CN103336208B - 交直流输电系统自适应100Hz保护判据的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种交直流输电系统自适应100Hz保护判据的方法，包括以下步骤：1)对交直流输电系统的参数进行分析，计算交直流输电系统对应的K_set；2)通过电流互感器得到换流站各个6脉动换流器的阀侧三相电流及直流侧的电流采样值，进行数据处理后得到K；3)对K与K_set的大小进行比较，若K＞K_set，判断为阀故障；若K＜K_set，判断为交流系统不对称故障；本发明基于两种故障情况下换流器电流开关函数工频负序分量幅值比的不同，通过自适应保护判据可识别交流系统不对称故障和换流阀故障，进而可以根据两种故障对直流100Hz保护的要求不同，采取不同的动作方案，实现了交直流输电系统保护的相互配合，保护了故障情况下设备和电网的安全。

Description

交直流输电系统自适应100Hz保护判据的方法

技术领域

本发明涉及一种100Hz保护判据的方法，尤其是一种交直流输电系统自适应100Hz保护判据的方法，属于电力系统保护领域。

背景技术

目前的直流工程中，100Hz保护同时肩负着交流系统不对称故障和换流阀故障(误开通故障和误不开通故障)的后备保护功能，在主保护拒动时，动作于告警和闭锁。但是目前的直流100Hz保护是利用故障情况下直流100Hz分量的大小作为保护动作判据，是不能区分换流阀故障和交流系统不对称故障，且其动作逻辑、定值和延时完全相同。而实际上，两种故障对换流阀等主设备的影响程度不同，交流故障对换流阀等主设备影响较轻，交流系统不对称故障主保护拒动时，在不危及设备安全的情况下，100Hz保护应作为交流系统的远后备保护与交流系统后备保护切除时间相配合，以维持交流故障情况下受端电网的稳定为主，允许较长的动作延时；而换流阀故障时，在桥差保护、短路保护等主保护拒动时，100Hz保护作为换流器保护的近后备，以保护换流阀等设备安全为主，希望尽快切除故障，不需要与交流后备保护切除时间相配合。可见，现有的直流100Hz保护根本无法兼顾两种故障的不同要求，将造成换流阀设备故障不能快速切除和交流系统不对称故障导致不必要的直流闭锁。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术的缺陷，提供一种交直流输电系统自适应100Hz保护判据的方法，该方法可以准确、有效的区分两种故障，同时兼顾两种故障对100Hz保护动作行为的要求，满足工程实际，保护设备和电网的安全。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

交直流输电系统自适应100Hz保护判据的方法，其特征在于包括以下步骤：

1)根据交直流输电系统的参数计算交直流输电系统对应的K_set；

2)通过电流互感器得到换流站各个6脉动换流器的阀侧三相电流及直流侧的电流采样值，进行数据处理后得到K；

3)将K与K_set的大小进行比较，若K＞K_set，判断为阀故障；若K＜K_set，判断为交流系统不对称故障；

上述步骤中，K_set为判据区分阀故障和交流系统不对称故障的门槛值，K为换流站6脉动换流器电流开关函数工频负序分量幅值最大值与幅值最小值的比值。

作为一种优选方案，所述K_set的表达式如下：

$K_{set}=\frac{{\mathrm{MK}}_{\min }^{vf}+{\mathrm{NK}}_{\max }^{acf}}{2}---\left(1\right)$

式(1)中，为阀故障时K的最小值，为交流系统不对称故障时K的最大值，M和N分别表示阀故障时和交流系统不对称故障时K的可靠性系数；

K_set的计算步骤为：先计算换流器电流开关函数工频序分量，再计算交流系统不对称故障时K的最大值和阀故障时K的最小值将和代入式(1)得到K_set。

作为一种优选方案，所述换流器电流开关函数工频序分量的计算具体如下：

a)根据已知的换流母线的工频电压直流电流的直流分量I_dc0以及触发指令角α₀，计算同步电压相位的偏移；

设和分别表示换相电压的α分量和β分量，通过下式计算：

$\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{\α}}\\ {\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& -1/2& -1/2\\ 0& \sqrt{3}/2& -\sqrt{3}/2\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{U}}_{ca1}\\ {\stackrel{\·}{U}}_{ab1}\\ {\stackrel{\·}{U}}_{bc1}\end{array}\right]---\left(2\right)$

