CN104764991A - 一种高压直流换流阀换相电路晶闸管运行状态检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压直流换流阀换相电路晶闸管运行状态检测方法，包括对高压直流换流阀换相电路的间接电气量进行分布式测量，实时检测高压直流换流阀换相电路状态，然后对分布式测量系统测得的高压直流换流阀换相电路的间接电气量进行分析，从而得到晶闸管的伏安特性曲线，随时掌握晶闸管运行状态、判断其健康状态，实现对高压直流换流阀晶闸管运行状态完好性的检测。

Description

一种高压直流换流阀换相电路晶闸管运行状态检测方法

技术领域

本发明涉及晶闸管运行状态检测方法，尤其涉及一种高压直流换流阀换相电路晶闸管运行状态检测方法。

背景技术

高压直流输电工程用于区域电网互联，其核心设备是高压直流换流阀，由大功率晶闸管(一般为3000A以上)串联组成。

高压直流输电工程的核心设备是高压直流换流阀、换流变压器及高压直流控制保护系统。而高压直流控制保护系统通过对高压直流换流阀的换相同步电压，换流变压器阀的侧电流、直流电压、直流电流，以及高压直流换流阀等换相电路状态的测量和计算，最终输出触发脉冲，触发脉冲用于控制高压直流换流阀的导通，实现高压直流功率的传输。

因受到换流阀机械结构和绝缘设计限制，运行时仅可对与换流阀有直接电气连接的电气设备所涉及的电气量进行测量，无法直接对涉及晶闸管的电气量进行测量，无法掌握其电压及电流分布情况，亦即无法掌握晶闸管伏-安特性。晶闸管伏安特性的变化源于其内部物理特性的改变，进而反映了其健康水平；现有技术模式下晶闸管健康状态需定期停电进行测试，由于受到可直接测量的电气量限制，运行中无法掌握晶闸管器件状态，从而对高压直流输电工程的运行可靠性及连续运行能力形成了制约。

目前，高压直流换流阀换相电路状态的测量、采样、信号处理及控制输出等环节的完好性和准确性依赖于系统内部自检，缺乏外部实时检测手段，而当需要检测时需要将高压直流输电设备停运，一是减少高压直流输送电量，二是无法实时在线发现各环节存在的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种高压直流换流阀换相电路晶闸管运行状态检测方法，随时掌握晶闸管运行状态、判断其健康状态，实现对测量、采样、信号处理及控制输出等环节的完好性和准确性的检测。

本发明采用下述技术方案：

一种高压直流换流阀换相电路晶闸管运行状态检测方法，包括以下几个步骤：

首先，对高压直流换流阀换相电路的间接电气量进行分布式测量，实时检测高压直流换流阀换相电路状态：通过分布式测量模块对高压直流换流阀换相电路状态进行同步实时精确测量，通过总线将测量数据传送给集中式数据处理及存储模块，由集中式数据处理及存储模块对采样数据进行滤波处理、电气量间关系校验；所述的高压直流换流阀换相电路的间接电气量包括高压直流换流阀换相同步电压、换流变压器阀侧电流、高压直流换流阀控制脉冲、直流电流、直流电压；

其次，对分布式测量系统测得的高压直流换流阀换相电路的间接电气量进行分析，从而得到晶闸管的伏安特性曲线，具体过程包含以下步骤：

步骤一：通过人机接口测量控制系统触发的脉冲，滤除各种干扰特征后，根据控制系统触发的脉冲值的分布判断当前被触发的晶闸管或换流阀以及参与换相的晶闸管或换流阀的位置分布；

步骤二：根据当前触发晶闸管或换流阀及其所对应换流变阀侧电流几何特征确定该晶闸管或换流阀以及参与换相的晶闸管或换流阀是否由截止转换到导通状态；根据当前参与换相的晶闸管或换相阀及其所对应的换流变阀侧电流几何特征确定该晶闸管或换相阀是否由导通转换到截止状态或是否由截止转换到导通状态；具体如下：

在步骤一所确定当前触发的晶闸管或换流阀阀、参与换相的晶闸管或换相阀的基础上，如果换流变压器阀侧交流电流i_VY-abc、i_VD-abc的变化率大于相电流变化率门槛值，则表示当前触发的晶闸管或换流阀的状态由截止状态转换为导通状态(式2-1)；

di_VY-abc/dt＞Δ_dVY

di_VD-abc/dt＞Δ_dVD   2-1

式中：i_VY-abc、i_VD-abc为换流变压器阀侧电流；Δ_dVY、Δ_dVD为相电流变化率门槛值；

然后通过导通状态下的电流降低趋势及其有无峰值点来判断参与换相的晶闸管或换相阀是否由导通状态转换为截止状态：

-ε_dVY≤di_VY-abc/dt|_t＝t0≤ε_dVY

-ε_dVD≤di_VD-abc/dt|_t＝t0≤ε_dVD

|i_VY-abc(t)|_t＝t0-Δt|＞＞Δ_VY且i_VY-abc(t)|_t＝t0+Δt|＜Δ_VY

|i_VD-abc(t)|_t＝t0-Δt|＞＞Δ_VD且|i_VD-abc(t)|_t＝t0+Δt|＜Δ_VD   2-2

-ε_VY≤i_VY-abc(t)|_t＝t0-Δt·i_VY-abc(t)|_t＝t0+Δt≤ε_VY

-ε_VD≤i_VD-abc(t)|_t＝t0-Δt·i_VD-abc(t)|_t＝t0+Δt≤ε_VD2-2

式中：Δ_VY、Δ_VD是换流变压器相电流高值门槛，ε_VY、ε_VD是换流变压器相电流低值门槛；ε_dVY、ε_dVD是相电流变化率低值门槛。

步骤三：使用GPS同步对时模块测量高压直流换流阀中通过的直流电流，结合步骤一中得到的当前触发阀或晶闸管)、参与换相阀或晶闸管，分析得到换流阀晶闸管电流分布；分析过程具体如下：

