CN106253224B - 一种基于电容通交隔直的直流偏磁隔离接地装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于电容通交隔直的直流偏磁隔离接地装置，包括直流偏磁隔离系统和故障检测系统，所述直流偏磁隔离系统包括与交流输电的变压器中性点串联的电容器、与电容器并联的高速真空断路器和氧化锌非线性电阻限压保护器组件以及用于控制高速真空断路器运作的智能监控装置；所述故障检测系统与直流偏磁隔离系统连接，用于对直流偏磁隔离系统进行实时故障监测。本发明通过直流偏磁隔离系统实现直流偏磁的功能，并设置相应的故障检测系统，从而能实时监测直流偏磁隔离接地装置中各器件的健康信息，进而在某器件发生故障时能够实时进行处理，安全性能高，造价低。

Description

一种基于电容通交隔直的直流偏磁隔离接地装置

技术领域

本发明涉及变压器保护技术领域，具体涉及一种基于电容通交隔直的直流偏磁隔离接地装置。

背景技术

由于国家电网实施了直流输电，在交直流混合输电过程中，当直流输电线路采取单极大地运行时，地极电流流入交流系统变压器中性点接地回路，导致变压器发生直流偏磁、振荡、噪声、温升等现象，严重的造成变压器磁饱和，交流正弦波波形畸变，谐波增加，给电力系统安全生产带来了严重威胁。

相关技术中的解决方法包括串联电阻法、串联电容法、反向电流注入法，上述方法都要考虑在发生单相接地非对称短路故障时变压器的串联器件两端的过电压问题，且由于并联了过电压保护元件，变压器的通流能力较弱，因此，上述解决方法针对较小短路电流尚可，对于大容量的巨型变压器短路电流峰值达到几十千安甚至上百千安的，需要提高串联器件的耐压水平，造价较高；另外，相关技术中的直流偏磁隔离接地装置缺乏相应的故障检测系统，不能实时监测直流偏磁隔离接地装置中各器件的健康信息，从而不能在某器件发生故障时进行相应处理，安全性能低。

发明内容

为解决上述问题，本发明旨在提供一种基于电容通交隔直的直流偏磁隔离接地装置。

本发明的目的采用以下技术方案来实现：

一种基于电容通交隔直的直流偏磁隔离接地装置，其包括直流偏磁隔离系统和故障检测系统，所述直流偏磁隔离系统包括与交流输电的变压器中性点串联的电容器、与电容器并联的高速真空断路器和氧化锌非线性电阻限压保护器组件以及用于控制高速真空断路器运作的智能监控装置；所述故障检测系统与直流偏磁隔离系统连接，用于对直流偏磁隔离系统进行实时故障监测。

优选的，所述智能监控装置包括交流电流互感器、交直流电流变送器、数字监控装置、与数字监控装置输出端连接的通信终端以及分别与旁路开关控制器、数字监控装置连接的隔离变压器。

优选的，所述故障检测系统包括数据采集模块、硬件控制模块、故障评估模块、报警显示模块、故障定位模块和故障类型确定模块，所述硬件控制模块与数据采集模块和故障评估模块连接，硬件控制模块控制多个传感器实时监测直流偏磁隔离系统，并将实时监测的数据输送到故障评估模块，所述报警显示模块与故障评估模块、故障类型确定模块连接，显示故障状态、在收到故障评估模块输出的报警信号时进行报警并显示故障类型；所述故障定位模块连接故障评估模块和故障类型确定模块，其通过对故障评估模块发出的信息进行分析处理以定位故障传感器并将定位信息传送给故障类型确定模块。

优选的，所述故障评估模块包括：

(1)残差信号生成单元，用于根据奇异系统方法来设计故障检测观测器并获得需检测系统的残差信号，定义故障检测观测器为：

具有故障信息的残差信号的计算公式为：

此处，

其中，x_m表示系统的状态向量，表示状态x_m的估计，表示系统输出向量的估计，为辅助状态，C_m表示具有故障信息的残差信号，Z_m为系统状态误差，G_m表示故障，Y_m为

