CN113193537B - 柔性直流换流阀控制保护系统功率模块故障诊断方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种柔性直流换流阀控制保护系统功率模块故障诊断方法、装置和系统，该方法包括：在柔性直流换流阀由停运阶段进入运行阶段后，接收功率模块控制系统发送的模块电压数据，并根据模块电压数据计算柔性直流换流阀每个桥臂所有功率模块的平均电压；在接收到直流控制保护系统发送的运行状态数据，且平均电压大于或等于预设电压阈值时，向功率模块下发模块状态识别指令；将功率模块上传的模块状态数据与预设数据进行对比，在模块状态数据与预设数据不一致时，发送模块比对不一致数据至监控后台；根据模块状态数据计算故障旁路的功率模块总数，将故障旁路的功率模块总数与预设故障阈值进行对比，生成阀控状态数据发送至直流控制保护系统。

Description

柔性直流换流阀控制保护系统功率模块故障诊断方法
技术领域
本申请涉及电力电网技术领域，特别是涉及一种柔性直流换流阀控制保护系统功率模块故障诊断方法、装置和柔性直流换流阀控制保护功率模块故障诊断系统。
背景技术
架空线作为高压直流输电线路具有诸多经济技术优势，但容易发生短路、闪络等瞬时性故障。MMC-HVDC(Modular Multilevel Converter-High Voltage Direct Current，模块化多电平换流器型高压直流输电)系统直流侧发生短路故障时(单极接地短路故障、双极短路故障)会产生较大的故障电流，尤其是最为严重的双极短路故障，需要立刻采取措施对故障点进行隔离。
功率模块故障是模块化多电平柔性直流换流阀最为常见故障，也是危害其安全稳定运行的重要原因之一。现国内外缺乏针对混合型柔性直流换流阀功率模块故障诊断策略的研究。如何对柔性直流换流阀功率模块进行故障诊断保护，以提高柔性直流换流阀的运行安全性，是一个亟待解决的问题。
发明内容
基于此，有必要针对上述问题，提供一种可提高柔性直流换流阀的运行安全性的柔性直流换流阀控制保护系统功率模块故障诊断方法、装置和柔性直流换流阀控制保护功率模块故障诊断系统。
一种柔性直流换流阀控制保护系统功率模块故障诊断方法，用于全半桥混合型柔性直流换流阀控制保护系统进行功率模块故障诊断，该方法包括：
在柔性直流换流阀由停运阶段进入运行阶段后，接收功率模块控制系统发送的模块电压数据，并根据所述模块电压数据计算柔性直流换流阀每个桥臂所有功率模块的平均电压；
在接收到直流控制保护系统发送的运行状态数据，且所述平均电压大于或等于预设电压阈值时，向所述功率模块下发模块状态识别指令；所述模块状态识别指令用于控制所述功率模块上传模块状态数据；
将所述功率模块上传的模块状态数据与预设数据进行对比，在所述模块状态数据与预设数据不一致时，发送模块比对不一致数据至监控后台；
根据所述模块状态数据计算故障旁路的功率模块总数，将故障旁路的功率模块总数与预设故障阈值进行对比，生成阀控状态数据发送至直流控制保护系统；所述阀控状态数据用于表征柔性直流换流阀的故障程度。
一种柔性直流换流阀控制保护系统功率模块故障诊断装置，用于全半桥混合型柔性直流换流阀控制保护系统进行功率模块故障诊断，该装置包括：
数据接收模块，用于在柔性直流换流阀由停运阶段进入运行阶段后，接收功率模块控制系统发送的模块电压数据，并根据所述模块电压数据计算柔性直流换流阀每个桥臂所有功率模块的平均电压；
状态识别模块，用于在接收到直流控制保护系统发送的运行状态数据，且所述平均电压大于或等于预设电压阈值时，向所述功率模块下发模块状态识别指令；所述模块状态识别指令用于控制所述功率模块上传模块状态数据；
数据对比模块，用于将所述功率模块上传的模块状态数据与预设数据进行对比，在所述模块状态数据与预设数据不一致时，发送模块比对不一致数据至监控后台；
状态分析模块，用于根据所述模块状态数据计算故障旁路的功率模块总数，将故障旁路的功率模块总数与预设故障阈值进行对比，生成阀控状态数据发送至直流控制保护系统；所述阀控状态数据用于表征柔性直流换流阀的故障程度。
一种柔性直流换流阀控制保护功率模块故障诊断系统，包括直流控制保护系统、柔性直流换流阀控制保护系统、功率模块控制系统和监控后台，所述柔性直流换流阀控制保护系统连接所述直流控制保护系统、所述功率模块控制系统和所述监控后台，所述柔性直流换流阀控制保护系统根据上述的方法进行功率模块故障诊断。
上述柔性直流换流阀控制保护系统功率模块故障诊断方法、装置和柔性直流换流阀控制保护功率模块故障诊断系统，在柔性直流换流阀由停运阶段进入运行阶段后，接收功率模块控制系统发送的模块电压数据，并根据模块电压数据计算柔性直流换流阀每个桥臂所有功率模块的平均电压。在接收到直流控制保护系统发送的运行状态数据，且平均电压大于或等于预设电压阈值时，向功率模块下发模块状态识别指令，控制功率模块上传模块状态数据。在模块状态数据与预设数据不一致时，发送模块比对不一致数据至监控后台，以及根据模块状态数据计算故障旁路的功率模块总数，将故障旁路的功率模块总数与预设故障阈值进行对比，生成表征柔性直流换流阀的故障程度的阀控状态数据发送至直流控制保护系统。在柔性直流换流阀的运行阶段，检测到每个桥臂所有功率模块的平均电压过高时进行数据分析和交互，功率模块出现异常时可及时发现，对柔性直流换流阀功率模块进行故障诊断保护，提高了柔性直流换流阀的运行安全性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例或传统技术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为一实施例中柔性直流换流阀控制保护系统功率模块故障诊断方法的流程图；
