CN111474427B - 一种基于直流电流的连续换相失败风险预警方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于直流电流的连续换相失败风险预警方法和装置，其方法为实时采集直流系统各电气量，在前一次换相失败恢复过程中根据电气量的变化规律，当满足熄弧角判据时启动预警系统；根据恢复过程中直流电流和交流电压的变化，预估其变化范围，并结合直流准稳态方程，预测后续时刻逆变侧熄弧角的大小，计算临界换相失败时对应下电流变化量，确定发生后续换相失败的风险区间；对风险区间进行等级划分，根据实时电流大小在线预警后续换相失败的风险。本发明实现了直流连续换相失败的实时预警，为交直流混联电网安全稳定运行提供了新的技术思路。

Description

一种基于直流电流的连续换相失败风险预警方法和装置

技术领域

本发明涉及一种基于直流电流的连续换相失败风险预警方法和装置，属于电力自动化技术领域。

背景技术

直流连续换相失败将会对大电网造成大额的功率冲击，对电网安全稳定运行产生严重的威胁。通过优化直流控保、在直流受端换流站配置动态无功补偿等措施可有效降低直流连续换相失败发生的概率，但并不能完全避免此类风险，运行人员仍然需要对连续换相失败进行设防和控制。若要控制措施发挥最大的效果，设定有效可行的控制判据是基本前提。针对连续换相失败的控制，若待检测到连续换相失败信号再实施控制，此时连续换相失败已经发生，采取控制措施于事无补，针对连续换相失败研究其预警方法迫在眉睫。

发明内容

本发明的目的在于针对直流连续换相失败，提拱一种基于直流电流的连续换相失败风险预警方法和装置，解决了连续换相失败无法预警的问题。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种基于直流电流的连续换相失败风险预警方法，包括：

根据采集到的直流系统运行过程的直流逆变侧熄弧角数据判断直流逆变侧熄弧角是否满足直流连续换相失败风险预警启动判据；

根据满足判据时刻t₁的逆变侧换相电压、直流电流的变化率估算直流系统后续任一时刻t₂对应的逆变侧换相电压的最大、最小值；

根据t₂时刻逆变侧换相电压的最大、最小值以及发生后续换相失败时的临界熄弧角，估算发生后续换相失败对应的时刻t₁的直流电流边界值；

基于发生后续换相失败对应的时刻t₁的直流电流边界值和t₁时刻实时监测的直流电流大小在线预警后续换相失败风险。

进一步的，所述直流连续换相失败风险预警启动判据，为：

直流逆变侧熄弧角γ同时满足：

γ＜γ_ref+Δγ_th (1)

式中，Δr_th为直流逆变侧熄弧角的控制裕度，r_ref为直流系统定熄弧角控制参考值，t为时刻。

进一步的，直流系统后续任一时刻t₂对应的逆变侧换相电压可能的最大值U_ac2max、最小值U_ac2min：为：

U_ac2min＝U_ac1-|K_U|*T_max (6)

U_ac2max＝U_ac1+|K_U|*T_max (7)

其中，t₁时刻逆变侧换相电压变化率K_u为：

t₁时刻直流电流变化率K_I为：

直流上升最大预估时间T_max为：

I_d0为直流系统正常运行时的直流电流，I_d1为t₁时刻的直流电流，U_ac1为t₁时刻逆变侧换相电压。

进一步的，估算发生后续换相失败对应的时刻t₁的直流电流边界值，估算方法为：

I_dA＝I_d0-ΔI_dA (13)

I_dB＝I_d0-ΔI_dB (14)

式中，γ_lim为直流换相失败临界熄弧角，ΔI_dA和ΔI_dB分别为U_ac2min和U_ac2max对应的临界换相失败直流上升最大幅度；I_dB和I_dA分别为预估的t₁时刻发生连续换相失败时的直流电流边界值的上限和下限值。

进一步的，在线预警后续换相失败风险方法为：

将t₁时刻的电流I_d1与I_dA和I_dB的大小进行比较：

(1)若I_d1>I_dA，无需预警；

(2)若I_dB<I_d1≤I_dA，发出直流连续换相失败中度风险预警；

(3)若I_d1≤I_dB，发出直流连续换相失败高风险预警。

一种基于直流电流的连续换相失败风险预警装置，包括：

判断是否启动判据模块，用于根据采集到的直流系统运行过程的直流逆变侧熄弧角数据判断直流逆变侧熄弧角是否满足直流连续换相失败风险预警启动判据，若不满足判据，继续采集直流逆变侧熄弧角数据判断；

