基于閥側(cè)交流最大電流時序特征的換相失敗檢測

李曉華 殷珊珊 李潔雯 蔡澤祥 劉對 譚展鵬

基于閥側(cè)交流最大電流時序特征的換相失敗檢測

李曉華 殷珊珊 李潔雯 蔡澤祥 劉對 譚展鵬

（華南理工大學 電力學院，廣東 廣州 510640）

換相失敗是高壓直流輸電系統(tǒng)運行中的常見事件，體現(xiàn)了換流器的脆弱性。由于現(xiàn)有檢測換相失敗的判別方法容易受故障因素、控制調(diào)節(jié)等影響，導(dǎo)致檢測方法存在靈敏性不足的問題。準確、可靠地檢測換相失敗對系統(tǒng)的控制與保護極其重要?；诖耍狙芯繌拈y導(dǎo)通狀態(tài)入手，提出一種基于閥側(cè)交流最大電流時序特征的換相失敗檢測方案。利用端口交流電流的單邊極性電流與三相交流電流最大值一半的比值構(gòu)造交流最大電流特征量。為減少運行工況的影響，以換相兩閥電流的交點為分界點，利用交流最大電流特征量幅值的一半構(gòu)造閥虛擬導(dǎo)通狀態(tài)；對其在周期時間內(nèi)進行積分求取累積寬度，判別閥虛擬導(dǎo)通狀態(tài)是否異常；根據(jù)換相過程中前導(dǎo)換虛擬導(dǎo)通狀態(tài)超長和后導(dǎo)換閥虛擬導(dǎo)通狀態(tài)縮短的互鎖關(guān)系判別換相失敗。通過對功率擾動和故障暫態(tài)以及采樣步長的分析，推導(dǎo)判別換相失敗的閾值，推薦閾值為1.3 ms。基于PSCAD/EMTDC電磁暫態(tài)仿真和錄波數(shù)據(jù)再現(xiàn)的仿真結(jié)果，驗證了所提換相失敗檢測方案的有效性。與電流差動判據(jù)相比，在不同的故障條件的仿真結(jié)果表明，所提換相失敗檢測方案受交直流系統(tǒng)工況、故障發(fā)生時刻、故障嚴重程度等因素的影響較小，具有較強的魯棒性。所提方案可定位換相失敗的閥，為控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)提供更多的時間裕度。

高壓直流輸電；換相；閥側(cè)電流；閥導(dǎo)通狀態(tài)；時序特征

晶閘管型換流器是傳統(tǒng)高壓直流輸電系統(tǒng)電力變換的核心設(shè)備，由于晶閘管沒有自關(guān)斷能力，極易發(fā)生換相失?。?］。換相失敗后流過換流器的電流激增、直流傳輸功率下降［2-3］，嚴重時甚至導(dǎo)致直流傳輸中斷，這對系統(tǒng)的穩(wěn)定運行極為不利。對換相失敗準確、可靠的檢測是保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的重要條件。準確、可靠地檢測出換相失敗有助于為控制系統(tǒng)提供更多的時間裕度進行調(diào)節(jié)［4-5］。

直流控制與保護系統(tǒng)應(yīng)對交流系統(tǒng)故障動態(tài)響應(yīng)的性能是制約整個交直流混聯(lián)系統(tǒng)性能的重要約束。工程中，直流保護主要是基于閥側(cè)電流的差流特征［6-7］檢測換相失敗，這也是當前公認換相失敗的檢測方法。但差流判據(jù)容易受故障因素的影響［8-9］，導(dǎo)致檢測換相失敗的靈敏性不足?？刂葡到y(tǒng)是基于直流的關(guān)斷角和電壓電流進行調(diào)節(jié)。關(guān)斷角的響應(yīng)可以反映換相失敗，但關(guān)斷角在量測時其算法相對比較保守［10］，導(dǎo)致檢測缺乏速動性。為準確、可靠地檢測換相失敗，文獻［11］利用閥側(cè)交流電流和母線電壓的波形特征判斷換相失?。–F），由于在動態(tài)過程中母線電壓與閥電壓特性不一致，導(dǎo)致該檢測方法具有一定的盲區(qū)。文獻［12］通過檢測直流的形態(tài)梯度和直流電流的突變量判別換相失敗，該方法雖然算法簡單，但受故障因素的影響，在嚴重故障下，電流突變會導(dǎo)致準確性降低，且閾值不容易確定。文獻［13］從換相失敗定義出發(fā)，利用閥側(cè)交流電流在換相失敗期間出現(xiàn)的倒換相和未成功換相的波形特征判別換相失敗，但在實際工程中閥側(cè)交流電流的波形特征容易受多因素的影響，其實用性有待驗證。

