基于多数据的高压直流输电系统换相失败故障的识别方法

技术领域

本发明涉及故障分析领域，具体地说，涉及一种基于多数据的高压直流输电系统换相失败故障的识别方法。

背景技术

目前，随着电力需求的日益增长，高电压、远距离、大容量输电线路不断的增加，电网不断扩大，交流输电系统产生了一些弊端。提高交流电压等级已经不能满足当前的大电网、大容量、远距离输电的要求，因此在一定条件下采用高压直流(High Voltage DirectCurrent，HVDC)输电技术将更为合理，高压直流输电与交流输电系统相比，具有线路造价低、线路有功损耗小、不受系统稳定极限的限制、运行灵活、可实现快速调节与控制等优点，具有广泛的应用前景。

高压直流输电是指将三相交流电通过换流站整流变成直流电，并通过直流输电线路送往另一个换流站逆变成三相交流电的输电方式。高压直流输电系统主要包括两个换流站和直流输电线组成，两个换流站与两端的交流系统相连接。直流输电技术具有输送容量大、输送距离远、高度可控、运行灵活等技术优势，在长距离大容量输电和区域系统互联等方面有其优越性。

随着电网高压直流输电系统的大量接入，电网具有多直流馈入、交直流混合运行、含特高压直流等特点，高压直流输电系统的工作机理、系统运行方式、故障电气特征等与传统交流系统有比较大差异，有一系列亟待解决的理论和工程难题。换相失败就是直流输电系统中比较突出的问题，发生换相失败会导致系统直流电流剧增、电压下降、系统输送功率减少等后果，对系统运行产生不利影响，影响电力系统的安全稳定运行。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术的不足，提供一种基于多数据的高压直流输电系统换相失败故障的识别方法，确定引起高压直流输电系统发生换相失败的原因，保障电力系统的安全稳定运行。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种基于多数据的高压直流输电系统换相失败故障的识别方法，包括以下步骤：

