CN109103847B - 一种基于直流分量估算的换流变压器饱和保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于直流分量估算的换流变压器饱和保护方法，首先，实时采集换流变压器中性点电流，同时在0Hz及150Hz处进行傅里叶变换，获取相量预估值；再利用前步所得数据，提取直流分量；将直流分量构建直流监测值；根据直流监测值构建饱和跳闸指标。本发明直接利用直流分量估算值构建监测及保护指标，避免了励磁涌流情况下，保护误动及交流侧故障时换流变饱和，但饱和保护拒动的问题。

Description

一种基于直流分量估算的换流变压器饱和保护方法

技术领域

本发明涉及高压直流输电技术领域，具体为一种基于直流分量估算的换流变压器饱和保护方法。

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。交直流混联已成为国内电网典型拓扑结构。换流变压器(以下简称换流变)作为一二次侧重要连接设备，设备本身费用高，维修耗时且昂贵。换流变保护极其重要。

与传统换流变压器相比，交直流混联系统中换流变直流偏磁现象严重。直流从换流变中性点流入，造成换流变噪声大，谐波污染严重，换流变局部过热，增加换流变励磁损耗，严重时导致换流变损坏。因此，饱和保护是针对换流变饱和的重要后备保护之一。

目前换流变饱和保护主要基于三次谐波含量判断换流变饱和情况，但是在励磁涌流情况下容易误动，致使直流系统误闭锁，对系统不稳定造成隐患。同时，目前换流变保护方案仅监测YN/Y联结方式的换流变。交流系统发生故障，导致YN/D联结方式的换流变饱和时，保护拒动，换流变可能遭受严重损坏。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种能够有效避免励磁涌流情况下换流变饱和保护误动，同时能够最大限度防止换流变饱和现象发生的基于直流分量估算的换流变压器饱和保护方法。技术方案如下：

一种基于直流分量估算的换流变压器饱和保护方法，包括如下步骤：

步骤a：采集数据并预估计处理：

实时采集换流变中性点电流i₀(n)，其中n为采样时刻；利用数字信号处理器对i₀(n)进行加窗傅里叶变换，求取0Hz及150Hz两个频点下的相量测量预估计值I₀(ω)，其中角频率ω＝2πf，频率f＝0,150；

步骤b：提取直流分量：

中性点电流i₀(n)表示为：

其中，I_dc表示直流分量初始值，τ为衰减系数，a_h(t)为一低频带限相量，ω为角频率，h表示谐波次数，ω_h表示第h次谐波对应角频率；Re表示取相量实部；

基于泰勒级数展开公式(1)，利用步骤a中所得相量测量预估值，求取直流分量一阶，二阶及三阶系数，获得直流分量I_dc；

步骤c：求取直流分量I_dc的直流监测量：

其中，K为Y时，表示YN/Y联结方式换流变中性点直流分量；K为D时，表示YN/D联结方式换流变中性点直流分量；ε为非理想情况下换流变中性点处直流电流含量，在系统正常运行时估算获取；

步骤d：求取保护动作指标：

YN/Y联结方式换流变保护动作指标为：

S_{i_Y}(n)＝max(|I_{dc_Y}-thr|,0) (3)

其中，thr是换流变直流分量最大耐受量；

YN/D联结方式换流变保护动作指标为：

S_{i_D}(n)＝max(|I_{dc_D}-thr|,0) (4)

选取S_{i_Y}(n)，S_{i_D}(n)中的最大值作为饱和保护动作判断指标：

S_i(n)＝max(S_{i_Y}(n),S_{i_D}(n)) (5)

步骤e：得到饱和保护跳闸方案：

根据直流分量I_dc的直流监测量监测换流变中性点直流分量状态：若则说明中性点处有直流分量流入，保护程序进入直流分量抑制阶段；反之，则回到起始步骤；

根据饱和保护动作判断指标S_i(n)判断饱和保护是否跳闸：若S_i(n)>0，则说明中性点直流分量已达到换流变耐受极点，饱和保护跳闸。

进一步的，所述的步骤b中，基于泰勒级数展开公式中直流分量一、二及三阶级数求解的具体方法是：

步骤b1：根据电力信号的动态性和缓变性，利用泰勒级数近似表示i₀(n)：

其中，为I_dc(t)的k阶导数，为a_h(t)的k阶导数，ω_h＝2πf_h/f_s，n＝tf_s，f_s为采样频率；f_h为第h次谐波对应的频率；K为序列总数；

