一种基于换相电感能量变化率的换相失败检测方法及装置

1.本发明涉及继电保护技术领域，尤其涉及一种基于换相电感能量变 化率的换相失败检测方法及装置。


背景技术：

2.随着高压直流输电系统电压等级和传输功率的提升，逆变侧换流器 换相失败发生的概率逐渐提高。由于换相失败的发生会引起直流系统传 输功率下降，继发的连续换相失败甚至会导致功率传输中断进而引起直 流闭锁，严重威胁直流输电系统的安全稳定运行。因此，判断换相失败 对实际系统安全运行具有重要的意义，为后续消除换相失败对系统的影 响奠定了基础。
3.目前针对换相失败判别的研究主要从关断角、交流电压、直流电流 这三个系统运行状态量展开。基于关断角的判别方法主要是检测流过预 关断阀的电流降为零的时刻与对应换相电压过零时刻，计算上述两个时 刻的差值并将其转化为角度量以获得实际关断角，进而与极限关断角进 行比较判断是否发生换相失败。但该方法在处理临界附近的换相失败情 况时容易发生误判。基于交流电压的判别方法主要是从最小电压降落、 临界换相“电压
–
时间”面积、临界换相电压这三方面进行换相失败的 预测。但是上述研究均基于正弦波形电压，忽略了实际运行中波形畸变 的重要影响，预判结果准确性不足。基于直流电流特征的判别方法，主 要是利用小波能量分析和数学形态学分析等方法分析直流电流，进而判 定换相失败。但是该方法在换流器直流短路后才能判别换相失败的发生， 且阈值的选取依赖于大量样本数据。
4.综上，现有的换相失败判别方法存在判断准确性较低的问题。


技术实现要素：

5.鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种基于换相电感能量变 化率的换相失败检测方法及装置，用以解决现有的换相失败判别方法存 在判断准确性较低的问题。
6.一方面，本发明实施例提供了一种基于换相电感能量变化率的换相 失败检测方法，包括以下步骤：
7.采集逆变侧的换流器阀侧电流、换流器直流电压、直流电流，以及， 换流母线电压；
8.基于采集的数据，分别计算换流器中d桥、y桥换流器换相电感能 量变化率差；
9.基于所述d桥、y桥换流器换相电感能量变化率差和换相失败判据， 确定换流器是否发生换相失败。
10.进一步地，所述基于采集的数据，分别计算换流器中d桥、y桥换 流器换相电感能量变化率差，包括：
11.根据采集的逆变侧换流器阀侧电流，分别确定换流器中d桥、y桥 换流器参与换相的相；
12.基于所述d桥、y桥换流器中参与换相的相，分别得到d桥、y桥 换流器中参与换相的相构成的阀侧线电流微分；
13.基于所述d桥、y桥换流器中参与换相的相构成的阀侧线电流微分， d桥、y桥换流器中参与换相的相，以及采集的数据，分别得到d桥、 y桥换流器换相电感能量变化率实际值和计算值；
14.基于所述d桥、y桥换流器换相电感能量变化率实际值和计算值， 计算d桥、y桥换流器换相电感能量变化率差。
15.进一步地，所述换流器中d桥、y桥换流器换相电感能量变化率差 s
md
、s
my
分别表示为：
[0016][0017]
式中，s
vd
、s
vy
分别为d桥、y桥换流器换相电感能量变化率计算值； sd、sy分别为d桥、y桥换流器换相电感能量变化率实际值。
[0018]
进一步地，所述d桥、y桥换流器换相电感能量变化率实际值sd、sy分别表示为：
[0019][0020][0021]
式中，l
rd
、l
ry
分别为y/
△
换流变压器和y/y换流变压器折算至阀 侧的电感；i
ad
、i
bd
、i
cd
分别为d桥换流器ab相、bc相、ca相构成的换 流器阀侧线电流；i
ay
、i
by
、i
cy
分别为y/y换流变压器阀侧绕组三相电流。
[0022]
进一步地，所述d桥、y桥换流器换相电感能量变化率计算值s
vd
、 s
vy
分别表示为：
[0023]
若d桥换流器中参与换相的相构成的阀侧线电流微分大于0，则
[0024][0025]
若d桥换流器中参与换相的相构成的线阀侧电流微分小于0，则
[0026][0027]
若y桥换流器中参与换相的相构成的阀侧线电流微分大于0，则
[0028][0029]
若y桥换流器中参与换相的相构成的线阀侧电流微分小于0，则
[0030][0031]
式中，id为直流电流，u
d1
为d桥换流器共阳极处直流电压，u
d2
为d 桥换流器与y桥换流器相连节点处直流电压；i
xd
为d桥换流器中参与换 相的相构成的阀侧线电流，i
yd
和i
zd
分别为d桥换流器中其余两个阀侧线 电流；u
x
为阀侧线电流i
xd
对应的换流母线电压，uy和uz分别为d桥换 流器中其余两个阀侧线电流对应的换流母线电压；i
xy
和i
yy
分别为y桥换 流器
中参与换相的相构成的阀侧相电流,u
x
和uy分别为y桥换流器中参 与换相的相的换流母线电压，uz为y桥换流器中剩余一相的换流母线电 压。
[0032]
进一步地，所述换相失败判据，具体为：
[0033]
若s
md
≤s
dset
且s
my
≤s
yset
，则未发生换相失败；
[0034]
若s
md
＞s
dset
且s
my
≤s
yset
，则d桥换流器发生换相失败；
[0035]
若s
md
≤s
dset
且s
my
＞s
yset
，则y桥换流器发生换相失败；
[0036]
否则，d桥和y桥换流器均发生换相失败；
[0037]
其中，s
dset
、s
yset
分别为d桥、y桥换相电感能量变化率差的门槛值。
[0038]
进一步地，所述d桥、y桥换相电感能量变化率差的门槛值s
dset
、s
yset
均取50。
[0039]
另一方面，本发明实施例提供了一种基于换相电感能量变化率的换 相失败检测装置，包括：
[0040]
数据采集模块，用于采集逆变侧的换流器阀侧电流、换流器直流电 压、直流电流，以及，换流母线电压；
