CN110208649B - 基于交流电压下降速度的换相故障检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于交流电压下降速度的换相故障检测方法及装置，其中方法包括：步骤S1：基于***参数得到交流电压下降速度的阈值；步骤S2：换相时，实时采集交流电压；步骤S3：计算交流电压下降速度，若交流电压下降速度小于阈值，则输出故障信号。与现有技术相比，本发明采用了交流电压下降速度这一信号实现故障检测，由于交流电压是一项非常容易检测到的量，因此大大降低了故障检测难度。

Description

基于交流电压下降速度的换相故障检测方法及装置

技术领域

本发明涉及一种换相故障检测技术，尤其是涉及一种基于交流电压下降速度的换相故障检测方法及装置。

背景技术

近年来我国的HVDC输电工程蓬勃发展，所传输的容量也逐渐变大，换相失败故障对交流***造成的冲击越来越严重。如何有效的判断换相失败，对如何采取抑制换相失败的措施来说意义重大。

造成换相失败主要有如下几种因素：直流电流的变化、受端交流电压的下降、换相电压谐波增多、相角前移等。到目前为止已经有很多人对换相失败进行了较为深入和全面的研究，得到了诸如换相面积、关断面积、电压跌落、熄弧角方面的判据。

针对经典的熄弧角判据没有考虑直流电流的增加这一不足，也有文献做了改进。认为受端交流故障后电流增加是整流侧和逆变侧的直流电压的差值变大引起的，并将直流电压变化引入熄弧角判据。也有相关文献在通过假设暂态过程中功率不变从而将电压与电流联系起来并改进了换相失败的电压判据，但有文献指出在故障后功率会发生瞬时变化。也有较多的文献将受端交流***故障发生的位置、区域与是否发生换相失败联系起来，从而在实际应用中方便快速的确定一个交流故障是否能造成换相失败。例如有文献结合灵敏度分析与换相失败判据做了详细的分析。但以上这些文献所用的基本判断方法是经典的没有考虑直流电流上升的最小关断角的判据，有一定的改进空间。关于故障后交流母线电压畸变这个的指标，也有文献定量的分析了谐波对换相造成的影响。

对于MIDC***，有文献结合不同频率下的节点导纳矩阵，定量分析各个直流接入点的谐波注入下的换相失败的影响；其他文献指出在某一直流接入点的故障水平较小时大概率造成其他直流接入点换相失败的原因做了详细的分析。当受端电网发生不对称故障时，除了电压降低外，有很大概率引起换流母线交流电压的零点前移从而造成逆变站换相失败。

到目前为止，有很多用故障时电压最小值来判断是否发生换相失败的研究，仿真实验发现大多数的情况是电压还没有下降到最低只就发生了换相失败，所以有改进的空间。其他文献则说明了是否发生换相失败是一个概率性的问题。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于交流电压下降速度的换相故障检测方法及装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于交流电压下降速度的换相故障检测方法，包括：

步骤S1：基于***参数得到交流电压下降速度的阈值；

步骤S2：换相时，实时采集交流电压；

步骤S3：计算交流电压下降速度，若交流电压下降速度小于所述阈值，则输出故障信号。

所述阈值具体为：

其中：k_ac为阈值，I_d0为稳态运行的直流电流，U_LL为换流变交流母线线电压，l_i0为受端空载直流电压，γ_min为最小熄弧角，β为触发超前角，X_c为换流变压器漏抗，NUM₁为计算过程参数。

