CN103884948A - 高压直流输电系统中单调谐滤波器失谐的在线辨识方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种单调谐滤波器失谐的在线辨识方法，尤其是涉及一种高压直流输电系统中单调谐滤波器失谐的在线辨识方法，本发明是在高压直流输电系统直流侧单调谐滤波器的支路中串入电流互感器，利用测量得到的电流，即可通过计算辨识出高压直流输电系统直流侧单调谐滤波器发生失谐的元件。该方案结构简单，仅需在传统直流侧单调谐滤波器的基础上进行简单改造即可，实现了滤波器失谐的在线辨识，提高了高压直流输电系统的运行可靠性和安全性。

Description

高压直流输电系统中单调谐滤波器失谐的在线辨识方法

技术领域

本发明涉及一种单调谐滤波器失谐的在线辨识方法，尤其是涉及一种高压直流输电系统中单调谐滤波器失谐的在线辨识方法。

背景技术

在电力系统中,由于环境温度的变化，自身的发热和老化等原因，都会导致滤波器电容和电感等元件的参数均会发生微小的变化，使得直流滤波器的实际谐振频率和谐波阻抗值偏离设定值，导致滤波器失谐。滤波器失谐后，将严重影响其滤波效果，不仅会对电力系统的安全运行造成危害,也会对周边的通信设备产生干扰。因此,研究滤波器失谐的参数在线辨识将具有意义。

无源滤波器主要有单调谐滤波器，双调谐滤波器，三调谐滤波器以及高通滤波器。但调谐滤波器由于其结构简单，参数设定容易，因此在电力系统中占有很大的比例。如果能对其进行简单改造，设计出单调谐滤波器失谐的快速准确的在线辨识方法，能够在进行谐波滤除的同时对滤波器失谐的元件进行辨识，将具有很大的实用价值和市场推广前景。

发明内容

本发明主要是解决现有技术所存在的技术问题；提供了一种只需在传统直流侧单调谐滤波器中串入电流互感器，利用测得的电流即可辨识出滤波器的失谐元件的高压直流输电系统中单调谐滤波器失谐的在线辨识方法。

本发明还有一目的是解决现有技术所存在的技术问题；提供了一种结构简单，实现方便，实现了高压直流输电系统直流侧单调谐滤波器失谐参数的在线辨识的功能，在高压直流输电系统滤波器的在线状态估计和运行维护等场合具有很高的应用价值和市场推广前景的高压直流输电系统中单调谐滤波器失谐的在线辨识方法。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种高压直流输电系统直流侧单调谐滤波器失谐的在线辨识方法，其特征在于，具体方法是在在直流侧单调谐滤波器支路中串入一个电流互感器S，通过电流互感器S测量得到单调谐滤波器的电流i的实际运行值i_(new)，再基于快速傅里叶变换得到电流i_(new)的各次谐波电流的有效值I(h)_(new)以及相位角θ(h)_(new)，其中h为谐波次数，h=1,2,3,…N，N为正整数；然后根据高压直流输电系统的运行方式和单调谐滤波器设计的参数，得到单调谐滤波器的电流i的设计值i_(old)，基于快速傅里叶变换得到电流i_(old)的各次谐波电流的有效值I(h)_(old)以及相位角θ(h)_(old)；基于得到的参数进行如下判断：

判断结果一：判断滤波器是否发生失谐，即：

$\left|\frac{{I\left(\mathrm{hm}\right)}_{\left(\mathrm{new}\right)}-{I\left(\mathrm{hm}\right)}_{\left(\mathrm{old}\right)}}{{I\left(\mathrm{hm}\right)}_{\left(\mathrm{old}\right)}}\right|\×100\%\≥m\%$

