CN111239528B - 一种基于换流器主动注入的持续燃弧故障识别及处理方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于换流器主动注入的持续燃弧故障识别方法及故障处理方法，根据燃弧故障发生后的频谱变化特征以及扰动源激励下的故障回路结构变化特征，建立了基于模糊逻辑隶属度函数的燃弧故障启动判据和基于主动注入的持续燃弧故障检测方法，并且考虑复杂噪声影响下准确启动，实现了燃弧故障准确可靠的识别，为MMC主动控制降压息弧提供了可靠动作依据和判据。

Description

一种基于换流器主动注入的持续燃弧故障识别及处理方法
技术领域
本发明属于电力系统保护和控制领域，特别涉及到一种基于换流器主动注入的持续燃弧故障识别及处理方法。
技术背景
直流升压汇集系统稳定性好，效率高。规模化新能源通过直流系统接入越来越多地应用到实际工程，有着良好的应用前景。然而系统故障处理仍然面对着巨大挑战。对于光伏直流接入系统，燃弧故障是最频发的故障，容易诱发火灾，严重危害着系统安全。一部分燃弧故障会快速发展成短路故障，有明显的电压电流突变，由保护装置快速清除。另一部分会成为持续燃弧故障，不易被系统察觉，从而导致持续发热。对于光伏系统来说，40％的火灾都是由持续燃弧故障引起。
持续燃弧故障外部特征呈强非线性，没有明显的时域特征，其频域特征随机性强，频带往往与噪声混叠，故障信息提取保真和去噪矛盾，给故障识别和处理造成了很大挑战。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于针对燃弧故障发生后的频谱变化特征以及扰动源激励下的故障回路结构变化特征，提出了基于模糊逻辑隶属度函数的燃弧故障启动判据和基于主动注入的持续燃弧故障检测方法，充分利用了换流器灵活控制的能力，可靠性高，且能够对持续燃弧故障快速有效处理，具有很好的工程应用价值。
为了达到以上目的，本发明的采用的技术方案为：
一种基于换流器主动注入的持续燃弧故障识别及处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、基于模糊逻辑隶属函数建立燃弧故障识别判据，判断是否发生了燃弧故障；
步骤2、利用燃弧故障特征设定燃弧故障主动扰动注入控制的启动判据，判断是否启动燃弧故障主动扰动注入；
步骤3、基于全半桥混联拓扑的MMC扰动信号注入，利用转移电阻突变特征作为是否发生持续燃弧故障的判据；
步骤4、当判定发生了持续燃弧故障时，基于全半桥混联拓扑的MMC扰动信号注入，进行降压控制以熄灭电弧。
进一步地，在步骤1中，利用经验模态分解法EMD，将直流系统电流信号y(t)分解成IMF分量，如式(1)所示：
Figure BDA0002397229990000021
其中，ci(t)为各模态分量,r(t)为残余分量；再将一个时间窗长内的所有电流采样值表式隶属于燃弧故障模糊集
Figure BDA0002397229990000022
的程度，
Figure BDA0002397229990000023
的隶属度函数映射为：
Figure BDA0002397229990000024
将每一个IMF时窗内所有数据点的方差是否大于所设阈值构成一个向量，其中的元素为：
Figure BDA0002397229990000031
其中，imfn表示第n个IMF的分量，n代表分解成的IMF的个数，σ2表示imfn分量的方差，用该向量各元素的均值μ表示这一信号的隶属度，并作为燃弧故障识别判据，表示为如式(4)所示，
Figure BDA0002397229990000032
其中，n表示自适应的分解成IMF的个数，ai表示第i个元素的方差判据值，当满足式(4)时，则判定为识别到了燃弧故障。
进一步地，在步骤2中，通过检测燃弧故障的电弧在弧道上激励得到的故障电流，由于故障电压中将包含各个特征频率分量的p次幂以及各个特征频率的乘积频率，将系统中固有的频率保留，同时在频谱中丰富了所有其他频率；该电弧在弧道电阻上激励的电流将含有相同的频率特征，从而在极坐标下，故障电流也将存在该特征；
将式(5)作为主动扰动信号的注入的启动判据：
Figure BDA0002397229990000033
其中，ri为燃弧故障发生时，第i个带有特征频率的电流分量的向量模值，ωi代表其对应的角频率值，k代表常整数(k＝1，2，3，……)，T代表该频率分量对应的周期，即当满足式(5)时，则判定为启动主动扰动信号的注入。
