一種直流輸電工程典型暫態故障識別方法
2023-09-19 21:42:00
一種直流輸電工程典型暫態故障識別方法
【專利摘要】本發明公開了一種直流輸電工程典型暫態故障識別方法，其特徵在於，包括如下步驟：（1）提取故障錄波儀的數據信號，進行故障極判別；（2）提取故障極的直流側電壓、電流信號，對波形進行特徵量提取，按照提前建立的故障特徵量庫進行特徵量匹配，獲得至少一個初步故障類型；（3）按照提前建立的故障波形樣本庫中存儲的波形數據時間間隔，對故障極的錄波波形從故障起始時刻處進行抽樣，依次將抽樣值與故障波形樣本庫中與初步故障類型對應的波形數據進行匹配，求取波形相似係數，將相似度最高的故障類型作為最終識別的結果。提高故障的排查效率，保證直流輸電系統的安全穩定運行。
【專利說明】一種直流輸電工程典型暫態故障識別方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種直流輸電工程典型暫態故障識別方法。
【背景技術】
[0002] 高壓直流輸電（HVDC)，是利用穩定的直流電具有無感抗，容抗也不起作用，無同步 問題等優點而採用的大功率遠距離直流輸電。高壓直流輸電在遠距離大容量輸電方面的優 勢使得其在我國受到廣泛的應用。由於高壓直流輸電系統換流站設備種類繁多、主迴路和 控制保護系統結構複雜，易因設備絕緣承受過電壓的威脅而導致直流系統故障或停運，嚴 重威脅區域電網的安全運行。
[0003] 造成換流站設備過電壓的原因可分為三種，即換流站交流側故障、閥區故障與換 流站直流側故障，其中，由於交流側故障特徵明顯，容易通過交流側電壓的變化進行故障類 型的識別。而對於全壓啟動、接地極線開路、金屬回線開路、逆變側閉鎖而旁通對未解鎖、高 電位YY換流變閥側單相接地短路等由於控制保護失靈或短路、開路造成的閥區與換流站 直流側故障，其故障特性複雜，難以對其進行直接判別。
[0004] 目前高壓直流輸電工程一般採用故障錄波儀的極線（直流的正負極）電壓電流進 行故障的識別，而故障錄波儀記錄了故障後一次側與二次側多處的模擬量與數字量波形， 進行故障排查時需要做大量的分析工作，運算量大，導致故障的排查效率低下。
【發明內容】
[0005] 針對上述問題，本發明提供一種直流輸電工程典型暫態故障識別方法，充分利用 故障錄波儀記錄的數據，結合典型暫態故障的特徵，形成故障識別算法，提高故障的排查效 率，保證直流輸電系統的安全穩定運行。
[0006] 為實現上述技術目的，達到上述技術效果，本發明通過以下技術方案實現：
[0007] -種直流輸電工程典型暫態故障識別方法，其特徵在於，包括如下步驟：
[0008] (1)提取故障錄波儀的數據信號，進行故障極判別；
[0009] (2)提取故障極的直流側電壓、電流信號，對波形進行特徵量提取，按照提前建立 的故障特徵量庫進行特徵量匹配，獲得至少一個初步故障類型；
[0010] (3)按照提前建立的故障波形樣本庫中存儲的波形數據時間間隔，對故障極的錄 波波形從故障起始時刻處進行抽樣，依次將抽樣值與故障波形樣本庫中與初步故障類型對 應的波形數據進行匹配，求取波形相似係數，將相似度最高的故障類型作為最終識別的結 果。
[0011] 優選，各個步驟具體如下：
[0012] 步驟（1)具體包括如下步驟：
[0013] 步驟101 :提取故障錄波儀輸出的正極線與負極線的數據信號；
[0014] 步驟102 :判別發生了移相閉鎖或者重啟動動作的極為故障極。
[0015] 步驟（2)具體包括如下步驟：
[0016] 步驟201 :對故障極直流電壓與直流電流的斜率變化進行判斷，獲得故障時刻；
[0017] 步驟202 :採用FFT變換處理極線的電壓數據；
[0018] 步驟203 :分析故障瞬間各直流電壓與直流電流的變化趨勢；
[0019] 步驟204 :分析故障後直流電壓與直流電流的整體變化趨勢；
[0020] 步驟205 :根據步驟202至步驟204的處理結果，與故障特徵量庫進行特徵量匹 配，獲得至少一個初步故障類型。
[0021] 步驟（3)中，求取波形相似係數P xy的公式如下： _ Σ，ν(//)Κ(//)
[。。22] P'' ~ ylTX\n)TY\n)
[0023] 式中，X(η)為樣本波形數據，Υ(η)為錄波採樣數據；
[0024] 對各波形的相關係數求平均，平均相關係數最大的故障類型即為最終識別的結 果。
[0025] 本方法充分利用故障錄波儀記錄的數據，利用典型暫態故障的特徵以及與故障波 形樣本庫的樣本波形的波形匹配快速識別故障，大大提高直流輸電工程的故障排查效率， 算法實現簡單。