其中h_m表示滤波器的谐振次数，则能够判断滤波器发生了失谐，其中，阈值m是工程接受的数值，m的取值为4～5的正数。

在上述的一种高压直流输电系统直流侧单调谐滤波器失谐的在线辨识方法，还有如下判断结果：

判断结果二：通过求得h_m/2次对2h_m次谐波电流变化率的比值来判断失谐元件是滤波器的电感还是电容：如果h_m/2次对2h_m次谐波电流变化率的比值在-3～-5的范围，则失谐元件为单调谐滤波器的电容元件，如果h_m/2次对2h_m次谐波电流变化率的比值在-0.2～-0.3的范围，则判段失谐的元件为单调谐滤波器的电感元件。

在上述的一种高压直流输电系统直流侧单调谐滤波器失谐的在线辨识方法，所述h_m/2次和2h_m次的谐波电流变化率分别是通过i_(new)和i_(old)得到；其中，

$K\left({2h}_m\right)=\frac{{I\left({2h}_m\right)}_{\left(\mathrm{new}\right)}-{I\left({2h}_m\right)}_{\left(\mathrm{old}\right)}}{{I\left({2h}_m\right)}_{\left(\mathrm{old}\right)}}$

$K(h_m/2)=\frac{{I(h_m/2)}_{\left(\mathrm{new}\right)}-{I(h_m/2)}_{\left(\mathrm{old}\right)}}{{I(h_m/2)}_{\left(\mathrm{old}\right)}}$

式中，K(2h_m)表示2h_m次的谐波电流变化率；K(h_m/2)表示h_m/2的谐波电流变化率；I(2h_m)_(new)能够通过对i_(new)进行傅立叶分解得到；I(2h_m)_(old)能够通过对i_(old)行傅立叶分解得到；I(h_m/2)_(new)能够通过对i_(new)进行傅立叶分解得到I(h_m/2)_(old)能够通过对i_(old)行傅立叶分解得到。

因此，本发明具有如下优点：1.只需在传统直流侧单调谐滤波器中串入电流互感器，利用测得的电流即可辨识出滤波器的失谐元件；2.结构简单，实现方便，实现了高压直流输电系统直流侧单调谐滤波器失谐参数的在线辨识的功能，在高压直流输电系统滤波器的在线状态估计和运行维护等场合具有很高的应用价值和市场推广前景。

附图说明

附图1是本发明实施例的基于双调谐滤波器的高压直流输电系统直流侧滤波器失谐的在线辨识方案的结构图。

附图2为本发明实施例的双调谐直流滤波器元件失谐前后阻抗的幅频特性。

附图3为附图2中局部放大图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：

如附图1所示，目前所采用的单调谐滤波器，其结构均可等效为附图1的形式。本发明只需在其支路中串入电流互感器S。

以图1所示的24次单调谐滤波器为例来说明滤波器失谐的在线辨识方法，其失谐前后阻抗的幅频特性如图2所示。

步骤1）：通过电流互感器S测量得到图1所示单调谐滤波器的电流i的实际运行值i_(new)。利用目前成熟的快速傅里叶变换(FFT)技术，可以得到电流i_(new)的各次谐波电流的有效值I(h)_(new)以及相位角θ(h)_(new)，其中h为谐波次数(h=1,2,3,…)。

步骤2）：根据高压直流输电系统的运行方式和单调谐滤波器设计的参数，利用成熟的谐波分析技术，计算出图1所示单调谐滤波器的电流i的设计值i_(old)。利用目前成熟的快速傅里叶变换(FFT)技术，可以得到电流i_(old)的各次谐波电流的有效值I(h)_(old)以及相位角θ(h)_(old)。

步骤3）：判断滤波器是否发生失谐。比较滤波器中具有谐振频率的谐波电流的实际运行值的有效值与设计值的有效值。在本实施例中的滤波器为24次单调谐滤波器，因此需比较I(24)_(new)和I(24)_(old)的大小。

根据图3可以看到，只要滤波器元件发生失谐，24次频率下滤波器的阻抗幅值都将增大，即Z_(new)C(24)>Z_(old)(24)和Z_(new)L(24)>Z_(old)(24)。其中Z_(new)C(24)和Z_(new)L(24)分别为电容失谐和电感失谐时滤波器的24次谐波阻抗幅值；Z_(old)(24)为无元件失谐时滤波器的24次谐波阻抗幅值；因此在滤波器上施加的24次谐波电压不变时，如果滤波器发生失谐，则流过滤波器的24次谐波电流将减小，若：

