CN112821441B - 一种减少单相故障下高压直流输电换相失败的控制方法 - Google Patents

一种减少单相故障下高压直流输电换相失败的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种减少单相故障下高压直流输电换相失败的控制方法，其步骤为：高压直流输电系统控制保护装置实时采集逆变侧交流母线A、B、C三相电压瞬时值uA(t)、uB(t)、uC(t)；分别计算当前时刻t0的交流母线电压零序分量和前一周期的交流母线电压零序分量；利用故障前后零序电压分量信息实现故障检测；计算直流系统逆变侧关断角附加值ACF；将计算得到的逆变侧关断角附加值ACF输入至逆变侧定关断角控制环节中，对高压直流输电的关断角进行控制。本发明能够更迅速地检测故障发生，实现故障后控制的快速投入，保障高压直流输电系统的安全稳定运行，具有较高的工程意义。

Description

一种减少单相故障下高压直流输电换相失败的控制方法
技术领域
本发明属于高压直流输电系统技术领域，尤其涉及一种减少单相故障下高压直流输电换相失败的控制方法。
背景技术
高压直流输电系统具有输送容量大、输电距离远、控制性能强且无需考虑同步问题等优势，广泛应用于电能远距离传输及区域大电网互联。高压直流输电的基本原理是，高压直流输电送端的整流器将交流电整流成直流电，并通过高压直流输电线路将功率输送至受端逆变器，逆变器再将直流电逆变成交流电，最终馈入至受端交流系统。
逆变器的各个换流阀按照一定次序依次导通，在两个阀之间进行换相时，刚退出导通的阀在反向电压作用的一段时间内，未能恢复阻断能力；或者换相过程一直未结束，当原来预定退出导通的阀在其电压由负变正时，即使不加触发信号，也能立即重新导通，与刚导通的阀倒换相，这种现象称之为换相失败。换相失败是采用晶闸管换相的高压直流输电系统常见故障，换相失败会导致换流阀寿命缩短、直流功率大量损失，严重时将导致直流系统闭锁。据统计，自2004年以来国家电网有限公司直流输电系统共发生换相失败1353次，部分直流工程甚至超过15次/年。
逆变侧交流系统故障导致交流母线电压跌落、直流系统电流激增是换相失败的主要原因。单相故障是交流系统常见故障，其发生概率远高于三相故障。通过增大逆变侧关断角的整定值，使换流阀提前触发，是减少换相失败次数的有效方法。现有工程中配置的换相失败预测控制环节中，检测单相故障主要依靠交流电压零序分量的幅值判据，其检测效果易受到不同故障合闸角(故障时刻)的影响，在某些故障合闸角下，出现零序电压指标的变化趋势与故障严重程度变化趋势相悖，这将导致控制的滞后投入。据此，有必要对现有工程配置的换相失败预测控制环节进行改进。
发明内容
针对现有技术存在的问题，为能够更迅速地检测故障发生，实现故障后控制的快速投入，保障高压直流输电系统的安全稳定运行，本发明提供一种减少单相故障下高压直流输电换相失败的控制方法。
本发明的一种减少单相故障下高压直流输电换相失败的控制方法，包括以下步骤：
步骤A、数据采集：
高压直流输电系统控制保护装置以10kHz的采样频率，实时采集逆变侧交流母线A、B、C三相电压瞬时值uA(t)、uB(t)、uC(t)，其中t为采样时刻。
步骤B、交流母线电压零序分量的求取：
控制保护装置先算出：
当前时刻t0的交流母线电压零序分量|u0|，|u0|＝|(uA+uB+uC)/3|。
控制保护装置再算出：
当前时刻t0前一个周期T毫秒的交流母线电压零序分量|u0(t0-T)|。
步骤C、故障检测：
步骤C1、将当前t0时刻和之前的39个采样时刻的交流母线电压零序分量|u0(t0)|、|u0(t-1|、|u0(t-2)|……|u0(t-37)|、|u0(t-38)|、|u0(t-39)|，构成当前时刻t0的交流母线电压零序分量序列U0(t)，计算U0(t)的平均值；将当前t0时刻前一周期和其之前39个采样时刻的交流母线电压零序分量|u0(t0-T)|、|u0(t-T-1)|、|u0(t-T-2)|……|u0(t-T-37)|、|u0(t-T-38)|、|u0(t-T-39)|，构成当前时刻t0前一周期的交流母线电压零序分量序列U0(t-T)，计算U0(t-T)的平均值。
步骤C2、根据下式计算序列U0(t)和U0(t-T)的相关关系：
Figure BDA0002877749100000021
