交直流互联系统自动重合闸技术研究概述及展望

交直流互联系统自动重合闸技术研究概述及展望

吴劼

（国核电力规划设计研究院北京市海淀区10095）

摘要:在交直流混联系统下的连锁故障和纯交流系统下的连锁故障已经明显不同，仅利用本间隔电气量的自适应重合闸技术已经很难满足我国特高压交直流电网安全稳定运行的需求。目前国内外对自适应重合闸进行了多年的研究，取得了一定成果，但仍存在不足之处：目前对非典型故障的故障特征研究不足，未考虑对交直流混联系统产生的影响。

关键词:交直流互联系统;自动重合闸;故障特征;

当交直流混联系统发生单永故障并采取自动重合闸时，可能会引起周边多条直流在短时间内出现同时换相失败两次甚至直流闭锁，这会对交流系统造成很大的功率冲击，若两次冲击间隔较短，将在弱联络断面形成动态功率叠加，可能超出该断面的暂稳或静稳极限，使两侧系统面临失去同步的风险。对于华东电网的相关仿真及研究结果表明，在电网交流线路发生单永故障并采取自动重合闸时，会引起华东电网复奉、锦苏、宾金三大特高压直流短时间内同时换相失败两次。当直流输送功率较大时，将对西南—华中—华北同步电网造成较大功率冲击，引起川渝、渝鄂、华中—华北断面潮流大幅波动，严重情况下会造成四川、重庆、华中及华北电网机群间暂态功角失稳。根据国家电网2016年夏季运行方式滚动计算的最新研究结果：2016年上半年，随着华东电网北半环、灵绍直流等工程投产，华东区域内多回直流间电气联系更加紧密，在灵绍直流送400万千瓦的情况下，系统开机进一步减小，电压支撑能力持续降低，三大直流同时换相失败风险进一步加大，仿真计算表明，华东电网内单相故障会引起三大特高压直流同时换相失败的500千伏交流线路约为300条，较2015年增加约200条，影响范围进一步扩大。在超高压输电线路故障中，70%以上是单相接地短路，而单相故障中约有80%为瞬时性故障，因此，在单相故障情况下只跳开故障相并延时自动重合能提高系统稳定性与可靠性。但传统的自动重合闸由于原理性局限其重合闸时间是固定的，且无法区分瞬时和永久性故障，当重合于永久性故障时，将对电力系统及电气设备造成更大危害。总之，在交直流混联系统下的连锁故障和纯交流系统下的连锁故障已经明显不同，仅利用本间隔电气量的自适应重合闸技术已经很难满足我国特高压交直流电网安全稳定运行的需求。

从20世纪80年代中提出了自适应重合闸概念来，相关学者对于自适应重合闸的研究主要集中于故障性质的判别方法上来区分永久性故障还是瞬时性故障以及重合时间的判别。基于目前的自适应重合闸的研究，根据不同的系统结构许多学者开展了如单回输电线路和双回线路的自适应重合闸、不带并联电抗器的输电线路和有并联电抗器的输电线路的自适应重合闸等。不带并联电抗器线路的故障性质判别方法，如利用潜供电流特征、电弧熄灭过程中的非线性特性、由电压暂态信号分解的若干个固有模态函数的特征、一次电弧电压特征等的判别方法；带并联电抗器线路的故障性质判别方法，如利用断开相的恢复电压特征[1-3]、断开相并联电抗器电流与中性点小电抗器电流的幅值比、两端断开相并联电抗器电流特征等的判别方法。在自适应单相重合闸技术方面，学者们已经提出了许多基于不同原理的识别故障性质的判据。但是对于自适应三相重合闸，特别是自适应分相重合闸，其原理基本上都是从自适应单相重合闸的原理中衍生而来，研究人员更多关注的是如何更科学更可靠地进行合闸的方案[4]。和自适应单相重合闸技术一样，一些基于模糊神经网络的人工智能技术也应用于自适应三相重合[5]，但这些方法始终还停留在理论分析的基础上，其可靠性有待进一步验证，并且与实际应用还相差甚远。对于同杆双回输电线路，由于共用杆塔，两回线距离较近，故障种类中大多数为跨线故障，而且同杆双回线中除了相间互感，还存在线间互感，这些因素都极有可能造成单回线路自适应重合闸判据失效[6]。目前国内外对于同杆双回线路自适应重合闸的研究较少。

