CN102401866B - 三调谐直流滤波器失谐故障元件检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种三调谐直流滤波器失谐故障元件检测方法，包括以下步骤：S1：分别计算正常运行时和失谐后三调谐滤波器的谐波阻抗值；S2：根据所述谐波阻抗值计算所述三调谐滤波器的谐波阻抗偏移量比值；S3：根据设定的偏移量比值范围和失谐后的谐波阻抗特性判断出失谐元件。本发明的方法过程简单，物理意义清晰，从而能快速准确地检测出三调谐直流滤波器中的失谐故障元件，且算法也易于在工程上实现。

Description

三调谐直流滤波器失谐故障元件检测方法

技术领域

本发明涉及一种三调谐直流滤波器失谐故障元件检测方法，属于电力系统控制保护技术领域。

背景技术

近年来，我国加快了直流输电工程的建设。在直流输电系统中，换流器作为一大功率、非线性电力电子元件会在直流系统及其所连接的交流系统产生大量的谐波。目前抑制直流系统谐波最广泛采用的方法是装设无源型直流滤波器。常用的无源滤波器有单调谐滤波器、双调谐滤波器、三调谐滤波器以及高通滤波器等。三调谐滤波器由于其具有良好的滤波特性和经济性受到了越来越多的关注，并已在高压及特高压直流输电工程中得到了应用。

三调谐直流滤波器一般由电感和电容元件组成，如图1所示，三调谐滤波器的结构包括串联连接的C₁、L₁，并联连接的C₂、L₂和并联连接的C₃、L₃，在调谐频率处滤波器呈现低阻抗，谐波电流经由滤波器通道滤除。在运行过程中，由于温度变化或直流滤波器元件老化所导致的滤波器元件参数变化均会造成滤波器的调谐特性发生变化，使直流滤波器的实际谐振频率偏离设计值，从而影响滤波器的滤波效果，进而影响系统的正常运行。当滤波器元件参数超出允许的变化范围时，失谐保护将动作。为定位出滤波器中参数发生微变的元件，在失谐保护动作后，仍需对滤波器中所有的元件进行检测，工作量大且较繁琐。由于在实际工程中滤波器中单一元件参数微变的概率最大，因此，直流滤波器中的单一元件参数渐变引起失谐故障，如果在滤波器失谐保护动作的同时，能够快速准确地实现故障元件检测，将大大缩短滤波器修复时间，提高其可用度。然而，目前这方面的研究还很少，已有的基于启发式算法的检测方法依赖于样本集的选取及属性空间的划分，算法复杂，不易于工程实现。

发明内容

本发明的目的在于提供一种三调谐直流滤波器失谐故障元件检测方法，解决已有的基于启发式算法的检测方法依赖于样本集的选取及属性空间的划分，算法复杂，不易于工程实现的问题。

一种三调谐直流滤波器失谐故障元件检测方法，包括以下步骤：

S1：分别计算正常运行时和失谐后三调谐滤波器的谐波阻抗值；

S2：根据所述谐波阻抗值计算所述三调谐滤波器的谐波阻抗偏移量比值；

S3：根据设定的偏移量比值范围和失谐后的谐波阻抗特性判断出失谐元件。

与现有技术相比，本发明的技术通过分别计算正常运行时和失谐后三调谐滤波器的谐波阻抗值，依据其计算出谐波阻抗偏移量比值，由设定的偏移量比值范围及失谐后的谐波阻抗特性判断所计算的谐波阻抗偏移量比值，由判断结果确定失谐元件，整个方法过程简单，物理意义清晰，从而能快速准确地检测出三调谐直流滤波器中的失谐故障元件，且算法也易于在工程上实现。

附图说明

图1是三调谐滤波器的结构示意图；

图2是本发明的三调谐直流滤波器失谐故障元件检测方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的三调谐直流滤波器失谐故障元件检测方法作详细描述。