其中，xi，i＝1，2，3……40表示序列|u0(t0)|、|u0(t-1|、|u0(t-2)|……|u0(t-37)|、|u0(t-38)|、|u0(t-39)|；yi，i＝1，2，3……40表示序列|u0(t0-T)|、|u0(t-T-1)|、|u0(t-T-2)|……|u0(t-T-37)|、|u0(t-T-38)|、|u0(t-T-39)|；
Figure BDA0002877749100000022
表示U0(t)的平均值；
Figure BDA0002877749100000023
表示U0(t-T)的平均值。
步骤C3、判断r(x,y)小于门槛阈值PDIFF是否成立，若是，输出控制投入信号1，其信号时长为a毫秒，进入步骤C4；若否，输出控制不投入信号0并返回步骤C1。
步骤C4、判断当前时刻t0的交流母线电压零序分量u0大于门槛阈值VZ是否成立，若是，输出控制投入信号1，其信号时长为a毫秒，进入步骤D；若否，输出控制不投入信号0并返回步骤C1。
步骤D、直流系统逆变侧关断角附加值的计算：
求取当前时刻t0前s毫秒固定窗长|u0|的最大值|u0|max，将|u0|max乘以比例系数k；计算1-k|u0|max，若其值超过1则将其值限制为1，若其值小于-1则将其值限制为-1；最后根据以下公式求取逆变侧关断角附加值ACF：
ACF＝arccos(1-k|u0|max)
其中，arccos表示求取反余弦值。
步骤E、直流系统逆变侧关断角的控制：
高压直流输电控制保护装置根据步骤C3、C4分别得到两组控制使能信号，对两组信号求取或运算，并将运算结果作为最终控制投入信号，将步骤D计算得到的逆变侧关断角附加值ACF输入至逆变侧定关断角控制环节中，对高压直流输电的关断角进行控制。
进一步的，步骤B中周期T的取值为20毫秒。
进一步的，步骤C3中的门槛阈值PDIFF取值为0.75，a取值12毫秒。
进一步的，步骤C4中的门槛阈值VZ取值为0.15pu，a取值12毫秒。
进一步的，步骤D中的s取值为12毫秒，k取值0.075。
本发明与现有技术相比的有益技术效果是：
一、本发明基于故障前后零序电压波形差异迥异，提出了利用波形相关关系来实现单相故障检测，该指标消除了某些故障合闸角下传统依靠零序电压幅值判据检测存在适用性不足的不足，为控制的及时投入争取时间。
二、本发明在实现两组波形相关关系的计算时，使用了窗长内的所有数据，并利用逐点滑动窗提高了数据采样的精确性，减少了瞬时干扰对求取结果的干扰，提高故障检测的准确性。
三、本发明采用及时增加关断角的控制方式实现换相失败抑制，相比于调节系统直流电流具有更快速的响应性能，能有效减少系统发生首次换相失败。
四、本发明无需改变直流输电系统的硬件结构，只需基于系统现有量测信息，实时采集逆变侧交流母线三相电压信号，进行简单的乘除加减、比较等运算实现控制功能。对硬件软件要求低，响应迅速，适于实际工程应用。
具体实施方式
下面结合实施例和仿真实验对本发明做进一步详细说明。
本发明的一种减少单相故障下高压直流输电换相失败的控制方法，包括以下步骤：
步骤A、数据采集：
高压直流输电系统控制保护装置以10kHz的采样频率，实时采集逆变侧交流母线A、B、C三相电压瞬时值uA(t)、uB(t)、uC(t)，其中t为采样时刻。
步骤B、交流母线电压零序分量的求取：
控制保护装置先算出：
当前时刻t0的交流母线电压零序分量|u0|，|u0|＝|(uA+uB+uC)/3|。
控制保护装置再算出：
当前时刻t0前一个周期T毫秒的交流母线电压零序分量|u0(t0-T)|。
步骤C、故障检测：
步骤C1、将当前t0时刻和之前的39个采样时刻的交流母线电压零序分量|u0(t0)|、|u0(t-1|、|u0(t-2)|……|u0(t-37)|、|u0(t-38)|、|u0(t-39)|，构成当前时刻t0的交流母线电压零序分量序列U0(t)，计算U0(t)的平均值；将当前t0时刻前一周期和其之前39个采样时刻的交流母线电压零序分量|u0(t0-T)|、|u0(t-T-1)|、|u0(t-T-2)|……|u0(t-T-37)|、|u0(t-T-38)|、|u0(t-T-39)|，构成当前时刻t0前一周期的交流母线电压零序分量序列U0(t-T)，计算U0(t-T)的平均值。
步骤C2、根据下式计算序列U0(t)和U0(t-T)的相关关系：
Figure BDA0002877749100000041
