CN116093936A - 一种基于Hausdorff距离的直流系统换相失败预测控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于Hausdorff距离的直流系统换相失败预测控制系统，包括单相故障检测模块、三相故障检测模块和信号处理模块，单相故障检测模块和三相故障检测模块的输出经过信号处理模块处理后，输出换流阀超前触发角控制信号进行换相失败预测控制；单相故障检测模块包括交流滤波器非同期合闸扰动检测子模块和单相接地检测子模块，采用基于零序电压的Hausdorff距离进行波形相似度识别，鉴别出非同期合闸扰动和单相接地故障，并设置对应的故障判定增益值进行换相失败预测控制。与现有技术相比，本发明可区分交流滤波器非同期合闸和单相接地故障，若检测到非同期合闸扰动，选取较小的故障判定增益值，以解决逆变站存在非同期合闸故障对直流系统扰动较大的问题。

Description

一种基于Hausdorff距离的直流系统换相失败预测控制系统

技术领域

本发明涉及高压直流输电技术领域，尤其是涉及一种基于Hausdorff距离的直流系统换相失败预测控制系统。

背景技术

直流换流器在运行中会从交流系统中吸收大量的无功功率，且交流侧会产生高次谐波。实际直流工程中通常采用无源交流滤波器对交流侧进行滤波和无功补偿。以某逆变站为例，该换流站配置4大组交流滤波器，共15小组，其中8小组为交流滤波器，7小组为并联电容器。小组交流滤波器(并联电容器)进线断路器(型号LW15-550/Y4000-63)为常规瓷柱式高压六氟化硫断路器，双断口结构，西开有限公司生产，且配置有ABB公司的SWITCHSYNCF236选相合闸装置。

F236选相合闸装置在实际运行中，有个别小组交流滤波器在1年内出现3次左右的非同期合闸告警，同时会造成交直流故障录波器启动，换相失败预测控制功能动作，直流系统电压下降，直流电流上升，直流系统输送功率下降。这种交流电压扰动一般情况下不会导致直流换相失败，但是ABB技术路线的换相失败预测控制无法将其与单相接地故障区分开来，从而导致按照单相接地故障判定增益值成倍地增大换流阀的熄弧角，即GAMMA角，从而给直流系统造成较大的扰动。

现有针对换相失败预测控制(commutation failure prediction control，CFPREV)，通常只关注其启动的灵敏性而没有分析不同交流扰动例如交流滤波器非同期合闸和其它交流故障类型的区分。

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了一种基于Hausdorff距离的直流系统换相失败预测控制系统，该系统现有的单相故障检测模块进行改进，根据零序电压的Hausdorff距离进行波形相似度识别，可以区分交流滤波器非同期合闸和交流单相接地故障，并选取较小的故障增益值，从而可以一定程度上改善目前特高压换流站存在非同期合闸故障对直流系统扰动的影响。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本发明给出了一种基于Hausdorff距离的直流系统换相失败预测控制系统，包括单相故障检测模块、三相故障检测模块和信号处理模块，所述单相故障检测模块和三相故障检测模块的输出经过信号处理模块处理后，输出换流阀超前触发角控制信号进行换相预测控制；所述单相故障检测模块中设置有交流滤波器非同期合闸扰动检测子模块和单相接地检测子模块，采用基于零序电压的Hausdorff距离进行波形相似度识别，鉴别出非同期合闸扰动和单相接地故障，并通过设置对应的故障判定增益值，进行直流系统换相失败预测控制。

优选地，所述采用基于零序电压的Hausdorff距离算法，鉴别出非同期合闸扰动和单相接地故障，并通过设置对应的故障判定增益值，具体为：

计算三相交流电压的零序分量绝对值并标幺化处理；

计算零序电压3u₀(t)和3u₀(t-T)之间Hausdorff距离，即同一类型扰动的标幺化的零序电压幅值变化规律相似度，鉴别出单相接地故障和非同期合闸扰动，并设置对应的故障判定增益值；其中，T为波形相似度检测环节数据窗长。

优选地，所述零序电压的数学表达式为：

3u₀＝u_A+u_B+u_C

式中，u_A，u_B，u_C分别为ABC三相交流电源的瞬时值；

若零序电压3u₀大于动作值，则瞬时激活换相失败预测控制。

优选地，所述Hausdorff距离，表达式具体为：

对于两个有限点集A＝{a₁₁,a₁₂,…,a_1s}和B＝{b₂₁,b₂₂,…,b_2t}之间的Hausdorff距离D(A,B)，表达式为：

D(A,B)＝max[d(A,B),d(B,A)]

式中，d(B,A)、d(B,A)分别为A到B的单向Hausdorff距离、B到A的单向Hausdorff距离；|·|表示两个点值之间在平面数轴上的欧式距离。

优选地，依据单相接地故障时零序电压波形的Hausdorff距离值超过第一设定值以上，且变化范围较大，异常波形信号持续时间在k个周波及以上，区分单相接地故障和交流滤波器非同期合闸扰动。

