CN109813993A - 一种双调谐直流滤波器高压电容器接地故障的识别方法 - Google Patents

一种双调谐直流滤波器高压电容器接地故障的识别方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双调谐直流滤波器高压电容器接地故障的识别方法，其步骤主要是：采集直流滤波器电压和首端电流并分别对其进行傅里叶变换，计算电压电流的频域分量；提取最小调谐角频率和并联谐振角频率的谐波分量，并计算其特征谐波阻抗及其比值。若特征谐波阻抗比值小于整定值，则表明高压电容器没有发生接地故障；若特征谐波阻抗比值大于整定值，表明高压电容器发生接地故障，以此作为识别判据可有效识别高压电容器的接地故障。该方法单独对高压电容器的接地故障进行识别，适用于任何电压等级的直流输电系统，不受互感器暂态特性不一致和区外直流母线故障的影响；其识别准确、可靠，能为双调谐直流滤波器中的高压电容器提供可靠的保护。

Description

一种双调谐直流滤波器高压电容器接地故障的识别方法
技术领域
本发明涉及一种用于高压直流输电系统中的双调谐直流滤波器高压电容器接地故障识别方法。
背景技术
高压直流输电系统(High Voltage Direct Current,HVDC)换流装置在运行时，会在直流侧产生ω1、2ω1、3ω1等角频率的特征谐波，造成直流侧设备发热、降低电网供电质量、干扰通信等危害。因此，在高压直流输电系统中直流侧(直流母线处)配置有直流滤波器。其中，双调谐滤波器是高压直流输电系统中常用的直流滤波器结构，可同时滤除两个特征频率，具有占地面积小、投资成本低、便于维护等优点。因此，双调谐直流滤波器在直流输电系统中得到广泛使用。它由高压端的高压电容器和接地端的调谐部分组成，能有效滤除特征谐波。高压电容器由多个电容器串并联构成，价格昂贵，作为双调谐直流滤波器的核心器件，承担了直流侧大部分的电压，容易发生接地故障；发生接地故障后，可能产生巨大的放电电流，严重威胁整个直流系统的安全稳定运行。因此，为高压电容器的接地故障提供可靠的保护方案，对直流滤波器及直流输电系统的安全、稳定运行意义重大。
在已投运的高压直流输电系统中，对高压电容器的接地故障没有配置单独的保护方案，而是通过双调谐直流滤波器差动保护实现其间接保护：双调谐直流滤波器差动保护采用首端(高压端)与尾端(接地端)电流互感器的电流差值判别直流滤波器接地故障，若电流差值大于整定值，表明滤波器有其他接地的分流支路，则判断为滤波器接地故障，进而通过检修确定滤波器的接地故障是高压电容器接地故障还是调谐部分接地故障。但实际运行工程经验和研究表明，由于双调谐直流滤波器流过交流分量，若首端电流互感器和尾端电流互感器暂态特性不一致，首尾端电流互感器检测的电流存在相位差，会导致首尾端电流差值大于整定值，发生误判；若增大整定值，则可能发生漏判。并且这种判定还无法确定是调谐部分的接地故障还是高压电容器的接地故障；从而无法对价格昂贵、构成复杂的高压电容器进行及时可靠的接地故障保护。
发明内容
本发明的目的是提供一种双调谐直流滤波器高压电容器接地故障的识别方法。该方法能单独对高压电容器的接地故障进行识别，其识别准确、可靠，能为双调谐直流滤波器中的高压电容器提供可靠的保护。
本发明为实现其发明目的所采用的技术方案为：一种双调谐直流滤波器高压电容器接地故障的识别方法，其步骤为：
A、数据测量
测量装置以10kHz采样频率实时采集安装在直流母线处的电压互感器VT测量的直流母线电压V(t)和双调谐直流滤波器的首端电流互感器CT1测量的滤波器电流I(t)，其中t为采样时刻；
B、双调谐直流滤波器特征分量提取
对直流母线电压V(t)进行全波傅里叶变换，分别提取出直流滤波器最小调谐角频率ω1对应的直流母线电压最小调谐角频率特征分量有效值V(ω1)和并联谐振角频率ωb对应的直流母线电压并联谐振角频率特征分量有效值V(ωb)；
对滤波器电流I(t)进行全波傅里叶变换，分别提取出直流滤波器最小调谐角频率ω1对应的滤波器电流最小调谐角频率特征分量有效值I(ω1)和并联谐振角频率ωb对应的滤波器电流并联谐振角频率特征分量有效值I(ωb)；
C、计算特征谐波阻抗比值
C1、由直流母线电压最小调谐角频率特征分量有效值V(ω1)和直流滤波器电流最小调谐角频率特征分量有效值I(ω1)，计算出最小调谐角频率特征谐波阻抗Z(ω1)，
由直流母线电压并联谐振角频率特征分量有效值V(ωb)和滤波器电流并联谐振角频率特征分量有效值I(ωb)，计算出并联谐振角频率特征谐波阻抗Z(ωb)，
C2、计算特征谐波阻抗比值KZ，
D、高压电容器接地故障识别
系统的继电保护装置将特征谐波阻抗比值KZ与设定的特征谐波阻抗比值阈值Kset进行比较；若KZ>Kset，则判定高压电容器发生接地故障；否则，判定高压电容器没有发生接地故障。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
