CN112630592A - 常规直流阀区故障定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种常规直流阀区故障定位方法，包括如下步骤：首先根据晶闸管单向导通特性构造线性整流函数；再利用阀区测点根据基尔霍夫电流定律构造对应阀区不同区域的判据，依据判据计算得到的差流判断阀区故障的具体位置；并进一步利用换流阀导通时序和现有保护减少误判，缩小方法划定的故障范围。本发明利用换流阀导通时序将判据对应的分区精确到相，并结合现有直流保护消除换相失败对判据使用的不良影响。在对实际故障事件的分析中，本发明所提的阀区故障定位算法给出了精确到相的阀区故障定位结果。分析以及仿真试验表明本发明具有实用价值。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统技术领域，具体涉及一种常规直流阀区故障定位方法。
背景技术
远距离大容量的直流输电工程是重要的电力基础设施，是经济发展的重要基石。直流输电工程的安全稳定运行是电力系统可靠性的重要组成部分。在常规直流工程中，直流控制保护系统本身配置有冗余的分层分区的保护，用来在故障发生时尽快隔离清除故障，保护直流输电工程一次设备，尽可能地保证直流功率传输。
但是实际运行中发现阀区的一些故障往往引起多个阀区、极区的保护动作，给故障定位带来困难。以阀区接地故障为例，故障很可能同时引起阀区Y桥、D桥的短路保护(87CSD、87CSY)动作，也很可能引发极区的差动保护(87DCM)动作。如果不能根据波形、报文缩小故障发生的可能区域，现场的故障点排查可能会耗费大量的时间，延长直流的停运时间，给电力系统调度运行带来方式限制以及经济损失。近年来，直流系统的故障诊断定位得到了广泛的研究，一些文献对常规阀区故障的保护动作特性进行了深入分析，但是大部分分析拘泥于现有阀短路保护判据，分析流程复杂，定位精度也欠佳。一些文献构造了电流积分判据来判断阀区故障位置，但是其判据需使用常规直流桥臂电流，而晶闸管换流阀桥臂上一般不配置电流互感器，给工程应用带来困难。
发明内容
有鉴于此，为了解决现有技术中的上述问题，本发明提出一种常规直流阀区故障定位方法，依据换流阀的单向导通特性和基尔霍夫电流定律，将常规直流阀区进行分区并整理对应判据，根据判据判断故障发生的区域；然后从实用角度出发，根据常规直流阀导通特性以及一次设备配置情况，提出了优化方法用以缩小阀区故障定位方法划定的可能故障区域。
本发明通过以下技术手段解决上述问题：
一种常规直流阀区故障定位方法，包括如下步骤：
首先根据晶闸管单向导通特性构造线性整流函数；
再利用阀区测点根据基尔霍夫电流定律构造对应阀区不同区域的判据，依据判据计算得到的差流判断阀区故障的具体位置；
并进一步利用换流阀导通时序和现有保护减少误判，缩小方法划定的故障范围。
优选地，根据晶闸管单向导通特性构造线性整流函数具体包括如下步骤：
常见特高压直流的高阀十二脉动换流器及其换流变中YY换流变阀侧三相线电流为I11YA、I11YB、I11YC，YD换流变阀侧三相线电流为I11DA、I11DB、I11DC，电流正方向均为从换流变流向阀；直流侧极母线直流电流为IdCH，正方向为阀流向直流线路；高低阀中点电流为IdM，正方向为低阀流向高阀；
由于晶闸管换流阀具有单向导通性，当阀侧电流为正时，电流仅能通过换流器的三相上桥臂流向直流线路，当阀侧三相电流为负时，电流仅能通过换流器的三相下桥臂流入换流变，根据上述特性，定义线性整流函数：
那么流过A相上桥臂的电流即可表示为H(I11YA)；同理，流过B相上桥臂的电流为H(I11YB)，C相为H(I11YC)；流过三相下桥臂的电流分别为H(-I11YA)、H(-I11YB)、H(-I11YC)。
优选地，利用阀区测点根据基尔霍夫电流定律构造对应阀区不同区域的判据，依据判据计算得到的差流判断阀区故障的具体位置，具体包括如下步骤：
定义以下动作电流判据：
ΔI1＝IdCH-H(I11YA)-H(I11YB)-H(I11YC) (2)
ΔI2＝H(-I11YA)+H(-I11YB)+H(-I11YC)
-H(I11DA)-H(I11DB)-H(I11DC) (3)
ΔI3＝H(-I11DA)+H(-I11DB)+H(-I11DC)-IdM (4)
正常稳态运行时根据基尔霍夫电流定律，ΔI1、ΔI2、ΔI3均为0；如果判据(2)式ΔI1的绝对值异常增大，说明(2)式对应区域出现了异常的故障电流支路；
如果判据(3)式ΔI2的绝对值异常增大，说明(3)式对应区域出现了异常的故障电流支路；