优选地，当单相接地时零序电压波形的Hausdorff距离值超过设定值后开始计时，如果检测到信号持续k个周波时间及以上则采用故障判定增益值m，反之选择故障判定增益值n，其中，m＞n。

优选地，对于非同期合闸扰动，三相故障检测模块不会触发换相失败预测控制动作，由单相故障检测模块触发换相失败预测控制动作。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明设计的直流系统换相失败预测控制系统，对现有单相故障检测模块进行改进，根据零序电压波形的Hausdorff距离值进行波形相似度识别，可以区分交流滤波器非同期合闸和交流单相接地故障，并选取较小的故障判定增益值，从而可以一定程度上改善目前特高压换流站存在非同期合闸故障对直流系统扰动的影响；且仿真结果验证了本发明改进的直流系统换相失败预测控制系统具有良好的控制效果，对非同期合闸故障造成直流干扰有一定抑制效果。

附图说明

图1为原始型换相失败预测控制系统的逻辑框图；

图2为极1高端换流器交流三相电压畸变情况(1月30日非同期合闸)；

图3为某逆变站7月31日交流电网扰动的波形图(整流站交流电网三相故障)；

图4为三次交流电网扰动事件的u_αβ的模值(三相交流电压经Clark坐标变换到α-β平面后的向量模值)；

图5为两种类型的扰动的Hausdorff距离值变化情况(T＝4ms，合闸时间差2ms)；

图6为两种类型的扰动的Hausdorff距离值变化情况(T＝4ms，合闸时间差3ms)；

图7为本发明的改进型换相失败预测控制系统的逻辑框图；

图8为改进型和原始型CFPREV控制系统的效果对比图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

实施例

本实施例给出了一种基于Hausdorff距离的直流系统换相失败预测控制系统，包括单相故障检测模块、三相故障检测模块和信号处理模块，所述单相故障检测模块和三相故障检测模块的输出经过信号处理模块处理后，输出换流阀超前触发角控制信号进行换相预测控制；所述单相故障检测模块中设置有交流滤波器非同期合闸扰动检测子模块和单相接地检测子模块，采用基于零序电压的Hausdorff距离算法进行波形相似度识别，鉴别出非同期合闸扰动和单相接地故障，并通过设置对应的故障判定增益值，进行直流系统换相失败预测控制。

接下来结合附图对本发明进行详细介绍。

本发明的具体实施步骤归纳如下：

1)对于单相接地故障检测，当逆变站交流系统发生单相接地故障，站内交流母线电压必然出现零序分量。若零序电压3u₀大于动作值，则瞬时激活换失败预测控制功能。计算零序电压如下：

3u₀＝u_A+u_B+u_C        (1)

式中，u_A，u_B，u_C分别为ABC三相交流电源的瞬时值。

2)采用Hausdorff距离算法来计算同一类型扰动的标幺化零序电压幅值变化规律相似度，其实质就是计算两组点集之间的最大最小距离，即Hausdorff距离。首先，假设两个有限点集A＝{a₁₁,a₁₂,…,a_1s}和B＝{b₂₁,b₂₂,…,b_2t}，计算二者之间Hausdorff距离的公式如下：

D(A,B)＝max[d(A,B),d(B,A)]       (2)

式(2)中，A到B的单向Hausdorff距离如下：

式(3)中，|·|表示两个点值之间在平面数轴上的欧式距离。具体地，先将点集A的某个元素循环与点集B中所有元素求差并取绝对值后取这些计算值中的最小值，然后循环地让点集A中的其余元素作上述运算，并从获得的最小值中取出最大值，该值就是点集A到点集B的单向Hausdorff距离。同理，可求出点集B到点集A的单向Hausdorff距离d(B,A)。从而可以根据式(1)计算点集A到点集B之间的Hausdorff距离D(A,B)。Hausdorff距离越小表明点集A和B的相似程度越高。

3)通常情况下，通过计算三相交流电压的零序分量绝对值，并进行标幺化处理(以线电压515kV作为基准电压)，然后计算3u₀(t)和3u₀(t-T)之间Hausdorff距离，从而鉴别出单相接地故障和非同期合闸扰动，并相应地给出换相失败预测控制器的不同故障判定增益值，从而减小非同期合闸扰动对直流系统的影响。如图附5和6所示，可以看出两种类型的扰动的Hausdorff距离值变化幅度相差很多，异常波形信号持续时间也不同，据此可以将两种类型的扰动区分出来。

4)为了验证不同合闸角度下，交流滤波器非同期合闸对交流母线电压畸变的影响，在PSCAD中建立某换流站包括交流等值电网、交流滤波器场、直流控制系统等在内的电磁暂态仿真模型。如图5和6所示，通过改变不同的合闸时间差，大量的仿真试验发现零序电压的Hausdorff距离值在[0.2,0.5]区间变化，Hausdorff距离值变化较大的信号持续时间在半个周波左右(Hausdorff距离门槛值设为0.1)，而单相接地的Hausdorff距离值可达0.5以上，且变化范围较大，异常波形信号持续时间在1个周波以上。据此两个特征点，将单相接地故障和交流滤波器非同期合闸扰动区分开来。

