CN102156260A

CN102156260A - 有源式高压直流开关振荡回路状态评估系统及其方法

Info

Publication number: CN102156260A
Application number: CN2011100650167A
Authority: CN
Inventors: 王俊; 金涛; 袁佳歆; 陈隽; 宁涛; 陈伟; 蔡超; 王雄; 李士杰
Original assignee: Electric Power Research Institute of State Grid Hubei Electric Power Co Ltd
Current assignee: State Grid Corp of China SGCC; Electric Power Research Institute of State Grid Hubei Electric Power Co Ltd
Priority date: 2011-03-17
Filing date: 2011-03-17
Publication date: 2011-08-17
Anticipated expiration: 2031-03-17
Also published as: CN102156260B

Abstract

本发明公开了一种有源式高压直流开关振荡回路状态评估系统及其方法，涉及一种高压直流开关振荡回路状态评估技术。本方法通过可编程自动化控制器PAC和霍尔电流传感器采集振荡回路的电流，并通过GPRS无线传输模块将采集到的电流信号传输到后台PC机，实现高压直流开关振荡回路电流的在线检测；再以后台PC机为工作平台进行编程来来评估振荡回路的状态，包括以下步骤：确定振荡回路的最大燃弧时间T_m；确定振荡回路的标准燃弧时间T_w；评估振荡回路的状态。本发明可以随时评估直流开关振荡回路中的状态，能保障振荡回路产生的电流波形保持稳定，保证了直流输电系统的长期可靠运行以及整个系统的安全稳定。

Description

有源式高压直流开关振荡回路状态评估系统及其方法

技术领域

本发明涉及一种高压直流开关振荡回路状态评估技术，尤其涉及一种有源式高压直流开关振荡回路状态评估系统及其方法。

背景技术

从80年代末以来，我国直流输电技术的研究取得了突飞猛进的进展，目前国内已投运的±500kV直流工程有十余条。我国计划在2020年前投运的直流工程将超过30条；同时，为了实现“西电东送”战略，国家正大力推进包括±400kV、±660kV、±800kV和±1000kV特高压直流输电工程的建设，未来直流输电将成为我国电网的重要组成部分。

直流开关是直流输电工程换流站的重要设备之一，其主要作用是改变直流系统的运行方式和及时清除线路中出现的故障。到目前为止，在高压直流输电系统中的直流开关设计所采用的方法是基于交流开关的基础上，通过各种措施将通过交流开关的恒定电流转换为有电流零点的变换电流。这样利用传统意义上的交流开关所设计的直流开断方案，可以达到开断大电流的效果。现在典型的高压直流开关有无源型直流开关和有源型直流开关两种。当前国内各大换流站装设的直流开关主要有金属回路转换开关(MRTB)、大地回路转换开关(GRTS)、中性母线开关(NBS)等。

电力行业为了加强对变电技术管理，提高电网运行水平，减少事故，规范对直流电源的运行管理，国家电网公司制定了《直流电源系统设备评析标准》等企业规定和标准。目前，在新投运换流站交接以及已运行站的检修工作中，因为缺乏可靠的技术手段和先进的设备和装置，对直流开关振荡回路的检修工作未能有效开展，给安全生产带来了隐患。

湖北省电力试验研究院提出了一种振荡回路参数的测量方法，并已广泛应用到直流开关的现场试验中。这种测量方法必须是在离线的方式下进行的，且测量工作较为繁琐，工作量较大。图1为传统离线式测量MRTB(金属回路转换开关)振荡回路参数方法的电路原理图。

现场试验时，先将电容C两端电压充到300V左右，接着断开充电回路开关SW，并逐步闭合振荡回路开关S1和开断元件S2，此时电容C通过振荡回路放电，通过电阻分流计R和数字存储示波器SBQ完成对振荡回路电流的记录。

上述测量方法的不足之处是：

1、根据试验电流波形计算电感L和电阻R的前提是必须知道电容器C的容抗值，且现场试验时一般是使用万用表估测电容值，这给计算的精度也带来误差。

2、在搭建试验回路时，必须配置调压器和整流器等装置，由于整个直流断路器是安装在一个绝缘平台上，因而在给电容器C充电时，需从电容器C的两端引线下来；同时为了将电阻分流计R串接到放电回路中，必须从振荡回路的一个连接口上拆掉一根导线，这种试验方法接线较为繁琐，需要工作人员现场登高拆接导线；更严重的是，由于接入的导线自身的电感和电阻，会严重影响所计算得到的电感和电阻值的有效性和精确性。

