CN113517712A - 基于预测环节自适应阈值提高成功率的直流系统换相方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于预测环节自适应阈值提高成功率的直流系统换相方法，包括以下步骤：1)将交流侧母线电压值作为交流侧系统故障严重程度的表征；2)在离线状态下对交流侧系统故障进行仿真，得到阈值与电压之间的关系对照表；3)实时采集换流变交流母线电压有效值并根据关系对照表得到换相失败预测控制环节的换相失败预测补偿启动阈值，并进行触发角补偿进而完成换向。与现有技术相比，本发明具有自适应分段补偿、安全可靠等优点。

Description

基于预测环节自适应阈值提高成功率的直流系统换相方法

技术领域

本发明涉及直流输电系统换向控制领域，尤其是涉及一种基于预测环节自适应阈值提高成功率的直流系统换相方法。

背景技术

随着特高压直流输电线路的大力建设，电网已呈现“强直弱交”的特性，容易发生换相失败，逆变侧交流系统故障是引起换相失败的主要原因。熄弧角控制是高压直流输电系统中逆变侧的主要控制手段，它通过将熄弧角控制在某一设定范围内，防止由于熄弧角过小发生换相失败。ABB公司的换相失败预测控制(CFPREV)技术采用预测型熄弧角控制，可以有效降低熄弧角的减小，来抑制换相失败。

目前，对CFPREV改善直流系统换相性能的研究主要集中在特征量选取与控制策略的改进两方面，在特征量选取方面，有学者在CFPREV的基础上增加了正余弦分量来检测故障时电压变化，解决了CFPREV中算法电压过零点附近动作慢的问题，但该方法效果有限。对于常规预测型定熄弧角控制器暂态期间控制效果不理想的问题，文献(基于直流电流变化量的换相失败预测判别与控制系统优化[J].电网技术,2019,43(10):3497-3504.)增添了直流电流预测模块，改进原有预测型定熄弧角控制器，以达到抑制换相失败的目的。在控制策略优化方面，通过优化预测控制环节中的电压启动阈值和增益系数，降低了换相失败发生的风险，改善了无功功率的恢复。文献(华东多直流馈入系统换相失败预防和自动恢复能力的优化[J].电力系统自动化,2015,39(06):134-140.)适当降低换相失败预测控制的固定阈值，在一定程度上减少了逆变侧换相失败的几率。文献(考虑多直流协调恢复的换相失败预测控制启动值优化方法[J].电力系统自动化,2018,42(22):85-90+158+91-93)综合考虑了多直流线路间交互作用的影响，提出一种根据直流系统恢复指标来优化CFPREV启动阈值的方法，由于固定的启动阈值在某些工况下会恶化换相失败情况，文献(考虑交直流无功交互特性的换相失败预测控制优化方法[J].电力系统自动化,2020,44(21):50-57.)定义CFPREV启动电压值差异化优先级指标，提升了系统抵御换相失败的能力，综上所述，启动阈值对换相失败预测环节的作用效果影响很大，现有技术设计的固定阈值不能适用所有故障工况，如果选择能够适应不同运行工况的启动阈值，则可以提高直流系统应对换相失败的能力。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于预测环节自适应阈值提高成功率的直流系统换相方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于预测环节自适应阈值提高成功率的直流系统换相方法，包括以下步骤：

1)将交流侧母线电压值作为交流侧系统故障严重程度的表征；

2)在离线状态下对交流侧系统故障进行仿真，得到阈值与电压之间的关系对照表；

3)实时采集换流变交流母线电压有效值并根据关系对照表得到换相失败预测控制环节的换相失败预测补偿启动阈值，并进行触发角补偿进而完成换向。

所述的步骤2)具体包括以下步骤：

21)搭建直流系统仿真模型，并对直流控保系统建模；

22)通过在逆变侧换流变交流母线处设置不同的短路接地故障类型，调整接地阻抗值用以模拟短路故障的严重程度，形成故障集，对故障集中的第i种故障工况，利用多重计算仿真方法获取抑制换相失败效果最好的阈值作为换相失败预测补偿启动阈值X_LEVEL_i，并且获取对应的逆变侧换流变交流母线电压最低值U_i；