利用换相电压的α分量和换相电压的β分量由下式计算直流控制系统同步电压的相位

式(3)中，U_α和U_β分别为换相电压的α分量和β分量的幅值；和分别为换相电压的α分量和β分量的相角；

设公式中下标mn＝ab、bc、ca，其中a、b、c分别表示三相中的一相；

根据的相位的相位的相位分别计算同步电压的相位偏移

式(4)中，为ca相与同步电压的相位偏移，为ab相与同步电压的相位偏移，为bc相与同步电压的相位偏移；

b)计算换流阀延迟导通角θ_mn、实际触发角α_mn和实际的换相角μ_mn；

延迟导通角θ_mn的计算公式为：

实际触发角α_mn的计算公式为：

式(5)和(6)中，各个角度以滞后为正，超前为负；

设μ_mn为mn两相换相时的换相角，计算公式为：

${\mathrm{\μ}}_{mn}={\cos }^{-1}({\mathrm{cos\α}}_{mn}-2X_r{I}_{dc0}/{\stackrel{\·}{U}}_{mn1})-{\mathrm{\α}}_{mn}---\left(7\right)$

c)根据θ_mn、α_mn和μ_mn作出三相电流开关波形，通过该三相电流开关波形利用傅里叶级数推导出电流开关函数的各阶分量：

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{S}}_{iak}=\frac{1}{T}{\∫}_0^T{s}_{ia}{e}^{-jk\mathrm{\ω}\mathrm{\τ}}d\mathrm{\τ}\\ {\stackrel{\·}{S}}_{ibk}=\frac{1}{T}{\∫}_0^T{s}_{ib}{e}^{-jk\mathrm{\ω}\mathrm{\τ}}d\mathrm{\τ}\\ {\stackrel{\·}{S}}_{ick}=\frac{1}{T}{\∫}_0^T{s}_{ic}{e}^{-jk\mathrm{\ω}\mathrm{\τ}}d\mathrm{\τ}\end{array}\right.---\left(8\right)$

取k＝1，然后经对称变换后得到电流开关函数的工频序分量如下：

${\stackrel{\·}{S}}_{i1}^{\±}=\frac{1}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& a& a^2\\ 1& a^2& a\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{S}}_{ia1}\\ {\stackrel{\·}{S}}_{ib1}\\ {\stackrel{\·}{S}}_{ic1}\end{array}\right]---\left(9\right)$

d)求得各个6脉动换流器的电流开关函数工频序分量

作为一种优选方案，所述交流系统不对称故障时K的最大值的计算具体如下：

a)设交流系统不对称故障时换流母线正序电压的幅值保持不变，且令其初相角为0，设换流母线负序电压为：

${\stackrel{\·}{U}}_{ac1}^{-}=d\left|{\stackrel{\·}{U}}_{ac1}^{+}\right|\∠\mathrm{\δ}---\left(10\right)$

式(10)中，d∈(0，1]；δ∈(0，2π]，其中d为换流母线工频正负序电压的幅值比，δ为换流母线工频正负序电压的相角差；

b)取适应度函数fitness(d，δ)＝max(K)，然后利用粒子群优化算法求得

c)记整流侧和逆变侧K的最大值分别为和则阀故障时的最大值为：

$K_{\max }^{acf}=\max (K_{Rmax}^{acf},K_{Imax}^{acf})---\left(11\right)$

其中，和利用粒子群优化算法求得。

作为一种优选方案，所述d和δ的取值包含所有交流系统不对称故障时的母线负序电压情况。

作为一种优选方案，所述阀故障时的最小值的计算具体如下：

a)计算阀故障时故障桥电流开关函数工频负序分量的最小值

根据交直流输电系统最大短路比时的运行参数：I_dc以及触发指令角α₀(γ₀)，结合阀故障情况下换流阀的导通特性，建立阀故障情况下阀导通波形及三相电流开关波形，然后利用式(2)～式(9)计算换流器电流开关函数工频负序分量的最小值

b)计算阀故障时非故障桥电流开关函数工频负序分量的最大值

阀故障时故障换流器注入交流系统的工频电流如下式所示：

${\stackrel{\·}{I}}_{1\_fb}^{\±}={\stackrel{\·}{S}}_{i1\_fb}^{\±}{\stackrel{\·}{I}}_{dc0}---\left(12\right)$

则换流母线基频电压为：

$\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{U}}_1^{+}\\ {\stackrel{\·}{U}}_1^{-}\end{array}\right]=Z_1\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{I}}_{1\_fb}^{+}+{\stackrel{\·}{I}}_{1\_nfb}^{+}\\ {\stackrel{\·}{I}}_{1\_fb}^{-}\\ E_s\end{array}\right]---\left(13\right)$

式(13)中，Z₁表示交流系统的工频阻抗矩阵；

换流母线的工频相电压为：

$\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{U}}_{a1}\\ {\stackrel{\·}{U}}_{b1}\\ {\stackrel{\·}{U}}_{c1}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}1& a^2& a\\ 1& a& a^2\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{U}}_1^{+}\\ {\stackrel{\·}{U}}_1^{-}\end{array}\right]---\left(14\right)$