图2为另一实施例中柔性直流换流阀控制保护系统功率模块故障诊断方法的流程图；
图3为一实施例中柔性直流换流阀控制保护系统功率模块故障诊断装置的结构框图；
图4为另一实施例中柔性直流换流阀控制保护系统功率模块故障诊断装置的结构框图；
图5为一实施例中高低端阀组串联结构特高压换流阀的结构图；
图6为一实施例中全半桥混合型柔性直流换流阀的结构图；
图7为一实施例中全桥型功率模块和半桥型功率模块的结构原理图；
图8为一实施例中全桥型、半桥型功率模块充电运行特性示意图；
图9为一实施例中柔性直流换流阀控制保护功率模块故障诊断系统的直流控制保护示意图；
图10为一实施例中柔性直流换流阀控制保护功率模块故障诊断系统的功率模块故障诊断流程图；
图11为一实施例中功率模块故障诊断策略的流程图；
图12为一实施例中±800kV柔性直流换流阀的拓扑结构图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。
可以理解，以下实施例中的“连接”，如果被连接的电路、模块、单元等相互之间具有电信号或数据的传递，则应理解为“电连接”、“通信连接”等。
在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。同时，在本说明书中使用的术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。
在一个实施例中，提供了一种柔性直流换流阀控制保护系统功率模块故障诊断方法，适用于采用全桥、半桥功率模块混合型的柔性直流换流阀和高低端阀组串联结构的特高压柔性直流换流阀控制保护系统进行功率模块故障诊断。
如图1所示，该方法包括：
步骤S140：在柔性直流换流阀由停运阶段进入运行阶段后，接收功率模块控制系统发送的模块电压数据，并根据模块电压数据计算柔性直流换流阀每个桥臂所有功率模块的平均电压。
具体地，柔性直流换流阀由停运阶段进入运行阶段后，可通过柔性直流换流阀控制保护系统接收功率模块控制系统发送的模块电压数据，并计算每个桥臂所有功率模块的平均电压UAV_ALL。其中，模块电压数据包括功率模块直流电容电压。
步骤S150：在接收到直流控制保护系统发送的运行状态数据，且平均电压大于或等于预设电压阈值时，向功率模块下发模块状态识别指令。
模块状态识别指令用于控制功率模块上传模块状态数据；柔性直流换流阀控制保护系统判断收到直流控制保护系统发送的运行状态数据，且判断UAV_ALL≥U1，向所有功率模块控制系统下发模块状态识别指令。其中，运行状态数据表征直流控制保护系统判断柔性直流换流阀开始充电运行，U1为预设电压阈值。
功率模块控制系统收到柔性直流换流阀控制保护系统下发的模块状态识别指令后，持续执行“模块状态识别”逻辑，并将模块状态持续发送到柔性直流换流阀控制保护系统，还发送给相邻功率模块控制系统。
步骤S160：将功率模块上传的模块状态数据与预设数据进行对比，在模块状态数据与预设数据不一致时，发送模块比对不一致数据至监控后台。
模块状态数据具体可包括模块类型、模块旁路状态和模块运行状态。柔性直流换流阀控制保护系统收到所有功率模块控制系统发送的模块状态数据后，更新数据R＝充电时已旁路功率模块的位置和个数，并与预设数据R0对比，当R≠R0时，判断为模块比对不一致，并向监控后台发送模块比对不一致数据，以告知监控后台功率模块不一致。
步骤S170：根据模块状态数据计算故障旁路的功率模块总数，将故障旁路的功率模块总数与预设故障阈值进行对比，生成阀控状态数据发送至直流控制保护系统。
阀控状态数据用于表征柔性直流换流阀的故障程度。柔性直流换流阀控制保护系统故障旁路的功率模块总数Q0，并与预先设定好的故障阈值进行比较，对应生成阀控状态数据并发送至直流控制保护系统。
在一个实施例中，预设故障阈值包括阀控故障定值和阀控跳闸定值；步骤S170包括：根据模块状态数据计算故障旁路的功率模块总数；当故障旁路的功率模块总数大于或等于阀控故障定值时，生成阀控故障数据发送至直流控制保护系统；当故障旁路的功率模块总数大于或等于阀控跳闸定值时，生成阀控跳闸数据发送至直流控制保护系统。
具体地，将故障旁路的功率模块总数Q0，与预先设定好的阀控故障定值m、阀控跳闸定值n对比，当Q0≥m，向直流控制保护系统发送阀控故障数据，当Q0≥n，向直流控制保护系统发送阀控跳闸数据。其中，阀控故障数据表征柔性直流换流阀控制系统判断柔性直流换流阀存在故障，仍可以保持运行，需要直流控制保护系统出口告警；阀控跳闸数据表征柔性直流换流阀控制系统判断柔性直流换流阀存在严重故障，继续运行可能影响设备及系统安全，需要直流控制保护系统出口跳闸。
上述柔性直流换流阀控制保护系统功率模块故障诊断方法，在柔性直流换流阀的运行阶段，检测到每个桥臂所有功率模块的平均电压过高时进行数据分析和交互，功率模块出现异常时可及时发现，对柔性直流换流阀功率模块进行故障诊断保护，提高了柔性直流换流阀的运行安全性。
在一个实施例中，如图2所示，步骤S140之前，该方法还包括步骤S110：当柔性直流换流阀在运行阶段时，接收到直流控制保护系统发送的停运状态数据后，将停运前已旁路功率模块的位置和个数作为预设数据进行锁存。