[0041]
换相电感能量变化率差计算模块，用于基于采集的数据，分别计算 换流器中d桥、y桥换流器换相电感能量变化率差；
[0042]
换相失败判别模块，用于基于所述d桥、y桥换流器换相电感能量 变化率差和换相失败判据，确定换流器是否发生换相失败。
[0043]
进一步地，所述基于采集的数据，分别计算换流器中d桥、y桥换 流器换相电感能量变化率差，包括：
[0044]
根据采集的逆变侧换流器阀侧电流，分别确定换流器中d桥、y桥 换流器参与换相的相；
[0045]
基于所述d桥、y桥换流器中参与换相的相，分别得到d桥、y桥 换流器中参与换相的相构成的阀侧线电流微分；
[0046]
基于所述d桥、y桥换流器中参与换相的相构成的阀侧线电流微分， d桥、y桥换流器中参与换相的相，以及采集的数据，分别得到d桥、 y桥换流器换相电感能量变化率实际值和计算值；
[0047]
基于所述d桥、y桥换流器换相电感能量变化率实际值和计算值， 计算d桥、y桥换流器换相电感能量变化率差。
[0048]
进一步地，所述换流器中d桥、y桥换流器换相电感能量变化率差 s
md
、s
my
分别表示为：
[0049][0050]
式中，s
vd
、s
vy
分别为d桥、y桥换流器换相电感能量变化率计算值； sd、sy分别为d桥、y桥换流器换相电感能量变化率实际值。
[0051]
与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：
[0052]
本发明提供的一种基于换相电感能量变化率的换相失败检测方法及 装置，
[0053]
通过采集逆变侧的换流器阀侧电流、换流器直流电压、直流电流， 以及，换流母线电压，分别计算换流器中d桥、y桥换流器换相电感能 量变化率差，再根据换相失败判据，确
定换流器是否发生换相失败，计 算简单，易于实施，能够实现换相失败故障的快速准确检测，解决了现 有的换相失败方法速准确性较低问题，有效提高了换相预测的精确度， 不受实际运行中波形畸变的影响；并且本发明无需依赖阀电流的检测， 在处理临界附近的换相失败情况时也能准确判别；此外，本发明能够快 速准确的判定换相失败故障的发生，不受过渡电阻、故障时刻、换相电 抗及换流变压器变比的影响。
[0054]
本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优 选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且， 部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本 发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来 实现和获得。
附图说明
[0055]
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制， 在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
[0056]
图1为本发明实施例1中的基于换相电感能量变化率的换相失败检 测方法流程图；
[0057]
图2为高压直流输电系统结构图；
[0058]
图3为逆变侧12脉波换流器原理接线图；
[0059]
图4为换流器正常运行时的换流母线电压与换流阀导通顺序关系图；
[0060]
图5为本发明实施例2提供的基于换相电感能量变化率的换相失败 检测装置结构示意图；
[0061]
图6(a)、6(b)分别为交流线路发生经不同过渡电阻接地的a相短路故 障时d桥、y桥换流器阀电流；
[0062]
图7(a)、7(b)分别为交流线路发生经不同过渡电阻接地的a相短路故 障时的|δsd|、|δsy|值；
[0063]
图8(a)、8(b)分别为交流线路在不同时刻发生的ab相间短路时的d 桥、y桥换流器阀电流；
[0064]
图9(a)、9(b)分别为在不同故障位置发生ab相间短路故障时的|δsd|、 |δsy|值；
[0065]
图10(a)、(b)分别为在不同逆变侧换相电抗下的d桥、y桥换流器阀 电流；
[0066]
图11(a)、11(b)分别为在不同逆变侧换相电抗下的|δsd|、|δsy|值；
[0067]
图12为交流线路发生c相短路故障时y桥换流器阀电流；
[0068]
图13(a)、13(b)为交流线路发生c相短路故障时γ角测量值和对应|δsy| 值。
具体实施方式
[0069]
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本 申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用 于限定本发明的范围。
[0070]
实施例1
[0071]
本发明的一个具体实施例，公开了一种基于换相电感能量变化率的 换相失败检测方法，如图1所示，包括以下步骤：
[0072]
s1、采集逆变侧的换流器阀侧电流、换流器直流电压、直流电流， 以及，换流母线
电压；
[0073]
s2、基于采集的数据，分别计算换流器中d桥、y桥换流器换相电 感能量变化率差；
[0074]
s3、基于所述d桥、y桥换流器换相电感能量变化率差和换相失败 判据，确定换流器是否发生换相失败。
[0075]
具体地，换流器为逆变侧12脉波换流器。
[0076]
实施时，步骤s2中，所述基于采集的数据，分别计算换流器中d桥、 y桥换流器换相电感能量变化率差，包括：
[0077]
s21、根据采集的逆变侧换流器阀侧电流，分别确定换流器中d桥、 y桥换流器参与换相的相；
[0078]
s22、基于所述d桥、y桥换流器中参与换相的相，分别得到d桥、 y桥换流器中参与换相的相构成的阀侧线电流微分；