23)根据仿真结果，将逆变侧换流变交流母线电压最低值U_i按大小排列，构建X_LEVEL_U_rms对照表，其中，X表示不同的短路故障类型，包括单相短路故障和三相短路故障，U_rms为实际测得的换流变交流母线电压有效值；

24)将X_LEVEL_U_rms对照表中的分段数据采用分段线性拟合的方式进行拟合，得到X_LEVEL_U_rms的分段线性函数。

所述的步骤21)中，直流系统仿真模型采用CIGRE标准测试模型。

所述的步骤22)中，在逆变侧换流变交流母线处通过设置经电感L_f接地的方式模拟实际工程中交流输电线路的单相或三相短路故障的严重程度，L_f越小则故障越严重。

所述的X_LEVEL_U_rms对照表表示为：

其中，下标n为故障工况总数，U_level1、…、U_leveln分别为对应分段的换相失败预测补偿启动阈值。

所述的步骤3)中，换相失败预测控制环节包括单相短路检测、启动和触发角补偿量计算部分和三相短路检测、启动和触发角补偿量计算部分。

对于单相短路检测、启动和触发角补偿量计算部分，则有：

301)采集交流系统的三相电压u_a,u_b,u_c，并计算得到换流变交流母线电压有效值U_rms；

302)根据X_LEVEL_U_rms对照表得到单相故障时换相失败预测补偿启动阈值DIFF_LEVEL；

303)比较零序电压绝对值|u₀|与单相故障时换相失败预测补偿启动阈值DIFF_LEVEL的大小，根据大小结果得到第一触发角补偿量Δα₁。

对于三相短路检测、启动和触发角补偿量计算部分，则有：

311)采集交流系统的三相电压u_a,u_b,u_c，并计算得到换流变交流母线电压有效值U_rms；

312)根据X_LEVEL_U_rms对照表得到三相故障时换相失败预测补偿启动阈值αβ_LEVEL；

313)将abc三相电压在αβ平面中合成为一个幅值恒定的正弦量u_αβ，并计算得到其稳态值|u_αβ|₀与当前幅值|u_αβ|之间的差值Δu_αβ；

314)比较差值Δu_αβ与三相故障时换相失败预测补偿启动阈值αβ_LEVEL的大小，根据大小结果得到第二触发角补偿量Δα₂。

在换相失败预测控制环节中，对于触发角补偿量计算，选择第一触发角补偿量Δα₁与第二触发角补偿量Δα₂中的较大者作为直流系统的触发角补偿量Δα，并据此抑制换相失败，完成换向。

所述的步骤313)中，正弦量u_αβ的幅值|u_αβ|的表达式为：

其中，u_α、u_β分别为正弦量u_αβ在αβ平面中在α轴和β轴上的投影。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明提出一种通过动态调节换相失败预测控制环节启动阈值的方法，采用交流侧母线电压值来表征交流侧系统故障的严重程度，在离线状态下对受端交流系统故障进行仿真，得到阈值与电压之间的关系对照表，将此对照表代替原有固定阈值，实现不同故障工况下采用不同的启动阈值，提高直流系统抑制换相失败的成功率。

附图说明

图1为CFPREV的控制原理图。

图2为不同故障程度下的换相失败概率曲线，其中，图(2a)为单相故障，图(2b)为三相故障。

图3为自适应阈值流程图。

图4为改进后的换相失败预测环节。

图5为Cigre HVDC标准测试系统简化模型。

图6为单相阈值与换流母线电压的关系。

图7为三相阈值与换流母线电压的关系。

图8为两种情况下抑制后续换相失败的效果对比，其中，图(8a)为单相接地故障，图(8b)为三相接地故障。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

本发明提出一种通过动态调节换相失败预测控制(缩写为CFPREV)环节启动阈值的方法，选取选取交流母线电压作为指标量来反映交流系统故障严重程度，在离线状态下对受端交流系统故障进行仿真，得到阈值与电压之间的关系对照表，根据此对照表代替原有固定阈值，实现了不同故障工况下采用不同的启动阈值，进而提高直流系统抑制换相失败的成功率。

