一种基于注入系统谐波系数变化值的变换器交流滤波器元件故障预警方法

技术领域

本发明属于电力系统及其自动化技术领域，涉及交流滤波器元件故障预警技术，具体涉及一种基于注入系统谐波系数变化值的变换器交流滤波器元件故障预警方法。

背景技术

交流滤波器作为变换器的重要组成部分，交流滤波器组对变换器谐波的谐波抑制、无功补偿发挥了重要的作用。交流滤波器组在电网的建设中应用十分广泛，很大程度地维护了电力系统的稳定运行、提高了电网的功率因数和电网的供电效率、减少了输电线路中可能存在的损耗以及改善了整个电网的运行环境。然而，交流滤波器组其中的某个电容器元件、电感元件损坏时，会导致其他元件产生过电流或过电压现象，从而使得整个交流滤波器组出现影响更加严重的故障，大大阻碍了变换器的正常运行，造成电网谐波污染、元件过热损坏，甚至威胁整个变流站的安全。交流滤波器元件的故障原因多样，比如电容器内部短路、电容器元器件击穿、电容器元器件漏电、电容器熔丝熔断、线圈匝间短路等，丰富多样的原因，加大了交流滤波器元件故障的监测及预警的难度。

目前对于交流滤波器及其元件的故障预警诊断在发现缺陷与预防事故方面起到了一定作用，但也存在一些不足之处。有研究者提出基于LC振荡频率变化量的电容器组早期故障预警方法通过采集放电PT电压和母线电压，计算LC回路的振荡频率，记录该频率初始值，再通过电容器运行过程中该频率的变化量进行预警判断，该法采集数据复杂，且需利用电容器组各项参数才可判断。另外研究者提出的基于滤波器元件参数值监测的故障预警技术通过从母线侧电压互感器获取电压信号、回路电流互感器获取电流信号，研究电力电容器电容量C值监测方案，此方法虽然原理简单，但它需要新安装监测设备，成本高、安装难，还需要排除电抗器的电感值L的影响，较为复杂。此外，还有文献提出了基于滞环控制的滤波器故障诊断和建立谐波补偿电流模型预测容错控制，这两种方法都能有效诊断故障，但只针对有源滤波器，交流滤波器缺控制器不能适应。由于上述多种因素在已有方法中都均未考虑，因此孤岛检测仍需要研究新的方法。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，提供一种基于注入系统谐波系数变化值的变换器交流滤波器元件故障预警方法，仅利用变换器现有网侧谐波监测数据，计算交流滤波器元件的等效参数偏差，实现变换器交流滤波器元件故障预警判断，具有成本低、抗电网基频扰动等特点，且易于工程实现。

技术方案：为实现上述目的，本发明提供一种基于注入系统谐波系数变化值的变换器交流滤波器元件故障预警方法，包括如下步骤：

S1：采用同步采样法采集获取变换器交流并网侧电流的离散波形序列；

S2：根据变换器的交流滤波器配置结构和元件参数，确定交流滤波器的谐波滤除次数和对应频率组；

S3：采用设计好的改进自适应陷波数字滤波算法对变换器网侧三相电流离散瞬时波形序列进行自适应滤波处理，实现具有暂态响应能力的给定次谐波幅值的动态测量，动态检测出特定次电流谐波的瞬时幅值序列和瞬时相位序列；

S4：针对特定次谐波，根据给定的交流滤波器的结构和元件组参数计算出次谐波的理论注入系统谐波系数值；

S5：根据改进自适应陷波数字滤波算法动态检测出的电流特定次谐波幅值和变换器滤波前的电流谐波幅值，计算次谐波的实际注入系统谐波系数值；

S6：对比次谐波的理论注入系统谐波系数值和实际注入系统谐波系数值，求得注入系统谐波系数变化，计算交流滤波器的谐振频率变化值，在结合瞬时相位输出估计出的谐波频率偏差，推算出交流滤波器元件的等效电容偏差和等效电感偏差；

S7：统计某时段的等效元件偏差变化序列，采用95％概率大值得到该时段的滤波元件相对变化统计值；

S8：对比当前时段的滤波元件参数相对变化统计值和设定的元件参数变化阈值，若前者超后者的50％，则提示滤波元件组可能异常或故障，若前者超后者的100％，则进行滤波元件组故障告警，并采取应对措施；

S9：根据交流滤波器的其它各次滤除谐波频率，依次调整改进自适应陷波数字滤波算法的陷波参数，循环进行步骤S3～S8，通过分析对应的元件相对变化统计值实现相应调谐滤波器组的元件故障分析与告警。