进一步地，在步骤3中，定义转移直流电阻r为直流线路同一侧直流电压瞬时值与直流电流瞬时值的比值，利用持续燃弧故障时，注入扰动信号使系统直流转移电阻增大的响应辨识持续燃弧故障，其判据表示为式(6)：
r≥1.5rave (6)
其中，Udc和Idc分别为直流线路同一侧的电压和电流，rave为测量电阻在数据窗长内的平均值，即当满足式(6)时，则判定为发生持续燃弧故障。
再进一步地，步骤4中，在判定发生持续燃弧故障后，通过启动故障控制降低直流系统电压，进而施加反向电压，通过降低维持直流电弧燃烧的电场强度熄灭直流电弧。
本发明与现有技术相比具有以下优势：
(1)基于MMC主动控制的故障处理方法不但能准确的辨识持续燃弧故障发生，还能有效据此进行主动降压息弧控制熄灭电弧，大大提高了系统的安全性和可靠性。
(2)该方法能在噪声影响下快速准确启动，且能准确可靠地识别燃弧故障，为MMC主动控制降压息弧提供了可靠动作依据和判据；
(3)该方法对系统正常运行的电压稳定性和功率送几乎不产生影响。
附图说明
图1是本发明持续燃弧故障识别及处理方法的流程图；
图2是本发明实施方式的针对的研究持续燃弧故障的识别技术的直流汇集送出系统拓扑结构。
图3是本发明的MMC控制系统框图；
图4是本发明实施方式的直流汇集送出系统拓扑结构的稳态阶段的等效电路图。
图5是本发明持续燃弧故障下附加回路等效电路图；
图6是本发明实施方式的EMD分解结果；
图7是本发明实施方式的燃弧故障发生前后频谱特征对比图；
图8是本发明实施方式的控制系统注入信号仿真波形；
图9是本发明实施方式的转移电阻值仿真计算结果；
具体实施方式
本发明涉及到一种基于换流器主动注入的持续燃弧故障识别方法及故障处理方法，下面为其具体实施方式。
图1为本发明的一种基于换流器主动注入的持续燃弧故障识别方法及故障处理方法的流程图，包括以下步骤：
步骤1、基于模糊逻辑隶属函数建立燃弧故障识别方法。
步骤2、利用燃弧故障特征设定燃弧故障主动扰动注入控制的启动判据。
步骤3、基于全半桥混联拓扑的MMC扰动信号注入，利用转移电阻突变特征作为持续燃弧故障的判据。
步骤4、基于全半桥混联拓扑的MMC扰动信号注入，进行降压控制熄灭电弧。
步骤1中，利用经验模态分解法EMD，将直流系统电流信号y(t)分解成IMF分量，如式(1)所示：
Figure BDA0002397229990000061
其中，ci(t)为各模态分量,r(t)为残余分量；再将一个时间窗长内的所有电流采样值表式隶属于燃弧故障模糊集
Figure BDA0002397229990000062
的程度，
Figure BDA0002397229990000063
的隶属度函数映射为：
Figure BDA0002397229990000064
将每一个IMF时窗内所有数据点的方差是否大于所设阈值构成一个向量，其中的元素为：
Figure BDA0002397229990000065
其中，imfn表示第n个IMF的分量，n代表分解成的IMF的个数，σ2表示imfn分量的方差，用该向量各元素的均值μ表示这一信号的隶属度，并作为燃弧故障识别判据，表示为如式(4)所示，
Figure BDA0002397229990000066
其中，n表示自适应的分解成IMF的个数，ai表示第i个元素的方差判据值，当满足式(4)时，则判定为识别到了燃弧故障。
步骤2中，通过检测燃弧故障的电弧在弧道上激励得到的故障电流，由于故障电压中将包含各个特征频率分量的p次幂以及各个特征频率的乘积频率，将系统中固有的频率保留，同时在频谱中丰富了所有其他频率；该电弧在弧道电阻上激励的电流将含有相同的频率特征，从而在极坐标下，故障电流也将存在该特征；
将式(5)作为主动扰动信号的注入的启动判据：
Figure BDA0002397229990000071
其中，ri为燃弧故障发生时，第i个带有特征频率的电流分量的向量模值，ωi代表其对应的角频率值，k代表常整数(k＝1，2，3，……)，T代表该频率分量对应的周期，即当满足式(5)时，则判定为启动主动扰动信号的注入。
步骤3中，定义转移直流电阻r为直流线路同一侧直流电压瞬时值与直流电流瞬时值的比值，利用持续燃弧故障时，注入扰动信号使系统直流转移电阻增大的响应辨识持续燃弧故障，其判据表示为式(6)：
r≥1.5rave (6)
其中，Udc和Idc分别为直流线路同一侧的电压和电流，rave为测量电阻在数据窗长内的平均值，即当满足式(6)时，则判定为发生持续燃弧故障。
步骤4中，在判定发生持续燃弧故障后，通过启动故障控制降低直流系统电压，进而施加反向电压，通过降低维持直流电弧燃烧的电场强度熄灭直流电弧。
