CN108599225B - 一种基于直流电气量的换相失败预测控制方法及其装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于直流电气量的换相失败预测控制方法及其装置，用于防止高压或特高压直流系统中，某一极直流侧发生故障并通过两极互感引起的健全极换相失败。通过实时检测本极直流电压或/和直流电流的绝对值在某一时间窗口内的突增量，当直流电压或/和直流电流绝对值的突增量大于预设门槛值时，通过直流控制系统增大本极逆变侧换流器的熄弧角，防止本极发生换相失败。本发明所述方法适用于一极直流侧故障引起的健全极换相失败的预测和预防，具有响应速度快、动作准确性高的优点。

Description

一种基于直流电气量的换相失败预测控制方法及其装置
技术领域
本发明属于高压、特高压直流输电领域，特别涉及一种直流换相失败预测控制方法及其装置。
背景技术
在我国，高压、特高压直流在实现西电东送、水火互济、能源资源大范围优化配置等方面发挥着重要作用。目前，新建的特高压直流工程呈现出高电压、大容量、远距离的特点，这导致直流系统在异常扰动下会出现一些新的特性，给直流控制保护系统的设计带来了新的挑战。
对于送、受端换流站落点距离较远的直流输电系统，其两极直流系统之间的互感即电磁耦合较大，两极之间相互影响较为明显。当直流输电系统两个极同时运行，某一极发生扰动或故障时，会通过双极互感对非故障的另一极产生影响，导致其逆变侧发生换相失败的风险增大。由于高压、特高压直流的输送容量较大，直流系统换相失败会给两端交流系统带来较大的功率冲击，严重时会导致交流系统出现系统失稳、联络线解列等电网安全问题。
换相失败预测控制功能对有效预防直流系统换相失败具有重要作用。然而，实际工程中，目前的换相失败预测控制功能主要针对的是由交流故障引起的换相失败，通过检测交流系统电气量零序分量大小或交流电压abc-αβ变换量的暂态和稳态值之差来实现。这种方法对交流系统故障引起的扰动有较好的检测敏感性和快速性，但对于直流侧发生的异常扰动，常规的换相失败预测功能只有在故障极直流系统扰动对交流系统产生间接影响后才有可能响应，其动作延时较长，因此无法有效防止健全极受故障极扰动影响而出现的换相失败。
另外，一种较为容易实现的方法是，当故障极检测到其直流侧发生扰动或故障时，通过极间通信系统将故障信号传送到健全极控制系统，由健全极控制系统及时增加其逆变侧换流器的熄弧角来避免换相失败。然而，在特高压直流工程中，故障信号需要经过故障极极保护主机-故障极极控制主机-极间通讯设备-健全极极控制主机-健全极换流器控制主机等多个层面的信号传递，其通信和处理延时较长，某些工况下，无法满足实际工程对换相失败预测快速性的要求。
目前，针对换相失败的预测和预防控制，学者们提出了多种改进措施，归纳起来主要从以下三方面进行：(1)提高对交流系统故障的检测速度。如基于交流电压的sin-cos分量(即正余弦分量)检测、基于锁相环输出角度的换相裕度面积计算等；(2)采用减小电流参考指令值来代替增加逆变侧熄弧角。如基于直流电流预测控制的换相失败预防控制、基于直流电流模糊预测控制的换相失败预防控制等。(3)在常规换相失败预测方法基础上进一步增加防误动措施。如在交流系统零序电压分量基础上进一步提取其基波分量进行判断，以防止换相失败预测功能在交流系统出现励磁涌流时误动。这些方法虽然一定程度提高了换相失败预测控制的响应速度，避免了因增大熄弧角带来的直流输电系统功率因数角增大问题，防止了因交流系统异常扰动带来的误动，然而由于其核心算法部分仍需基于逆变侧的交流系统电气分量来进行预测判断，因此，对于直流侧发生的异常扰动，其响应速度并未得到本质的提升。
另外，有文献根据极中性母线直流电流突变量超过两个不同阈值的时间间隔来进行换相失败预测控制，从而在分层接入系统中，避免同极的一个换流器换相失败引起本极的另一换流器跟随出现换相失败。该方法虽然避免了对交流电气量的采样与判断，然而由于该方法是根据时间间隔大小来进行判断，其响应时间依然较长，因此在防止因故障极直流侧扰动引起的健全极换相失败时仍存在一定的局限性。
综上可见，传统的换相失败预测方法及其改进措施以及基于极间通信的控制方法均存在响应时间较长的问题，均无法有效避免因一极直流侧故障引起的健全极换相失败问题，因此，有必要针对实际直流工程的特点研究新的换相失败预测控制方法，从而为实际直流工程的正常运行提供保障。
