一种构建高压直流输电系统暂态故障特征样本库的方法

摘要

本发明公开了一种构建高压直流输电系统暂态故障特征样本库的方法，本发明基于RTDS仿真技术、电路仿真技术和指纹特征算法开发，针对特定的高压直流输电系统，通过现场收集实际故障、RTDS仿真故障、电路仿真故障等方法获取故障信息，包括SER警示信息、保护动作记录、故障录波仪记录、避雷器动作情况、故障行波监测结果、极线电压和电流数据，运用指纹算法对记录结果和波形进行特征提取，存入数据库中，建立暂态故障特征样本库。本发明的特征样本库结合直流输电系统暂态故障识别技术进行应用，可大幅提高故障的分析、判别和排除速度，具有良好的推广前景。

说明书

技术领域

本发明涉及一种构建高压直流输电系统暂态故障特征样本库的方法，属于高电压输变电技术领域。

背景技术

随着我国特高压直流输电技术的迅猛发展，相应的直流输电工程日益增多，不同电压等级交、直流输电方式的协调发展，将对我国电网的过电压暂态特性产生深远的影响。由于高压直流输电系统换流站设备种类繁多、主回路和控制保护系统结构复杂，易因设备绝缘承受过电压的威胁而导致直流系统故障或停运，严重威胁区域电网的安全运行。近几年，全国直流输电工程运行中，因暂态过程引起的单极故障及双极闭锁每年都有发生。

高压直流输电换流站中不但包括晶闸管换流阀、交流滤波器、无功补偿装置和直流滤波器等非线性元件，换流站设备的过电压特性还同时受到极控制单元、阀触发单元GFU以及故障保护控制单元调节特性的影响。与交流变电站过电压特性相比，高压直流输电系统过电压来源更为丰富、故障类型更为复杂。

目前，高压直流输电系统发生故障后，主要依靠人工凭经验判断故障类型、位置及原因，而评判依据则是录波仪所监测的极线电压和电流，信息来源少，且判断结果完全依赖于专家的经验，导致人工判断耗时长，难以实现故障的快速识别和故障过程复现，指导快速排出故障恢复送电。由于采用人工判别直流输电系统暂态故障的方法已不利于快速排除故障、恢复送电，有必要采用智能识别暂态故障技术，而该技术的基础是必须有一个足够大的故障库，可用于与实际故障进行对比。

发明内容

为了弥补人工识别故障速度慢，准确度不高的缺陷，本发明在高压直流输电系统暂态故障识别技术的基础上，本发明开发了一种基于RTDS仿真技术、电路仿真技术和特征指纹算法的故障特征样本库。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种构建高压直流输电系统暂态故障特征样本库的方法，包括如下步骤：