如图2所示为本发明实施方式的针对的研究持续燃弧故障的识别技术的直流汇集送出系统拓扑结构。光伏通过DC/DC升压后接入±30kV直流母线。DC/DC采用最大功率跟踪控制，根据母线电压确定光伏组件出口电压。
如图3为本发明的MMC控制系统框图，其拓扑采用全桥、半桥子模块混合的拓扑，其控制系统采用定直流电压、无功功率，以及定子模块平均电容电压控制。正常运行时，电压外环d轴采用定子模块电容电压平均值控制，q轴采用定无功功率控制，直流轴采用定直流电压控制。当系统需要注入用于电弧检测的扰动源时，为了避免PI调节干扰故障对扰动源自发响应，在PI环节之后叠加一个脉冲信号，如上图所示，其幅值设定为0.9倍的前一时刻输入参考值Vdcref，持续时间5ms。
如图4为本发明实施方式的直流汇集送出系统拓扑结构的稳态阶段的等效电路图，DC/DC相当于电流源，MMC相当于电压源。当直流系统发生燃弧故障时，忽略暂态换路过程。U1中将包含各个特征频率分量的和、p次幂以及各个特征频率的乘积频率，将系统中固有的频率保留，同时在频谱中丰富了所有其他频率。因此，该电弧在弧道电阻上激励得电流将含有相同的频率特征，从而在I1也将检测出该特征。利用这一特征可以首先设定燃弧故障主动扰动注入控制的启动判据式(5)。
如图5所示为本发明持续燃弧故障下附加回路等效电路图，持续燃弧故障相当于在扰动源激励下，产生了一个附加回路，从而在测量的转移电阻中较系统正常下运行时，增加一项附加分量：
Figure BDA0002397229990000091
在持续燃弧过程中，弧道电流I2受到弧道长度不同得影响其值不同，当弧道长度增大时相应的故障过度电阻降低，故障稳态电流减小。当故障电流趋于极小时，I2与Rf的乘积为弧道电压，其值近似等于线路的额定电压，I2+IPV近似等于IPV。
Figure BDA0002397229990000092
从而有rmin≈2rt。转移电阻在电路暂态过程中由于系统中的线性储能元件电感电容和噪声的影响，会围绕着某一值发生波动，因此，测量电阻rt可以写成数据窗长内的平均值rave加上波动量rwav：
rt＝rave+rwav (10)
因此，考虑系统对扰动的暂态响应和噪声影响，同时为了保证持续燃弧故障识别的可靠性，确定其判据为式(6)。
如图6所示为本发明实施方式的EMD分解结果，采样频率50kHz，数据窗长5ms，对故障波形进行EMD分解。根据式(2)可知，自适应的分解出三个分量，n＝3，且每个分量方差波动范围都变大。将故障前方差标幺化为1，根据式(3)，可以计算得到每个分量故障后的方差分别为35.45、6.34、4.02。由此可以根据式(4)得到其隶属度为1，满足燃弧故障启动判据，最迟启动时间为一个数据窗长5ms。
为了考虑噪声的影响，分别对被测信号注入40dB和20dB的高斯白噪声，其仿真结果如表1所示。
表1不同噪声情况下燃弧故障判据仿真结果
Figure BDA0002397229990000101
由上述仿真结果可知，在正常的运行情况下，40dB和20dB的噪声都不会影响燃弧判据正常启动，证明了所设计启动判据的可靠性。
如图7所示为本发明实施方式的燃弧故障发生前后频谱特征对比，当0.6s发生故障，分析故障电流频域变化特征，利用FFT提取故障前后频谱，数据窗长40ms。燃弧故障发生前，系统内由于电气参数和控制参数影响存在着75Hz和150Hz的特征频率点，故障发生之后其特征频率依然存在。同时整体的谐波幅值几乎全部增大，且靠近特征谐波频点附近的频次波形上升幅度最大。验证了所属的数学模型对故障后频谱中各频次特征谐波之间和与积的所有频率都会上升的理论分析，同时验证了所述的电弧仿真模型的暂态特性能准确反映工程实际中的频谱特征。
如图8所示为本发明实施方式的控制系统注入信号仿真波形，当判别出燃弧故障后，经过延时没有检测发生严重短路故障，则向系统内主动注入扰动信号辨识持续燃弧。非故障情况下，由于注入信号幅值较小，持续时间较短，对系统电压稳定性没有造成破坏。系统额定电压60kV，正常运行时波动最大值61.7kV，最小值58.6kV。向系统内重复注入扰动信号30次，测量电压瞬时值最大值62.76kV，最小值57.18kV。电压波动范围在±5％以内。在扰动信号注入过程中，功率瞬时值最大值2.411MW，最小值2.349MW，功率输出没有受到任何影响。
故障情况下，系统注入信号后，MMC出口电压最大值62.93kV，最小值56.79kV，电压波动范围在4.8％～-5.35％之间，不会引起系统欠压保护启动，注入信号同样没有对电压稳定性造成破坏。通过注入信号准确检测出持续燃弧故障后，可以按照动作逻辑启动降压运行方式熄灭电弧。验证了本发明对系统正常运行的电压稳定性和功率几乎不产生影响。