所述计算过程参数NUM₁具体为：

其中：k_c为取值在0～1之间的修正系数，NUM₂为最大可能换相时间，ω为基频角速度，R_ci为换相过程等效在直流线路上的阻抗，R_d为直流线路的阻值。

所述最大可能换相时间NUM₂具体为：

其中：γ为熄弧角，β为触发超前角。

一种基于交流电压下降速度的换相故障检测装置，包括存储器、处理器，以及存储于存储器中并由所述处理器执行的程序，所述处理器执行所述程序时实现以下步骤：

步骤S1：基于***参数得到交流电压下降速度的阈值；

步骤S2：换相时，实时采集交流电压；

步骤S3：计算交流电压下降速度，若交流电压下降速度小于所述阈值，则输出故障信号。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1)采用了交流电压下降速度这一信号实现故障检测，由于交流电压是一项非常容易检测到的量，因此大大降低了故障检测难度。

2)采用了考虑直流电流上升速度的阈值，并利用了符合自然规定的电磁学设计了阈值，从而大大提高了检测准确度。

附图说明

图1为本发明方法的主要步骤流程示意图；

图2为受端交流故障发生之前的情况原理图；

图3为受端交流测故障之后第1阶段原理图；

图4为换相期间等值电路图；

图5为换相期间阀电流示意图；

图6为不发生换相失败时各个位置电流增量图；

图7为发生换相失败时各个位置电流增量图；

图8为过渡电阻与最小熄弧角的关系图；

图9为电压变化率与最小熄弧角的关系图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本申请首先分析造成故障期间直流电流上升的原因，并做出较为精确的定量分析以便提高换相失败判断方法的精确性。针对目前基于换相电压最低值的换相失败判据与仿真实验存在差异的问题，提出一个基于故障时电压变化率的指标来衡量换相失败是否发生，并将理论计算的结果和仿真实验的结果相对比来验证合理性。

本申请得到的检测方法，该方法以计算机程序的形式由计算机***实现，对应的装置包括存储器、处理器，以及存储于存储器中并由处理器执行的程序，如图1所示，处理器执行程序时实现以下步骤：

步骤S1：基于***参数得到交流电压下降速度的阈值；

步骤S2：换相时，实时采集交流电压；

步骤S3：计算交流电压下降速度，若交流电压下降速度小于阈值，则输出故障信号，其中的阈值具体为：

其中：k_ac为阈值，I_d0为稳态运行的直流电流，U_LL为换流变交流侧母线线电压，l_i0为受端空载直流电压，γ_min为最小熄弧角，β为触发超前角，X_c为换流变压器漏抗，NUM₁为计算过程参数。

计算过程参数NUM₁具体为：

其中：k_c为取值在0～1之间的修正系数，NUM₂为最大可能换相时间，ω为基频角速度，R_ci为换相过程等效在直流线路上的阻抗，R_d为直流线路的阻值。

最大可能换相时间NUM₂具体为：

其中：γ为熄弧角，β为触发超前角。

此外，报警可以通过声光报警或者远程报警实现。

在得到本申请的方法之前，发明人进行了以下分析：

首先，对HVDC***暂态直流电流分析

当程度不严重但又可以造成换相失败的故障发生时，直流电流的上升可以两个阶段：第一个阶段，时间范围为从交流故障开始到同一桥臂的两阀都导通之前，这个阶段主要是由于受端空载直流电压的下降而导致的直流电流上升，这一阶段所经历的时间较短，送端和受端的触发角可以认为不变，这一阶段接近稳态，换相失败过程就发生在这一阶段；第二阶段，时间范围为同一桥臂的两阀导通(例如V1和V4都导通)之后的一段时间，由于同一桥臂上的两阀都导通，受端直流侧相当于短路接地，直流电流上升很快这一阶段与直流***的阻抗和控制策略有关，这是第一阶段时换相失败的结果。

受端交流故障发生之前的情况如图2，稳态运行时U_c0维持恒定，i_c＝0，所以有i_d1＝i_d2＝i_d，同时送、受两端电压恒定，直流***传输的功率恒定。实际***稳态运行时都与额定值有一定的偏差，所以在送受两端的空载直流电压前有两个比例系数l_r0和l_i0。