為從根本上解決現(xiàn)有換相失敗檢測方案靈敏性問題，亟需從換相失敗的本質(zhì)進行研究。換流器發(fā)生換相失敗的核心是閥狀態(tài)發(fā)生了改變，若能夠準確、可靠地在線檢測閥狀態(tài)運行情況［14］，則可以及時發(fā)現(xiàn)異常。

本研究利用閥側(cè)交流電流的特征與閥狀態(tài)的內(nèi)在聯(lián)系，提出了一種換相失敗檢測方案。利用閥側(cè)交流最大電流相對關(guān)系的幅值特征與時序特征，構(gòu)造閥狀態(tài)的檢測判據(jù)；根據(jù)換相過程中兩閥狀態(tài)超長和縮短的互鎖關(guān)系，構(gòu)造換相失敗的檢測判據(jù)。通過仿真測試和現(xiàn)場故障錄波再現(xiàn)分析，驗證本研究提出的方案檢測換相失敗的有效性和可靠性。

1　換相失敗后閥側(cè)交流電流的特征

閥電流是閥狀態(tài)的直接表現(xiàn)形式。由于電流互感器無法安裝到換流器內(nèi)部［15］，導(dǎo)致不能直接獲取閥電流。為了判別閥狀態(tài)，本研究利用閥側(cè)交流電流的正負向電流表征流過換流閥的電流（以下稱為：極性電流）。如下式所示：

圖1　不同運行狀態(tài)下閥側(cè)交直流電流和極性電流波形

從圖1（b）-（d）可知，不同故障類型下，換相失敗導(dǎo)致閥導(dǎo)通寬度出現(xiàn)加長或縮短的特征都是一致的。因此，利用交流電流的極性電流追蹤閥導(dǎo)通寬度加長或縮短的特征，可以反映閥的換相情況，從而實現(xiàn)對換相失敗的檢測。

2　換相失敗檢測原理

基于以上分析，對換相失敗的檢測轉(zhuǎn)化為對閥導(dǎo)通狀態(tài)和導(dǎo)通狀態(tài)持續(xù)時間的檢測。

2.1　極性電流在換相過程的特征分析

圖2　閥V1向V3換相的等效電路

換相過程中，換相兩閥的電流由下式確定：

換相過程中，兩換相閥的電流與直流電流的關(guān)系為

圖3　改變直流傳輸功率時的極性交流電流特征

研究發(fā)現(xiàn)，兩換相閥在交點處的電流與直流電流的比例關(guān)系在時序上保持一致，且正常換相時極性電流的幅值等于直流電流。

根據(jù)直流線路兩端的電壓，直流電流的表達式如下：

圖4　陰極閥間換相的電流波形

2.2　換相失敗檢測的原理

構(gòu)造閥導(dǎo)通狀態(tài)的判別：

3　檢測方案的閾值選取

換相失敗檢測原理的核心是利用閥導(dǎo)通寬度的時序特征實現(xiàn)對異常閥狀態(tài)的判別。分析擾動和故障下?lián)Q相失敗臨界狀態(tài)下閥導(dǎo)通寬度超長或縮短的閾值選取。

3.1　正常情況的閾值選取分析

正常情況下，系統(tǒng)由負載投切等非故障引起的電壓或電流變化微小。而在功率擾動時，控制系統(tǒng)將會快速調(diào)整觸發(fā)角，這是由非故障引起電量變化最嚴重的情況。

換流器的換相角正常工作運行點小于30°［17］。功率發(fā)生變化時，功率下降時，換相角減?。还β试龃髸r，換相角拉大，系統(tǒng)的穩(wěn)定性發(fā)生變化。

在故障初期，電流變化近似為恒斜率，因此，

圖5　功率波動時直流電流和角度的變化

3.2　故障暫態(tài)的閾值選取分析

根據(jù)換相面積的計算公式，換相電壓幅值降低或過零點前移均不利于換相。根據(jù)最小關(guān)斷角原理，在換相失敗的臨界狀態(tài)下，分析閥導(dǎo)通寬度受電壓幅值降低和過零點前移雙重影響下的差異。

