CN107064720A - 一种高压直流输电换流器的阀短路故障分类与定位方法 - Google Patents

一种高压直流输电换流器的阀短路故障分类与定位方法 Download PDF

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Abstract

一种高压直流输电换流器的阀短路故障分类与定位方法，其步骤为：a.若高压直流输电保护系统判断换流器发生阀短路故障，保护系统的处理器读取采样窗内电流测量装置采集到的电流量信息；b.处理器积分计算截面电荷量和支路电荷量差值；c.处理器根据各截面电荷量的大小关系区分换流器交流侧短路、桥臂短路和直流出线短路；d.若发生桥臂短路，处理器进一步根据支路电荷量差值的大小和交流支路电流的方向定位故障桥臂。该方法可以快速分类定位阀短路故障，利于故障的快速、有效处理，避免事故扩大，且方法不受故障时刻、噪声和采样窗长的影响，对采样率要求低，具有良好的适应性。

Description

一种高压直流输电换流器的阀短路故障分类与定位方法
技术领域
本发明涉及一种高压直流输电换流器的阀短路故障分类与定位方法。
背景技术
高压直流输电系统输电容量大、输电距离远、传输损耗低，因此在我国电力格局中占据着越来越重要的地位。截止2015年底，我国电网装机容量15亿千瓦，跨区输电功率达到2.1亿千瓦，其中23回高压直流输电线路承担了其中三分之一的传输功率。高压直流输电的基本原理是：在高压直流输电系统的送电端用换流器进行整流，将三相交流电转换为直流电，电能经过高压直流输电线路传输，再在高压直流输电系统的受电端用换流器进行逆变，将直流电转换为三相交流电，电能送入受电端的交流系统。
换流器是高压直流输电系统中最重要的元件之一，承担了整流和逆变两种重要的换流任务。换流器的核心部件为上桥臂三相上的三个阀、下桥臂三相上的三个阀。换流器的常见故障是阀短路故障，它是换流器的阀内部或外部绝缘损坏被短接的故障，典型的阀短路故障包括换流器交流侧相间短路、桥臂短路和直流出线短路三类，其中桥臂短路故障可能发生于换流器的上下桥臂中任意一相。
在实际工程中，高压直流输电的保护系统在检测到阀短路故障发生后将闭锁换流器，但具体的阀短路故障类型和位置并不明确，需要人为分析判断。导致在阀短路故障发生后，保护系统无法自动、准确判断故障的类型(包括交流侧相间短路、桥臂短路、直流出线短路三类)和位置(桥臂短路故障下具体的桥臂及相别)，从而使故障不能得到快速有效地处理，降低了系统的运行效率和可靠性。
发明内容
本发明的目的是提供一种高压直流输电换流器的阀短路故障分类与定位方法，该方法能够在高压直流输电换流器的阀短路故障发生后，快速区分出交流侧相间短路、桥臂短路和直流出线短路三种典型的阀短路故障类型，且对于桥臂短路故障可精确定位故障桥臂及其相别，从而更快速、有效地对故障进行处理，防止事故扩大，提高系统的运行效率和可靠性。
本发明实现其发明目的所采用的技术方案是，一种高压直流输电换流器的阀短路故障分类与定位方法，其步骤如下：
a、数据采集
高压直流输电的保护系统实时检测换流器是否发生阀短路故障，若保护系统检测出换流器发生阀短路故障则进行b步的操作；否则，重复本步的操作；
b、电流测量装置在采样窗内将采集到的的交流侧的A相电流iA、B相电流iB、C相电流iC和换流器的第n个换流阀的电流in，发送给保护系统的处理器；其中n为换流器的换流阀的序号，n＝1，2，3，4，5，6，分别对应于换流器的上桥臂A相，下桥臂C相，上桥臂B相，下桥臂A相，上桥臂C相，下桥臂B相位置处的换流阀；交流侧的电流方向以流入换流器方向为正方向，换流阀的电流方向以阀导通方向为正方向；
c、数据处理
保护系统的处理器对电流测量装置发送来的数据进行以下处理：
c1、对交流侧的A相电流iA、B相电流iB、C相电流iC和第n个换流阀的电流in，分别做积分运算，得到交流侧的A相电荷量QA、B相电荷量QB、C相电荷量QC和第n个换流阀的电荷量Qn；
c2、将A相电荷量QA、B相电荷量QB、C相电荷量QC中的正值相加得到交流截面电荷量Qj，即：
式中，sgn(·)表示符号运算；
将第1个换流阀的电荷量Q1、第3个换流阀的电荷量Q3、第5个换流阀的电荷量Q5中的正值相加得到上桥臂截面电荷量Qs，即：
将第2个换流阀的电荷量Q2、第4个换流阀的电荷量Q4、第6个换流阀的电荷量Q6中的正值相加得到下桥臂截面电荷量Qx，即：
d阀短路故障分类