根据交直流输电系统的最小短路比时阀故障计算得到：结合直流电流的额定值I_dcN和触发指令角α₀(γ₀)，利用式(2)～式(9)计算换流器电流开关函数工频负序分量的最大值

根据和利用下式计算

$K_{\min }^{vf}=\frac{S_{i1\_fb\_\min }^{-}}{S_{i1\_nfb\_\max }^{-}}---\left(15\right)$

c)记整流侧和逆变侧阀故障时K的最小值分别为和则阀故障时K的最小值为：

$K_{\min }^{vf}=min(K_{R\min }^{vf},K_{I\min }^{vf})---\left(16\right)$

其中，和通过式(12)～(14)求得。

作为一种优选方案，所述K的表达式如下：

$K=\frac{\max \left(\right|{\stackrel{\·}{S}}_{i1}^{-}\left|\right)}{min\left(\right|{\stackrel{\·}{S}}_{i1}^{-}\left|\right)}---\left(17\right)$

式(17)中，n表示换流站中6脉动换流器的个数；用来表示第m个6脉动换流器电流开关函数的工频负序分量，其中m＝1，2，3…n。

作为一种优选方案，步骤2)所述数据处理具体如下：

通过电流互感器得到各个6脉动换流器的阀侧三相电流i_{a_m}、i_{b_m}、i_{c_m}和直流侧的电流i_dc采样值，其中m＝1，2，3…n；计算各个6脉动换流器的三相电流开关函数：

$s_{ia\_m}=\frac{i_{a\_m}}{i_{dc}}$

$s_{ib\_m}=\frac{i_{b\_m}}{i_{dc}}---\left(18\right)$

$s_{ic\_m}=\frac{i_{c\_m}}{i_{dc}}$

然后经数字滤波得到各个6脉动换流器电流开关函数的工频分量 进而经过对称变换得到工频序分量：

${\stackrel{\·}{S}}_{i1\_m}^{\±}=\frac{1}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& a& a^2\\ 1& a^2& a\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{S}}_{ia1\_m}\\ {\stackrel{\·}{S}}_{ib1\_m}\\ {\stackrel{\·}{S}}_{ic1\_m}\end{array}\right]---\left(19\right)$

然后利用式(17)得到K。

本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：

本发明基于两种故障情况下换流器电流开关函数工频负序分量幅值比的不同，通过自适应保护判据可识别交流系统不对称故障和换流阀故障，进而可以根据两种故障对直流100Hz保护的要求不同，采取不同的动作方案，克服了现有直流100Hz保护换流阀设备故障不能快速切除和交流系统不对称故障不必要的直流闭锁的弊端，实现了交直流输电系统保护的相互配合，保护了故障情况下设备和电网的安全。

附图说明

图1为本发明的交直流输电系统自适应100Hz保护判据的方法的流程示意图。

图2a为本发明实施例中12脉动直流系统交流A相单相接地故障时Y桥换流器的电流开关波形。

图2b为本发明实施例中12脉动直流系统交流A相单相接地故障时D桥换流器的电流开关波形。

图3为本发明实施例中的粒子群优化算法流程示意图。

图4a为本发明实施例中阀误不开通故障时阀导通的波形；

图4b为本发明实施例中阀误不开通故障时换流器的三相电流开关波形；

图5a为本发明实施例中阀误开通故障时阀导通的波形；

图5b为本发明实施例中阀误开通故障时换流器的三相电流开关波形；

图6为本发明实施例中交直流输电系统的等值电路图；

图7为本发明实施例中12脉动高压交直流输电系统的电路图。

具体实施方式

实施例1：

如图1所示，本实施例的交直流输电系统自适应100Hz保护判据的方法包括以下步骤：

1)根据交直流输电系统的参数计算交直流输电系统对应的K_set，所述K_set为判据区分阀故障和交流系统不对称故障的门槛值；

2)通过电流互感器得到换流站各个6脉动换流器的阀侧三相电流及直流侧的电流采样值，进行数据处理后得到K，所述K为换流站6脉动换流器电流开关函数工频负序分量幅值最大值与幅值最小值的比值；

3)将K与K_set的大小进行比较，若K＞K_set，判断为阀故障；若K＜K_set，判断为交流系统不对称故障；

步骤1)～步骤3)中，所述K_set的表达式如下：

$K_{set}=\frac{{\mathrm{MK}}_{\min }^{vf}+{\mathrm{NK}}_{max}^{acf}}{2}---\left(1\right)$