如图9所示为本发明实施方式的转移电阻值仿真计算结果，在0.7s注入扰动源后，由于系统电路中存在线性储能元件，电容和电感，使得注入信号的响应存在着暂态过程，但是依然能表达出式(9)所示的故障特征，其中虚线框内为故障附加分量，根据式(6)判据可知，注入信号后，约5ms满足阈值。本发明实施例证明了所述故障特征的理论分析正确性，和判据逻辑的正确性，且在不同噪声情况下均能满足判据准确动作。
需要说明的是，上述实施方式仅为本发明较佳的实施方案，不能将其理解为对本发明保护范围的限制，在未脱离本发明构思前提下，对本发明所做的任何微小变化与修饰均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于换流器主动注入的持续燃弧故障识别及处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、基于模糊逻辑隶属函数建立燃弧故障识别判据，判断是否发生了燃弧故障；
步骤2、利用燃弧故障特征设定燃弧故障主动扰动注入控制的启动判据，判断是否启动燃弧故障主动扰动注入；
步骤3、基于全半桥混联拓扑的MMC扰动信号注入，利用转移直流电阻突变特征作为是否发生持续燃弧故障的判据，所述转移直流电阻r为直流线路同一侧直流电压瞬时值与直流电流瞬时值的比值；
步骤4、当判定发生了持续燃弧故障时，基于全半桥混联拓扑的MMC扰动信号注入，进行降压控制以熄灭电弧。
2.根据权利要求1所述的一种基于换流器主动注入的持续燃弧故障识别及处理方法，其特征在于，步骤1进一步包括：
利用经验模态分解法EMD，将直流系统电流信号y(t)分解成IMF分量，如式(1)所示：
Figure FDA0002968855790000011
其中，ci(t)为各模态分量,r(t)为残余分量；再将一个时间窗长内的所有电流采样值表示隶属于燃弧故障模糊集
Figure FDA0002968855790000012
的程度，
Figure FDA0002968855790000013
的隶属度函数映射为：
Figure FDA0002968855790000021
将每一个IMF时窗内所有数据点的方差是否大于或等于所设阈值构成一个向量，其中的元素为：
Figure FDA0002968855790000022
其中，imfn表示第n个IMF的分量，n代表分解成的IMF的个数，σ2表示imfn分量的方差，σn 2指所设定的方差阈值，用该向量各元素的均值μ表示这一电流信号的隶属度，并作为燃弧故障识别判据，表示为如式(4)所示，
Figure FDA0002968855790000023
其中，n表示自适应的分解成IMF的个数，ai表示第i个元素的方差判据值，当满足式(4)时，则判定为识别到了燃弧故障。
3.根据权利要求2所述的一种基于换流器主动注入的持续燃弧故障识别及处理方法，其特征在于，步骤2进一步包括：
通过检测燃弧故障的电弧在弧道上激励得到的故障电流，由于故障电压中将包含各个特征频率分量的p次幂以及各个特征频率的乘积频率，将系统中固有的频率保留，同时在频谱中丰富了所有其他频率；该电弧在弧道电阻上激励的电流将含有相同的频率特征，从而在极坐标下，故障电流也将存在该频率特征；
将式(5)作为主动扰动信号的注入的启动判据：
Figure FDA0002968855790000031
其中，U1指故障电压，ri为燃弧故障发生时，第i个带有特征频率的电流分量的向量模值，ωi代表其对应的角频率值，q代表第q个特征频率，k代表常整数，k＝1，2，3，……，T代表该特征频率分量对应的周期，即当满足式(5)时，则判定为启动主动扰动信号的注入。
4.根据权利要求3所述的一种基于换流器主动注入的持续燃弧故障识别及处理方法，其特征在于，步骤3进一步包括：
利用持续燃弧故障时，注入扰动信号使系统转移直流电阻r增大的响应辨识持续燃弧故障，其判据表示为式(6)：
r≥1.5rave (6)
其中，Udc和Idc分别为直流线路同一侧的电压和电流，rave为测量电阻rt在时间窗长内的平均值，测量电阻rt表示为时间窗长内的平均值rave加上波动量rwav，即当满足式(6)时，则判定为发生持续燃弧故障。
5.根据权利要求4所述的一种基于换流器主动注入的持续燃弧故障识别及处理方法，其特征在于，步骤4进一步包括：
在判定发生持续燃弧故障后，通过启动故障控制降低直流系统电压，进而施加反向电压，通过降低维持直流电弧燃烧的电场强度熄灭直流电弧。
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