发明内容
为克服传统换相失败预测方法存在的不足，本发明提供一种基于直流电气量的换相失败预测控制方法及其装置，有效提高换相失败预测功能的响应速度和动作的准确性，从而防止直流健全极因故障极扰动或故障而出现换相失败。
为了达成上述目的，本发明的解决方案是：一种基于直流电气量的换相失败预测控制方法，实时检测本极直流电压或/和直流电流，计算其绝对值在某一时间窗口内的突增量，当直流电压或/和直流电流绝对值的突增量大于预设门槛值时，通过直流控制系统增大本极逆变侧换流器的熄弧角，防止本极发生换相失败。
进一步地，本极直流电压或直流电流绝对值在某一时间窗口内的突增量计算方法为，直流电压或电流绝对值在时间窗终点时刻的值减去在时间窗起点时刻的值，即为突增量，所述时间窗口宽度的典型值为0.1～5.0ms。
进一步地，当检测到换流站交流侧系统电压的谐波含量超过设置值或本极换流器处于在线投入或退出过程中时，屏蔽所述换相失败预测功能，防止其误动。
本发明相应提出了一种基于直流电气量的换相失败预测控制装置，所述装置包括检测单元和控制单元，其中：
所述检测单元，用于实时采集本极直流电压或/和直流电流，并传送给控制单元；
所述控制单元，当检测到本极直流电压或/和直流电流的绝对值在某一时间窗口内的突增量大于预设门槛值时，则通过直流控制系统增大本极逆变侧换流器的熄弧角，防止本极发生换相失败。
进一步地，所述控制单元包括突增量计算与比较单元和换相失败预测角计算单元；其中：
所述突增量计算与比较单元，用于计算本极直流电压或/和直流电流的绝对值在某一时间窗口内的突增量；当检测到突增量大于预设门槛值时，突增量超定值信号置位，并将检测结果传递给换相失败预测角计算单元；
所述换相失败预测角计算单元，接收到突增量超定值置位信号，通过直流控制系统增大本极逆变侧换流器的熄弧角，防止本极发生换相失败。
进一步地，所述检测单元还用于采集交流系统电压及本极换流器在线投入和退出信号，并传送给控制单元；
所述控制单元还包括防误动逻辑单元；
所述防误动逻辑单元，计算交流系统电压谐波分量，当同时满足交流电压谐波分量小于设定值及本极换流器未处于在线投退过程两个条件时，将防误使能信号置位。
进一步地，所述换相失败预测角计算单元中，当接收到所述防误动逻辑单元中的防误使能信号置位，且所述突增量计算与比较单元中的突增量超定值信号置位时，则通过单稳态触发器，将换相失败预测使能信号置数为1并保持设定时间，在此时间段内熄弧角增量被置数为Δγ。所述Δγ的取值范围为2～20°。
本发明的有益效果是：与现有技术相比，当直流系统某极直流侧发生扰动或故障时，本发明的所述方案可有效提高换相失败预测功能的响应速度和动作的准确性，避免因故障极通过直流互感传导引起的健全极换相失败问题，从而保证健全极直流系统的稳定运行。
附图说明
图1是高压直流系统的原理结构图；
图2是特高压直流系统的原理结构图；
图3是基于直流电气量的换相失败预测控制方法的原理结构图；
图4是本发明控制装置的结构示意图；
附图标记：11、送端交流电网；12、送端极I系统；13、极I直流输电线路；14、受端极I系统；15、接地极引线；16、接地极；17、送端极II系统；18、极II直流输电线路；19、受端极II系统；20、受端交流电网；31、突增量计算与比较模块；32、防误动逻辑模块；33、换相失败预测角计算模块；4、基于直流电气量的换相失败预测控制装置；41、检测单元；42、控制单元。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明做进一步详细的说明。
本专利所述的一种基于直流电气量的换相失败预测控制方法及其装置，适用于高压、特高压直流系统。常规高压、特高压直流系统的原理结构分别如图1和图2所示。图1和图2中，高压和特高压直流系统主要的区别在于高压直流系统每极仅包含一个换流器，而特高压直流系统每极包含高端和低端两个换流器。因此，相对高压直流系统，特高压直流系统中，本发明所述的换相失败预测控制中还需要额外考虑本极换流器在线投退过程的影响。实际工程中，换相失败预测控制功能通常在换流器层控制系统中实现，通过对直流侧电气量的直接采样和对换流器触发角的直接控制，从而保证其响应的快速性。
