CN112164209A - 一种换流站换流阀元件温度预测方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种换流站换流阀元件温度预测方法及系统，涉及直流输电工程领域，所述方法包括别建立阀冷系统热交换量模型、换流阀在空气中散热量模型和换流阀总损耗模型；当换流阀稳定运行时，根据所述阀冷系统热交换量模型、所述换流阀在空气中散热量模型和所述换流阀总损耗模型建立平衡状态模型；根据所述平衡状态模型建立换流阀温度预测模型并根据所述换流阀温度预测模型对换流阀温度进行预警。所述系统包括采集单元、第一计算单元、第二计算单元和预警单元。本发明适用于国内外高压直流输电系统的换流阀温度预测，解决了目前国内阀厅红外测温系统过热预警逻辑过于简单、无法在直流系统低负荷时检测换流阀元件过热异常的问题。

Description

一种换流站换流阀元件温度预测方法及系统
技术领域
本发明涉及直流输电工程领域，具体涉及一种换流站换流阀元件温度预测方法及系统。
背景技术
换流阀是高压直流输电工程中的核心设备，其运行状态直接关系到整个高压直流输电系统运行的可靠性，进而影响到电网的安全稳定运行。正常运行时，换流阀各部件(晶闸管、阻尼电路和电抗器等)会产生损耗，产生的大量热量需要通过自然对流与冷却水循环方式进行排放，因此配置了阀厅空调和换流阀冷却系统。由于内部故障、接触电阻增大等原因，换流阀元件产生损耗增大，远远大于冷却系统的散热能力，造成换流阀元件出现过热异常，影响换流阀元件的正常功能，严重时甚至导致阀厅火情的发生。
为了检测换流阀元件过热异常，目前部分换流站配置了阀厅红外测温系统。当换流阀元件温度超过系统设置的定值后，发出告警提醒运行维护人员进行检查及处理。但是，实际运行经验发现，换流阀元件运行温度与直流负荷、阀厅环境温度等运行参数息息相关，而阀厅红外测温系统的高温预警定值是一个固定的值，无法根据运行参数进行动态调整。目前高温预警定值设置为80～100℃，无法有效检测直流系统低负荷运行时的过热异常。
因此，有必要提出一种能够根据运行参数动态更新预警定值的换流站换流阀元件温度预测方法。
发明内容
针对现有技术中的不足，本发明提供一种换流站换流阀元件温度预测方法及系统，通过换流阀内可以检测的运行参数，对换流站换流阀的温度进行动态检测。
为实现上述目的，本发明采取以下方案：
一种换流站换流阀元件温度预测方法，其包括：
分别建立阀冷系统热交换量模型、换流阀在空气中散热量模型和换流阀总损耗模型；
当换流阀稳定运行时，根据所述阀冷系统热交换量模型、所述换流阀在空气中散热量模型和所述换流阀总损耗模型建立平衡状态模型；
根据所述平衡状态模型建立换流阀温度预测模型并根据所述换流阀温度预测模型对换流阀温度进行预警。
如上所述的换流站换流阀元件温度预测方法，进一步地，所述阀冷系统热交换量模型具体为：
Q1＝cρq(Tout-Tin)*10-3
式中，c为冷却水比热容，kJ/(kg*℃)；ρ为冷却水密度，kg/m3；q为冷却水流量，L/s；Tin、Tout分别为冷却水进、出阀温度，℃。
如上所述的换流站换流阀元件温度预测方法，进一步地，所述换流阀在空气中散热量模型具体为：
Q2＝η(TF-T)
式中，η为换流阀散热系数，kJ/(℃*s)；TF为换流阀温度，℃；T为阀厅环境温度，℃。
如上所述的换流站换流阀元件温度预测方法，进一步地，所述换流阀总损耗模型具体为：
Q＝aI+b
式中，a和b为线性拟合参数；
所述平衡状态模型具体为：
当换流阀稳定运行时，换流阀总损耗Q近似等于阀冷系统热交换量Q1和换流阀在空气中散热量之和Q2，处于平衡状态，即
Q＝Q1+Q2
如上所述的换流站换流阀元件温度预测方法，进一步地，所述换流阀温度预测模型具体为：
令换流阀温度上限预警值TTOP＝TF′+K，换流阀温度下限预警值TBUTTON＝TF′-K，其中，TF′＝T+ΔTF，K为温度常数，℃，
