黃明偉,王 力,周仕豪
(1.長(zhǎng)沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院,長(zhǎng)沙 410114;2.國(guó)網(wǎng)江西省電力有限公司電力科學(xué)研究院,南昌 330096)
隨著我國(guó)高壓直流輸電HVDC(high voltage direct current)工程的陸續(xù)投運(yùn),HVDC在電網(wǎng)中承擔(dān)的大容量、遠(yuǎn)距離輸電作用愈加突出[1-3]。換流器作為HVDC系統(tǒng)的核心設(shè)備,由于受自身器件特性約束,耐過(guò)電流能力較弱;而閥短路故障作為HVDC最嚴(yán)重的一類故障[4-5],其發(fā)生后必須盡快切除以保護(hù)換流器設(shè)備。但換流站內(nèi)不同位置的閥短路故障與閥短路保護(hù)并不一一對(duì)應(yīng)[5],導(dǎo)致故障后的分析往往依賴于富有經(jīng)驗(yàn)的運(yùn)行人員,不利于故障的迅速排查和檢修。因此,研究不同位置閥短路故障的定位方法對(duì)于提升事故分析效率、保障HVDC系統(tǒng)高效運(yùn)行具有重要意義。
目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)HVDC換流器的故障分析與定位進(jìn)行了大量研究。利用保護(hù)動(dòng)作情況可實(shí)現(xiàn)故障定位,其中,文獻(xiàn)[6]根據(jù)兩類閥短路保護(hù)的動(dòng)作情況,通過(guò)故障時(shí)段劃分,提出定位故障橋的方法,但其定位精度有待進(jìn)一步提高;文獻(xiàn)[7]將故障后電氣特征與時(shí)延相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)逆變站接地短路故障定位,但該方案采用的延時(shí)較長(zhǎng),定位結(jié)果易受控制系統(tǒng)影響;文獻(xiàn)[8]分析了整流站幾種典型接地故障的電氣量特征,并考慮控制系統(tǒng)的影響,提出基于直流差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作的接地故障定位方案,但未能進(jìn)一步展開對(duì)閥短路故障的討論;文獻(xiàn)[9]根據(jù)閥導(dǎo)通時(shí)序?qū)㈤y區(qū)劃分為若干區(qū)域,并根據(jù)各區(qū)域差流大小識(shí)別故障區(qū)域,但其未能結(jié)合保護(hù)動(dòng)作提高定位精度;根據(jù)故障后采樣窗內(nèi)各橋臂電流和換流變閥側(cè)三相電流積分的大小關(guān)系,可實(shí)現(xiàn)3種閥短路故障定位[10],但實(shí)際工程中不易獲取各閥的橋臂電流。此外,文獻(xiàn)[11-14]基于人工智能算法提出換流器故障診斷方法,但該類方法需要構(gòu)建含眾多數(shù)據(jù)的樣本庫(kù),實(shí)際應(yīng)用中有待進(jìn)一步研究。
綜上所述,針對(duì)目前常規(guī)HVDC系統(tǒng)閥短路故障的定位方法研究較少,且已有研究未能結(jié)合實(shí)際直流控保系統(tǒng)展開。本文基于實(shí)際直流控保系統(tǒng)錄波數(shù)據(jù),考慮閥短路故障后控保系統(tǒng)執(zhí)行的動(dòng)作邏輯,結(jié)合不同閥導(dǎo)通狀態(tài)下的故障特征,提出整流站閥短路故障定位方法,并在RTDS和實(shí)際直流控保系統(tǒng)構(gòu)成的閉環(huán)仿真平臺(tái)進(jìn)行了驗(yàn)證。
常規(guī)HVDC工程一般采用12脈動(dòng)換流器作為基本單元,單個(gè)6脈動(dòng)器連接一組換流變,并根據(jù)換流變二次側(cè)聯(lián)結(jié)形式,將12脈動(dòng)換流器內(nèi)部分為Y橋和D橋,由于閥短路故障后Y橋和D橋的故障特征類似,故本文以Y橋?yàn)槔归_分析。
