本發(fā)明涉及一種高壓直流輸電換流器的閥短路故障分類與定位方法。

背景技術(shù)：

高壓直流輸電系統(tǒng)輸電容量大、輸電距離遠(yuǎn)、傳輸損耗低，因此在我國電力格局中占據(jù)著越來越重要的地位。截止2015年底，我國電網(wǎng)裝機容量15億千瓦，跨區(qū)輸電功率達(dá)到2.1億千瓦，其中23回高壓直流輸電線路承擔(dān)了其中三分之一的傳輸功率。高壓直流輸電的基本原理是：在高壓直流輸電系統(tǒng)的送電端用換流器進(jìn)行整流，將三相交流電轉(zhuǎn)換為直流電，電能經(jīng)過高壓直流輸電線路傳輸，再在高壓直流輸電系統(tǒng)的受電端用換流器進(jìn)行逆變，將直流電轉(zhuǎn)換為三相交流電，電能送入受電端的交流系統(tǒng)。

換流器是高壓直流輸電系統(tǒng)中最重要的元件之一，承擔(dān)了整流和逆變兩種重要的換流任務(wù)。換流器的核心部件為上橋臂三相上的三個閥、下橋臂三相上的三個閥。換流器的常見故障是閥短路故障，它是換流器的閥內(nèi)部或外部絕緣損壞被短接的故障，典型的閥短路故障包括換流器交流側(cè)相間短路、橋臂短路和直流出線短路三類，其中橋臂短路故障可能發(fā)生于換流器的上下橋臂中任意一相。

在實際工程中，高壓直流輸電的保護(hù)系統(tǒng)在檢測到閥短路故障發(fā)生后將閉鎖換流器，但具體的閥短路故障類型和位置并不明確，需要人為分析判斷。導(dǎo)致在閥短路故障發(fā)生后，保護(hù)系統(tǒng)無法自動、準(zhǔn)確判斷故障的類型(包括交流側(cè)相間短路、橋臂短路、直流出線短路三類)和位置(橋臂短路故障下具體的橋臂及相別)，從而使故障不能得到快速有效地處理，降低了系統(tǒng)的運行效率和可靠性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種高壓直流輸電換流器的閥短路故障分類與定位方法，該方法能夠在高壓直流輸電換流器的閥短路故障發(fā)生后，快速區(qū)分出交流側(cè)相間短路、橋臂短路和直流出線短路三種典型的閥短路故障類型，且對于橋臂短路故障可精確定位故障橋臂及其相別，從而更快速、有效地對故障進(jìn)行處理，防止事故擴大，提高系統(tǒng)的運行效率和可靠性。

本發(fā)明實現(xiàn)其發(fā)明目的所采用的技術(shù)方案是，一種高壓直流輸電換流器的閥短路故障分類與定位方法，其步驟如下：

a、數(shù)據(jù)采集

高壓直流輸電的保護(hù)系統(tǒng)實時檢測換流器是否發(fā)生閥短路故障，若保護(hù)系統(tǒng)檢測出換流器發(fā)生閥短路故障則進(jìn)行b步的操作；否則，重復(fù)本步的操作；

b、電流測量裝置在采樣窗內(nèi)將采集到的的交流側(cè)的a相電流ia、b相電流ib、c相電流ic和換流器的第n個換流閥的電流in，發(fā)送給保護(hù)系統(tǒng)的處理器；其中n為換流器的換流閥的序號，n＝1，2，3，4，5，6，分別對應(yīng)于換流器的上橋臂a相，下橋臂c相，上橋臂b相，下橋臂a相，上橋臂c相，下橋臂b相位置處的換流閥；交流側(cè)的電流方向以流入換流器方向為正方向，換流閥的電流方向以閥導(dǎo)通方向為正方向；

c、數(shù)據(jù)處理

保護(hù)系統(tǒng)的處理器對電流測量裝置發(fā)送來的數(shù)據(jù)進(jìn)行以下處理：

c1、對交流側(cè)的a相電流ia、b相電流ib、c相電流ic和第n個換流閥的電流in，分別做積分運算，得到交流側(cè)的a相電荷量qa、b相電荷量qb、c相電荷量qc和第n個換流閥的電荷量qn；