ΔTF具体为：
令ΔTF＝TF-T，ΔT＝Tout-Tin，
Figure BDA0002642728690000021
令
Figure BDA0002642728690000022
则ΔTF＝AI+BΔT+C
当换流阀温度TF大于换流阀温度上限预警值TTOP，发出“换流阀温度越上限告警”；当换流阀温度TF小于换流阀温度下限预警值TBUTTON时，发出“换流阀温度越下限告警”。
一种换流站换流阀元件温度预测系统，其包括：
采集单元，其用于采集换流站换流阀内的运行参数，所述运行参数至少包括换流阀温度Tf、阀厅环境温度T、冷却水进水温度Tin、冷却水出水温度Tout、直流负荷I；
第一计算单元，其用于分别建立阀冷系统热交换量模型、换流阀在空气中散热量模型和换流阀总损耗模型；
第二计算单元，其用于在当换流阀稳定运行时，根据所述阀冷系统热交换量模型、所述换流阀在空气中散热量模型和所述换流阀总损耗模型建立平衡状态模型；
预警单元，其用于根据所述平衡状态模型建立换流阀温度预测模型并根据所述换流阀温度预测模型对换流阀温度进行预警。
如上所述的换流站换流阀元件温度预测系统，进一步地，在所述第一计算单元中，所述阀冷系统热交换量模型具体为：
Q1＝cρq(Tout-Tin)*10-3
式中，c为冷却水比热容，kJ/(kg*℃)；ρ为冷却水密度，kg/m3；q为冷却水流量，L/s；Tin、Tout分别为冷却水进、出阀温度，℃。
如上所述的换流站换流阀元件温度预测系统，进一步地，在所述第一计算单元中，所述换流阀在空气中散热量模型具体为：
Q2＝η(TF-T)
式中，η为换流阀散热系数，kJ/(℃*s)；TF为换流阀温度，℃；T为阀厅环境温度，℃。
如上所述的换流站换流阀元件温度预测系统，进一步地，在所述第一计算单元中，所述换流阀总损耗模型具体为：
Q＝aI+b
式中，a和b为线性拟合参数；
在所述第二计算单元中，所述平衡状态模型具体为：
当换流阀稳定运行时，换流阀总损耗Q近似等于阀冷系统热交换量Q1和换流阀在空气中散热量之和Q2，处于平衡状态，即
Q＝Q1+Q2
如上所述的换流站换流阀元件温度预测系统，进一步地，所述预警单元中，所述换流阀温度预测模型具体为：
令换流阀温度上限预警值TTOP＝TF′+K，换流阀温度下限预警值TBUTTON＝TF′-K，其中，TF′＝T+ΔTF，K为温度常数，℃，
ΔTF具体为：
令ΔTF＝TF-T，ΔT＝Tout-Tin，
Figure BDA0002642728690000041
令
Figure BDA0002642728690000042
则ΔTF＝AI+BΔT+C
当换流阀温度TF大于换流阀温度上限预警值TTOP，发出“换流阀温度越上限告警”；当换流阀温度TF小于换流阀温度下限预警值TBUTTON时，发出“换流阀温度越下限告警”。
本发明与现有技术相比，其有益效果在于：本发明适用于国内外高压直流输电系统的换流阀温度预测，解决了目前国内阀厅红外测温系统过热预警逻辑过于简单、无法在直流系统低负荷时检测换流阀元件过热异常的问题，填补了国内阀厅红外测温系统无法根据运行参数动态更新预警定值技术方面的空白。本发明可有效检测换流阀换流阀元件过热异常，提醒换流站运行维护人员根据告警开展现场检查与处理工作，保障直流输电大通道的安全稳定运行，具有很高的经济效益与推广应用价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图进行简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的温度预测方法的流程图；
图2为本发明实施例换流阀单阀总损耗与标幺直流负荷的关系图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。
实施例：