进一步地，所述步骤S2中交流滤波器配置类型结构主要考虑单调谐滤波器和双调谐滤波器，参数主要考虑调谐滤波器的组数、中心频率和品质参数，交流滤波器的谐波滤除次数等于单调谐滤波器组数加2倍双调谐滤波器组数，对应频率组为单调谐滤波器和双调谐滤波器的中心频率序列构造得到。

进一步地，所述步骤S3中改进自适应陷波数字滤波的系统方程如下：

其中输入u(k)＝A

上述改进自适应陷波数字滤波系统的最大特点是

进一步地，所述步骤S3中改进自适应陷波数字滤波系统形成一个闭环的相位反馈控制系统，实时跟踪输入的n次谐波瞬时相位；其中x为输入信号，e为误差信号,y为x的n次谐波分量信号，A为y的瞬时幅值，ω

进一步地，所述步骤S4中理论注入系统谐波系数值的具体计算过程为：

A1：根据交流滤波器采用比较普遍的双调谐滤波器结构，得到其阻抗为：

A2：根据双调谐交流滤波器阻抗公式得到其阻抗—频率特性曲线；

A3：令双调谐交流滤波器阻抗最小，即取阻抗—频率特性曲线的两个最低点，得到滤波器的两个谐振频率；

A4：结合给定交流滤波器的元件组参数计算两个谐振频率下的滤波器谐波阻抗和系统谐波阻抗；

A5：由滤波器谐波阻抗和系统谐波阻抗，计算注入系统谐波系数理论值，公式如下；

其中，Z

进一步地，所述步骤S5中次谐波的实际注入系统谐波系数值的计算过程为：

B1：设定改进自适应陷波数字滤波系统的陷波参数f

B2：数字滤波系统输出稳定后，提取输出信号序列A(k)，得到变换器经交流滤波后的该次谐波电流实际幅值；

B3：读取监测到变换器滤波前端的电流波形，利用快速傅里叶变换得到变换器滤波前电流的该次谐波幅值；

B4：将滤波后的次电流谐波实际幅值除以变换器滤波前电流的次谐波幅值，计算得到次谐波的实际注入系统谐波系数值。

进一步地，所述步骤S6中交流滤波器元件的等效电容偏差和等效电感偏差的计算过程为：

C1：根据次谐波实际注入系统谐波系数值，结合对应滤波器组的类型和品质因素，计算滤波器组的等效频率偏差δ

C2：数字滤波系统输出稳定后，提取瞬时相位输出信号序列

C3：由瞬时相位输出信号序列计算次谐波的实际频率值，公式如下：

其中，Ts为采样步长，f

C4：计算实际频率偏差值δ

其中，n为谐波次数，f

C5：考虑滤波器元件电容器、电感同时故障概率很小，忽略电感参数偏差可计算出滤波器组的等效电容值偏差，公式如下：

ΔC＝2(δ

进一步地，所述步骤S7中等效元件偏差采用95％概率大值计算过程如下：

统计前5分钟的各个时刻交流滤波器的等效电容偏差值或等效电容偏差值，得等效元件偏差值数组，按照绝对大小对该数组由大到小排序，去除该排序数组的前5％最大值部分，然后对数组剩余的95％数值的最大值作为得到前5分钟的最终等效元件偏差值ΔC。

进一步地，所述步骤S8中若等效元件偏差值较小则进行下一个谐波频次的分析，即进入步骤S9；若等效元件偏差值超出阈值，则判定滤波器元件可能异常或故障并采取应对措施；

判断规则如下：

若ΔC≥0.1C0且A(k)＞0.01I，其中，C0是电容器标示值，I为电流有效值，则提示滤波器元件可能异常或故障；若ΔC≥0.2C0且A(k)＞0.02I，则进行滤波器元件故障告警，并采取应对措施。

本发明针利用现有的谐波检测数据，采用改进的改进自适应陷波数字滤波算法检测分析注入系统谐波系数变化值，进而通过交流滤波器元件的等效参数偏差判断变换器交流滤波器元件是否故障，具有成本低、抗电网基频扰动等特点，且易于工程实现。

本发明方法的实现不需要新安装滤波元件故障监测装置，也不会影响滤波器的正常运行，仅利用设备已有的谐波监测数据实现元件故障诊断，具有成本低、抗电网基频扰动强等特点，且易于工程实现。