处理器根据c步得到的交流截面电荷量Qj、上桥臂截面电荷量Qs和下桥臂截面电荷量Qx，对阀短路故障进行分类：
若交流截面电荷量Qj大于上桥臂截面电荷量Qs，即Qj-Qs＞0，处理器给出阀短路故障类型为“交流侧相间短路”的故障分类结果，并结束操作；
若交流截面电荷量Qj、上桥臂截面电荷量Qs和下桥臂截面电荷量Qx均相等，即Qj＝Qs＝Qx，处理器给出阀短路故障类型为“直流侧出线短路”的故障分类结果，并结束操作；
若上桥臂截面电荷量Qs和下桥臂截面电荷量Qx不相等，即|Qs-Qx|＞0，处理器给出阀短路故障类型为“桥臂短路”的故障分类结果；同时转入步骤e进行故障桥臂的定位；
e、故障桥臂定位
处理器算出交流侧的A相电荷量差值ΔA，ΔA＝|QA|-(Q1+Q4)、B相电荷量差值ΔB，ΔB＝|QB|-(Q3+Q6)、C相电荷量差值ΔC，ΔC＝|QC|-(Q2+Q5)：找出三相电荷量差值ΔA、ΔB、ΔC中的最大者，该最大的相电荷量差值所在的相别，即为阀短路故障在故障桥臂中的相别；若该故障所在相别的电流为正值，则阀短路故障位于换流器的下桥臂；否则，阀短路故障位于换流器的上桥臂。
本发明故障分类及定位方法的原理和依据如下：
发生交流侧相间短路故障时，沿Qj正方向流过交流截面的电荷量直接通过短路点，直接沿Qj反方向流出交流截面，而未经过换流器的桥臂，所以在采样窗内Qj-Qs＞0可作为交流侧相间短路故障的区分判据；
发生桥臂短路故障时，短路的桥臂将流过反方向电荷量(与图2箭头标注方向相反)。由基尔霍夫电流定律，沿Qj正方向流过交流截面的电荷量始终等于沿Qj的反方向流出交流截面的电荷量。假设上桥臂(阀1、3、5所在的桥臂)中某桥臂发生短路，沿Qj正方向流过交流截面的电荷量只包括流过上桥臂截面的电荷量，Qj＝Qs成立；而沿Qj反方向流过交流截面的电荷量不只包括流过下桥臂截面的电荷量，还包括上桥臂中故障桥臂的反向电荷量，所以Qj＞Qx。综上，桥臂短路发生于上桥臂时，有Qs＞Qx成立；类似地分析桥臂短路发生于下桥臂时，有Qs＜Qx成立，所以在采样窗内|Qs-Qx|＞0成立可以作为桥臂短路故障的区分判据。
发生直流出线短路时，沿Qj正方向流过交流截面的电荷量等于沿Qs方向流过上桥臂截面的电荷量；沿Qj的反方向流出交流截面的电荷量等于沿Qx方向流过下桥臂截面的电荷量。由基尔霍夫电流定律，沿Qj正方向流过交流截面的电荷量始终等于沿Qj的反方向流出交流截面的电荷量，所以在采样窗内Qj＝Qs＝Qx成立可以作为直流出线短路故障的区分判据。
正常情况下，任意时间段内流过交流支路的电荷量等于流过其相连两条桥臂支路的电荷量之和，即ΔA＝ΔB＝ΔC＝0。发生桥臂短路时，若故障电流未流经电流测量装置，测得阀电流为零；若故障电流流经电流测量装置，由于电流方向与阀的导通方向相反，阀电流定义为零。因此采样窗内流过故障桥臂的电荷量始终为零，故障桥臂对应相的交流支路与桥臂支路之间的电荷量平衡关系被打破，即该相的电荷量差值大于其他两相的电荷量差值。因此故障桥臂所在的相别为ΔA、ΔB、ΔC(分别对应于A、B、C三相)中最大值对应的相别。由于故障桥臂为流过反方向电流，所以若采样窗内故障桥臂所在相交流支路的电流为流出换流器方向，故障位于上桥臂；若故障桥臂所在相交流支路的电流为流入换流器方向，故障位于下桥臂。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
一、本发明能够在高压直流输电换流器的阀短路故障发生后，能快速区分出故障属于交流侧相间短路、桥臂短路和直流出线短路三种典型阀短路故障类型中的类型。并且对于桥臂短路故障可以精确定位故障所在的桥臂及其相别，便于故障的快速有效处理，从而更快速、有效地对故障进行处理，防止事故扩大，提高系统的运行效率和可靠性。
二、本发明利用采样窗内的积分得到的截面和支路的电荷量大小关系进行高压直流输电换流器的阀短路故障的分类与定位，可避免某一瞬间的干扰、误差引起的误判，且分类与定位的数据来源于发生阀短路故障前的一个采样窗，避免了采用短路故障发生后的时段(数据)串入了保护动作所带来的干扰，提高了运算和判断的准确性和精确度，其分类与定位结果更准确、可靠
三、以交流侧相间短路为例，当交流侧正向电荷量大于后续的上下桥臂的正向电荷量，表明交流侧有电荷量没有流入后续的上下桥臂，根据基尔霍夫电流定律可以判定是交流侧发生了电流泄流，即发生交流侧相间短路。由此可见，本发明逻辑清晰、原理简单，只需对电流及电荷量进行简单运算、比较即可得出阀短路故障的类型及定位，其运算简单，对硬件软件要求低，速度快，实时性好，适于工程应用。
