一种确定单相短路导致换相失败区域的方法

摘要

本发明提出了一种确定单相短路导致换相失败区域的方法。特别是一种基于正负零序阻抗矩阵确定单相短路导致的换相失败区域的方法。本发明通过计算电力系统中待研究的变电站的正负零序自阻抗和变电站与各逆变站之间的正负零序互阻抗，计算正负零序互阻抗的和与正负零序自阻抗的和的比值，根据求得的比值判断该变电站发生单相短路是否可能引起直流逆变站发生换相失败；通过对所有待研究的变电站和所有逆变站的扫描，得到可能引起多回直流换相失败的单相短路故障区域，为研究交流系统单相短路故障对直流系统的影响和电网运行方式的安排提供参考。

权利要求

1.一种确定单相短路导致换相失败区域的方法，其特征在于包括以下步骤：

1)以交直流电网为研究对象，确定待研究的直流逆变站和可能因为交流系统故障引起直流换相失败的变电站，其中，待研究的变电站有M处，直流逆变站有N处；

2)计算待研究的交直流电网的正负零序阻抗矩阵，包括正序阻抗矩阵Z1、负序阻抗矩阵Z2和零序阻抗矩阵Z0；

3)根据正负零序阻抗矩阵，计算第i个待研究的变电站的正负零序自阻抗的和Zii，i＝

1，2，…M；

4)根据正负零序阻抗矩阵，计算第j个逆变站和第i个变电站之间的正负零序互阻抗的和Zij，j＝1，2，…N；

5)计算正负零序互阻抗的和与正负零序自阻抗的和的比值kij，根据比值kij的大小，判断第i个变电站发生单相短路故障是否可能引起第j个逆变站发生换相失败；

6)重复步骤4)、步骤5)，直至j＝N，记录变电站i处发生单相短路可能引起换相失败的逆变站个数为Li；

7)重复步骤3)、步骤4)、步骤5)、步骤6)，直至i＝M，得到可能导致K回直流换相失败的单相短路故障区域，K＝0，1，2，…M；

上述步骤5）所述的确定单相短路导致换相失败区域的方法，若kij＞0.1，则认为变电站i处发生单相短路可能引起逆变站j发生换相失败。

2.根据权利要求1所述的确定单相短路导致换相失败区域的方法，其特征在于所述步骤3)中，Zii＝Zii-1+Zii-2+Zii-0  (1)式中：Zii-1为变电站i处的正序自阻抗，Zii-2为变电站i处的负序自阻抗，Zii-0为变电站i处的零序自阻抗，Zii为变电站i处的正负零序自阻抗的和。

3.根据权利要求1所述的确定单相短路导致换相失败区域的方法，其特征在于所述步骤4)中，Zij＝Zij-1+Zij-2+Zij-0  (2)式中：Zij-1为变电站i和逆变站j之间的正序互阻抗，Zij-2为变电站i和逆变站j之间的负序互阻抗，Zij-0为变电站i和逆变站j之间的零序互阻抗，Zij变电站i和逆变站j之间的正负零序互阻抗的和。

说明书

一种确定单相短路导致换相失败区域的方法

技术领域

[0001] 本发明提出一种确定单相短路导致换相失败区域的方法，特别是一种基于正负零序阻抗矩阵确定单相短路导致的换相失败区域的方法，属于电力系统分析技术领域。

背景技术

[0002] 随着电力系统的不断发展，电网出现了交直流并联运行、多回直流集中馈入等新特征，交直流系统紧密联系，相互交织，稳定特性复杂。分析交流系统和直流系统的相互影响，是电网规划、运行中一个非常重要的问题。

[0003] 换相失败是直流输电逆变器最常见的故障。实际运行中大多数换相失败是由交流电网故障引起的电压扰动所造成的。在多直流落点系统中，受端交流系统部分区域故障可能会引起多回直流输电逆变器发生换相失败，造成直流功率下降，进而影响整个电网的稳定性。

[0004] 南方电网科学研究院经过对换相失败进行深入的研究，提出了一种判断直流逆变器换相失败的简单判据：在BPA等机电暂态仿真程序中，由于采用的直流模型是准稳态的模型，对于换相失败的判断和模拟不够准确，可以采用简单判据来进行换相失败的判断，在交流系统的不同故障点设置交流三相或单相短路故障，如故障瞬间直流逆变侧换流母线电压跌落到正常运行电压值的90％，则认为该直流发生换相失败。

[0005] 依据此判据，为了确定可能引起多回直流发生换相失败的单相短路故障区域，目前都采用机电暂态仿真软件对每个可能的站点进行故障仿真，得到故障时刻各逆变站换流母线的电压，根据故障瞬间换流母线的电压是否跌落到正常值90％以下来判断该换流站是否发生换相失败，从而确定可能引起多回直流发生换相失败的单相短路故障区域。但是，这种计算方法需要对每个可能引起换相失败的在站点进行故障仿真，工作量大，计算时间长，使用不便，因此有必要提出一种简单快速的计算方法来确定可能引起多回直流发生换相失败的单相短路故障区域，作为评估交流系统对直流系统影响和电网运行方式安排的参考。