有益效果：本发明与现有技术相比，不会影响变换器输出电能的质量，也不会干扰交流滤波器正常滤波功能，并且能在电网频率偏差的情况下实时动态快速地检测出交流滤波器等效元件参数偏差，实现交流滤波器元件故障鲁棒预警，适用于各种交流滤波器的各种调谐滤波器和高通滤波器的元件故障情况，具有检测精准度高、动态性好的特点，不需安装新设备，成本低，有良好的实用性，对提高变换器和交流滤波安全稳定运行和改善系统电能质量具有重要意义。

附图说明

图1为本发明方法的基本流程图；

图2为本发明提供的改进自适应陷波数字滤波系统的原理框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

本发明提供一种基于注入系统谐波系数变化值的变换器交流滤波器元件故障预警方法，如图1所示，其包括如下步骤：

S1：采用同步采样法采集获取变换器交流并网侧电流的离散波形序列；

S2：根据变换器的交流滤波器配置结构和元件参数，确定交流滤波器的谐波滤除次数和对应频率组；

S3：采用设计好的改进自适应陷波数字滤波算法对变换器网侧三相电流离散瞬时波形序列进行自适应滤波处理，实现具有暂态响应能力的给定次谐波幅值的动态测量，动态检测出特定次电流谐波的瞬时幅值序列和瞬时相位序列；

S4：针对特定次谐波，根据给定的交流滤波器的结构和元件组参数计算出次谐波的理论注入系统谐波系数值；

S5：根据改进自适应陷波数字滤波算法动态检测出的电流特定次谐波幅值和变换器滤波前的电流谐波幅值，计算次谐波的实际注入系统谐波系数值；

S6：对比次谐波的理论注入系统谐波系数值和实际注入系统谐波系数值，求得注入系统谐波系数变化，计算交流滤波器的谐振频率变化值，在结合瞬时相位输出估计出的谐波频率偏差，推算出交流滤波器元件的等效电容偏差和等效电感偏差；

S7：统计某时段的等效元件偏差变化序列，采用95％概率大值得到该时段的滤波元件相对变化统计值；

S8：对比当前时段的滤波元件参数相对变化统计值和设定的元件参数变化阈值，若前者超后者的50％，则提示滤波元件组可能异常或故障，若前者超后者的100％，则进行滤波元件组故障告警，并采取应对措施；

S9：根据交流滤波器的其它各次滤除谐波频率，依次调整改进自适应陷波数字滤波算法的陷波参数，循环进行步骤S3～S8，通过分析对应的元件相对变化统计值实现相应调谐滤波器组的元件故障分析与告警。

步骤S2中交流滤波器配置类型结构主要考虑单调谐滤波器和双调谐滤波器，参数主要考虑调谐滤波器的组数、中心频率和品质参数，交流滤波器的谐波滤除次数等于单调谐滤波器组数加2倍双调谐滤波器组数，对应频率组为单调谐滤波器和双调谐滤波器的中心频率序列构造得到。

步骤S3中改进自适应陷波数字滤波的系统方程如下：

其中输入u(k)＝A

上述改进自适应陷波数字滤波系统的最大特点是

步骤S3中改进自适应陷波数字滤波系统的结构具体如图2所示，该系统形成一个闭环的相位反馈控制系统，实时跟踪输入的n次谐波瞬时相位；其中x为输入信号，e为误差信号,y为x的n次谐波分量信号，A为y的瞬时幅值，ω