$\left|\frac{{I\left(\mathrm{hm}\right)}_{\left(\mathrm{new}\right)}-{I\left(\mathrm{hm}\right)}_{\left(\mathrm{old}\right)}}{{I\left(\mathrm{hm}\right)}_{\left(\mathrm{old}\right)}}\right|\×100\%\≥m\%$

则可判断滤波器发生了失谐，选择5%的阈值是工程接受的数值。

步骤4）：判断滤波器失谐元件。

当图2所示滤波器上段的元件C或L失谐时，以C为例定义元件的失谐度α为：

$\mathrm{\α}=\frac{C_{\left(\mathrm{new}\right)}-C_{\left(\mathrm{old}\right)}}{C_{\left(\mathrm{old}\right)}}\×100\%---\left(1\right)$

其中，下标为’new’的表示元件失谐后的参数，下标为’old’的表示元件未失谐时的参数，也即滤波器设计时元件的标称值，以下的各元件失谐度的定义与式(1)类似。

可求得滤波器的h次谐波阻抗为：

$Z\left(h\right)=\frac{1}{{\mathrm{j\ω}}_{h}C}+{\mathrm{j\ω}}_{h}L+R=j({\mathrm{\ω}}_{h}L-\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_{h}C})+R---\left(2\right)$

其中ω_h=2π×h×f₁，为h次谐波角频率；f₁为电力系统基波频率，我国为50Hz。

设该滤波器的谐振频率对应的次数为h_m，在该谐振频率下滤波器阻抗幅值最小，即：

${\mathrm{\ω}}_{h_m}L=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_{h_m}C}---\left(3\right)$

则在h_m/2次谐波下有：

${\mathrm{\ω}}_{h_m/2}L=\frac{1}{2}{\mathrm{\ω}}_{h_m}L---\left(4\right)$

$\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_{h_m/2}C}=2\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_{h_m}C}---\left(5\right)$

${\mathrm{\ω}}_{h_m/2}L=\frac{1}{4}\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_{h_m/2}C}---\left(6\right)$

在2h_m次谐波下有：

${\mathrm{\ω}}_{{2h}_m}L={2\mathrm{\ω}}_{h_m}L---\left(7\right)$

$\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_{{2h}_m}C}=\frac{1}{2}\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_{h_m}C}---\left(8\right)$

${\mathrm{\ω}}_{{2h}_m}L=4\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_{{2h}_m}C}---\left(9\right)$

以下分别为h_m/2次和2h_m次谐波下滤波器的阻抗特性。

$\begin{array}{c}Z(h_m/2)=\frac{1}{{\mathrm{j\ω}}_{h_m/2}C}+{\mathrm{j\ω}}_{h_m/2}L+R\\ =j(\frac{1}{2}{\mathrm{\ω}}_{h_m}L-2\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_{h_m}C})+R\end{array}---\left(10\right)$

$\begin{array}{c}Z\left({2h}_m\right)=\frac{1}{{\mathrm{j\ω}}_{2h_m}C}+{\mathrm{j\ω}}_{{2h}_m}L+R\\ =j({2\mathrm{\ω}}_{h_m}L-\frac{1}{2}\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_{h_m}C})+R\end{array}---\left(11\right)$

电容C失谐度为α时滤波器在h_m/2次谐波下的阻抗为：

$Z(h_m/2)\_C=j(\frac{1}{2}{\mathrm{\ω}}_{h_m}{L}_{\mathrm{old}}-2\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_{h_m}{C}_{\mathrm{old}}(1+\mathrm{\α})})+R---\left(12\right)$

电容C失谐度为α时滤波器在2h_m次谐波下的阻抗为：

$Z\left(2h_m\right)\_C=j(2{\mathrm{\ω}}_{h_m}L-\frac{1}{2}\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_{h_m}{C}_{\mathrm{old}}(1+\mathrm{\α})})+R---\left(13\right)$