本发明提出的一种基于直流电气量的换相失败预测控制方法，实时检测本极直流电压或/和直流电流，计算其绝对值在某一时间窗口内的突增量，当直流电压或/和直流电流绝对值的突增量大于预设门槛值时，通过直流控制系统增大本极逆变侧换流器的熄弧角，防止本极发生换相失败。
上述方法中，本极直流电压或直流电流绝对值在某一时间窗口内的突增量计算方法为，直流电压或电流绝对值在时间窗终点时刻的值减去在时间窗起点时刻的值，即为突增量，所述时间窗口宽度的典型值为0.1～5.0ms。
上述方法中，当检测到换流站交流侧系统电压的谐波含量超过设置值或本极换流器处于在线投入或退出过程中时，屏蔽所述换相失败预测功能，防止其误动。
基于直流电气量的换相失败预测方法的原理结构如图3所示。图3中，整个换相失败预测功能逻辑包含3个部分：突增量计算与比较模块31、防误动逻辑模块32以及换相失败预测角计算模块33。其中，突增量计算与比较模块31用于实时检测本极直流电压或/和电流绝对值的突增量大小并进行比较判断；防误动逻辑模块32主要用于防止因交流系统异常和本极换流器在线投退引起的误动，保证其动作的准确性；换相失败预测角计算模块33用于计算并输出用于换相失败预测控制的熄弧角增量。
突增量的计算与比较模块31通过实时检测本极直流电压或/和直流电流，计算其绝对值在某一时间窗口内的突增量，当其大于预设门槛值时输出1。其中，直流电压和直流电流分别为直流极母线电压和极母线电流。本极直流电压或/和直流电流绝对值的突增量的检测，主要通过设置一定宽度的时间窗，将直流电压或电流的绝对值在时间窗终点时刻和起点时刻的差值作为突增量。其中，时间窗口宽度的典型值为0.1～5.0ms。
防误动逻辑模块32中，开放换相失败预测功能，即防误使能信号为1，需要同时满足以下两个条件：(1)交流电压谐波分量未超定值；(2)本极换流器未处于在线投退过程。其中，条件(1)用于防止因交流系统异常导致直流电压、电流出现高次谐波时引起的误动；条件(2)用于防止因换流器在线投退过程中直流电压、电流波动引起的误动。对于高压直流系统，由于每极仅包含一个换流器，因此不需要考虑本极是否处于换流器在线投退过程的条件，直接将本极换流器未处于在线投退过程信号置数为1即可。
换相失败预测角计算模块33中，当防误使能信号为1，突增量超定值信号由0变为1时，则通过单稳态触发器，将换相失败预测使能信号置数为1并保持一定时间。然后，通过选择器的作用，当换相失败预测使能信号为1时，熄弧角增量被置数为Δγ，从而使能换相失败预测功能；当换相失败预测使能信号为0时，将熄弧角增量置数为0，从而退出换相失败预测功能。其中，Δγ的典型值为2～20°。
至此，基于直流电气量的换相失败预测功能的完整执行过程为，控制器实时检测本极直流电压或/和直流电流的绝对值在某一时间窗口内的突增量，当其值大于预设门槛值时，突增量超定值信号由0变为1，此时如果防误使能信号为1，则将触发换相失败预测功能动作，使得熄弧角增量值为Δγ，从而避免换流器出现换相失败。
另外，本发明还提供基于直流电气量的换相失败预测控制装置，其原理结构如图4所示，具体包括：检测单元和控制单元，其中：
检测单元，用于实时采集本极直流电压或/和直流电流，并传送给控制单元；
控制单元，当检测到本极直流电压或/和直流电流的绝对值在某一时间窗口内的突增量大于预设门槛值时，则通过直流控制系统增大本极逆变侧换流器的熄弧角，防止本极发生换相失败。
上述控制单元包括突增量计算与比较单元和换相失败预测角计算单元；其中：
突增量计算与比较单元，用于计算本极直流电压或/和直流电流的绝对值在某一时间窗口内的突增量；当检测到突增量大于预设门槛值时，突增量超定值信号置位，并将检测结果传递给换相失败预测角计算单元；
换相失败预测角计算单元，接收到突增量超定值置位信号，通过直流控制系统增大本极逆变侧换流器的熄弧角，防止本极发生换相失败。
进一步地，所述检测单元还用于采集交流系统电压及本极换流器在线投入和退出信号，并传送给控制单元；
上述控制单元还包括防误动逻辑单元；
上述防误动逻辑单元，计算交流系统电压谐波分量，当同时满足交流电压谐波分量小于设定值及本极换流器未处于在线投退过程两个条件时，将防误使能信号置位。
