雷击输电线路引起特高压直流系统发生闭锁的分析方法

摘要

本发明是一种雷击输电线路引起特高压直流系统发生闭锁的分析方法，包括如下步骤：1）归纳出雷击闭锁过程中电气量特征及直流线路保护的动作特征；2）建立特高压直流系统雷击仿真模型；3）建立换流站测量系统仿真模型；4）建立控制系统和线路保护仿真模型；5）将上述三个仿真模型结合起来构成一个闭环实时仿真系统；6）利用上述仿真系统研究雷击引起特高压直流的闭锁情况。本发明提出了包括长达数千公里线路的特高压直流输电系统雷击仿真建模方法，并实现了雷击仿真模型和线路保护模型的耦合实时仿真，从而为特高压直流系统雷击闭锁机理研究以及直流输电线路保护定值优化提供了一种有效的手段。

说明书

技术领域

本发明涉及一种研究雷击输电线路引起特高压直流系统发生闭锁机理的分析方法,属于电力系统技术领域。

背景技术

在现代电力系统中，高压直流输电多用于电能的远距离传输，是我国西电东送战略的主要实现方式，而特高压直流输电以其传输容量大，损耗小的特点正在被越来越多的直流工程所采用。特高压直流线路长度比较长，沿线所经过地区的地形和气象条件复杂，容易遭受雷击闭锁，从而给系统的安全稳定运行带来了严峻的挑战。云广特高压直流是世界上第一个特高压直流输电工程，在其投入运行的四年时间内就曾经发生过两次由于雷击一极而造成两极相继闭锁的情况。因此，研究特高压直流系统雷击闭锁机理，并采取相应的应对措施将有利于提高特高压直流系统运行可靠性，降低系统运行风险。

目前，对于雷击直流线路的研究多集中在进线段雷电侵入波计算和直流线路的雷击闪络率计算方面，主要用于确定换流站内设备的雷电冲击绝缘水平和直流线路绝缘的可靠性，而在对直流线路保护的校核计算中都没有模拟输电线路的雷击闪络过程，只是在故障点处直接加对地短路故障，未考虑到雷击过程中雷电波的行波特征对保护动作特性的影响。因此，急需提出一种雷击输电线路引起特高压直流系统发生闭锁机理的分析方法。

发明内容

本发明的目的在于提出一种雷击输电线路引起特高压直流系统发生闭锁的分析方法，本发明克服了目前直流线路保护校核计算中不能考虑雷电行波对保护动作特性影响的缺陷。 

本发明的雷击输电线路引起特高压直流系统发生闭锁的分析方法，包括如下步骤：

1）通过对特高压直流发生雷击闭锁的实际录波波形进行整理分析，归纳出雷击闭锁过程中两端换流站极线电压和极线电流的波形特征及直流线路保护的动作特征；

2）建立特高压直流输电系统的雷击线路的仿真模型；

3）建立特高压直流换流站测量系统仿真模型；

4）建立特高压直流控制系统简化仿真模型及线路保护的详细仿真模型；

5）将步骤3）建立的特高压直流换流站测量系统仿真模型的输入端接入由步骤2）雷击线路仿真模型所得到的极线电压和极线电流量，将步骤3）建立的特高压直流换流站测量系统仿真模型的输出量经平滑、滤波器环节后作为输入量送入步骤4）所建立的直流控制和线路保护模型，经控制保护系统的逻辑运算后产生直流输电系统的控制量被反馈至步骤2）中用于控制直流输电系统的运行状态，这样就以换流站测量系统作为纽带就构成了一个以上述步骤2) →步骤3) →步骤4) →步骤2)的闭环实时仿真系统，实现了雷击线路仿真计算模型与直流控制和线路保护二次系统仿真模型的耦合实时仿真，使得开展雷击输电线路引起特高压直流系统发生闭锁机理研究成为了可能；

