CN113866550B - 一种高压直流输电换相异常检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压直流输电换相异常检测方法及装置，其中方法包括：获取直流输电系统运行时的换相参数；判断换相参数是否正常；如换相参数异常，则依据熄弧角换相波形判断法判断换相过程中波形是否故障；如波形为故障状态波形，则判定换相失败；如波形为正常状态波形，则判定换相异常但未换相失败。通过获取直流输电系统换相运行参数采样的范围，并根据运行工况计算换相重叠角的值；通过对换相过程参数的量化判断比较，对换流阀是否发生换相异常进行判断；换相失败时，进行换相过程分析，确定换相失败时导通的旁通对；根据量化的换相失败数据和换相过程分析，确定换相失败的原因。

Description

一种高压直流输电换相异常检测方法及装置

技术领域

本发明涉及直流输电技术领域，特别涉及一种高压直流输电换相异常检测方法及装置。

背景技术

我国的能源中心与负荷分布中心地理跨度非常大，能源分布和经济发展的不对称性，决定了我国需要建设一批大容量、远距离的输电线路，实现电能的“西电东送”，完成全国范围内资源优化配置和能源优化供给的目标。因此，高压直流输电成为我国大容量、远距离送电的主要形式。

高压直流输电技术的广泛应用在经济上给国家节省了大量资金，缓解了电源与负荷分布不均的矛盾，但也在技术与管理上带来了新的问题，给电网安全稳定运行带来了新的挑战。随着直流输电工程的大量建设，出现了多条直流线路同时接入某电能需求量较大的受端电网，形成多直流馈入输电系统，如华东电网。

多直流馈入系统间的相互作用特性对整个交直流混联系统的安全稳定运行有很大影响。我国华东地区多直流馈入系统换相失败时有发生，严重威胁交流系统安全稳定性。换相失败是直流输电系统运行中最常见的故障之一，将导致直流电流增大、直流输电输送功率减少、换流变压器直流偏磁加剧、换流阀寿命缩短，以及逆变侧弱交流系统电压不稳定等不良后果。

发明内容

本发明实施例的目的是提供一种高压直流输电换相异常检测方法及装置，通过获取直流输电系统换相运行参数采样的范围，并根据运行工况计算换相重叠角的值；通过对换相过程参数的量化判断比较，对换流阀是否发生换相异常进行判断；换相失败时，进行换相过程分析，确定换相失败时导通的旁通对；根据量化的换相失败数据和换相过程分析，确定换相失败的原因。

