两电平柔性直流输电换流器故障保护及故障诊断方法

两电平柔性直流输电换流器故障保护及故障诊断方法
【专利摘要】本发明公开了一种两电平柔性直流输电换流器故障保护及故障诊断方法，包括以下步骤：步骤一、换流器故障保护，具体过程为：步骤101、换流器出口电流信号采集及处理，步骤102、使故障换流器的IGBT器件不再工作，步骤103、故障换流器所在换流站的交流系统断路器跳闸，步骤104、非故障换流器工作于无功补偿状态；步骤二、换流器故障诊断，具体过程为：步骤201、故障信号采集；步骤202、故障信号预处理；步骤203、故障特征参数计算；步骤204、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，故障诊断识别率高，实用性强，使用效果好，便于推广使用。
【专利说明】
两电平柔性直流输电换流器故障保护及故障诊断方法
技术领域
[0001] 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 器故障保护及故障诊断方法。
【背景技术】
[0002] 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。柔 性直流输电换流器每个桥臂都需要若干个大功率全控器件级联而成，是装置中的核心部 分。当电压源换流器发生故障时，构成系统的各个设备或组件都有可能承受过电压、过电 流、过热等不正常应力，如果没有及时保护可能造成设备或者组件的损坏。若换流器为严重 瞬时性故障或者永久性故障，不仅会强迫系统退出运行甚至会损坏换流站中最为昂贵的全 控电力电子器件及其他重要部件，由此造成系统不能快速恢复运行给用户造成更大的经济 损失。分析制定故障控制保护策略在预定的时间内采取措施隔离故障保护可能损坏的元 件，准确辨识故障查找和确定导致相应故障模式的故障元件组，可为装置的安全可靠运行 与故障快速恢复提供有力的保障。
[0003] 目前关于VSC-HVDC换流器故障控制保护的取得了很多成果，例如，申请号为 201510421542.0的中国专利公开了 一种柔性直流输电系统的故障保护方法，该方法通过分 区保护对直流线路和换流器进行分区保护，通过加装保护装置对不同故障类型和故障位置 进行保护。申请号为201510216573.2的中国专利公开一种柔性直流输电换流阀控制保护系 统计阀控闭锁方法，该方法提出换流阀控系统出现故障时，将系统最上层的极控接口单元 独立通信通道将紧急闭锁信号发送给底层的子模块实现换流器阀的闭锁。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。
[0004] 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》研究了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。但是现有故障诊断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】

[0005] 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及故障诊断方法，其方法步骤简单，实现方便，成本较低，故障 诊断识别率高，实用性强，使用效果好，便于推广使用。
[0006] 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 器故障保护及故障诊断方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
[0007] 步骤一、换流器故障保护，具体过程如下：
[0008] 步骤101、换流器出口电流信号采集及处理:换流器故障保护模块实时采集直流电 流传感器检测到的换流器出口直流电流Idc(t)，并根据条f
4断换流器是 否出现了严重贯穿故障，当条饵
戎立时，判断为换流器出现了严重贯穿故 障，执行步骤102,否则，判断为换流器未出现严重贯穿故障，重复执行步骤101;其中，ΙΝ* 换流器的额定直流电流；
[0009] 步骤102、换流器故障保护模块发送IGBT器件闭锁脉冲给与其相接的IGBT驱动电 路模块和换流器故障诊断模块，IGBT驱动电路模块接收到换流器故障保护模块发送给其的 IGBT器件闭锁脉冲后驱动故障换流器的IGBT器件，使故障换流器的IGBT器件不再工作，从 而使故障换流器不再工作；
[0010] 步骤103、换流器故障保护模块发送断路器跳闸触发信号给故障换流器所在换流 站的换流站监控系统，换流站监控系统接收到断路器跳闸触发信号后，发送断路器跳闸控 制信号给与其远程通信的断路器控制器，断路器控制器控制故障换流器所在换流站的交流 系统断路器跳闸；
[0011] 步骤104、换流器故障保护模块发送非故障换流器工作触发信号给故障换流器所 在换流站的换流站监控系统，故障换流器所在换流站的换流站监控系统接收到非故障换流 器工作触发信号后，发送非故障换流器工作控制信号给非故障换流器所在换流站的换流站 监控系统，非故障换流器所在换流站的换流站监控系统控制非故障换流器工作于无功补偿 状态；
[0012] 步骤二、换流器故障诊断，具体过程如下：
[0013] 步骤201、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Udc(O)，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ib(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ic(n);其中， η的取值为1、2、-_、21~为故障换流器闭锁后一个周期内4相电流传感器、8相电流传感器和 C相电流传感器的采样点数;Ν的取值为50~200的自然数；
[0014]步骤202、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uset为标么值，根据标么化预处理直流电压计算公式1]'<1。(0)=1]< 1。(0)/1^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(O);
[0015] 步骤203、故障特征参数计算，具体过程为：
[0016] 步骤2031、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ia〇、B相交流电流的直流量ibQ和C相交流电流的直流量1。〇;