柔性直流换流阀在运行阶段，柔性直流换流阀控制保护系统收到直流控制保护下发的停运状态数据后，停止执行功率模块故障判断策略；并锁存数据R0＝停运前已旁路功率模块的位置和个数。其中，停运状态数据表征直流控制保护系统判断柔性直流换流阀已经停运。
在一个实施例中，继续参照图2，步骤S110之后，该方法还包括步骤S120：当柔性直流换流阀由运行阶段进入停运阶段后，获取停运期间的功率模块检查后的故障模块清除记录，根据故障模块清除记录对预设数据进行更新。
柔性直流换流阀由运行阶段进入停运阶段后，若停运期间开展功率模块检查，在将已旁路功率模块恢复或更换后，柔性直流换流阀控制保护系统更新数据R0＝柔性直流换流阀控制系统人工清除故障模块记录后已旁路功率模块的位置和个数。
进一步地，在一个实施例中，步骤S110之后，该方法还包括步骤S130：当柔性直流换流阀由运行阶段进入停运阶段后，获取停运期间的功率模块检查后的故障模块增加记录，根据故障模块增加记录对预设数据进行更新。
柔性直流换流阀由运行阶段进入停运阶段后，若停运期间开展功率模块检查，通过人为旁路存在隐患的功率模块，柔性直流换流阀控制保护系统更新数据R0＝柔性直流换流阀控制系统人工增加故障模块记录后已旁路功率模块的位置和个数。
在一个实施例中，如图2所示，步骤S170之后，该方法还包括步骤S180和步骤S190。
步骤S180：根据模块状态数据计算单个桥臂所有半桥型功率模块的平均电压，以及所有全桥型功率模块的平均电压。
步骤S190：在单个桥臂所有半桥型功率模块的平均电压大于或等于设定电压阈值，且所有全桥型功率模块的平均电压大于或等于设定电压阈值时，对功率模块进行故障诊断。
具体地，柔性直流换流阀控制保护系统结合获取的模块状态数据，计算单个桥臂所有半桥型功率模块的平均电压UAV_HALF，以及所有全桥型功率模块的平均电压UAV_FULL。当收到直流控制保护系统下发运行状态数据，而且UAV_HALF≥U2IUAV_FULL≥U2时，柔性直流换流阀控制保护系统启动功率模块故障诊断策略，对功率模块进行故障诊断。
对功率模块进行故障诊断的具体方式并不唯一，在一个实施例中，对功率模块进行故障诊断，包括：接收功率模块控制系统发送的模块电压数据、模块状态数据和模块故障信息数据；根据模块电压数据、模块状态数据和模块故障信息数据进行故障判断，得到判断结果并发送至监控后台。
具体地，柔性直流换流阀控制保护系统接收所有功率模块控制系统发送的模块电压数据、模块状态数据以及模块故障信息数据，并发送到监控后台。结合接收的数据启动功率模块故障判断，包括判断功率模块是否存在通信故障、直流电容欠压故障、过压故障，并将模块故障判断结果发送监控后台。
在一个实施例中，根据模块电压数据、模块状态数据和模块故障信息数据进行故障判断，得到判断结果并发送至监控后台之后，对功率模块进行故障诊断，还包括：当判断结果为存在故障时，向功率模块控制系统下发模块旁路指令；根据功率模块上传的模块状态数据计算每个桥臂的故障旁路模块总数，将每个桥臂的故障旁路模块总数与预设故障阈值进行对比，生成阀控状态数据发送至直流控制保护系统。
模块旁路指令用于功率模块控制系统执行模块旁路，闭合旁路开关。综合接收到的模块故障信息数据和模块故障判断结果，判断功率模块是否存在故障。若判断存在故障，柔性直流换流阀控制保护系统向功率模块控制系统下发模块旁路指令，并将数据信息发送监控后台。
对应地，柔性直流换流阀控制保护系统通过所有功率模块发送的模块状态数据，计算每个桥臂的故障旁路模块总数Q，并与设定好的阀控故障定值m、阀控跳闸定值n比较。当Q≥m时，向直流控制保护系统发送阀控故障信号，并将数据发送监控后台。当Q≥n时，向直流控制保护系统发送阀控跳闸信号，并将数据发送监控后台。
在一个实施例中，还提供了一种柔性直流换流阀控制保护系统功率模块故障诊断装置，适用于采用全桥、半桥功率模块混合型的柔性直流换流阀和高低端阀组串联结构的特高压柔性直流换流阀控制保护系统进行功率模块故障诊断。如图3所示，该装置包括数据接收模块140、状态识别模块150、数据对比模块160和状态分析模块170。
数据接收模块140用于在柔性直流换流阀由停运阶段进入运行阶段后，接收功率模块控制系统发送的模块电压数据，并根据模块电压数据计算柔性直流换流阀每个桥臂所有功率模块的平均电压。
状态识别模块150用于在接收到直流控制保护系统发送的运行状态数据，且平均电压大于或等于预设电压阈值时，向功率模块下发模块状态识别指令；模块状态识别指令用于控制功率模块上传模块状态数据。
数据对比模块160用于将功率模块上传的模块状态数据与预设数据进行对比，在模块状态数据与预设数据不一致时，发送模块比对不一致数据至监控后台。
状态分析模块170用于根据模块状态数据计算故障旁路的功率模块总数，将故障旁路的功率模块总数与预设故障阈值进行对比，生成阀控状态数据发送至直流控制保护系统；阀控状态数据用于表征柔性直流换流阀的故障程度。
在一个实施例中，如图4所示，该装置还包括数据锁存模块120，数据锁存模块120用于在数据接收模块140在柔性直流换流阀由停运阶段进入运行阶段后，接收功率模块控制系统发送的模块电压数据，并根据模块电压数据计算柔性直流换流阀每个桥臂所有功率模块的平均电压之前，当柔性直流换流阀在运行阶段时，接收到直流控制保护系统发送的停运状态数据后，将停运前已旁路功率模块的位置和个数作为预设数据进行锁存。