忽略电阻，则电容C失谐度为α时，h_m/2次和2h_m次的谐波电流变化率分别为：

$K(h_m/2)\_C=\frac{I(h_m/2)\_C-I(h_m/2)}{I(h_m/2)}=\frac{\frac{U_{h_m/2}}{Z(h_m/2)\_C}-\frac{U_{h_m/2}}{Z(h_m/2)}}{\frac{U_{h_m/2}}{Z(h_m/2)}}\×100\%\≈\frac{4\mathrm{\α}}{3-\mathrm{\α}}---\left(14\right)$

$K\left({2h}_m\right)\_C=\frac{I\left({2h}_m\right)\_C-I\left({2h}_m\right)}{I\left({2h}_m\right)}=\frac{\frac{U_{2h_m}}{Z\left(2h_m\right)\_C}-\frac{U_{{2h}_m}}{Z\left(2h_m\right)}}{\frac{U_{{2h}_m}}{Z\left({2h}_m\right)}}\×100\%\≈\frac{-\mathrm{\α}}{3+4\mathrm{\α}}---\left(15\right)$

则h_m/2次和2h_m次谐波电流变化率的比值为：

${\mathrm{\η}}_C=\frac{K(h_m/2)\_C}{K\left(2h_m\right)\_C}=-4\×\frac{3+4\mathrm{\α}}{3-\mathrm{\α}}\≈-4---\left(16\right)$

电感L失谐度为α时滤波器在h_m/2次谐波下的阻抗为：

$Z(h_m/2)\_L=j(\frac{1}{2}{\mathrm{\ω}}_{h_m}{L}_{\mathrm{old}}(1+\mathrm{\α})-2\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_{h_m}{C}_{\mathrm{old}}})+R---\left(17\right)$

电感L失谐度为α时滤波器在2h_m次谐波下的阻抗为：

$Z\left({2h}_m\right)\_L=j({2\mathrm{\ω}}_{h_m}{L}_{\mathrm{old}}(1+\mathrm{\α})-\frac{1}{2}\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_{h_m}{C}_{\mathrm{old}}})+R---\left(18\right)$

忽略电阻，则电感L失谐度为α时，h_m/2次和2h_m次的谐波电流变化率分别为：

$K(h_m/2)\_L=\frac{I(h_m/2)\_L-I(h_m/2)}{I(h_m/2)}=\frac{\frac{U_{h_m/2}}{Z(h_m/2)\_L}-\frac{U_{h_m/2}}{Z(h_m/2)}}{\frac{U_{h_m/2}}{Z(h_m/2)}}\×100\%\≈\frac{\mathrm{\α\α}}{3-\mathrm{\α}}---\left(19\right)$

$K\left({2h}_m\right)\_L=\frac{I\left({2h}_m\right)\_L-I\left({2h}_m\right)}{I\left({2h}_m\right)}=\frac{\frac{U_{2h_m}}{Z\left(2h_m\right)\_L}-\frac{U_{{2h}_m}}{Z\left(2h_m\right)}}{\frac{U_{{2h}_m}}{Z\left({2h}_m\right)}}\×100\%\≈\frac{-4\mathrm{\α}}{3+4\mathrm{\α}}---\left(20\right)$

则h_m/2次和2h_m次谐波电流变化率的比值为：

${\mathrm{\η}}_L=\frac{K(h_m/2)\_L}{K\left({2h}_m\right)\_L}=-\frac{1}{4}\×\frac{3+4\mathrm{\α}}{3-\mathrm{\α}}\≈-0.25---\left(21\right)$

从以上分析可知，可通过求得h_m/2次和2h_m次谐波电流变化率的比值来判断失谐元件是滤波器的电感还是电容。

而h_m/2次和2h_m次的谐波电流变化率分别是通过i_(new)和i_(old)得到；其中，

$K\left({2h}_m\right)=\frac{{I\left({2h}_m\right)}_{\left(\mathrm{new}\right)}-{I\left({2h}_m\right)}_{\left(\mathrm{old}\right)}}{{I\left({2h}_m\right)}_{\left(\mathrm{old}\right)}}$