1、HVDC系统换相失败预测环节的机理

1.1换相失败预测环节

CFPREV功能模块是特高压直流控保系统的核心技术之一，在交流系统侧发生故障时引起的动态过程中具有重要作用。工程中阈值的设定常采用实际经验值。

CFPREV中，采用不同方式对换流站交流母线电压进行检测，形成指标u₀和u_αβ来表征交流系统故障的严重程度。将指标值与给定启动阈值做比较，当指标值超过启动阈值时，启动输出触发角补偿环节，使逆变侧熄弧角增大，换相裕度增加，进而起到抑制换相失败的作用。

图1的虚线部分为换相失败预测环节的原理框图，其余为外部环节，图中u_a,u_b,u_c为交流系统的三相电压的测量值，作为换相失败预测环节CFPREV的输入。控制系统中由并联的两个部分组成，即：

上半部分为单相短路检测、启动和触发角补偿量计算部分。其中，u₀＝u_a+u_b+u_c，为交流母线三相电压瞬时值的代数和，正常运行工况下等于或接近等于0；当逆变侧交流系统发生单相故障导致系统不对称时，则u₀≠0。ABS环节表示取绝对值，经此环节后得到零序电压绝对值|u₀|，DIFF_LEVEL为单相故障时换相失败预测补偿启动阈值，将两者输入到比较环节中，当|u₀|＞DIFF_LEVEL，比较环节输出为1，否则为0。“最大值保持”环节的作用是取当前值往前半个周期内的最大值，该值经限幅环节后与增益相乘，得到触发角补偿量Δα₁。

下半部分为三相短路检测、启动和触发角补偿量计算部分。其中，三相短路故障检测基于abc/αβ坐标变换：abc三相对称电压在αβ平面中合成为一个幅值恒定的正弦量，其幅值|u_αβ|计算如下：

用稳态值|u_αβ|₀(经过一个时间常数为2s的一阶滤波环节)减去当前检测计算到的|u_αβ|，得到差值Δu_αβ，αβ_LEVEL为三相故障时换相失败预测补偿启动阈值，将两者输入到比较环节中，当Δu_αβ＞αβ_LEVEL，比较环节输出为1，否则为0。“最大值保持”环节的作用是取当前值往前半个周期内的最大值，该值与增益相乘，得到触发角补偿量Δα₂。

整个控制系统取两个环节计算得到的触发角补偿量Δα₁和Δα₂之间的最大值作为直流控制系统的触发角补偿量Δα。

1.2阈值与换相失败结果的关系分析

由上可知，CFPREV中将逆变侧交流母线电压处理后的量u₀和u_αβ作为是否会发生换相失败的指标量，换相失败与故障严重程度之间，故障严重程度与逆变侧交流母线电压之间存在不能显式表达的非线性关系。因此间接的，换相失败与逆变侧交流母线电压之间也存在不能显示表达的非线性关系。可见，当阈值采用恒定值时，CFPREV将不能检测出所有可能导致换相失败的场景。

本发明中，通过对CIGRE标准测试模型进行多重仿真计算，分析阈值、换相失败概率、故障严重程度(逆变侧交流母线电压有效值)之间的关系，定义故障严重水平C_L：

上式中，U_L为故障前换流母线额定线电压有效值，单位为kV；X_Lf＝ωL_f为故障接地点到地的电抗值，单位为欧姆，用来表征故障的严重程度，X_Lf越小，故障越严重；P_d为直流输电系统的额定有功功率，单位是MW。C_L越大，则故障程度越严重。

