CN108152680B - 一种检测直流输电换相失败的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种检测直流输电换相失败的方法，该方法是通过采集换相失败前后直流电流波形的特点，采用具有二阶消失矩的Daubechies小波进行分析，排除了正常状态和交流系统轻微故障，达到快速检测到换相失败的时间点的目的。本发明在直流输电系统换相失败的检测过程中具有计算过程简单，计算速度快，检测精度高的优点，可以在线应用，便于换相失败准确检测，可迅速得出换相失败信息，避免输电线路和换流站器材发生故障，提高了电网运行的安全性。

Description

一种检测直流输电换相失败的方法
技术领域
本发明涉及输电系统换相检测领域，特别是一种检测直流输电换相失败的方法。
背景技术
高压直流输电(High Voltage Direct Current，HVDC)，对于提高现有电力系统的传输能力，挖掘现有设备潜力，具有十分重要的现实意义，是国家大力发展的输电方式。
HVDC系统的换流器在每个周期(0.02秒)内换相6次，当两个桥臂之间换相结束后，刚退出导通的阀在反向电压作用的一段时间内，如果未能恢复阻断能力，或者在反向电压期间换相过程一直未能进行完毕，这两种情况在阀电压转变为正向时被换相的阀都将向原来预定退出导通的阀倒换相，这称现象称为换相失败。相比于整流侧，逆变侧晶闸管承受反向电压的时间较少，发生换相失败的可能性要高很多。晶闸管需要一定时间完成载流子复合，恢复阻断能力，其去离子恢复时间在400μs(大约7电角度)左右。换相失败造成直流电流变大，威胁输电线路和换流站器材的绝缘安全，造成交流线路三相电压的不平衡，为电网安全运行带来重大威胁。
目前用于直流输电系统换相失败的检测方法主要分为两类：一是实测型，即将各个阀电流结束时刻与对应换相电压过零时刻的时间间隔转化为角度量以获得熄弧角，进而与极限熄弧角进行比较判断是否发生换相失败；二是预测型，利用交流故障中换流母线电压判断交流侧故障是否可能引起换相失败。两者皆有所不足，实测型方法基于经验结论，将熄弧角检测结果与极限值比较得出结论，但熄弧角小于极限值只是大概率而非绝对发生换向故障，实测型方法因此可能发生误判断。预测型基于稳态模型分析换相失败这一暂态过程，模型本身精度存在缺陷，所得结果与实际也有所出入。
因此，目前的直流输电系统换相失败的检测方法存在检测精度较低、换相失败难以准确检测、易发生误判的问题，易导致交流线路三相电压的不平衡，电网运行过程中安全隐患较大。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种检测直流输电换相失败的方法。本发明在直流输电系统换相失败的检测过程中具有计算过程简单，计算速度快，检测精度高的优点，可以在线应用，便于换相失败准确检测，可迅速得出换相失败信息，避免输电线路和换流站器材发生故障，提高了电网运行的安全性。
本发明的技术方案：一种检测直流输电换相失败的方法，该方法是通过采集直流电流采样数据，对直流电流采样数据进行检测，从而判断直流换相失败发生的具体时间点，达到快速检测到换相失败的时间点的目的。
前述的一种检测直流输电换相失败的方法中，所述方法是通过采集直流电流采样数据，以换相失败前后直流电流采样数据为依据,根据换相失败时直流电流发生非正常跃升,电流数据的二阶及以上阶导数具有明显增大的特征，采用具有二阶消失矩的Daubechies小波对直流电流采样数据进行奇异性检测,基于阈值比较的方法判断直流换相失败发生的具体时间点，达到排除了正常状态和交流系统轻微故障，快速检测到换相失败的时间点的目的。
与现有技术相比，通过分析HVDC系统换相失败前后直流电流波形的特点，采用具有二阶消失矩的Daubechies小波进行分析，有效的排除了正常状态和交流系统轻微故障(即未发生换相失败的故障)，快速检测到换相失败的时间点，为电网调度和运行人员第一时间提供警示。
