CN112485594B - 一种交流电网电压故障程度检测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本申请提出了一种交流电网电压故障程度检测方法及系统，涉及电网故障诊断技术领域，包括先通过计算交流电网电压零序分量判断三相交流电网电压是否平衡，然后利用虚拟αβ变换和LES滤波器计算电网电压基波电压幅值分量；最后计算每个采样周期内的电网电压基波幅值分量与基波电压幅值基准值的误差累积量，并与累加电压偏差分量阈值比较判断三相交流电网是否发生故障；并在三相交流电网故障后，利用相邻两个计算周期的累计电压偏差分量的差值表征交流故障程度。本申请还包括一种快速交流电网电压故障程度检测系统。本申请采用LES滤波器可实现在故障工况下的低延时滤波，同时通过多次采样误差累积的方法降低了故障判断阈值，提高了系统故障检测的灵敏度。

Description

一种交流电网电压故障程度检测方法及系统

技术领域

本申请涉及电网故障诊断技术领域，尤其涉及一种交流电网电压故障程度检测方法及系统。

背景技术

我国电力系统结构日趋复杂，特别是随着特高压直流输电技术在我国的大范围应用，全国电网的互通互联，某个交流电网的故障将会给大电网运行带来许多风险。以高压直流输电为例，当交流电网发生故障时，电力系统的正常运行将遭到破坏。若交流系统故障发生后，故障未及时清除可能导致后续换相失败，并伴随直流输送功率减小、换流阀寿命缩短、换流变压器直流偏磁及逆变侧弱交流系统电压失稳等不良后果。同时交流故障后换流站无功功率平衡可能被打破，出现无功过剩或无功不足的情况，不利于系统的恢复，继而导致高压直流输电系统发生后续换相失败。连续的换相失败则有可能闭锁直流，使其输送功率中断，从而导致潮流大规模转移到交流线路，严重危及交流系统的稳定运行。所以对于高压直流输电系统，特别是多馈入的高压直流输电系统，交流故障快速检测具有重要意义。一是有利于实现故障穿越，特别是减少直流系统换相失败；二是起故障支撑的作用，主动实现有功和无功控制。

同时在交流故障发生后，电力系统控保装置需根据交流电网的故障程度确定动作范围和控制方式。同时对于一些FACTS装置，如动态电压恢复器(Dynamic VoltageRestorer，DVR)和静止无功补偿器(Static Var Compensator，STATCOM)，可根据交流故障程度确定控制指令。

现有电压跌落故障检测方法具有以下缺陷：一般只能进行故障检测而无法快速判断电压跌落深度(故障程度)；大多采用基于dq变换的电压幅值检测，不区分正负序分量和谐波分量，使得故障中的各种谐波干扰降低故障检测的准确性和灵敏性，并且对检测的三相交流电压u_a、u_b、u_c直接进行dq变换后与设定阈值进行比较判定是否发生故障时，为避免系统故障检测装置误动，设定阈值选取较大，导致故障发生后均存在半个电网周期(10ms)以上的检测延时，故障检测灵敏性不高，还不能快速判断交流电网故障程度；现有系统滤波方案多会带来一定的故障延时，且存在系统延时与截止频率呈反比的关系，例如在低频谐波含量较高的电网系统中，系统滤波会带来较大的延时，不利于快速检测故障。

因此，研究一种快速交流故障程度检测方案对于维护电网的安全稳定运行具有重大意义。

发明内容

本申请提供了本申请提供了一种交流电网电压故障程度检测方法及系统，以解决现有电压跌落故障检测方法存在的以上问题。

本申请采用的技术方案如下：

一种交流电网电压故障程度检测方法，包括以下步骤：

采样三相交流电网电压u_a、u_b和u_c，计算交流电网电压零序分量u(0)，将所述交流电网电压零序分量u(0)与零序分量阈值u(0)T比较判断三相交流电网电压是否平衡；

若三相交流电网电压平衡，则计算电网电压基波幅值分量u_d；若三相交流电网电压不平衡，则先分别计算每相电网电压基波幅值分量u_{dx，x＝a、b、c}，再取三相中的最小电网电压基波幅值分量为电网电压基波幅值分量u_d；