6）研究不同幅值、不同极性的雷电流绕击线路不同位置处时遭受雷击极和健全极的闭锁情况，并结合线路保护的动作过程对闭锁原因进行分析。

上述步骤2）中建立了一个包括两端换流站和长达数千公里输电线路的特高压直流输电系统雷击线路仿真计算模型，具体方法如下： 

将长达数千公里的直流输电线路按一定长度X分成许多小段，每一小段线路采用参数随频率变化的输电线路模型建立起一个四导线传输系统来进行模拟，每一小段线路的两端接入一个基于二极管投切电容技术的模块来模拟输电线路电晕的影响，该模块是一个二极管与充电电容的串联连接，二极管的阴极与充电电容的正极相连，充电电容的负极接地，二极管的阳极接输电线路，电容预充电至线路的起晕电压，当线路雷电冲击电压幅值超过电容预充电压后二极管自动导通，电容被接入计算回路；利用一个可控开关来模拟线路绝缘子串，当绝缘子串两端的电压波形曲线与绝缘子的伏秒特性相交时，控制开关导通，模拟绝缘子发生闪络；利用非线性电阻来模拟换流站内的避雷器，非线性电阻的伏安特性与避雷器的伏安特性一致；利用晶闸管并联电容并在其两端加对地电容的方法来模拟换流阀的雷电冲击特性；利用电感并联电容并在其两端加对地电容的方法来模拟平波电抗器的雷电冲击特性；利用电容和电感组成的三调谐电路来模拟直流滤波器；利用受控电流源并联可变电阻来模拟雷电通道，受控电流源用于模拟雷击放电所产生的雷电流源，根据雷电流极性的不同，雷电流波形采用不同波头时间为T_f和波尾时间为T_t的双指数波进行模拟，其表达式如下所示：

                                                                   (1)

式中：I为雷电流幅值

      α为波尾时间常数，与T_t的近似关系为α≈-0.69/T_t

β为波头时间常数，与T_f的近似关系为β≈-3.24/T_f

u(t)为单位阶跃函数，在t>0时u(t)=1，t≤0时u(t)=0；

根据式(1)通过将t₁和t₂两个不同时刻的雷电流波形相加可模拟重复雷击的作用，具体表达式如下：

        (2)

式中：I₁为在t₁时刻发生的雷击的雷电流幅值

I₂为在t₂时刻发生的雷击的雷电流幅值

根据式(2)可利用电磁暂态程序EMTDC的控制系统模型中的算术运算函数模块搭建雷电流波形发生函数；可变电阻用于模拟雷电通道波阻抗，其阻值随雷电流幅值的大小而变化。

上述根据雷电流极性的不同而选取不同波头波尾时间的雷电流波形，具体选取方法如下：

(a) 对于负极性雷电，首次雷击过程中的放电量比较小，其波头时间在1μs-4μs之间取值，波尾时间在40μs-50μs之间取值，推荐采用2.6/50μs 的雷电流波形；

(b) 对于正极性雷电，首次雷击过程中的放电量远大于负极性雷击的放电量，其波头时间在50μs-200μs之间取值，波尾时间在500μs-2000μs之间取值，推荐采用100/1000μs 的雷电流波形；

通过将t₁和t₂两个不同时刻的雷电流波形相加来模拟重复雷击的作用。

上述步骤5）中通过对换流站测量系统的建模实现了步骤2）雷击线路仿真模型与步骤4）控制和线路保护模型的耦合，从而建立了一个研究雷击引起特高压直流系统发生闭锁机理的闭环实时仿真系统，具体方法如下：

通过研究特高压直流换流站分压器和电流互感器的频率响应特性，并对该特性进行有理函数的近似逼近，借助EMTDC中的传递函数模块建立起换流站测量装置的仿真模型，该模型的输入为步骤2）雷击线路仿真模型所得到的极线电压和极线电流量，该模型的输出经过平滑、滤波环节后进行相应的运算即可得到直流系统的控制量和线路保护的动作量，上述控制量和保护动作量被送入步骤3）直流控制和线路保护模型并经过逻辑运算后将得到触发角α和闭锁命令等信息，上述信息被反馈至步骤2）雷击线路仿真模型中用于控制直流系统的运行状态；上述步骤2) →步骤3) →步骤4) →步骤2)组成的闭环实时仿真系统实现了雷击线路仿真计算模型与直流控制和线路保护二次系统仿真模型的耦合实时仿真，使得开展雷击输电线路引起特高压直流系统发生闭锁机理研究成为了可能。