[0017] 步骤2032、换流器故障诊断模块根据公￥
I计算得到A相 交流电流的绝对平均值|ζ_α|、Β相交流电流的绝对平均值p和C相交流电流的绝对平均值
[0018] 步骤2033、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g ^
[0019] 步骤2034、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; I Im iiL J
[0020] 步骤2035、换流器故障诊断模块根据公式imax abs=max( I iaQ I，I ibQ I，I i。。I )计算得 到三相交流电流的直流量的绝对最大值imX abs;
[0021] 步骤204、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：
[0022] 步骤2041、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 ftnax <為成立时，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2042 ; 否则，当判定条件@^<4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2043;其中，三相交流电流绝对平均值的最大值 |?|的故障判定阈值； I Imax
[0023] 步骤2042、换流器故障诊断模块根据判定条件υ'^(0)>δ2判定故障类型，当判定条 件υ'&(ο)>δ 2成立时，判定故障类型为直流接地故障；否则，当判定条件υ'&(ο)>δ2不成立 时，判定故障类型为桥臂直通故障;其中，S 2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 ' d。(0)的故障判定阈值；
[0024] 步骤2043、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 4成立时，判定故障类型为两相短路故障，执行步骤2044;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 2045;其中，δ3为三相交流电流绝对平均值的最小值pj min的故障判定阈值；
[0025] 步骤2044、换流器故障诊断模块根据判定条件t =|/|min,(x = a,6,c)判定故障相位 置，当判定条件^=胃.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 w· 1 irain 41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b 成立时，判 定C相为非故障相，A相和B相为故障相；
[0026]步骤2045、换流器故障诊断模块根据判定条件判定故障类型，当判定 ^牛Pi_=成t时·，％定故%IGBT^牛&交女短路故_，手丸行&骤2046;否则，当 判定条件14^ 不成立时，判定故障类型为单相接地故障，执行步骤2047;
[0027]步骤2046、换流器故障诊断模块根据判定条件| ix〇 | =imax abs, (x = a，b，c)判定故 障相位置，当判定条件I ia〇| =imax abs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ia〇<〇判定故障是A相上桥臂故障还是A相下桥臂故障，当判定条件i a〇<0成立 时，判定为A相上桥臂故障，否则，当判定条件ia〇<0不成立时，判定为A相下桥臂故障；当判 定条件I ib〇| =imax abs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ib〇 <〇判定故障是B相上桥臂故障还是B相下桥臂故障，当判定条件ib〇<0成立时，判定为B相上 桥臂故障，否则，当判定条件ib〇<0不成立时，判定为B相下桥臂故障；当判定条件| i。。| = imax abs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;[。()<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ic^CO成立时，判定为C相上桥臂故障，否 贝1J，当判定条件1。0<0不成立时，判定为C相下桥臂故障；
[0028] 步骤2047、换流器故障诊断模块根据判定条件f| = pmax,(x = a，6,C)判定故障相位 置，当判定条件P = Hmax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 41=Λιωχ成立时，判定財目为故障相，a相和〇相为非故障相；当判定条件Μ=成立时，判 定C相为故障相，Α相和Β相为非故障相。
[0029] 上述的两电平柔性直流输电换流器故障保护及故障诊断方法，其特征在于:步骤 201种所述故障换流器闭锁后一个周期的时长为20ms。
[0030] 上述的两电平柔性直流输电换流器故障保护及故障诊断方法，其特征在于:步骤 201和步骤203中所述N的取值为100。
[0031] 上述的两电平柔性直流输电换流器故障保护及故障诊断方法，其特征在于:步骤 2041中所述δ:的取值为换流器交流电流额定值的1 %。
[0032] 上述的两电平柔性直流输电换流器故障保护及故障诊断方法，其特征在于:步骤 2042中所述δ2的取值为0.25。
[0033] 上述的两电平柔性直流输电换流器故障保护及故障诊断方法，其特征在于:步骤 2043中所述δ3的取值为换流器交流电流额定值的1 %。
[0034] 上述的两电平柔性直流输电换流器故障保护及故障诊断方法，其特征在于:所述 换流器故障保护模块和换流器故障诊断模块均包括DSP芯片。
[0035] 本发明与现有技术相比具有以下优点：
[0036] 1、本发明的方法步骤简单，实现方便。
[0037] 2、本发明可以实现两电平柔性直流输电换流器故障保护和故障诊断工作，能够避 免因换流器因出现严重贯穿故障导致的装置毁坏现象，同时能够诊断出换流器的故障类型 且准确地定位到故障具体位置，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。
[0038] 3、本发明可以实现柔性直流输电故障换流器的保护及诊断工作同时，还能够使非 故障换流器工作于无功补偿器状态，提高了系统的整体经济运行能力，减少了因故障带来 的经济损失。