1）收集高压直流输电系统的历史暂态故障信息；

2）运用RTDS平台搭建高压直流输电系统的仿真模型，所述仿真模型包括一次系统和二次控制保护系统的数字模型；

3）根据所建的数字仿真模型，对高压直流输电系统运行过程中易于发生的典型暂态故障进行数字仿真计算，并记录每种暂态故障的故障信息；

4）运用ATP/EMTP或者PSCAD/EMTDC电力系统电磁暂态分析软件建立高压直流输电系统的电路仿真模型；

5）根据所建的电路仿真模型，对高压直流输电系统运行过程中易于发生的典型暂态故障进行电路仿真计算，并记录每种暂态故障的故障信息；

6）将所述步骤1），步骤3）和步骤5）获取的历史暂态故障信息及易于发生的典型暂态故障信息按照故障类型和结果信息类型进行汇总整理；

7）以故障类型作为样本，提取各类型故障的特征参量；

8）将提取的特征参量与故障类型一一对应作为样本信息存入数据库中，构建完成暂态故障特征样本库。

前述的高压直流输电系统暂态故障包括换流器故障、直流开关场故障、接地极故障、换流站交流侧故障和直流线路故障五种故障类型。

前述的故障信息包括SER警示信息、保护动作记录信息、故障录波仪记录信息、避雷器动作情况、故障行波监测结果、极线电压和电流数据。

前述的步骤5）中进行电路仿真计算分为两步，首先对已发生的暂态故障进行电路仿真计算，将仿真结果与实际结果进行对比，修正电路仿真模型参数；

然后对易于发生的典型暂态故障进行电路仿真计算，并记录相应的故障信息；

前述的步骤7）中提取各类型故障的特征参量的算法包括傅里叶变换法、指纹算法、小波变换法和最小二乘法。

前述的步骤7）中提取的特征参量为电压、电流的波形特征，包括幅值、频谱、曲率、波头和波尾时间。

本发明的有益效果是：本发明基于RTDS仿真技术、电路仿真技术和指纹特征算法建立了一种用于高压直流输电系统暂态故障识别的故障特征指纹库，该样本库针对特定的高压直流输电系统，通过现场收集实际故障、RTDS仿真故障、电路仿真故障等方法获取故障信息，包括SER警示信息、保护动作记录、故障录波仪记录、避雷器动作情况、故障行波监测结果、极线电压和电流数据，运用特征指纹算法对记录结果和波形进行特征提取，存入数据库中。本发明的故障特征样本库结合直流输电系统暂态故障识别技术进行应用，并且故障信息的来源综合了实际故障和仿真计算，样本齐全，可大幅提高故障的分析、判别和排除速度，具有良好的推广前景。

附图说明

图1为本发明暂态故障特征样本库构建的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的说明。

高压直流输电系统设备种类多，主回路和控制系统结构复杂，导致暂态故障的来源丰富。出现故障后，传统的方法是依靠人工判别，基于历史上直流系统已经出现和排除过的故障，结合该系统自身设备和控制保护的特点，逐点逐项进行排查分析，然而由于可依赖的经验少，系统庞杂，往往判断的速度很慢，延长了故障识别、定位、排除的时间周期，不利于快速恢复送电。

鉴于此，运用计算机技术智能识别故障已成为一种弥补人工判别故障技术缺陷的良好手段。研究表明，直流输电系统虽然可能出现的故障种类繁多，但终归是有限的，因而可以将可能出现的典型故障均列举出来，用传统的实验方法是不可能实现的，而结合RTDS仿真和电路仿真技术，则可以在较短时间内、花费较低的成本实现此目的。将收集到的故障信息和仿真计算结果进行特征提取，建立相应的特征样本库，结合智能识别算法即可实现暂态故障的智能识别。

高压直流输电系统暂态故障包括换流器故障、直流开关场故障、接地极故障、换流站交流侧故障和直流线路故障五种故障类型，如图1所示，本发明的暂态故障特征样本库的构建通过以下步骤完成：

（1）收集目标高压直流输电系统自身及类似工程的历史暂态故障信息，其中高压直流输电系统暂态故障包括换流器故障、直流开关场故障、接地极故障、换流站交流侧故障和直流线路故障五种类型，故障信息包括SER警示信息、保护动作记录信息、故障录波仪记录信息、避雷器动作情况、故障行波监测结果、极线电压和电流数据等类型的信息；

（2）运用RTDS平台搭建目标高压直流输电系统的仿真模型，包含了一次系统、二次控制保护系统的数字模型，一次系统指的是由承受高电压、大电流的一次设备组成的系统，包括变压器、断路器、隔离开关等，二次控制保护系统指的是用来控制和保护一次系统的设备，其电源一般是交流220V或直流220V以下；

（3）根据建立的数字仿真模型，针对高压直流输电系统运行过程中可能发生的典型暂态故障，一一进行仿真计算分析，记录每种故障的故障信息；

（4）运用ATP/EMTP或PSCAD/EMTDC等电力系统电磁暂态分析软件建立目标高压直流输电系统的电路仿真计算模型；

（5）根据建立的电路仿真计算模型，首先对已发生的暂态故障进行电路仿真计算，将仿真结果与实际结果进行对比，修正电路仿真模型参数；然后对可能发生的典型暂态故障进行电路仿真计算，并记录相应的故障信息；

（6）将以上步骤（1），步骤（3）和步骤（5）中获取的历史暂态故障信息及可能发生的典型暂态故障信息按照故障类型和故障信息类型进行汇总整理；

（7）以故障类型作为样本，提取各类型故障的特征参量；其中，提取算法可以采用傅里叶变换法、指纹算法、小波变换法和最小二乘法；提取的特征参量为电压、电流的波形特征，包括幅值、频谱、曲率、波头和波尾时间等；

（8）将提取特征参量与故障类型一一对应作为样本信息存入数据库中，构建完成暂态故障特征样本库。

以上以较佳实施例对本发明进行了说明，应当理解，上述实施例不以任何形式限定本发明，凡采用等同替换或等效变换的形式所获得的的技术方案，均落在本发明的保护范围。