上述步骤6）中，不仅研究了遭受雷击极的闭锁情况，还研究了健全极线路感应出的雷电波沿线路传播过程中发生波形畸变后引起该极直流线路保护误动作，从而发生闭锁的情况，对于遭受雷击极还分别研究了雷击造成线路闪络和未造成线路闪络时直流系统的闭锁情况。

本发明的有益效果如下：本发明将特高压直流输电系统雷击线路仿真模型和特高压直流线路保护模型集成在一个模型中，实现两个模型的耦合实时仿真，克服了目前直流线路保护校核计算中不能考虑雷电行波对保护动作特性影响的缺陷，为雷击输电线路引起特高压直流系统发生闭锁的机理研究提供了一种有效的手段。利用该方法开展特高压直流系统雷击闭锁问题研究可以为直流输电线路保护原理优化及定值调整提供依据，从而有利于提高特高压直流系统运行可靠性，降低系统运行风险。

附图说明

图1是本发明的闭环仿真系统示意图。

图2是线路电晕模型。

图3是雷电流源模型。

图4是本发明方法的流程图。

具体实施方式

参照附图对本方法进行详细描述：

1）通过对特高压直流雷击闭锁的实际录波波形进行整理分析，归纳出雷击闭锁过程中两端换流站极线电压和极线电流的波形特征及直流线路保护的动作特征。

2）建立包括两端换流站和长达数千公里输电线路的特高压直流输电系统雷击线路仿真计算模型。将长达数千公里的直流输电线路按一定长度X分成许多小段，每一小段线路采用参数随频率变化的输电线路模型建立起一个四导线传输系统来进行模拟，每一小段线路的两端接入一个基于二极管投切电容技术的模块来模拟输电线路电晕的影响。图2是该模块的示意图，该模块是一个二极管D与充电电容C串联连接，二极管D的阴极与充电电容C的正极相连，充电电容C的负极接地，二极管D的阳极接输电线路，电容预充电至线路的起晕电压，当线路雷电冲击电压幅值超过电容预充电压后二极管自动导通，电容被接入计算回路，X的大小可根据所研究输电线路的长度来确定，但不宜超过20km，单位长度的电晕电容可按100%的输电线路单位长度对地电容来取值，起晕电压取为1000kV；利用一个可控开关来模拟线路绝缘子串，当绝缘子串两端的电压波形曲线与绝缘子的伏秒特性相交时，控制开关导通，模拟绝缘子发生闪络；利用非线性电阻来模拟换流站内的避雷器，非线性电阻的伏安特性与避雷器的伏安特性一致；利用晶闸管并联电容并在其两端加对地电容的方法来模拟换流阀的雷电冲击特性；利用电感并联电容并在其两端加对地电容的方法来模拟平波电抗器的雷电冲击特性；利用电容和电感组成的三调谐电路来模拟直流滤波器；利用受控电流源并联可变电阻来模拟雷电通道，受控电流源用于模拟雷击放电所产生的雷电流源，根据雷电流极性的不同，雷电流波形采用不同波头时间为Tf和波尾时间为Tt的双指数波进行模拟，其表达式如下所示：

                                                                   (1)

式中：I为雷电流幅值

      α为波尾时间常数，与T_t的近似关系为α≈-0.69/T_t

β为波头时间常数，与T_f的近似关系为β≈-3.24/T_f

u(t)为单位阶跃函数，在t>0时u(t)=1，t≤0时u(t)=0。

根据式(1)通过将t₁和t₂两个不同时刻的雷电流波形相加可模拟重复雷击的作用，具体表达式如下：

        (2)

式中：I₁为在t₁时刻发生的雷击的雷电流幅值

I₂为在t₂时刻发生的雷击的雷电流幅值

图3给出了利用电磁暂态程序EMTDC的控制系统模型中的算术运算函数模块搭建的如式(2)所示的雷电流波形发生函数。计算时根据雷电的极性选择不同的雷电流波形，具体如下：(a) 对于负极性雷电，首次雷击过程中的放电量比较小，其波头时间可在1μs-4μs之间取值，波尾时间可在40μs-50μs之间取值，推荐采用2.6/50μs 的雷电流波形；(b) 对于正极性雷电，首次雷击过程中的放电量远大于负极性雷击的放电量，其波头时间可在50μs-200μs之间取值，波尾时间可在500μs-2000μs之间取值，推荐采用100/1000μs 的雷电流波形。可变电阻用于模拟雷电通道波阻抗，其阻值随雷电流幅值的大小而变化。