根据换流阀导通-截止状态计算换流阀电流支路拓扑状态；

根据换流变阀侧电流及换流阀电流支路拓扑状态计算换流阀基本电流分布(公式3-1)；

$\left[\begin{array}{cccccc}1& 0& 0& -1& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0& 0& -1\\ 0& -1& 0& 0& 1& 0\\ 1& 0& 1& 0& 1& 0\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{i}_{Y1}\\ i_{Y2}\\ i_{Y3}\\ i_{Y4}\\ i_{Y5}\\ i_{Y6}\end{array}\right]=-\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{VY}-a}\\ i_{\mathrm{VY}-b}\\ i_{\mathrm{VY}-c}\\ -i_d\end{array}\right]$

$\left[\begin{array}{cccccc}1& 0& 0& -1& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0& 0& -1\\ 0& -1& 0& 0& 1& 0\\ 1& 0& 1& 0& 1& 0\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{i}_{D1}\\ i_{D2}\\ i_{D3}\\ i_{D4}\\ i_{D5}\\ i_{D6}\end{array}\right]=-\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{VD}-a}\\ i_{\mathrm{VD}-b}\\ i_{\mathrm{VD}-c}\\ -i_d\end{array}\right]---3-1$

在式(3-1)中，i_VY-a、i_VY-b、i_VY-c、i_VD-a、i_VD-b、i_VD-c、i_d均为已知量；i_Y1～i_Y6、i_D1～i_D6为换流阀各支路电流，即晶闸管电流分布，计算开始时，将当前触发阀的下一换相阀电流置0；系数矩阵中，有电流连接关系为1、无电流连接关系为0；

若换流变阀侧电流整流值i_RCT与直流电流i_d的差值小于浮动误差，则无附加电流分布；反之，如果换流变阀侧电流整流值与直流电流的差值大于浮动误差，则需计算换流阀附加电流分布(3-2、3-3)；所述的阀侧电流整流值通过取计算时刻的i_VY-a、i_VY-b、i_VY-c或i_VD-a、i_VD-b、i_VD-c的峰值得到；

i_RCT-i_d＞Δ

i_V-(k-2)＝i_V-(k+1)＝i_d-i_RCT   3-2

式中：i_V-(k-2)、i_V-(k+1)分别为上一换相阀和当前触发阀的阀电流；由于换流阀1～6为循环触发，故若k-2小于0，则加6；若k+1大于6则减6：

i_d-i_RCT＜Δ

i_V-(k-1)＝i_V-(k+1)＝i_RCT-i_d   3-3

式中：i_V-(k-1)、i_V-(k+1)分别为短路阀；由于换流阀1～6为循环触发，故若k-1小于0，则加6；若k+1大于6则减6；

在(3-2)、(3-3)中，i_V-k即代表应加在i_Y1～i_Y6、i_D1～i_D6上的电流，由换流阀附加电流分布与其基本电流分布共同构成换流阀电流分布；

步骤四：根据换流阀通断状态、换流阀导通电压回路拓扑以及换流阀自身压降计算出换流阀电压分布；具体如下：

根据换流阀通断状态计算阀内电压导通回路拓扑，其拓扑矩阵为时变矩阵，等同于电流回路拓扑，随换流阀当前导通-截止状态发生转换；

然后根据导通电流回路的设备参数以及直流电流、换流变阀侧电流计算换流阀自身压降：

u_VYa＝u_a-l_sVY-a·di_VY-a/dt

u_VYb＝u_b-l_sVY-b·di_VY-b/dt   4-1

u_VYc＝u_c-l_sVY-c·di_VY-c/dt

式中：u_a、u_b、u_c，u_VY-a、u_VY-b、u_VY-c分别是系统电压及星形接线换流变阀侧电压，l_sVY-a、l_sVY-b、l_sVY-c、i_VY-a、i_VY-b、i_VY-c分别是换流变漏抗及阀侧电流；

u_VDa＝u_a-l_sVD-a·di_VD-a/dt

u_VDb＝u_b-l_sVD-b·di_VD-b/dt   4-2

u_VDc＝u_c-l_sVD-c·di_VD-c/dt

式中：u_abc、u_VD-abc分别是系统电压及角形接线换流变阀侧电压，l_sVD-a、l_sVD-b、l_sVD-c、i_VD-a、i_VD-b、i_VD-c分别是换流变漏抗及阀侧电流；

根据电压导通回路拓扑及换流阀自身电压降的值计算换流变中性点对地电压以及换流阀端点对地电压，分别为：

$u_{D0}=\frac{(D_4\·(-u_{\mathrm{VDa}}+u_{\mathrm{lDv}4})+D_6\·(-u_{\mathrm{VDb}}+u_{\mathrm{lDv}6})+D_2\·(-u_{\mathrm{VDc}}+u_{\mathrm{lDv}2}))}{(D_4+D_6+D_2)}$