参见图2所述，本发明的技术方案包括如下步骤：

S1：分别计算正常运行时和失谐后三调谐滤波器的谐波阻抗值。

作为一个实施例，S1包括如下步骤：

采集正常运行时的直流三调谐滤波器的高压端的测量电压和电流瞬时值，并采用相量滤波算法分别计算正常运行时的12次和36次谐波电压和电流相量，根据所述谐波电压和电流相量计算正常运行时三调谐滤波器的12次和36次谐波阻抗值；具体地，计算阻抗值的过程可以用以下公式表示：

$Z_{12}=\frac{\stackrel{\·}{U_{12}}}{\stackrel{\·}{I_{12}}};......\left(1\right)$

$Z_{36}=\frac{\stackrel{\·}{U_{36}}}{{\stackrel{\·}{I}}_{36}};.....\left(2\right)$

其中，

是正常运行时的12次和36次谐波电压，

是正常运行时的12次和36次谐波电流相量，Z₁₂、Z₃₆是正常运行时的12次和36次谐波阻抗值。

采集失谐后直流三调谐滤波器的高压端的测量电压和电流瞬时值，并采用相量滤波算法分别计算失谐后的12次和36次谐波电压和电流相量，根据所述谐波电压和电流相量计算失谐后的三调谐滤波器的12次和36次谐波阻抗值；具体地，计算阻抗值的过程可以用以下公式表示：

$Z_{12}^{\′}=\frac{{\stackrel{\·}{U}}_{12}^{\′}}{{\stackrel{\·}{I}}_{12}^{\′}};......\left(3\right)$

$Z_{36}^{\′}=\frac{{\stackrel{\·}{U}}_{36}^{\′}}{{\stackrel{\·}{I}}_{36}^{\′}};......\left(4\right)$

其中，

是失谐后的12次和36次谐波电压，

是失谐后的12次和36次谐波电流相量，Z′₁₂、Z′₃₆是失谐后的12次和36次谐波阻抗值。

S2：根据所述谐波阻抗值计算所述三调谐滤波器的谐波阻抗偏移量比值。

具体地，计算谐波阻抗偏移量比值的计算过程，可以用以下公式表示：

ΔZ₁₂=Z′₁₂-Z₁₂；……（5）

ΔZ₃₆=Z′₃₆-Z₃₆；……（6）

$k=\left|\frac{{\mathrm{\ΔZ}}_{12}}{{\mathrm{\ΔZ}}_{36}}\right|;......\left(7\right)$

其中，ΔZ₁₂、ΔZ₃₆是12次和36次谐波阻抗偏移量，k是谐波阻抗偏移量比值。

S3：根据设定的偏移量比值范围和失谐后的谐波阻抗特性判断出失谐元件。

对于上述判断失谐元件的过程，作为一个实施例，根据上述计算得到的k值，结合失谐后谐波阻抗的特性（容性或感性），再根据以下设定的偏移量比值范围来判断具体的失谐元件，具体的判断方法如下：

（a）谐波阻抗特性呈感性时：

若2.7≤k≤3.2，则C₁为故障元件；

若0.33≤k≤0.36，则L₁为故障元件；

若 $\frac{{(1-{\mathrm{\ω}}_{36}^2{L}_2{C}_2)}^2}{30{(1-{\mathrm{\ω}}_{12}^2{L}_2{C}_2)}^2}\≤k\≤\frac{{(1-{\mathrm{\ω}}_{36}^2{L}_2{C}_2)}^2}{9{(1-{\mathrm{\ω}}_{12}^2{L}_2{C}_2)}^2},$ 则C₂为故障元件；

若 $\frac{{(1-{\mathrm{\ω}}_{36}^2{L}_2{C}_2)}^2}{3.3{(1-{\mathrm{\ω}}_{12}^2{L}_2{C}_2)}^2}\≤k\≤\frac{{2(1-{\mathrm{\ω}}_{36}^2{L}_2{C}_2)}^2}{3{(1-{\mathrm{\ω}}_{12}^2{L}_2{C}_2)}^2},$ 则L₂为故障元件；