在一个实施例中，该装置还包括数据更新模块130，数据更新模块130用于在数据锁存模块120将停运前已旁路功率模块的位置和个数作为预设数据进行锁存之后，当柔性直流换流阀由运行阶段进入停运阶段后，获取停运期间的功率模块检查后的故障模块清除记录，根据故障模块清除记录对预设数据进行更新。
进一步地，数据更新模块130还用于当柔性直流换流阀由运行阶段进入停运阶段后，获取停运期间的功率模块检查后的故障模块增加记录，根据故障模块增加记录对预设数据进行更新。
在一个实施例中，如图4所示，该装置还包括电压计算模块180和故障诊断模块190。电压计算模块180用于根据模块状态数据计算单个桥臂所有半桥型功率模块的平均电压，以及所有全桥型功率模块的平均电压。故障诊断模块190用于在单个桥臂所有半桥型功率模块的平均电压大于或等于设定电压阈值，且所有全桥型功率模块的平均电压大于或等于设定电压阈值时，对功率模块进行故障诊断。
关于柔性直流换流阀控制保护系统功率模块故障诊断装置的具体限定可以参见上文中对于柔性直流换流阀控制保护系统功率模块故障诊断方法的限定，在此不再赘述。上述柔性直流换流阀控制保护系统功率模块故障诊断装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
上述柔性直流换流阀控制保护系统功率模块故障诊断装置，在柔性直流换流阀的运行阶段，检测到每个桥臂所有功率模块的平均电压过高时进行数据分析和交互，功率模块出现异常时可及时发现，对柔性直流换流阀功率模块进行故障诊断保护，提高了柔性直流换流阀的运行安全性。
在一个实施例中，还提供了一种柔性直流换流阀控制保护功率模块故障诊断系统，包括直流控制保护系统、柔性直流换流阀控制保护系统、功率模块控制系统和监控后台，柔性直流换流阀控制保护系统连接直流控制保护系统、功率模块控制系统和监控后台，柔性直流换流阀控制保护系统根据上述的方法进行功率模块故障诊断。
为便于更好地理解上述柔性直流换流阀控制保护系统功率模块故障诊断方法、装置和柔性直流换流阀控制保护功率模块故障诊断系统，下面结合具体实施例进行详细解释说明。
MMC-HVDC系统直流侧发生短路故障时会产生较大的故障电流，尤其是最为严重的双极短路故障，需要立刻采取措施对故障点进行隔离。半桥型功率模块拓扑结构虽然经济性最好，但其闭锁通路不能阻断直流故障电流。直流断路器由于造价等问题未能广泛应用于实际工程时，采用具有直流故障电流阻断能力的功率模块拓扑，通过闭锁故障电流通路使直流电流降为0，进而通过快速开关(High-speed Switch，HSS)快速切除故障是一种快速隔离直流故障的可行方案。世界上首次采用的全桥型功率模块(Full Bridge Sub-module，F-SM)和半桥型功率模块(Half Bridge Sub-module，H-SM)的混合型拓扑，同时采用特高压电压等级，高低端阀组串联的真双极结构，如图5和图6所示。
功率模块故障是模块化多电平柔性直流换流阀最为常见故障，也是危害其安全稳定运行的重要原因之一。可能造成功率模块故障的因素很多，包括：取能电源故障、通信故障、直流电容过压故障、直流电容欠压故障、旁路开关拒动等。全桥、半桥功率模块结构如图7所述，单个功率模块的元器件有：IGBT+反并联二极管、放电电阻、直流电容器和旁路开关。
全、半桥混合拓扑柔性直流换流阀可以实现交流侧充电、直流侧充电、交流侧短接充电等多种充电方式，以满足特高压直流输电系统交流场启动、直流侧启动、阀组在线投退等功能，但在不同充电方式下，全桥、半桥型功率模块的运行特性和充电特性有所差异，如图8所示。
特高压双阀组串联结构的全、半桥混合型柔性直流换流阀为工程中首次应用，此前柔性直流工程换流阀均为单一半桥型功率模块拓扑结构，与混合型拓扑结构对比，其充电特性、运行特性差异较大，现国内外缺乏针对混合型柔性直流换流阀功率模块故障诊断策略的研究，该情况存在的问题如下：
(1)功率模块故障诊断策略在柔性直流换流阀控制保护系统中设计实现，并与各层级控制系统完成多项数据交互，具体包括：上层的直流控制保护系统、所有功率模块独立配置的控制系统、监控后台。柔性直流换流阀控制保护系统与各系统之间的数据交互未被研究和规范，尤其针对混合型拓扑结构换流阀存在的复杂充电运行特性，容易导致与直流控制保护系统功能时序配合异常，而造成功率模块诊断功能紊乱，导致系统运行不稳定。
(2)由于全桥型、半桥型功率模块的充电特性、运行特性不同，功率模块故障诊断功能设计在考虑上述问题的同时，还需要考虑全桥、半桥功率模块充电特性、运行特性在特高压串联结构换流阀不同运行状态下所呈现的特性差异。
(3)功率模块故障诊断功能应包含：功率模块状态识别、功率模块故障判断、功率模块故障监视、功率模块故障出口等多个个方面的功能。当前各厂家和设计单位对功率模块故障诊断功能的定义不明确，导致不同设计的功率模块故障诊断所具体实现的功能存在一定差异、功率模块故障的分类存在一定差异、功率模块故障监视和出口策略存在一定差异、具体功率模块故障的判定策略存在一定差异，导致部分功能不完善，造成柔性直流系统运行隐患的同时，影响故障的数据的传送、记录和后期分析，造成现场运维困难。
(4)随着现代化柔性直流工程的发展与柔性直流换流阀控制保护功能的完善，换流阀单个阀层相邻功率模块之间交叉通信、交叉取能设计已作为一种常见的冗余监视控制方式越来越多被工程应用，但不同设计方案差别较大。为满足功率模块故障诊断功能的完整统一，针对功率模块故障诊断所需的交叉冗余基本功能设计需要被提出和标准化。
