CN109088425B - 一种基于交流母线电压扰动量的换相失败预防方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于交流母线电压扰动量的换相失败预防方法，该方法实时监测交流母线线电压相对于前一个周波的变化量绝对值，当该变化量绝对值大于启动阈值时，将该变化量绝对值转化为提前触发角度，并将所述提前触发角度传输至换流阀触发控制系统，实现换相失败预防。与现有技术相比，本发明可减少直流输电工程由于交流侧电压扰动引起的逆变侧换相失败事件，对提高直流输电工程、受端电网和送端电网的稳定运行都具有非常重要的意义。

Description

一种基于交流母线电压扰动量的换相失败预防方法

技术领域

本发明涉及直流系统运行技术领域，尤其是涉及一种基于交流母线电压扰动量的换相失败预防方法。

背景技术

超特高压直流输电工程换相失败事件时有发生，导致直流闭锁、输送功率突然损失，对电网稳定运行产生不利影响。根据运行经验，由于交流侧电压扰动引起的换相失败事件占比已超过50％，成为了影响直流输电工程稳定运行的主要原因。

为了降低此类换相失败事件，在直流控保系统中增加了换相失败预测环节，其原理是将扰动转换为一个相应的角度值，对触发角α进行调节，通过提前触发来增大熄弧角γ，防止因为交流扰动造成的熄弧角γ跌落导致换相失败。

目前，在高压直流输电工程中得到成功应用的是ABB开发的换相失败预测，包括三部分：1)基于检测零序电压判断交流单相故障；2)基于Park变换abc-αβ检测交流三相故障；3)检测直流电流和交流电流差来判断是否已经发生换相失败。第3部分主要是为了防止连续换相失败，对首次换相失败不起作用。

但是以上两种扰动检测方法的有效性并不乐观。以林枫直流输电工程和复奉直流输电工程为例，收集了近五年来由于交流扰动引起的换相失败事件，并对以上两种扰动检测方法的有效性开展了分析，结果如图1所示。从图中可以看出，对于由于交流扰动引起的换相失败的案例，目前的换相失败预测环节的启动率都很低。因此，对于目前的直流输电工程，迫切需要基于其他原理的换相失败预测环节，与现有换相失败预测环节优势互补，提高换相失败预测的准确度，减少由于交流扰动引起的换相失败的发生。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于交流母线电压扰动量的换相失败预防方法。

一种基于交流母线电压扰动量的换相失败预防方法，该方法实时监测交流母线线电压相对于前一个周波的变化量绝对值，当该变化量绝对值大于启动阈值时，将该变化量绝对值转化为提前触发角度，并将所述提前触发角度传输至换流阀触发控制系统，实现换相失败预防。

进一步地，该方法具体包括以下步骤：

1)实时获取交流母线线电压，计算交流母线线电压相对前一个周波的变化量绝对值，记录各相线电压变化量绝对值的最大值ΔU_m；

2)判断是否存在ΔU_m＞ΔU_{m_ref}，若是，则启动提前触发控制，记录启动时间，执行步骤3)，若否，则返回步骤1)，ΔU_{m_ref}为启动阈值；

3)将所述变化量绝对值依次经限幅函数、窗口函数和角度转换函数处理，获得提前触发角度，传输至换流阀触发控制系统。

进一步地，所述限幅函数的表达式为：

式中，x_m为限幅上限值，x为输入的变化量绝对值。

进一步地，所述窗口函数的表达式为：

式中，t_on为启动时间，t_off为窗口函数结束时间，t_off＝t_on+Δt，Δt为窗口函数宽度。

进一步地，所述窗口函数宽度的范围为0.02s≤Δt≤0.04s。

进一步地，所述步骤1)中，实时获取交流母线线电压后，对交流母线线电压进行低通滤波处理。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本发明可减少直流输电工程由于交流侧电压扰动引起的逆变侧换相失败事件，对提高直流输电工程、受端电网和送端电网的稳定运行都具有非常重要的意义。与现有零序电压法和Park变换法等换相失败预测方法相比，本发明具有以如下有益效果：

1)本发明的预测基础为交流母线线电压相对于前一个周波的实时变化量，线电压是影响换流阀的换相过程的最直接的电气量，本发明基于母线线电压的实时变化量进行预测，适用于所有交流系统的扰动类型，适用范围较广泛、实时性较高。

2)本发明针对预测基础数据特征，设计了限幅函数和窗口函数，提高了本发明的准确性。

附图说明

图1为林枫直流输电工程和复奉直流输电工程现有换相失败预测环节启动情况示意图；

图2为本发明的流程示意图；

图3为应用本发明的总体效果图；

图4为应用本发明的林枫直流输电工程的仿真结果示意图，其中，(4a)为故障源在220kV系统的仿真结果，(4b)为故障源在500kV系统的仿真结果，(4c)为故障源在1000kV系统的仿真结果。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图2所示，本发明提供一种基于交流母线电压扰动量的换相失败预防方法，该方法实时监测交流母线线电压相对于前一个周波的变化量绝对值，当该变化量绝对值大于启动阈值时，将该变化量绝对值转化为提前触发角度，并将所述提前触发角度传输至换流阀触发控制系统，实现换相失败预防。该方法具体包括以下步骤：

1)实时获取交流母线线电压，计算交流母线线电压相对前一个周波的变化量绝对值，记录各相线电压变化量绝对值的最大值ΔU_m。

U_AB、U_BC、U_CA分别为逆变站交流母线线电压，ΔU_AB＝U_ABi-U_AB(i-TN)，TN为一个工频周期的采样点数，则ΔU_m＝max(|ΔU_AB||ΔU_BC||ΔU_CA|)。