若 $\frac{{(1-{\mathrm{\ω}}_{36}^2{L}_3{C}_3)}^2}{30{(1-{\mathrm{\ω}}_{12}^2{L}_3{C}_3)}^2}\≤k\≤\frac{{(1-{\mathrm{\ω}}_{36}^2{L}_3{C}_3)}^2}{12{(1-{\mathrm{\ω}}_{12}^2{L}_3{C}_3)}^2},$ 则C₃为故障元件；

若 $\frac{{(1-{\mathrm{\ω}}_{36}^2{L}_3{C}_3)}^2}{3{(1-{\mathrm{\ω}}_{12}^2{L}_3{C}_3)}^2}\≤k\≤\frac{{(1-{\mathrm{\ω}}_{36}^2{L}_3{C}_3)}^2}{2{(1-{\mathrm{\ω}}_{12}^2{L}_3{C}_3)}^2},$ 则L₃为故障元件。

（b）谐波阻抗特性呈容性时：

若2.9≤k≤3.3，则C₁为故障元件；

若0.30≤k≤0.36，则L₁为故障元件；

若 $\frac{{(1-{\mathrm{\ω}}_{36}^2{L}_2{C}_2)}^2}{54{(1-{\mathrm{\ω}}_{12}^2{L}_2{C}_2)}^2}\≤k\≤\frac{{(1-{\mathrm{\ω}}_{36}^2{L}_2{C}_2)}^2}{21{(1-{\mathrm{\ω}}_{12}^2{L}_2{C}_2)}^2},$ 则C₂为故障元件；

若 $\frac{{(1-{\mathrm{\ω}}_{36}^2{L}_2{C}_2)}^2}{6{(1-{\mathrm{\ω}}_{12}^2{L}_2{C}_2)}^2}\≤k\≤\frac{{(1-{\mathrm{\ω}}_{36}^2{L}_2{C}_2)}^2}{2.7{(1-{\mathrm{\ω}}_{12}^2{L}_2{C}_2)}^2},$ 则L₂为故障元件；

若 $\frac{{(1-{\mathrm{\ω}}_{36}^2{L}_3{C}_3)}^2}{81{(1-{\mathrm{\ω}}_{12}^2{L}_3{C}_3)}^2}\≤k\≤\frac{{(1-{\mathrm{\ω}}_{36}^2{L}_3{C}_3)}^2}{24{(1-{\mathrm{\ω}}_{12}^2{L}_3{C}_3)}^2},$ 则C₃为故障元件；

若 $\frac{{(1-{\mathrm{\ω}}_{36}^2{L}_3{C}_3)}^2}{9{(1-{\mathrm{\ω}}_{12}^2{L}_3{C}_3)}^2}\≤k\≤\frac{{(1-{\mathrm{\ω}}_{36}^2{L}_3{C}_3)}^2}{3{(1-{\mathrm{\ω}}_{12}^2{L}_3{C}_3)}^2},$ 则L₃为故障元件。

其中，ω₁₂、ω₃₆为12次和36次谐波角频率，由12次/36次谐波确定，k为谐波阻抗偏移量比值，C₁、L₁、C₂、L₂、C₃、L₃为直流滤波装置的元件参数。

请参阅表1，表1为一特高压直流输电系统的直流滤波装置的具体参数。

表1：

根据上述表1的元件参数和12次/36次谐波（ω），代入上述判断方法中的（a）、（b）进行计算，即：

（a）谐波阻抗呈感性时：

若2.7≤k≤3.2，则C₁为故障元件；

若0.33≤k≤0.36，则L₁为故障元件；

若7.11≤k≤23.7，则C₂为故障元件；

若64.64≤k≤142.22，则L₂为故障元件；

若0.0136≤k≤0.034，则C₃为故障元件；

若0.136≤k≤0.272，则L₃为故障元件。

（b）谐波阻抗特性呈容性时：

若2.9≤k≤3.3，则C₁为故障元件；

若0.30≤k≤0.36，则L₁为故障元件；

若3.955≤k≤10.158，则C₂为故障元件；

若35.554≤k≤79.001，则L₂为故障元件；

若0.005≤k≤0.017，则C₃为故障元件；

若0.0453≤k≤0.136，则L₃为故障元件。

下面以基于ATP-EMTP对该特高压直流输电系统的直流滤波装置中各元件参数发生±20%范围内（元件发生失谐故障参数变化一般在该范围内），对k值的偏移进行仿真计算，进一步验证本发明的三调谐直流滤波器失谐故障元件检测方法准确性。

