CN109884453B - 一种基于参数识别的直流滤波器高压电容器故障识别方法 - Google Patents

一种基于参数识别的直流滤波器高压电容器故障识别方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于参数识别的直流滤波器高压电容器故障识别方法，其步骤主要是：采集直流滤波器的电压和电流互感器的电流，计算得到高压电容器的端电压和电流，基于最小二乘法识别高压电容器在采样时刻的等效电容值。当高压电容器内部元件发生故障，导致电容值较正常运行时减小，电容相对误差增大，若大于阈值，判断为区内故障，发出动作信号，保护装置可靠动作；否则，高压电容器的电容相对误差小于阈值，判断为正常运行，保护装置可靠不动作。该方法利用高压电容器的电压、电流对高压电容器进行参数识别，适用于任何电压等级的直流输电系统，且不受直流系统扰动和交流系统重合闸的影响，能够准确、可靠地识别故障。

Description

一种基于参数识别的直流滤波器高压电容器故障识别方法
技术领域
本发明涉及一种基于参数识别的直流滤波器高压电容器故障识别方法。
背景技术
高压直流输电(High Voltage Direct Current,HVDC)具有输送容量大、输电距离远且无需考虑同步问题等优点，在远距离电能传输和区域大电网互联等领域得到快速发展，为实现跨区域电力资源的优化配置发挥了重要作用。高压直流输电需要先将交流转换成直流，其换流装置在运行过程中，会在直流侧产生特征谐波，造成设备发热、干扰通信、降低电网供电质量等危害。因此，在换流装置的直流侧(直流母线处)通常配置有直流滤波器。双调谐直流滤波器由高压端的高压电容器和接地端的调谐部分组成，可同时滤除两个特征频率；具有占地面积小、投资成本低等优点，在高压直流输电系统中得到广泛应用。双调谐直流滤波器中高压电容器作为核心器件，承担着直流线路的直流压降和大部分谐波压降，高压电容器内部的电容元件容易发生短路或开路故障；某一电容元件发生故障，相邻正常元件承受的电压增大，若没有及时发现、清理故障，易引发电容元件的雪崩效应，即整个高压电容器发生故障，危及直流滤波器乃至直流输电系统的安全稳定运行。
高压电容器多采用H型接线方式，俩桥臂上串接若干电容单元，桥臂间的不平衡桥上安装有不平衡电流互感器，当高压电容器正常运行时，桥臂间的参数平衡，流过不平衡电流互感器的电流为零。当高压电容器的任一电容单元有电容元件发生故障，则不平衡电流互感器上有明显的电流流过。现有的直流滤波器保护方案即利用不平衡电流和滤波器电流比值(比值检测法)或者不平衡电流和滤波器电流比值的变化量(脉冲检测法)来检测电容器的故障。但实际运行工程经验和研究表明，这种不平衡保护方案易受系统功率变化、直流系统扰动、交流系统重合闸的影响而发生误动作，误动作率高。降低了高压直流输电的效率、提高了高压直流输电的运维成本。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于参数识别的直流滤波器高压电容器故障识别方法。该方法能单独对高压电容器内部电容元件的短路或断路故障进行识别，其识别准确、可靠，能为双调谐直流滤波器中的高压电容器内部故障提供可靠的保护。
本发明为实现其发明目所采用的技术方案为：一种基于参数识别的直流滤波器高压电容器故障识别方法，其步骤为：
A、数据测量
以10kHz的采样频率采集：安装在高压直流输电系统直流母线处的电压互感器(VT)测得的直流母线电压V(t)、安装在双调谐直流滤波器首端的电流互感器一(CT1)测得的滤波器电流I1(t)、双调谐直流滤波器低压调谐部分电阻(R)上串接的电流互感器二(CT2)测得的电阻电流I2(t)和直流滤波器低压调谐部分近地端电抗器(L2)串接的电流互感器三(CT3)测得的近地端电抗器电流I3(t)；其中t为采样时刻；
B、双调谐直流滤波器高压电容器电气特征分量提取
由双调谐直流滤波器低压调谐部分的电阻(R)的阻值
Figure GDA0002280314700000021
近地端电抗器(L2)的电抗值
Figure GDA0002280314700000022
及A步得到的电阻电流I2(t)、近地端电抗器电流I3(t)，计算出双调谐直流滤波器低压调谐部分的端电压V2(t)，
Figure GDA0002280314700000023
由直流母线电压V(t)，计算出高压电容器的端电压V1(t)，V1(t)＝V(t)-V2(t)；
C、高压电容器参数计算
C1、由B步得到的高压电容器的端电压V1(t)和A步得到的滤波器电流I1(t)，通过最小二乘法识别出高压电容器在采样时刻t的电容值Ct，
Figure GDA0002280314700000031
C2、再由正常运行时的高压电容器的电容值C0，计算出高压电容器在采样时刻t的电容相对误差Kt，
Figure GDA0002280314700000032
D、高压电容器故障识别
高压直流输电系统的继电保护装置将高压电容器在采样时刻t的电容相对误差Kt与设定的保护阈值Kset进行比较；若Kt>Kset，则判定高压电容器内部发生故障，保护动作；否则，判定高压电容器内部没有发生故障。
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。本发明利用采样测出的电气量计算出高压电容器的电压和电流分量，再由最小二乘法估计出高压电容器的等效电容值(采样时刻的电容值)；并计算出采样时刻高压电容器的等效电容值与正常运行时的高压电容器的电容值的相对误差Kt。在高压电容器内部电容元件发生故障之后，其等效电容值减小，当故障电容元件个数达到一定数量(高压电容器发生故障)之后，电容器的相对误差Kt大于阈值Kset。基于此，本发明能对高压电容器内部电容元件故障实现及时、准确的识别并提供有效可靠的保护，保证电网的安全稳定运行。
二、有效避免系统扰动的影响。本发明通过采集的电气量计算直流滤波器高压电容器的电压和电流分量，通过最小二乘法估计当前时刻的等效电容值。当高压直流输电系统发生扰动，如直流系统功率变化、交流系统重合闸等工况，高压电容器的电压和电流随之发生同步变化，而估计出的电容值并不发生变化。因此，本发明可有效避免直流系统扰动或交流系统重合闸导致不平衡电流增大、而产生的误判、误动作缺陷，其误判率低，可靠性更高，提高了高压直流输电的效率、降低了高压直流输电的运行、维护成本。
