一种换流站交流滤波器选相分合闸状态监测系统及方法与流程

本发明涉及电力监测领域，具体涉及一种换流站交流滤波器选相分合闸状态监测系统及方法。

背景技术：

换流站中，一般通过安装于交流母线上的交流滤波器来限制流入交流系统的谐波电流，并为直流换流阀提供无功补偿。随着直流输电系统输送功率的变化，所需要提供的无功补偿也会相应的发生变化，因此换流站交流滤波器需要频繁地进行投退，每一次投退都会对系统和电容器本身带来冲击。为尽量减轻滤波器频繁投退所带来的冲击，一般交流滤波器都配置选相分合闸装置，通过控制滤波器投退时断路器的最优分合闸角度，大大降低分合闸操作暂态过程中的过电流和过电压。目前，换流站在运的各个厂家的选相分合闸装置均没有自检功能，当装置出现故障无法进行最优分合闸控制时也无法发出告警提示信号，导致滤波器投入时给系统和滤波器带来冲击，甚至造成滤波器投入失败而造成滤波器停运事故，同时也推升了设备维护单位的运维成本。

技术实现要素：

针对现有技术中的不足，本发明提供一种换流站交流滤波器选相分合闸状态监测方法，通过对滤波器投入时的录波及时进行分析，可以提前预判选相分合闸装置的故障，从而在其故障前及时进行检查处理，避免滤波器投入失败而造成停电，提高设备可用率。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种换流站交流滤波器选相分合闸状态监测系统，其包括第一采集单元、第二采集单元、第三采集单元、第一监测处理单元、第二监测处理单元、第三监测处理单元和告警输出单元，

所述第一采集单元用于获取交流滤波器的三相差动电流，所述第一监测处理单元用于判定交流滤波器的三相差动电流中的某一相差动电流是否大于设定差流告警门槛值，若大于则通过所述告警输出单元输出告警信号；

所述第二采集单元用于获取选相分合闸装置的起流时刻与电压过零时刻，所述第二监测处理单元用于判定选相分合闸装置的起流时刻与电压过零时刻的时差是否大于设定时差告警门槛值，若大于则通过所述告警输出单元输出告警信号；

所述第三采集单元用于获取选相分合闸装置的合闸顺序，所述第三监测处理单元用于判定选相分合闸装置的合闸顺序，当交流滤波器的a相电压作为电压过零点时刻的基准电压时，选相分合闸顺序不为a相-c相-b相，或当交流滤波器的b相电压作为电压过零点时刻的基准电压时，选相分合闸顺序不为b相-a相-c相，或当交流滤波器的c相电压作为电压过零点时刻的基准电压时，选相分合闸顺序不为c相-b相-a相时，则通过所述告警输出单元输出告警信号。

如上所述的换流站交流滤波器选相分合闸状态监测系统，进一步地，所述第一采集单元根据以下方法获得滤波器的某一相差动电流idiff：

其中，和分别为滤波器的电流互感器t1和t3的二次侧电流。

如上所述的换流站交流滤波器选相分合闸状态监测系统，进一步地，所述第二采集单元根据以下方法获得起流时刻ti和电压过零时刻tu；

起流时刻ti的获取方法为：从故障录波数据中获取合闸开入变位时刻tcls之前一时刻tk，设时刻tk对应的基波电流有效值为ik，要求含时刻tk在内之前的连续若干个基波电流有效值ik不大于设定倍数的电流互感器二次额定值in，则可认为tk即为起流时刻ti，即：

ti＝tk(ik,ik-1,ik-2,…,ik-9≤nin)

电压过零时刻tu的获取方法为：设tp1和tp2是电压过零时刻tu前后两个相邻采样点p1和p2对应的时刻，则相应的电压采样瞬时值up1和up2满足：

up1·up2≤0

以起流时刻ti为基准，取长度为二分之一工频周期的时间窗[ti-t/4,ti+t/4]，对时间窗内每个采样点电压瞬时值进行相邻两点相乘，直至找出满足乘积小于等于0的两个采样点，则电压过零时刻tu可取这两个点对应时刻的中间值，即：

如上所述的换流站交流滤波器选相分合闸状态监测系统，进一步地，所述第三监测处理单元根据以下方法判定选相分合闸装置的合闸顺序：设置一参考电压uref作为电压过零点时刻的电压基准，合闸顺序的判别式为：