5)改进的换相失败预测控制系统主要是通过修改原来ABB技术路线中单相接地故障检测模块，而不改变原来的三相故障检测器。如附图7所示，通过零序电压Hausdorff距离值超过0.1后开始计时，如果检测到信号持续1个周波时间及以上(延时启动模块，对上升沿有效)则采用较大故障判定增益值2，反之选择较小的故障判定增益值1。根据改进后的换相失败预测控制系统与原控制系统的控制效果对比。如附图7所示，V_DIFF为设定的单相故障检测的阈值；P_DIFF表示Hausdorff距离检测器的启动阈值，为了避免干扰，仿真中设为0.1。a和b分别为用于比较的实测值和阈值；数值0代表增益选取为0；A_CF为CFPREV输出的换流阀超前触发角度。通过取两种检测器的最小值和Hausdorff距离检测器是否检测到持续1个周波及以上(延时启动模块，对上升沿有效)的扰动信号决定改进型换相失败预测控制器的输出值。

通过仿真算例发现，如附图8所示，改进型比原始型换相失败预测控制系统对直流系统造成的干扰要明显下降，瞬时换流阀的熄弧角(GAMMA角)增加值减小了很多，则相应的直流电压下降幅度、直流电流上升的幅度都要小。为了保证换相安全进行，改进型控制系统保留原始型控制系统的全部功能，仅对最终的CFPREV控制器的输出值进行了调整，这样既可以保证不发生换相失败，又能尽量减小对直流系统的扰动。

综上分析，本发明根据Hausdorff距离对现有单相故障检测模块进行改进，根据零序电压波形的Hausdorff距离值进行波形相似度识别，可以区分交流滤波器非同期合闸和交流单相接地故障，并选取较小的故障判定增益值，从而可以一定程度上改善目前特高压换流站存在非同期合闸故障对直流系统扰动的影响。且仿真结果验证了改进型控制器具有良好的控制效果，对非同期合闸故障造成直流干扰有一定抑制效果。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种基于Hausdorff距离的直流系统换相失败预测控制系统，包括单相故障检测模块、三相故障检测模块和信号处理模块，所述单相故障检测模块和三相故障检测模块的输出经过信号处理模块处理后，输出换流阀超前触发角控制信号进行换相预测控制，其特征在于：

所述单相故障检测模块中设置有交流滤波器非同期合闸扰动检测子模块和单相接地检测子模块，采用基于零序电压的Hausdorff距离进行波形相似度识别，鉴别出非同期合闸扰动和单相接地故障，并通过设置对应的故障判定增益值，进行直流系统换相失败预测控制。

2.根据权利要求1所述的一种基于Hausdorff距离的直流系统换相失败预测控制系统，其特征在于：所述采用基于零序电压的Hausdorff距离进行波形相似度识别，鉴别出非同期合闸扰动和单相接地故障，并通过设置对应的故障判定增益值，具体为：

计算三相交流电压的零序分量绝对值并标幺化处理；

计算零序电压3u₀(t)和3u₀(t-T)之间Hausdorff距离，即计算同一类型扰动的标幺化的零序电压幅值变化规律之间相似度，鉴别出单相接地故障和非同期合闸扰动，并设置对应的故障判定增益值；其中，T为波形相似度检测环节的数据窗长。

3.根据权利要求2所述的一种基于Hausdorff距离的直流系统换相失败预测控制系统，其特征在于：所述零序电压的数学表达式为：

3u₀＝u_A+u_B+u_C

式中，u_A，u_B，u_C分别为ABC三相交流电源的瞬时值；

若零序电压3u₀大于动作值，则瞬时激活换相失败预测控制。

4.根据权利要求2所述的一种基于Hausdorff距离的直流系统换相失败预测控制系统，其特征在于：所述Hausdorff距离，表达式具体为：

对于两个有限点集A＝{a₁₁,a₁₂,…,a_1s}和B＝{b₂₁,b₂₂,…,b_2t}之间的Hausdorff距离D(A,B)，表达式为：

D(A,B)＝max[d(A,B),d(B,A)]

式中，d(B,A)、d(B,A)分别为A到B的单向Hausdorff距离、B到A的单向Hausdorff距离；|·|表示两个点值之间在平面数轴上的欧式距离。

5.根据权利要求2所述的一种基于Hausdorff距离的直流系统换相失败预测控制系统，其特征在于：依据单相接地故障的零序电压Hausdorff距离值达第一设定值以上，且变化范围较大，异常波形信号持续时间在k个周波以上，从而区分单相接地故障和交流滤波器非同期合闸扰动。

6.根据权利要求5所述的一种基于Hausdorff距离的直流系统换相失败预测控制系统，其特征在于：当单相接地的增的Hausdorff距离值变化差超过设定值后开始计时，如果检测到信号持续k个周波时间以上，则采用故障判定增益值m，反之选择故障判定增益值n，其中，m＞n。

7.根据权利要求2所述的一种基于Hausdorff距离的直流系统换相失败预测控制系统，其特征在于：对于交流滤波器非同期合闸扰动，三相故障检测模块不触发换相失败预测控制动作，由改进的单相故障检测模块触发换相失败预测控制动作。

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