在发生连续换相失败情况下的瞬时故障时，制动量大于动作量；在发生连续换相失败情况下的永久性故障时，制动量小于动作量。从图14中还可以看出，式(9)的判据能够很好的区别出瞬时和永久性故障，而且具有较高的灵敏度。