結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際,換流器區(qū)內(nèi)可能發(fā)生的閥短路故障主要包括換流變閥側(cè)電流側(cè)點(diǎn)至換流器間相間短路K1、橋臂短路K2、6脈動(dòng)換流器出線短路K3及12脈動(dòng)換流器出線短路K4,如圖1所示。圖1中,IYMAX、IDMAX分別為Y橋和D橋換流變閥側(cè)三相交流電流的最大值;IDH、IDN分別為換流器高壓端和中性線側(cè)直流電流;VY1~VY6、VD1~VD6分別為Y橋和D橋?qū)?yīng)的6個(gè)橋臂。
圖1 換流器區(qū)測(cè)點(diǎn)及故障點(diǎn)位置Fig.1 Measuring point and fault point location in converter area
針對(duì)換流器區(qū)內(nèi)閥短路故障,目前工程中一般對(duì)單個(gè)Y橋或D橋配置基于電流差動(dòng)保護(hù)原理的閥短路保護(hù)[5],其動(dòng)作判據(jù)為
式中:Iset1為保護(hù)動(dòng)作整定值;I0為保護(hù)的啟動(dòng)定值,一般取為0.5倍額定電流;k為比例系數(shù),取為0.2。
閥短路故障作為HVDC系統(tǒng)最嚴(yán)重的一種故障,對(duì)其配置的閥短路保護(hù)的動(dòng)作需考慮避免第3只閥導(dǎo)通[5],而保護(hù)的動(dòng)作將影響不同位置的閥短路故障特征。
根據(jù)換流器工作原理可知,由于閥導(dǎo)通狀態(tài)的不同,不同時(shí)刻發(fā)生的閥短路故障特征可能存在差異[7],因此,需探究不同閥導(dǎo)通狀態(tài)下的故障特征。以VY1、VY2導(dǎo)通狀態(tài)為例展開分析,并基于RTDS與實(shí)際直流控保系統(tǒng)構(gòu)成的閉環(huán)仿真平臺(tái)(下文簡(jiǎn)稱仿真平臺(tái))進(jìn)行驗(yàn)證,其中保護(hù)錄波采樣率為10 kHz。為便于分析,以A相電壓為參考,根據(jù)直流輸電原理[4]有
式中:ua、ub和uc分別為Y橋換流變閥側(cè)三相電壓;E為相電壓有效值;Id為直流電流;UdR、UdI分別為整流側(cè)和逆變側(cè)直流電壓;RL為直流回路電阻;UdRY、UdRD分別為整流側(cè)Y橋和D橋換流變提供的直流電壓;Udi0Y為Y橋換流器的直流空載電壓;α為換流器的觸發(fā)角。
由于VY1、VY2導(dǎo)通階段對(duì)應(yīng)的A相電壓相角范圍為[90°+α,150°+α],工程中α一般運(yùn)行于15°左右[5]。為便于表示,將VY1、VY2同時(shí)導(dǎo)通的狀態(tài)記為S1,后續(xù)導(dǎo)通順序依次記為S2~S6,并將Y橋橋臂故障按橋臂編號(hào)依次記為K21~K26。以S1狀態(tài)、故障角為135°時(shí)的不同位置發(fā)生閥短路故障為例展開分析。
當(dāng)發(fā)生6脈動(dòng)換流器出線K3故障時(shí),故障后的電流回路及控保錄波如圖2所示。由圖2可知,故障時(shí)回路1通過(guò)導(dǎo)通閥VY1、VY2和故障點(diǎn)形成AC兩相短路,由于故障回路阻抗很小,IYA、IYC增大,相應(yīng)地IYMAX增大;故障后Y橋Udi0Y=0,且整流側(cè)故障后,逆變側(cè)電壓不會(huì)立即產(chǎn)生變化,根據(jù)式(5)可知,回路2中電流IDH、IDMAX和IDN減小,此時(shí),Y橋閥短路保護(hù)動(dòng)作。在圖2(b)中,Y橋測(cè)點(diǎn)三相電流IYA、IYB和IYC采用標(biāo)幺值,系統(tǒng)額定電流為5 kA。