其中，ti_a、ti_b、ti_c是交流滤波器的三相起流时刻，ua、ub、uc为交流滤波器的三相电压。

一种换流站交流滤波器选相分合闸状态监测方法，其包括

符合以下判据的任一或以上，输出告警信号，

判据一：交流滤波器的三相差动电流中的某一相差动电流大于设定差流告警门槛值；

判据二：选相分合闸装置的起流时刻与电压过零时刻的时差大于设定时差告警门槛值；

判据三：当交流滤波器的a相电压作为电压过零点时刻的基准电压时，选相分合闸顺序不为a相-c相-b相，或当交流滤波器的b相电压作为电压过零点时刻的基准电压时，选相分合闸顺序不为b相-a相-c相，或当交流滤波器的c相电压作为电压过零点时刻的基准电压时，选相分合闸顺序不为c相-b相-a相。

如上所述的换流站交流滤波器选相分合闸状态监测方法，进一步地，在判据一中，滤波器的某一相差动电流idiff为：

其中，和分别为滤波器的电流互感器t1和t3的二次侧电流。

如上所述的换流站交流滤波器选相分合闸状态监测方法，进一步地，在判据二中，起流时刻ti的获取方法为：从故障录波数据中获取合闸开入变位时刻tcls之前一时刻tk，设时刻tk对应的基波电流有效值为ik，要求含时刻tk在内之前的连续若干个基波电流有效值ik不大于设定倍数的电流互感器二次额定值in，则可认为tk即为起流时刻ti，即：

ti＝tk(ik,ik-1,ik-2,…,ik-9≤nin)

如上所述的换流站交流滤波器选相分合闸状态监测方法，进一步地，电压过零时刻tu的获取方法为：设tp1和tp2是电压过零时刻tu前后两个相邻采样点p1和p2对应的时刻，则相应的电压采样瞬时值up1和up2满足：

up1·up2≤0

以起流时刻ti为基准，取长度为二分之一工频周期的时间窗[ti-t/4,ti+t/4]，对时间窗内每个采样点电压瞬时值进行相邻两点相乘，直至找出满足乘积小于等于0的两个采样点，则电压过零时刻tu可取这两个点对应时刻的中间值，即：

如上所述的换流站交流滤波器选相分合闸状态监测方法，进一步地，设置一参考电压uref作为电压过零点时刻的电压基准，合闸顺序的判别式为：

其中，ti_a、ti_b、ti_c是交流滤波器的三相起流时刻，ua、ub、uc为交流滤波器的三相电压。

如上所述的换流站交流滤波器选相分合闸状态监测方法，进一步地，要求含时刻tk在内向前的连续10个基波电流有效值ik不大于0.01倍的电流互感器二次额定值in。

如上所述的换流站交流滤波器选相分合闸状态监测方法，进一步地，电压过零时刻tu的误差不超采样间隔的一半。

本发明与现有技术相比，其有益效果在于：本发明通过对滤波器每次投入时录波量的分析，判断本组滤波器的选相分合闸装置是否存在异常，从而提前预判选相分合闸装置的故障趋势，当选相分合闸装置出现不正常状态时，提前进行检查处理，以避免其故障时造成滤波器投入失败，节约运维成本，提高滤波器投退可靠性，缩短一次设备停运时间、提高设备可用率。

附图说明

图1为滤波器组电流互感器的典型配置结构原理图；

图2为基准电压为a时交流滤波器选相分合闸装置状态监视逻辑原理图；

图3为基准电压为b时交流滤波器选相分合闸装置状态监视逻辑原理图；

图4为基准电压为c时交流滤波器选相分合闸装置状态监视逻辑原理图；

图5为为本发明实施例的方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。

实施例：

通常情况下，电力系统中的断路器为随机分合闸，并伴随涌流和电压波动。断路器选相分合闸技术(controlledswitching，简称cs)是指通过一定的手段使断路器动、静触头在系统电压波形的指定相角处分合，使电力设备在对自身和系统冲击最小的情况下投切入电力系统的技术。cs技术能够大大降低分合闸操作暂态过程中的过电流和过电压，从而延长电力设备的寿命和提高整个电力系统的稳定性。

断路器选相分合闸装置可通过控制断路器分闸相位影响剩磁，通过控制断路器合闸相位使得偏磁恰好和剩磁抵消，从而在合闸瞬间综合磁通接近于正常运行状况下的稳态磁通从而避免磁通叠加造成饱和，主动抑制励磁涌流的大小。对于三相联动机构的断路器而言，三相分闸时分闸角度相差120°，三相剩磁极性和大小各异，但合闸时三相的合闸角也相差120°，三相偏磁极性也各不相同，只要分闸相位和合闸相位相同，则对于特定某相磁路来说，其偏磁和剩磁的相位恰好相反，叠加时相互抵消，从而达到抑制励磁涌流的效果。