发明内容

[0006] 本发明的目的是提出一种确定单相短路导致换相失败区域的方法，该方法定义清晰，计算方法简单，物理意义明确，可以方便快速的确定可能引起多回直流换相失败的单相短路故障区域，为研究交流系统单相短路故障对直流系统的影响和电网运行方式的安排提供参考。

[0007] 本发明的技术方案为：

[0008] 本发明确定单相短路导致换相失败区域的方法，包括以下步骤：

[0009] 1)以交直流电网为研究对象，确定待研究的直流逆变站和可能因为交流系统故障引起直流换相失败的变电站，其中，待研究的变电站有M处，直流逆变站有N处；

[0010] 2)计算待研究的交直流电网的正负零序阻抗矩阵，包括正序阻抗矩阵Z1、负序阻抗矩阵Z2和零序阻抗矩阵Z0；

[0011] 3)根据正负零序阻抗矩阵，计算第i个待研究的变电站的正负零序自阻抗的和Zii，i＝1，2，…M；

[0012] 4)根据正负零序阻抗矩阵，计算第j个逆变站和第i个变电站之间的正负零序互阻抗的和Zij，j＝1，2，…N；

[0013] 5)计算正负零序互阻抗的和与正负零序自阻抗的和的比值kij，根据比值kij的大小，判断第i个变电站发生单相短路故障是否可能引起第j个逆变站发生换相失败；

[0014] 6)重复步骤4)、步骤5)，直至j＝N，记录变电站i处发生单相短路可能引起换相失败的逆变站个数为Li；

[0015] 7)重复步骤3)、步骤4)、步骤5)、步骤6)，直至i＝M，得到可能导致K回直流换相失败的单相短路故障区域，K＝0，1，2，…M。

[0016] 所述步骤3)中，

[0017] Zii＝Zii-1+Zii-2+Zii-0   (1)

[0018] 式中：Zii-1为变电站i处的正序自阻抗，Zii-2为变电站i处的负序自阻抗，Zii-0为变电站i处的零序自阻抗，Zii为变电站i处的正负零序自阻抗的和，

[0019] 所述步骤4)中，

[0020] Zij＝Zij-1+Zij-2+Zij-0      (2)

[0021] 式中：Zij-1为变电站i和逆变站j之间的正序互阻抗，Zij-2为变电站i和逆变站j之间的负序互阻抗，Zij-0为变电站i和逆变站j之间的零序互阻抗，Zij变电站i和逆变站j之间的正负零序互阻抗的和。

[0022] 所述步骤5)中，

[0023]

[0024] 若kij＞0.1，则认为变电站i处发生单相短路可能引起逆变站j发生换相失败。

[0025] 本发明是一种基于正负零序阻抗矩阵确定单相短路导致的换相失败区域的方法。通过计算电力系统中待研究的变电站的正负零序自阻抗和变电站与各逆变站之间的正负零序互阻抗，计算正负零序互阻抗的和与正负零序自阻抗的和的比值，根据求得的比值判断该变电站发生单相短路是否可能引起直流逆变站发生换相失败；通过对所有待研究的变电站和所有逆变站的扫描，可以方便快速的确定可能引起多回直流换相失败的单相短路故障区域，为研究交流系统单相短路故障对直流系统的影响和电网运行方式的安排提供参考。本发明提出的基于正负零序阻抗矩阵确定单相短路导致的换相失败区域的方法，定义清晰，计算方法简单，物理意义明确。

附图说明

[0026] 图1为本发明的流程图，图2为具体实施例中南方电网丰大方式可能导致5回直流同时发生换相失败的单相短路故障区域。具体实施例

[0027] 本发明确定单相短路导致换相失败区域的方法，包括以下步骤：

[0028] 1)以交直流电网为研究对象，确定待研究的直流逆变站和可能因为交流系统故障引起直流换相失败的变电站，其中，待研究的变电站有M处，直流逆变站有N处；

[0029] 2)计算待研究的交直流电网的正负零序阻抗矩阵，包括正序阻抗矩阵Z1、负序阻抗矩阵Z2和零序阻抗矩阵Z0；

[0030] 3)根据正负零序阻抗矩阵，计算第i个待研究的变电站的正负零序自阻抗的和Zii，i＝1，2，…M；

[0031] 4)根据正负零序阻抗矩阵，计算第j个逆变站和第i个变电站之间的正负零序互阻抗的和Zij，j＝1，2，…N；

[0032] 5)计算正负零序互阻抗的和与正负零序自阻抗的和的比值kij，根据比值kij的大小，判断第i个变电站发生单相短路故障是否可能引起第j个逆变站发生换相失败；

[0033] 6)重复步骤4)、步骤5)，直至j＝N，记录变电站i处发生单相短路可能引起换相失败的逆变站个数为Li；

[0034] 7)重复步骤3)、步骤4)、步骤5)、步骤6)，直至i＝M，得到可能导致K回直流换相失败的单相短路故障区域，K＝0，1，2，…M。

[0035] 所述步骤3)中，

[0036] Zii＝Zii-1+Zii-2+Zii-0     (1)