实时获取交流母线线电压后，需要对交流母线线电压进行低通滤波处理，低通滤波的作用在于滤除高频分量，去除投切空载线路等正常电气操作引起的幅值较高的高频扰动。

2)判断是否存在ΔU_m＞ΔU_{m_ref}，若是，则启动提前触发控制，对触发角α进行调节，记录启动时间，执行步骤3)，若否，则返回步骤1)，ΔU_{m_ref}为启动阈值。

3)将所述变化量绝对值依次经限幅函数、窗口函数和角度转换函数处理，获得提前触发角度，传输至换流阀触发控制系统。

限幅函数的作用在于限制转换角度，减少触发角调整过当的情况，限幅函数的表达式为：

式中，x_m为限幅上限值，x为输入的变化量绝对值。

窗口函数的作用在于圈定转换成触发角的扰动变换量仅针对电压跌落过程，摒除电压恢复阶段时电压变化的影响。窗口函数的表达式为：

式中，t_on为启动时间，t_off为窗口函数结束时间，t_off＝t_on+Δt，Δt为窗口函数宽度，可根据不同的直流输电工程灵活设置，一般情况下，所述窗口函数宽度的范围为0.02s≤Δt≤0.04s。

角度转换函数是将电压变化量转化为角度的函数，角度转换函数的表达式为：

θ＝arccos(1-0.15*max(ΔU_i～i-0.5T)*f(t))

式中，T为一个工频周期，ΔU为最大值ΔU_m与启动阈值ΔU_{m_ref}间的差值，ΔU_i为控保系统计算的线电压变化量的当前值，即最新计算值，ΔU_i～i-0.5T为线电压变化量的半个周期内的所有值；f(t)为滤波器函数，其频域表达式为：

式中，D₁、D₂为滤波器参数，ΔU_i-5为线电压变化量的当前值之前第5个计算值。

以林枫直流为例，预测环节的启动阈值ΔU_{m_ref}＝0.13，限幅上限x_m为0.25，窗口函数宽度Δt＝0.04s，滤波器函数D₁＝0.01、D₂＝0.001。

根据林枫直流工程实际控保系统建立仿真程序，对不同电压等级发生单相接地故障进行扫描。故障时间考虑在半个周波内平均间隔取10个点，在程序中取1.5s～1.509s，间隔时间为0.001s。程序中用故障电抗综合表示接地阻抗和故障点距换流站的距离，若故障源在220kV系统，则故障电感取0.3mH～50.3mH，若故障源在500kV系统，则故障电感取0.3mH～100.3mH，若故障源在1000kV系统，则故障电感取0.3mH～800.3mH，中间等间隔取9个点。故障相别轮流放在A、B、C三相，林枫直流输电工程的仿真结果如图3和图4所示，其中图4中的故障源在A相。

根据仿真计算结果：

1)对于故障源在220kV系统的情况，总体上讲本发明可减少73％的换相失败事件，预防效果良好。特别是对于峰值前的故障，预防效果特别好，可减少90％的换相失败事件。

2)对于故障源在500kV系统的情况，总体上讲本发明可减少45％的换相失败事件，预防效果良好，但效果主要集中在峰值前的故障，对于峰值后发生的故障，预防效果较差。故障源在1000kV系统的情况与500kV基本相同。

综上所述，本发明在防止林枫直流输电工程的换相失败时间中具有一定的效果，对峰值前发生的故障的预防效果明显好过峰值后发生的故障。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于交流母线电压扰动量的换相失败预防方法，其特征在于，该方法实时监测交流母线线电压相对于前一个周波的变化量绝对值，当该变化量绝对值大于启动阈值时，将该变化量绝对值转化为提前触发角度，并将所述提前触发角度传输至换流阀触发控制系统，实现换相失败预防，该方法的预测基础为交流母线线电压相对于前一个周波的实时变化量，具体包括以下步骤：

1)实时获取交流母线线电压，计算交流母线线电压相对前一个周波的变化量绝对值，记录各相线电压变化量绝对值的最大值ΔU_m；

2)判断是否存在ΔU_m＞ΔU_{m_ref}，若是，则启动提前触发控制，记录启动时间，执行步骤3)，若否，则返回步骤1)，ΔU_{m_ref}为启动阈值；

3)将所述变化量绝对值依次经限幅函数、窗口函数和角度转换函数处理，获得提前触发角度，传输至换流阀触发控制系统。

2.根据权利要求1所述的基于交流母线电压扰动量的换相失败预防方法，其特征在于，所述限幅函数的表达式为：

式中，x_m为限幅上限值，x为输入的变化量绝对值。

3.根据权利要求1所述的基于交流母线电压扰动量的换相失败预防方法，其特征在于，所述窗口函数的表达式为：

式中，t_on为启动时间，t_off为窗口函数结束时间，t_off＝t_on+Δt，Δt为窗口函数宽度。

4.根据权利要求3所述的基于交流母线电压扰动量的换相失败预防方法，其特征在于，所述窗口函数宽度的范围为0.02s≤Δt≤0.04s。

5.根据权利要求1所述的基于交流母线电压扰动量的换相失败预防方法，其特征在于，所述步骤1)中，实时获取交流母线线电压后，对交流母线线电压进行低通滤波处理。

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