本發明涉及一種基于動態重合閘時序的換相失敗閉鎖方法，涉及電力系統技術領域。

背景技術：

十三五期間，隨著特高壓交直流電網的快速發展，我國電網“強直弱交”矛盾突出，電網的運行特性發生了深刻變化，主要體現在三個方面：(1)故障對系統的沖擊全局化，電網運行安全風險增大；(2)電源結構發生深刻變化，電網調節能力嚴重下降；(3)電力電子化特征凸顯，電網穩定形態更加復雜。電網運行特征使得交流系統微小擾動就會引起整個特高壓交直流電網安全穩定問題，特別是交流故障引發換相失敗，進而導致直流閉鎖是影響特高壓交直流電網穩定運行的最大問題。持續性換相失敗會不斷對電網產生沖擊，同時對電力電子器件產生不利影響；同時持續性換相失敗導致直流閉鎖后容易誘發受端低頻、送端高壓等連鎖故障。因此，當直流換相失敗發生時，既不要盲目閉鎖直流，也不能任由換相失敗持續性發展，需要尋找一種合理的直流閉鎖方法。

現階段換相失敗導致直流閉鎖主要有兩種方法：直流100Hz保護(方法1)以及基于N次功率跌落的閉鎖方法(方法2)。方法1主要利用了換相失敗時逆變側直流電流會出現大量的100Hz分量的特征。方法1有I、II段保護，其具體措施如表1所示。

表1直流100Hz直流閉鎖方法

方法1的主要特點為：I段保護采取降低直流電流整定值的方法來避免換相失敗的目的。該段保護的存在雖然很好的保證了不會盲目閉鎖直流的目的，但是由于直流控制本身存在低壓限流的環節，該環節一般僅需10ms即可降低直流電流的整定值，因此方法1中I段存在不起作用的可能；II段根據不同的直流工程設置了不同的整定時間，總體上II段的整定時間缺乏合理的理論證明。

方法2主要利用了換相失敗期間功率跌落的特點進行直流閉鎖，如圖1所示。研究發現，換相失敗期間每次功率跌落大約為200ms左右，當累計跌落N次時就閉鎖直流。N的取值影響因素較多，如受端系統強度、送端特別是含新能源送端的承受過電壓能力等。現階段除了利用仿真確定N的取值外，很難對N的取值進行定量的說明。同時，隨著新能源本身承受低/過電壓穿越能力的提升，如何避免多饋入直流受端同時發生換相失敗成為直流閉鎖的主要考慮因素。因此，迫切需要尋找一種合適的直流閉鎖方法。

技術實現要素：

針對上述問題，本發明的目的是提供一種與自動重合閘時序相配合的基于動態重合閘時序的換相失敗閉鎖方法。

為實現上述目的，本發明采取以下技術方案：一種基于動態重合閘時序的換相失敗閉鎖方法，其特征在于包括以下內容：

1)當受端電網交流系統發生故障時，記錄交流故障時刻t₀；

2)判斷該交流故障是否引發換相失敗，如果沒引發換相失敗，無需閉鎖直流；否則認為引發換相失敗，進入步驟3)；

3)斷路器斷開并在重合閘整定時間T時進行自動重合閘操作，如果在時刻t＝t₀+T重合閘成功，表明該交流故障為瞬時性故障，換相失敗在故障消失后會自行恢復，無需閉鎖直流，否則認為該交流故障為永久性故障，進入步驟4)；

4)重合于永久性故障時，斷路器重合不成功，隨后再次跳開，等待一段時間t₁，判斷在時刻t＝t₀+T+t₁時是否繼續換相失敗，如果在時刻t＝t₀+T+t₁換相失敗已結束，表明換相失敗在其他交流系統電壓的支撐下已自行恢復，無需閉鎖直流，否則，認為直流發生了持續換相失敗，閉鎖直流；其中，t₁表示考慮斷路器完全跳開因素所需的時間裕度。

進一步地，對于單饋入或者多饋入地區中直流落點電氣距離較遠地區，斷路器的自動重合閘時間T為：

T＝(t_p.2+t_QF2+t_u)-(t_p.1+t_QF1)

式中，t_p.1表示本側保護I段的動作時間，t_p.2表示對側II段保護的動作時間，t_QF1、t_QF2為兩側斷路器的動作時間，t_u表示斷路器、故障點的滅弧時間。

進一步地，對于除去直流落點電氣距離較遠地區的其它多饋入密集直流地區，斷路器的自動重合閘時間T＝max(T₁、T₂)，其中，

T₁＝(t_p.2+t_QF2+t_u)-(t_p.1+t_QF1)

式中，t_p.1表示本側保護I段的動作時間，t_p.2表示對側II段保護的動作時間，t_QF1、t_QF2為兩側斷路器的動作時間，t_u表示斷路器、故障點的滅弧時間；