圖2 K3故障電流回路及控保錄波Fig.2 K3 fault current loop,and control and protection recording wave
12脈動(dòng)換流器出線K4短路后的電流回路及控保錄波如圖3所示。此時(shí)整流側(cè)相當(dāng)于完全被短路,由式(5)可知,回路2中電流迅速降為0,即IDH、IDN迅速減小;回路1通過(guò)故障點(diǎn)形成相間短路,Y橋IYA、IYC增大,相應(yīng)地IYMAX增大,D橋?qū)ㄩy所在相電流同樣增大,IDMAX增大;此時(shí),Y橋和D橋閥短路保護(hù)均動(dòng)作。
圖3 K4故障電流回路及控保錄波Fig.3 K4 fault current loop,and control and protection recording wave
當(dāng)導(dǎo)通狀態(tài)處于S1時(shí),若此時(shí)VY1或VY2發(fā)生閥短路故障,顯然在S1階段無(wú)故障特征,Y橋閥短路保護(hù)不會(huì)立即動(dòng)作。因此需要分析非導(dǎo)通閥發(fā)生閥短路故障后的電氣量特征。
2.3.1 橋臂VY3短路
當(dāng)發(fā)生橋臂VY3短路即K23故障,故障后的電流回路及控保錄波如圖4所示。根據(jù)式(4)可知,在[-30°,150°]內(nèi)存在uab>0,故若故障發(fā)生在[90°+α,150°]期間,此時(shí)上橋臂導(dǎo)通閥VY1與故障閥VY3形成AB相間短路,回路1中電流IYA、IYB和IYMAX增大,又由于AB相間短路同樣會(huì)使UdRY下降,相應(yīng)地UdR下降,由式(5)可知,回路2中電流IYC、IDH、IDMAX和IDN減?。蝗艄收习l(fā)生于[150°,150°+α]期間,由于uab<0,此電壓恰為VY1與VY3的換相電壓,相當(dāng)于提前進(jìn)行換相,故該階段發(fā)生K23短路故障,并不會(huì)產(chǎn)生故障電流,Y橋閥短路保護(hù)不會(huì)立即動(dòng)作。因此,當(dāng)故障發(fā)生于[90°+α,150°]期間,故障角越接近150°,故障后A相和B相電流增大越不明顯,Y橋閥短路保護(hù)可能動(dòng)作。
圖4 K23故障電流回路及控保錄波Fig.4 K23 fault current loop,and control and protection recording wave
但無(wú)論此階段保護(hù)是否動(dòng)作,經(jīng)換相后,當(dāng)閥導(dǎo)通狀態(tài)為S4時(shí)即處于[270°+α,330°+α],由式(1)可知,由于此時(shí)有ucb>0,K23短路將導(dǎo)致CB相間短路,短路電流使Y橋閥短路保護(hù)可靠動(dòng)作,因此可依靠閥短路保護(hù)動(dòng)作所處閥導(dǎo)通階段的三相電流的故障特征進(jìn)行不同橋臂短路的定位。圖4(b)、(c)為仿真平臺(tái)所得結(jié)果,S1狀態(tài)時(shí)發(fā)生故障角為135°的K23故障,故障電流先增大至1.13 p.u.后減小并伴隨VY1與VY3換相,閥短路保護(hù)未動(dòng)作,S1狀態(tài)之后的故障特征與理論分析一致。
2.3.2 橋臂VY4、VY5短路
當(dāng)發(fā)生橋臂VY4短路即K24故障,故障后的電流回路及控保錄波如圖5所示。根據(jù)式(4)可知,在[30°,210°]內(nèi)存在uac>0,故在S1導(dǎo)通階段,下橋臂故障閥VY4與導(dǎo)通閥VY2形成AC相間短路,回路1中電流IYA、IYC和IYMAX增大;此時(shí)Y橋換流變被VY4和 VY1短路,由式(5)可知,回路2中電流IDH、IDMAX和IDN減小,此階段Y橋閥短路保護(hù)動(dòng)作。若發(fā)生K25故障,由分析可知其故障特征與K24故障特征一致。