[0039] 4、本发明进行换流器故障诊断时，采用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。
[0040] 5、本发明进行换流器故障诊断时，采用的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。
[0041] 6、本发明进行换流器故障诊断时，采用的故障诊断方法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。
[0042] 7、本发明的实用性强，使用效果好，便于推广使用。
[0043]综上所述，本发明的方法步骤简单，实现方便，成本较低，故障诊断识别率高，实用 性强，使用效果好，便于推广使用。
[0044]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】
[0045]图1为两电平柔性直流输电系统的电路拓扑图。
[0046] 图2为本发明所采用的两电平柔性直流输电换流器故障保护及故障诊断系统的电 路连接框图。
[0047] 图3为本发明两电平柔性直流输电换流器故障保护及故障诊断方法的方法流程框 图。
[0048]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。
[0049]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。
[0050]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。
[0051]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。
[0052]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。
[0053]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。
[0054]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。
[0055] 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。
[0056] 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。
[0057]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。
[0058] 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。
[0059] 附图标记说明：
[0060] 1 一换流器故障诊断模块；2-换流器故障保护模块；
[0061] 3-电压传感器；4一A相电流传感器；5-B相电流传感器；
[0062] 6-C相电流传感器。
【具体实施方式】
[0063] 本发明针对如图1所示的两电平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"Γ表示，受端换流站(VSC2)的各物理量以下标"2"表示，U dcl为送端换流站(VSC1)出 口的直流电压，iai为送端换流站(VSC1)的A相交流电流，i bl为送端换流站(VSC1)的B相交流 电流，ici为送端换流站(VSC1)的C相交流电流；ia2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，1。2为受端换流站(VSC2)的C相交流电流;id。为直流线 路的直流电流。图2给出了本发明所采用的两电平柔性直流输电换流器故障保护及故障诊 断系统的电路连接框图，图2中，送端换流站(VSC1)通过变压器12和交流系统断路器11与交 流电源13连接，送端换流站(VSC1)为故障侧;受端换流站(VSC2)通过变压器12和交流系统 断路器11与交流电源13连接，受端换流站(VSC2)为非故障侧。
[0064] 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及故障诊断方 法，包括以下步骤：
[0065] 步骤一、换流器故障保护，具体过程如下：
[0066]步骤101、换流器出口电流信号采集及处理:换流器故障保护模块2实时采集直流 电流传感器7检测到的换流器出口直流电流IdJt)，并根据条件
判断换流 器是否出现了严重贯穿故障，当条件
；成立时，判断为换流器出现了严重贯 穿故障，执行步骤102,否则，判断为换流器未出现严重贯穿故障，重复执行步骤101;其中， In为换流器的额定直流电流，Idc(t)中的t为换流器出口直流电流的采样时刻；
[0067]步骤102、换流器故障保护模块2发送IGBT器件闭锁脉冲给与其相接的IGBT驱动电 路模块8和换流器故障诊断模块1，IGBT驱动电路模块8接收到换流器故障保护模块2发送给 其的IGBT器件闭锁脉冲后驱动故障换流器的IGBT器件，使故障换流器的IGBT器件不再工 作，从而使故障换流器不再工作；
[0068] 步骤103、换流器故障保护模块2发送断路器跳闸触发信号给故障换流器所在换流 站的换流站监控系统9,换流站监控系统9接收到断路器跳闸触发信号后，发送断路器跳闸 控制信号给与其远程通信的断路器控制器10,断路器控制器10控制故障换流器所在换流站 的交流系统断路器11跳闸；
[0069] 步骤104、换流器故障保护模块2发送非故障换流器工作触发信号给故障换流器所 在换流站的换流站监控系统9,故障换流器所在换流站的换流站监控系统9接收到非故障换 流器工作触发信号后，发送非故障换流器工作控制信号给非故障换流器所在换流站的换流 站监控系统9,非故障换流器所在换流站的换流站监控系统9控制非故障换流器工作于无功 补偿状态；
[0070] 步骤二、换流器故障诊断，具体过程如下：
[0071] 步骤201、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Udc(O)，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ib(n)和C相电流传感器6检测到的故障换流器闭锁后的C相交流电流i c (η);其中，η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6的采样点数;N的取值为50~200的自然数；