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本发明通过建立换流阀传热模型及能量守恒定理，推导出换流阀温度预测值计算公式，以换流阀温度Tf、阀厅环境温度T、冷却水进水温度Tin、冷却水出水温度Tout、直流负荷I为样本数据，利用多元线性回归方法计算公式的参数，从而实现通过阀厅环境温度T、冷却水进水温度Tin、冷却水出水温度Tout、直流负荷I测量值计算换流阀温度预测值TF’，并以预测值为中心设置±K值的上下限预警。
参见图1，图1为本发明实施例的温度预测方法的流程图；该方法可以包括以下步骤：
分别建立阀冷系统热交换量模型、换流阀在空气中散热量模型和换流阀总损耗模型；
当换流阀稳定运行时，根据所述阀冷系统热交换量模型、所述换流阀在空气中散热量模型和所述换流阀总损耗模型建立平衡状态模型；
根据所述平衡状态模型建立换流阀温度预测模型并根据所述换流阀温度预测模型对换流阀温度进行预警。
具体地，当换流阀稳定运行时，换流阀损耗Q近似等于阀冷系统热交换量Q1和换流阀在空气中散热量之和Q2，处于平衡状态，即
Q＝Q1+Q2 (1)
参见图2，图2为本发明实施例换流阀单阀总损耗与标幺直流负荷的关系图，换流阀总损耗Q与直流负荷I有关，在额定直流负荷以下，两者基本呈线性关系，即：
Q＝aI+b (2)
表1换流阀单阀总损耗
Figure BDA0002642728690000051
为了方便计算换流阀在空气中散热量，将换流阀传热模型简化，一个换流阀模件看成一个整体，不区分各个部件。
换流阀散热量可通过以下公式计算：
Q2＝η(TF-T) (3)
式中，η为换流阀散热系数，kJ/(℃*s)；TF为换流阀温度，℃；T为阀厅环境温度，℃。
阀冷系统冷却介质为水，主要流经晶闸管、阻尼电路和阀电抗器等部件。单位时间阀冷系统交换热量计算公式如下：
Q1＝cρq(Tout-Tin)*10-3 (4)
式中，c为冷却水比热容，kJ/(kg*℃)；ρ为冷却水密度，kg/m3；q为冷却水流量，L/s；Tin、Tout分别为冷却水进、出阀温度，℃。
令ΔTF＝TF-T，ΔT＝Tout-Tin，由式(1)～(4)可得：
Figure BDA0002642728690000061
令
Figure BDA0002642728690000062
可以将式(5)化简为：
ΔTF＝AI+BΔT+C (6)
已知Tf、T、Tin、Tout、I，利用线性多元回归方法，可以求解出式(6)常数A、B、C。以某±800kV换流站的某换流阀模件为例，A＝0.00247686，B＝0.67112328，C＝8.6587881584904。求解得到△Tf后，再由TF′＝T+ΔTF，得到换流阀温度预测值TF′。
进一步地，令换流阀温度上限预警值TTOP＝TF′+K，换流阀温度下限预警值TBUTTON＝TF′-K。当换流阀温度TF大于换流阀温度上限预警值TTOP，发出“换流阀温度越上限告警”；当换流阀温度TF小于换流阀温度下限预警值TBUTTON时，发出“换流阀温度越下限告警”。以某±800kV换流站的某换流阀模件为例，K取6℃。
一种换流站换流阀元件温度预测系统，其包括：采集单元、第一计算单元、第二计算单元和预警单元，采集单元用于采集换流站换流阀内的运行参数，所述运行参数至少包括换流阀温度Tf、阀厅环境温度T、冷却水进水温度Tin、冷却水出水温度Tout、直流负荷I；第一计算单元用于分别建立阀冷系统热交换量模型、换流阀在空气中散热量模型和换流阀总损耗模型；第二计算单元用于在当换流阀稳定运行时，根据所述阀冷系统热交换量模型、所述换流阀在空气中散热量模型和所述换流阀总损耗模型建立平衡状态模型；预警单元用于根据所述平衡状态模型建立换流阀温度预测模型并根据所述换流阀温度预测模型对换流阀温度进行预警。
进一步地，在所述第一计算单元中，所述阀冷系统热交换量模型具体为：