未知外部有界扰动向量，K_m为控制输入向量，a_2i、a_1i、b_1i、c_1i、c_2i为根据系统自定义的合适维数的矩阵，d_2i为根据系统自定义的列满秩的矩阵，U_i、V_i为所述故障检测观测器的设计参数；

(2)故障评估单元，用于判断直流偏磁隔离系统是否出现故障，定义故障评估函数为：

其中，m₀为初始演变时间，n为有限的演变时间区间；若P(C_m)>0，所述故障评估模块输出报警信号，若P(C_m)≤0，所述故障评估模块输出正常信号。

优选的，所述故障定位模块，其包括依次连接的子观测器建立单元、解耦单元和定位单元，所述子观测器建立单元针对每一个参与反馈信号的传感器建立一系列并行的降维鲁棒观测器，每个降维鲁棒观测器对应于一个传感器的输出；所述解耦单元利用降维鲁棒观测器对传感器的输出信号进行解耦；所述定位单元用于定位故障传感器，设共有k个参与反馈信号的传感器，定位公式为：

其中，γ表示故障传感器，C_i表示由第i个参与反馈信号的传感器的输出信号和降维鲁棒观测器的估计值进行比较得到的残差偏差。

所述直流偏磁隔离系统的工作原理是：正常运行时，高速真空断路器处于闭合状态，将变压器中性点与地直连，构成金属性接地；当该接地回路中因直流输电的原因出现直流电流成分，且直流电流大于预先整定阈值时，数字监控装置通过交直流变送器检出并通过旁路开关控制器驱动高速真空断路器分闸，利用电容器同交流、阻直流的特性阻止直流，起到抑制直流偏磁的作用，此时电容器上会因直流电流充电而有直流电压；当直流输电的原因消失后，电容器会放电，当其电压低到预先整定的阈值以下时，数字监控装置通过电压检测回路检出并通过旁路开关控制器驱动高速真空断路器合闸，将电容器退出；在系统处于抑直工况下，若变压器发生单相接地非对称短路故障时，巨大的短路电流将流经电容器，造成电容器两端电压的升高，此时由于氧化锌非线性电阻限压保护器组件的作用，将电容器组的电压钳值在预先设定的范围内，对电容器实施过电压保护，同时高速旁路开关控制器通过交流电流互感器检出接地回路中的短路电流特征，预测出短路电流的过零点时刻，经过适当的延时，驱动高速真空断路器在电流过零点时刻合闸，将氧化锌非线性电阻限压保护器组件短路，旁路变压器的短路电流，对氧化锌非线性电阻限压保护器组件实施过载保护；当短路故障消除后，该系统重新进入正常工作逻辑。

本发明的有益效果为：

1、通过直流偏磁隔离系统实现直流偏磁的功能，并设置相应的故障检测系统，从而能实时监测直流偏磁隔离接地装置中各器件的健康信息，进而在某器件发生故障时能够实时进行处理，安全性能高；

2、采用了氧化锌非线性电阻限压保护器组件作为电容器的过电压保护单元，从而降低了电容器标称电压的选取值，降低了电容器的造价；采用了具有过零点合闸技术的高速真空断路器作为旁路开关，从而减少了氧化锌非线性电阻限压保护器组件的用量，降低了氧化锌非线性电阻限压保护器组件的造价，降低了成本；

3、设置的故障检测系统故障检测精度高、速度快，且设置的故障定位模块利用针对每一个传感器输出设计的降维鲁棒观测器进行故障快速检测和定位，定位效率高。

附图说明

利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。

图1本发明直流偏磁隔离系统的原理示意图；

图2是本发明故障检测系统的结构示意图。

附图标记：

高速真空断路器HSD、旁路开关控制器Kz1、氧化锌非线性电阻限压保护器组件FR、数字监控装置Kz2、交流电流互感器Ta1、交直流电流变送器Ta2、通信终端TX、隔离变压器GT、电容器C、数据采集模块1、硬件控制模块2、故障评估模块3、报警显示模块4、故障定位模块5、故障类型确定模块6。