[0072]本实施例中，步骤201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。
[0073] 步骤202、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uset为标幺值，根据标幺化预处理直流电压计算公式U'dc(0)=Ud c(0)/Uset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(O);
[0074] 步骤203、故障特征参数计算，具体过程为：
[0075] 步骤2031、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ia〇、B相交流电流的直流量ibQ和C相交流电流的直流量1。〇;
[0076] 步骤2032、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P、B相交流电流的绝对平均值0和C相交流电流的绝对平均值P ;
[0077] 步骤2033、换流器故障诊断模块1根据公另
汁算得到三相交 流电流绝对平均值的最大值@max ;
[0078] 步骤2034、换流器故障诊断模块1根据公￥
十算得到三相交流 电流绝对平均值的最小值;
[0079] 步骤2035、换流器故障诊断模块1根据公式imax abs=max( I iaQ I，I ibQ |，| i。。| )计算 得到三相交流电流的直流量的绝对最大值imX abs;
[0080] 本实施例中，步骤201和步骤203中所述N的取值为100。
[0081] 步骤204、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：
[0082] 步骤2041、换流器故障诊断模块1根据判定条件|i|max _< $判定故障类型，当判定条 件成t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 2042;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2043;其中，δ:为三相交流电流绝对平均值的最 錄章離謹
[0083]本实施例中，步骤2041中所述δ!的取值为换流器交流电流额定值的1 %。
[0084] 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。
[0085]步骤2042、换流器故障诊断模块1根据判定条件υ'&(0)>δ2判定故障类型，当判定 条件υ'&(ο)>δ2成立时，判定故障类型为直流接地故障；否则，当判定条件υ'ι(0)>δ 2不成立 时，判定故障类型为桥臂直通故障;其中，S2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 ' d。(0)的故障判定阈值；
[0086] 本实施例中，步骤2042中所述δ2的取值为0.25。
[0087] 步骤2043、换流器故障诊断模块1根据判定条件gnm <J3判定故障类型，当判定条 龜，&触日寸，酿章#勸耐目鱗章，撕频2044 ;测，3酿餅 不成t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2045;其中，δ3为三相交流电流绝对平均值的最小值pjmin的故障判定阈值；
[0088]本实施例中，步骤2043中所述δ3的取值为换流器交流电流额定值的1 %。
[0089] 步骤2044、换流器故障诊断模块1根据判定条件|?|ωιι>(χ 判定故障相位 置，当判定条件@ = PL;n成立时，判定Α相为非故障相，Β相和C相为故障相；当判定条件 4 h 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Μ=1? ιη成立时，判 定C相为非故障相，Α相和Β相为故障相；
[0090] 步骤2045、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 餅戯日寸，離章麵力腿紐対娜各章，撕频2046;测，3 判定条件=4^^不成立时，判定故障类型为单相接地故障，执行步骤2047;
[0091]步骤2046、换流器故障诊断模块1根据判定条件| ix〇| =imax abs，（x = a，b，c)判定故 障相位置，当判定条件I ia〇| =imax abs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ia〇<〇判定故障是A相上桥臂故障还是A相下桥臂故障，当判定条件i a〇<0成立 时，判定为A相上桥臂故障，否则，当判定条件ia〇<0不成立时，判定为A相下桥臂故障；当判 定条件I ib〇| =imax abs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ib〇 <〇判定故障是B相上桥臂故障还是B相下桥臂故障，当判定条件ib〇<0成立时，判定为B相上 桥臂故障，否则，当判定条件ib〇<0不成立时，判定为B相下桥臂故障；当判定条件| i。。| = imax abs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;[。()<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ic^CO成立时，判定为C相上桥臂故障，否 贝1J，当判定条件1。0<0不成立时，判定为C相下桥臂故障；
[0092]步骤2047、换流器故障诊断模块1根据判定条件ζ'、ι =|/|_,(1_=<2，.6，<3)判定故障相位 置，当判定条件l = Pl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 & I 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|纟| = Hmax成立时，判 定C相为故障相，A相和B相为非故障相。
[0093]本实施例中，所述换流器故障保护模块2和换流器故障诊断模块1均包括DSP芯片。 [0094]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 障保护及故障诊断方法进行了仿真验证。得到的仿真结果如下：