圖5 K24故障電流回路及控保錄波Fig.5 K24 fault current loop,and control and protection recording wave
2.3.3 橋臂VY6短路
當(dāng)發(fā)生橋臂VY6短路即K26故障時(shí),故障后的電流回路及控保錄波如圖6所示。由式(4)可知,在[90°,270°]內(nèi)存在ubc>0,故在 VY1、VY2導(dǎo)通階段,下橋臂故障閥VY6與導(dǎo)通閥VY2形成BC相間短路,回路1中電流IYB、IYC和IYMAX增大;BC相間短路導(dǎo)致整流側(cè)直流電壓下降,由式(5)可知,回路2中電流IDH、IDMAX、IDN減小。此階段Y橋閥短路保護(hù)動(dòng)作。
圖6 K26故障電流回路及控保錄波Fig.6 K26 fault current loop,and control and protection recording wave
鑒于交流側(cè)三相對(duì)稱,此處以AB相間短路為例,故障后的電流回路及控保錄波如圖7所示。與K23故障類似,回路1中電流IYA、IYB和IYMAX增大,回路2中電流IDH、IDMAX和IDN減小,Y橋閥短路保護(hù)動(dòng)作;閉鎖故障閥組和跳交流進(jìn)線開關(guān),由于此時(shí)回路1不包含橋臂,在閥組被閉鎖后,故障電流仍然存在,直至交流進(jìn)線開關(guān)跳開后,故障電流才開始消失。
圖7 K1故障電流回路及控保錄波Fig.7 K1 fault current loop,and control and protection recording wave
綜上,基于第2節(jié)中不同閥短路故障特征的分析可知,利用Y橋和D橋均動(dòng)作可識(shí)別12脈動(dòng)換流器出線短路;利用閥短路保護(hù)動(dòng)作后跳交流開關(guān)的時(shí)刻對(duì)應(yīng)故障橋的三相電流是否為零來(lái)識(shí)別交流相間短路。對(duì)于橋臂短路和6脈動(dòng)換流器出線短路,需進(jìn)一步分析S2導(dǎo)通階段時(shí)的Y橋三相電流故障特征,其分析結(jié)果與S1導(dǎo)通階段的結(jié)果如表1所示,表1中,一字線表示該階段無(wú)故障特征。結(jié)合第2.1和第2.3節(jié)分析可知,①若故障發(fā)生于S1狀態(tài)的初始階段,如圖3(a)和圖5(a)所示,由于閥短路保護(hù)動(dòng)作,閉鎖故障閥的觸發(fā)脈沖,且控制系統(tǒng)為限制直流電流增大而增大整流側(cè)觸發(fā)角α,在二者共同作用下導(dǎo)致故障后VY3觸發(fā)脈沖被閉鎖,此時(shí)無(wú)法對(duì)K24、K25、K3進(jìn)行進(jìn)一步區(qū)分;②若故障發(fā)生于S1狀態(tài)的結(jié)束階段,如圖8所示,由于控保未能及時(shí)閉鎖閥VY3觸發(fā)脈沖,VY1與VY3成功換相,閥組進(jìn)入S2狀態(tài),此時(shí)可結(jié)合換相前后2個(gè)狀態(tài)的故障特征進(jìn)一步判斷K24故障。
圖8 故障角為155°的K24故障錄波Fig.8 K24 fault recording wave with fault angle of 155°
表1 S1和S2狀態(tài)時(shí)不同位置的故障特征Tab.1 Fault characteristics at different positions in statesS1andS2
其余各狀態(tài)與S1、S2狀態(tài)具有類似的特征,限于篇幅,此處不再展開。
實(shí)際工程中的閥短路保護(hù)在滿足動(dòng)作條件后,延時(shí)500 μs即出口動(dòng)作,而后控制系統(tǒng)按照預(yù)設(shè)的邏輯閉鎖故障閥組觸發(fā)脈沖,并對(duì)非故障閥組移相,后續(xù)還會(huì)執(zhí)行跳交流進(jìn)線開關(guān)等操作[5]?;诘?節(jié)的分析可知,閥短路保護(hù)動(dòng)作后控制系統(tǒng)的作用將對(duì)故障特征產(chǎn)生重要影響,因而需要進(jìn)一步分析控制系統(tǒng)動(dòng)作邏輯對(duì)故障特征的影響。