[0026] 本發明的有益效果是：充分利用故障錄波儀記錄的數據，結合典型暫態故障的特 徵，形成故障識別算法，提高故障的排查效率，保證直流輸電系統的安全穩定運行。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0027] 圖1是本發明一種直流輸電工程典型暫態故障識別方法的示意圖。
【具體實施方式】
[0028] 下面結合附圖和具體的實施例對本發明技術方案作進一步的詳細描述，以使本領 域的技術人員可以更好的理解本發明並能予以實施，但所舉實施例不作為對本發明的限 定。
[0029] 下面以國內直流輸電工程常用的ABB公司的故障錄波儀的故障錄波數據為例，詳 細介紹直流輸電工程典型過電壓暫態故障（具體包括：全壓啟動、單極大地回線運行方式 下整流側接地極線開路、單極大地回線運行方式下逆變側接地極線開路、金屬回線開路、整 流側高端YY換流變閥側單相接地短路故障、逆變側高端YY換流變閥側單相接地短路故障、 逆變側閉鎖而旁通對未解鎖、線路接地短路）的識別方法，具體包括如下步驟，如圖1所 示：
[0030] (1)提取故障錄波儀的數據信號，進行故障極判別：
[0031] 故障錄波儀的輸出包含正極與負極的數據信號，提取故障錄波儀的極線直流電壓 與直流電流信號。
[0032] 對於造成換流站過電壓的典型暫態故障，高壓直流輸電發生故障後保護動作於移 相閉鎖或者重啟動故障極，通過直流電壓與直流電流判別發生了以上動作的極為故障極。
[0033] (2)典型暫態故障初步識別：
[0034] 提取故障極的極線直流電壓（UDL)、極線直流電流（IDL)、中性母線電壓（UDN)、中 性母線電流（IDNC)、入地電流（IDNE)信號，對極線直流電壓波形進行斜率變化分析、FFT分 析，分析以上各參量在故障瞬間以及故障後的變化趨勢，形成錄波數據的特徵量列表，按照 提前建立的故障特徵量庫進行特徵量匹配，獲得至少一個初步故障類型，實現對故障類型 的篩選，該次識別結果可能不唯一。
[0035] 其中，本方法需要提前建立一個大的故障資料庫，具體包括包含各個典型故障 的特徵的故障特徵量庫和包含各個典型故障的波形的故障波形樣本庫，故障特徵量庫 可通過機理及仿真研究建立，而故障波形樣本庫則可以通過RTDS (Real Time Digital Simulator，實時數字仿真儀）仿真、考慮實際控制保護特性的電磁暫態仿真或者實際故障 錄波數據建立。
[0036] 優選，步驟（2)具體包括如下步驟：
[0037] 步驟201 :對故障極直流電壓與直流電流的斜率變化進行判斷，獲得故障時刻；
[0038] 步驟202 :採用FFT變換處理極線的電壓數據，即UDL數據；
[0039] 步驟203 :分析故障瞬間各直流電壓與直流電流的變化趨勢，即分析故障瞬間 UDL、IDL、UDN、IDNC、IDNE 的變化趨勢；
[0040] 步驟204 :分析故障後直流電壓與直流電流的整體變化趨勢，即分析整個錄波時 間段內UDL、IDL、UDN、IDNC、IDNE的整體變化趨勢；
[0041] 步驟205 :根據步驟202至步驟204的處理結果，與故障特徵量庫進行特徵量匹 配，獲得至少一個初步故障類型。
[0042] 判斷初步故障類型的算法如下：
[0043] 1)若錄波數據中的中性母線電流在整個分析時段內小於0. Ip. u.，即IDNC〈0. Ip. u.，則為全壓啟動故障；
[0044] 2)若極線直流電壓中含有50HZ分量，即UDL的頻譜有50HZ分量，並且故障瞬間逆 變側極線電壓上升、極線電流以及中性母線電流都下降，則為逆變側閉鎖而旁通對未解鎖 故障；
[0045] 3)若故障瞬間逆變側極線電壓、極線電流以及中性母線電流都下降，即逆變側 UDL、IDL、IDNC下降，則為單極大地回線運行方式下整流側接地極線開路故障、整流側高端 YY換流變閥側單相接地短路故障或金屬回線開路故障；
[0046] 4)若逆變側接地極線電流在1ms之內下降為0,即IDNE = 0,則為單極大地回線運 行方式下的逆變側接地極線開路故障；
[0047] 5)若中性母線電流在1ms之內下降為0,即IDNC = 0,則為逆變側高電位YY換流 變閥側單相接地短路故障；
[0048] 6)若直流極線電壓、電流下降至小於0. lp.u.，即UDL與IDL下降為小於0. lp.u.， 且一段時間後又重新上升或重啟動，則為線路接地短路故障。
[0049] (3)通過波形匹配獲得最終識別類型：
[0050] 按照提前建立的故障波形樣本庫中存儲的波形數據時間間隔，對故障極的錄波波 形從故障起始時刻處進行抽樣，總時間長度與存儲的樣本波形的持續時間長度保持一致， 依次將抽樣值與故障波形樣本庫中與初步故障類型對應的波形數據進行匹配，可根據下面 公式進行波形相似係數P xy的求取， _ ΣΧ{η)Υ{η)