基于此，本申请对采用全桥、半桥功率模块混合型的柔性直流换流阀和高低端阀组串联结构的特高压柔性直流换流阀，提出了适用的柔性直流换流阀控制保护系统的功率模块故障诊断方法，该方法同样适用于其他拓扑结构的柔性直流换流阀。
(1)针对柔性直流换流阀控制保护系统与不同层级控制保护系统性之间接口数据要求未被明确和规范的问题，本申请针对“功率模块故障诊断策略”功能，明确了柔性直流换流阀控制保护系统与直流控制保护系统、功率模块控制系统和监控后台之间的数据交互。
(2)针对不同设计的功率模块故障诊断功能差异性较大，存在功能漏洞和隐患的问题，本申请柔性直流换流阀功率模块故障诊断策略中，实现了功率模块状态识别、功率模块故障判断、功率模块故障监视、功率模块故障出口等多方面的功能。
(3)针对采用“特高压串联结构换流阀+全、半桥混合型柔性直流换流阀”的直流系统运行特性、充电特性较为复杂，功率模块故障诊断技术不够完善的问题，本申请提出了柔性直流系统运行方式和功率模块故障诊断功能的时序配合策略。考虑全半桥混合型柔性直流换流阀不同充电方式(包括交流侧充电、交流侧短接充电、直流侧充电)下全、半桥模块的特性差异，提出了系统从停运、充电、运行、再到停运全工作周期内柔性直流换流阀控制保护系统的功能策略，该策略不仅适用于小型直流输电、背靠背直流输电，同时也适用于换流阀串联结构的特高压直流输电等应用场景。
本申请提出的一种基于全半桥混合MMC拓扑的特高压柔性直流换流阀控制保护系统功率模块故障诊断方法，该方法所涉及的功能策略由“柔性直流换流阀控制保护系统”实现。本方法所涉及内容包含三个方面：(一)柔性直流换流阀控制保护系统与其他控制系统的交互数据要求；(二)“功率模块故障诊断方法”与柔性直流系统工作状态的时序配合策略；(三)“功率模块故障诊断方法”功能策略。
基于全半桥混合MMC拓扑的特高压柔性直流换流阀控制保护系统功率模块故障诊断方法，柔性直流换流阀控制保护系统与其他控制保护系统的交互数据交互如图9所示。
柔性直流换流阀控制保护系统：指柔性直流换流阀集成控制保护系统，负责执行换流阀内所有功率模块的“功率模块故障诊断”功能，接收和发送状态类、指令类数据到其他控制保护系统。
直流控制保护系统：指柔性直流系统控制保护系统，负责将柔性直流系统实际的工作状态，包括【运行状态】、【停运状态】状态数据发送到柔性直流换流阀控制保护系统，并接收柔性直流换流阀控制保护系统发送的【阀控故障】、【阀控跳闸】状态数据。
功率模块控制系统：指功率模块自身的控制系统，所有功率模块均独立配置一套功率模块控制系统，接收柔性直流换流阀控制保护系统发送的【模块旁路】、【模块状态识别】、【模块故障判断】指令数据，并向柔性直流换流阀控制保护系统发送【模块电压】、【模块状态】、【模块故障信息】状态数据。同一阀层相邻位置功率模块的控制系统相互发送、接收【模块状态】状态数据，并通过【模块状态】状态数据发送到柔性直流换流阀控制保护系统，这种相邻模块交叉通信设计，可以实现功率模块控制系统与换流阀控制保护系统通信中断情况下，可通过相邻模块控制系统上送本模块的【模块状态】。
监控后台：指厂站运行人员监控后台，接收柔性直流换流阀控制保护系统发送的【模块电压】、【模块状态】、【模块故障信息】、【模块比对不一致】状态数据。
1、直流控制保护→柔性直流换流阀控制保护系统
【运行状态】：直流控制保护系统判断柔性直流换流阀开始充电运行。基于全半桥混合MMC拓扑的特高压柔性直流换流阀包含交流侧充电、直流侧短接状态下交流侧充电、直流侧充电三种充电方式。
【停运状态】：直流控制保护系统判断柔性直流换流阀已经停运。
2、柔性直流换流阀控制保护系统→直流控制保护系统
【阀控故障】：柔性直流换流阀控制系统判断柔性直流换流阀存在故障，仍可以保持运行，需要直流控制保护系统出口告警。
【阀控跳闸】：柔性直流换流阀控制系统判断柔性直流换流阀存在严重故障，继续运行可能影响设备及系统安全，需要直流控制保护系统出口跳闸。
3、柔性直流换流阀控制保护系统→功率模块控制系统
【模块旁路】：柔性直流换流阀控制保护系统对功率模块下达的功率模块旁路指令，功率模块控制系统收到指令后，执行模块旁路，闭合旁路开关。
【模块状态识别】：柔性直流换流阀控制保护系统对功率模块下达的功率模块状态识别指令，功率模块控制系统收到指令后，开始执行功率模块状态识别。
【模块故障判断】：柔性直流换流阀控制保护系统对功率模块下达的功率模块故障判断指令，功率模块控制系统收到指令后，开始执行功率模块故障判断。
4、功率模块控制系统→柔性直流换流阀控制保护系统
【模块电压】：功率模块直流电容电压。
【模块状态】：功率模块控制系统对功率模块状态识别后，将识别数据发送到柔性直流换流阀控制保护系统，具体包括以下内容：
(1)模块类型：全桥型功率模块、半桥型功率模块；
(2)模块旁路状态：模块旁路开关开/闭状态；
(3)模块运行状态：故障状态(包括已旁路、通信故障)、正常状态。
【模块故障信息】：功率模块控制系统对功率模块故障判断后，将故障信息(驱动故障、取能电源故障、旁路拒动故障、通信故障)发送到柔性直流换流阀控制保护系统。
5、柔性直流换流阀控制保护系统→监控后台
【模块电压】：功率模块直流电容电压。
【模块状态】：柔性直流换流阀控制保护系统接收到功率模块状态识别数据后，将数据发送到监控后台。
【模块故障信息】：柔性直流换流阀控制保护系统接收到功率模块故障判断数据后，将数据发送到监控后台。
6、相邻功率模块控制系统之间