计算计算周期内每个采样周期所得的所述电网电压基波幅值分量u_d与基波电压幅值基准值u_dref的误差；

对所述误差求和，得到累计电压偏差分量D_co(j)，将所述累计电压偏差分量D_co(j)与累积电压偏差分量阈值D_coT进行比较判断三相交流电网是否发生故障；

若所述三相交流电网发生故障，计算相邻两个所述计算周期的累计电压偏差分量的差值为故障程度判别量DL，所述故障程度判别量DL用于表征交流故障程度。

进一步地，所述判断三相交流电网电压是否平衡包括：

当|u(0)|<u(0)T时，则三相交流侧电网电压平衡；

当|u(0)|>u(0)T，则三相交流电网电压不平衡；

其中，u(0)＝u_a+u_b+u_c。

进一步地，当三相交流侧电网电压平衡时，计算电网电压基波幅值分量u_d的过程包括：

先将所述三相交流电网电压u_a、u_b和u_c输入LES滤波器中进行虚拟αβ变换，计算得到所述三相电网电压的虚拟αβ分量为u_αβ；

再根据所述LES滤波器选取的采样延时基准时间构造所述虚拟αβ分量的延时列向量采样序列U：U＝[u_αβ(t)，u_αβ(t-0.0025)，u_αβ(t-t_s)…u_αβ(t-t_s(m-1)),u_αβ(t-t_sm)]^T，其中t_s为采样延时基准时间，t为采样时间，m为范德蒙德矩阵维数；

将所述采样序列U与范德蒙德逆矩阵第一行向量相乘得到电网电压基波αβ幅值分量

其中(a₁，a₂...a_m+1)表示范德蒙德逆矩阵第一行向量；

最后通过所述电网电压基波αβ幅值分量

求得所述电网电压基波幅值分量u_d；

进一步地，当三相交流侧电网电压不平衡时，计算电网电压基波幅值分量u_d的过程包括：

先将所述三相交流电网电压u_a、u_b和u_c分别输入LES滤波器中进行虚拟αβ变换，计算得到每相电网电压的虚拟αβ分量为

和

经过所述LES滤波器滤除奇数低次谐波分量和电压负序分量，且所述虚拟αβ变换滤除零序分量后，得到每相电网电压正序分量，所述每相电网电压正序分量为实际电压基波αβ幅值分量的1/3，则各相电网电压基波正序αβ幅值分量为

其中，U_x为由所述LES滤波器选取的采样延时基准时间所构造的各相电网电压虚拟αβ分量延时列向量的采样序列；

取所述三相电网电压中的最小电网电压基波幅值分量作为电网电压基波正序幅值分量u_d：

u_d＝min(u_da，u_db，u_dc)，

其中，

u_dx表示x(x＝a，b，c)相电压基波正序幅值分量，

为各相电网电压基波正序αβ幅值分量。

进一步地，计算累计电压偏差分量D_co(j)包括：

进一步地，所述判断三相交流电网是否发生故障包括：

若D_co(j)<D_coT，则三相交流电网发生故障；

若D_co(j)>D_coT，则三相交流电网未发生故障。

进一步地，所述故障程度判别量DL：

DL＝D_co(j+1)-D_co(j)，其中D_co(j+1)表示下一个计算周期的累积电压偏差分量。

进一步地，包括处理器，所述处理器用于执行上述交流电网电压故障程度检测方法。

采用本申请的技术方案的有益效果如下：

本申请利用了不同故障程度下，电压跌落速度不同的特征，利用电压跌落速度特征量表征系统电压跌落程度，可实现故障下的快速电压跌落故障程度判别；

当三相交流侧电网电压不平衡时，分别采用低延时灵敏性较好的LES滤波器滤除奇数低次谐波分量和电压负序分量、虚拟αβ变换滤除零序分量，消除了故障谐波的干扰，提高了系统电压检测的准确性；

并且采用的LES滤波器降低了系统滤波延时，有利于快速检测故障；还通过多次采样误差累积的方法降低了故障判断阈值，提高了系统故障检测的灵敏度。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，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为本申请的基于LES滤波器的快速交流故障程度检测方法整体控制策略；

