CN115389899A - 一种换流阀晶闸管级关键部件电气状态参量在线监测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种换流阀晶闸管级关键部件电气状态参量在线监测方法，包括如下步骤：建立六脉动换流器结构模型，简化换流阀各阀臂中串联的晶闸管级结构，建立适用于对晶闸管级关键部件电气状态参量进行辨识的物理模型，测量此模型中的电源电压u in、第一回路电流i Lm、第一晶闸管两端电压u VTm以及第一晶闸管级回报信号t pm；根据步骤一中建立的简化模型，利用KCL、KVL建立表征换流阀晶闸管级电路特征的状态方程，求解得到第二回路电流i L、第二晶闸管两端电压u VT以及第二晶闸管级回报信号t p；选择步骤一中从实际物理模型中测量所得的数据与步骤二中通过计算获得的数据为状态量，利用粒子群寻优算法获得晶闸管级关键部件电气状态参量。

Description

一种换流阀晶闸管级关键部件电气状态参量在线监测方法
技术领域
本发明涉及电力电子高压直流输电技术领域，涉及一种换流阀晶闸管级关键部件电气状态参量在线监测方法。
背景技术
高压直流输电技术在国内外得到了快速发展，我国是目前世界上运行与在建直流工程最多、容量最大、电压等级最高的直流输电大国。晶闸管由于具有通流容量大、耐压高等优点，晶闸管换流阀仍是目前最常用的换流器件，它的可靠性关乎直流输电系统的安全稳定运行。
为了保障换流阀设备的安全平稳运行，对其晶闸管级关键组件进行状态监测与评估就显得尤为重要。过去对晶闸管换流阀的状态评估主要通过定期离线检修实现，用于评估的状态量包括绝缘性能、运行功能、元件发热及元件参数等，其中晶闸管级等效绝缘电阻与阻尼电容参数在对晶闸管级的健康状态评估中起着重要作用。
以年为单位对换流阀停电检修需通过拆卸各元件再依次检测评估，而对换流阀内数千个串联的晶闸管级器件逐一检测需要花费巨大的人力物力，且在换流阀中晶闸管级器件劣化问题没有严重到一定程度时难以得到注意。另外，现有技术中还常采用额外增加传感等测量装置进行状态监测的方法，但是此方法可能会对换流阀本身电磁结构造成影响，并不具有较好的工程经济性。
发明内容
本发明提供了一种换流阀晶闸管级关键部件电气状态参量在线监测方法，利用现有工程中可获得的电压、电流及回报信号等状态信息对换流阀晶闸管级中的关键电气状态参量进行在线监测，具体通过下述技术方案实现：
步骤一：建立六脉动换流器结构模型，简化换流阀各阀臂中串联的晶闸管级结构，建立适用于对晶闸管级关键部件电气状态参量进行辨识的物理模型，测量此模型中的电源电压u in、第一回路电流i Lm、第一晶闸管两端电压u VTm以及第一晶闸管级回报信号t pm等相关参量；
步骤二：根据步骤一中建立的简化模型，利用KCL（基尔霍夫电流定律）、KVL（基尔霍夫电压定律）建立表征换流阀晶闸管级电路特征的状态方程，求解得到第二回路电流i L、第二晶闸管两端电压u VT以及第二晶闸管级回报信号t p；
步骤三：选择步骤一中从实际物理模型中测量所得的数据与步骤二中通过计算获得的数据为状态量，利用粒子群寻优算法获得晶闸管级等效绝缘电阻和阻尼电容等晶闸管级关键部件电气状态参量。
所述六脉动换流器的结构是三相Graetz桥包含6个电力电子开关，每一个开关将交流的一相和一个直流端连接起来。一个完整的开关元件内部还包括保证正常工作相关的二极管，整体称作阀臂。工作状态中，有且仅有两个阀臂会同时导通：一个位于一相的上桥臂，另一个位于不同相的下桥臂两个导通的阀臂将三相交流电中的两相串联连接起来，与直流端口相连。任意时刻的直流输出电压都是两相交流电的串联叠加的组合。
所述粒子群寻优算法是通过模拟鸟群觅食过程中的迁徙和群聚行为而提出的一种基于群体智能的全局随机搜索算法。初始化为一群随机粒子，然后通过迭代找到最优解在每一次迭代中，粒子通过跟踪两个"极值"来更新自己。第一个就是粒子本身所找到的最优解，这个解叫做个体极值。另一个极值是整个种群目前找到的最优解，这个极值是全局极值。
在上述方案的基础上，进一步的有：以所述步骤一中建立的物理模型以六脉动换流器中的阀臂为对象，阀臂中串联多个相同结构的晶闸管级以及桥臂电抗器，分别针对导通和关断时刻进行电路分析。
在上述方案的基础上，进一步的有：所述步骤一中的晶闸管级包括晶闸管器件、直流均压电阻、阻尼电容以及阻尼电阻。
在上述方案的基础上，进一步的有：所述步骤一中的电源电压u in、第一回路电流i Lm、第一晶闸管两端电压u VTm以及第一晶闸管级回报信号t pm通过直流输电工程中可在线获得的状态信息，无需额外增加传感测量设备。
在上述方案的基础上，进一步的有：所述步骤二中建立的状态方程根据步骤一中建立的电路模型获得，该状态方程以第二回路电流i L，阻尼电容两端电压u C为自变量，以待辨识参数以及回路中其他电气量为参数，建立一阶微分方程组。