进一步，本发明的发生阀短路故障前的一个采样窗是高压直流输电保护系统检测到阀短路故障发生时至之前的1ms时段。
含1ms的时段既能满足数据处理要求的数据量，同时数据量不是过多避免了资源的浪费。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
附图说明
图1为换流器的阀短路故障为交流侧相间短路故障的示意图。
图2为换流器的阀短路故障为直流侧出线短路故障的示意图。
图3为换流器的阀短路故障为桥臂短路故障示意图。
具体实施方式
实施例
图1-3示出，本发明的一种具体实施方式是，一种高压直流输电换流器的阀短路故障分类与定位方法，其步骤如下：
a、数据采集
高压直流输电的保护系统实时检测换流器是否发生阀短路故障，若保护系统检测出换流器发生阀短路故障则进行b步的操作；否则，重复本步的操作；
b、电流测量装置将发生阀短路故障前的一个采样窗内，采集到的的交流侧的A相电流iA、B相电流iB、C相电流iC和换流器的第n个换流阀的电流in，发送给保护系统的处理器；其中n为换流器的换流阀的序号，n＝1，2，3，4，5，6，分别对应于换流器的上桥臂A相，下桥臂C相，上桥臂B相，下桥臂A相，上桥臂C相，下桥臂B相位置处的换流阀；交流侧的电流方向以流入换流器方向为正方向，换流阀的电流方向以阀导通方向为正方向；
c、数据处理
保护系统的处理器对电流测量装置发送来的数据进行以下处理：
c1、对交流侧的A相电流iA、B相电流iB、C相电流iC和第n个换流阀的电流in，分别做积分运算，得到交流侧的A相电荷量QA、B相电荷量QB、C相电荷量QC和第n个换流阀的电荷量Qn；
c2、将A相电荷量QA、B相电荷量QB、C相电荷量QC中的正值相加得到交流截面电荷量Qj，即：
式中，sgn(·)表示符号运算；
将第1个换流阀的电荷量Q1、第3个换流阀的电荷量Q3、第5个换流阀的电荷量Q5中的正值相加得到上桥臂截面电荷量Qs，即：
将第2个换流阀的电荷量Q2、第4个换流阀的电荷量Q4、第6个换流阀的电荷量Q6中的正值相加得到下桥臂截面电荷量Qx，即：
d阀短路故障分类
处理器根据c步得到的交流截面电荷量Qj、上桥臂截面电荷量Qs和下桥臂截面电荷量Qx，对阀短路故障进行分类：
若交流截面电荷量Qj大于上桥臂截面电荷量Qs，即Qj-Qs＞0，处理器给出阀短路故障类型为“交流侧相间短路”的故障分类结果，并结束操作；
例如图1所示的情形，即为交流侧的B相与C相间发生了短路(图中闪电符号所在的位置即为短路位置)。
若交流截面电荷量Qj、上桥臂截面电荷量Qs和下桥臂截面电荷量Qx均相等，即Qj＝Qs＝Qx，处理器给出阀短路故障类型为“直流侧出线短路”的故障分类结果，并结束操作；
例如图2所示的情形，即发生了“直流侧出线短路”(图中闪电符号所在的位置即为短路位置)。
若上桥臂截面电荷量Qs和下桥臂截面电荷量Qx不相等，即|Qs-Qx|＞0，处理器给出阀短路故障类型为“桥臂短路”的故障分类结果；同时转入步骤e进行故障桥臂的定位；
e、故障桥臂定位
处理器算出交流侧的A相电荷量差值ΔA，ΔA＝|QA|-(Q1+Q4)、B相电荷量差值ΔB，ΔB＝|QB|-(Q3+Q6)、C相电荷量差值ΔC，ΔC＝|QC|-(Q2+Q5)：找出三相电荷量差值ΔA、ΔB、ΔC中的最大者，该最大的相电荷量差值所在的相别，即为阀短路故障在故障桥臂中的相别；若该故障所在相别的电流为正值，则阀短路故障位于换流器的下桥臂；否则，阀短路故障位于换流器的上桥臂。
例如图3所示的情形，即为阀短路故障位于上桥臂的B相。其B相电荷量差值ΔB为三相电荷量差值ΔA、ΔB、ΔC中的最大者，且B相电流iB为负值。
本例的发生阀短路故障前的一个采样窗是高压直流输电保护系统检测到阀短路故障发生时至之前的1ms时段。

Claims (2)

1.一种高压直流输电换流器的阀短路故障分类与定位方法，其步骤如下：
a、数据采集
高压直流输电的保护系统实时检测换流器是否发生阀短路故障，若保护系统检测出换流器发生阀短路故障则进行b步的操作；否则，重复本步的操作；
b、电流测量装置将发生阀短路故障前的一个采样窗内，采集到的的交流侧的A相电流iA、B相电流iB、C相电流iC和换流器的第n个换流阀的电流in，发送给保护系统的处理器；其中n为换流器的换流阀的序号，n＝1，2，3，4，5，6，分别对应于换流器的上桥臂A相，下桥臂C相，上桥臂B相，下桥臂A相，上桥臂C相，下桥臂B相位置处的换流阀；交流侧的电流方向以流入换流器方向为正方向，换流阀的电流方向以阀导通方向为正方向；