进一步地，所述换相失败预测角计算单元中，当接收到所述防误动逻辑单元中的防误使能信号置位，且所述突增量计算与比较单元中的突增量超定值信号置位时，则通过单稳态触发器，将换相失败预测使能信号置数为1并保持设定时间，在此时间段内熄弧角增量被置数为Δγ。所述Δγ的取值范围为2～20°。
由于所述的基于直流电气量的换相失败预测控制方法及装置是直接通过检测直流侧电气量来进行判断与控制，因此其响应速度得到了本质的提升。同时，由于在防误使能中考虑交流谐波和换流器在线投退过程的影响，因此保证了其动作的准确性。
综上，本发明公开一种基于直流电气量的换相失败预测控制方法及其装置，用于实现对直流侧异常扰动或故障的快速响应，避免健全极直流系统因故障极扰动而出现换相失败。相对常规基于交流电压量的换相失败预测控制方法，本发明所提方法具有响应速度快、动作准确性高的优点。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于直流电气量的换相失败预测控制方法，其特征在于：实时检测本极直流电压或/和直流电流，计算其绝对值在某一时间窗口内的突增量，当直流电压或/和直流电流绝对值的突增量大于预设门槛值时，通过直流控制系统增大本极逆变侧换流器的熄弧角，防止本极发生换相失败；
本极直流电压或直流电流绝对值在某一时间窗口内的突增量计算方法为，直流电压或电流绝对值在时间窗终点时刻的值减去在时间窗起点时刻的值，即为突增量。
2.如权利要求1所述的一种基于直流电气量的换相失败预测控制方法，其特征在于：当检测到换流站交流侧系统电压的谐波含量超过设置值或本极换流器处于在线投入或退出过程中时，屏蔽所述换相失败预测，防止其误动。
3.一种基于直流电气量的换相失败预测控制装置，其特征在于，所述装置包括检测单元和控制单元，其中：
所述检测单元，用于实时采集本极直流电压或/和直流电流，并传送给控制单元；
所述控制单元，当检测到本极直流电压或/和直流电流的绝对值在某一时间窗口内的突增量大于预设门槛值时，则通过直流控制系统增大本极逆变侧换流器的熄弧角，防止本极发生换相失败；本极直流电压或直流电流绝对值在某一时间窗口内的突增量计算方法为，直流电压或电流绝对值在时间窗终点时刻的值减去在时间窗起点时刻的值，即为突增量。
4.如权利要求3所述的一种基于直流电气量的换相失败预测控制装置，其特征在于，所述控制单元包括突增量计算与比较单元和换相失败预测角计算单元；其中：
所述突增量计算与比较单元，用于计算本极直流电压或/和直流电流的绝对值在某一时间窗口内的突增量；当检测到突增量大于预设门槛值时，突增量超定值信号置位，并将检测结果传递给换相失败预测角计算单元；
所述换相失败预测角计算单元，接收到突增量超定值置位信号，通过直流控制系统增大本极逆变侧换流器的熄弧角，防止本极发生换相失败。
5.如权利要求4所述的一种基于直流电气量的换相失败预测控制装置，其特征在于：所述检测单元还用于采集交流系统电压及本极换流器在线投入和退出信号，并传送给控制单元；
所述控制单元还包括防误动逻辑单元；
所述防误动逻辑单元，计算交流系统电压谐波分量，当同时满足交流电压谐波分量小于设定值及本极换流器未处于在线投退过程两个条件时，将防误使能信号置位。
6.如权利要求5所述的一种基于直流电气量的换相失败预测控制装置，其特征在于：所述换相失败预测角计算单元中，当接收到所述防误动逻辑单元中的防误使能信号置位，且所述突增量计算与比较单元中的突增量超定值信号置位时，则通过单稳态触发器，将换相失败预测使能信号置数为1并保持设定时间，在此时间段内熄弧角增量被置数为Δγ。
7.如权利要求6所述的一种基于直流电气量的换相失败预测控制装置，其特征在于：所述Δγ的取值范围为2～20°。
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Applicant before: Nanrui Relay Protection Electricity Co., Ltd., Nanjing

Applicant before: Nanjing Nari-Relays Engineering Technology Co., Ltd.

GR01 Patent grant
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