为解决上述技术问题，本发明实施例的第一方面提供了一种高压直流输电换相异常检测方法，包括如下步骤：

获取直流输电系统运行时的换相参数；

判断所述换相参数是否正常；

如所述换相参数异常，则依据熄弧角换相波形判断法判断换相过程中波形是否故障；

如所述波形为故障状态波形，则判定换相失败；

如所述波形为正常状态波形，则判定换相异常但未换相失败。

进一步地，所述获取直流输电系统运行时的换相参数，包括：

获取极控发出的晶闸管触发控制脉冲波形；

获取换流变压器网侧绕组的线电压波形；

获取所述换流变压器阀侧绕组的相电流波形，检测其在单个周期的导通时间，并计算换相重叠角。

进一步地，所述判断所述换相参数是否正常，包括：

判断所述极控发出的所述晶闸管触发控制脉冲是否错误；和/或

判断所述换流变压器网侧的交流电压波形是否畸变；和/或

判断所述导通时间是否未等于所述换相重叠角与120°之和；

如是则判定换相异常，如否则判定换相正常。

进一步地，所述判定换相正常之前，还包括：

判断直流电流变化率的数值是否小于第一预设数值，且直流电流值与预设电流值的差值是否小于额定电流值的第一预设比例值；

如是，则判定换相正常；

如否，则依据熄弧角换相波形判断法判断换相过程中波形是否故障。

进一步地，所述判定换相失败之后，还包括：

根据触发脉冲确定换流变压器阀侧三相电流波形对应的阀导通区间；

判断换相失败的起始阀，并由所述起始阀起按预设顺序换相，至所述换流变压器相电流降为0旁通对投入，其中，旁通对投入的阀在换相失败阀所在相。

相应地，本发明实施例的第二方面提供了一种高压直流输电换相异常检测装置，包括：

获取模块，其用于获取直流输电系统运行时的换相参数；

第一判断模块，其用于判断所述换相参数是否正常；

第二判断模块，其用于如所述换相参数异常，则依据熄弧角换相波形判断法判断换相过程中波形是否故障；

判定模块，其用于在所述波形为故障状态波形时判定换相失败；

所述判定模块还其用于在所述波形为正常状态波形时判定换相异常但未换相失败。

进一步地，所述获取模块包括：

第一获取单元，其用于获取极控发出的晶闸管触发控制脉冲波形；

第二获取单元，其用于获取换流变压器网侧绕组的线电压波形；

第三获取单元，其用于获取所述换流变压器阀侧绕组的相电流波形，检测其在单个周期的导通时间，并计算换相重叠角。

进一步地，所述第一判断模块包括：

第一判断单元，其用于判断所述极控发出的所述晶闸管触发控制脉冲是否错误；和/或

第二判断单元，其用于判断所述换流变压器网侧的交流电压波形是否畸变；和/或

第三判断单元，其用于判断所述导通时间是否未等于所述换相重叠角与120°之和；

第一判定单元，其用于判定所述第一判断单元、所述第二判断单元和/或所述第三判断单元的判断结果为是时，判定换相异常；

所述第一判定单元还用于在判定所述第一判断单元、所述第二判断单元和所述第三判断单元的判断结果均为否时，判定换相正常。

进一步地，所述第一判断模块还包括：

第四判断单元，其用于判断直流电流变化率的数值是否小于第一预设数值，且直流电流值与预设电流值的差值是否小于额定电流值的第一预设比例值；

第二判定单元，其用于在所述直流电流变化率的数值小于所述第一预设数值且所述直流电流值与所述预设电流值的差值小于所述额定电流值的第一预设比例值时，判定换相正常；

所述第二判定单元，还用于在所述直流电流变化率的数值大于或等于所述第一预设数值且所述直流电流值与所述预设电流值的差值大于或等于所述额定电流值的第一预设比例值时，依据熄弧角换相波形判断法判断换相过程中波形是否故障。

进一步地，所述高压直流输电换相异常检测装置还包括：分析模块，所述分析模块包括：

阀导通区间确定单元，其用于根据触发脉冲确定换流变压器阀侧三相电流波形对应的阀导通区间；

旁通对投入判断单元，其用于判断换相失败的起始阀，并由所述起始阀起按预设顺序换相，至所述换流变压器相电流降为0旁通对投入，其中，旁通对投入的阀在换相失败阀所在相。

本发明实施例的上述技术方案具有如下有益的技术效果：

通过获取直流输电系统换相运行参数采样的范围，并根据运行工况计算换相重叠角的值；通过对换相过程参数的量化判断比较，对换流阀是否发生换相异常进行判断；换相失败时，进行换相过程分析，确定换相失败时导通的旁通对；根据量化的换相失败数据和换相过程分析，确定换相失败的原因。

附图说明

图1是本发明实施例提供的高压直流输电换相异常检测方法流程图；

图2是本发明实施例提供的高压直流输电换相异常检测方法逻辑示意图；

图3是本发明实施例提供的逆变器换相失败波形图；

图4是本发明实施例提供的阀1到阀3换相过程电压波形图；

图5是本发明实施例提供的熄弧角换相波形判断法电压电流波形图；

图6是本发明实施例提供的换相异常电流波形图；

图7是本发明实施例提供的高压直流输电换相异常检测装置模块框图；

图8是本发明实施例提供的获取模块框图；

图9是本发明实施例提供的第一判断模块框图；

图10是本发明实施例提供的分析模块框图。

附图标识：

1、获取模块，11、第一获取单元，12、第二获取单元，13、第三获取单元，2、第一判断模块，21、第一判断单元，22、第二判断单元，23、第三判断单元，24、第一判定单元，25、第四判断单元，26、第二判定单元，3、第二判断模块，4、判定模块，5、分析模块，51、阀导通区间确定单元，52、旁通对投入判断单元。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