[0037] 式中：Zii-1为变电站i处的正序自阻抗，Zii-2为变电站i处的负序自阻抗，Zii-0为变电站i处的零序自阻抗，Zii为变电站i处的正负零序自阻抗的和，

[0038] 所述步骤4)中，

[0039] Zij＝Zij-1+Zij-2+Zij-0       (2)

[0040] 式中：Zij-1为变电站i和逆变站j之间的正序互阻抗，Zij-2为变电站i和逆变站j之间的负序互阻抗，Zij-0为变电站i和逆变站j之间的零序互阻抗，Zij变电站i和逆变站j之间的正负零序互阻抗的和。

[0041] 所述步骤5)中，

[0042]

[0043] 若kij＞0.1，则认为变电站i处发生单相短路可能引起逆变站j发生换相失败。

[0044] 在电力网络发生单相短路等不对称故障时，要得到系统中各运行量的值，需要考虑负序和零序网络。电力网络正负零三序的网络方程为：

[0045]

[0046] 式中：U1、U2、U0分别为网络的正序电压向量、负序电压向量、零序电压向量，I1、I2、I0分别为网络的正序电流向量、负序电流向量、零序电流向量，Z1、Z2、Z0分别为网络的正序阻抗矩阵、负序阻抗矩阵、零序阻抗矩阵。

[0047] 以站点i处发生A相单相短路为例进行说明。

[0048] 正常运行(未发生故障)时，系统三相对称，负序和零序网络的注入电流向量均为0，网络各节点A相电压的表达式如式(5)：

[0049] UA＝U1+U2+U0＝Z1I1+Z2I2+Z0I0＝Z1I1    (5)

[0050] 式中：UA为网络A相电压向量。

[0051] 假如在站点i处发生单相短路，相当于在站点i处增加了短路电流大小的正负零序注入电流，且正负零三序的注入电流相等，其余站点的注入电流不变，网络阻抗矩阵不变，根据节点电压和注入电流之间的线性关系，网络各节点A相电压的变化量为：

[0052] ΔUA＝ΔU1+ΔU2+ΔU0＝Z1ΔI1+Z2ΔI2+Z0ΔI0＝(Z1+Z2+Z0)ΔI1

[0053] (6)ΔI1＝[0，0，0…，ΔI1i，…0，0]T    (7)

[0054] 式中：ΔUA为网络各节点A相电压的变化量，ΔU1、ΔU2、ΔU0分别为正序电压变化量、负序电压变化量、零序电压变化量，ΔI1、ΔI2、ΔI0分别为正序电流变化量、负序电流变化量、零序电流变化量，，ΔI1i为站点i处的正序注入电流变化量。

[0055] 由式(6)、式(7)可得：

[0056] ΔUAi＝(Zii-1+Zii-2+Zii-0)ΔI1i(8)

[0057] ΔUAj＝(Zij-1+Zij-2+Zij-0)ΔI1i

[0058] 式中：ΔUAi为站点i处的A相电压变化量，ΔUAj为逆变站j处的A相电压变化量。

[0059] 采用标幺值进行计算，故障前，各站点的电压可以认为等于标幺值1，站点i处发生A相单相短路，A相电压降到0，A相电压变化量ΔUAi＝1。由式(8)可得：

[0060]

[0061] 由式(9)可得，逆变站j处的A相电压变化量ΔUAj的值与正负零序互阻抗的和与正负零序自阻抗的和的比值kij相等，因此，可以用kij的大小来判断逆变站j是否发生换相失败，若kij＞0.1，则是逆变站j处的A相电压降落ΔUAj大于10％，可以认为逆变站j发生换相失败。

[0062] 下面通过实施例对本发明做进一步的补充说明：

[0063] 南方电网2012年有5回直流同时馈入广东，包括江城直流、天广直流、兴安直流、高肇直流、楚穗直流。根据南方电网2012年丰大方式数据，计算了广东电网境内换流站近区50个500kV厂站出线发生单相短路故障是否会引起各直流发生换相失败。

[0064] 以博罗站发生单相短路为例，求得博罗站的正序、负序、零序自阻抗和博罗站与各逆变站之间的正序、负序、零序互阻抗，并求得三相自阻抗和三序互阻抗和相应比值，结果列于表1。

[0065] 由表1的计算结果可知，博罗站与各逆变站之间的三序互阻抗与博罗站三序自阻抗的比值均大于0.1，可以认为，博罗站发生单相短路可能导致5回直流同时发生换相失败。

[0066] 其他各站点的计算方法类似，详细计算结果见表2，并根据计算结果，绘制了可能引起5回直流同时发生换相失败的故障区域图，见附图2，图中黑色线包围的范围为可能引起5回直流同时发生换相失败的故障区域。

[0067] 表1  2012年丰大方式500kV博罗站单相短路故障引起直流换相失败计算表[0068]

[0069] 表2  2012年丰大方式广东500kV厂站单相短路故障引起直流换相失败计算表[0070]

[0071]