一、故障识别可靠性高。直流滤波器正常运行时，调谐角频率对应的谐波阻抗接近零，以达到滤除特征谐波的目的，因此最小调谐角频率ω1的特征谐波阻抗Zω1接近零；而并联谐振角频率ωb的特征谐波阻抗Zωb为无穷大；故特征谐波阻抗比值KZ为零；在高压电容器发生接地故障之后，调谐点和谐振点均发生偏移，最小调谐角频率ω1的特征谐波阻抗Zω1增加，并联谐振角频率ωb的特征谐波阻抗Zωb减小，特征谐波阻抗比值KZ增大，从而可以有效、准确的识别出高压电容器接地故障。而调谐部分由于其阻抗在总阻抗中占比很小，发生接地故障时，特征谐波阻抗比值KZ增量很小，小于阈值Kset，不会对高压电容器接地故障的判断形成干扰。从而本发明能对高压电容器接地故障实现有效可靠的单独保护。它能及时识别故障保证电网的安全稳定运行，提高了电力系统稳定性。并降低了运维成本，具有重要的社会效益和经济价值。
二、有效避免电磁暂态特性不一致的影响。本发明通过采集直流滤波器的电压和首端电流，分别对电压、电流进行傅里叶变换，获取特征谐波分量；过程中仅采用直流滤波器顶端的电流量，有效避免了传统直流滤波器差动保护受滤波器首尾端电流互感器电磁暂态特性不一致，导致误判、漏判的缺陷，其可靠性更高。
三、保护方法通用性强。由于本发明提出的保护方案不受直流输电系统的电压等级、运行方式影响，只与滤波器的结构和滤波特性有关，适用于各种高压直流输电系统中双调谐直流滤波器高压电容器的保护。
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。
附图说明
图1为本发明仿真实验中双调谐直流滤波器的结构示意图。
图2为本发明仿真实验中工况1的特征谐波阻抗及其比值。
图3为本发明仿真实验中工况2的特征谐波阻抗及其比值。
图4为本发明仿真实验中工况3的特征谐波阻抗及其比值。
具体实施方式
实施例
本发明的一种具体实施方式是，一种双调谐直流滤波器高压电容器接地故障的识别方法，其步骤为：
A、数据测量
测量装置以10kHz采样频率实时采集安装在直流母线处的电压互感器VT测量的直流母线电压V(t)和双调谐直流滤波器的首端电流互感器CT1测量的滤波器电流I(t)，其中t为采样时刻；
B、双调谐直流滤波器特征分量提取
对直流母线电压V(t)进行全波傅里叶变换，分别提取出直流滤波器最小调谐角频率ω1对应的直流母线电压最小调谐角频率特征分量有效值V(ω1)和并联谐振角频率ωb对应的直流母线电压并联谐振角频率特征分量有效值V(ωb)；
对滤波器电流I(t)进行全波傅里叶变换，分别提取出直流滤波器最小调谐角频率ω1对应的滤波器电流最小调谐角频率特征分量有效值I(ω1)和并联谐振角频率ωb对应的滤波器电流并联谐振角频率特征分量有效值I(ωb)；
直流滤波器最小调谐角频率ω1和并联谐振角频率ωb是直流滤波器的固有参数，由其结构和组成元件的参数确定。
C、计算特征谐波阻抗比值
C1、由直流母线电压最小调谐角频率特征分量有效值V(ω1)和直流滤波器电流最小调谐角频率特征分量有效值I(ω1)，计算出最小调谐角频率特征谐波阻抗Z(ω1)，
由直流母线电压并联谐振角频率特征分量有效值V(ωb)和滤波器电流并联谐振角频率特征分量有效值I(ωb)，计算出并联谐振角频率特征谐波阻抗Z(ωb)，
C2、计算特征谐波阻抗比值KZ，
D、高压电容器接地故障识别
系统的继电保护装置将特征谐波阻抗比值KZ与设定的特征谐波阻抗比值阈值Kset进行比较；若KZ>Kset，则判定高压电容器发生接地故障；否则，判定高压电容器没有发生接地故障。
本例的步骤D中设定的特征谐波阻抗比值阈值Kset的取值为1。
下面通过仿真实验对本发明进行验证。
仿真实验
采用PSCAD/EMTDC仿真平台的CIGRE标准测试仿真模型，以灵绍直流工程双调谐直流滤波器HP12/24的参数和结构为例，验证保护方案的可行性。
双调谐滤波器的结构由图1所示。
双调谐滤波器的参数如下表：
根据双调谐滤波器的结构和参数，计算出最小调谐角频率ω1为1200πrad/s，并联谐振角频率ωb为1600πrad/s。
通过仿真三种不同的工况，验证保护方法的可行性。
1)对高压电容器左侧上桥臂C11电容组内发生金属性接地故障进行仿真实验。
仿真实验中，设接地点到高压电容器首端端的电容个数占整个桥臂总电容个数的百分比为X(0<X<1)。设置在2秒时发生故障，故障位置X＝0.4。
本发明方法计算出的特征谐波阻抗及其比值如图2所示。在2.12秒后特征谐波阻抗比值KZ＝6.71，大于保护阈值1，迅速正确识别出高压电容器的接地故障；
2)高压电容器左侧下桥臂C13电容组内发生金属性接地故障。
仿真实验中，设接地点到高压电容器不平衡桥的电容个数占整个桥臂总电容个数的百分比为X(0<X<1)。设置在2秒时发生故障，故障位置X＝0.4。
本发明方法计算出的特征谐波阻抗及其比值如图3所示，在2.08秒后特征谐波阻抗比值KZ＝4.46，大于保护阈值1，正确识别出高压电容器的接地故障；
3)直流滤波器出口处直流母线发生金属性接地故障。
设置在2秒时直流母线出口处发生故障。
本发明方法计算出的特征谐波阻抗及其比值如图4所示。在2秒后瞬间特征谐波阻抗比值达到最大值0.24，小于保护阈值1，判定高压电容器没有发生接地故障，即本发明不会将高压电容器以外的接地故障误判为高压电容器接地故障。
可见，本发明方法可准确、可靠的高压电容器的接地故障。