[0079]
s23、基于所述d桥、y桥换流器中参与换相的相构成的阀侧线电流 微分，d桥、y桥换流器中参与换相的相，以及采集的数据，分别得到d 桥、y桥换流器换相电感能量变化率实际值和计算值；
[0080]
s24、基于所述d桥、y桥换流器换相电感能量变化率实际值和计算 值，计算d桥、y桥换流器换相电感能量变化率差。
[0081]
具体实施时，步骤s21中，基于采集的逆变侧换流器阀侧电流，分 别得到换流器中d桥、y桥换流器参与换相的相，具体为：
[0082]
若|i
ay
|＜id，且|i
by
|＜id，且|i
cy
|＝id，则判断y桥换流器中参与换相的相 为a相和b相；
[0083]
若|i
ay
|＝id，且|i
by
|＜id，且|i
cy
|＜id，则判断y桥换流器中参与换相的相 为b相和c相；
[0084]
若|i
ay
|＜id，且|i
by
|＝id，且|i
cy
|＜id，则判断y桥换流器中参与换相的相 为a相和c相；
[0085]
若|i
ad-i
cd
|＜id，且|i
bd-i
ad
|＜id，且|i
cd-i
bd
|＝id，则判断d桥换流器中参与 换相的相为a相和b相；
[0086]
若|i
ad-i
cd
|＝id，且|i
bd-i
ad
|＜id，且|i
cd-i
bd
|＜id，则判断d桥换流器中参与 换相的相为b相和c相；
[0087]
若|i
ad-i
cd
|＜id，且|i
bd-i
ad
|＝id，且|i
cd-i
bd
|＜id，则判断d桥换流器中参与 换相的相为a相和c相；
[0088]
其中，id为直流电流；i
ad
、i
bd
、i
cd
分别为d桥换流器ab相、bc相、 ca相构成的换流器阀侧线电流；i
ay
、i
by
、i
cy
分别为y/y换流变压器阀侧 绕组三相电流。
[0089]
实施时，所述换流器中d桥、y桥换流器换相电感能量变化率差s
md
、s
my
分别表示为：
[0090][0091]
式中，s
vd
、s
vy
分别为d桥、y桥换流器换相电感能量变化率计算值； sd、sy分别为d桥、y桥换流器换相电感能量变化率实际值。
[0092]
具体地，所述d桥、y桥换流器换相电感能量变化率实际值sd、sy分 别表示为：
[0093][0094][0095]
式中，l
rd
、l
ry
分别为y/
△
换流变压器和y/y换流变压器折算至阀 侧的电感；i
ad
、i
bd
、i
cd
分别为d桥换流器ab相、bc相、ca相构成的换 流器阀侧线电流；i
ay
、i
by
、i
cy
分别为y/y换流变压器阀侧绕组三相电流。
[0096]
具体地，所述d桥、y桥换流器换相电感能量变化率计算值s
vd
、s
vy
分别表示为：
[0097]
若d桥换流器中参与换相的相构成的阀侧线电流微分大于0，则
[0098][0099]
若d桥换流器中参与换相的相构成的线阀侧电流微分小于0，则
[0100][0101]
若y桥换流器中参与换相的相构成的阀侧线电流微分大于0，则
[0102][0103]
若y桥换流器中参与换相的相构成的线阀侧电流微分小于0，则
[0104][0105]
式中，id为直流电流，u
d1
为d桥换流器共阳极处直流电压，u
d2
为d 桥换流器与y桥换流器相连节点处直流电压；i
xd
为d桥换流器中参与换 相的相构成的阀侧线电流，i
yd
和i
zd
分别为d桥换流器中其余两个阀侧线 电流；u
x
为阀侧线电流i
xd
对应的换流母线电压，uy和uz分别为d桥换 流器中其余两个阀侧线电流对应的换流母线电压；i
xy
和i
yy
分别为y桥换 流器中参与换相的相构成的阀侧相电流,u
x
和uy分别为y桥换流器中参 与换相的相的换流母线电压，uz为y桥换流器中剩余一相的换流母线电 压。
[0106]
实施时，所述换相失败判据，具体为：
[0107]
若s
md
≤s
dset
且s
my
≤s
yset
，则未发生换相失败；
[0108]
若s
md
＞s
dset
且s
my
≤s
yset
，则d桥换流器发生换相失败；
[0109]
若s
md
≤s
dset
且s
my
＞s
yset
，则y桥换流器发生换相失败；
[0110]
否则，d桥和y桥换流器均发生换相失败；
[0111]
其中，s
dset
、s
yset
分别为d桥、y桥换相电感能量变化率差的门槛值。
[0112]
具体地，所述d桥、y桥换相电感能量变化率差的门槛值s
dset
、s
yset
均 取50。
[0113]
需要说明的是，本实施例中的基于换相电感能量变化率的换相失败 检测方法是基于下述推导得到的：
[0114]
第一、基于d桥、y桥换流器中参与换相的相构成的阀侧线电流微 分与换流器正常导通工况的关联关系，获取d桥、y桥换流器导通工况。 具体推导过程如下：
[0115]
首先，对d桥、y桥换流器中参与换相的相构成的阀侧线电流微分 符号与换流器导通工况的关系做如下说明：
[0116]
高压直流输电系统结构图如图2所示，图3为图2所示系统中逆变 侧12脉波换流器原理接线图，图4为换流器正常运行时的换流母线电压 与换流阀导通顺序关系图。逆变侧12脉波换流器由d桥换流器和y桥 换流器组成；其中，d桥换流器包括换流阀vd1-vd6；其中，由vd1 和vd4、vd3和vd6以及vd5和vd2形成三相的串联支路，vd1、 vd3及vd5的阴极相连，vd4、vd6及vd2的阳极相连；y桥换流器 包括换流阀vy1-vy6；其中，由vy1和vy4、vy3和vy6以及vy5 和vy2形成三相的串联支路，vy1、vy3及vy5的阴极相连，vy4、 vy6及vy2的阳极相连。
[0117]