图2为为本申请的LES滤波器工作示意图；

图3为本申请提供的电网电压基波幅值分量u_d提取示意图；

图4为本申请提供的电网电压故障程度判别量DL的提取示意图；

图5为在PSCAD仿真系统中设置不同程度交流故障时采用本申请故障检测方法输出的检测结果；

图6为在PSCAD仿真系统中设置又一种不同程度交流故障时采用本申请故障检测方法输出的检测结果。

具体实施方式

下面将详细地对实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下实施例中描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。仅是与权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的系统和方法的示例。

参见图1，为本申请的基于LES滤波器(Least Error Squares,最小方差滤波器)的快速交流故障程度检测方法整体控制策略。

本申请提供的一种交流电网电压故障程度检测方法，用于CIGRE直流输电系统变压器二次侧交流电压故障检测，主要由LES滤波器设计、电网基波电压幅值提取和电网电压故障判别量DL提取三部分组成，具体步骤如下：

(1)LES滤波器的设计

首先确定HVDC(直流输电)系统所需滤除谐波次数，电网发生交流故障后，HVDC系统奇数低次谐波含量较高且含有电网电压负序分量。

设定滤除谐波次数为h₁，h₂，…h_m；滤波器可滤除Nk+h_i(k∈Z，i＝1，2…m)次谐波，其中m为LES滤波器范德蒙德矩阵维数；N为比例系数，是采样延时基准时间t_s与电网周期t₀的比值，计算公式为：N＝t₀/t_s。

根据电网运行工况选择相应的比例系数N与矩阵维数m。矩阵维数m设定为所需滤除谐波个数，使HVDC系统在故障时可以有效滤除相关谐波。同时选择相应的比例系数N与矩阵维数m，还应保证Nk+h_i＝-1有解，使LES滤波器可有效滤除故障状况下的电网电压负序分量。LES滤波器范德蒙德矩阵如下：

其中j表示第j个计算周期，w为电网频率角速度。

参见图2，为本申请的LES滤波器工作示意图。首先建立LES滤波器的滤波模型，由于HVDC系统交流电网故障时主要存在的为电网电压负序分量和奇数低次谐波。取LES滤波器范德蒙德矩阵m＝3，采样延时基准时间t_s＝0.02/8＝0.0025s，N＝8。h₁＝3，h₂＝5，h₃＝7；(主要滤除8k+h_i次)所得范德蒙德逆矩阵如下：

取LES滤波器范德蒙德逆矩阵的第一行行向量用于电网电压基波分量提取；

(a₁，a₂...a_m+1)＝(0.25 0.177+0.177i 0.25i -0.177+0.177i) (2)

(2)电网电压基波幅值分量u_d的提取

参见图3，为本申请提供的电网电压基波幅值分量u_d提取示意图，以CIGRE-HVDC标准模型的逆变侧交流额定电压为基准。交流侧基波电压幅值基准值u_N＝186kV，为保证检测的灵敏性，选取零序电压阈值u(0)_T，考虑系统的应用场景，u(0)_T＝u_N×1％≈2kV。

首先，判断三相交流电网电压是否平衡，包括：

采样a，b，c三相交流电网电压u_a、u_b、u_c并计算电网电压零序分量u(0)如下：

u(0)＝u_a+u_b+u_c (3)

当|u(0)|<u(0)T时，则三相交流侧电网电压平衡；当|u(0)|>u(0)T，则三相交流电网电压不平衡。u(0)T为零序分量阈值。

若三相交流电网电压平衡，则将三相电网电压u_a，u_b，u_c进行虚拟αβ变换，计算三相电网电压的虚拟αβ分量u_αβ，计算如下：

若三相交流电网电压不平衡时，仅将三相电压进行虚拟αβ变换并不能有效的反映各相电网电压幅值变化情况，因此需提取每相电压的特征量，对每相电压分别进行虚拟αβ变换，计算每相电网电压的虚拟αβ分量

和

计算公式如下(以a相电网电压u_a进行虚拟αβ变换为例，其他b、c相电网电压提取方法类似)：

然后，根据在三相交流电网电压平衡或不平衡的条件下分别计算虚拟αβ分量，再分别计算出电网电压基波幅值分量u_d，包括：

控制器根据LES滤波器选取的采样延时基准构造电网电压的虚拟αβ分量延时列向量。根据LES滤波器设计的要求，系统的采样延时基准时间t_s＝0.0025s。控制器配合数据存储器获得电网电压的虚拟αβ分量延时列向量的采样序列U如下：