估算模块，用于根据满足判据时刻t₁的逆变侧换相电压、直流电流的变化率估算直流系统后续任一时刻t₂对应的逆变侧换相电压的最大、最小值；根据t₂时刻逆变侧换相电压的最大、最小值，估算发生后续换相失败对应时刻t₁的直流电流边界值；

在线预警模块，用于基于发生后续换相失败对应时刻t₁的直流电流边界值和t₁时刻的实时直流电流的大小，在线预警后续换相失败风险。

进一步的，所述直流连续换相失败风险预警启动判据，为：

直流逆变侧熄弧角γ同时满足：

γ＜γ_ref+Δγ_th (1)

式中，Δr_th为直流逆变侧熄弧角的控制裕度，r_ref为直流系统定熄弧角控制参考值，t为时刻。

进一步的，直流系统后续任一时刻t₂对应的逆变侧换相电压可能的最大值U_ac2max、最小值U_ac2min：为：

U_ac2min＝U_ac1-|K_U|*T_max (6)

U_ac2max＝U_ac1+|K_U|*T_max (7)

其中，t₁时刻逆变侧换相电压变化率K_u为：

t₁时刻直流电流变化率K_I为：

直流上升最大预估时间T_max为：

I_d0为直流系统正常运行时的直流电流，I_d1为t₁时刻的直流电流，U_ac1为t₁时刻逆变侧换相电压。

进一步的，估算模块通过以下公式预估发生后续换相失败对应的时刻t₁的直流电流边界值：

I_dA＝I_d0-ΔI_dA (13)

I_dB＝I_d0-ΔI_dB (14)

式中，γ_lim为直流换相失败临界熄弧角，ΔI_dA和ΔI_dB分别为U_ac2min和U_ac2max对应的临界换相失败直流上升最大幅度；I_dB和I_dA分别为预估的t₁时刻发生连续换相失败时的直流电流边界值的上限和下限值。

进一步的，在线预警模块将t₁时刻的电流I_d1与I_dA和I_dB的大小进行比较：

(1)若I_d1>I_dA，无需预警；

(2)若I_dB<I_d1≤I_dA，发出直流连续换相失败中度风险预警；

(3)若I_d1≤I_dB，发出直流连续换相失败高风险预警。

本发明所达到的有益效果是：

本发明能够根据直流电流对后续换相失败进行预判，并给出实时的连续换相失败风险等级预警，帮助运行人员更加准确的掌握直流运行情况。

附图说明

图1是本发明具体实施方式中的一种预警方法流程图；

图2为本发明具体实施方式中的接地阻抗10Ω时的仿真结果；

图3为本发明具体实施方式中的接地阻抗150Ω时的仿真结果；

图4为本发明具体实施方式中的接地阻抗180Ω时的仿真结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例1：

如图1所示，一种基于直流电流的连续换相失败风险预警方法，包括步骤：

步骤1，根据采集到的直流系统运行过程的直流逆变侧熄弧角数据判断是否满足直流连续换相失败风险预警启动判据，若满足启动判据，进入步骤2，否则继续采集直流逆变侧熄弧角数据重复步骤1；

所述直流连续换相失败风险预警启动判据，具体为：

直流逆变侧熄弧角γ同时满足公式(1)和(2)，满足条件的时刻记为t₁时刻，该时刻的熄弧角值记为γ₁；

γ＜γ_ref+Δγ_th (1)

式中，Δr_th为直流逆变侧熄弧角的控制裕度，可以根据实际需求选取，建议取值1-2°左右；r_ref为直流系统定熄弧角控制参考值。

步骤2，根据t₁时刻逆变侧换相电压、直流电流的变化率估算直流系统后续任一时刻t₂对应的逆变侧换相电压的最大、最小值。

t₁时刻逆变侧换相电压变化率K_u计算方法为：

t₁时刻直流电流变化率K_I计算方法为：

根据式(4)估算直流上升最大预估时间T_max为：

根据式(3)～(5)，预估t₂时刻对应的逆变侧换相电压可能的最大值U_ac2max、最小值U_ac2min：

U_ac2min＝U_ac1-|K_U|*T_max (6)

U_ac2max＝U_ac1+|K_U|*T_max (7)