计算场景包括：

A)直流控制器中不包含CFPREV；

B)直流控制器中包含CFPREV环节，采用固定启动阈值，三相故障启动阈值αβ_LEVEL＝0.2，单相故障启动阈值DIFF_LEVEL＝0.05。

在换流母线处分别设置单相和三相经不同电抗的接地短路故障，故障持续0.3s后消失，故障经不同电感值接地，其取值范围从0.1H到0.7H，间隔为0.01H，每个场景进行70次仿真计算，共计140次仿真计算的结果如图2所示，图中，实线表示场景a)，即不含CFPREV；虚线表示场景b)，即含固定阈值的CFPREV下的计算统计结果，换相失败概率为计算工况中换相失败次数/总计算工况*100％。

如图2所示，在直流控制系统在含有CFPREV环节的情况下，单相故障时，在故障程度指标C_L＝30％～55％左右可以减少换相失败的发生；三相故障时，在故障程度指标C_L＝20％～30％左右时可以减少换相失败的发生；但仍有一定的概率发生换相失败，对于不太严重的故障，固定的阈值不能够有效检出换相失败，从而导致换相失败的发生。因此，对于对换相失败的分布不能兼顾所有的情况，本发明则通过对阈值进行优化来扩大CFPREV环节的作用范围。

2、对预测环节的改进设计

2.1设计思路

从以上分析结果可见，固定阈值仅在某个区间，某些系统工况下适用，无法涵盖所有的系统工况。为了尽可能提高所有工况下的换相成功率，本发明提出改用阈值-换流变交流母线电压有效值分段线性化曲线替代原有的固定阈值，实现在换相过程中根据交流母线电压幅值动态修改阈值，提高CFPREV环节响应范围，具体设计思路如图3所示。

本方法分为两部分，第一部分是离线仿真，得到“阈值—换流变交流母线电压有效值”关系对照表(即X_LEVEL—U_rms对照表，X表示不同的短路类型，参见图1)；第二部分为在线根据换流变交流母线电压有效值修改启动阈值，即含自适应阈值的CFPREV环节的在线应用，下面分别介绍各部分的具体实现方法。

2.2离线仿真形成X_LEVEL—U_rms对照表

首先，在电磁暂态仿真软件PSCAD中搭建直流系统的仿真模型，对直流控保系统详细建模。

其次，通过在逆变侧换流变交流母线处设置不同的短路接地故障类型，调整接地阻抗值模拟故障的严重程度，形成故障集。对故障集中的第i种故障工况，利用多重计算仿真方法找出抑制换相失败效果最好的阈值X_LEVEL_i，此时对应逆变侧换流变交流母线最低值为U_i。

然后，整理仿真结果，将逆变侧换流变交流母线最低值为U_i按值大小排列，得到如表1所示的X_LEVEL—U_rms对照表。

最后，将表1中的分段数据用分段线性拟合的方式，将X_LEVEL—U_rms的关系用分段线性函数表示。

表1母线电压与阈值之间的关系

逆变侧换流变交流母线最低值U<sub>rms</sub>(p.u.)	启动阈值(p.u.)
		[U<sub>1</sub>,U<sub>2</sub>)	U<sub>level1</sub>
[U<sub>2</sub>,U<sub>3</sub>)	U<sub>level2</sub>
		[U<sub>3</sub>,U<sub>4</sub>)	U<sub>level3</sub>
……………	……
		[U<sub>n</sub>,U<sub>n+1</sub>)	U<sub>leveln</sub>

表中，U_level＝f(U_rms)，即阈值与电压之间拟合成了线性关系。

2.3含自适应阈值的CFPREV环节的在线应用

如图4所示，根据交流母线电压与单相阈值和三相阈值的关系表对换相失败预测环节进行改进，U_rms为实际测得的换流变交流母线线电压有效值，在逆变侧交流系统发生故障时，电压有效值通过单相阈值表和三相阈值表得出合适的阈值DIFF_LEVEL和αβ_LEVEL，进而输出较好的触发补偿角度，能更有效的抑制换相失败。

将改进后的换相失败预测环节与含固定阈值的常规CFOREV做对比，验证改进后自适应阈值的有效性。

实施例

1)算例简介

图5所示为基于PSCAD/EMTDC使用的CIGRE标准测试模型。参数如表2所示。其中换流阀中晶闸管最小熄弧角设为7°，熄弧角小于7°则判定为换相失败。在逆变侧的换流母线处设置经电感L_f接地来模拟实际工程中交流输电线路的单相或三相短路故障的严重程度，L_f越小则故障越严重。