接下来对第一阶段进行分析，受端交流测故障之后受端空载直流电压l_i0·U_di0降低为l_i1·U_di0会导致直流线路等效电容C进行放电。由于所要考虑的时间段很短可以将电容C等效为直流电压源，源电压与稳态电容电压相等，为

(认为整流侧和逆变侧的等效换相电阻相等R_cr＝R_ci)，如图3。

采用叠加原理对图2和图3进行分析。

对图2，故障前工况，仅考虑整流侧电源，得到式(1)：

对图3，故障后第1阶段，仅考虑整流侧电源，得到式(2)：

对图3，故障后第1阶段，仅考虑逆变侧电源，得到式(3)

将式(1)～式(3)合成可得：

由式(4)～式(6)可以得到，送端直流电流i'_d1在逆变侧交流故障后暂态第一阶段内并不发生变化，电容电流i_c'在这一阶段不再为零，逆变侧直流电流i'_d2上升的主要原因电容电流的上升，即：

设交流电压的变化率为k_ac，l_i1＝l_i0+k_ac·t，可得逆变侧电流变化率k_id和k_ac的关系:

由于将实际的电容的电压并不能保持不变，所以用式(7)、式(8)得出的电流变化率将偏大，因此需要一个在0～1之间的系数k_c加以修正。k_c的具体取值与直流***的各种参数有关，且不随故障的严重程度而改变(Cigre-Benchmark模型的取值约为k_c＝0.78)。

其次，考虑暂态的换相过程分析

1)正常工作时换相过程分析

图4为逆变侧阀V1向阀V3换相期间逆变侧的等值电路。换相期间阀电流的示意图如图5所示，β表示逆变侧触发超前角，α表示触发延迟角。

换相期间根据KCL、KVL有如下等式成立：

则换相期间有式(12)成立：

其中：L_c为换相电感；u_a和u_b为换流母线相电压。

如果忽略直流电流的变化即i_d(t)＝I_d0，则有

由于i₃＝I_d0-i₁，因此在换相期间(t＝α/ω～(π-γ)/ω)对式(12)积分，有：

其中U_LL为阀侧线电压有效值，ω为***角速度，X_c＝ωL_c为换流变压器漏抗，β为逆变侧触发超前角，γ为计算得出的熄弧角。

进而得到：

当熄弧角取临界值时，得到的电压值为不发生换相失败的换流母线电压最低值。

2)考虑暂态直流电流变化的换相过程分析

HVDC***在受端交流故障发生之后在在第一阶段电流的上升非常的明显，假设i_d(t)＝I_d0并不成立，因此需要作新的分析。把

和式2-2联立可得：

将i_d-2i₃重新命名为i_e，则式(16)变为式(17)。换相开始时刻有i₃＝0，则i_e＝i_d0(注意i_d0与I_d0不同，分别为换相开始时刻的直流电流和稳态运行的直流电流)。换相结束之后有i₃＝i_d1，则i_e＝-i_d1(i_d1为换相结束时刻的直流电流瞬时值)。

进而得到i_e关于ωt的表达式：

直流电流的表达式为：

联立式(18)和(19)令i_e＝-i_d，使ωt为临界换相角可得介于换相失败和不发生换相失败之间的临界k_ac。

通常，发生在某一次换相过程完成瞬间的受端交流侧的故障对同一换流桥的下一次换相失败的影响最大，因为交流侧故障对此次换相过程的熄弧角没有影响，熄弧角(gamma)控制器的输出基本维持不变，而到下一次换相时直流电流已经上升到了一定程度(以上假设对12脉波换流器也成立。当故障发生在某次换相完成的瞬间时，虽然会对30度之后的不同换流桥的换相过程熄弧角有所影响，但由于熄弧角在换相电压过零之后才能测出，而此时60度之后的同一换流桥的换相过程早已开始，输入换流器的触发超前角仍然不变)。所以i_d0应该为这种故障情况下一次换相开始时的直流电流，l_i为下一次换相开始时的换流母线电压标幺值。另外临界换相角为触发超前角β减去最小熄弧角γ_min(晶闸管的所需关断时间为400μs左右，考虑串联元件误差和谐波影响后，γ_min取10度)。