【模块状态】：同一阀层相邻位置功率模块的控制系统相互发送本模块【模块状态】，这种相邻模块交叉通信设计，可以实现功率模块控制系统与换流阀控制保护系统通信中断情况下，可通过相邻模块控制系统上送本模块的【模块状态】。为简化设计，可以只包含“模块旁路状态”数据。
基于全半桥混合MMC拓扑的特高压柔性直流换流阀控制保护系统功率模块故障诊断方法，该方法所涉及的功能“功率模块故障诊断策略”由“柔性直流换流阀控制保护系统”实现。该策略与柔性直流换流阀运行→停运→运行各工作状态的时序配合逻辑如图10所示。
步骤一：柔性直流换流阀在运行阶段，柔性直流换流阀控制保护系统收到直流控制保护下发【停运状态】数据，停止执行“功率模块故障判断”策略；并锁存数据R0＝停运前已旁路功率模块的位置和个数。
步骤二：柔性直流换流阀由运行阶段进入停运阶段后，若停运期间开展功率模块检查，将已旁路功率模块恢复或更换后，更新数据R0＝柔性直流换流阀控制系统人工清除故障模块记录后已旁路功率模块的位置和个数。
步骤三：柔性直流换流阀由运行阶段进入停运阶段后，若停运期间开展功率模块检查，人为旁路存在隐患的功率模块，更新数据R0＝柔性直流换流阀控制系统人工增加故障模块记录后已旁路功率模块的位置和个数。
步骤四：柔性直流换流阀由停运阶段进入运行阶段后，柔性直流换流阀控制保护系统持续接收功率模块控制系统上送的【模块电压】数据，并计算每个桥臂所有功率模块的平均电压UAV_ALL。
步骤五：柔性直流换流阀控制保护系统判断收到直流控制保护系统发送【运行状态】，且判断UAV_ALL≥U1，向所有功率模块控制系统下发【模块状态识别】指令。功率模块控制系统收到柔性直流换流阀控制保护系统下发的【模块状态识别】指令后，持续执行“模块状态识别”逻辑，并将【模块状态】持续发送到柔性直流换流阀控制保护系统，并发送给相邻功率模块控制系统。
步骤六：柔性直流换流阀控制保护系统收到所有功率模块控制系统发送【模块状态】数据后，更新数据R＝充电时已旁路功率模块的位置和个数，并与R0对比，当R≠R0时，判断为模块比对不一致，并向监控后台发送【模块比对不一致】。
计算故障旁路的功率模块总数Q0，并与预先设定好的阀控故障定值m、阀控跳闸定值n对比，当Q0≥m，向直流控制保护系统发送【阀控故障】，当Q0≥n，向直流控制保护系统发送【阀控跳闸】。
计算单个桥臂所有半桥型功率模块的平均电压UAV_HALF，所有全桥型功率模块的平均电压UAV_FULL，判断当收到直流控制保护系统下发【运行状态】且UAV_HALF≥U2IUAV_FULL≥U2，启动“功率模块故障诊断”策略。
基于全半桥混合MMC拓扑的特高压柔性直流换流阀控制保护系统功率模块故障诊断方法，包括功率模块状态识别、功率模块故障判断、功率模块故障监视、功率模块故障出口等方面的功能。柔性直流系统运行状态下，柔性直流换流阀控制保护系统“功率模块故障诊断”策略一个运算周期内的工作逻辑图如图11所示。
步骤一：接收所有功率模块控制系统发送的【模块电压】、【模块状态】、【模块故障信息】数据，并发送到监控后台。
步骤二：柔性直流换流阀控制保护系统启动功率模块故障判断(包括：判断功率模块是否存在通信故障、直流电容欠压故障、过压故障)，并将判断结果发送监控后台。
步骤三：综合步骤一接收到的【模块故障信息】和步骤二的模块故障判断结果，判断功率模块是否存在故障，(1)若判断不存在故障，则进入步骤六；(2)若判断存在故障，则进入步骤四。
步骤四：柔性直流换流阀控制保护系统向功率模块控制系统下发【模块旁路】指令，并将数据信息发送监控后台。
步骤五：通过所有功率模块发送的【模块状态】数据，计算每个桥臂的故障旁路模块总数Q，并与设定好的“阀控故障”定值m、“阀控跳闸”定值n比较，(1)当Q≥m时，向直流控制保护系统发送【阀控故障】信号，并将数据发送监控后台；(2)当Q≥n时，向直流控制保护系统发送【阀控跳闸】信号，并将数据发送监控后台。
步骤六：本次运算周期结束。
具体地，以±800kV柔性直流换流阀为例，图12为单个柔性直流换流器的拓扑，该模块化多电平换流阀共6个桥臂，单个桥臂由216个功率模块组成，其中16个功率模块为冗余，共176个功率模块为全桥型功率模块，共40个功率模块为半桥型功率模块，每个功率模块的额定运行电压为2000V。
(一)“功率模块故障诊断方法”与柔性直流系统工作状态的时序配合策略
步骤一：柔性直流换流阀在运行阶段，柔性直流换流阀控制保护系统收到直流控制保护下发【停运状态】数据，停止执行“功率模块故障判断”策略；并锁存数据R0＝停运前已旁路功率模块的位置和个数。
步骤二：柔性直流换流阀由运行阶段进入停运阶段后，若停运期间开展功率模块检查，将已旁路功率模块恢复或更换后，更新数据R0＝柔性直流换流阀控制系统人工清除故障模块记录后已旁路功率模块的位置和个数。
步骤三：柔性直流换流阀由运行阶段进入停运阶段后，若停运期间开展功率模块检查，人为旁路存在隐患的功率模块，更新数据R0＝柔性直流换流阀控制系统人工增加故障模块记录后已旁路功率模块的位置和个数。
步骤四：柔性直流换流阀由停运阶段进入运行阶段后，柔性直流换流阀控制保护系统持续接收功率模块控制系统上送的【模块电压】数据，并计算每个桥臂所有功率模块的平均电压UAV_ALL。