直流系统发生换相失败后，换流阀的导通状态改变，主要分为以下 两种：预关断阀先关断后导通和预关断阀持续导通。本实施例以y桥换 流器工作于vy1,vy2,vy3导通的换相过程为例，分析换流阀处于正常 换相及上述预关断阀先关断后导通和预关断阀持续导通两种换相失败状 态时，y桥换流器中参与换相的a、b相构成的阀侧线电流微分与换流器 导通工况的关系，具体如下：
[0118]
1)正常换相
[0119]
根据图3可得y桥换流器在换流阀vy1、vy2、vy3导通时的电压 电流关系为：
[0120][0121]
式中，ua、ub分别为换流母线a、b相电压；l
ry
为y/
△
换流变压器 折算至阀侧的电感；i
ay
、i
by
分别为y/y换流变压器阀侧绕组a、b相电 流。
[0122]
将式(8)化为线电流线电压的形式：
[0123][0124]
式中，u
ab
为换相电压，i
aby
为参与换相的相构成的线电流，即ab相 阀侧线电流。
[0125]
由图4可得，在上述换相期间，换相电压u
ab
《0，结合式(9)可知，此 时ab相阀侧线电流微分
[0126]
2)预关断阀持续导通
[0127]
当预关断换流阀vy1持续导通时，在换流器定关断角控制的作用下， 下一预导通换流阀vy4的超前触发角β增大，vy4将提前触发导通。记 换相电压过零时刻为t0，换流阀vy4触发导通时刻为t1。根据换流阀vy4 的触发导通时刻t1和换相电压过零时刻t0的先后顺序，将该换相失败情况 下的换流阀导通状态分为以下两种：
[0128]
当t0＜t1时，即换流阀vy4在换相电压过零后触发导通：
[0129]
在t0＜t＜t1，y桥换流器工作于vy1、vy2、vy3导通的状态，并 且换相电压u
ab
》0，此时，换流阀vy1和vy3构成短路通路，式(9)仍然 成立，ab相阀侧线电流微分
[0130]
当t0≥t1，即换流阀vy4在换相电压过零点前触发导通，此时换流 器发生了直流短路：
[0131]
在t1≤t≤t0，y桥换流器将工作于vy1、vy2、vy3、vy4导通的 状态，并且换相电压u
ab
《0，同理式(9)仍然成立，ab相阀侧线电流微分 [0132]
3)预关断阀先关断后导通
[0133]
在该换相失败情况下，换流阀vy4将在换相电压过零后触发导通。 当流经换流阀
vy1的正向导通电流熄灭后，y桥换流器工作于vy2和 vy3导通工况，由图3可得换流器阀侧电流为：
[0134][0135]
式中，id为直流电流，i
cy
为y/y换流变压器阀侧绕组c相电流。
[0136]
换流阀vy1承受的阳极电压u
y1
为：
[0137][0138]
将式(10)代入式(11)可得：
[0139][0140]
当换流阀vy1承受的阳极电压u
y1
》0时，换流阀vy1将重新导通， 结合式(12)可得换流阀vy1重新导通时电压电流满足：
[0141][0142]
在交流系统发生故障后，直流电流增大，即此时，当换相电 压u
ab
》0时，式(13)必然成立，换流阀vy1将承受正压导通，y桥换流器 重新工作于vy1、vy2、vy3导通的工况。结合式(9)可得，ab相阀侧电 流微分
[0143]
根据上述分析可得，y桥换流器正常换相时，其导通工况为vy1、 vy2、vy3导通，参与换相的相构成的阀侧线电流微分大于零。当换流 器发生换相失败时，参与换相的相构成的阀侧线电流微分与换流器导通 工况的关联关系发生变化，根据换相电压过零时刻t0和换流阀vy4触发 导通时刻t1将其分为以下2类：
[0144]
当t0《t1时，y桥换流器的导通工况为vy1、vy2、vy3导通,参与 换相的相构成的阀侧线电流微分小于0；
[0145]
当t0》t1时，y桥换流器的导通工况为vy1、vy2、vy3、vy4导通， 参与换相的相构成的阀侧线电流微分大于0。
[0146]
按照上述推导分析过程，同理可以得到当y桥换流器工作于其余正 常换相工况及换相失败工况时，参与换相的相构成的阀侧线电流微分与 换流器导通工况关联关系，如表1所示。
[0147]
表1 y桥换流器阀侧线电流微分符号与换流器导通工况关联关系
[0148][0149]
结合图3中的d桥换流器支路结构可知，y/
△
换流变压器阀侧线电 流即为其绕组电流，线电压即为相电压。按照y桥换流器的阀侧线电流 微分与换流器导通工况关联关系的推导过程，同理可推导得到d桥换流 器在正常运行以及换相失败工况下换流器参与换相的相构成的阀侧线电 流微分符号与换流器导通工况关联关系，如表2所示。
[0150]
表2 d桥换流器阀侧线电流微分符号与换流器导通工况关联关系
[0151][0152]
由表1和表2可知，与正常换相过程相比，换流器发生换相失败后， 由参与换相的相构成的阀侧线电流微分的符号与换流器导通工况的关联 关系发生改变。当换流器发生换相失败且t0《t1时，其导通工况为三个编 号连续的换流阀导通，此时阀侧线电流微分符号与正常换相时的相反。 当换流器发生换相失败且t0》t1时，其导通工况为四个编号连续的换流阀 导通，此时阀侧线电流微分符号与正常换相时的相同。
[0153]
由上述分析可得，d桥、y桥换流器发生换相失败时，阀侧线电流 微分符号与换流器导通工况的关联关系发生改变。通过监测换流器阀侧 线电流微分，根据参与换相的相构成的阀侧线电流微分与换流器导通工 况的关联关系，获取换流器导通工况。
[0154]
第二、基于d桥、y桥换流器导通工况，计算d桥、y桥换流器换 相电感能量变化率实际值和计算值，以分析其与换相失败的关系，进而 构建d桥、y桥换流器换相电感能量变化率差和换相失败判据，以识别 换相失败，具体推导过程如下：
[0155]
首先，根据y桥换流器拓扑结构，推导y桥换流器换相电感能量变 化率实际值和计算值，并结合直流电流、直流电压和阀电流的故障变化 特征，分析换相失败时y桥换流器换
相电感能量变化率实际值和计算值 的差值，具体过程如下：
[0156]