式(1)中，为阀故障时K的最小值，为交流系统不对称故障时K的最大值，M和N分别表示阀故障时和交流系统不对称故障时K的可靠性系数；

步骤1)中K_set的计算步骤为：

1.1)计算换流器电流开关函数工频序分量

a)根据已知的换流母线的工频电压直流电流的直流分量I_dc0以及触发指令角α₀，计算同步电压相位的偏移；

设和分别表示换相电压的α分量和β分量，通过下式计算：

$\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{\α}}\\ {\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& -1/2& -1/2\\ 0& \sqrt{3}/2& -\sqrt{3}/2\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{U}}_{ca1}\\ {\stackrel{\·}{U}}_{ab1}\\ {\stackrel{\·}{U}}_{bc1}\end{array}\right]---\left(2\right)$

利用换相电压的α分量和换相电压的β分量由下式计算直流控制系统同步电压的相位

式(3)中，U_α和U_β分别为换相电压的α分量和β分量的幅值；和分别为换相电压的α分量和β分量的相角；

设公式中下标mn＝ab、bc、ca，其中a、b、c分别表示三相中的一相；

根据的相位的相位的相位分别计算同步电压的相位偏移

式(4)中，为ca相与同步电压的相位偏移，为ab相与同步电压的相位偏移，为bc相与同步电压的相位偏移；

b)计算换流阀延迟导通角θ_mn、实际触发角α_mn和实际的换相角μ_mn；

延迟导通角θ_mn的计算公式为：

实际触发角α_mn的计算公式为：

式(5)和(6)中，各个角度以滞后为正，超前为负；

设μ_mn为mn两相换相时的换相角，计算公式为：

${\mathrm{\μ}}_{mn}={\cos }^{-1}({\mathrm{cos\α}}_{mn}-2X_r{I}_{dc0}/{\stackrel{\·}{U}}_{mn1})-{\mathrm{\α}}_{mn}---\left(7\right)$

c)根据θ_mn、α_mn和μ_mn作出三相电流开关波形，如图2a、2b所示，以12脉动交流A相单相接地故障时Y桥换流器和D桥换流器的电流开关波形为例，图2a中p_y1～p_y6表示Y桥换流器的6各触发脉冲，图2b中p_d1～p_d6表示D桥换流器的6个触发脉冲；

根据图1中三相电流开关波形利用傅里叶级数推导出电流开关函数的各阶分量：

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{S}}_{iak}=\frac{1}{T}{\∫}_0^T{s}_{ia}{e}^{-jk\mathrm{\ω}\mathrm{\τ}}d\mathrm{\τ}\\ {\stackrel{\·}{S}}_{ibk}=\frac{1}{T}{\∫}_0^T{s}_{ib}{e}^{-jk\mathrm{\ω}\mathrm{\τ}}d\mathrm{\τ}\\ {\stackrel{\·}{S}}_{ick}=\frac{1}{T}{\∫}_0^T{s}_{ic}{e}^{-jk\mathrm{\ω}\mathrm{\τ}}d\mathrm{\τ}\end{array}\right.---\left(8\right)$

取k＝1，然后经对称变换后得到电流开关函数的工频序分量如下：

${\stackrel{\·}{S}}_{i1}^{\±}=\frac{1}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& a& a^2\\ 1& a^2& a\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{S}}_{ia1}\\ {\stackrel{\·}{S}}_{ib1}\\ {\stackrel{\·}{S}}_{ic1}\end{array}\right]---\left(9\right)$

d)求得各个6脉动换流器的电流开关函数工频序分量

1.2)计算交流系统不对称故障时K的最大值

a)设交流系统不对称故障时换流母线正序电压的幅值保持不变，且令其初相角为0，设换流母线负序电压为：

${\stackrel{\·}{U}}_{ac1}^{-}=d\left|{\stackrel{\·}{U}}_{ac1}^{+}\right|\∠\mathrm{\δ}---\left(10\right)$

式(10)中，d∈(0，1]；δ∈(0，2π]，其中d为换流母线工频正负序电压的幅值比，δ为换流母线工频正负序电压的相角差；所述d和δ的取值包含所有交流系统不对称故障时的母线负序电压情况；

b)取适应度函数fitness(d，δ)＝max(K)，然后利用粒子群优化算法求得计算的流程图如图3所示；

图3中，上标中的h表示迭代次数；p_e＝(p_e1，p_e2)；g＝(g₁，g₂)；其中rand1和rand2为均匀分布在[0，1]区间的随机数；c₀为惯性权重因子；c₁和c₂分别为个体和全局学习因子；I_dcN为直流电流的额定值；α_0N为额定触发角。