$K(h_m/2)=\frac{{I(h_m/2)}_{\left(\mathrm{new}\right)}-{I(h_m/2)}_{\left(\mathrm{old}\right)}}{{I(h_m/2)}_{\left(\mathrm{old}\right)}}$

式中，K(2h_m)表示2h_m次的谐波电流变化率；K(h_m/2)表示h_m/2的谐波电流变化率；I(2h_m)_(new)能够通过对i_(new)进行傅立叶分解得到；I(2h_m)_(old)能够通过对i_(old)行傅立叶分解得到；I(h_m/2)_(new)能够通过对i_(new)进行傅立叶分解得到I(h_m/2)_(old)能够通过对i_(old)行傅立叶分解得到。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (3)

1.一种高压直流输电系统中单调谐滤波器失谐的在线辨识方法，其特征在于，具体方法是在在直流侧单调谐滤波器支路中串入一个电流互感器S，通过电流互感器S测量得到单调谐滤波器的电流i的实际运行值i_(new)，再基于快速傅里叶变换得到电流i_(new)的各次谐波电流的有效值I(h)_(new)以及相位角θ(h)_(new)，其中h为谐波次数，h=1,2,3,…N，N为正整数；然后根据高压直流输电系统的运行方式和单调谐滤波器设计的参数，得到单调谐滤波器的电流i的设计值i_(old)，基于快速傅里叶变换得到电流i_(old)的各次谐波电流的有效值I(h)_(old)以及相位角θ(h)_(old)；基于得到的参数进行如下判断：

判断结果一：判断滤波器是否发生失谐，即：

$\left|\frac{{I\left(\mathrm{hm}\right)}_{\left(\mathrm{new}\right)}-{I\left(\mathrm{hm}\right)}_{\left(\mathrm{old}\right)}}{{I\left(\mathrm{hm}\right)}_{\left(\mathrm{old}\right)}}\right|\×100\%\≥m\%$

其中h_m表示滤波器的谐振次数，则能够判断滤波器发生了失谐，其中，阈值m是工程接受的数值，m的取值为4～5的正数。

2.根据权利要求1所述的高压直流输电系统中单调谐滤波器失谐的在线辨识方法，其特征在于，还有如下判断结果：

判断结果二：通过求得h_m/2次对2h_m次谐波电流变化率的比值来判断失谐元件是滤波器的电感还是电容：如果h_m/2次对2h_m次谐波电流变化率的比值在-3～-5的范围，则失谐元件为单调谐滤波器的电容元件，如果h_m/2次对2h_m次谐波电流变化率的比值在-0.2～-0.3的范围，则判段失谐的元件为单调谐滤波器的电感元件。

3.根据权利要求1所述的高压直流输电系统中单调谐滤波器失谐的在线辨识方法，其特征在于，所述h_m/2次和2h_m次的谐波电流变化率分别是通过i_(new)和i_(old)得到；其中，

$K\left({2h}_m\right)=\frac{{I\left({2h}_m\right)}_{\left(\mathrm{new}\right)}-{I\left({2h}_m\right)}_{\left(\mathrm{old}\right)}}{{I\left({2h}_m\right)}_{\left(\mathrm{old}\right)}}$

$K(h_m/2)=\frac{{I(h_m/2)}_{\left(\mathrm{new}\right)}-{I(h_m/2)}_{\left(\mathrm{old}\right)}}{{I(h_m/2)}_{\left(\mathrm{old}\right)}}$

式中，K(2h_m)表示2h_m次的谐波电流变化率；K(h_m/2)表示h_m/2的谐波电流变化率；I(2h_m)_(new)能够通过对i_(new)进行傅立叶分解得到；I(2h_m)_(old)能够通过对i_(old)行傅立叶分解得到；I(h_m/2)_(new)能够通过对i_(new)进行傅立叶分解得到I(h_m/2)_(old)能够通过对i_(old)行傅立叶分解得到。

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