表2 HVDC系统主要参数

2)CFPREV自适应阈值的确定

接地电感L_f从0.01H增加到1.0H，间隔0.01H。仿真时长为4秒，故障时刻为2秒，持续时长0.5秒。阈值从0.01增加到1，间隔0.01，此外补偿比例系数取值为实际工程值0.8。对算例进行多重运算，共计10000次。

对算例的仿真结果进行分析，找出抑制换相失败效果的最优阈值。当交流系统侧发生单相故障时，其母线电压与最优阈值的对应关系如图6所示。

当交流系统侧发生三相故障时，其母线电压与最优阈值的对应关系如图7所示。

从图6和图7可以看出电压-阈值之间的存在关联性,单相阈值DIFF_LEVEL和三相阈值αβ_LEVEL与换流母线电压有效值Urms之间均存在多段线性关系。可对多段线性函数进行关联表示，根据多段线性函数的关系，由此可以得出单相故障和三相故障表。

表3单相故障

U<sub>rms</sub>	DIFF_LEVEL
		[0.631,0.68)	2.041U<sub>rms</sub>-1.238
[0.68,0.777)	0.15
		[0.777,0.79)	-7.6923U<sub>rms</sub>+6.127
[0.79,0.887)	0.05
		[0.887,0.892)	-2U<sub>rms</sub>+1.824
[0.892,0.91)	0.04
		[0.91,0.911)	-10U<sub>rms</sub>+9.14
[0.911,1]	0.03

表4三相故障

根据上述表格中的阈值，利用查表法对阈值进行自适应修正，可以扩大CFPREV启动的范围。

3)CFPREV阈值变化对换相失败的影响验证

CFPREV采用固定阈值和自适应阈值的控制策略，根据实际工程经验单相固定阈值选择为0.05，三相固定阈值选择为0.2。在逆变侧换流母线处设置不同故障类型接地阻抗的短路故障，使换流母线在故障后形成不同幅度的电压跌落。其中故障时刻均设置在2秒，故障持续时长0.5秒。对其进行大量的仿真测试，仿真求出换相失败次数。

表5固定阈值与自适应阈值对照表

不同故障严重水平(C_L)下，换相失败结果如图所示。

由图8可知，当交流母线发生单相接地故障时，其C_L在25％以下，自适应阈值的效果很显著，系统不发生换相失败。与固定阈值相比，C_L在45％～70％时自适应阈值下其抑制效果总体改进了50％。当交流母线发生三相接地故障时，自适应阈值在故障程度20％以下时，不发生换相失败。C_L在35％～70％时，均减少了后续换相失败的发生，总体上来说，CFPREV在采用自适应阈值后在一定程度上降低了换相失败发生的概率。

本发明针对高压直流输电系统中换相预测环节中的固定阈值进行了优化，提出了自适应阈值的优化换向方法，在本发明中，电压作为一个换相失败的电气表征量，换相失败预测环节中阈值的取值与电压之间有关联性，对具有变阈值的预测环节在工程中有一定的实用性，当电压下降程度过大时，CFPREV频繁启动，对换相失败的抑制效果变差，本发明采用的自适应阈值具有很强的适用性。

Claims (10)

1.一种基于预测环节自适应阈值提高成功率的直流系统换相方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将交流侧母线电压值作为交流侧系统故障严重程度的表征；

2)在离线状态下对交流侧系统故障进行仿真，得到阈值与电压之间的关系对照表；

3)实时采集换流变交流母线电压有效值并根据关系对照表得到换相失败预测控制环节的换相失败预测补偿启动阈值，并进行触发角补偿进而完成换向。

2.根据权利要求1所述的一种基于预测环节自适应阈值提高成功率的直流系统换相方法，其特征在于，所述的步骤2)具体包括以下步骤：

21)搭建直流系统仿真模型，并对直流控保系统建模；

22)通过在逆变侧换流变交流母线处设置不同的短路接地故障类型，调整接地阻抗值用以模拟短路故障的严重程度，形成故障集，对故障集中的第i种故障工况，利用多重计算仿真方法获取抑制换相失败效果最好的阈值作为换相失败预测补偿启动阈值X_LEVEL_i，并且获取对应的逆变侧换流变交流母线电压最低值U_i；