對(duì)于閉鎖脈沖而言,以S1狀態(tài)為例,當(dāng)故障位置為K1時(shí),由于其電流回路不包含橋臂,閥短路保護(hù)動(dòng)作后,控制系統(tǒng)動(dòng)作對(duì)其故障特征并無(wú)影響;若故障為K2、K3、K4,故障電流回路由故障閥和已導(dǎo)通的閥組成,由于晶閘管為半控器件,閉鎖脈沖信號(hào)對(duì)已導(dǎo)通閥無(wú)影響,因此故障后無(wú)論是否發(fā)生狀態(tài)切換,閉鎖脈沖對(duì)故障特征均無(wú)影響。
而對(duì)于觸發(fā)角α而言,由式(5)及圖(8)可知,若故障后存在狀態(tài)切換,閥短路保護(hù)動(dòng)作并執(zhí)行移相操作后,控制系統(tǒng)增大觸發(fā)角α,換相后導(dǎo)通閥電流顯著減小。因此,為了避免保護(hù)動(dòng)作后控制系統(tǒng)對(duì)故障后電氣量的作用,故障定位方案中應(yīng)取α角增大前對(duì)應(yīng)的電氣量??赏ㄟ^(guò)判斷α角前后2個(gè)采樣點(diǎn)差值Δα是否大于設(shè)定的閾值以實(shí)現(xiàn)故障數(shù)據(jù)的選取,考慮閥短路保護(hù)動(dòng)作后,α角按照預(yù)設(shè)邏輯由初始值15°左右增大至90°,由大量的錄波數(shù)據(jù)得出Δα取為20°較為適宜。此外,對(duì)于故障電流判據(jù)閾值的選擇,應(yīng)考慮躲過(guò)正常運(yùn)行時(shí)可能出現(xiàn)的最大電流,本文將其整定為1.15 p.u.。參考現(xiàn)有方法,根據(jù)連續(xù)3個(gè)采樣點(diǎn)滿足判據(jù)實(shí)現(xiàn)故障的判斷[8]。
基于第2節(jié)及第3.1節(jié)對(duì)閥短路故障后不同位置故障特征及影響因素的分析,建立整流站閥短路故障定位流程如圖9所示,其具體步驟如下。
圖9 閥短路故障定位方案Fig.9 Valve short-circuit fault location scheme
步驟1根據(jù)閥短路保護(hù)動(dòng)作信號(hào)判斷是否進(jìn)行故障定位,若存在閥短路保護(hù)動(dòng)作,則進(jìn)行步驟2。
步驟2根據(jù)閥短路保護(hù)動(dòng)作類型判斷故障所在橋,若Y橋和D橋閥短路保護(hù)均動(dòng)作,則判斷12脈動(dòng)換流器出線發(fā)生短路故障;否則進(jìn)入步驟3。
步驟3判斷是否為Y橋動(dòng)作,若否,則判斷為D橋動(dòng)作,后續(xù)流程與Y橋一致;若是Y橋動(dòng)作,則繼續(xù)判斷交流開關(guān)信號(hào)跳變對(duì)應(yīng)時(shí)刻Y橋三相電流是否均為零,若否,則判定為交流側(cè)相間短路K1故障,若是,則進(jìn)入第4步。
步驟4取故障開始至滿足Δα大于20°對(duì)應(yīng)時(shí)刻之間的Y橋三相電流IYA、IYB,和IYC,根據(jù)對(duì)應(yīng)的IYA、IYB和IYC及脈沖觸發(fā)信號(hào)PULSE確定所處閥組狀態(tài)Si以決定后續(xù)流程;此處以S1為例敘述,確定閥組狀態(tài)為S1后則進(jìn)入步驟5。
步驟5判斷狀態(tài)S1中IYA是否存在連續(xù)3個(gè)點(diǎn)滿足IYA>1.15 p.u.,若否,則判定為Y橋橋臂VY6短路K26故障;若是,則進(jìn)入步驟6。
步驟6判斷狀態(tài)S1中IYB是否存在連續(xù)3個(gè)點(diǎn)滿足IYB>-1.15 p.u.,若是,則可確定為Y橋橋臂VY3短路K23故障;若否,則進(jìn)入步驟7。