3、整个试验过程必须在离线的状态下进行，导致测量的波形和计算的结果都缺乏实时性，不能有效地反映直流断路的开断过程和运行状况，同时也影响了直流输电系统的可靠性及能量可利用率。

到目前为止，直流开关的测量仪器都是在试验室和生产厂家进行，其相关的测试仪器都是采用“人工干预计算”。采用设备主要是大型充电机、直流屏、蓄电池组、毫秒计和波形记录仪等。

直流断路器与交流断路器相比，直流断路器所通过的电流为直流电流，没有可直接熄灭电弧的电流零点。因此，现有应用的直流断路器系统一般是在改装的交流断路器上加装包括电抗器、电容器所组成的振荡回路，通过振荡回路产生的高频振荡电流，实现断路器断口电流过零和电弧的熄灭，最终成功实现直流断路器的开断。因而直流断路器的开断能力与振荡回路的特性息息相关，振荡回路容抗、感抗和阻尼电阻的值直接影响到振荡回路中振荡电流的幅度、频率、衰减等；一旦振荡回路参数不能满足设计要求或不能良好匹配就有可能使得直流断路器开断时所产生的电弧不能熄灭，导致断路器开断失败，将对直流输电系统造成严重的后果。所以对振荡回路的状态进行实时的评估具有极其重要的意义。

现行的检修评估方案中，在换流站进行检修时运用专门的仪器或者用特定的试验方法来分别测定直流开关振荡回路中电阻R、电感L、电容C的具体值，进而估计振荡回路的状态，还有一种直流开关离线参数测量方法需要在回路中串入分流计进行试验。这些方法的缺点是：

1、这些方法全部是离线的，只有在换流站进行检修的时候进行，在换流站正常运行过程中无法得知这些值，而一旦当其中某些参数由于设备老化或者过电压冲击发生一些变化时，就是无法得知其变化的具体数值的。

2、直流开关分离元件多，试验的周期很长，花费的人力物力比较大。

3、现有直流开关离线参数测量试验需要解开直流开关振荡回路连接线。

4、现有直流开关离线参数测量试验需要外加很长的延长线将分流计传入直流开关振荡回路中。由于振荡回路中电感参数本身很小(几十μH数量级)，而增加延长线的导线电感也有几十μH电感，这样会严重影响测量结果。

5、现有直流开关离线参数测量试验，计算电阻R、电感L和电容C的参数是采用首先假定电容C参数不变，根据振荡电流的频率计算出电感L参数。其次再根据电感L参数和振荡电流的包络线计算出电阻参数，与现场实际不完全符合。

6、由于跟据以上方法算出的振荡回路R、L、C参数不准确，所以得出的评估状态也不准确。

发明内容

由于要对振荡回路状态进行评估，因此必须先知道振荡回路R、L、C参数的值，又因为不可能允许将对R、L、C这些参数进行直接测量的装置长期挂网运行，所以必须采用其他的测量方法来间接地求取R、L、C的值，进而评估振荡回路的状态。本发明的目的就在于克服现有技术存在的缺点和不足，提供一种有源式高压直流开关振荡回路状态评估系统及其方法。本方法只需要知道电阻R、电感L、电容C以及振荡回路的最大燃弧时间和标准燃弧时间，即可评估出振荡回路的状态。

本发明的目的是这样实现的：

一、有源式高压直流开关振荡回路状态评估系统(简称系统)

本系统以PAC为核心，以霍尔电流传感器作为采集设备，以GPRS作为通信手段，以太阳能电池板、蓄电池以及直流电压转化器作为装置的工作电源，通过GPRS无线传输将采集到的信号传输到后台PC机上存储起来，从而实现了对有源式高压直流开关振荡回路电流的在线监测。