S1.根据PCP录波信号，对录波点位电气量和录波点位开关量进行分析，获取故障直流电流信息；

S2.采用小波能量谱分析法对故障直流电流信息进行故障分析，获得小波能量谱的分布图；

S3.根据小波能量谱的分布图确定故障直流电流信息的小波能量谱值，并提取故障特征信息；

S4.根据故障特征信息，采用灰色综合关联度分析法确定引发换相失败的故障原因，识别高压直流输电系统换相失败故障。

进一步地，步骤S2中，小波能量谱分析包括以下步骤：

确定小波分析窗口的面积；将基小波通过傅里叶变换进行伸缩和平移，得到小波序列；计算小波序列中函数的离散值。

进一步地，小波序列的计算公式为：

式中，a为尺度参数，b为平移参数，ψ(t)为基小波函数，t为函数。

进一步地，采用小波能量谱分析法对故障直流电流信息进行故障分析，获得小波能量谱的分布图，包括以下步骤：

S21.通过小波能量谱分析计算故障直流电流信息各个尺度上的能量水平，提取故障信号在各个频段上的特征；

S22.对各个频段上的特征进行处理，并提取故障信号发生换相失败时直流电流的小波能量谱的分布图。

进一步地，步骤S3中，根据小波能量谱的分布图确定故障直流电流信息的小波能量谱值，并提取故障特征信息，包括以下步骤：

S31.根据小波变换时的能量守恒，计算故障直流电流信息的能量；

S32.根据小波能量谱沿尺度轴的分布，定义故障直流电流信息的小波能量谱；

S33.定义离散小波变换下的小波能量谱序列，并计算当前的小波能量；

S34.将小波能量与正常的能量值进行比对，得出偏差值，并得出故障信息。

进一步地，步骤S31中，计算故障直流电流信息的能量的公式为：

式中，E(a)为当前故障直流电流信息，W

进一步地，步骤S32中，故障直流电流信息的小波能量谱为：

式中，E(j)表示j尺度下的小波能量，C

进一步地，步骤S33中，离散小波变换下的小波能量谱序列为：

E＝[E

式中，E

进一步地，步骤S4中，采用灰色综合关联度分析法确定引发换相失败的故障原因，包括以下步骤：

S41.采用比较换流器熄弧角与临界熄弧角大小的方式，判断是否发生换相失败；

S42.在不同运行状态或故障过渡电阻情况下，对多种故障原因进行多次仿真分析，并获得样本集；

S43.根据每个序列的小波能量谱获得小波能量谱集；

S44.根据灰色关联矩阵求故障信息的特征序列，并将特征序列作为多种故障原因的参考。

进一步地，步骤S41中，换流器熄弧角的计算公式为：

式中，n为环流变压器变比，I为直流电流，X

与现有技术相比，本发明中小波能量谱在提取故障特征方面具有独特的优势，小波能量谱能反映故障信号在各个尺度下的能量分布情况，灰色关联度分析法可有效地区分不同数据序列，采用小波能量谱分析法对逆变侧故障直流电流信号进行分析，得到信号的小波能量谱，然后结合灰色综合关联度分析法确定引发换相失败的故障原因，保障电力系统的安全稳定运行。

附图说明

图1为基于多数据的高压直流输电系统换相失败故障的识别方法的流程示意图。

图2为基于多数据的高压直流输电系统换相失败故障的识别方法的直流闭锁简报图。

图3为基于多数据的高压直流输电系统换相失败故障的识别方法的直流闭锁研判图。

图4为基于多数据的高压直流输电系统换相失败故障的识别方法的故障直流电流信息图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明基于多数据的高压直流输电系统换相失败故障的识别方法作进一步说明。

请参阅图1，本发明公开了一种基于多数据的高压直流输电系统换相失败故障的识别方法，包括以下步骤：

S1.根据PCP录波信号，对录波点位电气量和录波点位开关量进行分析，获取故障直流电流信息。

S2.采用小波能量谱分析法对故障直流电流信息进行故障分析，获得小波能量谱的分布图。

S3.根据小波能量谱的分布图确定故障直流电流信息的小波能量谱值，并提取故障特征信息。

S4.根据故障特征信息，采用灰色综合关联度分析法确定引发换相失败的故障原因，识别高压直流输电系统换相失败故障。

具体地，步骤S1中，PCP录波点位电气量包括：4US2_LA网侧电子式PT电压A相、5US2_LB网侧电子式PT电压B相、6US2_LC网侧电子式PT电压C相、7IS_LA网侧电流A相、8IS_LB网侧电流B相、9IS_LC网侧电流C相、10IVC_LA阀侧光CT电流A相、11IVC_LB阀侧光CT电流B相、12IVC_LC阀侧光CT电流C相、22UDP正极直流电压、23UDN负极直流电压、25IDP正极直流电流、26IDN负极直流电流、27UV_LA阀侧电压A相、28UV_LB阀侧电压B相、29UV_LC阀侧电压C相、33IDNY网侧中性点偏磁电流及34IACZ阀侧接地电阻电流。

PCP录波点位开关量包括：3DEBLOCKED解锁及28EMERGENCY_FLT紧急故障。

如图4所示，故障直流电流信息具体如下：

#S1P2PPR1-站内接地过流段保护(76SG)动作：2022年03月02日13时55分，粤中站换流单元增城则保护主机动作，单元一闭锁，网侧开关5052、5053在分闸位置，阀侧开关3001在分闸位置，单元两侧由HVDC运行状态退至交流侧热备用。单元直流有功功率由23.09MM降为0MW；单元直流有功功率维持23.09MW不变；穗东侧无功功率维持0MVar不变；增城侧无功功率维持0MVar不变。现场天气时，具体情况待现场一、二次设备检查后汇报。

S1P1PCP1-系统紧争故购跳闸命令出现：2022年11月07日03时32分，粤中换流站换流单元穗东侧控制动作，单元闭锁，网侧开关{5}，阀侧开关{7}在分闸位置，单元由{9}{10}退至交流侧热备用：单元直流有功功率维持0.0MVar不变；单元二直流有功功率维持1198.75MVar不变；穗东侧无功功率维持0.01MVar不变；增城侧无功功率维持4.97MVar不变。现场天气时，具体情况待现场一、二次设备检查后汇报。