图1是本发明实施例提供的高压直流输电换相异常检测方法流程图。

图2是本发明实施例提供的高压直流输电换相异常检测方法逻辑示意图。

请参照图1和图2，本发明实施例的第一方面提供了一种高压直流输电换相异常检测方法，包括如下步骤：

S100，获取直流输电系统运行时的换相参数。

进一步地，获取直流输电系统运行时的换相参数，包括：

S110，获取极控发出的晶闸管触发控制脉冲波形。

S120，获取换流变压器网侧绕组的线电压波形。

S130，获取换流变压器阀侧绕组的相电流波形，检测其在单个周期的导通时间，并计算换相重叠角。

具体的，直流输电系统换相运行参数采样具体包含以下内容：极控发出的晶闸管触发控制脉冲(竖琴脉冲)波形，换流变压器网侧绕组的线电压波形，阀侧绕组的相电流波形，检测阀侧绕组相电流在单个周期的导通时间T1，计算换相重叠角μ,在任意稳态情况下，换相重叠角的计算公式为：

其中，μ为换相重叠角，γ为熄弧角，d_x为换相电感压降，I_d为直流电流，I_dN为额定直流电流，U_dioN为额定直流空载电压，U_dio为空载直流电压。

S200，判断换相参数是否正常。

进一步地，步骤S200中，判断换相参数是否正常，包括：

S210，判断极控发出的晶闸管触发控制脉冲是否错误。和/或，

S220，判断换流变压器网侧的交流电压波形是否畸。和/或，

S230，判断导通时间是否未等于换相重叠角与120°之和；

S240，如是则判定换相异常，如否则判定换相正常。

可选的，步骤S240中在判定换相正常之前，还包括：判断直流电流变化率的数值是否小于第一预设数值，且直流电流值与预设电流值的差值是否小于额定电流值的第一预设比例值；如是，则判定换相正常；如否，则依据熄弧角换相波形判断法判断换相过程中波形是否故障。

判断直流电流变化率的数值是否小于保护定值m，且直流电流Id与预设电流Is的差值Id-Is是否小于额定电流IdN的第一预设比例值，采用熄弧角换相波形判断法(γ角换相波形判断法)判断换相过程中波形是否故障。

优选的，第一预设比例值为18％。

S200步骤中，换相过程参数的量化判断，具体包含以下内容：判断极控发出的触发控制脉冲是否错误；判断网侧交流电压波形是否畸变；判断T1是否等于120°+μ。

S300，如换相参数异常，则依据熄弧角换相波形判断法判断换相过程中波形是否故障。

结合图5，熄弧角(γ)角换相波形判断法：在换流变压器三相网侧绕组过零点时刻，对于不同的dU/dt，对应于相应的阀导通或关断。

换相失败时得出换相过程分析，具体包含以下内容：首先根据触发脉冲确定，换流变阀侧ABC三相电流波形中对应的阀1、阀3、阀5、阀4、阀6和阀2的导通区间；然后根据γ角换相波形判断法，判断出换相失败的起始阀，从故障起始阀开始，沿着阀135462循环导通的换相顺序，到完成旁通对的投入，旁通对投入的阀在换相失败阀所在相的单阀，交流电流降为0，直流电流增大的过程。

S400，如波形为故障状态波形，则判定换相失败。

具体的，步骤S400中，在判定换相失败之后，还包括：

S410，根据触发脉冲确定换流变压器阀侧三相电流波形对应的阀导通区间；

S420，判断换相失败的起始阀，并由起始阀起按预设顺序换相，至换流变压器相电流降为0旁通对投入，其中，旁通对投入的阀在换相失败阀所在相。

换相失败的原因具体包含以下内容：1)直流输电逆变侧换流阀由于直流控制系统原因引起触发角α增大，引起关断角γ的减小；2)换相电感的改变，引起换相重叠角μ增大，换相时间增长；3)交流电网电压波形，电压波形畸变，无法实现换相过程。