系统的前置包括信号的采集部分和传输部分，采集部分由霍尔传感器和PAC采集卡组成，数据传输部分由GPRS完成，数据发送到后台之后，经过遗传算法计算出R、L、C值。

具体地说，本系统包括PAC、传感器、GPRS模块、太阳能电池板、太阳能控制器、蓄电池、直流电压转化器和后台PC机；

分别与太阳能电池板和蓄电池连接的太阳能控制器又与直流电压转化器连接，构成供电电源；

直流电压转化器分别与PAC、传感器和GPRS模块连接，实现供电；

传感器、PAC、GPRS模块和后台PC机依次连接，实现数据的采集、传输和处理。

本发明的测量原理：

与传统离线式的相比较，本发明不采用电阻分流计和示波器完成对振荡回路电流的记录，而是采用更加精确的PAC和霍尔电流传感器来采集振荡回路的电流，并通过GPRS无线传输技术将采集到的电流信号传输到后台PC机，从而实现了高压直流开关振荡回路状态评估。

二、有源式高压直流开关振荡回路状态评估方法(简称方法)

通过可编程自动化控制器PAC和霍尔电流传感器采集振荡回路的电流，并通过GPRS无线传输模块将采集到的电流信号传输到后台PC机，实现高压直流开关振荡回路电流的在线检测；再以后台PC机为工作平台进行编程来来评估振荡回路的状态，包括以下步骤：

①确定振荡回路的最大燃弧时间T_m

最大燃弧时间T_m由高压直流开关的技术文件给出；

②确定振荡回路的标准燃弧时间T_w

高压直流开关的标准燃弧时间T_w即直流开关振荡回路在标准电阻、电感以及电容下的燃弧时间，通过实验以及仿真得到；

③评估振荡回路的状态

a、建立燃弧时间表；

b、得出当前R、L、C下的燃弧时间T；

c、采取降半梯形函数这一模糊隶属度函数组成的模糊系统来评价振荡回路当前的状态。

上述步骤中，除步骤③外，其它步骤均为常用步骤。

其中，模糊理论的原理是：

模糊系统概念是由Zadeh首次引入的(1973年)。在这一方法中，不确定事件是由模糊度(也称之为关联函数、可能性函数或隶属度函数)来描述的。简言之，如果A是一个模糊概念(或不确定事件)，而且是全集E的子集，则A可描述为

A＝{x|u_A(x)}

其中x∈E为A的取值；u_A(x)为x对A的隶属度。

模糊隶属度是一个单调函数，0≤u_A(x)≤1，且“0”意指确定的“no”，而“1”隐含确定的“yes”。

图4说明了模糊分类的概念。与普通分类概念相比较，常易混淆的问题是模糊隶属度与概率有何不同点。模糊隶属度表示事件的不精确性(如x如何接近于A)，而概率描述的是x事件出现的频率(如x出现可能性大小)。许多专著系统地讨论了模糊系统。目前已开发了许多基于模糊系统的识别算法，这些方法包括C-均值方法和模糊线性方程法等。

模糊系统是用精确的数学方法处理过去无法用经典数学描述的模糊事物，在设备的状态评估技术中，作为实现不精确推理和模糊性决策的重要工具，它有助于提高评估准确性。

选择降半梯形函数的原因是因为燃弧时间是表征断路器性能的重要参数，燃弧时间的长短直接影响了电流的能否开断，燃弧时间越长，电弧能量越大，使触头、灭弧室有更大的烧损，产生开断的机会就越小，当超过最大燃弧时间以后，就表示不能开断了。

本发明具有下列优点和积极效果：

1、可以随时在线测量直开关振荡回路中的R、L、C参数，能保障振荡回路产生的电流波形保持稳定，保证了直流输电系统的长期可靠运行以及整个系统的安全稳定；

2、大量减少对直流开关分离元件参数测量的工作量。

3、由于振荡回路R、L、C参数不可能一直保持不变，对应振荡回路的状态也在变化，可以根据本发明实时的判断出振荡回路的状态，从而能有针对性的进行检修，减少检修和维护工作量，降低维修费用，保证电网和设备安全，提高高压直流输电系统的可靠性和经济型。

4、当系统显示振荡回路的状态为故障或者开关出现无法切断直流电流的情况时，可以通过录波系统监测到的电压电流波形进行计算，找出R、L、C的参数变化情况，以便现场人员迅速查找出故障，并安排应对措施，展开排查。