具体实施方式

结合以下应用场景对本发明作进一步描述。

参见图1、图2，本应用场景的一个实施例的基于电容通交隔直的直流偏磁隔离接地装置，其特征是，包括直流偏磁隔离系统和故障检测系统，所述直流偏磁隔离系统包括与交流输电的变压器中性点串联的电容器C、与电容器C并联的高速真空断路器HSD和氧化锌非线性电阻限压保护器组件FR以及用于控制高速真空断路器HSD运作的智能监控装置；所述故障检测系统与直流偏磁隔离系统连接，用于对直流偏磁隔离系统进行实时故障监测。

优选的，所述智能监控装置包括交流电流互感器Ta1、交直流电流变送器Ta2、数字监控装置Kz2、与数字监控装置Kz2输出端连接的通信终端TX以及分别与旁路开关控制器Kz1、数字监控装置Kz2连接的隔离变压器GT。

本发明上述实施例通过直流偏磁隔离系统实现直流偏磁的功能，并设置相应的故障检测系统，从而能实时监测直流偏磁隔离接地装置中各器件的健康信息，进而在某器件发生故障时能够实时进行处理，安全性能高；采用了氧化锌非线性电阻限压保护器组件FR作为电容器C的过电压保护单元，从而降低了电容器C标称电压的选取值，降低了电容器C的造价；采用了具有过零点合闸技术的高速真空断路器HSD作为旁路开关，从而减少了氧化锌非线性电阻限压保护器组件FR的用量，降低了氧化锌非线性电阻限压保护器组件FR的造价，降低了成本。

优选的，所述故障检测系统包括数据采集模块1、硬件控制模块2、故障评估模块3、报警显示模块4、故障定位模块5和故障类型确定模块6，所述硬件控制模块2与数据采集模块1和故障评估模块3连接，硬件控制模块2控制多个传感器实时监测直流偏磁隔离系统，并将实时监测的数据输送到故障评估模块3，所述报警显示模块4与故障评估模块3、故障类型确定模块6连接，显示故障状态、在收到故障评估模块3输出的报警信号时进行报警并显示故障类型；所述故障定位模块5连接故障评估模块3和故障类型确定模块6，其通过对故障评估模块3发出的信息进行分析处理以定位故障传感器并将定位信息传送给故障类型确定模块6。

本优选实施例构建了故障检测系统的模块架构。

优选的，所述故障评估模块3包括：

(1)残差信号生成单元，用于根据奇异系统方法来设计故障检测观测器并获得需检测系统的残差信号，定义故障检测观测器为：

具有故障信息的残差信号的计算公式为：

此处，

其中，x_m表示系统的状态向量，表示状态x_m的估计，表示系统输出向量的估计，为辅助状态，C_m表示具有故障信息的残差信号，Z_m为系统状态误差，G_m表示故障，Y_m为

未知外部有界扰动向量，K_m为控制输入向量，a_2i、a_1i、b_1i、c_1i、c_2i为根据系统自定义的合适维数的矩阵，d_2i为根据系统自定义的列满秩的矩阵，U_i、V_i为所述故障检测观测器的设计参数；(2)故障评估单元，用于判断直流偏磁隔离系统是否出现故障，定义故障评估函数为：