[0095] (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，10ys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 衰减到〇,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。
[0096] (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，10ys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。
[0097] (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，10ys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。
[0098] (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，10ys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。
[0099] (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，10ys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〇,与本发明方法中对直流接地故障 (F5)的判定方法吻合。
[0100] 另外，设定换流器故障前换流器直流电压设定值uset分别为20kV、19kV、18kV，SS 换流器的有功功率为4MW，设定换流器的无功功率为lMVar，换流器交流电流额定值为 0.36kA，4.01s后送端换流站(VSC1)故障，10ys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4: = 0.00361^^ δ2 = 〇·25、δ3 = 〇·〇〇361?Α。
[0101] 表1五种故障工况仿真结果表
[0102]
[0103] 从表1可以看出：
[0104] (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|:，'|舰<4，不满足l?:LB ，满足卜1祖q順a，满足I ia°l =imax -，且ia°<〇,满足1GBT 器件失效短路故障(FI)的A相上桥臂故障判定条件，定位结果正确；
[0105] (2)送端换流站(VSC1)桥臂直通故障(F2)时，故障特征参数满足<在:，不满足 I ΙΠΙΑΧ； 1 υ\(0)>δ2，满足桥臂直通故障(F2)的故障判定条件，定位结果正确；
[0106] (3)送端换流站(VSC1)A相接地故障(F3)时，故障特征参数不满足J , f满 足<?',,不满足胃_ ，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；
[0107] (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%^ <4， 满足，且graih =0，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；
[0108] (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pi <<5；,满 I Imax 1 足υ\(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。
[0109]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%。 [0110]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。
【主权项】
1. 一种两电平柔性直流输电换流器故障保护及故障诊断方法，其特征在于，该方法包 括以下步骤： 步骤一、换流器故障保护，具体过程如下： 步骤101、换流器出口电流信号采集及处理:换流器故障保护模块(2)实时采集直流电 流传感器(7)检测到的换流器出口直流电流IdJt)，并根据条件# > 5:判断换流 器是否出现了严重贯穿故障，当条件/γ >5成立时，判断为换流器出现了严重贯 穿故障，执行步骤102,否则，判断为换流器未出现严重贯穿故障，重复执行步骤101;其中， In为换流器的额定直流电流； 步骤102、换流器故障保护模块(2)发送IGBT器件闭锁脉冲给与其相接的IGBT驱动电路 模块(8)和换流器故障诊断模块（1 )，IGBT驱动电路模块(8)接收到换流器故障保护模块(2) 发送给其的IGBT器件闭锁脉冲后驱动故障换流器的IGBT器件，使故障换流器的IGBT器件不 再工作，从而使故障换流器不再工作； 步骤103、换流器故障保护模块(2)发送断路器跳闸触发信号给故障换流器所在换流站 的换流站监控系统(9)，换流站监控系统(9)接收到断路器跳闸触发信号后，发送断路器跳 闸控制信号给与其远程通信的断路器控制器(10)，断路器控制器(10)控制故障换流器所在 换流站的交流系统断路器(11)跳闸； 步骤104、换流器故障保护模块(2)发送非故障换流器工作触发信号给故障换流器所在 换流站的换流站监控系统(9)，故障换流器所在换流站的换流站监控系统(9)接收到非故障 换流器工作触发信号后，发送非故障换流器工作控制信号给非故障换流器所在换流站的换 流站监控系统(9)，非故障换流器所在换流站的换流站监控系统(9)控制非故障换流器工作 于无功补偿状态； 步骤二、换流器故障诊断，具体过程如下： 步骤201、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(O)，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ib(n)和C相电流传感器(6)检测到的故障换流器闭锁后的C相 交流电流i c(n);其中，η的取值为1、2、···、2Ν，Ν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(6)的采样点数;N的取值为50~200的自然 数； 步骤202、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Use3t为标么值，根据标么化预处理直流电压计算公式ITdc(O) =Udc(O)AJse3t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(O);步骤203、故障特征参数计算，具体过程为： 步骤2031、换流器故障诊断模块（1)根据公3 4计算得到A相 交流电流的直流量ia〇、B相交流电流的直流量ibQ和C相交流电流的直流量1。