#S1P2PCP1-顺控充电失败跳闸信号出现顺控充电失败跳闸信号出现：2022年03月05日13时40分，粤中换流站换流单元穗东侧保护动作，单元二闭锁，网侧开关5151，5152，阀侧开关3002在分闸位置，单元二由{9}{10}退至交流侧热备用。现场天气时，具体情况待现场一、二次设备检查后汇报。且具体的直流闭锁简报如图2所示，直流闭锁研判如图3所示。

具体地，步骤S1中，获取故障直流电流信息，并对故障直流电流信息进行预处理生成故障数据，故障数据为电力系统瞬态数据交换通用格式的数据。根据高压直流输电系统的保护动作选取故障数据的暂态电气量，根据直流输电系统的故障的持续波形选取故障数据的时间长度，根据配置文件获取故障数据的采样频率。根据故障数据的暂态电气量、故障数据的时间长度以及故障数据的采样频率生成数据文件，根据数据文件和配置文件生成故障数据。

直流输电系统在输送相同功率时，线路造价低，此外，直流输电系统对线路走廊、铁塔高度和占地面积等方面均比交流输电系统具有优势。线路有功损耗小，在输电损耗方面高压直流输电系统将比交流输电系统少，同时，直流线路没有感抗和容抗，因此线路上就没有无功损耗。在电晕损耗方面，直流架空输电线路平均电晕损耗比交流输电系统少。

直流输电系统不受稳定极限的限制，如果以直流线路连接两个交流系统，由于直流线路没有电抗，从而没有稳定极限问题，使得直流输电不受输电距离的限制。高压直流输电系统本身具有调制功能，可根据系统要求快速做出反应，有利于提高电力系统暂态稳定性。此外，直流输电系统与系统频率、系统相位等无关，因此可以采用直流输电线路连接两个频率不同的交流输电系统，也可以用来提高与直流输电线路并联运行的交流输电系统的稳定性。直流输电的接入不会增加原系统的短路容量，直流输电系统不传送短路功率，系统定电流控制可快速把短路电流限制在额定电流之内，这种隔离作用是系统不会增减短路容量，从而避免更换更大容量的开关设备。而交流输电系统线路连接两个交流系统时，系统容量的增加会增大系统短路电流，有可能超过原有的断路器的短路容量，引发设备的更换。高压直流输电系统的“定电流控制”措施可快速地把短路电流限制在额定电流之内，即使在暂态过程中，其短路电流也不会超过额定电流的两倍，高压直流输电系统的这种隔离作用，是的相互联系的两个交流系统都不会增大短路容量，从而避免了更换大容量的断路器等开关设备。

直流输电系统可实现对输送功率大小和方向的快速控制和调节，通过直流联网的输送功率可以按规定和需求进行控制，直流输电系统通过控制晶闸管换流器可快速实现有功功率调节和实现潮流翻转。通过高压直流输电系统联网的两个交流系统彼此隔离，因此，一侧交流系统故障对另一次交流系统的影响很小，从而可减少联合大电网发生大面积停电事故的频率，从而提大电网系统的运行可靠性。

具体地，步骤S2中，小波能量谱分析包括以下步骤：

确定小波分析窗口的面积；将基小波通过傅里叶变换进行伸缩和平移，得到小波序列；计算小波序列中函数的离散值。其中，小波分析的窗口面积固定，但其形状可以改变。

小波序列的计算公式为：

式中，a为尺度参数，b为平移参数，ψ(t)为基小波函数，t为函数。

具体地，步骤S2中，采用小波能量谱分析法对故障直流电流信息进行故障分析，并得到小波能量谱的分布图，包括以下步骤：

S21.通过小波能量谱分析计算故障直流电流信息各个尺度上的能量水平，提取故障信号在各个频段上的特征。

S22.对各个频段上的特征进行处理，并提取故障信号发生换相失败时直流电流的小波能量谱的分布图。

小波分析是一种窗口面积固定，但其形状可以改变，时间窗和频率窗都可以变化的时频局部化分析方法。小波分析在低频部分具有较高的频率分辨率及较低的时间分辨率，而在高频部分则相反具有较高的时间分辨率及较低的频率分辨率。

