两电平柔性直流输电换流器故障保护后的故障诊断方法

摘要

本发明公开了一种两电平柔性直流输电换流器故障保护后的故障诊断方法，包括以下步骤：步骤一、故障信号采集；步骤二、故障信号预处理；步骤三、故障特征参数计算；步骤四、换流器故障诊断模块通过层次化方法进行换流器故障诊断。本发明的方法步骤简单，实现方便，成本较低，计算速度快，故障诊断识别率高，实用性强，使用效果好，便于推广使用。

说明书

技术领域

本发明属于柔性直流输电系统技术领域，具体涉及一种两电平柔性直流输电换流器故障保护后的故障诊断方法。

背景技术

柔性直流输电系统(VSC-HVDC)是应绿色电网、新能源发电并网要求而发展起来的一种新型直流输电技术，现今已广泛应用到风力发电、孤岛送电、海洋发电等很多领域。电压源换流器(VSC)作为VSC-HVDC系统的核心，它实现交流电与直流电的变换，但过压过流能力差，容易出现故障问题并维护困难，因此研究电压源换流器内部故障，制定故障保护策略，准确识别故障类型及位置，为装置的安全可靠运行与故障快速恢复提供有力的保障十分重要。

目前关于VSC-HVDC换流器故障保护的取得了不少成果，例如，申请号为201110243651.X的中国专利公开一种模块化多电平换流器的保护系统及其保护方法，该方法在电抗器和电网的连接之间设置光学电流互感器，通过监测判定是否有过流现象，若有过流现象是进行暂时全局闭锁还是永久全局闭锁；申请号为201510089088.3的中国专利公开了柔性直流输电多电平的过流保护方法，该方法研究解决了包括阀基电子设备检测阀桥臂过流故障保护配置方法，以及阀基电子设备检测过流故障时保护功能实现方法。

目前关于VSC-HVDC换流器故障诊断的成果较少，例如，申请号为201310132795.7的中国专利公开了一种模块化多电平换流器的子模块故障诊断方法，针对子模块的子模块IGBT短路、IGBT开路、FWD短路等故障做了分析，通过电容电压、桥臂电流及此时的触发信号作为故障诊断信号进行子模块故障诊断；作者李志雄和严新平于2011年发表的论文《独立分量分析和流形学习在VSC-HVDC系统故障诊断的应用》，以及作者孙晓云、同向前和尹军于2012年发表的论文《VSC-HVDC系统换流器故障仿真分析及诊断方法的研究》研究基于两电平电压源换流器的VSC-HVDC故障运行特性，结合信号处理和模式识别的思想设计换流器故障诊断方法；但是，现有技术中提出的基于两电平电压源换流器的VSC-HVDC故障诊断方法需要提取较长时间的诊断信号，如果电压源换流器出现交流单相接地等后果严重的贯穿故障，故障瞬间产生严重过流现象，短时间内需要启动保护策略保护电压源换流器，而提出的诊断方法遇到了提取故障诊断信号的困难，其故障诊断方法很难应用于实际系统。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种两电平柔性直流输电换流器故障保护后的故障诊断方法，其方法步骤简单，实现方便，成本较低，计算速度快，故障诊断识别率高，实用性强，使用效果好，便于推广使用。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种两电平柔性直流输电换流器故障保护后的故障诊断方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、故障信号采集：当换流器故障诊断模块接收到换流器故障保护模块发送给其的IGBT器件闭锁脉冲后，换流器故障诊断模块采集电压传感器检测到的故障换流器闭锁时刻输出端的直流电压U_dc(0)，以及故障换流器闭锁后两个周期内A相电流传感器检测到的故障换流器闭锁后的A相交流电流i_a(n)、B相电流传感器检测到的故障换流器闭锁后的B相交流电流i_b(n)和C相电流传感器检测到的故障换流器闭锁后的C相交流电流i_c(n)；其中，n的取值为1、2、…、2N，N为故障换流器闭锁后一个周期内A相电流传感器、B相电流传感器和C相电流传感器的采样点数；N的取值为50～200的自然数；