〇; 步骤2032、换流器故障诊断模块(1)根据公式^ =去Σ |U?)|，(nV.)计算得到A相交 1\ ·η^Μ+1 流电流的绝对平均值|4|、Β相交流电流的绝对平均值M和c相交流电流的绝对平均值|毛|; 步骤2033、换流器故障诊断模块（1)根据公式|?|_ =rtmx(|z:a.|,ji6.)计算得到三相交流 电流绝对平均值的最大值Pmax 步骤2034、换流器故障诊断模块（1)根据公式p]min=min(p，]^,p)计算得到三相交流电 流绝对平均值的最小值胃_ ; 步骤2035、换流器故障诊断模块（1)根据公式Zmaxi^ = max(|40|m|)计算得到三相交 流电流的直流量的绝对最大值Raxabs; 步骤204、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2041、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 <為成立时，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2042; 否则，当判定条件^胃 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2043;其中，S1S三相交流电流绝对平均值的最大值 MLk的故障判定阈值； 步骤2042、换流器故障诊断模块（1)根据判定条件υ'&(0)>δ2判定故障类型，当判定条 件υ'&(ο)>δ2成立时，判定故障类型为直流接地故障；否则，当判定条件υ'&(ο)>δ 2不成立 时，判定故障类型为桥臂直通故障;其中，S2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 ' d。(0)的故障判定阈值； 步骤2043、换流器故障诊断模块（1)根据判定条件. <4判定故障类型，当判定条件 <内成立时，判定故障类型为两相短路故障，执行步骤2044;否则，当判定条件PLn <各 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 2045;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2 0 4 4、换流器故障诊断模块（1)根据判定条件s (χ_ = c)判定故障相位 置，当判定条件M =flmto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 1?| = 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M 成立时，判 定C相为非故障相，A相和B相为故障相； 步骤2045、换流器故障诊断模块（1)根据判定条件胃_ =4^_判定故障类型，当判定条 观，^戯日寸，離·章麵触BT；^铁交娜各章，抛亍频2046;测，麵 定条件|/|max 不成立时，判定故障类型为单相接地故障，执行步骤2047; 步骤2046、换流器故障诊断模块（1)根据判定条件I ix〇 I =imaxabs, (x = a，b，c)判定故障 相位置，当判定条件I I =imaxabs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ia〇<〇判定故障是A相上桥臂故障还是A相下桥臂故障，当判定条件ia〇<0成立时， 判定为A相上桥臂故障，否则，当判定条件ia〇<0不成立时，判定为A相下桥臂故障；当判定条 件I ib〇| =imaxabs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ib〇<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ib〇<0成立时，判定为B相上桥臂 故障，否则，当判定条件ib〇<0不成立时，判定为B相下桥臂故障；当判定条件I i。。I = imaxabs 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ic^CO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icoCO成立时，判定为C相上桥臂故障，否则，当判 定条件1。〇<〇不成立时，判定为C相下桥臂故障； 步骤2047、换流器故障诊断模块（1)根据判定条件|^ = 1、办=〃,/^)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 41=^1_成#时，判定財目为故障相，a相和〇相为非故障相；当判定条件h两_成#时，判 定C相为故障相，A相和B相为非故障相。2. 按照权利要求1所述的两电平柔性直流输电换流器故障保护及故障诊断方法，其特 征在于:步骤201种所述故障换流器闭锁后一个周期的时长为20ms。3. 按照权利要求1所述的两电平柔性直流输电换流器故障保护及故障诊断方法，其特 征在于:步骤201和步骤203中所述N的取值为100。4. 按照权利要求1所述的两电平柔性直流输电换流器故障保护及故障诊断方法，其特 征在于:步骤2041中所述S1的取值为换流器交流电流额定值的1 %。5. 按照权利要求1所述的两电平柔性直流输电换流器故障保护及故障诊断方法，其特 征在于:步骤2042中所述δ2的取值为0.25。6. 按照权利要求1所述的两电平柔性直流输电换流器故障保护及故障诊断方法，其特 征在于:步骤2043中所述δ3的取值为换流器交流电流额定值的1 %。7. 按照权利要求1所述的两电平柔性直流输电换流器故障保护及故障诊断方法，其特 征在于:所述换流器故障保护模块(2)和换流器故障诊断模块(1)均包括DSP芯片。
【文档编号】H02H7/125GK105896476SQ201610228029
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年4月13日
【发明人】孙晓云
【申请人】西安科技大学