以图1中的直流系统为例，其逆变侧(右侧)发生换相失败前直流电流波形如图3中t0时刻之前，是具有一定波动的直线；当逆变侧交流系统发生三相接地故障(t0时刻)，直流电流首先因为直流电压的降低而变大(t0-t1时间段)，此时尚未发生换相失败；t1时刻发生换相失败(图3中I2表示发生换相失败的2号阀波形)，此时4号阀本应导通但因为换相电压不足提前关闭，2号阀重新导通，即发生换相失败，随着5号阀的正常导通，2号和5号阀同时导通形成直流侧短路，直流电流有一个明显的增长，以更大的斜率增大并在t2到达顶峰；此后由于直流系统控制器的作用，电流值减小，但故障尚未排除，t3时刻在此发生换相失败(图3的下图中I5表示5号阀(请标明5号阀的位置，在图2)电流波形)，其在t3应该关闭但再次导通，即5阀向1阀换相失败，2-5阀第二次形成直流短路，直流电流再次发生突变；此后由于控制器作用，直流电流持续减小，后续换相失败没有继续发生。
以上分析表明，直流电流在换相失败发生前后，在换相失败点处具有明显的跃变，通过检测这些跃变点，可以快速准确的确定换相失败是否发生。据此，本发明提出采用具有2阶消失矩的Daucechies小波对电流采样信号进行处理，利用各点小波系数判断换相失败是否发生。
系统正常运行时直流电流存在纹波，电流波形存在二阶导数非零的情况。换相失败时刻对应的直流电流发生突变，其二阶导数非零的特征更为明显，小波系数较其他时刻更为突出。对此，对直流电流进行采样，获得其高阶(二阶及以上)导数信息，高阶导数超过阈值即可认为换相失败发生。
具有2阶消失矩的Daubechies小波Ψ(x)波形如图4所示，该小波的支撑集为0-3，其对特定数列f(x)进行小波分析，并得到小波系数Bk j公式如下：
Figure BDA0001533149030000041
其中k表示数据的平移量，j表示分辨率。把(1)式右边f进行二阶泰勒分解，有
Figure BDA0001533149030000042
其中O(2-jk)表示高阶导数项，表示进而(1)式可以表示为
Figure BDA0001533149030000043
由于Ψ(x)具有二阶消失矩，所以
Figure BDA0001533149030000044
故(1)式所示结果至于数列f(X)的二阶导数有关。
Figure BDA0001533149030000045
基于以上分析，采用具有2阶消失矩的Daubechies小波Ψ(x)对直流电流波形Id进行分析，将小波系数超过阈值的点作为换相失败发生的点，可以快速得到换相失败发生的时刻，同时排除了未发生换相失败的普通故障(t0-t1时间段，一阶导数变化)以及控制器作用点(t2)的干扰，针对直流换相失败的检测具有良好的应用性。
阈值的选择原则：依据公式(5)，小波系数的大小和直流电流采样频率以及小波函数的数据长度有关。在本说明结果展示图图5对应的算例中，直流电流数据来自EMTDC/PSCAD仿真软件，采样频率为4000Hz,小波数据长度为769，此条件下直流系统正常运行时直流电流采样点最大小波系数为0.103。考虑到非换相失败故障期间的小波系数也会有相应的增大，综合考虑下0.15作为阈值是比较合理的。在实际运用时，结合系统的采样频率和小波长度，通过公式(5)可以计算得到更符合工程实际的小波系数。
综上所述，本发明在直流输电系统换相失败的检测过程中具有计算过程简单，计算速度快，检测精度高的优点，可以在线应用，便于换相失败准确检测，可迅速得出换相失败信息，避免输电线路和换流站器材发生故障，提高了电网运行的安全性。
附图说明
图1是直流系统及等值交流电网示意图；
图2是逆变站内换流阀组位置示意图；
图3是交流故障前后的换流阀电流波形(上图表示2号阀电流波形和直流电流波形，下图表示5号阀电流波形和直流波形)；