如果判据(4)式ΔI3的绝对值异常增大，说明(4)式对应区域出现了异常的故障电流支路。
优选地，利用换流阀导通时序和现有保护减少误判，缩小方法划定的故障范围具体包括如下步骤：
缩小判据对应范围
由于算法划定的故障区域仍然较大，需根据工程实际结合阀的导通情况做进一步的缩小；以常规特高压一个极为例，其判据如下：
由于一个六脉动换流阀的上下桥臂在一般工况时均仅有1个桥臂导通，在换相时也只有2个桥臂导通；需注意的是，随着换流阀导通情况的变化，(5)式中判据对应的范围也会变化；另外由于换流阀本身有回检等阀控监视功能，一旦有晶闸管故障将由阀控监视功能告警或跳闸，换流阀本体故障较为容易与其他故障区分开；根据判据获得故障区域之后，可重点排查区域内的穿墙套管、避雷器的设备；
与交流故障的区分
由于常规直流换流阀的固有特性，逆变站往往因交流系统不对称故障发生换相失败；换相失败期间，换流阀的正常换相被打断，出现上下桥臂同时导通等非正常情况，显然也会导致所述判据计算得出较大差流；为了与换相失败进行区分，在交流系统电压跌落或者有换相失败保护动作时，可不使用所述判据，避免所述判据误判阀区短路故障；或者可在直流控保系统阀区保护动作之后，再按所述判据进行判断。
与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括：
针对常规直流故障分析时需快速定位阀区故障的需求，本发明实现了一种考虑晶闸管换流阀单向导通特性，基于基尔霍夫电流定律的阀区故障定位方法，方法将常规直流阀区进行分区并针对每个分区构造判据，依据判据计算得到的差流判断阀区故障的具体位置。为进一步减小方法判断出的故障点范围，减小判据误判的可能性，本发明利用换流阀导通时序将判据对应的分区精确到相，并结合现有直流保护消除换相失败对判据使用的不良影响。在对实际故障事件的分析中，本发明所提的阀区故障定位算法给出了精确到相的阀区故障定位结果。分析以及仿真试验表明本发明具有实用价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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是本发明常规直流阀区故障定位方法的流程图；
图2是本发明特高压直流高阀及(2)式对应故障区域示意图；
图3是本发明判据(3)式对应故障区域示意图；
图4是本发明判据(4)式对应故障区域示意图；
图5是本发明根据阀导通时序缩小后的判据对应范围示意图；
图6是本发明阀区保护动作时的直流控保暂态故障录波示意图；
图7是本发明判据计算差流波形示意图；
图8是本发明根据上述分析判断的故障发生范围示意图；
图9是本发明交流系统故障发生后的控保录波示意图；
图10是本发明判据及对应故障区域示意图；
图11是本发明判据计算差流波形及换相失败、紧急闭锁信号示意图；
图12是本发明根据上述分析判断的故障发生范围示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。需要指出的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明提供了一种常规直流阀区故障定位方法，包括如下步骤：
S1、晶闸管换流阀导通特性建模
常见特高压直流的高阀十二脉动换流器及其换流变的示意图如图2所示，图中YY换流变阀侧三相线电流为I11YA、I11YB、I11YC，YD换流变阀侧三相线电流为I11DA、I11DB、I11DC，电流正方向均为从换流变流向阀。直流侧极母线直流电流为IdCH，正方向为阀流向直流线路。高低阀中点电流为IdM，正方向为低阀流向高阀。
由于晶闸管换流阀具有单向导通性，当阀侧电流(以I11YA为例)为正时，电流仅能通过换流器的三相上桥臂流向直流线路，如图中实线箭头所示；当阀侧三相电流为负时，电流仅能通过换流器的三相下桥臂流入换流变，如图中虚线箭头所示。根据上述特性，定义线性整流函数：
那么流过A相上桥臂的电流即可表示为H(I11YA)。同理，流过B相上桥臂的电流为H(I11YB)，C相为H(I11YC)。流过三相下桥臂的电流分别为H(-I11YA)、H(-I11YB)、H(-I11YC)。
S2、判据与故障定位
在上述基础上，定义以下动作电流判据：
ΔI1＝IdCH-H(I11YA)-H(I11YB)-H(I11YC) (6)
ΔI2＝H(-I11YA)+H(-I11YB)+H(-I11YC)
-H(I11DA)-H(I11DB)-H(I11DC) (7)
ΔI3＝H(-I11DA)+H(-I11DB)+H(-I11DC)-IdM (8)