附图说明

图1是直流开关的振荡回路基本原理图；

图2是本系统的结构示意图；

图3是振荡回路状态评估流程图；

图4是模糊分类图；

图5是由高压直流开关的技术文件给出的最大燃弧时间T_m查找图；

图6是由高压直流开关的技术文件给出的标准燃弧时间T_w查找图；

图7是通过仿真得到的标准燃弧时间T_w查找图；

图8为燃弧时间表。

图中：

1-PAC； 2-传感器； 3-GPRS模块；

4-太阳能电池板； 5-太阳能控制器； 6-蓄电池；

7-直流电压转化器； 8-后台PC机。

C-电容； SW-充电回路开关； S1-振荡回路开关；

S2-开断元件； R-电阻分流计； SBQ-数字存储示波器；

E-电源。

英译汉：

1、GPRS(General Packet Radio Service)-通用分组无线服务技术，它是全球通移动电话用户可用的一种移动数据业务。

2、PAC-可编程自动化控制器。

3、MRTB-金属回路转换开关。

具体实施方式

本发明的实现方式就是将电流传感器上测到的信号通过GPRS无线传输技术传到工控机上，然后在工控机上对振荡回路的状态进行评估，最终得到振荡回路的状态。

一、系统

1、总体

前置系统包括信号的采集部分和传输部分，采集部分由霍尔传感器和PAC采集卡组成，数据传输部分由GPRS完成，数据发送到后台之后，在工控机上评估振荡回路的状态。

如图2，本系统包括PAC1、传感器2、GPRS模块3、太阳能电池板4、太阳能控制器5、蓄电池6、直流电压转化器7和后台PC机8；

分别与太阳能电池板4和蓄电池6连接的太阳能控制器5又与直流电压转化器7连接；

直流电压转化器7分别与PAC1、传感器2和GPRS模块3连接；

传感器2、PAC1、GPRS模块3和后台PC机8依次连接。

本系统的应用是将传感器2的输入端和振荡回路的电流输出端连接。

2、功能块

1)PAC1

所述PAC1选用德国Beckhoff CX1020型PC机。

CX1020可以将总线端子和EtherCAT端子直接连接。CX1020配备有16Hz的

M CPU。它是一个节省功耗的设备，能够在极低的内核电压下进行工作，其热功耗只有7WTDP(热设计功耗)。这样一来，CX1020嵌入式PC的设计非常紧凑，也不需要使用风扇。CX1020标配的基本CPU模块带有两个RJ45插口和一个集成的三端口交换机。在实际应用中，因为有了这种设备，所以无需使用另外的交换机即可方便地对线型拓扑结构进行配置。这样只需要CX1020就可以实现数据的采集和GPRS无线传输的发送控制。

2)传感器2

所述传感器2选用大容量的霍尔电流传感器(HDC10000HA)作为测量设备。

HDC10000HA系列霍尔电流传感器是应用霍尔效应原理的新一代电流传感器，能在电隔离条件下测量直流、交流、脉冲以及各种不规则波形的电流。

3)GPRS模块3

所述GPRS模块3选用深圳宏电公司生产的一种可接收并传输数据的模块，其原理是利用GPRS技术实现数据的无线传输，本装置选用多点对多点的方式进行数据的传输。

4)太阳能电池板4

所述太阳能电池板4选用2块功率为80W的太阳能板并联运行。

5)太阳能控制器5

所述太阳能控制器5是一种控制太阳能电池板充电状态的模块，并对蓄电池起充电保护和过放电保护的作用。

6)蓄电池6

所述蓄电池6选用2块电压12V、容量40AH的铅酸蓄电池并联而成。

7)直流电压转化器7

所述直流电压转化器7是一种能将直流电压转化成不同大小直流电压等级的模块。

太阳能电池板4、太阳能控制器5、蓄电池6和直流电压转化器7构成供电电源，通过蓄电池6提供的12V电压，经3个直流电压变换器7之后，一个输出24V给PAC1供电，另一个输出±15V给传感器2供电，再一个输出12V给GPRS模块3供电，这样各个设备都能在额定电压下正常工作并且不影响周围的高压电器设备。

8)后台PC机8

所述后台PC机8是一种在后台用于接收GPRS模块3发送数据的工控机，其除了可以接收数据以外，还能对数据进行处理与分析，从而得出高压直流开关振荡回路各参数的值。

3、现场试验

以葛-上直流输电工程葛洲坝换流站现场进行大量的高压直流开关振荡回路参数测试试验为例，如图2，其中振荡电流信号使用霍尔电流传感器(50A：3.5V)测量，测量到的信号通过GPRS无线传输到远方的工控机上，电容器两端电压信号使用数字示波器记录。