具体地，选择其中一个元件的参数作为变量，其它元件参数不变，对变量的参数进行微变，利用公式（1）至公式（7）计算出的偏移量比值k的范围。通过上述方法分别计算出C₁、L₁、C₂、L₂、C₃、L₃在相应变化范围内对应的k值范围。

请参阅表2，表2列出了特高压直流输电系统直流滤波器元件参数偏移相应的范围时，k值的变化范围。

表2

从表2中仿真计算的结果可以看出，k值范围在上述判断方法（a）、（b）确定的范围内，验证了本发明的三调谐直流滤波器失谐故障元件检测方法能正确判别出失谐滤波器中的故障元件。

以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (1)

1.一种三调谐直流滤波器失谐故障元件检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：分别计算正常运行时和失谐后三调谐直流滤波器的谐波阻抗值；具体包括如下：

采集正常运行时的三调谐直流滤波器的高压端的测量电压和电流瞬时值，并采用相量滤波算法分别计算正常运行时的12次和36次谐波电压和电流相量，根据所述正常运行时的12次和36次的谐波电压和电流相量计算正常运行时三调谐直流滤波器的12次和36次谐波阻抗值；具体为：

$Z_{12}=\frac{\stackrel{\·}{U_{12}}}{\stackrel{\·}{I_{12}}}$

$Z_{36}=\frac{\stackrel{\·}{U_{36}}}{\stackrel{\·}{I_{36}}}$

其中，

是正常运行时的12次和36次谐波电压，

是正常运行时的12次和36次谐波电流相量，Z₁₂、Z₃₆是正常运行时的12次和36次谐波阻抗值；

采集失谐后三调谐直流滤波器的高压端的测量电压和电流瞬时值，并采用相量滤波算法分别计算失谐后的12次和36次谐波电压和电流相量，根据所述失谐后的12次和36次谐波电压和电流相量计算失谐后的三调谐直流滤波器的12次和36次谐波阻抗值；具体为：

$Z_{12}^{\′}=\frac{\stackrel{\·}{U_{12}^{\′}}}{\stackrel{\·}{I_{12}^{\′}}}$

$Z_{36}^{\′}=\frac{\stackrel{\·}{U_{36}^{\′}}}{\stackrel{\·}{I_{36}^{\′}}}$

其中，

是失谐后的12次和36次谐波电压，

是失谐后的12次和36次谐波电流相量，Z′₁₂、Z′₃₆是失谐后的12次和36次谐波阻抗值；

S2：根据所述正常运行时和失谐后三调谐直流滤波器的谐波阻抗值计算所述三调谐直流滤波器的谐波阻抗偏移量比值；具体地包括如下：

ΔZ₁₂=Z′₁₂-Z₁₂；

ΔZ₃₆=Z′₃₆-Z₃₆；

$k=\left|\frac{{\mathrm{\ΔZ}}_{12}}{{\mathrm{\ΔZ}}_{36}}\right|;$

其中，ΔZ₁₂、ΔZ₃₆是12次和36次谐波阻抗偏移量，k是谐波阻抗偏移量比值；

S3：根据设定的谐波阻抗偏移量比值范围和失谐后的谐波阻抗特性判断出失谐元件；具体包括如下：

（a）谐波阻抗特性呈感性时：

若2.7≤k≤3.2，则C₁为故障元件；

若0.33≤k≤0.36，则L₁为故障元件；

若 $\frac{{(1-{\mathrm{\ω}}_{36}^2{L}_2{C}_2)}^2}{30{(1-{\mathrm{\ω}}_{12}^2{L}_2{C}_2)}^2}\≤k\≤\frac{{(1-{\mathrm{\ω}}_{36}^2{L}_2{C}_2)}^2}{9{(1-{\mathrm{\ω}}_{12}^2{L}_2{C}_2)}^2},$ 则C₂为故障元件；