将式(19)代入式(20)，并将U_di0＝2×1.35·U_LL＝2.7·U_LL可得:

最后，对本申请方法进行算例分析验证

1)模型介绍

通过PSCAD中的Cigre-Benchmark模型对上述分析进行验证。该模型的传输功率为1000MW，直流电压等级为500kV，整流和逆变两侧均采用12脉波换流器。此模型参数如下：

整流侧和逆变侧换流变压器变比分别为345.0kV/213.4557kV和230.0kV/209.2288kV；换相电抗为X_c＝13.315Ω；正常运行时逆变站为定熄弧角控制，熄弧角为γ＝15°，超前触发角为β＝38.065°,逆变侧的换相电压标幺值为l_i0＝0.986p.u.；直流线路的阻值为R_d＝5Ω；换相过程等效在直流线路上的阻抗为R_ci＝25.430Ω。

2)暂态直流电流变化验证

分别设置两个故障，其中一个可以引起换相失败而另一个不能。然后测量直流***受端和送端的直流电流增量(直流电流瞬时值与额定值的差值)以及直流线路的等效电容上的电流，并与电流增量的理论计算值做对比。

在逆变侧设置240Ω的三相对称故障，1.0s是开始故障持续0.1s,并不会引起换相失败，各个电流的增量如下图6。

通过图6可以发现，交流故障发生开始时，逆变侧直流电流I_dinv的增加确实是由于线路电容电流I_c增加引起的。大约在故障发生后0.005s整流侧的电流I_drec才开始明显增加，同时电容电流I_c的增长开始减缓，总的结果是逆变侧直流电流I_dinv继续程线性的增加。I_dtheory是根据式(7)第一式得出的I_dinv理论增量，上述理论可以在半周期内较为精确的预测I_dinv的增量，而换相失败总是发生在交流故障后的0.005s内，所以在研究换相失败时上述理论可以满足要求。

在逆变侧设置100Ω的三相对称故障，1.0s是开始故障持续0.1s，会引起换相失败，各个电流的增量如下图7。

在图7中，从故障开始到某一桥臂的阀同时导通之前(1.0s～1.0033s)对应电流增长的第一个阶段。在这一阶段内没有出现同一桥臂的上下两阀导通的情况，电流的上升的原因是逆变侧的直流电流的下降，对比I_dinv与I_dtheory，本申请所提到的理论可以较为准确的预测逆变侧直流电流的增加。在1.0033s秒之后由于之前某一个阀换相没有成功而造成此时属于同一个桥臂的两个阀同时导通，相当于逆变侧短路接地造成的直流电流急剧的增加，这种情况下直流电流的变化由多个原因引起，无法精确的预测。

从图6，以及图7中可以发现，逆变侧直流电流在一定时间内(为发生换相失败时约为半个周期，发生换相失败时约为从交流故障开始到同一桥臂上的阀导通之前)近似线性增加。因此，将在不同程度的故障情况下对比实际电流斜率与理论的电流斜率，结果在表1中列出。

表1电流变化率表

3)造成换相失败的临界电压变化率验证

在Cigre-Benchmark模型中,在不同的短路开始时间(1.0s～1.01s，间隔为0.0002s)和不同的短路过渡电阻(240Ω～0Ω，间隔为5Ω)的情况下设置三相故障并计算每次仿真的电压变化率，最小熄弧角与过渡电阻和电压变化率的关系分别如图8和图9。

通过图8和图9可以得出，最小熄弧角随电压变化率和过渡电阻的变化规律相似，随着过渡电阻和电压变化率的减小，换相失败的频率从0％增加到100％。故障开始时间、谐波等等多种因素综合造成了换相失败与不发生换相失败的界限并不分明。另外谐波也对电压变化率的测量也带来了一定的误差。为了在一定程度上避开谐波的影响，选取某一固定故障严重程度下的样本集群，若换相失败的样本数3个及以上，则认为换相失败样本中最大的电压变化率为临界电压变化率。