步骤二、故障信号预处理:换流器故障诊断模块以换流器故障前换流器直流电压设定值U_set为标幺值，根据标幺化预处理直流电压计算公式U'_dc(0)＝U_dc(0)/U_set计算得到标幺化预处理后的故障换流器闭锁时刻输出端的直流电压U'_dc(0)；

步骤三、故障特征参数计算，具体过程为:

步骤301、换流器故障诊断模块根据公式计算得到A相交流电流的直流量i_a0、B相交流电流的直流量i_b0和C相交流电流的直流量i_c0；

步骤302、换流器故障诊断模块根据公式计算得到A相交流电流的绝对平均值B相交流电流的绝对平均值和C相交流电流的绝对平均值

步骤303、换流器故障诊断模块根据公式计算得到三相交流电流绝对平均值的最大值

步骤304、换流器故障诊断模块根据公式计算得到三相交流电流绝对平均值的最小值

步骤305、换流器故障诊断模块根据公式i_maxabs＝max(|i_a0|,|i_b0|,i_c0|)计算得到三相交流电流的直流量的绝对最大值i_maxabs；

步骤四、换流器故障诊断模块通过层次化方法进行换流器故障诊断，具体过程为:

步骤401、换流器故障诊断模块根据判定条件判定故障类型，当判定条件成立时，判定故障类型为桥臂直通故障和直流接地故障中的一类，执行步骤402；否则，当判定条件不成立时，判定故障类型为IGBT器件失效短路故障、单相接地故障和两相短路故障中的一类，执行步骤403；其中，δ₁为三相交流电流绝对平均值的最大值的故障判定阈值；

步骤402、换流器故障诊断模块根据判定条件U'_dc(0)>δ₂判定故障类型，当判定条件U'_dc(0)>δ₂成立时，判定故障类型为直流接地故障；否则，当判定条件U'_dc(0)>δ₂不成立时，判定故障类型为桥臂直通故障；其中，δ₂为标幺化预处理后的故障换流器闭锁时刻输出端的直流电压U'_dc(0)的故障判定阈值；

步骤403、换流器故障诊断模块根据判定条件判定故障类型，当判定条件成立时，判定故障类型为两相短路故障，执行步骤404；否则，当判定条件不成立时，判定故障类型为IGBT器件失效短路故障和单相接地故障中的一类，执行步骤405；其中，δ₃为三相交流电流绝对平均值的最小值的故障判定阈值；

步骤404、换流器故障诊断模块根据判定条件判定故障相位置，当判定条件成立时，判定A相为非故障相，B相和C相为故障相；当判定条件成立时，判定B相为非故障相，A相和C相为故障相；当判定条件成立时，判定C相为非故障相，A相和B相为故障相；

步骤405、换流器故障诊断模块根据判定条件判定故障类型，当判定条件成立时，判定故障类型为IGBT器件失效短路故障，执行步骤406；否则，当判定条件不成立时，判定故障类型为单相接地故障，执行步骤407；

步骤406、换流器故障诊断模块根据判定条件|i_x0|＝i_maxabs,(x＝a,b,c)判定故障相位置，当判定条件|i_a0|＝i_maxabs成立时，判定A相为故障相，B相和C相为非故障相，再根据判定条件i_a0<0判定故障是A相上桥臂故障还是A相下桥臂故障，当判定条件i_a0<0成立时，判定为A相上桥臂故障，否则，当判定条件i_a0<0不成立时，判定为A相下桥臂故障；当判定条件|i_b0|＝i_maxabs成立时，判定B相为故障相，A相和C相为非故障相，再根据判定条件i_b0<0判定故障是B相上桥臂故障还是B相下桥臂故障，当判定条件i_b0<0成立时，判定为B相上桥臂故障，否则，当判定条件i_b0<0不成立时，判定为B相下桥臂故障；当判定条件|i_c0|＝i_maxabs成立时，判定C相为故障相，A相和B相为非故障相，再根据判定条件i_c0<0判定故障是C相上桥臂故障还是C相下桥臂故障，当判定条件i_c0<0成立时，判定为C相上桥臂故障，否则，当判定条件i_c0<0不成立时，判定为C相下桥臂故障；