步骤b2：对离散序列i₀(n)进行加窗傅里叶变换，得到相量测量预估计值I₀(ω)：

I₀(ω)＝B·E+A·C+A^＊·D (6)

其中， h(n)为汉明窗；ω_k为第k次谐波对应的角频率；N为数据窗总长度；

步骤b3：求解泰勒级数系数：将I₀(ω)，E,A,C,D表示为实部与虚部的形式，则式(6)表示为：

其中，下标R表示实部，下标I表示虚部；

其矩阵的表现形式为：

令

V＝[B A_R A_I]^T (10)

X＝[I_0R I_0I] (11)

泰勒级数各相系数由下式求得：

V＝(G^TG)^-1G^TX (12)

步骤b4：根据式(12)获得直流分量泰勒级数各阶系数，直流分量求解表达式为：

I_dc＝β⁽¹⁾+β⁽²⁾·t+β⁽³⁾·t²。 (13)

更进一步的，所述的步骤c中，求取直流分量I_dc的直流监测量时对换流变中性点处直流分量进行再处理：

若|I_{dc_K}-ε|>0，则中性点处直流分量超出正常情况含量，有直流分量进入换流变中性点，式(2)输出值为|I_{dc_K}-ε|；

若|I_{dc_K}-ε|≤0，则说明中性点处直流分量低于正常直流分量含量，换流变运行正常，式(2)输出值为0。

更进一步的，所述的步骤d中：

若|I_{dc_K}-thr|≤0，则对应换流变中性点直流分量在耐受范围之内，此时直流抑制措施，饱和保护不动作，S_i(n)输出值为0；

若|I_{dc_K}-thr|>0，则对应换流变中性点直流分量超出耐受值，换流变设备安全性受到威胁，S_i(n)输出值大于0。

本发明的有益效果是：

1)本发明实现了直流分量的直接估算，避免了利用谐波分量判断换流变饱和保护状态，为避免励磁涌流情况下换流变饱和保护误动奠定了基础；

2)本发明利用直流分量估算值构建了直流分量监测量。当直流分量超过正常运行情况值时，保护进入预警状态。同时，直流分量抑制措施启动，最大限度防止换流变饱和现象发生；

3)本发明基于直流分量估算值及换流变直流耐受值构建了饱和保护跳闸指标。该指标保证了中性点直流分量在耐受范围内时不动作，避免了系统误闭锁造成系统不稳定的可能性；其次，该指标在中性点直流分量超过耐受范围内时，快速动作，防止换流变损坏的可能性。

附图说明

图1为本发明基于直流分量估算的换流变压器饱和保护方法流程图。

图2为仿真算例运用的系统模型图。

图3为直流偏磁情况下，直流分量监测信号图

图4为直流偏磁情况下，饱和保护跳闸信号图。

图5为交流侧故障导致YN/D绕组换流变饱和，饱和保护跳闸信号

图6为换流变励磁涌流情况下：(a)直流分量测量值；(b)饱和跳闸指标图；(c)3次谐波含量图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。一种基于直流分量估算的换流变压器饱和保护方案，其流程图如图1所示，步骤如下：

步骤a：数据采集与预估计处理

换流变中性点估算点实时采集电流i₀(n)，其中n为采样时刻；利用数字信号处理器对i₀(n)进行加窗傅里叶变换，求取0Hz及150Hz两个频点下的相量测量预估计值I₀(ω)，其中ω＝2πf(f＝0,150)。

步骤b：提取直流分量

中性点电流i₀(n)可表示为

其中，I_dc表示直流分量初始值，τ为衰减系数，a_h(t)为一低频带限相量，ω为角频率，h表示谐波次数，Re表示取相量实部。

基于泰勒级数展开公式(1)，利用步骤a中所得相量测量预估值，求取直流分量一阶，二阶及三阶系数，获得直流分量I_dc。

其中，基于泰勒级数展开公式中直流分量一、二及三阶级数求解的具体方法是：

步骤b1：根据电力信号的动态性和缓变性，利用泰勒级数近似表示i₀(n)：

其中，为I_dc(t)的k阶导数，为a_h(t)的k阶导数，ω_h＝2πf_h/f_s，n＝tf_s，f_s为采样频率；f_h为第h次谐波对应的频率；K为序列总数；

步骤b2：对离散序列i₀(n)进行加窗傅里叶变换，得到相量测量预估计值I₀(ω)：

I₀(ω)＝B·E+A·C+A^＊·D (15)