T₂＝0.625N-0.125

式中，N表示電網饋入特高壓直流條數。

進一步地，判斷交流故障是否引發換相失敗基于熄弧角，將受端電網交流系統實際弧角r與系統設定的最小熄弧角r_min進行比較，如果r<r_min,則表示引發換相失敗，否則沒有引發換相失敗。

本發明由于采取以上技術方案，其具有以下優點：1、本發明與動態自動重合閘時序相配合，為換相失敗導致直流閉鎖的整定時間提供了合理的理論依據。2、本發明與重合閘時間相配合，保證了直流閉鎖時間與重合閘時間相適應：對于單饋入或者多饋入電氣距離較遠地區，可以以較快速度閉鎖直流；對于密集多饋入地區，通過與較長的重合閘時間相配合，避免了交直流系統在較短時間內如重合于永久性故障時系統再次遭受沖擊的發生，最大程度降低了多直流同時換相失敗的概率。綜上，本發明不僅充分發揮了直流系統自身控制的作用以保證換相失敗的自行恢復，同時也實現了在持續性換相失敗時可靠閉鎖直流的目的。

附圖說明

圖1是現有技術中方法2的功率跌落示意圖；

圖2是現有技術中的交直流系統結構示意圖；

圖3是交流故障時重合閘動作時序圖；

圖4是重合于瞬時性故障時換相失敗變化曲線示意圖；

圖5是重合于永久性故障換相失敗變化曲線示意圖；

圖6是本發明的基于動態重合閘時序的換相失敗閉鎖方法流程圖；

圖7是本發明的動態重合閘時序曲線示意圖；

圖8本發明實施例中的華北電網網架結構圖。

具體實施方式

以下結合附圖來對本發明進行詳細的描繪。然而應當理解，附圖的提供僅為了更好地理解本發明，它們不應該理解成對本發明的限制。

現有的高壓交流系統中，一般都裝有自動重合閘裝置。同時為了實現只跳開故障相的目的，都具有單相重合閘功能，單相故障時只跳故障相；如果重合于瞬時性故障，則重合成功；如果是永久性故障，則跳開三相斷路器，并不再重合。如圖2所示，其中B_m、B_n分別表示線路兩側的斷路器，F表示在線路T上發生故障，E_m、E_n表示兩受端交流系統，斷路器都具有自動重合閘功能。

如圖3所示，當斷路器重合于永久性故障時，線路兩側斷路器跳開三相，且不再重合；當故障為瞬時性故障時，故障消失，斷路器重合閘成功。如圖4所示，通過熄弧角變化曲線來表征斷路器重合于瞬時性故障時換相失敗的動態變化過程：當熄弧角為0°時表示發生了換相失敗故障(最小熄弧角設置為0°)，否則表示換相失敗恢復。通過圖4可以看出，雖然故障開始后(0.5s)換相失敗立即發生，并且在0.6823s再次發生換相失敗故障，但是隨著瞬時性故障的消失(故障持續了0.2s)，換相失敗在重合閘(1.1s)之前就已經恢復，顯然在瞬時性故障時不需要將直流系統閉鎖，換相失敗可自行恢復。如圖5所示，此曲線表明斷路器重合于永久性故障時換相失敗的動態變化過程。通過圖5可以看出，斷路器重合閘時由于故障仍然存在，所以再次引發了換相失敗。由于斷路器重合于永久性故障，所以斷路器立刻跳開三相，且不再重合。但是此時逆變器在系統E_m的支撐下，換相失敗仍存在自行恢復的可能。

結合圖3～5可以分析得出，無論是永久性還是瞬時性故障，當斷路器完成自動重合閘后，無論是否重合成功，換相失敗都存在恢復的可能。因此，由換相失敗引起的直流閉鎖邏輯需要與自動重合閘時序相配合：在重合閘之前充分利用直流控制本身恢復換相失敗，重合閘之后如果仍然存在換相失敗，則表明該換相失敗為持續性換相失敗，需要將直流閉鎖。為了防止重合于永久性故障時，系統在較短時間內再次造成沖擊下可能誘發多直流同時換相失敗的可能，為此本發明提出一種與動態自動重合閘時間相配合的方法，如圖6所示，本發明包括以下步驟：

1、當受端電網交流系統發生故障時，記錄交流故障時刻t₀。

2、判斷該交流故障是否引發換相失敗(CF)，如果沒引發換相失敗，無需閉鎖直流，否則認為引發換相失敗，進入步驟3，其中，判斷交流故障是否引發換相失敗可以根據實際需要采用各種現有方法進行判斷，在此不做限定，本發明判斷交流故障是否會引發換相失敗是基于熄弧角，將受端電網交流系統實際熄弧角r與系統設定的最小熄弧角r_min進行比較，如果r<r_min,則表示引發換相失敗，否則沒有引發換相失敗。

3、斷路器斷開并在重合閘整定時間T時進行自動重合閘操作，如果在時刻t＝t₀+T重合閘成功，表明該交流故障為瞬時性故障，換相失敗在故障消失后會自行恢復，無需閉鎖直流，否則認為該交流故障為永久性故障，進入步驟4。