為保證閥導(dǎo)通寬度差異的有效性，在求解過程中需要考慮換相過程交點對應(yīng)角度（見式（5））的有效取值范圍。故障暫態(tài)不同影響因素下的閥導(dǎo)通寬度差異如圖6所示，面1表示單電壓跌落，線2表示電壓跌落和過零點前移綜合作用，面3表示過零點前移，面4表示電壓跌落有效的臨界面。

圖6　故障暫態(tài)的閥導(dǎo)通寬度差異

圖6中，相比面3，面1中電壓跌落對閥導(dǎo)通寬度的影響更大。實際直流工程發(fā)生不對稱故障時，往往電壓跌落和過零點偏移同時出現(xiàn)?？紤]兩者的綜合影響（線2），在面4的限制下，選取點的閥導(dǎo)通寬度差異為閥狀態(tài)判別的閾值。

3.3　采樣步長的閾值影響分析

圖7　考慮采樣步長的時閥導(dǎo)通寬度差異

式中，s在直流工程中典型值為100 μs。

通過以上閾值選取的理論分析，經(jīng)大量仿真驗證，推薦閾值為1.3 ms。

4　驗證

4.1　仿真驗證

4.1.1方案有效性驗證

圖8　基于閥導(dǎo)通狀態(tài)的CF檢測方案

由圖8可知，正常運行時，換流器中6個閥的狀態(tài)檢測信號均為1，表明閥間換相正常。單相故障后，隨著換相失敗的出現(xiàn)（圖8中陰影部分），閥導(dǎo)通寬度發(fā)生變化，根據(jù)閥V3和閥V5異常狀態(tài)的互鎖關(guān)系，檢測到發(fā)生換相失敗。仿真結(jié)果驗證了本研究提出的檢測方案的有效性。

表1　故障類型對閥導(dǎo)通狀態(tài)檢測方案的影響

由表1數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，基于閥導(dǎo)通狀態(tài)的檢測方案可以檢測到每個閥的異常狀態(tài)。利用閥導(dǎo)通超長和縮短狀態(tài)間的互鎖關(guān)系檢測換相失敗，避免了出現(xiàn)單點異常閥狀態(tài)而誤判換相失敗的情況。不同故障類型下的仿真結(jié)果，驗證了本研究提出的換相失敗檢測方案的有效性。

此外，由于本研究提出的檢測方案利用的是閥導(dǎo)通超長和縮短的互鎖關(guān)系進行判別，當檢測到換相失敗時，出現(xiàn)異常狀態(tài)的一對閥便是發(fā)生換相失敗的閥。以上仿真表明本研究提出的檢測方案具有定位換相失敗閥的能力。

4.1.2方案魯棒性驗證

根據(jù)表1-4的分析可知，基于閥導(dǎo)通狀態(tài)的換相失敗檢測方案在檢測換相失敗的速度上受故障類型、直流傳送功率、過渡電阻和故障合閘角的影響較小。這說明本研究提出的檢測方案具有抵御故障因素的能力。與換相失敗保護判據(jù)檢測方案相比，本研究提出的檢測方案具有較好的魯棒性。

表2　直流傳送功率對兩種檢測方案的影響

表3　過渡電阻對兩種檢測方案的影響

表4　故障合閘角對兩種檢測方案的影響

4.1.3極端情況驗證

某實際工程的運行參數(shù)為：額定直流功率，在逆變側(cè)交流母線處設(shè)置三相接地故障、過渡電阻為0.001 Ω、故障時刻為19.107 75 s、故障時長為0.025 s。換相失敗保護判據(jù)與本研究提出的檢測方案的檢測性能如圖9所示。圖中CF表示利用換相失敗保護判據(jù)判別到出現(xiàn)換相失敗的信號，0表示無換相失敗，1表示出現(xiàn)換相失敗。

圖9　極端情況下基于閥導(dǎo)通狀態(tài)檢測方案的檢測性能

據(jù)圖9可知，故障后，換相失敗保護的判據(jù)無法判斷換相失敗，這是因為交直流電流的差流增長緩慢，始終無法滿足換相失敗保護的判據(jù)?；陂y狀態(tài)的檢測方案對異常閥狀態(tài)可以準確判別，具有較好的魯棒性。

4.2　故障錄波再現(xiàn)驗證

某實際工程故障錄波數(shù)據(jù)再現(xiàn)的交直流電流波形如圖10第1幅圖所示。利用本研究提出的檢測方案觀察故障錄波數(shù)據(jù)再現(xiàn)本研究提出的檢測方案的檢測性能，其檢測結(jié)果如圖10所示。