${u_0=u}_{D0}+\frac{(D_1\·(-u_{\mathrm{VDa}}+u_{\mathrm{lDv}4})+D_3\·(-u_{\mathrm{VDb}}+u_{\mathrm{lDv}6})+D_5\·(-u_{\mathrm{VDc}}+u_{\mathrm{lDv}2}))}{(D_{\backslash 1}+D_3+D_5)}$

${u_{Y0}=u}_0+\frac{(Y_4\·(-u_{\mathrm{VYa}}+u_{\mathrm{lYv}4})+Y_6\·(-u_{\mathrm{VYb}}+u_{\mathrm{lYv}6})+Y_2\·(-u_{\mathrm{VYc}}+u_{\mathrm{lYv}2}))}{(Y_4+Y_6+Y_2)}$

${u_{\mathrm{dc}}=u}_{Y0}+\frac{(Y_1\·(-u_{\mathrm{VYa}}+u_{\mathrm{lYv}1})+Y_3\·(-u_{\mathrm{VYb}}+u_{\mathrm{lYv}3})+Y_5\·(-u_{\mathrm{VYc}}+u_{\mathrm{lYv}5}))}{(Y_1+Y_3+Y_5)}---5-3$

式中：u_D0、u_Y0为换流变中性点电压、u₀为换流阀中点电压、u_dc为计算直流电压，u_lD1～u_lD6、u_lY1～u_lY6分别是D桥及Y桥晶闸管回路压降，其可由晶闸管回路参数辨识得到。

根据上述压降及换流阀电路拓扑状态得到阀电压分布：

$\left[\begin{array}{c}{u}_{Y1}\\ u_{Y2}\\ u_{Y3}\\ u_{Y4}\\ u_{Y5}\\ u_{Y6}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccccc}-1& 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 1& 0& -1\\ 0& -1& 0& 1& 0\\ 1& 0& 0& 0& -1\\ 0& 0& -1& 1& 0\\ 0& 1& 0& 0& -1\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{VYa}}\\ u_{\mathrm{VYb}}\\ u_{\mathrm{VYc}}\\ u_{\mathrm{dc}}\\ u_0\end{array}\right]$

$\left[\begin{array}{c}{u}_{D1}\\ u_{D2}\\ u_{D3}\\ u_{D4}\\ u_{D5}\\ u_{D6}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccccc}-1& 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 1& 0& -1\\ 0& -1& 0& 1& 0\\ 1& 0& 0& 0& -1\\ 0& 0& -1& 1& 0\\ 0& 1& 0& 0& -1\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{VDa}}\\ u_{\mathrm{VDb}}\\ u_{\mathrm{VDc}}\\ u_0\\ 0\end{array}\right]---5-4$

步骤五：对晶闸管电压、电流分布数据按时标进行拟合处理：将时间一致的电压、电流标记入直流电压-电流相平面中，即得到其伏安特性曲线，通过伏安特性曲线即可直观的检测运行状态。

所述的分布式测量模块包括用于对直流电压、高压直流换流阀换相同步电压、换流变压器阀侧电流、高压直流换流阀触发脉冲和直流电流等高压直流换流阀换相电路状态进行实时采样的分布式采样模块；

用于连接直流电压、高压直流换流阀换相同步电压、换流变压器阀侧电流、高压直流换流阀触发脉冲和直流电流等高压直流换流阀换相电路和分布式采样模块的测量回路；

用于对分布式采样模块输出的数据进行分析存储的集中式数据处理及存储模块；

用于进行时间校正的GPS同步对时模块和人机接口；

所述的采样模块包括互感器、AD7665高精度模数转换器和总线接口，互感器的输出端通过AD7665高精度模数转换器与总线接口连接；所述的采样模块通过总线与集中式数据处理及存储模块相联接。

所述的集中式数据处理及存储模块包括DSP、CPU、固态硬盘、总线接口、和GPS同步对时接口；所述的DSP与CPU相联接，二者的分别通过GPS同步对时接口与GPS同步对时模块相联接。

所述的人机接口为一台计算机用于接入集中式数据处理及存储模块。

所述的测量回路包括五对屏蔽导线，每对屏蔽导线一端用于连接分布式采样模块的输出端，另一端分别接入采样模块的输入端。

本发明采用分布式测量模块对高压直流换流阀换相同步电压、换流变压器阀侧电流、高压直流换流阀触发脉冲、直流电流、直流电压等高压直流换流阀换相电路状态进行同步实时精确测量，通过集中式数据处理及存储模块对采样数据进行分析计算并实时检测各环节状态，解决了需停运高压直流输电设备开展检测的缺点，具有实时性强、测量精确的优点。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明所述分布式测量模块的原理框图。

具体实施方式

如图1所示，一种高压直流换流阀换相电路晶闸管运行状态检测方法，包括以下几个步骤：

首先，对高压直流换流阀换相电路的间接电气量进行分布式测量，实时检测高压直流换流阀换相电路状态：所述的分布式测量模块包括用于对直流电压、高压直流换流阀换相同步电压、换流变压器阀侧电流、高压直流换流阀触发脉冲和直流电流等高压直流换流阀换相电路状态进行实时采样的分布式采样模块；用于连接直流电压、高压直流换流阀换相同步电压、换流变压器阀侧电流、高压直流换流阀触发脉冲和直流电流等高压直流换流阀换相电路和分布式采样模块的测量回路；用于对分布式采样模块输出的数据进行分析存储的集中式数据处理及存储模块用于进行时间校正的GPS同步对时模块和人机接口；所述的采样模块包括互感器、AD7665高精度模数转换器和总线接口，互感器的输出端通过AD7665高精度模数转换器与总线接口连接；所述的采样模块通过总线与集中式数据处理及存储模块相联接。