利用上述模型对实际发生的雷击直流线路情况进行仿真，并将仿真结果与步骤(1)中实际录波结果进行对比分析，根据对比分析结果对仿真模型中的相关计算参数进行修正。

3）建立特高压直流换流站测量系统仿真模型；

4）建立特高压直流控制系统简化仿真模型及线路保护的详细仿真模型。为了提高仿真模型的计算效率，仅保留了直流系统最基本的控制功能，具体为：在整流站保留定电流控制功能，在逆变站保留定电压控制功能和定熄弧角控制功能，所有控制器的参数与实际直流工程取为一致。直流线路保护的动作特性对雷击闭锁问题研究有着重要的影响，需要对其详细建模。对直流线路保护重点模拟了行波保护、直流极线低压保护和直流差动保护，每一种线路保护均按照实际直流工程的线路保护程序进行一对一的搭建，保证了所建线路保护模型与实际线路保护的一致性。该模型的输出反馈至步骤(2)所建立的雷击线路仿真计算模型中，用于控制直流系统的运行状态。

5）研究特高压直流换流站分压器和电流互感器的频率响应特性A(ω)，并对该特性按下式进行有理函数的近似逼近

借助EMTDC中的传递函数模块可建立起具有上述频响特性的换流站测量装置的仿真模型，该模型的输入为步骤2)所建立的雷击线路仿真模型计算得到的极线电压U_dCH和直流电流I_dCH和I_dLH等，该模型的输出经过平滑、滤波环节后即可进行相应的运算得到步骤4)所需的直流系统的控制量和线路保护的动作判断量。上述控制量和保护动作量被送入步骤4）直流控制和线路保护模型并经过逻辑运算后将得到触发角α和闭锁命令等信息，上述信息被反馈至步骤2）雷击线路仿真模型中用于控制直流系统的运行状态。

如图1所示，将本发明方法中的上述步骤2) →步骤3) →步骤4) →步骤2)结合起来构建了一个闭环仿真系统，实现了雷击线路仿真计算模型与直流控制和线路保护二次系统仿真模型的耦合实时仿真，使得开展雷击输电线路引起特高压直流系统发生闭锁机理研究成为了可能。

6）研究不同幅值、不同极性的雷电流绕击线路不同位置处时特高压直流系统的闭锁情况。分别对遭受雷击极和健全极的闭锁情况及原因进行了研究：

6.1）研究遭受雷击极的闭锁情况并对闭锁原因进行分析。对于这一问题又从是否造成雷击极闪络两个方面进行研究：

6.1.1）雷击造成绝缘串闪络时的闭锁情况及原因分析。调整雷电流的幅值，使雷击造成该极绝缘子串闪络，记录两端换流站内直流线路保护动作判断量的变化波形，确定不同保护动作判断量达到相应定值的时刻，结合线路保护逻辑框图对保护动作情况及原因进行分析。

6.1.2）雷击未造成绝缘串闪络时的闭锁情况及原因分析。对于正、负极性雷击，分别调整雷电流的幅值，使雷击不能造成该极绝缘子串闪络，记录两端换流站内直流线路保护动作判断量的变化波形，确定不同保护动作判断量是否能够达到相应定值及其达到定值的时刻，当所有保护动作判断量都达到定值的情况下，观察直流线路保护的动作情况，结合线路保护逻辑框图对保护动作原因进行分析。

6.2）健全极感应出的雷电波沿线路传播过程中发生波形畸变后引起该极闭锁情况及原因分析。对于正、负极性雷击，分别记录两端换流站内健全极直流线路保护动作判断量的变化波形，确定不同保护动作判断量是否能够达到相应定值及其达到定值的时刻，当所有保护动作判断量都达到定值的情况下，观察直流线路保护的动作情况，结合线路保护逻辑框图对保护动作情况及原因进行分析。