S500，如波形为正常状态波形，则判定换相异常但未换相失败。

图3是本发明实施例提供的逆变器换相失败波形图。

图4是本发明实施例提供的阀1到阀3换相过程电压波形图。

图5是本发明实施例提供的熄弧角换相波形判断法电压电流波形图。

图6是本发明实施例提供的因触发角控制延迟引起换相失败的阀电压波形图。

请参照图3、图4、图5和图6，在本发明实施例的一个具体实施方式中，以逆变换流站受到交流网测电压波动引起短时换相失败为例，取样波形如图3所示，首先充分获取直流输电系统换相过程中的运行参数，判断控制脉冲的实际值与设定值是否完全一致，若不一致则判定为换相异常，若一致则根据交流电压波形进一步判断交流电压是否故障，若故障则判定为换相异常，若无故障则进一步根据导通周期判断法，判断换流阀桥臂的每一次导通区间时间T1是否等于120°+μ，若不等则判定为换相异常，若相等则进一步根据直流电流变化率与变化值判断是否满足定值要求，若满足则换相正常，若不满足则换相异常，所有换相异常的情况进一步根据熄弧角(γ)角换相波形判断法，判断换相时的换相阀和关断阀是否准确动作，若准确动作则判断为发生换相异常，但未发生换相失败，若未准确动作则判断为发生换相失败。

如图3中，触发控制脉冲信号准确，根据交流电压波形判断交流电压发生故障，进而采用熄弧角(γ)角换相波形判断法，判断发生换相失败。进一步的，输出换相失败过程信息和旁通对信息具体如下：

根据触发脉冲和电压电流波形确定T1时刻，V2向V4换相，Uc>Ua,V2承受反压，此时电流开始下降，由于网侧C相电压跌落，导致V2电流未到0，又开始承受正向电压，继续导通(T2时刻)，V4在过了T2时刻后，V4承受反压，电流回降，发生倒换相。T2-T3时刻，V3向V5换相，Uc>Ub，V5承受正压导通，此时V2和V5导通，形成旁通对，此时V4承受反压关断，交流侧相电流降为0。T3-T4时刻，控制系统给V6发触发脉冲，V6承受反压，无法导通，V2和V5继续导通。T4-T6时刻，V5向V1换相，Ua>Uc，V1导通，V5正常关断，V2和V1导通。T7时刻，V1向V3换相，Ub>Ua，V1承受反压，正常关断，V2和V3导通，至此换相恢复正常。

进而开展换相失败的原因分析，故障时刻CCP主机发出CPRY触发脉冲正常，V2向V4换相，但交流网测电压发生畸变，导致换相电压不足，关断角快速下降，即换流阀承受反向电压时间急剧缩短，引起换相失败。

直流输电逆变侧换流阀由于直流控制系统原因引起触发角α增大，引起换相失败的应用例，如图6，阀3触发延迟后，由于换相重叠时间和阀1关断时间短，阀1未能充分关断，阀3未能正常换相导通，进一步导致阀1重新承受正向电压，再次导通，不再赘述。

综上所述，高压直流输电换相异常检测方法包含如下详细步骤：1、检测极控发出的晶闸管触发控制脉冲波形与时刻的准确性；2、检测换流变压器一次绕组的线电压波形和二次绕组电流波形；3、根据逆变站设定的直流电压、直流电流、关断角γ及换流变短路阻抗，计算换相重叠角μ；4、检测换流变压器二次绕组电流每相在一个周期内导通时间区间为120°+μ，其中等于同时刻直流电流的时间区间为120°-μ；5、正常换相过程阀电流上升率直流电流变化率应小于换流站控制系统设定的最大定值；6、直流电流幅值与设定值的差值应小于0.18倍额定电流；7、换相异常起始时刻判定方法为：换流变压器一次绕组线电压过零点前熄弧角γ对应时刻，换相关断阀应关断，阀电流为0，换相导通阀应导通，电流为直流电流Id。换相失败发生时，判定形成旁通对的相为未关断阀所在相。

本发明的高压直流输电换相异常检测方法，可以快速准确地判断高压直流输电换流阀是否发生换相异常及换相失败，并分析换相失败过程，得出换相失败的原因，可为高压直流输电换相异常的分析研究提供借鉴，具有较强的工程实用性。本发明已经过理论计算和工程实例验证，还提出了熄弧角角换相波形判断法，具有极高的可靠性和精确性。