优选的，m₀为初始演变时间，n为有限的演变时间区间；若P(C_m)>0，所述故障评估模块输出报警信号，若P(C_m)≤0，所述故障评估模块3输出正常信号。

本优选实施例设置的故障检测系统故障检测精度高、速度快。

优选的，所述故障定位模块5，其包括依次连接的子观测器建立单元、解耦单元和定位单元，所述子观测器建立单元针对每一个参与反馈信号的传感器建立一系列并行的降维鲁棒观测器，每个降维鲁棒观测器对应于一个传感器的输出；所述解耦单元利用降维鲁棒观测器对传感器的输出信号进行解耦；所述定位单元用于定位故障传感器，设共有k个参与反馈信号的传感器，定位公式为：

其中，γ表示故障传感器，C_i表示由第i个参与反馈信号的传感器的输出信号和降维鲁棒观测器的估计值进行比较得到的残差偏差。

本优选实施例设置的故障定位模块5利用针对每一个传感器输出设计的降维鲁棒观测器进行故障快速检测和定位，定位效率高。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (2)

1.一种基于电容通交隔直的直流偏磁隔离接地装置，其特征是，包括直流偏磁隔离系统和故障检测系统，所述直流偏磁隔离系统包括与交流输电的变压器中性点串联的电容器、与电容器并联的高速真空断路器和氧化锌非线性电阻限压保护器组件以及用于控制高速真空断路器运作的智能监控装置；所述故障检测系统与直流偏磁隔离系统连接，用于对直流偏磁隔离系统进行实时故障监测；所述智能监控装置包括交流电流互感器、交直流电流变送器、数字监控装置、与数字监控装置输出端连接的通信终端以及分别与旁路开关控制器、数字监控装置连接的隔离变压器；所述故障检测系统包括数据采集模块、硬件控制模块、故障评估模块、报警显示模块、故障定位模块和故障类型确定模块，所述硬件控制模块与数据采集模块和故障评估模块连接，硬件控制模块控制多个传感器实时监测直流偏磁隔离系统，并将实时监测的数据输送到故障评估模块，所述报警显示模块与故障评估模块、故障类型确定模块连接，显示故障状态、在收到故障评估模块输出的报警信号时进行报警并显示故障类型；所述故障定位模块连接故障评估模块和故障类型确定模块，其通过对故障评估模块发出的信息进行分析处理以定位故障传感器并将定位信息传送给故障类型确定模块；所述故障评估模块包括：

(1)残差信号生成单元，用于根据奇异系统方法来设计故障检测观测器并获得需检测系统的残差信号，定义故障检测观测器为：

具有故障信息的残差信号的计算公式为：

此处，

其中，x_m表示系统的状态向量，表示状态x_m的估计，表示系统输出向量的估计，为辅助状态，C_m表示具有故障信息的残差信号，Z_m为系统状态误差，G_m表示故障，Y_m为未知外部有界扰动向量，K_m为控制输入向量，a_2i、a_1i、b_1i、c_1i、c_2i为根据系统自定义的合 适维数的矩阵，d_2i为根据系统自定义的列满秩的矩阵，U_i、V_i为所述故障检测观测器的设计参数；

(2)故障评估单元，用于判断直流偏磁隔离系统是否出现故障，定义故障评估函数为：

其中，m₀为初始演变时间，n为有限的演变时间区间；若P(C_m)>0，所述故障评估模块输出报警信号，若P(C_m)≤0，所述故障评估模块输出正常信号。

2.根据权利要求1所述的一种基于电容通交隔直的直流偏磁隔离接地装置，其特征是，所述故障定位模块，其包括依次连接的子观测器建立单元、解耦单元和定位单元，所述子观测器建立单元针对每一个参与反馈信号的传感器建立一系列并行的降维鲁棒观测器，每个降维鲁棒观测器对应于一个传感器的输出；所述解耦单元利用降维鲁棒观测器对传感器的输出信号进行解耦；所述定位单元用于定位故障传感器，设共有k个参与反馈信号的传感器，定位公式为：

其中，γ表示故障传感器，C_i表示由第i个参与反馈信号的传感器的输出信号和降维鲁棒观测器的估计值进行比较得到的残差偏差。