步骤五：柔性直流换流阀控制保护系统判断收到直流控制保护系统发送【运行状态】，且判断UAV_ALL≥500V，向所有功率模块控制系统下发【模块状态识别】指令。功率模块控制系统收到柔性直流换流阀控制保护系统下发的【模块状态识别】指令后，持续执行“模块状态识别”逻辑，并将逻辑出口【模块状态】持续发送到柔性直流换流阀控制保护系统。【模块状态】包括以下内容：
(1)模块类型：全桥型功率模块、半桥型功率模块。
(2)模块旁路状态：本模块旁路开关开/闭状态、相邻模块旁路开关开/闭状态。
(3)模块运行状态：故障状态功率模块，包含：已旁路功率模块、通信故障功率模块(黑模块)；正常状态功率模块。
步骤六：柔性直流换流阀控制保护系统收到功率模块控制系统发送【模块状态】数据。
(4)更新数据R＝充电时已旁路功率模块的位置和个数，并与R0对比，当R≠R0时，判断为模块比对不一致，并向监控后台发送【模块比对不一致】。
(5)计算故障旁路的功率模块总数Q0，并与预先设定好的阀控故障定值10、阀控跳闸定值16对比，当Q0≥10，向直流控制保护系统发送【阀控故障】，当Q0≥16，向直流控制保护系统发送【阀控跳闸】。
(6)计算单个桥臂所有半桥型功率模块的平均电压UAV_HALF，所有全桥型功率模块的平均电压UAV_FULL，判断当收到直流控制保护系统下发【运行状态】且UAV_HALF≥1000VIUAV_FULL≥1000V，启动“功率模块故障诊断”策略。
(二)“功率模块故障诊断方法”功能策略
柔性直流换流阀控制保护系统“功率模块故障诊断”策略一个工作周期内工作逻辑如下：
步骤一：接收所有功率模块控制系统发送的【模块电压】、【模块状态】、【模块故障信息】数据，并发送到监控后台。
步骤二：柔性直流换流阀控制保护系统启动功率模块故障判断，判断功率模块是否存在通信故障、直流电容欠压故障、过压故障，并将判断结果发送监控后台。
步骤三：综合步骤一接收到的【模块故障信息】和步骤二的模块故障判断结果，判断功率模块是否存在故障，(1)若判断不存在故障，则进入步骤六；(2)若判断存在故障，则进入步骤四。
步骤四：柔性直流换流阀控制保护系统向功率模块控制系统下发【模块旁路】指令，并将数据信息发送监控后台。
步骤五：计算故障模块所在桥臂故障旁路模块总数Q，并与设定好的“阀控故障”定值10、“阀控跳闸”定值16，(3)当Q≥10时，向直流控制保护系统发送【阀控故障】信号，并将数据发送监控后台；(4)当Q≥16时，向直流控制保护系统发送【阀控跳闸】信号，并将数据发送监控后台。
步骤六：本次运算周期结束。
本申请提出的一种基于全半桥混合MMC拓扑的特高压柔性直流换流阀控制保护系统功率模块故障诊断方法，具有以下优点：
1、针对柔性直流换流阀的结构及控制系统配置特点，从(一)柔性直流换流阀控制保护系统与其他控制系统的交互数据、(二)“功率模块故障诊断方法”与柔性直流系统工作状态的时序配合策略、(三)“功率模块故障诊断方法”功能策略，共三个方面，完整说明了柔性直流换流阀控制系统中功率模块故障诊断策略所应具备的功能及逻辑。
2、针对特高压双换流器串联结构+全、半桥混合拓扑柔性直流换流阀的运行特点，即不同充电方式(交流侧充电、交流侧短接充电、直流侧充电)下，全、半桥功率模块的充电和运行状态存在差异，提出了柔性直流换流阀控制保护系统“功率模块故障诊断策略”与柔性直流换流阀运行→停运→运行各工作状态的时序配合策略，明确了模块比对的策略、模块识别逻辑的启动条件、模块故障诊断策略的启动条件等。该策略不仅适用于特高压全半桥混合型柔性直流换流阀，也同样适用于其他各种拓扑结构的柔性直流系统，包括小型直流输电、背靠背直流输电，等等，具有推广性。
3、明确了柔性直流换流阀控制保护系统功率模块故障诊断出口所应实现的功能，包括：
(1)发送监控系统所有功率模块的模块电压、模块状态、模块故障信息数据，方便运行人员的实时监视及故障后的判断；
(2)柔性直流系统由停运到运行启动过程中，发送监控系统模块比对不一致数据，方便提示运行人员判断柔性直流换流阀控制保护系统的运行状态，及时发现柔性直流换流阀启动充电过程可能出现的异常；
(3)判断单个桥臂故障功率模块数量超过限定值时，启动阀控故障告警、阀控跳闸等出口逻辑，提示运行人员柔性直流换流阀工作状态并保护系统安全稳定。
4、明确了功率模块状态识别的内容和启动条件，识别内容包括：模块类型识别、旁路状态识别、运行状态识别。其中同一阀层相邻功率模块控制系统间模块状态的交叉通信设计，可以实现功率模块控制系统与换流阀控制保护系统通信中断情况下，可通过相邻模块控制系统上送本模块的模块状态，提高了柔性换流阀控制保护系统对功率模块故障判断的稳定性，有助于运行人员对所有功率模块状态的监视。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，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，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种柔性直流换流阀控制保护系统功率模块故障诊断方法，其特征在于，用于全半桥混合型柔性直流换流阀控制保护系统进行功率模块故障诊断，该方法包括：
在柔性直流换流阀由停运阶段进入运行阶段后，接收功率模块控制系统发送的模块电压数据，并根据所述模块电压数据计算柔性直流换流阀每个桥臂所有功率模块的平均电压；
在接收到直流控制保护系统发送的运行状态数据，且所述平均电压大于或等于预设电压阈值时，向所述功率模块下发模块状态识别指令；所述模块状态识别指令用于控制所述功率模块上传模块状态数据；