Claims (2)

1.一种双调谐直流滤波器高压电容器接地故障的识别方法，其步骤为：
A、数据测量
测量装置以10kHz采样频率实时采集安装在直流母线处的电压互感器VT测量的直流母线电压V(t)和双调谐直流滤波器的首端电流互感器CT1测量的滤波器电流I(t)，其中t为采样时刻；
B、双调谐直流滤波器特征分量提取
对直流母线电压V(t)进行全波傅里叶变换，分别提取出直流滤波器最小调谐角频率ω1对应的直流母线电压最小调谐角频率特征分量有效值V(ω1)和并联谐振角频率ωb对应的直流母线电压并联谐振角频率特征分量有效值V(ωb)；
对滤波器电流I(t)进行全波傅里叶变换，分别提取出直流滤波器最小调谐角频率ω1对应的滤波器电流最小调谐角频率特征分量有效值I(ω1)和并联谐振角频率ωb对应的滤波器电流并联谐振角频率特征分量有效值I(ωb)；
C、计算特征谐波阻抗比值
C1、由直流母线电压最小调谐角频率特征分量有效值V(ω1)和直流滤波器电流最小调谐角频率特征分量有效值I(ω1)，计算出最小调谐角频率特征谐波阻抗Z(ω1)，
由直流母线电压并联谐振角频率特征分量有效值V(ωb)和滤波器电流并联谐振角频率特征分量有效值I(ωb)，计算出并联谐振角频率特征谐波阻抗Z(ωb)，
C2、计算特征谐波阻抗比值KZ，
D、高压电容器接地故障识别
系统的继电保护装置将特征谐波阻抗比值KZ与设定的特征谐波阻抗比值阈值Kset进行比较；若KZ>Kset，则判定高压电容器发生接地故障；否则，判定高压电容器没有发生接地故障。
2.如权利要求1中所述的一种双调谐直流滤波器高压电容器接地故障的识别方法，其特征在于：所述的步骤D中设定的特征谐波阻抗比值阈值Kset的取值为1。
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