c)记整流侧和逆变侧K的最大值分别为和则阀故障时的最大值为：

$K_{\max }^{acf}=\max (K_{Rmax}^{acf},K_{Imax}^{acf})---\left(11\right)$

其中，和利用粒子群优化算法求得。

1.3)计算阀故障时K的最小值

a)计算阀故障时故障桥电流开关函数工频负序分量的最小值

根据交直流输电系统最大短路比时的运行参数：I_dc以及触发指令角α₀(γ₀)，结合阀故障情况下换流阀的导通特性，以阀1为例，建立阀故障情况下阀导通波形及三相电流开关波形，分别如图4a、4b和图5a、5b所示，其中图4a为阀误不开通故障时阀导通的波形，图4b为相应的换流器三相电流开关波形；图5a为阀误开通故障时阀导通的波形，图5b为相应的换流器三相电流开关波形；

然后利用式(2)～式(9)计算换流器电流开关函数工频负序分量的最小值

b)计算阀故障时非故障桥电流开关函数工频负序分量的最大值

阀故障时故障换流器注入交流系统的工频电流如下式所示：

${\stackrel{\·}{I}}_{1\_fb}^{\±}={\stackrel{\·}{S}}_{i1\_fb}^{\±}{\stackrel{\·}{I}}_{dc0}---\left(12\right)$

此时，交直流输电系统的等值电路图如图6所示，其中，为故障换流器注入交流系统的正负序电流；为非故障桥注入交流系统的等值正序电流；Z_c1为交流滤波器和无功补偿装置的等值电抗；Z_s1为系统阻抗，E_s为交流系统等值电势；

则换流母线基频电压为：

$\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{U}}_1^{+}\\ {\stackrel{\·}{U}}_1^{-}\end{array}\right]=Z_1\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{I}}_{1\_fb}^{+}+{\stackrel{\·}{I}}_{1\_nfb}^{+}\\ {\stackrel{\·}{I}}_{1\_fb}^{-}\\ E_s\end{array}\right]---\left(13\right)$

式(13)中，Z₁表示交流系统的工频阻抗矩阵；

换流母线的工频相电压为：

$\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{U}}_{a1}\\ {\stackrel{\·}{U}}_{b1}\\ {\stackrel{\·}{U}}_{c1}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}1& a^2& a\\ 1& a& a^2\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{U}}_1^{+}\\ {\stackrel{\·}{U}}_1^{-}\end{array}\right]---\left(14\right)$

根据交直流输电系统的的最小短路比时阀故障计算得到：结合直流电流的额定值I_dcN和触发指令角α₀(γ₀)，利用式(2)～式(9)计算换流器电流开关函数工频负序分量的最大值

根据和利用下式计算

$K_{\min }^{vf}=\frac{S_{i1\_fb\_\min }^{-}}{S_{i1\_nfb\_\max }^{-}}---\left(15\right)$

c)记整流侧和逆变侧阀故障时K的最小值分别为和则阀故障时K的最小值为：

$K_{\min }^{vf}=min(K_{R\min }^{vf},K_{I\min }^{vf})---\left(16\right)$

其中，和通过式(12)～(14)求得。

1.4)将步骤1.2)得到的和步骤1.3)得到的代入式(1)，得到K_set。

步骤1)～步骤3)中，所述K的表达式如下：

$K=\frac{max\left(\right|{\stackrel{\·}{S}}_{i1}^{-}\left|\right)}{min\left(\right|{\stackrel{\·}{S}}_{i1}^{-}\left|\right)}---\left(17\right)$

式(17)中，n表示换流站中6脉动换流器的个数；用来表示第m个6脉动换流器电流开关函数的工频负序分量，其中m＝1，2，3…n。

步骤2)中所述数据处理具体如下：

通过电流互感器得到各个6脉动换流器的阀侧三相电流i_{a_m}、i_{b_m}、i_{c_m}和直流侧的电流i_dc采样值，其中m＝1，2，3…n；计算各个6脉动换流器的三相电流开关函数：

$s_{ia\_m}=\frac{i_{a\_m}}{i_{dc}}$

$s_{ib\_m}=\frac{i_{b\_m}}{i_{dc}}---\left(18\right)$

$s_{ic\_m}=\frac{i_{c\_m}}{i_{dc}}$

然后经数字滤波得到各个6脉动换流器电流开关函数的工频分量 进而经过对称变换得到工频序分量：

${\stackrel{\·}{S}}_{i1\_m}^{\±}=\frac{1}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& a& a^2\\ 1& a^2& a\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{S}}_{ia1\_m}\\ {\stackrel{\·}{S}}_{ib1\_m}\\ {\stackrel{\·}{S}}_{ic1\_m}\end{array}\right]---\left(19\right)$