正常稳态运行时根据基尔霍夫电流定律，ΔI1、ΔI2、ΔI3均为0。如果判据(2)式ΔI1的绝对值异常增大，说明图2虚线框区域出现了异常的故障电流支路。
如果判据(3)式ΔI2的绝对值异常增大，说明图3虚线框区域出现了异常的故障电流支路。
如果判据(4)式ΔI3的绝对值异常增大，说明图4虚线框区域出现了异常的故障电流支路。
S3、阀区故障定位方法的工程优化
S31、缩小判据对应范围
由于上述算法划定的故障区域仍然较大，需根据工程实际结合阀的导通情况做进一步的缩小。以常规特高压一个极为例，其判据如下：
由于一个六脉动换流阀的上下桥臂在一般工况时均仅有1个桥臂导通，在换相时也只有2个桥臂导通，以某时刻为例，(5)式中判据对应的范围可以进一步缩小如图5所示。图中标记为1的区域对应(5)式中判据ΔI1，区域2对应(5)式中判据ΔI2，区域3对应(5)式中判据ΔI3，区域4对应(5)式中判据ΔI4，区域5对应(5)式中判据ΔI5。需注意的是，随着换流阀导通情况的变化，(5)式中判据对应的范围也会变化。另外由于换流阀本身有回检等阀控监视功能，一旦有晶闸管故障将由阀控监视功能告警或跳闸，换流阀本体故障较为容易与其他故障区分开。根据判据获得如图5所示的故障区域之后，可以重点排查区域内的穿墙套管、避雷器等设备。
S32、与交流故障的区分
由于常规直流换流阀的固有特性，逆变站往往因交流系统不对称故障发生换相失败。换相失败期间，换流阀的正常换相被打断，出现上下桥臂同时导通等非正常情况，显然也会导致所述判据计算得出较大差流。为了与换相失败进行区分，在交流系统电压跌落或者有换相失败保护动作时，可不使用本发明所述判据，避免本发明所述判据误判阀区短路故障。或者可以在直流控保系统阀区保护(如87CSD)动作之后，再按本发明所述判据进行判断。
仿真与实际数据验证
为对本发明所提方法进行验证，本发明使用两个实际直流工程阀区故障事件对本发明阀区故障定位方法进行验证。
1、某整流站阀区故障案例
2018年某特高压直流工程整流站极1跳闸，主要事件报文如表1所示：
表1主要事件报文
由报文可见，极1直流差动保护动作，可初步判断极1发生了接地短路故障。极1低阀Y桥、D桥短路保护均动作，可初步判断故障点位于极1低阀。直流控保录波如图6所示。
图6从上到下依次为极1高阀Y桥、D桥阀侧三相电流，极1低阀Y桥、D桥阀侧三相电流，极1中性母线电流和极1极母线电流。将上述电流输入判据计算可得，判据3计算得到的差流幅值最大，达到-6283A。式(5)的5个判据计算得到的差动电流波形如图7所示。
由图7可见，5个判据在录波起始阶段基本都稳定在0附近，在大约190ms时，判据1、3、5发生突变，其中判据3的变化量远大于判据1和5。初步判断判据3对应区域发生了接地故障。结合极1高阀D桥阀侧三相电流I11DA、I11DB、I11DC故障后迅速减小，可排除极1高阀D桥接地短路故障。又由于极1低阀Y桥故障时B相电流为正，故障时B相上桥臂导通，I12YB异常增大，说明可能是B相及高低阀中点区域发生了接地短路。故障区域如图8划线区域所示。
现场经测试表明，实际故障点发生在UdM测点附近的直流穿墙套管处，与分析一致。
2、某逆变站交流故障伴随阀区故障案例
2019年某超高压直流工程逆变站报交流场出线线路三相跳闸并伴随直流换相失败，随后极2极保护报87CSD I段跳闸，主要事件报文如表2：
表2主要事件报文
由报文可见，极1、极2均发生两次换相失败，期间阀避雷器多次动作。直流控保录波如图9所示。
图9从上到下依次为极2Y桥、D桥阀侧三相电流，极2中性母线电流、极母线电流，极2紧急闭锁信号、换相失败信号、低交流电压信号。将上述电流输入判据计算：
ΔI1＝IdCN-H(-I2DA)+H(-I2DB)+H(-I2DC)
ΔI2＝H(I2DA)+H(I2DB)+H(I2DC)-H(-I2YA)-H(-I2YB)-H(-I2YC)
ΔI3＝H(I2YA)+H(I2YB)+H(I2YC)-IdCH
可得，3个判据(见图10)计算得到的差动电流波形图11所示。
由波形可见，紧急闭锁前判据1和判据2动作电流大小相近，符号相反，可判断判据1和判据2对应区域之间出现了短路支路，最有可能是相间故障。
结合故障时刻D桥处于2号桥臂向6号桥臂换相的过程，故障前极2C相阀避雷器F3动作，判断F3避雷器引发AC两相短路可能性最大，故障区域如图12画粗线区域所示。
现场测试表明，实际故障为极2C相阀避雷器损坏，与分析一致。