式中，I_d0为正常运行(即没有发生任何故障时，稳态运行时的初始值)时的直流电流，I_d1为t₁时刻的直流电流，U_ac1为t₁时刻逆变侧换相电压。

步骤3，根据t₂时刻逆变侧换相电压的最大、最小值，计算发生连续换相失败时对应的t1时刻的直流电流边界值；具体计算方法为：

1)根据直流准稳态方程，对于后续t₂时刻(t₂>t₁)，直流逆变侧熄弧角满足公式(8)：

其中，γ₁和γ₂分别为t₁、t₂时刻直流逆变侧熄弧角；I_d1和I_d2分别为t₁、t₂时刻直流电流；U_ac1和U_ac2分别为t₁、t₂时刻逆变侧换相电压；β₁和β₂分别为t₁、t₂时刻逆变侧触发超前角，X_ci为逆变侧换相电抗。

短时内不计逆变侧定熄弧角控制的调节作用，即β₁＝β₂，则有：

令ΔI_d＝I_d2-I_d1，则t₂时刻逆变侧熄弧角满足式(10)：

2)令γ₂＝γ_lim，将U_ac2＝U_ac2min、U_ac2＝U_ac2max分别代入式(10)，得到：

I_dA＝I_d0-ΔI_dA (13)

I_dB＝I_d0-ΔI_dB (14)

式中，γ_lim为直流换相失败临界熄弧角，ΔI_dA和ΔI_dB分别为U_ac2min和U_ac2max对应的临界换相失败直流上升最大幅度；为保证t₂时刻直流电流保持正常运行，其电流最大不会超过I_d0，考虑最理想情况，设t₂时刻直流电流为I_d0，通过公式(13)(14)倒推发生换相失败对应的t1时刻的直流电流边界值，I_dB和I_dA分别为预估的t₁时刻发生连续换相失败直流电流边界值的上限和下限值，I_dA<＝I_dB。

步骤4，基于发生连续换相失败时的直流电流边界值和t₁时刻的直流电流在线预警后续换相失败风险：

将t₁时刻的电流I_d1与I_dA和I_dB的大小进行比较：

(1)若I_d1>I_dA，即直流逆变侧熄弧角维持在临界熄弧角以上，不会发生后续换相失败，无需预警；

(2)若I_dB<I_d1≤I_dA，直流是否发生后续换相失败不确定，有可能发生也有可能不发生后续换相失败，发出直流连续换相失败中度风险预警；

(3)若I_d1≤I_dB，即直流逆变侧熄弧角跌落至临界熄弧角以下，必然发生后续换相失败，发出直流连续换相失败高风险预警；返回步骤1继续执行。

实施例2：

一种基于直流电流的连续换相失败风险预警装置，包括：

判断是否启动判据模块，用于根据采集到的直流系统运行过程的直流逆变侧熄弧角数据判断直流逆变侧熄弧角是否满足直流连续换相失败风险预警启动判据，若不满足判据，继续采集直流逆变侧熄弧角数据判断；

估算模块，用于根据满足判据时刻t₁的逆变侧换相电压、直流电流的变化率估算直流系统后续任一时刻t₂对应的逆变侧换相电压的最大、最小值；根据t₂时刻逆变侧换相电压的最大、最小值，预估发生后续换相失败对应的时刻t₁的直流电流边界值；

在线预警模块，用于基于发生连续换相失败对应的时刻t₁的直流电流边界值和t₁时刻的实时直流电流的大小，在线预警后续换相失败风险。

所述直流连续换相失败风险预警启动判据，为：

直流逆变侧熄弧角γ同时满足：

γ＜γ_ref+Δγ_th (1)

式中，Δr_th为直流逆变侧熄弧角的控制裕度，r_ref为直流系统定熄弧角控制参考值，t为时刻。

进一步的，直流系统后续任一时刻t₂对应的逆变侧换相电压可能的最大值U_ac2max、最小值U_ac2min：为：

U_ac2min＝U_ac1-|K_U|*T_max (6)

U_ac2max＝U_ac1+|K_U|*T_max (7)

其中，t₁时刻逆变侧换相电压变化率K_u为：

t₁时刻直流电流变化率K_I为：

直流上升最大预估时间T_max为：

I_d0为直流系统正常运行时的直流电流，I_d1为t₁时刻的直流电流，U_ac1为t₁时刻逆变侧换相电压。

估算模块通过以下公式预估发生后续换相失败对应的时刻t1的直流电流边界值：

I_dA＝I_d0-ΔI_dA (13)

I_dB＝I_d0-ΔI_dB (14)

式中，γ_lim为直流换相失败临界熄弧角，ΔI_dA和ΔI_dB分别为U_ac2min和U_ac2max对应的临界换相失败直流上升最大幅度；I_dB和I_dA分别为预估的t₁时刻发生连续换相失败时的直流电流边界值的上限和下限值。