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的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的高压电容器电容值及其相对误差。
图3为本发明仿真实验中工况2的高压电容器电容值及其相对误差。
图4为本发明仿真实验中工况3的高压电容器电容值及其相对误差。
具体实施方式
实施例
本发明的一种具体实施方式是，一种基于参数识别的直流滤波器高压电容器故障识别方法，其步骤为：
A、数据测量
以10kHz的采样频率采集：安装在高压直流输电系统直流母线处的电压互感器(VT)测得的直流母线电压V(t)、安装在双调谐直流滤波器首端的电流互感器一(CT1)测得的滤波器电流I1(t)、双调谐直流滤波器低压调谐部分电阻(R)上串接的电流互感器二(CT2)测得的电阻电流I2(t)和直流滤波器低压调谐部分近地端电抗器(L2)串接的电流互感器三(CT3)测得的近地端电抗器电流I3(t)；其中t为采样时刻；
B、双调谐直流滤波器高压电容器电气特征分量提取
由双调谐直流滤波器低压调谐部分的电阻(R)的阻值
Figure GDA0002280314700000041
近地端电抗器(L2)的电抗值
Figure GDA0002280314700000042
及A步得到的电阻电流I2(t)、近地端电抗器电流I3(t)，计算出双调谐直流滤波器低压调谐部分的端电压V2(t)，
Figure GDA0002280314700000051
由直流母线电压V(t)，计算出高压电容器的端电压V1(t)，V1(t)＝V(t)-V2(t)；
C、高压电容器参数计算
C1、由B步得到的高压电容器的端电压V1(t)和A步得到的滤波器电流I1(t)，通过最小二乘法识别出高压电容器在采样时刻t的电容值Ct，
Figure GDA0002280314700000052
C2、再由正常运行时的高压电容器的电容值C0，计算出高压电容器在采样时刻t的电容相对误差Kt，
Figure GDA0002280314700000053
D、高压电容器故障识别
高压直流输电系统的继电保护装置将高压电容器在采样时刻t的电容相对误差Kt与设定的保护阈值Kset进行比较；若Kt>Kset，则判定高压电容器内部发生故障，保护动作；否则，判定高压电容器内部没有发生故障。
本例的步骤D中设定的保护阈值Kset的取值为0.02。
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。
仿真实验中的双调谐滤波器结构由图1所示，其高压电容器采用124串、2并的H型桥式结构。其中，左上桥臂、右上桥臂、左下桥臂的64串(1并)电容器单元，分别构成左上桥臂电容组C11、右上桥臂电容组C12、左下桥臂电容组C13、右下桥臂电容组C14。每个电容器单元由3串20并的电容元件构成。不平衡电流互感器CT4的一端接于左上桥臂电容组C11、左下桥臂电容组C13右上桥臂电容组C12之间，另一端接于右上桥臂电容组C12、右下桥臂电容组C14之间。
双调谐滤波器的主要器件参数如下表：
Figure GDA0002280314700000061
正常运行时，高压电容器的电容值C0＝0.35μF，当电容器内部元件发生故障之后，电容值将发生变化。
通过仿真三种不同的工况，验证保护方法的可行性。
工况1：
对高压电容器右上桥臂电容组C12的一个电容器单元的电容元件，在1.2s时同时发生短路故障。
由于每个电容元件都串联有内熔丝，当电容元件发生故障之后，内熔丝被熔断，短路故障发展为开路故障。根据故障工况，计算出故障后高压电容器的等效电容理论值为0.3396μF，相对误差K＝0.0297。
本发明方法仿真估计出的高压电容器电容值及其相对误差如图2所示：在发生故障前，估计出的等效电容值Ct为0.35μF±0.00175μF，相对误差Kt＝0～0.005，小于设定的保护阈值Kset＝0.02，判定高压电容器未发生故障。1.2秒时发生故障，在1.21秒及以后时刻估计出的等效电容值Ct变小为：0.3396μF±0.001225μF，相对误差Kt＝0.0297±0.0035，大于设定的保护阈值Kset＝0.02，判定高压电容器发生故障。
由此可见，本发明方法在工况1的仿真实验中，能够快速、准确地识别出高压电容器的故障。
工况2：
对高压电容器右侧下桥臂C14发生桥臂开路故障。
高压电容器右下桥臂电容组C14的所有电容元件，在1.2秒时均发生短路故障，由于电容元件串联有内熔丝，即在故障发生之后，电容元件被熔断，整个右下桥臂发生开路故障。根据故障工况，可以计算出故障后高压电容器的等效电容理论值为0.233333μF，相对误差KC＝0.3333。
本发明方法估计出的高压电容器电容值及其相对误差如图3所示。在发生故障前，估计出的等效电容值Ct为0.35μF±0.00175μF，相对误差Kt＝0.00～0.005，小于设定的保护阈值Kset＝0.02，判定高压电容器未发生故障。1.2秒时发生故障，在1.21秒及以后时估计出的等效电容值Ct为变小为0.23μF±0.003μF，相对误差Kt＝0.3428±0.0086，大于设定的保护阈值Kset＝0.02，判定高压电容器发生故障。
由此可见，本发明方法在工况2的仿真实验中，快速、准确地识别出了高压电容器的故障。
工况3：
低压调谐部分发生接地故障。在1.2秒时，图1中调谐部分的电抗器L1和L2之间发生永久性接地故障。
本发明方法估计出的高压电容器电容值及电容相对误差如图4所示。在故障瞬间电容值从0.35μF下降到0.345μF，电容相对误差最大值为0.0142，小于保护阈值Kset＝0.02，持续时间为0.02秒，之后高压电容器电容值与正常运行时相等。通过保护判据可以判定高压电容器没有发生故障，
由此可见，本发明方法在工况3的仿真实验中，在滤波器其他位置故障时不会发生对高压电容器故障的误判。
三个工况的仿真实验说明，本发明方法可准确、可靠的识别高压电容器的内部故障。