日本依照不同的输电电路采用多种的重合闸方式：①对高压/超高压系统采用高速单相重合闸，重合时间为0.8～1秒，与我国传统的重合闸配置相似。②对联络线，日本的输电网络有许多同杆并架双回线，为提高送电能力，采用多相重合闸。③对联系紧密的系统，采用全部重合闸方式：以多相重合闸为基础，对联系紧密的系统，当不能满足多相重合闸条件时，先断开两回线路，然后重合。多相重合闸方案的跳闸逻辑就是在跨线故障时只切除故障相，而将非故障相保留下来继续运行；在此基础上的多相重合闸就是综合两回线6相电气量的信息，若有两相及以上异名相健全，则认为此时系统联系比较紧密，两回线分别按相重合，若为永久故障，则跳开本回线。这种方式配合只跳故障相（两相故障跳两相）的跳闸方式则有更多的重合机会，但可能重合于两相甚至三相永久故障，对系统造成冲击，进一步恶化系统的稳定性。而且该方案要用到较多的相邻线信息，所以导致接线复杂，运行维护极为不便。日本东京电力公司（TEPCO）在其275kV和500kV同杆双回输电线路上采用全部重合闸方式。日本中部电力公司(ChubuElectricPowerCo.）在275kV及其以上的超高压同杆双回线路中，不论发生任何类型的故障均只对故障相分相跳闸，重合闸采用多相重合闸方式。多相重合闸方案对我国同杆双回线故障重合闸方案的选择较有参考意义。

综合利用故障相恢复电压及分相重合闸技术的同杆双回线自适应重合闸技术已经在四川洪沟——龙王同杆双回线及重庆、福建等地区投入实际应用。该自适应重合闸采用保证远故障侧优先重合及按相顺序重合技术，该方案能避免重合于出口接地永久故障，该自适应重合闸将两回线综合成一回线处理，当两回线有两异名相及以上健全相时才可以重合，其实质是对两回线实现单相重合闸功能，重点解决了重合于多相永久故障以及严重接地永久故障对系统的冲击及对运行中的电力设备的损坏问题。

以上各研究内容均未考虑目前交直流混联系统这一应用场景，未充分考虑交直流混联不同拓扑情形下的故障特征。此外，上述自适应重合闸理论均基于本间隔电气量，判别的准确性不高，同样不能在交直流混联大电网下得到大范围推广。更重要的是，目前所有自适应重合闸的研究，都利用的是故障相的信息，未曾有考虑故障相和非故障相全相信息的理论。

结语

综上所述，目前国内外对自适应重合闸进行了多年的研究，取得了一定成果，但仍存在不足之处：目前对非典型故障的故障特征研究不足，未考虑对交直流混联系统产生的影响。没有涉及保护安全与系统安全性矛盾的协调优化控制策略；保护理论均基于常规交流系统信息，缺乏对包括了全站保护动作信息、故障信息、开关位置信息和远方换流站提供的直流换相失败信息等的全域信息理论的研究；对于故障特征的提取，没有涉及故障切除过程，未能将开关跳闸动作过程中电气量的变化特征作为故障特征进行故障识别。

参考文献：

[1]赵庆明,李斌.基于电压补偿原理的单相自适应重合闸新型相位判据[J].电力系统保护与控制,2010,38(13):50-54,60.

[2]郭征,贺家李,王俊.特高压长线路单相自适应重合闸的新原理[J].高电压技术,2009,05:1005-1008.

[3]RadojevicZM,ShinJoong-Rin.Newdigitalalgorithmforadaptivereclosingbasedonthecalculationofthefaultedphasevoltagetotalharmonicdistortionfactor[J].IEEETransonPowerDelivery,2007,22(1):37-41.

[4]RadojevicZM,ShinJoong-Rin.Newoneterminaldigitalalgorithmforadaptivereclosingandfaultdistancecalculationontransmissionlines[J].IEEETransonPowerDelivery,2006,21(3):1231-1237

[5]聂宏展，董爽，李天云，等．基于模糊神经网路的单相自适应重合闸．电网技术，2005，29(10)：75---79．

[6]郑玉平,黄震,张哲,等.同杆并架双回线自适应重合闸的研究.团电力系统自动化,2004,28（22）:58-62

作者简介：

吴劼（1985.9-），女，福建福州人，华北电力大学工学硕士，工程师，单位：国核电力规划设计研究院