4、重合于永久性故障時，斷路器重合不成功，隨后再次跳開。等待一段時間t₁，判斷在時刻t＝t₀+T+t₁時是否繼續換相失敗，如果在時刻t＝t₀+T+t₁換相失敗已結束，表明換相失敗在其他交流系統電壓的支撐下已自行恢復，無需閉鎖直流，否則，認為直流發生了持續換相失敗，閉鎖直流；其中，t₁表示考慮斷路器完全跳開等因素所需時間裕度，本發明中t₁可以取為0.1s，以此為例，不限于此，可以根據實際需要進行選擇，目的是防止誤將直流閉鎖。

目前斷路器的自動重合閘時間T為：

T＝(t_p.2+t_QF2+t_u)-(t_p.1+t_QF1) (1)

式中，t_p.1表示本側保護I段的動作時間(如圖2所示，如果認為M為本側，則t_p.1表示M側保護I段動作時間，下同)；t_p.2表示對側II段保護的動作時間；t_QF1、t_QF2為兩側斷路器的動作時間；t_u表示斷路器、故障點的滅弧時間。

但是對于斷路器自動重合閘而言，如果斷路器重合于永久性故障，系統短時間再次受到沖擊，很可能導致多回直流同時換相失敗，因此還需要一種新的自動重合閘整定方法，以適當延長重合閘時間，避免交直流系統在短時間內受到沖擊。目前華東電網饋入特高壓直流為5條(復奉直流、錦蘇直流、賓金直流、寧紹直流、蒙潥直流)，是世界上直流饋入最密集的地區，則可取N的最大值為5，此時對應的重合閘時間T₁可取3s，3s是由非全相運行電網所能承受的最長時間(綜合考慮發電機承受負序電流的能力、變壓器零序保護動作時限及并聯電抗器中性點小電抗器過電流能力等)。對于單饋入地區N＝1，斷路器的自動重合閘時間T₁最小值為0.5s，基于此得到了如圖7所示為斷路器自動重合閘時間T₁與電網饋入特高壓直流條數N之間的關系曲線圖，即得到自動重合閘時間整定值T₁與電網饋入特高壓直流條數N的關系式：

T₁＝0.625N-0.125 (2)

對于單饋入或者多饋入地區中直流落點電氣距離較遠地區，按照式(1)確定斷路器的自動重合閘整定值，其中，本發明所說的多饋入地區中直流落點電氣距離較遠地區是指雖然是多直流饋入地區，但是單獨一條直流并不能引起其他直流同時換相失敗。

對于其它多饋入密集直流地區，斷路器的自動重合閘整定值T₂選取式(1)、(2)其中的最大值，即T₂＝max(T、T₁)確定斷路器的自動重合閘整定值。式(2)表明了自動合閘時間會隨著不同的特高壓直流饋入數的不同而發生改變，實現了動態重合閘時間整定。

斷路器自動重合閘整定時間值采用上述取值方法，實現了直流閉鎖時間與重合閘時間配合的目的：對于密集多饋入直流地區，由于重合閘時間T₂值相對較大，則降低了重合于永久性故障時，系統在較短時間內再次遭到沖擊導致多直流同時換相失敗的概率；對于單直流或者雖然是多直流，但是電氣距離較遠地區，仍然采用式(1)計算的重合閘時間。

下面以華北電網中山東地區為具體實施例詳細說明本發明的基于動態重合閘時序的換相失敗閉鎖方法的具體過程。

1、華北電網包括蒙西電網、京津唐電網、山西電網、河北電網以及山東電網，如圖8所示。通過圖8可以看出，華北電網是大受大送端：既對外送出直流，也同時接受外部直流。其中，山東是最為密集饋入地區，一共有3條直流饋入，其中，扎青直流、上臨直流為特高壓直流，因此取N＝2。

2、通過式(1)確定，目前山東電網的自動重合閘時間整定值為T＝1s，根據式(2)可得，此時T₁＝1.125s，因此取T₂＝max(T,T₁)＝1.125s。

3、假定山東受端電網系統在t₀＝0s發生故障，根據熄弧角判別是否發生換相失敗故障。如沒發生，則表示交流故障不嚴重，無需閉鎖直流；如發生換相失敗，則檢測時間t＝1.125s時是否重合成功：如成功，表明此故障為瞬時性故障，換相失敗在故障消失后會自行恢復，無需閉鎖直流；如不成功，表示此故障為永久性故障，重合不成功，斷路器再次跳開；檢測在t＝1.225s時換相失敗是否仍然存在，如果不是，表明換相失敗在其他交流系統電壓的支撐下已自行恢復，否則認為直流發生了持續性換相失敗，需要將直流可靠閉鎖。

上述各實施例僅用于說明本發明，其中各部件的結構、連接方式和制作工藝等都是可以有所變化的，凡是在本發明技術方案的基礎上進行的等同變換和改進，均不應排除在本發明的保護范圍之外。