c、数据处理
保护系统的处理器对电流测量装置发送来的数据进行以下处理：
c1、对交流侧的A相电流iA、B相电流iB、C相电流iC和第n个换流阀的电流in，分别做积分运算，得到交流侧的A相电荷量QA、B相电荷量QB、C相电荷量QC和第n个换流阀的电荷量Qn；
c2、将A相电荷量QA、B相电荷量QB、C相电荷量QC中的正值相加得到交流截面电荷量Qj，即：
<mrow> <msub> <mi>Q</mi> <mi>j</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>sgn</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>Q</mi> <mi>A</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mn>2</mn> </mfrac> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msub> <mi>Q</mi> <mi>A</mi> </msub> <mo>+</mo> <mfrac> <mrow> <mi>sgn</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>Q</mi> <mi>B</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mn>2</mn> </mfrac> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msub> <mi>Q</mi> <mi>B</mi> </msub> <mo>+</mo> <mfrac> <mrow> <mi>sgn</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>Q</mi> <mi>C</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mn>2</mn> </mfrac> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msub> <mi>Q</mi> <mi>C</mi> </msub> <mo>;</mo> </mrow>
式中，sgn(·)表示符号运算；
将第1个换流阀的电荷量Q1、第3个换流阀的电荷量Q3、第5个换流阀的电荷量Q5中的正值相加得到上桥臂截面电荷量Qs，即：
<mrow> <msub> <mi>Q</mi> <mi>s</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>s</mi> <mi>g</mi> <mi>n</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>Q</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mn>2</mn> </mfrac> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msub> <mi>Q</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>+</mo> <mfrac> <mrow> <mi>s</mi> <mi>g</mi> <mi>n</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>Q</mi> <mn>3</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mn>2</mn> </mfrac> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msub> <mi>Q</mi> <mn>3</mn> </msub> <mo>+</mo> <mfrac> <mrow> <mi>s</mi> <mi>g</mi> <mi>n</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>Q</mi> <mn>5</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mn>2</mn> </mfrac> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msub> <mi>Q</mi> <mn>5</mn> </msub> <mo>;</mo> </mrow>