c2、將a相電荷量qa、b相電荷量qb、c相電荷量qc中的正值相加得到交流截面電荷量qj，即：

式中，sgn(·)表示符號運算；

將第1個換流閥的電荷量q1、第3個換流閥的電荷量q3、第5個換流閥的電荷量q5中的正值相加得到上橋臂截面電荷量qs，即：

將第2個換流閥的電荷量q2、第4個換流閥的電荷量q4、第6個換流閥的電荷量q6中的正值相加得到下橋臂截面電荷量qx，即：

d閥短路故障分類

處理器根據(jù)c步得到的交流截面電荷量qj、上橋臂截面電荷量qs和下橋臂截面電荷量qx，對閥短路故障進(jìn)行分類：

若交流截面電荷量qj大于上橋臂截面電荷量qs，即qj-qs＞0，處理器給出閥短路故障類型為“交流側(cè)相間短路”的故障分類結(jié)果，并結(jié)束操作；

若交流截面電荷量qj、上橋臂截面電荷量qs和下橋臂截面電荷量qx均相等，即qj＝qs＝qx，處理器給出閥短路故障類型為“直流側(cè)出線短路”的故障分類結(jié)果，并結(jié)束操作；

若上橋臂截面電荷量qs和下橋臂截面電荷量qx不相等，即|qs-qx|＞0，處理器給出閥短路故障類型為“橋臂短路”的故障分類結(jié)果；同時轉(zhuǎn)入步驟e進(jìn)行故障橋臂的定位；

e、故障橋臂定位

處理器算出交流側(cè)的a相電荷量差值δa，δa＝|qa|-(q1+q4)、b相電荷量差值δb，δb＝|qb|-(q3+q6)、c相電荷量差值δc，δc＝|qc|-(q2+q5)：找出三相電荷量差值δa、δb、δc中的最大者，該最大的相電荷量差值所在的相別，即為閥短路故障在故障橋臂中的相別；若該故障所在相別的電流為正值，則閥短路故障位于換流器的下橋臂；否則，閥短路故障位于換流器的上橋臂。

本發(fā)明故障分類及定位方法的原理和依據(jù)如下：

發(fā)生交流側(cè)相間短路故障時，沿qj正方向流過交流截面的電荷量直接通過短路點，直接沿qj反方向流出交流截面，而未經(jīng)過換流器的橋臂，所以在采樣窗內(nèi)qj-qs＞0可作為交流側(cè)相間短路故障的區(qū)分判據(jù)；

發(fā)生橋臂短路故障時，短路的橋臂將流過反方向電荷量(與圖2箭頭標(biāo)注方向相反)。由基爾霍夫電流定律，沿qj正方向流過交流截面的電荷量始終等于沿qj的反方向流出交流截面的電荷量。假設(shè)上橋臂(閥1、3、5所在的橋臂)中某橋臂發(fā)生短路，沿qj正方向流過交流截面的電荷量只包括流過上橋臂截面的電荷量，qj＝qs成立；而沿qj反方向流過交流截面的電荷量不只包括流過下橋臂截面的電荷量，還包括上橋臂中故障橋臂的反向電荷量，所以qj＞qx。綜上，橋臂短路發(fā)生于上橋臂時，有qs＞qx成立；類似地分析橋臂短路發(fā)生于下橋臂時，有qs＜qx成立，所以在采樣窗內(nèi)|qs-qx|＞0成立可以作為橋臂短路故障的區(qū)分判據(jù)。

發(fā)生直流出線短路時，沿qj正方向流過交流截面的電荷量等于沿qs方向流過上橋臂截面的電荷量；沿qj的反方向流出交流截面的電荷量等于沿qx方向流過下橋臂截面的電荷量。由基爾霍夫電流定律，沿qj正方向流過交流截面的電荷量始終等于沿qj的反方向流出交流截面的電荷量，所以在采樣窗內(nèi)qj＝qs＝qx成立可以作為直流出線短路故障的區(qū)分判據(jù)。