本实施例中以换流阀vy1向vy3换相期间发生换相失败为例，说 明y桥换相电感能量变化率实际值和计算值的推导过程。由表1可知， 上述导通工况下监测到的阀侧线电流微分有以下两种情况：(正常 换相时，换流阀vy1、vy2、vy3导通)和(正常换相时，换流 阀vy4、vy5、vy6导通)。
[0157]
1)以正常换相换流阀vy1、vy2、vy3导通，实际发生换流阀vy1、 vy2、vy3、vy4导通的换相失败为例
[0158]
结合图3可得，在该正常换相的导通工况下换流器电压电流关系为：
[0159][0160][0161][0162]
式中，u
y0
为交流系统参考电位，u
ayg
、u
byg
、u
cyg
分别为y桥换流中 连接a、b、c相的两个换流阀的连接点ya、yb、yc处的电压，u
d2
为d桥 换流器与y桥换流器相连节点处d2点直流电压。
[0163]
联立式(14)和式(16)可得，交流系统参考电位u
y0
表达式为：
[0164][0165]
联立式(14)、(16)和式(17)可得y/y换流变压器阀侧电流微分表达式 为：
[0166][0167]
由图3可得，y桥换流器的换相电感能量变化率实际值sy的表达式 为：
[0168][0169]
将式(15)代入式(19)可得：
[0170][0171]
将式(18)代入式(20)，可得y桥换流器的换相电感能量变化率计算 值为：
(24)的推导过程，同理可得此时换相电感能量变化率实际 值，其表达式与式(21)相同，表示为：
[0190][0191]
联立式(28)和(29)可得，y桥换流器换相电感能量变化率实际值与计 算值的差值δsy为：
[0192][0193]
由于预关断阀vy4在换相电压过零点后导通，此时y桥换流器未发 生直流短路，因此u
d2
≠0。结合式(15)可得，i
ay
+i
by
≠0，因此δsy≠0，即y 桥换流器换相电感能量变化率计算值偏离实际值。
[0194]
应当注意的是，上述的y桥换流器的换相电感能量变化率实际值sy的表达式(29)是为进行理论推导，得出y桥换流器换相电感能量变化 率实际值与计算值的差值在理论上的特征。在实际应用中，直接根据采 集的数据通过式(19)计算即可。
[0195]
按照上述(25)和(30)的推导过程，同理可得y桥换流器处于表1中的 其他换相失败工况时的换相电感能量变化率实际值与计算值的差值的表 达式，并且通过上述分析可得，其换相电感能量变化率实际值与计算值 差值也不为0。
[0196]
综上，当换流器发生换相失败故障时，其换相电感能量变化率实际 值与计算值的差值将不为0。通过总结上述情况可将y桥换流器换相电 感能量变化率实际值与计算值的差值表示为：
[0197]
δsy＝s
vy-syꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(31)
[0198]
其中，y桥换流器换相电感能量变化率实际值sy表示为：
[0199][0200]
y桥换流器换相电感能量变化率计算值s
vy
如下表示：
[0201]
若y桥换流器中参与换相的相构成的阀侧线电流微分大于0，则
[0202][0203]
若y桥换流器中参与换相的相构成的线阀侧电流微分小于0，则
[0204][0205]
式中，id为直流电流，u
d2
为d桥换流器与y桥换流器相连节点处直 流电压；i
xy
和i
yy
分别为y桥换流器中参与换相的相所在的阀侧相电流， 即y桥换流器参与换相的换流阀所在相构成的阀侧相电流；u
x
和uy分别 为y桥换流器中参与换相的相的换流母线电压，即y桥换流器参与换相 的换流阀所在相的换流母线电压；uz为y桥换流器中剩余一相的换流母 线电压。
[0206]
然后，根据d桥换流器拓扑结构，推导d桥换流器换相电感能量 变化率实际值和计算值，并结合直流电流、直流电压和阀电流的故障变 化特征，分析换相失败时d桥换流器换相电感能量变化率实际值与计算 值的差值，具体过程如下：
[0207]
本实施例中以换流阀vd1向vd3换相期间发生换相失败为例，说 明d桥换相电感能量变化率实际值和计算值的推导过程。由表2可知， 上述导通工况下监测到的阀侧线电流微分有以下两种情况：(正常 换相时，换流阀vd1,vd2,vd3导通)和(正常换相时，换流阀 vd4、vd5、vd6导通)。
[0208]
1)以正常换相换流阀vd1、vd2、vd3导通，实际发生换流阀vd1、 vd2、vd3、vd4导通的换相失败为例
[0209]
结合图3可得，在该正常换相导通工况下的换流器电压电流关系为：
[0210]icd-i
bd
＝idꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(35)
[0211][0212][0213]
式中，u
adg
、u
bdg
、u
cdg
分别为d桥换流中连接a、b、c相的两个换 流阀的连接点da、db、dc处的电压，u
d1
为d桥换流器共阳极处d1点直 流电压。
[0214]
联立式(36)-(37)可得，y/δ换流变压器的阀侧电流微分为：
[0215][0216]
由图3可得，d桥换流器的换相电感能量变化率实际值sd的表达式 为：
[0217][0218]
将式(35)代入式(39)可得：
[0219][0220]
将式(38)代入式(40)，可得d桥换流器的换相电感能量变化率计算值 为：
[0221][0222]
结合图3可得，在实际为换流阀vd1、vd2、vd3、vd4导通的换 相失败导通工况下式(37)仍然成立，其电压电流关系式为：
[0223]uadg
＝u
bdg
＝u
cdg
＝u
d1
＝u
d2
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(42)
[0224]icd-i
bd
＝i
d-i
dv4
＝i
dv2