步驟7判斷所取故障數(shù)據(jù)中觸發(fā)脈沖PULSE是否發(fā)生變化,若否,則確定故障為Y橋橋臂VY4短路K24故障、VY5短路K25故障或6脈動(dòng)換流器出線短路K3故障;若是,則進(jìn)一步根據(jù)PULSE信號(hào)判斷S2狀態(tài)中是否存在連續(xù)3個(gè)點(diǎn)滿足IYA>1.15 p.u.,若是,則判斷為K24故障,若否,則可確定為K25或K3故障。
采用本文所提故障定位方案,基于RTDS與直流控保系統(tǒng)的閉環(huán)仿真平臺(tái),針對(duì)S1~S6狀態(tài)下不同位置發(fā)生的閥短路故障進(jìn)行仿真驗(yàn)證。限于篇幅,以S2狀態(tài)下Y橋不同位置和S1~S2狀態(tài)下D橋不同位置的閥短路故障為例,其結(jié)果如附錄表A1和表A2所示。在附錄表A1和表A2中,K2Y1~K2Y6、K2D1~K2D6分別為Y橋和D橋?qū)?yīng)6個(gè)橋臂短路;VSCPY、VSCPD分別為Y橋和D橋閥短路保護(hù)動(dòng)作,其值為1表示動(dòng)作;IYA、IYB、IYC和IDA、IDB、IDC分別為Y橋和D橋換流變閥側(cè)三相電流,其值為各狀態(tài)下電流標(biāo)幺值的范圍;IACSW為跳交流開關(guān)時(shí)刻對(duì)應(yīng)三相電流,其值用1或0表示跳交流開關(guān)時(shí)對(duì)應(yīng)三相電流是否均為0。由于在S1和S2狀態(tài)下,K2Y2、K2Y3和K2D2、K2D3無(wú)故障特征,附錄表A1和表A2中 K2Y2(S3)、K2Y3(S4)和K2D2(S3)、K2D3(S4)對(duì)應(yīng)三相電流特征分別為Y橋和D橋?qū)?yīng)位置在S3和S4狀態(tài)的故障特征,表中一字線為該階段無(wú)故障特征。
由附錄表A1和表A2可知,當(dāng)且僅當(dāng)12脈動(dòng)換流器出現(xiàn)短路會(huì)導(dǎo)致VSCPY和VSCPD為1,Y橋或D橋交流側(cè)相間短路時(shí)IACSW為0,據(jù)此特征可識(shí)別12脈動(dòng)換流器出線短路和交流側(cè)相間短路;對(duì)于橋臂短路和6脈動(dòng)換流器短路,根據(jù)各橋三相電流與設(shè)定的各相閾值比較加以區(qū)分。仿真平臺(tái)所得結(jié)果與理論分析一致,說(shuō)明本文所提定位方法可有效識(shí)別整流站區(qū)內(nèi)閥短路故障。
本文基于實(shí)際控保系統(tǒng)閥短路保護(hù)動(dòng)作邏輯及換流器各導(dǎo)通狀態(tài)下不同位置閥短路故障時(shí)Y橋或D橋測(cè)點(diǎn)三相電流的故障特征,提出整流站區(qū)內(nèi)閥短路故障定位方法,主要結(jié)論如下。
(1)理論分析了4種典型區(qū)內(nèi)閥短路故障的特點(diǎn),其中僅12脈動(dòng)換流器出口短路會(huì)導(dǎo)致Y橋和D橋閥短路保護(hù)均動(dòng)作;換流器故障后的短路電流在閥組閉鎖后,隨導(dǎo)通閥電流過(guò)零點(diǎn)關(guān)斷后消失,而交流側(cè)相間短路故障電流需要控制系統(tǒng)執(zhí)行跳交流進(jìn)線開關(guān)后才會(huì)消失,從而可識(shí)別出交流側(cè)相間短路。
(2)換流器各閥導(dǎo)通狀態(tài)下不同橋臂短路和6脈動(dòng)換流器出口短路的故障特征存在異同,可通過(guò)結(jié)合相鄰導(dǎo)通狀態(tài)的故障特征實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的區(qū)分。
(3)通過(guò)仿真平臺(tái)驗(yàn)證了融合控保數(shù)據(jù),以及提取各閥導(dǎo)通狀態(tài)下各橋電流幅值特征實(shí)現(xiàn)整流站區(qū)內(nèi)閥短路故障定位方法的有效性。