在上述方案的基础上，进一步的有：所述步骤二中建立的一阶微分状态方程通过四阶龙格库塔方法进行数值计算求解，得到第二回路电流i L，阻尼电容端电压u C，第二晶闸管级两端电压u VT由回路电流i L和阻尼电容端电压u C线性表示。
所述龙格库塔方法是一种在工程上应用广泛的高精度单步算法，其中包括著名的欧拉法，用于数值求解微分方程。由于此算法精度高，采取措施对误差进行抑制，所以其实现原理也较复杂。
在上述方案的基础上，进一步的有：所述步骤二中的第二晶闸管级回报信号t p，在每个工频周期内实时信号脉冲，由TCU（远程信息控制单元）通过光纤以脉冲信号的形式传输至控制系统中。
在上述方案的基础上，进一步的有：所述步骤三将通过粒子群算法获得参数，即利用步骤一中从实际物理模型中测量所得与步骤二中通过对电路方程数值计算获得的电流、电压及回报信号等状态量构造目标函数，通过粒子群寻优算法获得晶闸管级关键部件电气状态参量。
在上述方案的基础上，进一步的有：所述目标函数的构建表达式为：
Figure 783566DEST_PATH_IMAGE002
其中，f obj为目标函数。
在上述方案的基础上，进一步的有：所述粒子寻优算法通过多次迭代使得目标函数值最小，即可得到目标晶闸管级关键部件电气状态参量。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
本申请通过简化六脉动换流器，以六脉动换流器中的阀臂为对象，联立对物理模型中的测量参数值和电路方程式中的计算参数值，利用粒子群寻优算法及龙格库塔方法在线获得换流阀晶闸管级关键部件电气状态参量，实现了利用现有工程中可获得的电压、电流及回报信号等状态信息对换流阀晶闸管级中的关键电气状态参量进行在线监测，相比于现有技术使用的评估检测方式效率更高、更加准确及时。
附图说明
为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。在附图中：
图1为实施例的参数监测方法流程图；
图2为实施例的六脉动换流器等效电路图；
图3为六脉动换流器中的一个换流阀等效电路图；
图4为实施例的实际模型与数值计算所得电压波形对比图；
图5为实施例的实际模型与数值计算所得电流波形对比图。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
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白，下面将结合本发明实施方式中的附图图1至图5，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实施例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的结构、电路、材料或方法。
在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
本领域普通技术人员可以理解实现上述事实和方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，涉及的程序或者所述的程序可以存储于一计算机所可读取存储介质中，该程序在执行时，包括如下步骤：此时引出相应的方法步骤，所述的存储介质可以是ROM/RAM、磁碟、光盘等等。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
实施例：
如图1所示，在本实施例中，一种换流阀晶闸管级关键部件电气状态参量在线监测方法，包括如下步骤：
步骤一：建立如图2所示的六脉动换流器结构模型，包括V1、V2、V3、V4、V5、V6六个换流器中的阀臂，电路中串联有平波电抗器L和负载电阻R。简化换流阀各阀臂中串联的晶闸管级结构，以六脉动换流器中的阀臂V5为对象，建立适用于对晶闸管级关键部件电气状态参量进行辨识的物理模型，如图3所示，阀臂V5由3级相同结构的晶闸管级串联，回路中还串联有桥臂电抗器L；晶闸管级包含晶闸管器件(如：T1)、阻尼回路(如：R1+C1)和直流均压电阻(如：Rd)。分别针对导通和关断时刻进行电路分析，通过直流输电工程在线测量此模型中的电源电压u in、第一回路电流i Lm、第一晶闸管两端电压u VTm以及第一晶闸管级回报信号t pm；
步骤二：根据步骤一中建立的简化模型，利用KCL、KVL建立表征换流阀晶闸管级电路特征的状态方程，以第二回路电流i L，阻尼电容两端电压u C为自变量，以待辨识参数以及回路中其他电气量为参数，建立一阶微分方程组；通过四阶龙格库塔方法进行数值计算求解，得到第二回路电流i L，阻尼电容端电压u C，第二晶闸管级两端电压u VT由回路电流i L和阻尼电容端电压u C线性表示；在一个工频周期内，阀臂V5导通时，回路中串联电感为桥臂电感与回路平波电抗器电感之和，负载电阻为Ro，阀臂V5关断时，V5所在电路由电源电压、共阴极的阀臂V1(V3)以及桥臂电抗器组成，回路中无负载。在每个工频周期内实时信号脉冲，由TCU通过光纤以脉冲信号的形式将第二晶闸管级回报信号t p传输至控制系统中。