然后利用式(17)得到K。

实施例2：

如图7所示的一个12脉动高压交直流输电系统，以Y桥换流器整流侧阀误不开通故障为例，本实施例的交直流输电系统自适应100Hz保护判据的方法包括以下步骤：

1)计算该12脉动高压交直流输电系统对应的K_set；

1.1)根据交直流输电系统的参数计算交流系统不对称故障时K的最大值

根据整流侧的参数，利用粒子群优化算法得对于逆变侧利用同样方法得 $K_{Imax}^{acf}=1.95,$ 则有 $K_{max}^{acf}=max(K_{R\max }^{acf},K_{Imax}^{acf})=1.95;$

1.2)根据交直流输电系统的不同运行方式计算阀故障时K的最小值

根据整流侧交直流输电系统的最大短路比时的运行参数：I_dc以及触发指令角α₀(γ₀)，利用式(2)～式(9)计算换流器电流开关函数工频负序分量的最小值 $S_{i1\_fb\_\min }^{-}=0.305;$

根据整流侧交直流输电系统的最小短路比时的运行参数：I_dc以及触发指令角α₀(γ₀)，利用式(2)～式(9)计算阀故障时非故障桥换流器电流开关函数的工频负序分量的最大值代入式(15)得K_set。同样，计算逆变侧阀故障时K的最小值 $K_{I\min }^{vf}=31.78,$ 则有 $K_{\min }^{vf}=\min (K_{R\min }^{vf},K_{I\min }^{vf})=\mathrm{27.73.}$

1.3)根据式(1)计算K_set；

取阀故障K的可靠性系数M＝0.83，交流系统不对称故障时K的可靠性系数N＝1.35，代入和则有：

$K_{set}=\frac{{\mathrm{MK}}_{\min }^{vf}+{\mathrm{NK}}_{\max }^{acf}}{2}=12.81$

2)计算实际运行时的K，采样频率为2kHz，即每个周期采样40个点；

2.1)通过电流互感器得到Y桥换流器和D桥换流器的三相电流i_{a_1}，i_{b_1}，i_{c_1}，i_{a_2}，i_{b_2}，i_{c_2}以及直流侧的电流，计算Y桥换流器和D桥换流器的三相电流开关函数：

$s_{ia\_1}=\frac{i_{a\_1}}{i_{dc}}$

$s_{ib\_1}=\frac{i_{b\_1}}{i_{dc}}$

$s_{ic\_1}=\frac{i_{c\_1}}{i_{dc}}$

$s_{ia\_2}=\frac{i_{a\_2}}{i_{dc}}$

$s_{ib\_2}=\frac{i_{b\_2}}{i_{dc}}$

$s_{ic\_2}=\frac{i_{c\_2}}{i_{dc}}$

2.2)对于得到的三相电流开关波形，经数字滤波得到Y桥换流器和D桥换流器电流开关函数的工频相量和进而经对称变换得到工频序分量：

2.3)利用式(17)计算实际故障情况下的K：

$K=\frac{max\left(\right|{\stackrel{\·}{S}}_{i1}^{-}\left|\right)}{min\left(\right|{\stackrel{\·}{S}}_{i1}^{-}\left|\right)}=\frac{0.311}{0.011}=28.27$

3)将K和K_set进行比较，判断是阀故障还是交流系统不对称故障：

K＝28.27＞K_set＝12.81

因此，判断为阀故障。

实施例3：

同实施例2，以一个12脉动高压交直流输电系统，以Y桥换流器整流侧阀误不开通故障为例，本实施例的交直流输电系统自适应100Hz保护判据的方法包括以下步骤：

1)计算该12脉动高压交直流输电系统对应的K_set；

该步骤同实施例2，K_set＝12.81；

2)计算实际运行时的K，采样频率为2kHz，即每个周期采样40个点；

该步骤同实施例2，得到：

利用式(17)计算实际故障情况下的K：

$K=\frac{max\left(\right|{\stackrel{\·}{S}}_{i1}^{-}\left|\right)}{\min \left(\right|{\stackrel{\·}{S}}_{i1}^{-}\left|\right)}=\frac{0.210}{0.174}=1.21$

4)将K和K_set进行比较，判断是阀故障还是交流系统不对称故障；

K＝1.21＜K_set＝12.81

因此判为交流系统不对称故障。

以上所述，仅为本发明专利优选的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明专利构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。

Claims (8)