正常情況下，任意時間段內(nèi)流過交流支路的電荷量等于流過其相連兩條橋臂支路的電荷量之和，即δa＝δb＝δc＝0。發(fā)生橋臂短路時，若故障電流未流經(jīng)電流測量裝置，測得閥電流為零；若故障電流流經(jīng)電流測量裝置，由于電流方向與閥的導(dǎo)通方向相反，閥電流定義為零。因此采樣窗內(nèi)流過故障橋臂的電荷量始終為零，故障橋臂對應(yīng)相的交流支路與橋臂支路之間的電荷量平衡關(guān)系被打破，即該相的電荷量差值大于其他兩相的電荷量差值。因此故障橋臂所在的相別為δa、δb、δc(分別對應(yīng)于a、b、c三相)中最大值對應(yīng)的相別。由于故障橋臂為流過反方向電流，所以若采樣窗內(nèi)故障橋臂所在相交流支路的電流為流出換流器方向，故障位于上橋臂；若故障橋臂所在相交流支路的電流為流入換流器方向，故障位于下橋臂。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

一、本發(fā)明能夠在高壓直流輸電換流器的閥短路故障發(fā)生后，能快速區(qū)分出故障屬于交流側(cè)相間短路、橋臂短路和直流出線短路三種典型閥短路故障類型中的類型。并且對于橋臂短路故障可以精確定位故障所在的橋臂及其相別，便于故障的快速有效處理，從而更快速、有效地對故障進(jìn)行處理，防止事故擴大，提高系統(tǒng)的運行效率和可靠性。

二、本發(fā)明利用采樣窗內(nèi)的積分得到的截面和支路的電荷量大小關(guān)系進(jìn)行高壓直流輸電換流器的閥短路故障的分類與定位，可避免某一瞬間的干擾、誤差引起的誤判，且分類與定位的數(shù)據(jù)來源于發(fā)生閥短路故障前的一個采樣窗，避免了采用短路故障發(fā)生后的時段(數(shù)據(jù))串入了保護(hù)動作所帶來的干擾，提高了運算和判斷的準(zhǔn)確性和精確度，其分類與定位結(jié)果更準(zhǔn)確、可靠

三、以交流側(cè)相間短路為例，當(dāng)交流側(cè)正向電荷量大于后續(xù)的上下橋臂的正向電荷量，表明交流側(cè)有電荷量沒有流入后續(xù)的上下橋臂，根據(jù)基爾霍夫電流定律可以判定是交流側(cè)發(fā)生了電流泄流，即發(fā)生交流側(cè)相間短路。由此可見，本發(fā)明邏輯清晰、原理簡單，只需對電流及電荷量進(jìn)行簡單運算、比較即可得出閥短路故障的類型及定位，其運算簡單，對硬件軟件要求低，速度快，實時性好，適于工程應(yīng)用。

進(jìn)一步，本發(fā)明的發(fā)生閥短路故障前的一個采樣窗是高壓直流輸電保護(hù)系統(tǒng)檢測到閥短路故障發(fā)生時至之前的1ms時段。

含1ms的時段既能滿足數(shù)據(jù)處理要求的數(shù)據(jù)量，同時數(shù)據(jù)量不是過多避免了資源的浪費。

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

附圖說明

圖1為換流器的閥短路故障為交流側(cè)相間短路故障的示意圖。

圖2為換流器的閥短路故障為直流側(cè)出線短路故障的示意圖。

圖3為換流器的閥短路故障為橋臂短路故障示意圖。

具體實施方式

實施例

圖1-3示出，本發(fā)明的一種具體實施方式是，一種高壓直流輸電換流器的閥短路故障分類與定位方法，其步驟如下：

a、數(shù)據(jù)采集

高壓直流輸電的保護(hù)系統(tǒng)實時檢測換流器是否發(fā)生閥短路故障，若保護(hù)系統(tǒng)檢測出換流器發(fā)生閥短路故障則進(jìn)行b步的操作；否則，重復(fù)本步的操作；