若 $\frac{{(1-{\mathrm{\ω}}_{36}^2{L}_2{C}_2)}^2}{3.3{(1-{\mathrm{\ω}}_{12}^2{L}_2{C}_2)}^2}\≤k\≤\frac{2{(1-{\mathrm{\ω}}_{36}^2{L}_2{C}_2)}^2}{3{(1-{\mathrm{\ω}}_{12}^2{L}_2{C}_2)}^2},$ 则L₂为故障元件；

若 $\frac{{(1-{\mathrm{\ω}}_{36}^2{L}_3{C}_3)}^2}{30{(1-{\mathrm{\ω}}_{12}^2{L}_3{C}_3)}^2}\≤k\≤\frac{{(1-{\mathrm{\ω}}_{36}^2{L}_3{C}_3)}^2}{12{(1-{\mathrm{\ω}}_{12}^2{L}_3{C}_3)}^2},$ 则C₃为故障元件；

若 $\frac{{(1-{\mathrm{\ω}}_{36}^2{L}_3{C}_3)}^2}{3{(1-{\mathrm{\ω}}_{12}^2{L}_3{C}_3)}^2}\≤k\≤\frac{{(1-{\mathrm{\ω}}_{36}^2{L}_3{C}_3)}^2}{2{(1-{\mathrm{\ω}}_{12}^2{L}_3{C}_3)}^2},$ 则L₃为故障元件；

（b）谐波阻抗特性呈容性时：

若2.9≤k≤3.3，则C₁为故障元件；

若0.30≤k≤0.36，则L₁为故障元件；

若 $\frac{{(1-{\mathrm{\ω}}_{36}^2{L}_2{C}_2)}^2}{54{(1-{\mathrm{\ω}}_{12}^2{L}_2{C}_2)}^2}\≤k\≤\frac{{(1-{\mathrm{\ω}}_{36}^2{L}_2{C}_2)}^2}{21{(1-{\mathrm{\ω}}_{12}^2{L}_2{C}_2)}^2},$ 则C₂为故障元件；

若 $\frac{{(1-{\mathrm{\ω}}_{36}^2{L}_2{C}_2)}^2}{6{(1-{\mathrm{\ω}}_{12}^2{L}_2{C}_2)}^2}\≤k\≤\frac{{(1-{\mathrm{\ω}}_{36}^2{L}_2{C}_2)}^2}{2.7{(1-{\mathrm{\ω}}_{12}^2{L}_2{C}_2)}^2},$ 则L₂为故障元件；

若 $\frac{{(1-{\mathrm{\ω}}_{36}^2{L}_3{C}_3)}^2}{81{(1-{\mathrm{\ω}}_{12}^2{L}_3{C}_3)}^2}\≤k\≤\frac{{(1-{\mathrm{\ω}}_{36}^2{L}_3{C}_3)}^2}{24{(1-{\mathrm{\ω}}_{12}^2{L}_3{C}_3)}^2},$ 则C₃为故障元件；

若 $\frac{{(1-{\mathrm{\ω}}_{36}^2{L}_3{C}_3)}^2}{9{(1-{\mathrm{\ω}}_{12}^2{L}_3{C}_3)}^2}\≤k\≤\frac{{(1-{\mathrm{\ω}}_{36}^2{L}_3{C}_3)}^2}{3{(1-{\mathrm{\ω}}_{12}^2{L}_3{C}_3)}^2},$ 则L₃为故障元件；

其中，ω₁₂、ω₃₆为12次和36次谐波角频率，k为谐波阻抗偏移量比值，C₁、L₁、C₂、L₂、C₃、L₃为三调谐直流滤波器的元件参数；所述三调谐直流滤波器包括依次串联连接的电容C1、电感L1、第一并联单元、第二并联单元，第一并联单元由并联连接的电容C2、电感L2构成，第二并联单元由并联连接的电容C3、电感L3构成。

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