步骤407、换流器故障诊断模块根据判定条件判定故障相位置，当判定条件成立时，判定A相为故障相，B相和C相为非故障相；当判定条件成立时，判定B相为故障相，A相和C相为非故障相；当判定条件成立时，判定C相为故障相，A相和B相为非故障相。

上述的两电平柔性直流输电换流器故障保护后的故障诊断方法，其特征在于：步骤一种所述故障换流器闭锁后一个周期的时长为20ms。

上述的两电平柔性直流输电换流器故障保护后的故障诊断方法，其特征在于：步骤一和步骤三中所述N的取值为100。

上述的两电平柔性直流输电换流器故障保护后的故障诊断方法，其特征在于：步骤401中所述δ₁的取值为换流器交流电流额定值的1％。

上述的两电平柔性直流输电换流器故障保护后的故障诊断方法，其特征在于：步骤402中所述δ₂的取值为0.25。

上述的两电平柔性直流输电换流器故障保护后的故障诊断方法，其特征在于：步骤403中所述δ₃的取值为换流器交流电流额定值的1％。

上述的两电平柔性直流输电换流器故障保护后的故障诊断方法，其特征在于：所述换流器故障诊断模块包括DSP芯片。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明的方法步骤简单，实现方便。

2、本发明的故障诊断方法建立在故障保护配合的基础上，不需要增加额外的传感器，只需要利用换流器侧现有的三相交流电流和换流器的直流电压作为故障诊断信号，实现成本较低，故障诊断方法简单且计算速度快，故障诊断识别率高。

3、本发明是在换流器故障保护模块闭锁保护故障换流器IGBT器件且非故障侧换流器工作于控直流电压的无功发生器状态下的换流器故障诊断方法，利用了IGBT器件闭锁后两个周期共40ms内故障换流器输出端的直流电压和故障换流器的三相交流电流，不仅能够诊断出换流器的故障类型，而且能够准确地定位到故障换流器的故障具体位置，为进行后期故障换流器的检修提供了理论支撑，使得后期能够快速地完成故障换流器的检修，减少由于换流器故障带来的经济损失。

4、本发明克服了换流器严重贯穿故障下的诊断信号提取困难，能够应用于实际系统。

5、本发明的实用性强，使用效果好，便于推广使用。

综上所述，本发明的方法步骤简单，实现方便，成本较低，计算速度快，故障诊断识别率高，实用性强，使用效果好，便于推广使用。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为基于两电平换流器的柔性直流输电系统的电路拓扑图。

图2为本发明换流器故障诊断模块与其它各部分的电路连接框图。

图3为本发明两电平柔性直流输电换流器故障保护后的故障诊断方法的方法流程框图。

图4为IGBT器件失效短路故障、桥臂直通故障、单相接地故障、两相短路故障和直流接地故障的位置分布图。

图5A为换流器发生IGBT器件失效短路故障时闭锁保护后的电压波形图。

图5B为换流器发生IGBT器件失效短路故障时闭锁保护后的电流波形图。

图6A为换流器发生桥臂直通故障时闭锁保护后的电压波形图。

图6B为换流器发生桥臂直通故障时闭锁保护后的电流波形图。

图7A为换流器发生单相接地故障时闭锁保护后的电压波形图。

图7B为换流器发生单相接地故障时闭锁保护后的电流波形图。

图8A为换流器发生两相短路故障时闭锁保护后的电压波形图。

图8B为换流器发生两相短路故障时闭锁保护后的电流波形图。

图9A为换流器发生直流接地故障时闭锁保护后的电压波形图。

图9B为换流器发生直流接地故障时闭锁保护后的电流波形图。

附图标记说明:

1—换流器故障诊断模块；2—换流器故障保护模块；

3—电压传感器；4—A相电流传感器；5—B相电流传感器；

6—C相电流传感器。

具体实施方式

本发明针对如图1所示的基于两电平换流器的柔性直流输电系统而提出，图1中，左侧的换流站为送端换流站(VSC1)，右侧的换流站为受端换流站(VSC2)，送端换流站(VSC1)的各物理量以下标“1”表示，受端换流站(VSC2)的各物理量以下标“2”表示，U_dc1为送端换流站(VSC1)出口的直流电压，i_a1为送端换流站(VSC1)的A相交流电流，i_b1为送端换流站(VSC1)的B相交流电流，i_c1为送端换流站(VSC1)的C相交流电流；i_a2为受端换流站(VSC2)的A相交流电流，i_b2为受端换流站(VSC2)的B相交流电流，i_c2为受端换流站(VSC2)的C相交流电流；i_dc为直流线路的直流电流。如图2和图3所示，本发明的两电平柔性直流输电换流器故障保护后的故障诊断方法，包括以下步骤：

步骤一、故障信号采集：当换流器故障诊断模块1接收到换流器故障保护模块2发送给其的IGBT器件闭锁脉冲后，换流器故障诊断模块1采集电压传感器3检测到的故障换流器闭锁时刻输出端的直流电压U_dc(0)，以及故障换流器闭锁后两个周期内A相电流传感器4检测到的故障换流器闭锁后的A相交流电流i_a(n)、B相电流传感器5检测到的故障换流器闭锁后的B相交流电流i_b(n)和C相电流传感器5检测到的故障换流器闭锁后的C相交流电流i_c(n)；其中，n的取值为1、2、…、2N，N为故障换流器闭锁后一个周期内A相电流传感器4、B相电流传感器5和C相电流传感器5的采样点数；N的取值为50～200的自然数；

本实施例中，步骤一种所述故障换流器闭锁后一个周期的时长为20ms。故障换流器闭锁后两个周期的时长即为40ms。

步骤二、故障信号预处理:换流器故障诊断模块1以换流器故障前换流器直流电压设定值U_set为标幺值，根据标幺化预处理直流电压计算公式U'_dc(0)＝U_dc(0)/U_set计算得到标幺化预处理后的故障换流器闭锁时刻输出端的直流电压U'_dc(0)；

步骤三、故障特征参数计算，具体过程为:

步骤301、换流器故障诊断模块1根据公式计算得到A相交流电流的直流量i_a0、B相交流电流的直流量i_b0和C相交流电流的直流量i_c0；

步骤302、换流器故障诊断模块1根据公式计算得到A相交流电流的绝对平均值B相交流电流的绝对平均值和C相交流电流的绝对平均值

步骤303、换流器故障诊断模块1根据公式计算得到三相交流电流绝对平均值的最大值

步骤304、换流器故障诊断模块1根据公式计算得到三相交流电流绝对平均值的最小值

步骤305、换流器故障诊断模块1根据公式i_maxabs＝max(|i_a0|,|i_b0|,|i_c0|)计算得到三相交流电流的直流量的绝对最大值i_maxabs；

本实施例中，步骤一和步骤三中所述N的取值为100。

步骤四、换流器故障诊断模块1通过层次化方法进行换流器故障诊断，具体过程为:

步骤401、换流器故障诊断模块1根据判定条件判定故障类型，当判定条件成立时，判定故障类型为桥臂直通故障(F2)和直流接地故障(F5)中的一类，执行步骤402；否则，当判定条件不成立时，判定故障类型为IGBT器件失效短路故障(F1)、单相接地故障(F3)和两相短路故障(F4)中的一类，执行步骤403；其中，δ₁为三相交流电流绝对平均值的最大值的故障判定阈值；

本实施例中，步骤401中所述δ₁的取值为换流器交流电流额定值的1％。

IGBT器件失效短路故障(F1)、桥臂直通故障(F2)、单相接地故障(F3)、两相短路故障(F4)和直流接地故障(F5)是两电平柔性直流输电换流器常见的五类故障，五类故障的位置分布如图4所示。

步骤402、换流器故障诊断模块1根据判定条件U'_dc(0)>δ₂判定故障类型，当判定条件U'_dc(0)>δ₂成立时，判定故障类型为直流接地故障(F5)；否则，当判定条件U'_dc(0)>δ₂不成立时，判定故障类型为桥臂直通故障(F2)；其中，δ₂为标幺化预处理后的故障换流器闭锁时刻输出端的直流电压U'_dc(0)的故障判定阈值；