U＝[u_αβ(t)，u_αβ(t-0.0025)，u_αβ(t-t_s)…u_αβ(t-t_s(m-1)),u_αβ(t-t_sm)]^T (6)

其中，T表示矩阵转置，t表示采样时间。

根据LES滤波器设计的要求，系统的采样延时基准时间t_s＝0.0025s，则U＝[u_αβ(t)，u_αβ(t-0.0025)，u_αβ(t-0.005)…u_αβ(t-0.0025m)]^T

若三相交流电网电压平衡时，则控制器直接将电网电压αβ采样序列U与范德蒙德逆矩阵第一行向量相乘得电网电压基波αβ分量幅值

计算公式如下：

通过电网电压基波αβ分量幅值求得电网电压基波幅值分量u_d；

若三相交流电网电压不平衡时，则控制器将每相采集的虚拟αβ分量

和

分别代入式(6)-(8)用于提取各相电网电压基波幅值分量u_d。因为采用的虚拟电压构造方法，令除该相电压外，其余两相电压为0。且设计的LES滤波器主要滤除奇数低次谐波分量，还能滤除负序电压分量，虚拟αβ变换滤除了零序分量，所以经LES滤波后所得为该相电压正序分量，即实际电压基波分量的1/3，则各相电网电压基波正序αβ幅值分量为

取三相电网电压的最小电网电压基波幅值分量作为电网电压基波正序幅值分量u_d，用于故障判断，计算如下：

u_d＝min(u_da，u_db，u_dc) (10)

其中，

u_dx表示x(x＝a，b，c)相电压基波幅值分量，

为各相电网电压基波正序αβ幅值分量。

(3)电网电压故障程度判别量DL的提取

参见图4，为本申请提供的电网电压故障程度判别量DL的提取示意图。

选取交流侧基波电压幅值基准值为额定电压幅值u_dref＝u_N＝186kV；考虑到控制器如DSP等的采样频率一般为10kHz。系统采样时间t₁＝0.1ms，由于HVDC系统电网故障后需要在几个ms内反馈故障信息便于系统控保动作，因此选取计算周期T_c＝1ms，每个计算周期的包含n个采样周期，需要进行L次采样，即L＝n＝10。

计算每个采样周期内的电网电压基波幅值分量与基波电压幅值基准值的误差，再对所述误差求和，得到累计电压偏差分量，累积电压偏差分量D_co(j)计算如下：

由于经过了LES滤波和平均误差累积，累积电压偏差分量阈值D_coT可选择较小，根据CIGRE-HVDC的逆变侧交流参数和响应灵敏度要求，选择D_coT＝-50kV。将每个计算周期内的累积电压偏差分量D_co(j)与累积电压偏差分量阈值D_coT进行比较：若D_co(j)<D_coT，则三相交流电网发生故障；若D_co(j)>D_coT，则三相交流电网未发生故障。

若交流电网发生故障，则控制器保存累积电压偏差分量D_co(j)，计算下一个计算周期的累积电压偏差分量D_co(j+1)与该计算周期的累积电压偏差分量D_co(j)的差值，得到故障程度判别量DL，计算公式如下：

DL＝D_co(j+1)-D_co(j) (12)

参见图5、图6分别为在PSCAD仿真系统中设置不同程度交流故障时采用本申请故障检测方法输出的检测结果。其中故障发生时刻t＝0.9s，由图5和图6可知检测系统可在故障发生后5ms返回系统进行故障程度判别量DL；且DL可以准确反映交流系统故障程度，有效地实现了快速准确的检测交流故障程度，有利于故障后电力系统的相关动作。

本发明另一实施例还提供了一种交流电网电压故障程度检测系统，包括处理器，处理器用于执行上述交流电网电压故障程度检测方法，包括DSP或ARM等。

本申请提供的实施例之间的相似部分相互参见即可，以上提供的具体实施方式只是本申请总的构思下的几个示例，并不构成本申请保护范围的限定。对于本领域的技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下依据本申请方案所扩展出的任何其他实施方式都属于本申请的保护范围。

Claims (6)

1.一种交流电网电压故障程度检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

采样三相交流电网电压u_a、u_b和u_c，计算交流电网电压零序分量u(0)，将所述交流电网电压零序分量u(0)与零序分量阈值u(0)T比较判断三相交流电网电压u_a、u_b和u_c是否平衡；