二、方法

如图3，为利用模糊理论评估振荡回路状态的流程图。

1、关于步骤①10

为了确定葛洲坝换流站现场MRTB的最大燃弧时间Tm 10，我们去了西安高压电器研究所调研了MRTB的出厂验收实验，从技术人员以及国网公司的招标文件上得知：葛洲坝换流站MRTB的最大燃弧时间Tm为25ms，如图5所示：

2、关于步骤②20

高压直流开关的标准燃弧时间Tw即是断路器振荡回路在标准电阻、电感以及电容下的燃弧时间，可以通过实验以及仿真得到。

MRTB出厂实验的波形以及数据如图6所示：其中20为燃弧时间，单位为毫秒。

葛洲坝换流站MRTB仿真的波形如图7：

通过MRTB出厂实验以及仿真的结果表明，选取MRTB振荡回路在标准电感、电容以及电阻下的燃弧时间即20ms为标准燃弧时间Tw。

3、关于步骤③30

在确定了振荡回路的最大燃弧时间Tm 10以及标准燃弧时间Tw 20后，为了评价振荡回路的状态，分以下几个步骤完成：

步骤一，建立燃弧时间表31；

燃弧时间表通过MATLAB仿真得到，在MATLAB里面代入不同的电阻、电感以及电容，然后分别得到不同的燃弧时间，燃弧时间表如图8所示。图中F表示仿真中电流开断不了的情况。

步骤二，得出当前R、L、C下的燃弧时间T 32；

将工控机接受到的数据经编程算出振荡回路参数之后，调用燃弧时间表，找出此参数下的燃弧时间T，如本次实验算出振荡回路参数为：L＝64uH，C＝38uF，R＝0.05Ω，在燃弧时间表中找出对应的燃弧时间T为21.5ms。

步骤三，采取降半梯形函数这一模糊隶属度函数组成的模糊系统来评价振荡回路当前的状态33。

在得出当前R、L、C下的燃弧时间T后，经过量化处理，得出

V = \{\begin{matrix} 1, T < = T_{w} \\ \frac{T_{m} - T}{T_{m} - T_{w}}, T_{w} < T < = T_{m} \\ 0, T > T_{m} \end{matrix} .

V是一个取值为(0-1)的区间，实际中常用定性的方法将MRTB振荡回路的健康状态划分为若干等级。根据长期研究的实际经验，本发明将MRTB振荡回路的健康状态划分为4个等级，并建立健康值定量指标与MRTB振荡回路健康状态定性评价等级之间的对应关系，如表1所示：

表1MRTB振荡回路健康状态V

因为本次实验对应的燃弧时间T为21.5ms，T的值在标准燃弧时间Tw以及最大燃弧时间Tm之间，所以算出V的值为0.7，根据表1可知，振荡回路对应于一般状态。

Claims

1.一种有源式高压直流开关振荡回路状态评估系统，其特征在于：

包括PAC（1）、传感器（2）、GPRS模块（3）、太阳能电池板（4）、太阳能控制器（5）、蓄电池（6）、直流电压转化器（7）和后台PC机（8）；

分别与太阳能电池板（4）和蓄电池（6）连接的太阳能控制器（5）又与直流电压转化器（7）连接，构成供电电源；

直流电压转化器（7）分别与PAC（1）、传感器（2）和GPRS模块（3）连接，实现供电；

传感器（2）、PAC（1）、GPRS模块（3）和后台PC机（8）依次连接，实现数据的采集、传输和处理。

2.根据权利要求1所述的评估系统，其特征是：

所述PAC（1）是Beckhoff CX1020。

3.根据权利要求1所述的评估系统，其特征是：

所述传感器（2）是霍尔电流传感器。

4.按权利要求1所述系统的有源式高压直流开关振荡回路在线评估方法，其特征在于：

①确定振荡回路的最大燃弧时间T_m（10）

最大燃弧时间T_m由高压直流开关的技术文件给出；

②确定振荡回路的标准燃弧时间T_w（20）

③评估振荡回路的状态（30）

a、建立燃弧时间表（31）；

b、得出当前R、L、C下的燃弧时间T（32）；

c、采取降半梯形函数这一模糊隶属度函数组成的模糊系统来评价振荡回路

当前的状态（33）。