对于容性负载如空载电容器、滤波器组等电力设备，断路器操作过程中产生过电压及涌流的实质为电容两端电压突变引发的暂态物理现象，通常应在各相系统电压过零点附近依次完成合闸，以改善操作瞬间导致的暂态冲击。故当容性负载充电时，若连接的瞬间恰好在电压峰值时会产生大量的暂态不平衡电气量，如过电压和涌流，所以在容性负载投入时为了达到最小的压差，应该在电压过零点时投入容性负载。

参见图1至图5，一种换流站交流滤波器选相分合闸状态监测方法，用于监测断路器选相分合闸装置，符合以下判据的任一或以上，输出告警信号。

判据一：交流滤波器的三相差动电流中的某一相差动电流大于设定差流告警门槛值。

判据二：选相分合闸装置起流时刻与电压过零时刻的时差大于设定时差告警门槛值。

判据三：当交流滤波器的a相电压作为电压过零点时刻的基准电压时，选相分合闸顺序不为a相-c相-b相，当交流滤波器的b相电压作为电压过零点时刻的基准电压时，选相分合闸顺序不为b相-a相-c相，当交流滤波器的c相电压作为电压过零点时刻的基准电压时，选相分合闸顺序不为c相-b相-a相。

对于判据一，滤波器组电流互感器的典型配置如图1所示，电流互感器t1和t3的二次侧电流分别为和则滤波器的差动电流表达式idiff为：

滤波器三相的差动电流均可用上式计算。可设置一差动电流告警门槛值iset，当满足idiff＞iset时即发出告警信号。

对于判据二，设滤波器支路电流的起流时刻(即滤波器支路导通时刻)为ti，滤波器母线电压的过零时刻为tu，则两者的差值δt＝|ti-tu|表征了起流时刻与电压过零时刻的时差，若正好在电压过零时刻合闸则有δt＝0。考虑到选相分合闸装置的误差、涌流承受能力以及一定裕度，可设置一时差告警门槛值tset，当δt＞tset时认为合闸时刻(即上述起流时刻)不是电压过零时刻，即发出告警信号。

关于起流时刻ti，由于断路器位置信号传输存在延时且断路器合闸过程中存在预击穿过程，因此起流时刻ti一般要早于断路器合闸位置开入变位(0→1)时刻tcls。从故障录波数据中易获得合闸开入变位时刻tcls以及每个采样点的基波电流有效值，可考虑以tcls为起始，考察tcls之前每个采样点的基波电流有效值。设tk时刻对应的基波电流有效值为ik，且含该点在内向前连续10个点的基波电流有效值不大于0.01倍in(in是电流互感器二次额定值)，则可认为tk即为起流时刻ti，即：

ti＝tk(ik,ik-1,ik-2,…,ik-9≤0.01in)

关于电压过零时刻tu，设tp1和tp2是电压过零时刻tu前后两个相邻采样点p1和p2对应的时刻，则相应的电压采样瞬时值up1和up2满足：

up1·up2≤0

上式中等于0对应tp1或tp2正好是过零时刻的情况。而对于非电压过零点附近的相邻两个采样点，其电压瞬时值的乘积总是大于0。因此，可以前述已求得的ti为基准，取长度为二分之一工频周期(因为电压过零点每二分之一工频周期出现一次)的时间窗[ti-t/4,ti+t/4]，对时间窗内每个采样点电压瞬时值进行相邻两点相乘，直至找出满足乘积小于等于0的两点，则电压过零时刻tu可取这两个点对应时刻的中间值，即：

考虑到tp1和tp2距离真实过零时刻的时长不一定相等，由上式计算得到的tu会与真实过零时刻有一定误差，误差最大值可达到采样间隔的一半即ts/2。故障录波装置的采样率一般都较大，以每周期采样200点为例，则上述最大误差为ts/2＝t/2n＝0.05ms，转化成电角度为0.9°，属于可接受范围内。

至此，各相的起流时刻ti和电压过零时刻tu都可按前述方法求得，即可比较δt＝|ti-tu|与tset来确定是各相否在电压过零处合闸。

对于判据三，由于选相分合闸装置需要设置一参考电压uref作为电压过零点时刻的基准，当选取的参考电压为不同相时，合闸顺序也不一样，即：

利用前述求得的起流时刻ti，则合闸顺序的判别式可写为：

其中，ti_a、ti_b、ti_c是三相的起流时刻，ua、ub、uc为交流滤波器的三相电压。

图2至4分别为取a、b、c相为参考电压时，本发明的监测逻辑原理图，其中，idiff_a、idiff_b、idiff_c为滤波器小组的三相差动电流，ti_a、ti_b、ti_c是三相的起流时刻，tu_a、tu_b、tu_c是三相的电压过零时刻，iset为差动电流告警门槛值，tset为时差告警门槛值。