图7是本发明实施例提供的高压直流输电换相异常检测装置模块框图。

相应地，请参照图7，本发明实施例的第二方面提供了一种高压直流输电换相异常检测装置，包括：

获取模块1，其用于获取直流输电系统运行时的换相参数；

第一判断模块2，其用于判断换相参数是否正常；

第二判断模块3，其用于如换相参数异常，则依据熄弧角换相波形判断法判断换相过程中波形是否故障；

判定模块4，其用于在波形为故障状态波形时判定换相失败；

判定模块4还其用于在波形为正常状态波形时判定换相异常但未换相失败。

图8是本发明实施例提供的获取模块框图。

进一步地，请参照图9，获取模块1包括：

第一获取单元11，其用于获取极控发出的晶闸管触发控制脉冲波形；

第二获取单元12，其用于获取换流变压器网侧绕组的线电压波形；

第三获取单元13，其用于获取换流变压器阀侧绕组的相电流波形，检测其在单个周期的导通时间，并计算换相重叠角。

图9是本发明实施例提供的第一判断模块框图。

进一步地，请参照图9，第一判断模块2包括：

第一判断单元21，其用于判断极控发出的晶闸管触发控制脉冲是否错误；和/或

第二判断单元22，其用于判断换流变压器网侧的交流电压波形是否畸变；和/或

第三判断单元23，其用于判断导通时间是否未等于换相重叠角与120°之和；

第一判定单元24，其用于判定第一判断单元21、第二判断单元22和/或第三判断单元23的判断结果为是时，判定换相异常；

第一判定单元24还用于在判定第一判断单元21、第二判断单元22和第三判断单元23的判断结果均为否时，判定换相正常。

进一步地，第一判断模块2还包括：

第四判断单元25，其用于判断直流电流变化率的数值是否小于第一预设数值，且直流电流值与预设电流值的差值是否小于额定电流值的第一预设比例值；

第二判定单元26，其用于在直流电流变化率的数值小于第一预设数值且直流电流值与预设电流值的差值小于额定电流值的第一预设比例值时，判定换相正常；

第二判定单元26还用于在直流电流变化率的数值大于或等于第一预设数值且直流电流值与预设电流值的差值大于或等于额定电流值的第一预设比例值时，依据熄弧角换相波形判断法判断换相过程中波形是否故障。

图10是本发明实施例提供的分析模块框图。

进一步地，请参照图10，高压直流输电换相异常检测装置还包括：分析模块5。分析模,5包括：

阀导通区间确定单元51，其用于根据触发脉冲确定换流变压器阀侧三相电流波形对应的阀导通区间；

旁通对投入判断单元52，其用于判断换相失败的起始阀，并由起始阀起按预设顺序换相，至换流变压器相电流降为0旁通对投入，其中，旁通对投入的阀在换相失败阀所在相。

本发明实施例旨在保护一种高压直流输电换相异常检测方法及装置，其中方法包括：获取直流输电系统运行时的换相参数；判断换相参数是否正常；如换相参数异常，则依据熄弧角换相波形判断法判断换相过程中波形是否故障；如波形为故障状态波形，则判定换相失败；如波形为正常状态波形，则判定换相异常但未换相失败。上述方案具备如下效果：

通过获取直流输电系统换相运行参数采样的范围，并根据运行工况计算换相重叠角的值；通过对换相过程参数的量化判断比较，对换流阀是否发生换相异常进行判断；换相失败时，进行换相过程分析，确定换相失败时导通的旁通对；根据量化的换相失败数据和换相过程分析，确定换相失败的原因。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (8)