具体地，步骤S3中，根据小波能量谱的分布图确定故障直流电流信息的小波能量谱值，并提取故障特征信息，包括以下步骤：

S31.根据小波变换时的能量守恒，计算故障直流电流信息的能量。

S32.根据小波能量谱沿尺度轴的分布，定义故障直流电流信息的小波能量谱。

S33.定义离散小波变换下的小波能量谱序列，并计算当前的小波能量。

S34.将小波能量与正常的能量值进行比对，得出偏差值，并得出故障信息。

其中，步骤S31中，计算故障直流电流信息的能量的公式为：

式中，E(a)为当前故障直流电流信息，W

步骤S32中，故障直流电流信息的小波能量谱为：

式中，E(j)表示j尺度下的小波能量，C

步骤S33中，离散小波变换下的小波能量谱序列为：

E＝[E

式中，E

小波变换具有等距特性，即信号的小波变换是能量守恒的，能量在时域和小波域是相等的。通过小波能量谱分析计算故障信号各个尺度上的能量水平，可提取故障信号在各个频段上的特征，区分不同的故障。

不同接地过渡电阻下的小波能量谱分布基本相似，因此小波能量谱分析结果可以基本消除接地过渡电阻的影响，有效地提取故障特征，提取故障特征后，本发明采用灰色关联度分析来确定故障原因。小波能量谱在提取故障特征方面具有独特的优势，小波能量谱能反映故障信号在各个尺度下的能量分布情况，灰色关联度分析法可有效的区分不同数据序列，采用小波能量谱分析法对逆变侧故障直流电流信号进行分析，得到信号的小波能量谱，然后结合灰色综合关联度分析法确定引发换相失败的故障原因。

具体地，步骤S4中，采用灰色综合关联度分析法确定引发换相失败的故障原因，包括以下步骤：

S41.采用比较换流器熄弧角与临界熄弧角大小的方式，判断是否发生换相失败。

S42.在不同运行状态或故障过渡电阻情况下，对多种故障原因进行多次仿真分析，并获得样本集。

S43.根据每个序列的小波能量谱获得小波能量谱集。

S44.根据灰色关联矩阵求故障信息的特征序列，并将特征序列作为多种故障原因的参考。

其中，步骤S41中，换流器熄弧角的计算公式为：

式中，n为环流变压器变比，I为直流电流，X

灰色系统理论以“部分信息已知，部分信息未知”的“小样本”、“贫信息”不确定性系统为研究对象，主要通过对“部分”己知信息的生成、开发，提取有价值的信息，实现对系统运行行为，演化规律的正确描述和有效监控。现实世界中，“小样本”、“贫信息”不确定性系统的普遍存在决定了灰色系统理论具有宽广的应用领域灰色关联度分析是灰色系统理论的一个重要分支。

灰色关联度分析的基本思想就是根据序列曲线几何上的相似程度来判断其联系是否紧密，曲线越是接近，相应的序列之间的灰色关联度就越大，反之就越小。灰色关联度指标就是反应抽象系统联系程度的量化指标，相比于传统的数理统计分析方法，灰色关联度分析对样本量的多少和样本有无规律都同样适用，而且计算量小，计算十分方便，不会出现量化结果与定性分析结果不符的情况。灰色关联度分析方法弥补了采用数理统计方法作为分析所导致的缺陷。

综上所述，本发明中小波能量谱在提取故障特征方面具有独特的优势，小波能量谱能反映故障信号在各个尺度下的能量分布情况，灰色关联度分析法可有效地区分不同数据序列，采用小波能量谱分析法对逆变侧故障直流电流信号进行分析，得到信号的小波能量谱，然后结合灰色综合关联度分析法确定引发换相失败的故障原因。

上述说明是针对本发明较佳可行实施例的详细说明，但实施例并非用以限定本发明的专利申请范围，凡本发明所揭示的技术精神下所完成的同等变化或修饰变更，均应属于本发明所涵盖专利范围。