将所述功率模块上传的模块状态数据与预设数据进行对比，在所述模块状态数据与预设数据不一致时，发送模块比对不一致数据至监控后台；
根据所述模块状态数据计算故障旁路的功率模块总数，所述模块状态数据包括模块类型、模块旁路状态和模块运行状态，将故障旁路的功率模块总数与预设故障阈值进行对比，生成阀控状态数据发送至直流控制保护系统；所述阀控状态数据用于表征柔性直流换流阀的故障程度。
2.根据权利要求1所述的柔性直流换流阀控制保护系统功率模块故障诊断方法，其特征在于，所述预设故障阈值包括阀控故障定值和阀控跳闸定值；所述根据所述模块状态数据计算故障旁路的功率模块总数，将故障旁路的功率模块总数与预设故障阈值进行对比，生成阀控状态数据发送至直流控制保护系统，包括：
根据所述模块状态数据计算故障旁路的功率模块总数；
当故障旁路的功率模块总数大于或等于阀控故障定值时，生成阀控故障数据发送至直流控制保护系统；
当故障旁路的功率模块总数大于或等于阀控跳闸定值时，生成阀控跳闸数据发送至直流控制保护系统。
3.根据权利要求1所述的柔性直流换流阀控制保护系统功率模块故障诊断方法，其特征在于，所述在柔性直流换流阀由停运阶段进入运行阶段后，接收功率模块控制系统发送的模块电压数据，并根据所述模块电压数据计算柔性直流换流阀每个桥臂所有功率模块的平均电压之前，还包括：
当柔性直流换流阀在运行阶段时，接收到直流控制保护系统发送的停运状态数据后，将停运前已旁路功率模块的位置和个数作为预设数据进行锁存。
4.根据权利要求3所述的柔性直流换流阀控制保护系统功率模块故障诊断方法，其特征在于，当柔性直流换流阀在运行阶段时，接收到直流控制保护系统发送的停运状态数据后，将停运前已旁路功率模块的位置和个数作为预设数据进行锁存之后，还包括：
当柔性直流换流阀由运行阶段进入停运阶段后，获取停运期间的功率模块检查后的故障模块清除记录，根据所述故障模块清除记录对所述预设数据进行更新。
5.根据权利要求3所述的柔性直流换流阀控制保护系统功率模块故障诊断方法，其特征在于，当柔性直流换流阀在运行阶段时，接收到直流控制保护系统发送的停运状态数据后，将停运前已旁路功率模块的位置和个数作为预设数据进行锁存之后，还包括：
当柔性直流换流阀由运行阶段进入停运阶段后，获取停运期间的功率模块检查后的故障模块增加记录，根据所述故障模块增加记录对所述预设数据进行更新。
6.根据权利要求1-5任意一项所述的柔性直流换流阀控制保护系统功率模块故障诊断方法，其特征在于，所述根据所述模块状态数据计算故障旁路的功率模块总数，将故障旁路的功率模块总数与预设故障阈值进行对比，生成阀控状态数据发送至直流控制保护系统之后，还包括：
根据所述模块状态数据计算单个桥臂所有半桥型功率模块的平均电压，以及所有全桥型功率模块的平均电压；
在单个桥臂所有半桥型功率模块的平均电压大于或等于设定电压阈值，且所有全桥型功率模块的平均电压大于或等于设定电压阈值时，对功率模块进行故障诊断。
7.根据权利要求6所述的柔性直流换流阀控制保护系统功率模块故障诊断方法，其特征在于，所述对功率模块进行故障诊断，包括：
接收功率模块控制系统发送的模块电压数据、模块状态数据和模块故障信息数据；
根据所述模块电压数据、模块状态数据和模块故障信息数据进行故障判断，得到判断结果并发送至监控后台。
8.根据权利要求7所述的柔性直流换流阀控制保护系统功率模块故障诊断方法，其特征在于，所述根据所述模块电压数据、模块状态数据和模块故障信息数据进行故障判断，得到判断结果并发送至监控后台之后，还包括：
当所述判断结果为存在故障时，向功率模块控制系统下发模块旁路指令；所述模块旁路指令用于功率模块控制系统执行模块旁路，闭合旁路开关；
根据所述功率模块上传的模块状态数据计算每个桥臂的故障旁路模块总数，将每个桥臂的故障旁路模块总数与预设故障阈值进行对比，生成阀控状态数据发送至直流控制保护系统。
9.一种柔性直流换流阀控制保护系统功率模块故障诊断装置，其特征在于，用于全半桥混合型柔性直流换流阀控制保护系统进行功率模块故障诊断，该装置包括：
数据接收模块，用于在柔性直流换流阀由停运阶段进入运行阶段后，接收功率模块控制系统发送的模块电压数据，并根据所述模块电压数据计算柔性直流换流阀每个桥臂所有功率模块的平均电压；
状态识别模块，用于在接收到直流控制保护系统发送的运行状态数据，且所述平均电压大于或等于预设电压阈值时，向所述功率模块下发模块状态识别指令；所述模块状态识别指令用于控制所述功率模块上传模块状态数据；
数据对比模块，用于将所述功率模块上传的模块状态数据与预设数据进行对比，在所述模块状态数据与预设数据不一致时，发送模块比对不一致数据至监控后台；
状态分析模块，用于根据所述模块状态数据计算故障旁路的功率模块总数，所述模块状态数据包括模块类型、模块旁路状态和模块运行状态，将故障旁路的功率模块总数与预设故障阈值进行对比，生成阀控状态数据发送至直流控制保护系统；所述阀控状态数据用于表征柔性直流换流阀的故障程度。
10.一种柔性直流换流阀控制保护功率模块故障诊断系统，其特征在于，包括直流控制保护系统、柔性直流换流阀控制保护系统、功率模块控制系统和监控后台，所述柔性直流换流阀控制保护系统连接所述直流控制保护系统、所述功率模块控制系统和所述监控后台，所述柔性直流换流阀控制保护系统根据权利要求1-8任意一项所述的方法进行功率模块故障诊断。
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