将第2个换流阀的电荷量Q2、第4个换流阀的电荷量Q4、第6个换流阀的电荷量Q6中的正值相加得到下桥臂截面电荷量Qx，即：
<mrow> <msub> <mi>Q</mi> <mi>x</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>s</mi> <mi>g</mi> <mi>n</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>Q</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mn>2</mn> </mfrac> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msub> <mi>Q</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>+</mo> <mfrac> <mrow> <mi>s</mi> <mi>g</mi> <mi>n</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>Q</mi> <mn>4</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mn>2</mn> </mfrac> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msub> <mi>Q</mi> <mn>4</mn> </msub> <mo>+</mo> <mfrac> <mrow> <mi>s</mi> <mi>g</mi> <mi>n</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>Q</mi> <mn>6</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mn>2</mn> </mfrac> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msub> <mi>Q</mi> <mn>6</mn> </msub> <mo>.</mo> </mrow>
d阀短路故障分类
处理器根据c步得到的交流截面电荷量Qj、上桥臂截面电荷量Qs和下桥臂截面电荷量Qx，对阀短路故障进行分类：
若交流截面电荷量Qj大于上桥臂截面电荷量Qs，即Qj-Qs＞0，处理器给出阀短路故障类型为“交流侧相间短路”的故障分类结果，并结束操作；
若交流截面电荷量Qj、上桥臂截面电荷量Qs和下桥臂截面电荷量Qx均相等，即Qj＝Qs＝Qx，处理器给出阀短路故障类型为“直流侧出线短路”的故障分类结果，并结束操作；
若上桥臂截面电荷量Qs和下桥臂截面电荷量Qx不相等，即|Qs-Qx|＞0，处理器给出阀短路故障类型为“桥臂短路”的故障分类结果；同时转入步骤e进行故障桥臂的定位；
e、故障桥臂定位
处理器算出交流侧的A相电荷量差值ΔA，ΔA＝|QA|-(Q1+Q4)、B相电荷量差值ΔB，ΔB＝|QB|-(Q3+Q6)、C相电荷量差值ΔC，ΔC＝|QC|-(Q2+Q5)：找出三相电荷量差值ΔA、ΔB、ΔC中的最大者，该最大的相电荷量差值所在的相别，即为阀短路故障在故障桥臂中的相别；若该故障所在相别的电流为正值，则阀短路故障位于换流器的下桥臂；否则，阀短路故障位于换流器的上桥臂。
2.如权利要求1所述的一种高压直流输电换流器的阀短路故障分类与定位方法，其特征在于：所述的发生阀短路故障前的一个采样窗是高压直流输电保护系统检测到阀短路故障发生时至之前的1ms时段。
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