[0051] Pv = l , ^ 7 yjlX-{n)ZY-{n)
[0052] 式中，X(n)為樣本波形數據，Y(n)為錄波採樣數據。
[0053] 對各波形的相關係數求平均，平均相關係數最大的故障類型即為最終識別的結 果，即將相似度最高的故障類型作為最終識別的故障類型。
[0054] 相比於以往只採樣直流極線的電壓、電流，通過複雜的時頻分析進行故障識別方 法，本識別方法充分利用了故障本身的特徵，通過反映故障拓撲信息的故障特徵對故障進 行初步定位。充分利用故障錄波儀已有的數據，對故障波形進行波形匹配，算法實現簡單， 提高故障識別準確度，並且在通過故障特徵進行了故障類型初步篩選的情況下，識別效果 顯著，提高故障的排查效率，保證直流輸電系統的安全穩定運行。
[0055] 以上僅為本發明的優選實施例，並非因此限制本發明的專利範圍，凡是利用本發 明說明書及附圖內容所作的等效結構或者等效流程變換，或者直接或間接運用在其他相關 的【技術領域】，均同理包括在本發明的專利保護範圍內。
【權利要求】
1. 一種直流輸電工程典型暫態故障識別方法，其特徵在於，包括如下步驟： (1) 提取故障錄波儀的數據信號，進行故障極判別； (2) 提取故障極的直流側電壓、電流信號，對波形進行特徵量提取，按照提前建立的故 障特徵量庫進行特徵量匹配，獲得至少一個初步故障類型； (3) 按照提前建立的故障波形樣本庫中存儲的波形數據時間間隔，對故障極的錄波波 形從故障起始時刻處進行抽樣，依次將抽樣值與故障波形樣本庫中與初步故障類型對應的 波形數據進行匹配，求取波形相似係數，將相似度最高的故障類型作為最終識別的結果。
2. 根據權利要求1所述的一種直流輸電工程典型暫態故障識別方法，其特徵在於，步 驟（2)具體包括如下步驟： 步驟201 :對故障極直流電壓與直流電流的斜率變化進行判斷，獲得故障時刻； 步驟202 :採用FFT變換處理極線的電壓數據； 步驟203 :分析故障瞬間各直流電壓與直流電流的變化趨勢； 步驟204 :分析故障後直流電壓與直流電流的整體變化趨勢； 步驟205 :根據步驟202至步驟204的處理結果，與故障特徵量庫進行特徵量匹配，獲 得至少一個初步故障類型。
3. 根據權利要求2所述的一種直流輸電工程典型暫態故障識別方法，其特徵在於，判 斷初步故障類型的算法如下： 1) 若錄波數據中的中性母線電流在整個分析時段內小於〇. lp.u.，則為全壓啟動故 障； 2) 若極線直流電壓中含有50HZ分量，並且故障瞬間逆變側極線電壓上升、極線電流以 及中性母線電流都下降，則為逆變側閉鎖而旁通對未解鎖故障； 3) 若逆變側極線與中性線的電壓、電流以及接地極線的電流都下降，則為單極大地回 線運行方式下整流側接地極線開路故障、整流側高端YY換流變閥側單相接地短路故障或 金屬回線開路故障； 4) 若逆變側接地極線電流在故障後lms內下降為0,則為單極大地回線運行方式下逆 變側接地極線開路故障； 5) 若中性母線電流在故障後lms之內下降為0,則為逆變側高電位YY換流變閥側單相 接地短路故障； 6) 若直流極線電壓電流下降至小於O.lp.u.，且一段時間後又重新上升或重啟動，則 為線路接地短路故障。
4. 根據權利要求1所述的一種直流輸電工程典型暫態故障識別方法，其特徵在於，步 驟（3)中，求取波形相似係數P xy的公式如下：
式中，X(n)為樣本波形數據，Y(n)為錄波採樣數據； 對各波形的相關係數求平均，平均相關係數最大的故障類型即為最終識別的結果。
5. 根據權利要求1所述的一種直流輸電工程典型暫態故障識別方法，其特徵在於，步 驟（1)具體包括如下步驟： 步驟101 :提取故障錄波儀輸出的正極線與負極線的數據信號； 步驟102 :判別發生了移相閉鎖或者重啟動動作的極為故障極。
6.根據權利要求1 -5任意一項所述的一種直流輸電工程典型暫態故障識別方法，其特 徵在於，通過RTDS仿真、考慮實際控制保護特性的電磁暫態仿真或者實際故障錄波數據建 立故障波形樣本庫。
【文檔編號】G01R31/02GK104280644SQ201410575160
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2014年10月24日 優先權日:2014年10月24日
【發明者】周志成, 謝天喜, 何俊佳, 陶風波, 馬勇, 劉洋, 李婷 申請人:國家電網公司, 江蘇省電力公司, 江蘇省電力公司電力科學研究院, 華中科技大學