步骤S4中理论注入系统谐波系数值的具体计算过程为：

A1：根据交流滤波器采用比较普遍的双调谐滤波器结构，得到其阻抗为：

A2：根据双调谐交流滤波器阻抗公式得到其阻抗—频率特性曲线；

A3：令双调谐交流滤波器阻抗最小，即取阻抗—频率特性曲线的两个最低点，得到滤波器的两个谐振频率；

A4：结合给定交流滤波器的元件组参数计算两个谐振频率下的滤波器谐波阻抗和系统谐波阻抗；

A5：由滤波器谐波阻抗和系统谐波阻抗，计算注入系统谐波系数理论值，公式如下；

其中，Z

步骤S5中次谐波的实际注入系统谐波系数值的计算过程为：

B1：设定改进自适应陷波数字滤波系统的陷波参数f

B2：数字滤波系统输出稳定后，提取输出信号序列A(k)，得到变换器经交流滤波后的该次谐波电流实际幅值；

B3：读取监测到变换器滤波前端的电流波形，利用快速傅里叶变换得到变换器滤波前电流的该次谐波幅值；

B4：将滤波后的次电流谐波实际幅值除以变换器滤波前电流的次谐波幅值，计算得到次谐波的实际注入系统谐波系数值。

步骤S6中交流滤波器元件的等效电容偏差和等效电感偏差的计算过程为：

C1：根据次谐波实际注入系统谐波系数值，结合对应滤波器组的类型和品质因素，计算滤波器组的等效频率偏差δ

C2：数字滤波系统输出稳定后，提取瞬时相位输出信号序列

C3：由瞬时相位输出信号序列计算次谐波的实际频率值，公式如下：

其中，Ts为采样步长，f

C4：计算实际频率偏差值δ

其中，n为谐波次数，f

C5：考虑滤波器元件电容器、电感同时故障概率很小，忽略电感参数偏差可计算出滤波器组的等效电容值偏差，公式如下：

ΔC＝2(δ

步骤S7中等效元件偏差采用95％概率大值计算过程如下：

统计前5分钟的各个时刻交流滤波器的等效电容偏差值或等效电容偏差值，得等效元件偏差值数组，按照绝对大小对该数组由大到小排序，去除该排序数组的前5％最大值部分，然后对数组剩余的95％数值的最大值作为得到前5分钟的最终等效元件偏差值ΔC。

步骤S8中若等效元件偏差值较小则进行下一个谐波频次的分析，即进入步骤S9；若等效元件偏差值超出阈值，则判定滤波器元件可能异常或故障并采取应对措施；

判断规则如下：

若ΔC≥0.1C0且A(k)＞0.01I，其中，C0是电容器标示值，I为电流有效值，则提示滤波器元件可能异常或故障；若ΔC≥0.2C0且A(k)＞0.02I，则进行滤波器元件故障告警，并采取应对措施。

为了验证上述方案的有效性，本实施例中根据直流输电变换器的典型方案，在Matlab/Simulnk中搭建本实施例的仿真。变换器为12脉冲整流器，交流滤波器包括1组11/13次双调谐滤波器和1组24谐波的高通滤波器。元件故障检测仿真结果如下表：

表1不同元件故障大小下的变换器网侧11次/13次注入系统谐波系数

Matlab仿真结果发现，滤波器的元件参数值发生改变会引起变换器中交流测注入系统谐波系数的显著变化，进而可以发现交流滤波器元件的故障严重程度。表明本发明所提预警及排除故障方法的正确性和可靠性。仿真结果证明了本实施例针对变换器提出的交流交流滤波器元件故障检测新方法的正确性，可以在保证高检测效率的前提下，缩小甚至消除了检测盲区，并确保了较高的电能质量。

根据本发明方法的技术方案以及实施例的仿真结果，可得到如下结论和原理：

本发明方法能够综合考虑了正常并网运行和孤岛情况下分布电源和电网系统引起的谐波电压偶然变化，具有检测精准度高，检测盲区比较小的特点，且易于工程实现。

本发明方法的技术原理如下：

首先根据变换器的交流滤波器配置结构和元件参数，确定交流滤波器的谐波滤波次数和对应频率组，然后采用定制的改进自适应陷波数字滤波算法对采集的变换器交流侧电流进行动态谐波检测，得到电流谐波瞬时幅值和瞬时谐波频率，再计算该次谐波的实际注入系统谐波系数，并与给定交流滤波器的结构类型和元件参数计算得到理论注入系统谐波系数对比，得到注入系统谐波系数变化值，进而估算出交流滤波器元件的等效电容偏差和等效电感偏差，最后根据统计时段等效元件偏差的95％概率大值，对比元件相对变化阈值判断变换器交流滤波器元件故障情况，若超出阈值则进行交流滤波器元件故障告警，并采取应对措施。本发明实施例不需要新安装滤波元件故障监测装置，也不会影响滤波器的正常运行，仅利用设备已有的谐波监测数据实现元件故障诊断，具有成本低、抗电网基频扰动强等特点，且易于工程实现。

本发明方法不会影响变换器输出电能的质量，也不会干扰交流滤波器正常滤波功能，并且能在电网频率偏差的情况下实时动态快速地检测出交流滤波器等效元件参数偏差，实现交流滤波器元件故障鲁棒预警，适用于各种交流滤波器的各种调谐滤波器和高通滤波器的元件故障情况，具有检测精准度高、动态性好的特点，不需安装新设备，成本低，有良好的实用性。对提高变换器和交流滤波安全稳定运行和改善系统电能质量具有重要意义。