所述的集中式数据处理及存储模块包括DSP、CPU、固态硬盘、总线接口、和GPS同步对时接口；所述的DSP与CPU相联接，二者的分别通过GPS同步对时接口与GPS同步对时模块相联接。所述的人机接口为一台计算机用于接入集中式数据处理及存储模块。所述的测量回路包括五对屏蔽导线，每对屏蔽导线一端用于连接分布式采样模块的输出端，另一端分别接入采样模块的输入端。

测量回路分别接入直流分压器输出回路、换流变压器交流侧电压互感器相二次线圈、换流变压器阀侧电流互感器二次线圈、高压直流控制保护系统触发脉冲输出接口直流电流互感器，经采样模块中互感器和AD7665高精度模数转换器对测量回路分别接入的直流电压、高压直流换流阀换相同步电压、换流变压器阀侧电流、高压直流换流阀触发脉冲和直流电流等高压直流换流阀换相电路状态进行实时采样并进行模数转换，再经由总线发送至集中式数据处理及存储模块。

通过分布式测量模块对高压直流换流阀换相电路状态进行同步实时精确测量，通过总线将测量数据传送给集中式数据处理及存储模块，由集中式数据处理及存储模块对采样数据进行滤波处理、电气量间关系校验；所述的高压直流换流阀换相电路的间接电气量包括高压直流换流阀换相同步电压、换流变压器阀侧电流、高压直流换流阀控制脉冲、直流电流、直流电压；

其次，对分布式测量系统测得的高压直流换流阀换相电路的间接电气量进行分析，从而得到晶闸管的伏安特性曲线，具体过程包含以下步骤：

步骤一：通过人机接口测量控制系统触发的脉冲，滤除各种干扰特征后，根据控制系统触发的脉冲值的分布判断当前被触发的晶闸管或换流阀以及参与换相的晶闸管或换流阀的位置分布；

步骤二：根据当前触发晶闸管或换流阀及其所对应换流变阀侧电流几何特征确定该晶闸管或换流阀以及参与换相的晶闸管或换流阀是否由截止转换到导通状态；根据当前参与换相的晶闸管或换相阀及其所对应的换流变阀侧电流几何特征确定该晶闸管或换相阀是否由导通转换到截止状态或是否由截止转换到导通状态；具体如下：

在步骤一所确定当前触发的晶闸管或换流阀阀、参与换相的晶闸管或换相阀的基础上，如果换流变压器阀侧交流电流i_VY-abc、i_VD-abc的变化率大于相电流变化率门槛值，则表示当前触发的晶闸管或换流阀的状态由截止状态转换为导通状态(式2-1)；

di_VY-abc/dt＞Δ_dVY

di_VD-abc/dt＞Δ_dVD   2-1

式中：i_VY-abc、i_VD-abc为换流变压器阀侧电流；Δ_dVY、Δ_dVD为相电流变化率门槛值；

然后通过导通状态下的电流降低趋势及其有无峰值点来判断参与换相的晶闸管或换相阀是否由导通状态转换为截止状态：

-ε_dVY≤di_VY-abc/dt|_t＝t0≤ε_dVY

-ε_dVD≤di_VD-abc/dt|_t＝t0≤ε_dVD

|i_VY-abc(t)|_t＝t0-Δt|＞＞Δ_VY且|i_VY-abc(t)|_t＝t0+Δt|＜Δ_VY

|i_VD-abc(t)|_t＝t0-Δt|＞＞Δ_VD且|i_VD-abc(t)|_t＝t0+Δt|＜Δ_VD   2-2

-ε_VY≤i_VY-abc(t)|_t＝t0-Δt·i_VY-abc(t)|_t＝t0+Δt≤ε_VY

-ε_VD≤i_VD-abc(t)|_t＝t0-Δt·i_VD-abc(t)|_t＝t0+Δt≤ε_VD2-2

式中：Δ_VY、Δ_VD是换流变压器相电流高值门槛，ε_VY、ε_VD是换流变压器相电流低值门槛；ε_dVY、ε_dVD是相电流变化率低值门槛。

步骤三：使用GPS同步对时模块测量高压直流换流阀中通过的直流电流，结合步骤一中得到的当前触发阀或晶闸管)、参与换相阀或晶闸管，分析得到换流阀晶闸管电流分布；分析过程具体如下：

根据换流阀导通-截止状态计算换流阀电流支路拓扑状态；

根据换流变阀侧电流及换流阀电流支路拓扑状态计算换流阀基本电流分布(公式3-1)；

$\left[\begin{array}{cccccc}1& 0& 0& -1& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0& 0& -1\\ 0& -1& 0& 0& 1& 0\\ 1& 0& 1& 0& 1& 0\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{i}_{Y1}\\ i_{Y2}\\ i_{Y3}\\ i_{Y4}\\ i_{Y5}\\ i_{Y6}\end{array}\right]=-\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{VY}-a}\\ i_{\mathrm{VY}-b}\\ i_{\mathrm{VY}-c}\\ -i_d\end{array}\right]$