其中， h(n)为汉明窗；ω_k为第k次谐波对应的角频率；N为数据窗总长度；

步骤b3：求解泰勒级数系数：将I₀(ω)，E,A,C,D表示为实部与虚部的形式，则式(6)表示为：

其中，下标R表示实部，下标I表示虚部；

其矩阵的表现形式为：

令

V＝[B A_R A_I]^T (19)

X＝[I_0R I_0I] (20)

泰勒级数各相系数由下式求得：

V＝(G^TG)^-1G^TX (21)

步骤b4：根据式(12)获得直流分量泰勒级数各阶系数，直流分量求解表达式为：

I_dc＝β⁽¹⁾+β⁽²⁾·t+β⁽³⁾·t²。 (22)

步骤c：求取直流分量监测指标

将步骤b中的直流分量，求取直流监测量：

其中，K为Y，D。表示YN/Y联结方式换流变中性点直流分量，表示YN/D联结方式换流变中性点直流分量。ε为非理想情况下换流变中性点处直流电流含量,可在系统正常运行时估算获取。

求取直流分量I_dc的直流监测量时对换流变中性点处直流分量进行再处理：

若|I_{dc_K}-ε|>0，则中性点处直流分量超出正常情况含量，有直流分量进入换流变中性点，式(2)输出值为|I_{dc_K}-ε|；

若|I_{dc_K}-ε|≤0，则说明中性点处直流分量低于正常直流分量含量，换流变运行正常，式(2)输出值为0

步骤d：求取保护动作指标

根据步骤b计算得到的直流电流分量I_{dc_Y}，求取YN/Y联结方式换流变保护动作指标：

S_{i_Y}(n)＝max(|I_{dc_Y}-thr|,0) (24)

其中，thr是换流变直流分量最大耐受量，该值可由厂商直接提供。

根据步骤b计算得到的直流电流监测量I_{dc_D}，求取YN/D联结方式换流变保护动作指标：

S_{i_D}(n)＝max(|I_{dc_D}-thr|,0) (25)

对YN/Y及YN/D两种不同联结方式换流变饱和跳闸指标的求解，避免了交流侧故障导致换流变饱和，但饱和保护拒动的问题。

选取S_{i_Y}(n)，S_{i_D}(n)中的最大值作为饱和保护动作判断指标：

S_i(n)＝max(S_{i_Y}(n),S_{i_D}(n)) (26)

若|I_{dc_K}-thr|≤0，则对应换流变中性点直流分量在耐受范围之内，此时直流抑制措施，饱和保护不动作，S_i(n)输出值为0；

若|I_{dc_K}-thr|>0，则对应换流变中性点直流分量超出耐受值，换流变设备安全性受到威胁，S_i(n)输出值大于0。

该方法保证了中性点直流量超过最大耐受值时迅速动作，防止换流变损坏；同时也保证了在换流变耐受范围之内换流变不动作，避免系统误闭锁，影响系统稳定性。

步骤e：饱和保护跳闸方案

根据步骤c，计算得到的监测换流变中性点直流分量状态，则说明中性点处有直流分量流入，保护程序进入直流分量抑制阶段，反之，则回到起始步骤。根据步骤d计算得到S_i(n)判断饱和保护是否跳闸，若S_i(n)>0则说明中性点直流分量已达到换流变耐受极点，饱和保护跳闸。

仿真实验

为验证基于直流分量估算的换流变压器饱和保护方案的可行性，基于PSCAD/EMTDC，文章参照云广±800kV特高压直流输电工程的实际参数搭建了交直流混联输电系统模型，如附图2所示。正常运行时，系统整流侧采用定电流控制，并包含低压限流(voltagedependent current order limit,VDCOL)环节。交流侧采用定熄弧角控制。模型中所有控制采用PI控制器。

图3为直流偏磁情况下，直流分量监测信号图，图4为直流偏磁情况下，饱和保护跳闸信号图。两图对应工况为系统在5s时发生直流偏磁现象。从两图可看出，系统在5s是发出预警信号，在5.447s时，直流分量达到换流变最大耐受值时发出饱和保护跳闸信号。

图5为交流侧故障导致YN/D绕组换流变饱和，饱和保护跳闸信号。

图6为换流变励磁涌流情况下，饱和保护跳闸信号及3次谐波含量图。从图中可以看出，励磁涌流情况下，3次谐波含量过高，传统换流变饱和保护误动作。然而此时，直流分量值较低，本发明所提方案能够可靠不动作。

Claims (4)

1.一种基于直流分量估算的换流变压器饱和保护方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤a：采集数据并预估计处理：