若三相交流电网电压u_a、u_b和u_c平衡，则计算电网电压基波幅值分量u_d，包括：

先将所述三相交流电网电压u_a、u_b和u_c输入LES滤波器中进行虚拟αβ变换，计算得到所述三相交流电网电压u_a、u_b和u_c的虚拟αβ分量为u_αβ；

再根据所述LES滤波器选取的采样延时基准时间构造所述虚拟αβ分量的延时列向量采样序列U：U＝[u_αβ(t)，u_αβ(t-0.0025)，u_αβ(t-t_s)…u_αβ(t-t_s(m-1)),u_αβ(t-t_sm)]^T，其中t_s为采样延时基准时间，t为采样时间，m为范德蒙德矩阵维数；

将所述延时列向量采样序列U与范德蒙德逆矩阵第一行向量相乘得到电网电压基波αβ幅值分量

其中(a₁，a₂...a_m+1)表示范德蒙德逆矩阵第一行向量；

最后通过所述电网电压基波αβ幅值分量

求得所述电网电压基波幅值分量u_d；

若三相交流电网电压u_a、u_b和u_c不平衡，则先分别计算每相电网电压基波幅值分量u_{dx，x＝a、b、c}，再取三相中的最小电网电压基波幅值分量为电网电压基波幅值分量u_d，包括：

先将所述三相交流电网电压u_a、u_b和u_c分别输入LES滤波器中进行虚拟αβ变换，计算得到每相电网电压的虚拟αβ分量为

和

经过所述LES滤波器滤除奇数低次谐波分量和电压负序分量，且所述虚拟αβ变换滤除零序分量后，得到每相电网电压正序分量，所述每相电网电压正序分量为实际电压基波αβ幅值分量的1/3，则各相电网电压基波正序αβ幅值分量为：

其中，U_x为由所述LES滤波器选取的采样延时基准时间所构造的各相电网电压虚拟αβ分量延时列向量的采样序列，(a₁，a₂...a_m+1)表示范德蒙德逆矩阵第一行向量；

取所述三相交流电网电压u_a、u_b和u_c中的最小电网电压基波幅值分量作为电网电压基波幅值分量u_d：

u_d＝min(u_da，u_db，u_dc)

其中，

u_dx表示x(x＝a，b，c)相电压基波正序幅值分量，

为各相电网电压基波正序α幅值分量，

为各相电网电压基波正序β幅值分量；

计算计算周期内每个采样周期所得的所述电网电压基波幅值分量u_d与基波电压幅值基准值u_dref的误差；

对所述误差求和，得到累计电压偏差分量D_co(j)，将所述累计电压偏差分量D_co(j)与累计电压偏差分量阈值D_coT进行比较判断三相交流电网是否发生故障；

若所述三相交流电网发生故障，计算相邻两个所述计算周期的累计电压偏差分量D_co(j)的差值为故障程度判别量DL，所述故障程度判别量DL用于表征交流故障程度。

2.根据权利要求1所述的交流电网电压故障程度检测方法，其特征在于，所述判断三相交流电网电压u_a、u_b和u_c是否平衡包括：

当|u(0)|<u(0)T时，则三相交流电网电压u_a、u_b和u_c平衡；

当|u(0)|>u(0)T，则三相交流电网电压u_a、u_b和u_c不平衡；

其中，u(0)＝u_a+u_b+u_c。

3.根据权利要求1所述的交流电网电压故障程度检测方法，其特征在于，计算累计电压偏差分量D_co(j)包括：

其中，u_dref为基波电压幅值基准值；L为采样周期的次数。

4.根据权利要求1所述的交流电网电压故障程度检测方法，其特征在于，所述判断三相交流电网是否发生故障包括：

若D_co(j)<D_coT，则三相交流电网发生故障；

若D_co(j)>D_coT，则三相交流电网未发生故障。

5.根据权利要求1所述的交流电网电压故障程度检测方法，其特征在于，所述故障程度判别量DL：

DL＝D_co(j+1)-D_co(j)，其中D_co(j+1)表示下一个计算周期的累计电压偏差分量。

6.一种交流电网电压故障程度检测系统，其特征在于，包括处理器，所述处理器用于执行上述权利要求1-5任意一项所述的交流电网电压故障程度检测方法。

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