$\left[\begin{array}{cccccc}1& 0& 0& -1& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0& 0& -1\\ 0& -1& 0& 0& 1& 0\\ 1& 0& 1& 0& 1& 0\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{i}_{D1}\\ i_{D2}\\ i_{D3}\\ i_{D4}\\ i_{D5}\\ i_{D6}\end{array}\right]=-\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{VD}-a}\\ i_{\mathrm{VD}-b}\\ i_{\mathrm{VD}-c}\\ -i_d\end{array}\right]---3-1$

在式(3-1)中，i_VY-a、i_VY-b、i_VY-c、i_VD-a、i_VD-b、i_VD-c、i_d均为已知量；i_Y1～i_Y6、i_D1～i_D6为换流阀各支路电流，即晶闸管电流分布，计算开始时，将当前触发阀的下一换相阀电流置0；系数矩阵中，有电流连接关系为1、无电流连接关系为0；

若换流变阀侧电流整流值i_RCT与直流电流i_d的差值小于浮动误差，则无附加电流分布；反之，如果换流变阀侧电流整流值与直流电流的差值大于浮动误差，则需计算换流阀附加电流分布(3-2、3-3)；所述的阀侧电流整流值通过取计算时刻的i_VY-a、i_VY-b、i_VY-c或i_VD-a、i_VD-b、i_VD-c的峰值得到；

i_RCT-i_d＞Δ

i_V-(k-2)＝i_V-(k+1)＝i_d-i_RCT   3-2

式中：i_V-(k-2)、i_V-(k+1)分别为上一换相阀和当前触发阀的阀电流；由于换流阀1～6为循环触发，故若k-2小于0，则加6；若k+1大于6则减6：

i_d-i_RCT＜Δ

i_V-(k-1)＝i_V-(k+1)＝i_RCT-i_d   3-3

式中：i_V-(k-1)、i_V-(k+1)分别为短路阀；由于换流阀1～6为循环触发，故若k-1小于0，则加6；若k+1大于6则减6；

在(3-2)、(3-3)中，i_V-k即代表应加在i_Y1～i_Y6、i_D1～i_D6上的电流，由换流阀附加电流分布与其基本电流分布共同构成换流阀电流分布；

步骤四：根据换流阀通断状态、换流阀导通电压回路拓扑以及换流阀自身压降计算出换流阀电压分布；具体如下：

根据换流阀通断状态计算阀内电压导通回路拓扑，其拓扑矩阵为时变矩阵，等同于电流回路拓扑，随换流阀当前导通-截止状态发生转换；

然后根据导通电流回路的设备参数以及直流电流、换流变阀侧电流计算换流阀自身压降：

u_VYa＝u_a-l_sVY-a·di_VY-a/dt

u_VYb＝u_b-l_sVY-b·di_VY-b/dt   4-1

u_VYc＝u_c-l_sVY-c·di_VY-c/dt

式中：u_a、u_b、u_c，u_VY-a、u_VY-b、u_VY-c分别是系统电压及星形接线换流变阀侧电压，l_sVY-a、l_sVY-b、l_sVY-c、i_VY-a、i_VY-b、i_VY-c分别是换流变漏抗及阀侧电流；

u_VDa＝u_a-l_sVD-a·di_VD-a/dt

u_VDb＝u_b-l_sVD-b·di_VD-b/dt   4-2

u_VDc＝u_c-l_sVD-c·di_VD-c/dt

式中：u_abc、u_VD-abc分别是系统电压及角形接线换流变阀侧电压，l_sVD-a、l_sVD-b、l_sVD-c、i_VD-a、i_VD-b、i_VD-c分别是换流变漏抗及阀侧电流；

根据电压导通回路拓扑及换流阀自身电压降的值计算换流变中性点对地电压以及换流阀端点对地电压，分别为：

$u_{D0}=\frac{(D_4\·(-u_{\mathrm{VDa}}+u_{\mathrm{lDv}4})+D_6\·(-u_{\mathrm{VDb}}+u_{\mathrm{lDv}6})+D_2\·(-u_{\mathrm{VDc}}+u_{\mathrm{lDv}2}))}{(D_4+D_6+D_2)}$

${u_0=u}_{D0}+\frac{(D_1\·(-u_{\mathrm{VDa}}+u_{\mathrm{lDv}4})+D_3\·(-u_{\mathrm{VDb}}+u_{\mathrm{lDv}6})+D_5\·(-u_{\mathrm{VDc}}+u_{\mathrm{lDv}2}))}{(D_{\backslash 1}+D_3+D_5)}$

${u_{Y0}=u}_0+\frac{(Y_4\·(-u_{\mathrm{VYa}}+u_{\mathrm{lYv}4})+Y_6\·(-u_{\mathrm{VYb}}+u_{\mathrm{lYv}6})+Y_2\·(-u_{\mathrm{VYc}}+u_{\mathrm{lYv}2}))}{(Y_4+Y_6+Y_2)}$

${u_{\mathrm{dc}}=u}_{Y0}+\frac{(Y_1\·(-u_{\mathrm{VYa}}+u_{\mathrm{lYv}1})+Y_3\·(-u_{\mathrm{VYb}}+u_{\mathrm{lYv}3})+Y_5\·(-u_{\mathrm{VYc}}+u_{\mathrm{lYv}5}))}{(Y_1+Y_3+Y_5)}---5-3$