步骤三：选择步骤一中从实际物理模型中测量所得的第一回路电流i Lm、晶闸管两端电压第一u VTm、第一晶闸管级回报信号t pm与步骤二中通过对电路方程数值计算获得的回路电流第二i L、第二晶闸管两端电压u VT和第二晶闸管级回报信号t p等状态量构造目标函数f obj：
Figure 107231DEST_PATH_IMAGE002
利用粒子群寻优算法通过多次迭代使得目标函数值最小，即可得到等效绝缘电阻和阻尼电容等晶闸管级关键部件电气状态参量。
如图4-图5所示，为物理模型中通过测量获得的电压、电流波形和数值计算获得的电压、电流波形对比图。图中黑色曲线为实际物理模型中测量获得的晶闸管电压u VTm波形和电流i Lm波形，黑色曲线为数值计算获得的晶闸管电压u VT波形和电流i L波形，两者吻合程度较好，说明电路方程与实际物理模型输出的状态量具有一致性，可由此推导物理模型中的内部参数。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种换流阀晶闸管级关键部件电气状态参量在线监测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：建立六脉动换流器结构模型，简化换流阀各阀臂中串联的晶闸管级结构，建立适用于对晶闸管级关键部件电气状态参量进行辨识的物理模型，测量此模型中的电源电压u in、第一回路电流i Lm、第一晶闸管两端电压u VTm以及第一晶闸管级回报信号t pm；
步骤二：根据步骤一中建立的简化模型，利用KCL和KVL建立表征换流阀晶闸管级电路特征的状态方程，求解得到第二回路电流i L、第二晶闸管两端电压u VT以及第二晶闸管级回报信号t p；
步骤三：选择步骤一中从实际物理模型中测量所得的数据与步骤二中通过计算获得的数据为状态量，利用粒子群寻优算法获得晶闸管级关键部件电气状态参量。
2.根据权利要求1所述的一种换流阀晶闸管级关键部件电气状态参量在线监测方法，其特征在于，以所述步骤一中建立的物理模型以六脉动换流器中的阀臂为对象，阀臂中串联多个相同结构的晶闸管级以及桥臂电抗器，分别针对导通和关断时刻进行电路分析。
3.根据权利要求1所述的一种换流阀晶闸管级关键部件电气状态参量在线监测方法，其特征在于，所述步骤一中的晶闸管级包括晶闸管器件、直流均压电阻、阻尼电容以及阻尼电阻。
4.根据权利要求1所述的一种换流阀晶闸管级关键部件电气状态参量在线监测方法，其特征在于，所述步骤一中的电源电压u in、第一回路电流i Lm、第一晶闸管两端电压u VTm以及第一晶闸管级回报信号t pm通过直流输电工程在线获得。
5.根据权利要求1所述的一种换流阀晶闸管级关键部件电气状态参量在线监测方法，其特征在于，所述步骤二中建立的状态方程根据步骤一中建立的电路模型获得，该状态方程以第二回路电流i L，阻尼电容两端电压u C为自变量，以待辨识参数以及回路中其他电气量为参数，建立一阶微分方程组。
6.根据权利要求1所述的一种换流阀晶闸管级关键部件电气状态参量在线监测方法，其特征在于，所述步骤二中建立的一阶微分状态方程通过四阶龙格库塔方法进行数值计算求解，得到第二回路电流i L，阻尼电容端电压u C，第二晶闸管级两端电压u VT由回路电流i L和阻尼电容端电压u C线性表示。
7.根据权利要求1所述的一种换流阀晶闸管级关键部件电气状态参量在线监测方法，其特征在于，所述步骤二中的第二晶闸管级回报信号t p，在每个工频周期内实时信号脉冲，由TCU通过光纤以脉冲信号的形式传输至控制系统中。
8.根据权利要求1所述的一种换流阀晶闸管级关键部件电气状态参量在线监测方法，其特征在于，所述步骤三将通过粒子群算法获得参数，即利用步骤一中从实际物理模型中测量所得与步骤二中通过对电路方程数值计算获得的电流、电压及回报信号构造目标函数，通过粒子群寻优算法获得晶闸管级关键部件电气状态参量。
9.根据权利要求8所述的一种换流阀晶闸管级关键部件电气状态参量在线监测方法，其特征在于，所述目标函数的构建表达式为：
Figure 154232DEST_PATH_IMAGE002
其中，f obj为目标函数。
10.根据权利要求8所述的一种换流阀晶闸管级关键部件电气状态参量在线监测方法，其特征在于，所述粒子寻优算法通过多次迭代使得目标函数值最小，即可得到目标晶闸管级关键部件电气状态参量。
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