实时采集换流变中性点电流i₀(n)，其中n为采样时刻；利用数字信号处理器对i₀(n)进行加窗傅里叶变换，求取0Hz及150Hz两个频点下的相量测量预估计值I₀(ω)，其中角频率ω＝2πf，频率f＝0,150；

步骤b：提取直流分量：

中性点电流i₀(n)表示为：

其中，I_dc表示直流分量初始值，τ为衰减系数，a_h(t)为一低频带限相量，ω为角频率，h表示谐波次数，ω_h表示第h次谐波对应角频率；Re表示取相量实部；

基于泰勒级数展开公式(1)，利用步骤a中所得相量测量预估值，求取直流分量一阶，二阶及三阶系数，获得直流分量I_dc；

步骤c：求取直流分量I_dc的直流监测量：

其中，K为Y时，表示YN/Y联结方式换流变中性点直流分量；K为D时，表示YN/D联结方式换流变中性点直流分量；ε为非理想情况下换流变中性点处直流电流含量，在系统正常运行时估算获取；

步骤d：求取保护动作指标：

YN/Y联结方式换流变保护动作指标为：

S_{i_Y}(n)＝max(|I_{dc_Y}-thr|,0) (3)

其中，thr是换流变直流分量最大耐受量；

YN/D联结方式换流变保护动作指标为：

S_{i_D}(n)＝max(|I_{dc_D}-thr|,0) (4)

选取S_{i_Y}(n)，S_{i_D}(n)中的最大值作为饱和保护动作判断指标：

S_i(n)＝max(S_{i_Y}(n),S_{i_D}(n)) (5)

步骤e：得到饱和保护跳闸方案：

根据直流分量I_dc的直流监测量监测换流变中性点直流分量状态：若则说明中性点处有直流分量流入，保护程序进入直流分量抑制阶段；反之，则回到起始步骤；

根据饱和保护动作判断指标S_i(n)判断饱和保护是否跳闸：若S_i(n)>0，则说明中性点直流分量已达到换流变耐受极点，饱和保护跳闸。

2.根据权利要求1所述的基于直流分量估算的换流变压器饱和保护方法，其特征在于，所述的步骤b中，基于泰勒级数展开公式中直流分量一、二及三阶级数求解的具体方法是：

步骤b1：根据电力信号的动态性和缓变性，利用泰勒级数近似表示i₀(n)：

其中，为I_dc(t)的k阶导数，为a_h(t)的k阶导数，ω_h＝2πf_h/f_s，n＝tf_s，f_s为采样频率；f_h为第h次谐波对应的频率；K为序列总数；

步骤b2：对离散序列i₀(n)进行加窗傅里叶变换，得到相量测量预估计值I₀(ω)：

I₀(ω)＝B·E+A·C+A^*·D (6)

其中， h(n)为汉明窗；ω_k为第k次谐波对应的角频率；N为数据窗总长度；

步骤b3：求解泰勒级数系数：将I₀(ω)，E,A,C,D表示为实部与虚部的形式，则式(6)表示为：

其中，下标R表示实部，下标I表示虚部；

其矩阵的表现形式为：

令

V＝[B A_R A_I]^T (10)

X＝[I_0R I_0I] (11)

泰勒级数各相系数由下式求得：

V＝(G^TG)^-1G^TX (12)

步骤b4：根据式(12)获得直流分量泰勒级数各阶系数，直流分量求解表达式为：

I_dc＝β⁽¹⁾+β⁽²⁾·t+β⁽³⁾·t² (13)。

3.根据权利要求1所述的基于直流分量估算的换流变压器饱和保护方法，其特征在于，所述的步骤c中，求取直流分量I_dc的直流监测量时对换流变中性点处直流分量进行再处理：

若|I_{dc_K}-ε|>0，则中性点处直流分量超出正常情况含量，有直流分量进入换流变中性点，式(2)输出值为|I_{dc_K}-ε|；

若|I_{dc_K}-ε|≤0，则说明中性点处直流分量低于正常直流分量含量，换流变运行正常，式(2)输出值为0。

4.根据权利要求1所述的基于直流分量估算的换流变压器饱和保护方法，其特征在于，所述的步骤d中：

若|I_{dc_K}-thr|≤0，则对应换流变中性点直流分量在耐受范围之内，此时直流抑制措施，饱和保护不动作，S_i(n)输出值为0；

若|I_{dc_K}-thr|>0，则对应换流变中性点直流分量超出耐受值，换流变设备安全性受到威胁，S_i(n)输出值大于0。