Q1＝cρq(Tout-Tin)*10-3
式中，c为冷却水比热容，kJ/(kg*℃)；ρ为冷却水密度，kg/m3；q为冷却水流量，L/s；Tin、Tout分别为冷却水进、出阀温度，℃。
进一步地，在所述第一计算单元中，所述换流阀在空气中散热量模型具体为：
Q2＝η(TF-T)
式中，η为换流阀散热系数，kJ/(℃*s)；TF为换流阀温度，℃；T为阀厅环境温度，℃。
进一步地，在所述第一计算单元中，所述换流阀总损耗模型具体为：
Q＝aI+b
式中，a和b为线性拟合参数；
在所述第二计算单元中，所述平衡状态模型具体为：
当换流阀稳定运行时，换流阀总损耗Q近似等于阀冷系统热交换量Q1和换流阀在空气中散热量之和Q2，处于平衡状态，即
Q＝Q1+Q2
进一步地，所述预警单元中，所述换流阀温度预测模型具体为：
令换流阀温度上限预警值TTOP＝TF′+K，换流阀温度下限预警值TBUTTON＝TF′-K，其中，TF′＝T+ΔTF，K为温度常数，℃，
ΔTF具体为：
令ΔTF＝TF-T，ΔT＝Tout-Tin，
Figure BDA0002642728690000071
令
Figure BDA0002642728690000072
则ΔTF＝AI+BΔT+C
当换流阀温度TF大于换流阀温度上限预警值TTOP，发出“换流阀温度越上限告警”；当换流阀温度TF小于换流阀温度下限预警值TBUTTON时，发出“换流阀温度越下限告警”。
本发明适用于国内外高压直流输电系统的换流阀温度预测，解决了目前国内阀厅红外测温系统过热预警逻辑过于简单、无法在直流系统低负荷时检测换流阀元件过热异常的问题，填补了国内阀厅红外测温系统无法根据运行参数动态更新预警定值技术方面的空白。本发明可有效检测换流阀换流阀元件过热异常，提醒换流站运行维护人员根据告警开展现场检查与处理工作，保障直流输电大通道的安全稳定运行，具有很高的经济效益与推广应用价值。
上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种换流站换流阀元件温度预测方法，其特征在于，包括：
分别建立阀冷系统热交换量模型、换流阀在空气中散热量模型和换流阀总损耗模型；
当换流阀稳定运行时，根据所述阀冷系统热交换量模型、所述换流阀在空气中散热量模型和所述换流阀总损耗模型建立平衡状态模型；
根据所述平衡状态模型建立换流阀温度预测模型并根据所述换流阀温度预测模型对换流阀温度进行预警。
2.根据权利要求1所述的换流站换流阀元件温度预测方法，其特征在于，所述阀冷系统热交换量模型具体为：
Q1＝cρq(Tout-Tin)*10-3
式中，c为冷却水比热容，kJ/(kg*℃)；ρ为冷却水密度，kg/m3；q为冷却水流量，L/s；Tin、Tout分别为冷却水进、出阀温度，℃。
3.根据权利要求2所述的换流站换流阀元件温度预测方法，其特征在于，所述换流阀在空气中散热量模型具体为：
Q2＝η(TF-T)
式中，η为换流阀散热系数，kJ/(℃*s)；TF为换流阀温度，℃；T为阀厅环境温度，℃。
4.根据权利要求3所述的换流站换流阀元件温度预测方法，其特征在于，所述换流阀总损耗模型具体为：
Q＝aI+b
式中，a和b为线性拟合参数；
所述平衡状态模型具体为：
当换流阀稳定运行时，换流阀总损耗Q近似等于阀冷系统热交换量Q1和换流阀在空气中散热量之和Q2，处于平衡状态，即
Q＝Q1+Q2。
5.根据权利要求5所述的换流站换流阀元件温度预测方法，其特征在于，所述换流阀温度预测模型具体为：
令换流阀温度上限预警值TTOP＝TF′+K，换流阀温度下限预警值TBUTTON＝TF′-K，其中，TF′＝T+ΔTF，K为温度常数，℃，
ΔTF具体为：
令ΔTF＝TF-T，ΔT＝Tout-Tin，
Figure FDA0002642728680000021
令
Figure FDA0002642728680000022