式中：u_D0、u_Y0为换流变中性点电压、u₀为换流阀中点电压、u_dc为计算直流电压，u_lD1～u_lD6、u_lY1～u_lY6分别是D桥及Y桥晶闸管回路压降，其可由晶闸管回路参数辨识得到。

根据上述压降及换流阀电路拓扑状态得到阀电压分布：

$\left[\begin{array}{c}{u}_{Y1}\\ u_{Y2}\\ u_{Y3}\\ u_{Y4}\\ u_{Y5}\\ u_{Y6}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccccc}-1& 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 1& 0& -1\\ 0& -1& 0& 1& 0\\ 1& 0& 0& 0& -1\\ 0& 0& -1& 1& 0\\ 0& 1& 0& 0& -1\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{VYa}}\\ u_{\mathrm{VYb}}\\ u_{\mathrm{VYc}}\\ u_{\mathrm{dc}}\\ u_0\end{array}\right]$

$\left[\begin{array}{c}{u}_{D1}\\ u_{D2}\\ u_{D3}\\ u_{D4}\\ u_{D5}\\ u_{D6}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccccc}-1& 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 1& 0& -1\\ 0& -1& 0& 1& 0\\ 1& 0& 0& 0& -1\\ 0& 0& -1& 1& 0\\ 0& 1& 0& 0& -1\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{VDa}}\\ u_{\mathrm{VDb}}\\ u_{\mathrm{VDc}}\\ u_0\\ 0\end{array}\right]---5-4$

步骤五：对晶闸管电压、电流分布数据按时标进行拟合处理：将时间一致的电压、电流标记入直流电压-电流相平面中，即得到其伏安特性曲线，通过伏安特性曲线即可直观的检测运行状态。

对测量所得电气量的加工处理由四块DSP和CPU进行，而且得到控制系统触发脉冲、换流变阀侧电流、直流电流及换流变高压侧电压，接着将上述量依次送入DSP处理模块过程如下：

换流变阀侧电流测量数据、控制系统触发脉冲电平测量数据输入给第一DSP，后者输出触发换流阀及换相换流阀对应数据以及输出换流阀导通-截止状态数据。

换流变阀侧电流测量数据、直流电流测量数据以及第一DSP输出的换流阀导通-截止状态数据输入给第二DSP，后者产生换流阀电流分布数据。

换流变高压侧电压测量数据、第一DSP输出的换流阀导通-截止状态数据、第二DSP输出的换流阀电流分布数据输入给第三DSP，后者产生换流阀自身压降数据、换流变中性点及换流阀端点电压分布数据。

第二DSP输出的换流阀电流分布数据、第三DSP输出的换流阀自身压降数据、换流变中性点及换流阀端点电压分布数据输入给第四DSP，后者产生换流阀电压分布数据。

第二DSP输出的换流阀电流分布数据、第四DSP输出的换流阀电压分布数据输入给CPU，后者产生换流阀伏安特性数据。

由换流阀电流分布数据、电压分布数据以及伏安特性数据即可知晶闸管电压、电流分布形态，进而可根据上述电压、电流分布的形态特征判断晶闸管健康状况。

Claims (5)

1.一种高压直流换流阀换相电路晶闸管运行状态检测方法，其特征在于包括以下几个步骤：

首先，对高压直流换流阀换相电路的间接电气量进行分布式测量，实时检测高压直流换流阀换相电路状态：通过分布式测量模块对高压直流换流阀换相电路状态进行同步实时精确测量，通过总线将测量数据传送给集中式数据处理及存储模块，由集中式数据处理及存储模块对采样数据进行滤波处理、电气量间关系校验；所述的高压直流换流阀换相电路的间接电气量包括高压直流换流阀换相同步电压、换流变压器阀侧电流、高压直流换流阀控制脉冲、直流电流、直流电压；

其次，对分布式测量系统测得的高压直流换流阀换相电路的间接电气量进行分析，从而得到晶闸管的伏安特性曲线，具体过程包含以下步骤：

步骤一：通过人机接口测量控制系统触发的脉冲，滤除各种干扰特征后，根据控制系统触发的脉冲值的分布判断当前被触发的晶闸管或换流阀以及参与换相的晶闸管或换流阀的位置分布；

步骤二：根据当前触发晶闸管或换流阀及其所对应换流变阀侧电流几何特征确定该晶闸管或换流阀以及参与换相的晶闸管或换流阀是否由截止转换到导通状态；根据当前参与换相的晶闸管或换相阀及其所对应的换流变阀侧电流几何特征确定该晶闸管或换相阀是否由导通转换到截止状态或是否由截止转换到导通状态；具体如下：

在步骤一所确定当前触发的晶闸管或换流阀阀、参与换相的晶闸管或换相阀的基础上，如果换流变压器阀侧交流电流i_VY-abc、i_VD-abc的变化率大于相电流变化率门槛值，则表示当前触发的晶闸管或换流阀的状态由截止状态转换为导通状态(式2-1)；