在线预警模块将t₁时刻的电流I_d1与I_dA和I_dB的大小进行比较：

(1)若I_d1>I_dA，无需预警；

(2)若I_dB<I_d1≤I_dA，发出直流连续换相失败中度风险预警；

(3)若I_d1≤I_dB，发出直流连续换相失败高风险预警。

实施例3：

以PSCAD软件自带的CIGRE直流系统为例，在PSCAD软件中进行仿真，模拟逆变侧换流站三相短路故障，5s时刻故障发生，持续0.1s。设置接地故障为10Ω、150Ω、180Ω三种不同仿真场景。

实施场景1：故障接地阻抗10Ω：

实时采集逆变侧熄弧角、直流电流、逆变侧换相电压；采集故障下交流换相电压(即图2中的换流母线电压)、直流电流、逆变侧熄弧角曲线，如图2所示；

T1时刻逆变侧熄弧角满足公式(1)和(2)，第一次满足判据，预警启动，各电气量结果如表1第一行数据所示；

表1 各故障下直流连续换相失败判断结果

根据公式(3)～公式(7)，预估t₂时刻对应的逆变侧换相电压可能的最大值U_ac2max、最小值U_ac2min；

T1时刻直流电流为1.02kA，根据公式(11)～(14)，计算得到I_dA＝2.20kA，I_dB＝1.63kA，根据后续换相失败的风险等级判断标准，满足后续换相失败高风险判据，发出直流连续换相失败高风险预警；并继续返回步骤1继续判断是否满足预警启动判据。

T2时刻逆变侧熄弧角满足公式(1)和(2)，第二次满足判据，预警启动，各电气量结果如表1第二行数据所示。根据本方法计算得到直流电流为1.60kA，计算得到I_dA＝1.96kA，I_dB＝1.43kA，满足中度风险判据，发出直流连续换相失败中度风险预警；并继续返回步骤1。

T3时刻第三次满足判据，预警启动，各电气量结果如表1第三行数据所示，直流电流为1.99kA，计算得到I_dA＝1.73kA，I_dB＝1.70kA，满足低风险判据，无需预警；后续至仿真结束，未再满足启动判据，预警系统不启动。并继续返回步骤1，后续至仿真结束，未再满足启动判据，预警未再启动。

实施场景2：故障接地阻抗150Ω。

实施步骤与场景1相同。

T1时刻满足判据，预警启动，此时直流电流为1.86kA，计算得到I_dA＝1.98kA，I_dB＝1.38kA，满足中度风险判据，发出直流连续换相失败中度风险预警。后续至仿真结束，未再满足启动判据，预警不启动。

各电气量结果如表1第四行所示，故障下交流换相电压、直流电流、逆变侧熄弧角曲线如图3所示。

实施场景3：故障接地阻抗180Ω。采集故障下交流换相电压(即图4中的换流母线电压)、直流电流、逆变侧熄弧角曲线，如图4所示；

T1时刻满足判据，预警启动，各电气量结果如表1第五行所示，此时直流电流为1.89kA，计算得到I_dA＝1.85kA，I_dB＝1.60kA，满足低风险判据，无需预警；后续至仿真结束，未再满足启动判据，预警不启动。

各电气量结果如表2第四行所示，故障下交流换相电压、直流电流、逆变侧熄弧角曲线如图4所示。

采用本发明的控制策略后，能够准确预警到直流连续换相失败的发生。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于直流电流的连续换相失败风险预警方法，其特征在于，包括：

根据采集到的直流系统运行过程的直流逆变侧熄弧角数据确定直流逆变侧熄弧角满足预先设置的直流连续换相失败风险预警启动判据时，根据满足判据时刻t₁的逆变侧换相电压、直流电流的变化率估算直流系统后续任一时刻t₂对应的逆变侧换相电压的最大、最小值；

根据t₂时刻逆变侧换相电压的最大、最小值以及发生后续换相失败时的临界熄弧角，估算发生后续换相失败对应的时刻t₁的直流电流边界值；

基于发生后续换相失败对应的时刻t₁的直流电流边界值和t₁时刻实时监测的直流电流大小在线预警后续换相失败风险；

所述直流连续换相失败风险预警启动判据，为：

直流逆变侧熄弧角γ同时满足：

γ＜γ_ref+Δγ_th (1)