则ΔTF＝AI+BΔT+C
当换流阀温度TF大于换流阀温度上限预警值TTOP，发出“换流阀温度越上限告警”；当换流阀温度TF小于换流阀温度下限预警值TBUTTON时，发出“换流阀温度越下限告警”。
6.一种换流站换流阀元件温度预测系统，其特征在于，包括：
采集单元，其用于采集换流站换流阀内的运行参数，所述运行参数至少包括换流阀温度Tf、阀厅环境温度T、冷却水进水温度Tin、冷却水出水温度Tout、直流负荷I；
第一计算单元，其用于分别建立阀冷系统热交换量模型、换流阀在空气中散热量模型和换流阀总损耗模型；
第二计算单元，其用于在当换流阀稳定运行时，根据所述阀冷系统热交换量模型、所述换流阀在空气中散热量模型和所述换流阀总损耗模型建立平衡状态模型；
预警单元，其用于根据所述平衡状态模型建立换流阀温度预测模型并根据所述换流阀温度预测模型对换流阀温度进行预警。
7.根据权利要求6所述的换流站换流阀元件温度预测系统，其特征在于，在所述第一计算单元中，所述阀冷系统热交换量模型具体为：
Q1＝cρq(Tout-Tin)*10-3
式中，c为冷却水比热容，kJ/(kg*℃)；ρ为冷却水密度，kg/m3；q为冷却水流量，L/s；Tin、Tout分别为冷却水进、出阀温度，℃。
8.根据权利要求7所述的换流站换流阀元件温度预测系统，其特征在于，在所述第一计算单元中，所述换流阀在空气中散热量模型具体为：
Q2＝η(TF-T)
式中，η为换流阀散热系数，kJ/(℃*s)；TF为换流阀温度，℃；T为阀厅环境温度，℃。
9.根据权利要求8所述的换流站换流阀元件温度预测系统，其特征在于，在所述第一计算单元中，所述换流阀总损耗模型具体为：
Q＝aI+b
式中，a和b为线性拟合参数；
在所述第二计算单元中，所述平衡状态模型具体为：
当换流阀稳定运行时，换流阀总损耗Q近似等于阀冷系统热交换量Q1和换流阀在空气中散热量之和Q2，处于平衡状态，即
Q＝Q1+Q2。
10.根据权利要求9所述的换流站换流阀元件温度预测系统，其特征在于，所述预警单元中，所述换流阀温度预测模型具体为：
令换流阀温度上限预警值TTOP＝TF′+K，换流阀温度下限预警值TBUTTON＝TF′-K，其中，TF′＝T+ΔTF，K为温度常数，℃，
ΔTF具体为：
令ΔTF＝TF-T，ΔT＝Tout-Tin，
Figure FDA0002642728680000031
令
Figure FDA0002642728680000032
则ΔTF＝AI+BΔT+C
当换流阀温度TF大于换流阀温度上限预警值TTOP，发出“换流阀温度越上限告警”；当换流阀温度TF小于换流阀温度下限预警值TBUTTON时，发出“换流阀温度越下限告警”。
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Application publication date: 20210101

Assignee: Guangzhou Daokedao Automation Equipment Co.,Ltd.

Assignor: GUANGZHOU BUREAU OF EXTRA HIGH VOLTAGE TRANSMISSION COMPANY OF CHINA SOUTHERN POWER GRID Co.,Ltd.

Contract record no.: X2023990000432

Denomination of invention: A temperature prediction method and system for converter valve components in converter stations

Granted publication date: 20211008

License type: Common License

Record date: 20230424