针对常规直流故障分析时需快速定位阀区故障的需求，本发明实现了一种考虑晶闸管换流阀单向导通特性，基于基尔霍夫电流定律的阀区故障定位方法，方法将常规直流阀区进行分区并针对每个分区构造判据，依据判据计算得到的差流判断阀区故障的具体位置。为进一步减小方法判断出的故障点范围，减小判据误判的可能性，本发明利用换流阀导通时序将判据对应的分区精确到相，并结合现有直流保护消除换相失败对判据使用的不良影响。在对实际故障事件的分析中，本发明所提的阀区故障定位算法给出了精确到相的阀区故障定位结果。分析以及仿真试验表明本发明具有实用价值。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (4)
1.一种常规直流阀区故障定位方法，其特征在于，包括如下步骤：
首先根据晶闸管单向导通特性构造线性整流函数；
再利用阀区测点根据基尔霍夫电流定律构造对应阀区不同区域的判据，依据判据计算得到的差流判断阀区故障的具体位置；
并进一步利用换流阀导通时序和现有保护减少误判，缩小方法划定的故障范围。
2.根据权利要求1所述的常规直流阀区故障定位方法，其特征在于，根据晶闸管单向导通特性构造线性整流函数具体包括如下步骤：
常见特高压直流的高阀十二脉动换流器及其换流变中YY换流变阀侧三相线电流为I11YA、I11YB、I11YC，YD换流变阀侧三相线电流为I11DA、I11DB、I11DC，电流正方向均为从换流变流向阀；直流侧极母线直流电流为IdCH，正方向为阀流向直流线路；高低阀中点电流为IdM，正方向为低阀流向高阀；
由于晶闸管换流阀具有单向导通性，当阀侧电流为正时，电流仅能通过换流器的三相上桥臂流向直流线路，当阀侧三相电流为负时，电流仅能通过换流器的三相下桥臂流入换流变，根据上述特性，定义线性整流函数：
那么流过A相上桥臂的电流即可表示为H(I11YA)；同理，流过B相上桥臂的电流为H(I11YB)，C相为H(I11YC)；流过三相下桥臂的电流分别为H(-I11YA)、H(-I11YB)、H(-I11YC)。
3.根据权利要求2所述的常规直流阀区故障定位方法，其特征在于，利用阀区测点根据基尔霍夫电流定律构造对应阀区不同区域的判据，依据判据计算得到的差流判断阀区故障的具体位置，具体包括如下步骤：
定义以下动作电流判据：
ΔI1＝IdCH-H(I11YA)-H(I11YB)-H(I11YC) (10)
ΔI2＝H(-I11YA)+H(-I11YB)+H(-I11YC)-H(I11DA)-H(I11DB)-H(I11DC) (11)
ΔI3＝H(-I11DA)+H(-I11DB)+H(-I11DC)-IdM (12)
正常稳态运行时根据基尔霍夫电流定律，ΔI1、ΔI2、ΔI3均为0；如果判据(2)式ΔI1的绝对值异常增大，说明(2)式对应区域出现了异常的故障电流支路；
如果判据(3)式ΔI2的绝对值异常增大，说明(3)式对应区域出现了异常的故障电流支路；
如果判据(4)式ΔI3的绝对值异常增大，说明(4)式对应区域出现了异常的故障电流支路。
4.根据权利要求3所述的常规直流阀区故障定位方法，其特征在于，利用换流阀导通时序和现有保护减少误判，缩小方法划定的故障范围具体包括如下步骤：
缩小判据对应范围
由于算法划定的故障区域仍然较大，需根据工程实际结合阀的导通情况做进一步的缩小；以常规特高压一个极为例，其判据如下：
由于一个六脉动换流阀的上下桥臂在一般工况时均仅有1个桥臂导通，在换相时也只有2个桥臂导通；需注意的是，随着换流阀导通情况的变化，(5)式中判据对应的范围也会变化；另外由于换流阀本身有回检等阀控监视功能，一旦有晶闸管故障将由阀控监视功能告警或跳闸，换流阀本体故障较为容易与其他故障区分开；根据判据获得故障区域之后，可重点排查区域内的穿墙套管、避雷器的设备；
与交流故障的区分
由于常规直流换流阀的固有特性，逆变站往往因交流系统不对称故障发生换相失败；换相失败期间，换流阀的正常换相被打断，出现上下桥臂同时导通等非正常情况，显然也会导致所述判据计算得出较大差流；为了与换相失败进行区分，在交流系统电压跌落或者有换相失败保护动作时，可不使用所述判据，避免所述判据误判阀区短路故障；或者可在直流控保系统阀区保护动作之后，再按所述判据进行判断。
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2020
- 2020-11-25 CN CN202011343131.1A patent/CN112630592A/zh active Pending
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