di_VY-abc/dt＞Δ_dVY

di_VD-abc/dt＞Δ_dVD  2-1

式中：i_VY-abc、i_VD-abc为换流变压器阀侧电流；Δ_dVY、Δ_dVD为相电流变化率门槛值；

然后通过导通状态下的电流降低趋势及其有无峰值点来判断参与换相的晶闸管或换相阀是否由导通状态转换为截止状态：

-ε_dVY≤di_VY-abc/dt|_t＝t0≤ε_dVY

-ε_dVD≤di_VD-abc/dt|_t＝t0≤ε_dVD

|i_VY-abc(t)|_t＝t0-Δt|＞＞Δ_VY且|i_VY-abc(t)|_t＝t0+Δt|＜Δ_VY

|i_VD-abc(t)|_t＝t0-Δt|＞＞Δ_VD且|i_VD-abc(t)|_t＝t0+Δt|＜Δ_VD  2-2

-ε_VY≤i_VY-abc(t)|_t＝t0-Δt·i_VY-abc(t)|_t＝t0+Δt≤ε_VY

-ε_VD≤i_VD-abc(t)|_t＝t0-Δt·i_VD-abc(t)|_t＝t0+Δt≤ε_VD  2-2

式中：Δ_VY、Δ_VD是换流变压器相电流高值门槛，ε_VY、ε_VD是换流变压器相电流低值门槛；ε_dVY、ε_dVD是相电流变化率低值门槛；

步骤三：使用GPS同步对时模块测量高压直流换流阀中通过的直流电流，结合步骤一中得到的当前触发阀或晶闸管)、参与换相阀或晶闸管，分析得到换流阀晶闸管电流分布；分析过程具体如下：

根据换流阀导通-截止状态计算换流阀电流支路拓扑状态；

根据换流变阀侧电流及换流阀电流支路拓扑状态计算换流阀基本电流分布(公式3-1)；

$\left[\begin{array}{cccccc}1& 0& 0& -1& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0& 0& -1\\ 0& -1& 0& 0& 1& 0\\ 1& 0& 1& 0& 1& 0\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{i}_{Y1}\\ i_{Y2}\\ i_{Y3}\\ i_{Y4}\\ i_{Y5}\\ i_{Y6}\end{array}\right]=-\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{VY}-a}\\ i_{\mathrm{VY}-b}\\ \stackrel{}{i_{\mathrm{VY}-c}}\\ -i_d\end{array}\right]$

$\left[\begin{array}{cccccc}1& 0& 0& -1& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0& 0& -1\\ 0& -1& 0& 0& 1& 0\\ 1& 0& 1& 0& 1& 0\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{i}_{D1}\\ i_{D2}\\ i_{D3}\\ i_{D4}\\ i_{D5}\\ i_{D6}\end{array}\right]=-\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{VD}-a}\\ i_{\mathrm{VD}-b}\\ \stackrel{}{i_{\mathrm{VD}-c}}\\ -i_d\end{array}\right]---3-1$

在式(3-1)中，i_VY-a、i_VY-b、i_VY-c、i_VD-a、i_VD-b、i_VD-c、i_d均为已知量；i_Y1～i_Y6、i_D1～i_D6为换流阀各支路电流，即晶闸管电流分布，计算开始时，将当前触发阀的下一换相阀电流置0；系数矩阵中，有电流连接关系为1、无电流连接关系为0；

若换流变阀侧电流整流值i_RCT与直流电流i_d的差值小于浮动误差，则无附加电流分布；反之，如果换流变阀侧电流整流值与直流电流的差值大于浮动误差，则需计算换流阀附加电流分布(3-2、3-3)；所述的阀侧电流整流值通过取计算时刻的i_VY-a、i_VY-b、i_VY-c或i_VD-a、i_VD-b、i_VD-c的峰值得到；

i_RCT-i_d＞Δ

i_V-(k-2)＝i_V-(k+1)＝i_d-i_RCT   3-2

式中：i_V-(k-2)、i_V-(k+1)分别为上一换相阀和当前触发阀的阀电流；由于换流阀1～6为循环触发，故若k-2小于0，则加6；若k+1大于6则减6：

i_d-i_RCT＜Δ

i_V-(k-1)＝i_V-(k+1)＝i_RCT-i_d   3-3

式中：i_V-(k-1)、i_V-(k+1)分别为短路阀；由于换流阀1～6为循环触发，故若k-1小于0，则加6；若k+1大于6则减6；

在(3-2)、(3-3)中，i_V-k即代表应加在i_Y1～i_Y6、i_D1～i_D6上的电流，由换流阀附加电流分布与其基本电流分布共同构成换流阀电流分布；

步骤四：根据换流阀通断状态、换流阀导通电压回路拓扑以及换流阀自身压降计算出换流阀电压分布；具体如下：

根据换流阀通断状态计算阀内电压导通回路拓扑，其拓扑矩阵为时变矩阵，等同于电流回路拓扑，随换流阀当前导通-截止状态发生转换；然后根据导通电流回路的设备参数以及直流电流、换流变阀侧电流计算换流阀自身压降：

u_VYa＝u_a-l_sVY-a·di_VY-a/dt

u_VYb＝u_b-l_sVY-b·di_VY-b/dt   4-1

u_VYc＝u_c-l_sVY-c·di_VY-c/dt

式中：u_a、u_b、u_c，u_VY-a、u_VY-b、u_VY-c分别是系统电压及星形接线换流变阀侧电压，l_sVY-a、l_sVY-b、l_sVY-c、i_VY-a、i_VY-b、i_VY-c分别是换流变漏抗及阀侧电流；

u_VDa＝u_a-l_sVD-a·di_VD-a/dt

u_VDb＝u_b-l_sVD-b·di_VD-b/dt   4-2

u_VDc＝u_c-l_sVD-c·di_VD-c/dt

式中：u_abc、u_VD-abc分别是系统电压及角形接线换流变阀侧电压，l_sVD-a、l_sVD-b、l_sVD-c、i_VD-a、i_VD-b、i_VD-c分别是换流变漏抗及阀侧电流；