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(43)
[0225]
式中，i
dv2
和i
dv4
分别是流过换流阀vd2和vd4的电流。
[0226]
将式(42)代入(37)可得：
[0227][0228]
将式(43)代入式(39)可得：
[0229][0230]
将式(43)-(44)代入式(45)，可得上述换相失败情况下d桥换流器的换 相电感能量变化率实际值sd的表达式为：
[0231][0232]
联立式(41)和(46)，可得d桥换流器换相电感能量变化率差值δsd为：
[0233][0234]
根据式(42)可得，直流电压u
d1
＝u
d2
，因此，式(47)中的第一部分为 零。由于故障发生后，直流电流增加，且vy4触发导通后，流过阀vy4 的阀电流也增加，可得与此同时，流过换流阀vd2和 vd4的电流大于零，即i
dv2
》0,i
dv4
》0，可得δsd大于0，即y桥换流器换 相电感能量变化率计算值偏离实际值。
[0235]
应当注意的是，上述的d桥换流器的换相电感能量变化率实际值sd的表达式(46)是为进行理论推导，得出y桥换流器换相电感能量变化 率实际值与计算值的差值在理论上的特征。在实际应用中，直接根据采 集的数据通过式(39)计算即可。
[0236]
2)以正常换相换流阀vd4、vd5、vd6导通，实际发生换流阀vd1、 vd2、vd3导通的换相失败为例
[0237]
结合图3可得，在该正常换相导通工况下的换流器电压电流关系为：
[0238]ibd-i
cd
＝idꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(48)
[0239][0240]
按照上述式(38)-(41)的推导过程，同理可得d桥换流器换相电感能 量变化率计算值s
vd
的表达式为：
[0241][0242]
在实际发生换流阀vd1、vd2、vd3导通的换相失败导通工况下， 按照上述式(42)-(45)的推导过程，同理可得此时换相电感能量变化率实际 值，其表达式与式(41)相同，表示为：
[0243][0244]
由式(50)和(51)可得，d桥换流器换相电感能量变化率实际值与计算 值的差值δsd为：
[0245]
δsd＝s
vd-sd＝-2(i
bd-i
cd
)(u
d1-u
d2
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(52)
[0246]
此时，d桥换流器未发生直流短路，因此u
d1
≠u
d1
。结合式(49)可得， i
bd
≠i
cd
。由此可知，δsd≠0，即d桥换流器换相电感能量变化率计算值偏 离实际值。
[0247]
应当注意的是，上述的d桥换流器的换相电感能量变化率实际值sd的表达式(51)是为进行理论推导，得出d桥换流器换相电感能量变化 率实际值与计算值的差值在理论上的特征。在实际应用中，直接根据采 集的数据通过式(39)计算即可。
[0248]
按照上述式(47)和(52)的推导过程，同理可得d桥换流器处于表2中 的其他换相失败工况时的换相电感能量变化率实际值与计算值的差值的 表达式。通过类似分析过程可得，其换相电感能量变化率实际值与计算 值也不为0。
[0249]
综上，当发生换流器发生换相失败故障时，其换相电感能量变化率 实际值与计算值的差值将不为0。通过总结上述情况可将d桥换流器换 相电感能量变化率实际值与计算值的差值表示为：
[0250]
δsd＝s
vd-sdꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(53)
[0251]
其中，
[0252]
d桥换流器换相电感能量变化率实际值sd表示为：
[0253][0254]
d桥换流器换相电感能量变化率计算值s
vd
如下表示：
[0255]
若d桥换流器中参与换相的相构成的阀侧线电流微分大于0，则
[0256][0257]
若d桥换流器中参与换相的相构成的线阀侧电流微分小于0，则
[0258][0259]
式中，id为直流电流，u
d1
为d桥换流器共阳极处直流电压，u
d2
为d 桥换流器与y桥换流器相连节点处直流电压；i
xd
为d桥换流器中参与换 相的相构成的阀侧线电流，也即d桥换流器参与换相的换流阀共同相连 的相所在的阀侧相电流；i
yd
和i
zd
分别为d桥换流器中其余两个阀侧线电 流，也即d桥换流器其余两相的阀侧相电流；u
x
为阀侧线电流i
xd
对应的 换流母线电压，也即d桥换流器参与换相的换流阀共同相连的相所在的 换流母线电压；uy和uz分别为d桥换流器中其余两个阀侧线电流对应的 换流母线电压，也即d桥换流器其余两相的换流母线电压。
[0260]
最后，根据d桥、y桥换流器换相电感能量变化率实际值与计算值 的差值与换相失败的关系，构建d桥、y桥换流器换相电感能量变化率 差和换相失败判据，以识别换相失败，具体如下：
[0261]
将d桥、y桥换流器换相电感能量变化率实际值与计算值的差值的 绝对值定义为d
桥、y桥换流器换相电感能量变化率差s
md
、s
my
，表示为：
[0262][0263]
考虑测量误差、干扰等因素的情况，设定d桥、y桥换相电感能量 变化率差的门槛值s
dset
、s
yset
；换相失败判据为：
[0264]
若s
md
≤s
dset
且s
my
≤s
yset
，则未发生换相失败；
[0265]
若s
md
＞s
dset
且s
my
≤s
yset
，则d桥换流器发生换相失败；
[0266]
若s
md
≤s
dset
且s
my
＞s
yset
，则y桥换流器发生换相失败；
[0267]
否则，d桥和y桥换流器均发生换相失败。
[0268]
具体地，d桥、y桥换相电感能量变化率差的门槛值s