1.交直流输电系统自适应100Hz保护判据的方法，其特征在于包括以下步骤：

1)根据交直流输电系统的参数计算交直流输电系统对应的K_set；

2)通过电流互感器得到换流站各个6脉动换流器的阀侧三相电流及直流侧的电流采样值，进行数据处理后得到K；

3)将K与K_set的大小进行比较，若K＞K_set，判断为阀故障；若K＜K_set，判断为交流系统不对称故障；

上述步骤中，K_set为判据区分阀故障和交流系统不对称故障的门槛值，K为换流站6脉动换流器电流开关函数工频负序分量幅值最大值与幅值最小值的比值。

2.根据权利要求1所述的交直流输电系统自适应100Hz保护判据的方法，其特征在于：所述K_set的表达式如下：

$K_{set}=\frac{{\mathrm{MK}}_{\min }^{vf}+{\mathrm{NK}}_{\max }^{acf}}{2}---\left(1\right)$

式(1)中，为阀故障时K的最小值，为交流系统不对称故障时K的最大值，M和N分别表示阀故障时和交流系统不对称故障时K的可靠性系数；

K_set的计算步骤为：先计算换流器电流开关函数工频序分量，再计算交流系统不对称故障时K的最大值和阀故障时K的最小值将和代入式(1)得到K_set。

3.根据权利要求2所述的交直流输电系统自适应100Hz保护判据的方法，其特征在于：所述换流器电流开关函数工频序分量的计算具体如下：

a)根据已知的换流母线的工频电压直流电流的直流分量I_dc0以及触发指令角α₀，计算同步电压相位的偏移；

设和分别表示换相电压的α分量和β分量，通过下式计算：

$\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{\α}}\\ {\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& -1/2& -1/2\\ 0& \sqrt{3}/2& -\sqrt{3}/2\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{U}}_{ca1}\\ {\stackrel{\·}{U}}_{ab1}\\ {\stackrel{\·}{U}}_{bc1}\end{array}\right]---\left(2\right)$

利用换相电压的α分量和换相电压的β分量由下式计算直流控制系统同步电压的相位

式(3)中，U_α和U_β分别为换相电压的α分量和β分量的幅值；和分别为换相电压的α分量和β分量的相角；

设公式中下标mn＝ab、bc、ca，其中a、b、c分别表示三相中的一相；

根据的相位的相位的相位分别计算同步电压的相位偏移

式(4)中，为ca相与同步电压的相位偏移，为ab相与同步电压的相位偏移，为bc相与同步电压的相位偏移；

b)计算换流阀延迟导通角θ_mn、实际触发角α_mn和实际的换相角μ_mn；

延迟导通角θ_mn的计算公式为：

实际触发角α_mn的计算公式为：

式(5)和(6)中，各个角度以滞后为正，超前为负；

设μ_mn为mn两相换相时的换相角，计算公式为：

${\mathrm{\μ}}_{mn}={\cos }^{-1}({\mathrm{cos\α}}_{mn}-2X_r{I}_{dc0}/{\stackrel{\·}{U}}_{mn1})-{\mathrm{\α}}_{mn}---\left(7\right)$

c)根据θ_mn、α_mn和μ_mn作出三相电流开关波形，通过该三相电流开关波形利用傅里叶级数推导出电流开关函数的各阶分量：

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{S}}_{iak}=\frac{1}{T}{\∫}_0^T{s}_{ia}{e}^{-jk\mathrm{\ω}\mathrm{\τ}}d\mathrm{\τ}\\ {\stackrel{\·}{S}}_{ibk}=\frac{1}{T}{\∫}_0^T{s}_{ib}{e}^{-jk\mathrm{\ω}\mathrm{\τ}}d\mathrm{\τ}\\ {\stackrel{\·}{S}}_{ick}=\frac{1}{T}{\∫}_0^T{s}_{ic}{e}^{-jk\mathrm{\ω}\mathrm{\τ}}d\mathrm{\τ}\end{array}\right.---\left(8\right)$

取k＝1，然后经对称变换后得到电流开关函数的工频序分量如下：

${\stackrel{\·}{S}}_{i1}^{\±}=\frac{1}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& a& a^2\\ 1& a^2& a\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{S}}_{ia1}\\ {\stackrel{\·}{S}}_{ib1}\\ {\stackrel{\·}{S}}_{ic1}\end{array}\right]---\left(9\right)$

d)求得各个6脉动换流器的电流开关函数工频序分量

4.根据权利要求3所述的交直流输电系统自适应100Hz保护判据的方法，其特征在于：所述交流系统不对称故障时K的最大值的计算具体如下：

a)设交流系统不对称故障时换流母线正序电压的幅值保持不变，且令其初相角为0，设换流母线负序电压为：

${\stackrel{\·}{U}}_{ac1}^{-}=d\left|{\stackrel{\·}{U}}_{ac1}^{+}\right|\∠\mathrm{\δ}---\left(10\right)$