Claims (2)

1.一种基于参数识别的直流滤波器高压电容器故障识别方法，其步骤为：
A、数据测量
以10kHz的采样频率采集：安装在高压直流输电系统直流母线处的电压互感器VT测得的直流母线电压V(t)、安装在双调谐直流滤波器首端的电流互感器一CT1测得的滤波器电流I1(t)、双调谐直流滤波器低压调谐部分电阻R上串接的电流互感器二CT2测得的电阻电流I2(t)和直流滤波器低压调谐部分近地端电抗器L2串接的电流互感器三CT3测得的近地端电抗器电流I3(t)；其中t为采样时刻；
B、双调谐直流滤波器高压电容器电气特征分量提取
由双调谐直流滤波器低压调谐部分的电阻R的阻值
Figure FDA0002280314690000011
近地端电抗器L2的电抗值
Figure FDA0002280314690000012
及A步得到的电阻电流I2(t)、近地端电抗器电流I3(t)，计算出双调谐直流滤波器低压调谐部分的端电压V2(t)，
Figure FDA0002280314690000013
由直流母线电压V(t)，计算出高压电容器的端电压V1(t)，V1(t)＝V(t)-V2(t)；
C、高压电容器参数计算
C1、由B步得到的高压电容器的端电压V1(t)和A步得到的滤波器电流I1(t)，通过最小二乘法识别出高压电容器在采样时刻t的电容值Ct，
Figure FDA0002280314690000014
C2、再由正常运行时的高压电容器的电容值C0，计算出高压电容器在采样时刻t的电容相对误差Kt，
Figure FDA0002280314690000021
D、高压电容器故障识别
高压直流输电系统的继电保护装置，将高压电容器在采样时刻t的电容相对误差Kt与设定的保护阈值Kset进行比较；若Kt>Kset，则判定高压电容器内部发生故障，保护动作；否则，判定高压电容器内部没有发生故障。
2.如权利要求1中所述的一种基于参数识别的直流滤波器高压电容器故障识别方法，其特征在于：所述的步骤D中设定的保护阈值Kset的取值为0.02。
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