式中，Δr_th为直流逆变侧熄弧角的控制裕度，r_ref为直流系统定熄弧角控制参考值，t为时刻。

2.根据权利要求1所述的一种基于直流电流的连续换相失败风险预警方法，其特征在于，直流系统后续任一时刻t₂对应的逆变侧换相电压的最大值U_ac2max、最小值U_ac2min：为：

U_ac2min＝U_ac1-|K_U|*T_max (6)

U_ac2max＝U_ac1+|K_U|*T_max (7)

其中，t₁时刻逆变侧换相电压变化率K_u为：

t₁时刻直流电流变化率K_I为：

直流上升最大预估时间T_max为：

I_d0为直流系统正常运行时的直流电流，I_d1为t₁时刻的直流电流，U_ac1为t₁时刻逆变侧换相电压。

3.根据权利要求2所述的一种基于直流电流的连续换相失败风险预警方法，其特征在于，估算发生后续换相失败对应的时刻t₁的直流电流边界值，估算方法为：

I_dA＝I_d0-ΔI_dA (13)

I_dB＝I_d0-ΔI_dB (14)

式中，γ_lim为直流换相失败临界熄弧角，ΔI_dA和ΔI_dB分别为U_ac2min和U_ac2max对应的临界换相失败直流上升最大幅度；I_dB和I_dA分别为预估的t₁时刻发生连续换相失败时的直流电流边界值的上限和下限值。

4.根据权利要求3所述的一种基于直流电流的连续换相失败风险预警方法，其特征在于，在线预警后续换相失败风险方法为：

将t₁时刻的电流I_d1与I_dA和I_dB的大小进行比较：

(1)若I_d1>I_dA，无需预警；

(2)若I_dB<I_d1≤I_dA，发出直流连续换相失败中度风险预警；

(3)若I_d1≤I_dB，发出直流连续换相失败高风险预警。

5.一种基于直流电流的连续换相失败风险预警装置，其特征在于，包括：

判断是否启动判据模块，用于根据采集到的直流系统运行过程的直流逆变侧熄弧角数据判断直流逆变侧熄弧角是否满足直流连续换相失败风险预警启动判据；

估算模块，用于根据满足判据时刻t₁的逆变侧换相电压、直流电流的变化率估算直流系统后续任一时刻t₂对应的逆变侧换相电压的最大、最小值；根据t₂时刻逆变侧换相电压的最大、最小值，估算发生后续换相失败对应时刻t₁的直流电流边界值；

在线预警模块，用于基于发生后续换相失败对应时刻t₁的直流电流边界值和t₁时刻的实时直流电流的大小，在线预警后续换相失败风险；

所述直流连续换相失败风险预警启动判据，为：

直流逆变侧熄弧角γ同时满足：

γ＜γ_ref+Δγ_th (1)

式中，Δr_th为直流逆变侧熄弧角的控制裕度，r_ref为直流系统定熄弧角控制参考值，t为时刻。

6.根据权利要求5所述的一种基于直流电流的连续换相失败风险预警装置，其特征在于，直流系统后续任一时刻t₂对应的逆变侧换相电压的最大值U_ac2max、最小值U_ac2min：为：

U_ac2min＝U_ac1-|K_U|*T_max (6)

U_ac2max＝U_ac1+|K_U|*T_max (7)

其中，t₁时刻逆变侧换相电压变化率K_u为：

t₁时刻直流电流变化率K_I为：

直流上升最大预估时间T_max为：

I_d0为直流系统正常运行时的直流电流，I_d1为t₁时刻的直流电流，U_ac1为t₁时刻逆变侧换相电压。

7.根据权利要求6所述的一种基于直流电流的连续换相失败风险预警装置，其特征在于，估算模块按照以下公式预估发生后续换相失败对应的时刻t1的直流电流边界值：

I_dA＝I_d0-ΔI_dA (13)

I_dB＝I_d0-ΔI_dB (14)

式中，γ_lim为直流换相失败临界熄弧角，ΔI_dA和ΔI_dB分别为U_ac2min和U_ac2max对应的临界换相失败直流上升最大幅度；I_dB和I_dA分别为预估的t₁时刻发生连续换相失败时的直流电流边界值的上限和下限值。

8.根据权利要求7所述的一种基于直流电流的连续换相失败风险预警装置，其特征在于，在线预警模块将t₁时刻的电流I_d1与I_dA和I_dB的大小进行比较：

(1)若I_d1>I_dA，无需预警；

(2)若I_dB<I_d1≤I_dA，发出直流连续换相失败中度风险预警；

(3)若I_d1≤I_dB，发出直流连续换相失败高风险预警。

Images