dset
、s
yset
均设 置为50。
[0269]
与现有技术相比，本实施例提供的一种基于换相电感能量变化率的 换相失败检测方法及装置，通过采集逆变侧的换流器阀侧电流、换流器 直流电压、直流电流，以及，换流母线电压，分别计算换流器中d桥、 y桥换流器换相电感能量变化率差，再根据换相失败判据，确定换流器 是否发生换相失败，计算简单，易于实施，能够实现换相失败故障的快 速准确检测，解决了现有的换相失败方法速准确性较低问题，有效提高 了换相预测的精确度，不受实际运行中波形畸变的影响；并且本发明无 需依赖阀电流的检测，在处理临界附近的换相失败情况时也能准确判别； 此外，本发明能够快速准确的判定换相失败故障的发生，不受过渡电阻、 故障时刻、换相电抗及换流变压器变比的影响。
[0270]
实施例2
[0271]
本发明的一个具体实施例2，提供了一种基于换相电感能量变化率的 换相失败检测装置，如图5所示，包括：
[0272]
数据采集模块，用于采集逆变侧的换流器阀侧电流、换流器直流电 压、直流电流，以及，换流母线电压；
[0273]
换相电感能量变化率差计算模块，用于基于采集的数据，分别计算 换流器中d桥、y桥换流器换相电感能量变化率差；
[0274]
换相失败判别模块，用于基于所述d桥、y桥换流器换相电感能量 变化率差和换相失败判据，确定换流器是否发生换相失败。
[0275]
实施时，所述基于采集的数据，分别计算换流器中d桥、y桥换流 器换相电感能量变化率差，包括：
[0276]
根据采集的逆变侧换流器阀侧电流，分别确定换流器中d桥、y桥 换流器参与换相的相；
[0277]
基于所述d桥、y桥换流器中参与换相的相，分别得到d桥、y桥 换流器中参与换相的相构成的阀侧线电流微分；
[0278]
基于所述d桥、y桥换流器中参与换相的相构成的阀侧线电流微分， d桥、y桥换流器中参与换相的相，以及采集的数据，分别得到d桥、 y桥换流器换相电感能量变化率实际值和计算值；
[0279]
基于所述d桥、y桥换流器换相电感能量变化率实际值和计算值， 计算d桥、y桥换流器换相电感能量变化率差。
[0280]
实施时，所述换流器中d桥、y桥换流器换相电感能量变化率差s
md
、 s
my
分别表示为：
[0281][0282]
式中，s
vd
、s
vy
分别为d桥、y桥换流器换相电感能量变化率计算值； sd、sy分别为d桥、y桥换流器换相电感能量变化率实际值。
[0283]
本发明实施例的具体实施过程参见上述方法实施例即可，本实施例 在此不再赘述。
[0284]
由于本实施例与上述方法实施例原理相同，所以本装置也具有上述 方法实施例相应的技术效果。
[0285]
实施例3
[0286]
为验证本发明实施例1和实施例2提供的基于换相电感能量变化率 的换相失败检测方法及装置的正确性，本实施例对上述实施例中的方案 进行试验验证。表1给出了高压直流输电系统主要参数。
[0287]
表3高压直流输电系统主要参数
[0288][0289]
本实施例设置场景1：在交流线路设置a相接地故障，过渡电阻的 变化范围为0～300ω。上述故障情况下的d桥、y桥换流器阀电流变化情 况如图6所示。
[0290]
由图6(a)可知，当过渡电阻为0～200ω时，d桥换流器发生了换相失 败。其中，当过渡电阻为0～100ω时，预关断换流阀vd3持续导通；当 过渡电阻为150ω和200ω时，预关断换流阀vd3和vd6分别先关断， 承受反向电压后再次导通。
[0291]
由图6(b)可知，当过渡电阻为0～150ω时，y桥换流器发生了换相失 败。其中，当过渡电阻为0ω时，预关断换流阀vy3持续导通；当过渡 电阻为50～150ω时，换流阀vy4提前触发导通，y桥换流器发生了直流 短路。
[0292]
通过监测换流器阀侧线电流，结合表1和表2，获取换流器阀的导通 工况，利用上述实施例中的方法可求得s
md
和s
my
，即|δsd|和|δsy|值，分 别如图7(a)和(b)所示。
[0293]
由图7(a)可得，当交流线路发生a相短路故障，且过渡电阻rf＝{0ω, 50ω,100
ω,150ω,200ω}时，在ts＝{5.8ms,4.9ms,4.9ms,4.8ms,14.8ms}这 些时刻，|δsd|值迅速增大，分别为{363.5,1039.2,1003.4,982.1,978.5}， 均远大于门槛值50。根据换相失败判据，可判定d桥换流器发生了换相 失败。
[0294]
由图7(b)可得，当过渡电阻rf＝{0ω,50ω,100ω,150ω}时，在ts＝{3.4ms, 17.2ms,17.2ms,17.2ms}这些时刻，|δsy|值分别为{202.2,392.7,488.9, 584.4}，均大于门槛值50。根据换相失败判据，可判定y桥换流器发生 了换相失败。
[0295]
根据图6和图7可得，在上述d桥、y桥换流器换相失败过程中， 阀电流再次增大时刻t
l
,直流短路时刻t1及换相失败判定时间ts如表4所 示。
[0296]
表4发生经不同过渡电阻接地故障时的t
l
,t1及th[0297][0298]
对比表4种的t
l
,t1和ts可知，在交流线路发生经不同过渡电阻接地 的故障时，本方法能够在换流器发生直流短路前快速准确的判定换相失 败故障的发生，且判定时刻非常接近流过预关断阀的阀电流减小后再次 增大的时刻。
[0299]
本实施例设置场景2：在交流线路处设置了ab相间短路故障，过渡 电阻为100ω，故障时刻分别为0ms～10ms。上述故障情况下的d桥、y 桥换流器阀电流变化情况如图8所示。
[0300]
由图8(a)可知，在0～4ms和10ms这些时刻设置ab相间故障时，d 桥换流器发生了换相失败。其中，当故障发生时刻th为0ms和2ms时， 下一换流阀vd6提前触发导通，换流器发生了直流短路。故障发生时刻 th为4ms时，预关断换流阀vd3先关断后导通。当th＝10ms时，换流阀 vd3提前触发导通，换流器发生直流短路。
