CN108344904A - 一种直流电缆故障监测和辨识新方法 - Google Patents

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夏向阳
黄润知
杜荣林
李明德
王恺
黄海
郑泷康
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Changsha University of Science and Technology
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Changsha University of Science and Technology
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Abstract

本发明公开了一种用于柔性直流输电***电缆故障的监测和辨识新方法。该方法通过实时监测换流站交流测负载端运行电流的变化情况，并与理论推导的故障信号参数比对，从而分析、辨识故障类型，为柔性直流输电***的控制保护提供有效、准确的动作依据。该方法难点在于提取有效的故障信息，过滤干扰信号，为此本方法应用计算机小波时间熵处理运行电流信号，提高了精确度。本发明所述的故障监测和辨识方法，可以避免其他方法只能离线监测的尴尬，精确度高，成本低，并能对历史故障整合的过程中完善故障信息知识库模块。

Description

一种直流电缆故障监测和辨识新方法
技术领域
本发明涉及柔性高压直流输电***(MMC-HVDC)电缆故障的一种监测和辨识新方法，属于电力技术领域。
背景技术
模块化多电平换流器(MMC)，相比传统多电平变换器不仅继承其拓扑结构和输出特性优势，而且在***不平衡运行、故障保护等方面具有显著的技术优势，是目前柔性直流输电的首选。柔性直流输电技术作为一项新兴技术，其相关的故障保护和控制措施还不成熟，其中直流输电线路故障在所有故障中发生频率比较高，2006-2012年间直流输电线路原因导致的强迫停运累计42次，大约占强迫停运总次数的三分之一，近几年在南方电网强迫停运中，直流输电线路故障造成的强迫停运次数占到总停运次数的39.66％，对电网的稳定运行造成了严重的影响。
目前针对MMC-HVDC线路故障大多以故障的发生原因为研究对象，且尚未对故障暂态稳定问题的特征参数提取以及电缆故障的辨识做深入的研究。MMC-HVDC任一部分发生故障，***内各装置将不同程度的承受过电压、过电流和过热等不正常应力，且故障的产生亦受多种因素影响，如电磁干扰、雷电影响、多场强耦合等，***故障暂态稳定问题的特征参数提取更为困难。另外，直流电缆发生故障，通常都将形成永久故障，MMC-HVDC***即在2-5ms内闭锁，这些使得故障信号的快速提取、准确甄别增加难度；同时现今环境下MMC-HVDC***比拥有惯性的传统发电机并网***故障机理分析更为复杂，在故障状态下直流电缆等值电路模型及其故障电压、电流的数学表达式建立困难，因此精确地分析MMC-HVDC***故障信号提取与辨识尤为困难。
针对MMC-HVDC***的线路故障监测问题所采用的录波仪只能记录极线电压和电流，无法提供相关的高频故障波形信息以实现故障的快速辨识。国内有学者提出了基于RL线路模型和Prony算法的单端故障定位法，在此基础上又提出了基于RL线路模型和Prony算法的双端故障定位法，但都由于要使***两端的故障模块同步投入，使得该技术在工程实际中很难得到应用，而且忽路了电缆分布电容的影响，与实际工程不符。国外提出了多种直流故障辨识的技术，多使用电流上升率、电流的大小、电流振荡模式、连续小波变换等方法，但这些方法依赖于双端测量，受传感器和通信的影响较大，实际应用也受到极大限制。
发明内容
本发明的目的在于克服之前直流电缆监测及故障辨识方法的不足，提出一种新的直流电缆故障监测和辨识方法。该方法是在MMC-HVDC***直流侧发生故障时，在换流站负载端进行监测和辨识故障信号，有效的判断故障来源以及故障类型，为后续的故障控制、清除提供动作依据。
首先针对不同的故障类型做严格的电路分析，并结合电力***分析中的故障边界条件，理论分析各种故障产生瞬间的冲击电流值，基于换流站内部结构推导负载端交流测的电流数学模型。然后，利用数字仿真软件PSCAD模拟故障信号波动变化，以验证数学模型的准确性。最后，通过减噪技术，记录故障信号并通过计算机的整合，形成故障信号知识库，用以比对分析故障信号。
该发明的难点在于如何提取有效的故障信号。因为在故障发生后产生的冲击电流经过换流站，将参杂大量的干扰成分；除此之外，电磁干扰、交流测三相不平衡都会掩盖真实的故障信号。所以该发明的关键技术是应用小波时间熵理论，进行减噪处理，获取真实、有效的故障信号，从而为后续的保护做参考依据。
附图说明
图1为直流电缆监测***框架图。
图2为辨识故障新方法原理图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施过程对本发明作进一步描述。
参见图1，直流电缆监测、辨识***框架如图所示，***各环节采取模块化设计，由以下三部分组成：换流站交流测负载端运行电流采集模块、故障信号知识库模块和远程综合信息管理***。其中，换流站交流测负载端运行电流采集模块主要包括原始信号采集、滤波电路与远程测控终端。原始信号采集模块通过传感器从换流站负载端的交流母线处采集实时电流信号，然后使用滤波电路初步消除信号中的杂质。故障信息知识库模块与远程综合信息管理***协同配合，接收采集模块传输来的实时电流波动信息，在计算机中应用小波时间熵数字图像处理技术对电流信息去除干扰，然后与故障信息知识库中已有的数据进行比对、分析，从而辨识故障类型，并记录在计算机中完善知识库模块。
参见图2(a)，为MMC-HVDC***的极间短路故障示意图，图中iga、igb、igc为需要监测的实时电流，依据电力***分析相关知识，结合极间短路故障的条件：
计算故障发生时流过故障极的冲击电流数学表达式，然后分析换流站内的结构，推导出iga、igb、igc的理论数学表达式：
iga,b,c＝Igsin(ωst+α-ρ)+Igne-t/τ
其中，ρ＝arctan[ωs(L线+L)/R]，τ＝(L线+L)/R，ωs为阻尼谐振频率，α为衰减系数。然后用数字仿真软件模拟推导结论的正确性。
图2(b)，为MMC-HVDC***单极接地故障示意图，同理也可推导出该故障情况的iga、igb、igc，从而建立故障信号知识库，辨识故障类型。
其中

Claims (2)

1.用于直流输电***电缆故障监测和辨识***，其特征在于：通过换流站交流测负载端在线监测***实时采集的MMC-HVDC电流波动参数，应用小波时间熵的数字图像处理技术分析采集的故障信息，以减少噪音干扰，然后与故障信息知识库比对，从而有效、准确的辨识故障类型。该方法可实现故障的实时在线监测，避免了其他方法只能离线辨识的尴尬，且精确度高，成本低，并能对历史故障整合的过程中完善知识库。
2.根据权利要求1，该***采用模块化设计，由以下三部分组成：换流站交流测负载端运行电流采集模块、故障信号知识库模块和远程综合信息管理***。其中，换流站交流测负载端运行电流采集模块主要包括原始信号采集、滤波电路与远程测控终端。原始信号采集模块通过传感器从换流站负载端的交流母线处采集实时电流信号，然后使用滤波电路初步消除信号中的杂质。故障信息知识库模块与远程综合信息管理***协同配合，接收采集模块传输来的实时电流波动信息，在计算机中应用小波时间熵数字图像处理技术对电流信息去除干扰，然后与故障信息知识库中已有的数据进行比对、分析，从而辨识故障类型，并记录在计算机中完善知识库模块。
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