本实施例中，步骤402中所述δ₂的取值为0.25。

步骤403、换流器故障诊断模块1根据判定条件判定故障类型，当判定条件成立时，判定故障类型为两相短路故障(F4)，执行步骤404；否则，当判定条件不成立时，判定故障类型为IGBT器件失效短路故障(F1)和单相接地故障(F3)中的一类，执行步骤405；其中，δ₃为三相交流电流绝对平均值的最小值的故障判定阈值；

本实施例中，步骤403中所述δ₃的取值为换流器交流电流额定值的1％。

步骤404、换流器故障诊断模块1根据判定条件判定故障相位置，当判定条件成立时，判定A相为非故障相，B相和C相为故障相；当判定条件成立时，判定B相为非故障相，A相和C相为故障相；当判定条件成立时，判定C相为非故障相，A相和B相为故障相；

步骤405、换流器故障诊断模块1根据判定条件判定故障类型，当判定条件成立时，判定故障类型为IGBT器件失效短路故障(F1)，执行步骤406；否则，当判定条件不成立时，判定故障类型为单相接地故障(F3)，执行步骤407；

步骤406、换流器故障诊断模块1根据判定条件|i_x0|＝i_maxabs,(x＝a,b,c)判定故障相位置，当判定条件|i_a0|＝i_maxabs成立时，判定A相为故障相，B相和C相为非故障相，再根据判定条件i_a0<0判定故障是A相上桥臂故障还是A相下桥臂故障，当判定条件i_a0<0成立时，判定为A相上桥臂故障，否则，当判定条件i_a0<0不成立时，判定为A相下桥臂故障；当判定条件|i_b0|＝i_maxabs成立时，判定B相为故障相，A相和C相为非故障相，再根据判定条件i_b0<0判定故障是B相上桥臂故障还是B相下桥臂故障，当判定条件i_b0<0成立时，判定为B相上桥臂故障，否则，当判定条件i_b0<0不成立时，判定为B相下桥臂故障；当判定条件|i_c0|＝i_maxabs成立时，判定C相为故障相，A相和B相为非故障相，再根据判定条件i_c0<0判定故障是C相上桥臂故障还是C相下桥臂故障，当判定条件i_c0<0成立时，判定为C相上桥臂故障，否则，当判定条件i_c0<0不成立时，判定为C相下桥臂故障；

步骤407、换流器故障诊断模块1根据判定条件判定故障相位置，当判定条件成立时，判定A相为故障相，B相和C相为非故障相；当判定条件成立时，判定B相为故障相，A相和C相为非故障相；当判定条件成立时，判定C相为故障相，A相和B相为非故障相。

本实施例中，所述换流器故障诊断模块1包括DSP芯片。

为了验证本发明能够产生的技术效果，通过在PSCAD/EMTDC软件环境下仿真提取换流器需要的故障诊断信号，并在MATLAB环境下对本发明的两电平柔性直流输电换流器故障保护后的故障诊断方法进行了仿真验证。得到的仿真结果如下：

(1)换流器发生IGBT器件失效短路故障(F1)时闭锁保护后的电压波形如图5A所示，电流波形如图5B所示；图中为换流站(VSC1)A相上半桥臂IGBT短路，10μs后换流站(VSC1)IGBT器件全部闭锁的信号波形。从图5A和图5B可以看出，故障瞬间直流侧电压快速衰减到0，若上桥臂IGBT故障，故障侧换流器三相交流电流的故障相大于0，非故障相电流小于等于0，直流量约为故障相直流分量的一半；下桥臂故障时的电流流向则恰恰相反，与本发明方法中对IGBT器件失效短路故障(F1)的判定方法吻合。

(2)换流器发生桥臂直通故障(F2)时闭锁保护后的电压波形如图6A所示，电流波形如图6B所示；图中为换流站(VSC1)A相桥臂直通，10μs后换流站(VSC1)IGBT器件全部闭锁的信号波形。从图6A和图6B可以看出，故障造成故障换流器直流侧电压快速衰减到0，闭锁保护后故障换流器三相稳态电流为0，与本发明方法中对桥臂直通故障(F2)的判定方法吻合。