a.参见图2，基准电压为a相即uref＝ua，合闸顺序为a→c→b，发出告警信号的逻辑表达式为：

(idiff_a＞iset)||(idiff_b＞iset)||(idiff_c＞iset)||(δta＞tset)||(δtb＞tset)||(δtc＞tset)||！(ti_a＜ti_c＜ti_b)

b.参见图3，基准电压为b相即uref＝ub，则合闸顺序为b→a→c，发出告警信号的逻辑表达式为：

(idiff_a＞iset)||(idiff_b＞iset)||(idiff_c＞iset)||(δta＞tset)||(δtb＞tset)||(δtc＞tset)||！(ti_b＜ti_a＜ti_c)

c.参见图4，基准电压为c相即uref＝uc，则合闸顺序为c→b→a，发出告警信号的逻辑表达式为：

(idiff_a＞iset)||(idiff_b＞iset)||(idiff_c＞iset)||(δta＞tset)||(δtb＞tset)||(δtc＞tset)||！(ti_c＜ti_b＜ti_a)

本发明通过对滤波器每次投入时录波量的分析，判断本组滤波器的选相分合闸装置是否存在异常，从而提前预判选相分合闸装置的故障趋势，当选相分合闸装置出现不正常状态时，提前进行检查处理，以避免其故障时造成滤波器投入失败，节约运维成本，提高滤波器投退可靠性，缩短一次设备停运时间、提高设备可用率。

同时本发明还提供一种换流站交流滤波器选相分合闸状态监测系统，其包括第一采集单元、第二采集单元、第三采集单元、第一监测处理单元、第二监测处理单元、第三监测处理单元和告警输出单元，

所述第一采集单元用于获取交流滤波器的三相差动电流，所述第一监测处理单元用于判定交流滤波器的三相差动电流中的某一相差动电流是否大于设定差流告警门槛值，若大于则通过所述告警输出单元输出告警信号；

所述第二采集单元用于获取选相分合闸装置的起流时刻与电压过零时刻，所述第二监测处理单元用于判定选相分合闸装置的起流时刻与电压过零时刻的时差是否大于设定时差告警门槛值，若大于则通过所述告警输出单元输出告警信号；

所述第三采集单元用于获取选相分合闸装置的合闸顺序，所述第三监测处理单元用于判定选相分合闸装置的合闸顺序，当交流滤波器的a相电压作为电压过零点时刻的基准电压时，选相分合闸顺序不为a相-c相-b相，或当交流滤波器的b相电压作为电压过零点时刻的基准电压时，选相分合闸顺序不为b相-a相-c相，或当交流滤波器的c相电压作为电压过零点时刻的基准电压时，选相分合闸顺序不为c相-b相-a相时，则通过所述告警输出单元输出告警信号。

进一步地，所述第一采集单元根据以下方法获得滤波器的某一相差动电流idiff：

其中，和分别为滤波器的电流互感器t1和t3的二次侧电流。

进一步地，所述第二采集单元根据以下方法获得起流时刻ti和电压过零时刻tu；

起流时刻ti的获取方法为：从故障录波数据中获取合闸开入变位时刻tcls之前一时刻tk，设时刻tk对应的基波电流有效值为ik，要求含时刻tk在内之前的连续若干个基波电流有效值ik不大于设定倍数的电流互感器二次额定值in，则可认为tk即为起流时刻ti，即：

ti＝tk(ik,ik-1,ik-2,…,ik-9≤nin)

电压过零时刻tu的获取方法为：设tp1和tp2是电压过零时刻tu前后两个相邻采样点p1和p2对应的时刻，则相应的电压采样瞬时值up1和up2满足：

up1·up2≤0

以起流时刻ti为基准，取长度为二分之一工频周期的时间窗[ti-t/4,ti+t/4]，对时间窗内每个采样点电压瞬时值进行相邻两点相乘，直至找出满足乘积小于等于0的两个采样点，则电压过零时刻tu可取这两个点对应时刻的中间值，即：

进一步地，所述第三监测处理单元根据以下方法判定选相分合闸装置的合闸顺序：设置一参考电压uref作为电压过零点时刻的电压基准，合闸顺序的判别式为：

其中，ti_a、ti_b、ti_c是交流滤波器的三相起流时刻，ua、ub、uc为交流滤波器的三相电压。

本装置通过采集交流滤波器容易获取的电气量判断本组滤波器的选相分合闸装置是否存在异常，从而提前预判选相分合闸装置的故障趋势，当选相分合闸装置出现不正常状态时，提前进行检查处理，以避免其故障时造成滤波器投入失败，节约运维成本，提高滤波器投退可靠性，缩短一次设备停运时间、提高设备可用率。

上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。