表2固定故障严重程度(220Ω)电压变化率表

表2是一部分的固定故障严重程度(220Ω)电压变化率表(包含了该故障严重程度下所有的换相失败的样本)，可知在电压变化率小于-3.834p.u./s时，发生换相失败的频率将显著增加。用式(21)得出的发生换相失败的临界变化率为-3.762p.u./s，与实际值的误差为1.88％，可见与实际值比较接近。

针对目前判断换相失败一般不考虑直流电流这一缺点，本申请阐述了暂态过程中直流电流上升的原因并做了一定的量化分析。正对通过电压最低值判断换相失败时电压还未稳定到电压最低值时就已经发生了换相失败这一矛盾，本申请提出了通过电压变化率来判断换相失败是否发生，有效的解决了这一矛盾。

本申请发现HVDC***当受端电压下降时，在开始的一段时间内造成直流上升的主要原因是线路等效电容的放电，并且直流电流变化率在一定的时间内与受端电压变化率程线性变化的关系。本申请在考虑直流电流暂态变化的情况下较为详细的分析了逆变器的换相过程，基于临界换相角理论的基础上，给出了逆变器处于换相失败和不换相失败之间的电压变化率的计算方法。

Claims (6)

1.一种基于交流电压下降速度的换相故障检测方法，其特征在于，包括：

步骤S1：基于***参数得到交流电压下降速度的阈值，

步骤S2：换相时，实时采集交流电压，

步骤S3：计算交流电压下降速度，若交流电压下降速度小于所述阈值，则输出故障信号；

所述阈值具体为：

其中：k_ac为阈值，I_d0为稳态运行的直流电流，U_LL为换流变交流侧线电压，l_i0为受端空载直流电压，γ_min为最小熄弧角，β为触发超前角，X_c为换流变压器漏抗，NUM₁为计算过程参数。

2.根据权利要求1所述的一种基于交流电压下降速度的换相故障检测方法，其特征在于，所述计算过程参数NUM₁具体为：

其中：k_c为取值在0～1之间的修正系数，NUM₂为换相时间，ω为基波角速度，R_ci为换相过程等效在直流线路上的阻抗，R_d为直流线路的阻值。

3.根据权利要求2所述的一种基于交流电压下降速度的换相故障检测方法，其特征在于，所述换相时间NUM₂具体为：

其中：γ为熄弧角，β为触发超前角。

4.一种基于交流电压下降速度的换相故障检测装置，其特征在于，包括存储器、处理器，以及存储于存储器中并由所述处理器执行的程序，所述处理器执行所述程序时实现以下步骤：

步骤S1：基于***参数得到交流电压下降速度的阈值，

步骤S2：换相时，实时采集交流电压，

步骤S3：计算交流电压下降速度，若交流电压下降速度小于所述阈值，则输出故障信号；

所述阈值具体为：

其中：k_ac为阈值，I_d0为稳态运行的直流电流，U_LL为换流变交流母线线电压，l_i0为受端空载直流电压，γ_min为最小熄弧角，β为触发超前角，X_c为换流变压器漏抗，NUM₁为计算过程参数。

5.根据权利要求4所述的一种基于交流电压下降速度的换相故障检测装置，其特征在于，所述计算过程参数NUM₁具体为：

其中：k_c为取值在0～1之间的修正系数，NUM₂为换相时间，ω为基频角速度，R_ci为换相过程等效在直流线路上的阻抗，R_d为直流线路的阻值。

6.根据权利要求5所述的一种基于交流电压下降速度的换相故障检测装置，其特征在于，所述换相时间NUM₂具体为：

其中：γ为熄弧角，β为触发超前角。

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