图4是本发明采用的小波波形；
图5是三相接地故障引发换相失败的检测结果；
图6是单相接地故障引发换相时2号阀和6号阀以及直流电流的电流波形；
图7为图6的检测结果；
图8为单相接地故障，单故障程度较小，未能引直流换相失败时的检测结果。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
实施例。一种检测直流输电换相失败的方法，如图1至图5所示，该方法是通过采集直流电流采样数据，对直流电流采样数据进行检测，从而判断直流换相失败发生的具体时间点，达到快速检测到换相失败的时间点的目的。
所述方法是通过采集直流电流采样数据，以换相失败前后直流电流采样数据为依据,根据换相失败时直流电流发生非正常跃升,电流数据的二阶及以上阶导数具有明显增大的特征，采用具有二阶消失矩的Daubechies小波对直流电流采样数据进行奇异性检测,基于阈值比较的方法判断直流换相失败发生的具体时间点，达到排除了正常状态和交流系统轻微故障，快速检测到换相失败的时间点的目的。
为验证本方法的准确性,实验结果如图5-8所示。
图5是三相接地故障引发换相失败的检测结果。对应的阀电流波形见图2。上图的线条是直流电流波形,t0前为正常电流波形,t0时刻发生三相短路故障,接地阻值100Ω,t1时刻第一次发生换相失败,t3时刻第二次发生换相失败.从下图中可以看出，换相失败点处小波系数有了明显的提高，两次换相失败点的小波系数远超本算例的阈值0.15，换相失败点被准确检测。
图6是单相接地故障引发换相时2号阀和6号阀以及直流电流的电流波形，图7为检测结果。图6中，t0前为正常电流波形,t0时刻发生C相短路故障,接地阻值70Ω。t1时刻2号阀再次导通，发生第一次换相失败，t2时刻6号阀未导通，直流电流继续经过2号阀流通，发生第二次换相失败。t3，t4时刻的换相失败原因与t1，t2类似。图7中，t1至t4时刻的小波系数远大于其他采样点，且超过阈值0.15，换相失败点被准确检测。
图8为单相接地故障，单故障程度较小，未能引直流换相失败时的检测结果。故障发生时刻t0＝1s，接地阻抗为c相100Ω，此时由于故障情况较轻，直流系统未发生换相失败。图8上图为此算例下的直流电流波形，下图为各采样点的小波系数，可以看出各个点的小波系数为超过阈值，可以判断为未发生换相失败。
以上算例结果表明，利用具有二阶消失矩的danbechies小波处理后的波形，换相失败点处小波系数有了明显的提高，与正常运行以及普通故障未发生换相失败时的小波系数分化明显。该方法对电力系统较为常见的单相接地故障，以及最为严重的三相接地故障均适用，完全可以显示两次换相失败的具体时间；证明了本方法所提潮流算法的准确性；本方法计算简单，可以满足在线计算的需要，帮助调度运行人员第一时间发现换相失败，保证电网安全运行。

Claims (1)

1.一种检测直流输电换相失败的方法，其特征在于：所述方法是通过采集直流电流采样数据，以换相失败前后直流电流采样数据为依据,根据换相失败时直流电流发生非正常跃升,电流数据的二阶及以上阶导数具有明显增大的特征，采用具有二阶消失矩的Daubechies小波对直流电流采样数据进行奇异性检测,基于阈值比较的方法判断直流换相失败发生的具体时间点，达到排除了正常状态和交流系统轻微故障，快速检测到换相失败的时间点的目的；所述方法是采用具有2阶消失矩的Daubechies小波Ψ(x)对直流电流波形进行分析，将小波系数超过阈值的点作为换相失败发生的点，得到换相失败发生的具体时间点；所述小波系数是根据公式：
Figure FDA0002373067090000011
结合直流电流采样频率和小波长度计算得到。
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