b、電流測量裝置將發(fā)生閥短路故障前的一個采樣窗內(nèi)，采集到的的交流側(cè)的a相電流ia、b相電流ib、c相電流ic和換流器的第n個換流閥的電流in，發(fā)送給保護(hù)系統(tǒng)的處理器；其中n為換流器的換流閥的序號，n＝1，2，3，4，5，6，分別對應(yīng)于換流器的上橋臂a相，下橋臂c相，上橋臂b相，下橋臂a相，上橋臂c相，下橋臂b相位置處的換流閥；交流側(cè)的電流方向以流入換流器方向為正方向，換流閥的電流方向以閥導(dǎo)通方向為正方向；

c、數(shù)據(jù)處理

保護(hù)系統(tǒng)的處理器對電流測量裝置發(fā)送來的數(shù)據(jù)進(jìn)行以下處理：

c1、對交流側(cè)的a相電流ia、b相電流ib、c相電流ic和第n個換流閥的電流in，分別做積分運算，得到交流側(cè)的a相電荷量qa、b相電荷量qb、c相電荷量qc和第n個換流閥的電荷量qn；

c2、將a相電荷量qa、b相電荷量qb、c相電荷量qc中的正值相加得到交流截面電荷量qj，即：

式中，sgn(·)表示符號運算；

將第1個換流閥的電荷量q1、第3個換流閥的電荷量q3、第5個換流閥的電荷量q5中的正值相加得到上橋臂截面電荷量qs，即：

將第2個換流閥的電荷量q2、第4個換流閥的電荷量q4、第6個換流閥的電荷量q6中的正值相加得到下橋臂截面電荷量qx，即：

d閥短路故障分類

處理器根據(jù)c步得到的交流截面電荷量qj、上橋臂截面電荷量qs和下橋臂截面電荷量qx，對閥短路故障進(jìn)行分類：

若交流截面電荷量qj大于上橋臂截面電荷量qs，即qj-qs＞0，處理器給出閥短路故障類型為“交流側(cè)相間短路”的故障分類結(jié)果，并結(jié)束操作；

例如圖1所示的情形，即為交流側(cè)的b相與c相間發(fā)生了短路(圖中閃電符號所在的位置即為短路位置)。

若交流截面電荷量qj、上橋臂截面電荷量qs和下橋臂截面電荷量qx均相等，即qj＝qs＝qx，處理器給出閥短路故障類型為“直流側(cè)出線短路”的故障分類結(jié)果，并結(jié)束操作；

例如圖2所示的情形，即發(fā)生了“直流側(cè)出線短路”(圖中閃電符號所在的位置即為短路位置)。

若上橋臂截面電荷量qs和下橋臂截面電荷量qx不相等，即|qs-qx|＞0，處理器給出閥短路故障類型為“橋臂短路”的故障分類結(jié)果；同時轉(zhuǎn)入步驟e進(jìn)行故障橋臂的定位；

e、故障橋臂定位

處理器算出交流側(cè)的a相電荷量差值δa，δa＝|qa|-(q1+q4)、b相電荷量差值δb，δb＝|qb|-(q3+q6)、c相電荷量差值δc，δc＝|qc|-(q2+q5)：找出三相電荷量差值δa、δb、δc中的最大者，該最大的相電荷量差值所在的相別，即為閥短路故障在故障橋臂中的相別；若該故障所在相別的電流為正值，則閥短路故障位于換流器的下橋臂；否則，閥短路故障位于換流器的上橋臂。

例如圖3所示的情形，即為閥短路故障位于上橋臂的b相。其b相電荷量差值δb為三相電荷量差值δa、δb、δc中的最大者，且b相電流ib為負(fù)值。

本例的發(fā)生閥短路故障前的一個采樣窗是高壓直流輸電保護(hù)系統(tǒng)檢測到閥短路故障發(fā)生時至之前的1ms時段。