[0301]
由图8(b)可知，在0～10ms设置ab相间故障时，y桥换流器均发生 换相失败，其中故障发生时刻th＝0ms和th＝2ms时，预关断换流阀vy3 持续导通。th＝4ms时，流过换流阀vy1的阀电流未能关断，vy1持续导 通。故障发生时刻th＝6～10ms时，换流阀vy6持续导通。
[0302]
通过监测换流器阀侧线电流，可获取导通工况，在此基础上，利用 上述实施例中的方法可求得s
md
和s
my
，即|δsd|和|δsy|值，分别如图9(a) 和(b)所示。
[0303]
由图9(a)可得，当交流线路发生ab相间短路故障时，且故障时刻 th＝{0ms,2ms,4ms,10ms}时，在ts＝{5.5ms,5.5ms,4.6ms,15.6ms}这些时 刻，|δsd|值迅速增大，分别为{867.4,818.8,871.2,716.9}，均远大于门槛 值50。根据换相失败判据，可判定d桥换流器发生了换相失败。
[0304]
由图9(b)可得，在故障时刻th＝{0ms,2ms,4ms,6ms,8ms,10ms}时， 在ts＝{3.2ms,3.1ms,7.2ms,13.2ms,13.4ms,13.2ms}这些时刻，|δsy|值远大 于门槛值，分别为{335.2,251.1,407.3,362.8,360.4,334.9}。根据换相失 败判据，可判定y桥换流器发生了换相失败。
[0305]
根据图8和图9可得，上述故障情况下的d桥、y桥换流器换相失 败过程中的t
l
,t1及th如表5所示。
[0306]
表5不同故障发生时刻下的t
l
,t1及th[0307][0308]
对比表5中的t
l
,t1和ts可知，在不同时刻发生交流线路故障时，本 方法能够快速准确的检测换相失败的发生，不受故障发生时刻换流器导 通工况的影响。
[0309]
本实施例设置场景3：在交流线路mn设置ab接地短路故障，过渡 电阻为100ω，逆变侧换相电抗变化范围为0.14-0.20p.u.。上述故障情况 下的d桥、y桥换流器阀电流变化情况如图10所示。
[0310]
由图10(a)和(b)可知，在换相电抗为0.14～0.2p.u.的仿真模型中设置交 流线路ab接地故障时，换流阀vd6持续导通，且换流阀vd3提前触发 导通，d桥换流器均发生了换相失败。与此同时，换流阀vy3持续导 通，y桥换流器也均发生了换相失败。
[0311]
利用上述实施例中的方法可求得s
md
和s
my
，即|δsd|和|δsy|值，分别 如图11(a)和(b)所示。
[0312]
由图11(a)可得，当交流线路发生ab接地短路故障，且换相电抗 xc＝{0.14p.u.,0.15p.u.,0.16p.u.,0.17p.u.,0.18p.u.,0.19p.u.,0.20p.u.}时，在 t＝{15.7ms,15.8ms,15.5ms,15.5ms,15.4ms,15.4ms,15.3ms}这些时刻，对 应的|δsd|值迅速增大，分别为{635.9,610.0,865.1,622.3,929.6,621.9, 875.7}，均大于门槛值50。根据换相失败判据，可判定d桥换流器发生 了换相失败。
[0313]
由图11(b)可得，当换相电抗xc＝{0.14p.u.,0.15p.u.,0.16p.u.,0.17p.u., 0.18p.u.,0.19p.u.,0.20p.u.}时，在t＝{3.2ms,3.3ms,3.3ms,3.3ms,3.3ms, 3.3ms,3.3ms}这些时刻，对应的|δsy|值迅速增大，分别为{338.6,332.8, 328.7,325.7,322.0,320.0,315.1}。由于上述故障场景下，|δsy|值大于门槛 值50，根据换相失败判据，可判定y桥换流器发生了换相失败。
[0314]
根据图10和图11可得，上述故障情况下的d桥、y桥换流器换相 失败过程中的t
l
,t1及th如表6所示。
[0315]
表6不同换相电感下d桥、y桥换流器换相失败过程中的t
l
,t1及th[0316][0317]
由表6可知，上述实施例中提出的换相失败检测方法能够灵敏快速 的检测换相失败的发生，不受换流器逆变侧的换相电抗的影响。
[0318]
本实施例设置场景4：在交流线路mn设置c相接地短路故障，过 渡电阻为146ω。图12为该故障情况下的y桥换流器的阀电流变化图。 图13(a)和(b)分别为关断角γ的测量值和|δsy|计算值。
[0319]
由图12可得，交流线路发生c相短路接地故障后，y桥换流器正常 换相。根据图13(a)可得，在t＝10.1ms这一时刻，γ角测量值达到最小， 为7.15
°
。结合表3可知，仿真系统的最小关断时间为400us，即极限关 断角为7.2
°
。此时，关断角测量值γ小于极限关断角，因此基于熄弧角 的判别方法将判定y桥换流器发生了换相失败。对比图12和图13(a)可 知，基于熄弧角的判别方法在处理临界附近的换相失败情况时发生了误 判。
[0320]
由图13(b)可得，在t＝19.2ms这一时刻，|δsy|值达到最大为13.1，仍 小于门槛值50，由此判定y桥换流器未发生换相失败。对比图13(a)和图 13(b)可知，在处理临界附近的换相失败情况时，上述实施例提出的方法 能够准确判别换相情况。
[0321]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围 并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范 围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。