1.一种高压直流输电换相异常检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

获取直流输电系统运行时的换相参数；

判断所述换相参数是否正常；

如所述换相参数异常，则依据熄弧角换相波形判断法判断换相过程中波形是否故障；

如所述波形为故障状态波形，则判定换相失败；

如所述波形为正常状态波形，则判定换相异常但未换相失败；

所述获取直流输电系统运行时的换相参数，包括：

获取极控发出的晶闸管触发控制脉冲波形；

获取换流变压器网侧绕组的线电压波形；

获取所述换流变压器阀侧绕组的相电流波形，检测其在单个周期的导通时间，并计算换相重叠角。

2.根据权利要求1所述的高压直流输电换相异常检测方法，其特征在于，所述判断所述换相参数是否正常，包括：

判断所述极控发出的所述晶闸管触发控制脉冲是否错误；和/或

判断所述换流变压器网侧的交流电压波形是否畸变；和/或

判断所述导通时间是否未等于所述换相重叠角与120°之和；

如是则判定换相异常，如否则判定换相正常。

3.根据权利要求2所述的高压直流输电换相异常检测方法，其特征在于，所述判定换相正常之前，还包括：

判断直流电流变化率的数值是否小于第一预设数值，且直流电流值与预设电流值的差值是否小于额定电流值的第一预设比例值；

如是，则判定换相正常；

如否，则依据熄弧角换相波形判断法判断换相过程中波形是否故障。

4.根据权利要求1所述的高压直流输电换相异常检测方法，其特征在于，所述判定换相失败之后，还包括：

根据触发脉冲确定换流变压器阀侧三相电流波形对应的阀导通区间；

判断换相失败的起始阀，并由所述起始阀起按预设顺序换相，至所述换流变压器相电流降为0旁通对投入，其中，旁通对投入的阀在换相失败阀所在相。

5.一种高压直流输电换相异常检测装置，其特征在于，包括：

获取模块，其用于获取直流输电系统运行时的换相参数；

第一判断模块，其用于判断所述换相参数是否正常；

第二判断模块，其用于如所述换相参数异常，则依据熄弧角换相波形判断法判断换相过程中波形是否故障；

判定模块，其用于在所述波形为故障状态波形时判定换相失败；

所述判定模块还其用于在所述波形为正常状态波形时判定换相异常但未换相失败；

所述获取模块包括：

第一获取单元，其用于获取极控发出的晶闸管触发控制脉冲波形；

第二获取单元，其用于获取换流变压器网侧绕组的线电压波形；

第三获取单元，其用于获取所述换流变压器阀侧绕组的相电流波形，检测其在单个周期的导通时间，并计算换相重叠角。

6.根据权利要求5所述的高压直流输电换相异常检测装置，其特征在于，所述第一判断模块包括：

第一判断单元，其用于判断所述极控发出的所述晶闸管触发控制脉冲是否错误；和/或

第二判断单元，其用于判断所述换流变压器网侧的交流电压波形是否畸变；和/或

第三判断单元，其用于判断所述导通时间是否未等于所述换相重叠角与120°之和；

第一判定单元，其用于判定所述第一判断单元、所述第二判断单元和/或所述第三判断单元的判断结果为是时，判定换相异常；

所述第一判定单元还用于在判定所述第一判断单元、所述第二判断单元和所述第三判断单元的判断结果均为否时，判定换相正常。

7.根据权利要求6所述的高压直流输电换相异常检测装置，其特征在于，所述第一判断模块还包括：

第四判断单元，其用于判断直流电流变化率的数值是否小于第一预设数值，且直流电流值与预设电流值的差值是否小于额定电流值的第一预设比例值；

第二判定单元，其用于在所述直流电流变化率的数值小于所述第一预设数值且所述直流电流值与所述预设电流值的差值小于所述额定电流值的第一预设比例值时，判定换相正常；

所述第二判定单元，还用于在所述直流电流变化率的数值大于或等于所述第一预设数值且所述直流电流值与所述预设电流值的差值大于或等于所述额定电流值的第一预设比例值时，依据熄弧角换相波形判断法判断换相过程中波形是否故障。

8.根据权利要求5所述的高压直流输电换相异常检测装置，其特征在于，还包括：分析模块；

所述分析模块包括：

阀导通区间确定单元，其用于根据触发脉冲确定换流变压器阀侧三相电流波形对应的阀导通区间；

旁通对投入判断单元，其用于判断换相失败的起始阀，并由所述起始阀起按预设顺序换相，至所述换流变压器相电流降为0旁通对投入，其中，旁通对投入的阀在换相失败阀所在相。