23)根据仿真结果，将逆变侧换流变交流母线电压最低值U_i按大小排列，构建X_LEVEL_U_rms对照表，其中，X表示不同的短路故障类型，包括单相短路故障和三相短路故障，U_rms为实际测得的换流变交流母线电压有效值；

24)将X_LEVEL_U_rms对照表中的分段数据采用分段线性拟合的方式进行拟合，得到X_LEVEL_U_rms的分段线性函数。

3.根据权利要求2所述的一种基于预测环节自适应阈值提高成功率的直流系统换相方法，其特征在于，所述的步骤21)中，直流系统仿真模型采用CIGRE标准测试模型。

4.根据权利要求2所述的一种基于预测环节自适应阈值提高成功率的直流系统换相方法，其特征在于，所述的步骤22)中，在逆变侧换流变交流母线处通过设置经电感L_f接地的方式模拟实际工程中交流输电线路的单相或三相短路故障的严重程度，L_f越小则故障越严重。

5.根据权利要求2所述的一种基于预测环节自适应阈值提高成功率的直流系统换相方法，其特征在于，所述的X_LEVEL_U_rms对照表表示为：

其中，下标n为故障工况总数，U_level1、…、U_leveln分别为对应分段的换相失败预测补偿启动阈值。

6.根据权利要求2所述的一种基于预测环节自适应阈值提高成功率的直流系统换相方法，其特征在于，所述的步骤3)中，换相失败预测控制环节包括单相短路检测、启动和触发角补偿量计算部分和三相短路检测、启动和触发角补偿量计算部分。

7.根据权利要求6所述的一种基于预测环节自适应阈值提高成功率的直流系统换相方法，其特征在于，对于单相短路检测、启动和触发角补偿量计算部分，则有：

301)采集交流系统的三相电压u_a,u_b,u_c，并计算得到换流变交流母线电压有效值U_rms；

302)根据X_LEVEL_U_rms对照表得到单相故障时换相失败预测补偿启动阈值DIFF_LEVEL；

303)比较零序电压绝对值|u₀|与单相故障时换相失败预测补偿启动阈值DIFF_LEVEL的大小，根据大小结果得到第一触发角补偿量Δα₁。

8.根据权利要求7所述的一种基于预测环节自适应阈值提高成功率的直流系统换相方法，其特征在于，对于三相短路检测、启动和触发角补偿量计算部分，则有：

311)采集交流系统的三相电压u_a,u_b,u_c，并计算得到换流变交流母线电压有效值U_rms；

312)根据X_LEVEL_U_rms对照表得到三相故障时换相失败预测补偿启动阈值αβ_LEVEL；

313)将abc三相电压在αβ平面中合成为一个幅值恒定的正弦量u_αβ，并计算得到其稳态值|u_αβ|₀与当前幅值|u_αβ|之间的差值Δu_αβ；

314)比较差值Δu_αβ与三相故障时换相失败预测补偿启动阈值αβ_LEVEL的大小，根据大小结果得到第二触发角补偿量Δα₂。

9.根据权利要求8所述的一种基于预测环节自适应阈值提高成功率的直流系统换相方法，其特征在于，在换相失败预测控制环节中，对于触发角补偿量计算，选择第一触发角补偿量Δα₁与第二触发角补偿量Δα₂中的较大者作为直流系统的触发角补偿量Δα，并据此抑制换相失败，完成换向。

10.根据权利要求8所述的一种基于预测环节自适应阈值提高成功率的直流系统换相方法，其特征在于，所述的步骤313)中，正弦量u_αβ的幅值|u_αβ|的表达式为：

其中，u_α、u_β分别为正弦量u_αβ在αβ平面中在α轴和β轴上的投影。

Images