式(10)中，d∈(0，1]；δ∈(0，2π]，其中d为换流母线工频正负序电压的幅值比，δ为换流母线工频正负序电压的相角差；

b)取适应度函数fitness(d，δ)＝max(K)，然后利用粒子群优化算法求得

c)记整流侧和逆变侧K的最大值分别为和则阀故障时的最大值为：

$K_{\max }^{acf}=\max (K_{Rmax}^{acf},K_{Imax}^{acf})---\left(11\right)$

其中，和利用粒子群优化算法求得。

5.根据权利要求4所述的交直流输电系统自适应100Hz保护判据的方法，其特征在于：所述d和δ的取值包含所有交流系统不对称故障时的母线负序电压情况。

6.根据权利要求4所述的交直流输电系统自适应100Hz保护判据的方法，其特征在于：所述阀故障时的最小值的计算具体如下：

a)计算阀故障时故障桥电流开关函数工频负序分量的最小值

根据交直流输电系统最大短路比时的运行参数：I_dc以及触发指令角α₀(γ₀)，结合阀故障情况下换流阀的导通特性，建立阀故障情况下阀导通波形及三相电流开关波形，然后利用式(2)～式(9)计算换流器电流开关函数工频负序分量的最小值

b)计算阀故障时非故障桥电流开关函数工频负序分量的最大值

阀故障时故障换流器注入交流系统的工频电流如下式所示：

${\stackrel{\·}{I}}_{1\_fb}^{\±}={\stackrel{\·}{S}}_{i1\_fb}^{\±}{\stackrel{\·}{I}}_{dc0}---\left(12\right)$

则换流母线基频电压为：

$\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{U}}_1^{+}\\ {\stackrel{\·}{U}}_1^{-}\end{array}\right]=Z_1\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{I}}_{1\_fb}^{+}+{\stackrel{\·}{I}}_{1\_nfb}^{+}\\ {\stackrel{\·}{I}}_{1\_fb}^{-}\\ E_s\end{array}\right]---\left(13\right)$

式(13)中，Z₁表示交流系统的工频阻抗矩阵；

换流母线的工频相电压为：

$\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{U}}_{a1}\\ {\stackrel{\·}{U}}_{b1}\\ {\stackrel{\·}{U}}_{c1}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}1& a^2& a\\ 1& a& a^2\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{U}}_1^{+}\\ {\stackrel{\·}{U}}_1^{-}\end{array}\right]---\left(14\right)$

根据交直流输电系统的最小短路比时阀故障计算得到：结合直流电流的额定值I_dcN和触发指令角α₀(γ₀)，利用式(2)～式(9)计算换流器电流开关函数工频负序分量的最大值

根据和利用下式计算

$K_{\min }^{vf}=\frac{S_{i1\_fb\_\min }^{-}}{S_{i1\_nfb\_\max }^{-}}---\left(15\right)$

c)记整流侧和逆变侧阀故障时K的最小值分别为和则阀故障时K的最小值为：

$K_{\min }^{vf}=min(K_{Rmin}^{vf},K_{I\min }^{vf})---\left(16\right)$

其中，和通过式(12)～(14)求得。

7.根据权利要求1所述的交直流输电系统自适应100Hz保护判据的方法，其特征在于：所述K的表达式如下：

$K=\frac{\max \left(\right|{\stackrel{\·}{S}}_{i1}^{-}\left|\right)}{\min \left(\right|{\stackrel{\·}{S}}_{i1}^{-}\left|\right)}---\left(17\right)$

式(17)中，n表示换流站中6脉动换流器的个数；用来表示第m个6脉动换流器电流开关函数的工频负序分量，其中m＝1，2，3...n。

8.根据权利要求7所述的交直流输电系统自适应100Hz保护判据的方法，其特征在于：步骤2)所述数据处理具体如下：

通过电流互感器得到各个6脉动换流器的阀侧三相电流i_{a_m}、i_{b_m}、i_{c_m}和直流侧的电流i_dc采样值，其中m＝1，2，3...n；计算各个6脉动换流器的三相电流开关函数：

$s_{ia\_m}=\frac{i_{a\_m}}{i_{dc}}$

$s_{ib\_m}=\frac{i_{b\_m}}{i_{dc}}---\left(18\right)$

$s_{ic\_m}=\frac{i_{c\_m}}{i_{dc}}$

然后经数字滤波得到各个6脉动换流器电流开关函数的工频分量 进而经过对称变换得到工频序分量：

${\stackrel{\·}{S}}_{i1\_m}^{\±}=\frac{1}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& a& a^2\\ 1& a^2& a\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{S}}_{ia1\_m}\\ {\stackrel{\·}{S}}_{ib1\_m}\\ {\stackrel{\·}{S}}_{ic1\_m}\end{array}\right]---\left(19\right)$

然后利用式(17)得到K。