其中，xi，i＝1，2，3……40表示序列|u0(t0)|、|u0(t-1|、|u0(t-2)|……|u0(t-37)|、|u0(t-38)|、|u0(t-39)|；yi，i＝1，2，3……40表示序列|u0(t0-T)|、|u0(t-T-1)|、|u0(t-T-2)|……|u0(t-T-37)|、|u0(t-T-38)|、|u0(t-T-39)|；
Figure BDA0002877749100000042
表示U0(t)的平均值；
Figure BDA0002877749100000043
表示U0(t-T)的平均值。
步骤C3、判断r(x,y)小于门槛阈值PDIFF是否成立，若是，输出控制投入信号1，其信号时长为a毫秒，进入步骤C4；若否，输出控制不投入信号0并返回步骤C1。
步骤C4、判断当前时刻t0的交流母线电压零序分量u0大于门槛阈值VZ是否成立，若是，输出控制投入信号1，其信号时长为a毫秒，进入步骤D；若否，输出控制不投入信号0并返回步骤C1。
步骤D、直流系统逆变侧关断角附加值的计算：
求取当前时刻t0前s毫秒固定窗长|u0|的最大值|u0|max，将|u0|max乘以比例系数k；计算1-k|u0|max，若其值超过1则将其值限制为1，若其值小于-1则将其值限制为-1；最后根据以下公式求取逆变侧关断角附加值ACF：
ACF＝arccos(1-k|u0|max)
其中，arccos表示求取反余弦值。
步骤E、直流系统逆变侧关断角的控制：
高压直流输电控制保护装置根据步骤C3、C4分别得到两组控制使能信号，对两组信号求取或运算，并将运算结果作为最终控制投入信号，将步骤D计算得到的逆变侧关断角附加值ACF输入至逆变侧定关断角控制环节中，对高压直流输电的关断角进行控制。
进一步的，步骤B中周期T的取值为20毫秒。
进一步的，步骤C3中的门槛阈值PDIFF取值为0.75，a取值12毫秒。
进一步的，步骤C4中的门槛阈值VZ取值为0.15pu，a取值12毫秒。
进一步的，步骤D中的s取值为12毫秒，k取值0.075。
原理和依据：
工程实践表明，换相失败往往发生在交流系统故障后的几个毫秒内，控制的及时迅速响应依赖准确快速的故障检测方法。交流系统发生单相接地故障后会出现零序电压分量，其本质上为一交流变化量，大小在不同故障合闸角下呈现不同的变化趋势，且与稳态下零序电压波形迥异。传统方法依靠零序电压幅值判据的形式检测单相故障，在某些故障合闸角下呈现故障快速演化而零序电压分量幅值下降导致故障检测滞后的不足。本发明采用故障前后零序电压分量的波形差异来识别故障，并且与传统幅值判据配合，故障检测更加迅速。
在正常运行工况下，r(x,y)＝1。如果直流输电逆变侧交流系统发生故障，此时零序电压波形变化剧烈，和稳态下的零序电压波形差异巨大，r(x,y)在短时间内迅速减少，直至小于门槛阈值PDIFF输出控制投入信号。同时，零序电压本身幅值随着故障的演变逐渐增加直至超过门槛阈值VZ，发出控制投入信号。最终，两使能信号求取或运算，输出最终的控制投入信号实现故障后控制快速投入。
本质上来看，关断角过小是换相失败的根本原因。在故障检测的基础上，根据零序电压求取直流系统逆变侧关断角附加值的大小，并将其输入到逆变侧定关断角控制中，可以迅速拉高关断角，防止首次换相失败发生。
仿真实验：
为验证所提控制方法减少首次换相失败的效果，采用PSCAD/EMTDC下的CIGRE标准测试系统作为仿真模型。在逆变侧交流母线处设置感性接地故障，接地电感越小，表示故障越严重。在不同的交流故障条件下对比分析以下两种控制方法对换相失败的抑制效果：1)原换相失败预测控制方法；2)本发明所提出的改进方法。
设置故障合闸角在20～180°范围内连续变化，单相故障下仿真结果见表1：
表1单相故障各种故障合闸角下两种方法对换相失败的抑制效果
Figure BDA0002877749100000051
Figure BDA0002877749100000061
注：CF-1，CF-2分别表示采用原换相失败预测控制方法、改进方法对换相失败抑制效果，表格内√、×分别表示发生、不发生首次换相失败；Δt为原CFPREV与改进方法触发时刻时间差值，即Δt＝t1-t2。