根据电压导通回路拓扑及换流阀自身电压降的值计算换流变中性点对地电压以及换流阀端点对地电压，分别为：

$u_{D0}=\frac{(D_4\·({-u}_{\mathrm{VDa}}+u_{\mathrm{lDv}4})+D_6\·({-u}_{\mathrm{VDb}}+u_{\mathrm{lDv}6})+D_2\·({-u}_{\mathrm{VDc}}+u_{\mathrm{lDv}2}))}{(D_4+D_6+D_2)}$

$u_0=u_{D0}+\frac{(D_1\·({-u}_{\mathrm{VDa}}+u_{\mathrm{lDv}4})+D_3\·({-u}_{\mathrm{VDb}}+u_{\mathrm{lDv}6})+D_5\·({-u}_{\mathrm{VDc}}+u_{\mathrm{lDv}2}))}{(D_{\backslash 1}+D_3+D_5)}$

$u_{Y0}=u_0+\frac{(Y_4\·({-u}_{\mathrm{VYa}}+u_{\mathrm{lYv}4})+Y_6\·({-u}_{\mathrm{VYb}}+u_{\mathrm{lYv}6})+Y_2\·({-u}_{\mathrm{VYc}}+u_{\mathrm{lYv}2}))}{(Y_4+Y_6+Y_2)}$

$u_{\mathrm{dc}}=u_{Y0}+\frac{(Y_1\·({-u}_{\mathrm{VYa}}+u_{\mathrm{lYv}1})+Y_3\·({-u}_{\mathrm{VYb}}+u_{\mathrm{lYv}3})+Y_5\·({-u}_{\mathrm{VYc}}+u_{\mathrm{lYv}5}))}{(Y_1+Y_3+Y_5)}---5-3$

式中：u_D0、u_Y0为换流变中性点电压、u₀为换流阀中点电压、u_dc为计算直流电压，u_lD1～u_lD6、u_lY1～u_lY6分别是D桥及Y桥晶闸管回路压降，其可由晶闸管回路参数辨识得到；

根据上述压降及换流阀电路拓扑状态得到阀电压分布：

$\left[\begin{array}{c}{u}_{Y1}\\ u_{Y2}\\ u_{Y3}\\ u_{Y4}\\ u_{Y5}\\ u_{Y6}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccccc}-1& 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 1& 0& -1\\ 0& -1& 0& 1& 0\\ 1& 0& 0& 0& -1\\ 0& 0& -1& 1& 0\\ 0& 1& 0& 0& -1\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{VYa}}\\ u_{\mathrm{VYb}}\\ u_{\mathrm{VYc}}\\ u_{\mathrm{dc}}\\ u_0\end{array}\right]$

$\left[\begin{array}{c}{u}_{D1}\\ u_{D2}\\ u_{D3}\\ u_{D4}\\ u_{D5}\\ u_{D6}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccccc}-1& 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 1& 0& -1\\ 0& -1& 0& 1& 0\\ 1& 0& 0& 0& -1\\ 0& 0& -1& 1& 0\\ 0& 1& 0& 0& -1\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{VDa}}\\ u_{\mathrm{VDb}}\\ u_{\mathrm{VDc}}\\ u_0\\ 0\end{array}\right]---5-4$

步骤五：对晶闸管电压、电流分布数据按时标进行拟合处理：将时间一致的电压、电流标记入直流电压-电流相平面中，即得到其伏安特性曲线，通过伏安特性曲线即可直观的检测运行状态。

2.根据权利要求1所述的高压直流换流阀换相电路晶闸管运行状态检测方法，其特征在于：所述的分布式测量模块包括用于对直流电压、高压直流换流阀换相同步电压、换流变压器阀侧电流、高压直流换流阀触发脉冲和直流电流等高压直流换流阀换相电路状态进行实时采样的分布式采样模块；

用于连接直流电压、高压直流换流阀换相同步电压、换流变压器阀侧电流、高压直流换流阀触发脉冲和直流电流等高压直流换流阀换相电路和分布式采样模块的测量回路；

用于对分布式采样模块输出的数据进行分析存储的集中式数据处理及存储模块；

用于进行时间校正的GPS同步对时模块和人机接口；

所述的采样模块包括互感器、AD7665高精度模数转换器和总线接口，互感器的输出端通过AD7665高精度模数转换器与总线接口连接；所述的采样模块通过总线与集中式数据处理及存储模块相联接。

3.根据权利要求2所述的高压直流换流阀换相电路晶闸管运行状态检测方法，其特征在于：所述的集中式数据处理及存储模块包括DSP、CPU、固态硬盘、总线接口、和GPS同步对时接口；所述的DSP与CPU相联接，二者的分别通过GPS同步对时接口与GPS同步对时模块相联接。

4.根据权利要求3所述的高压直流换流阀换相电路晶闸管运行状态检测方法，其特征在于：所述的人机接口为一台计算机用于接入集中式数据处理及存储模块。

5.根据权利要求4所述的高压直流换流阀换相电路晶闸管运行状态检测方法，其特征在于：所述的测量回路包括五对屏蔽导线，每对屏蔽导线一端用于连接分布式采样模块的输出端，另一端分别接入采样模块的输入端。