(3)换流器发生单相接地故障(F3)时闭锁保护后的电压波形如图7A所示，电流波形如图7B所示；图中为换流站(VSC1)出口A相接地故障，10μs后送端换流站(VSC1)IGBT器件全部闭锁的信号波形。从图7A和图7B可以看出，闭锁时的直流电压降到0附近，闭锁后故障侧换流器稳态的故障相电流正弦度较好，稳态的非故障相电流约为1/2周期为0，1/4周期大于0，1/4周期小于0，根据三相交流电流之和为0的原理，非故障相电流绝对值之和约为故障相电流绝对值之和的一半，与本发明方法中对单相接地故障(F3)的判定方法吻合。

(4)换流器发生两相短路故障(F4)时闭锁保护后的电压波形如图8A所示，电流波形如图8B所示；图中为换流站(VSC1)出口A、B相两相短路故障，10μs后送端换流站(VSC1)IGBT器件全部闭锁的信号波形。从图8A和图8B可以看出，闭锁时的直流压快速下降，闭锁后故障侧换流器稳态的两故障相交流电流彼此大小相等方向相反，稳态的非故障相电流为0，与本发明方法中对两相短路故障(F4)的判定方法吻合。

(5)换流器发生直流接地故障(F5)时闭锁保护后的电压波形如图9A所示，电流波形如图9B所示；图中为换流站(VSC1)直流侧正极出口接地故障，10μs后送端换流站(VSC1)IGBT器件全部闭锁的信号波形。从图9A和图9B可以看出，闭锁时的直流电压下降为额定值的一半，闭锁后故障侧换流器稳态的三相交流全部为0，与本发明方法中对直流接地故障(F5)的判定方法吻合。

另外，设定换流器故障前换流器直流电压设定值U_set分别为20kV、19kV、18kV，设定换流器的有功功率为4MW，设定换流器的无功功率为1MVar，换流器交流电流额定值为0.36kA，4.01s后送端换流站(VSC1)故障，10μs后送端换流站(VSC1)IGBT器件全部闭锁，受端换流站(VSC2)工作于控直流电压的无功发生器状态，进行了仿真，共仿真了送端换流站(VSC1)A相上桥臂IGBT器件失效短路故障(F1)、送端换流站(VSC1)桥臂直通故障(F2)、送端换流站(VSC1)A相接地故障(F3)、送端换流站(VSC1)A、B两相短路故障(F4)和送端换流站(VSC1)直流正极接地故障(F5)五种工况，得到的仿真结果如表1所示。其中，δ₁＝0.0036kA、δ₂＝0.25、δ₃＝0.0036kA。

表1五种故障工况仿真结果表

从表1可以看出：

(1)送端换流站(VSC1)A相上桥臂IGBT器件失效短路故障(F1)时，故障特征参数不满足不满足满足满足|i_a0|＝i_maxabs，且i_a0<0，满足IGBT器件失效短路故障(F1)的A相上桥臂故障判定条件，定位结果正确；

(2)送端换流站(VSC1)桥臂直通故障(F2)时，故障特征参数满足不满足U'_dc(0)>δ₂，满足桥臂直通故障(F2)的故障判定条件，定位结果正确；

(3)送端换流站(VSC1)A相接地故障(F3)时，故障特征参数不满足不满足不满足且满足单相接地故障(F3)的A相故障判定条件，定位结果正确；

(4)送端换流站(VSC1)A、B两相短路故障(F4)时，故障特征参数不满足满足且满足两相短路故障(F4)的A、B相故障判定条件，定位结果准确；

(5)送端换流站(VSC1)直流正极接地故障(F5)时，故障特征参数满足满足U'_dc(0)>δ₂，满足直流正极接地故障(F5)故障判定条件，定位结果正确。

从表1看出，不同系统运行参数下的故障诊断结果全部准确，正确率达到了100％。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。