由表1的仿真结果可以看出，所有仿真条件下采用本发明的改进方法后均能有效提前检测故障，为控制投入争取时间。针对换相失败抑制效果，从表中数据可以看出，在故障合闸角比较大时，有19种情况下，如果采用原方法会发生换相失败，如果采用本发明提出的控制方法，则不会发生换相失败。由表1还可以看出，采用本发明的改进方法后，在156°-164°故障合闸角范围内，改进方法能有效提前触发超过1ms，显著提高了控制的响应速度和换相失败抑制效果。

Claims (5)

1.一种减少单相故障下高压直流输电换相失败的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤A、数据采集：
高压直流输电系统控制保护装置以10kHz的采样频率，实时采集逆变侧交流母线A、B、C三相电压瞬时值uA(t)、uB(t)、uC(t)，其中t为采样时刻；
步骤B、交流母线电压零序分量的求取：
控制保护装置先算出：
当前时刻t0的交流母线电压零序分量|u0|，|u0|＝|(uA+uB+uC)/3|；
控制保护装置再算出：
当前时刻t0前一个周期T毫秒的交流母线电压零序分量|u0(t0-T)|；
步骤C、故障检测：
步骤C1、将当前t0时刻和之前的39个采样时刻的交流母线电压零序分量|u0(t0)|、|u0(t-1) |、|u0(t-2)|……|u0(t-37)|、|u0(t-38)|、|u0(t-39)|，构成当前时刻t0的交流母线电压零序分量序列U0(t)，计算U0(t)的平均值；将当前t0时刻前一周期和其之前39个采样时刻的交流母线电压零序分量|u0(t0-T)|、|u0(t-T-1)|、|u0(t-T-2)|……|u0(t-T-37)|、|u0(t-T-38)|、|u0(t-T-39)|，构成当前时刻t0前一周期的交流母线电压零序分量序列U0(t-T)，计算U0(t-T)的平均值；
步骤C2、根据下式计算序列U0(t)和U0(t-T)的相关关系：
Figure FDA0003736585210000011
其中，xi，i＝1，2，3……40表示序列|u0(t0)|、|u0(t-1) |、|u0(t-2)|……|u0(t-37)|、|u0(t-38)|、|u0(t-39)|；yi，i＝1，2，3……40表示序列|u0(t0-T)|、|u0(t-T-1)|、|u0(t-T-2)|……|u0(t-T-37)|、|u0(t-T-38)|、|u0(t-T-39)|；
Figure FDA0003736585210000012
表示U0(t)的平均值；
Figure FDA0003736585210000013
表示U0(t-T)的平均值；
步骤C3、判断r(x,y)小于门槛阈值PDIFF是否成立，若是，输出控制投入信号1，其信号时长为a毫秒，进入步骤C4；若否，输出控制不投入信号0并返回步骤C1；
步骤C4、判断当前时刻t0的交流母线电压零序分量u0大于门槛阈值VZ是否成立，若是，输出控制投入信号1，其信号时长为a毫秒，进入步骤D；若否，输出控制不投入信号0并返回步骤C1；
步骤D、直流系统逆变侧关断角附加值的计算：
求取当前时刻t0前s毫秒固定窗长中交流母线电压零序分量|u0|的最大值|u0|max，将|u0|max乘以比例系数k；计算1-k|u0|max，若其值超过1则将其值限制为1，若其值小于-1则将其值限制为-1；最后根据以下公式求取逆变侧关断角附加值ACF：
ACF＝arccos(1-k|u0|max)
其中，arccos表示求取反余弦值；
步骤E、直流系统逆变侧关断角的控制：
高压直流输电控制保护装置根据步骤C3、C4分别得到两组控制使能信号，对两组信号求取或运算，并将运算结果作为最终控制投入信号，将步骤D计算得到的逆变侧关断角附加值ACF输入至逆变侧定关断角控制环节中，对高压直流输电的关断角进行控制。
2.根据权利要求1所述的一种减少单相故障下高压直流输电换相失败的控制方法，其特征在于，所述步骤B中周期T的取值为20毫秒。
3.根据权利要求1所述的一种减少单相故障下高压直流输电换相失败的控制方法，其特征在于，所述步骤C3中的门槛阈值PDIFF取值为0.75，a取值12毫秒。
4.根据权利要求1所述的一种减少单相故障下高压直流输电换相失败的控制方法，其特征在于，所述步骤C4中的门槛阈值VZ取值为0.15pu，a取值12毫秒。
5.根据权利要求1所述的一种减少单相故障下高压直流输电换相失败的控制方法，其特征在于，所述步骤D中的s取值为12毫秒，k取值0.075。
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