圖10　錄波數(shù)據(jù)下基于閥導(dǎo)通狀態(tài)檢測方案的檢測性能

5　結(jié)論

本研究提出一種基于閥側(cè)交流最大電流時序特征的換相失敗檢測方案，分別通過工程模型仿真和錄波數(shù)據(jù)再現(xiàn)進行驗證和分析，主要結(jié)論如下：

（1）正常換相時，以換相過程中兩換相閥電流交點處為分界線，得到的閥導(dǎo)通寬度為恒定值，避免閥導(dǎo)通寬度在整定方面的問題。

（2）根據(jù)閥導(dǎo)通超長和縮短狀態(tài)的相互制約的關(guān)系判別換相失敗，避免出現(xiàn)單點異常誤判問題，大大提高了檢測方案的可靠性。且該檢測方案能夠準確定位換相失敗的閥。

（3）本研究提出的檢測方案判別換相失敗的檢測速度受故障類型、直流功率、過渡電阻和故障合閘角的影響較小，具有一定的抵御故障因素的能力。

本研究提出的換相失敗檢測方案為直流控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)提供了更多時間裕度；閥狀態(tài)的判別為故障閥的定位和換流器保護的優(yōu)化提供了基礎(chǔ)方法。

［1］ SONG J Z，LI Y L，ZHANG Y K．The infl?uence of open-phase operation of inverter side AC subsystem on commutation process and countermeasures［J］．International Journal of Electrical Power and Energy Systems，2021，129：106805．

［2］ 宋金釗，李永麗，曾亮，等．高壓直流輸電系統(tǒng)換相失敗研究綜述［J］．電力系統(tǒng)自動化，2020，44（22）：2-13.

SONG Jinzhao，LI Yongli，ZENG Liang，et al．Review on commutation failure of HVDC transmission system［J］，Automation of Electric Power Systems，2020，44（22）：2-13.

［3］ 陳德?lián)P，羅煒，郭琦，等．常規(guī)直流閥區(qū)故障與測量隱患定位方法［J］．電力系統(tǒng)自動化，2021，45（12）：167-173．

CHEN Deyang，LUO Wei，GUO Qi，et al．Location method of fault and hidden measurement defect for LCC HVDC valve area［J］．Automation of Electric Power Systems，2021，45（12）：167-173．

［4］ YANG H H，CAI Z X，LI X H，et al．Assessment of commutation failure in HVDC systems considering spatial-temporal discreteness of AC system faults［J］．Journal of Modern Power Systems and Clean Energy，2018，6（5）：1055-1065.

［5］ YIN S S，LI X H，LI J W，et al．Real-time virtual measurement technique for the thyristor valve current based on the converter terminal current［J］．IEEE Transactions on Power Delivery，10.1109/TPWRD.2021.3129060/1-11.

［6］ WEI Z H，F(xiàn)ANG W L，LIU J．A criterion for accurate identification of commutation failure in HVDC［J］．Electric Power Systems Research，2020，184：106338/1-12.

［7］ 田慶，潘本仁，李正天，等．交直流控制保護功能配合方案研究［J］．電力科學與技術(shù)學報，2016，31（2）：22-30.

TIAN Qing，PAN Benren，LI Zhengtian，et al．Research on coordination method for the alternating current and direct current control & protection［J］．Journal of Electric Power Science and Technology，2016，31（2）：22-30.

［8］ MARVASTI F，MIRZAEI A．A novel method of combined DC and harmonic overcurrent protection for rectifier converters of monopolar HVDC systems［J］．IEEE Transaction on Power Delivery，2018，33（2）：892-900.

［9］ 李佳曼，蔡澤祥，李曉華，等．直流系統(tǒng)保護對交流故障的響應(yīng)機理與交流故障引發(fā)的直流系統(tǒng)保護誤動分析［J］．電網(wǎng)技術(shù)，2015，39（4）：953-960.

LI Jiaman，CAI Zexiang，LI Xiaohua，et al．Response mechanism of UHVDC system protection to faults in UHVDC system and analysis on malfunction of UHVDC protection caused by faults in UHVDC system［J］．Power System Technology，2015，39（4）：953-960.

［10］ 束洪春，王璇，田鑫萃，等．交流故障下永富直流換流器差動保護誤動風險分析［J］．高電壓技術(shù)，2018，44（2）：478-487.

SHU Hongchun，WANG Xuan，TIAN Xincui，et al．Mal-operation risk analysis of Yongfu DC converter differential protection under AC fault［J］．High Voltage Engineering，2018，44（2）：478-487.

［11］ 王增平，劉席洋，鄭博文，等．基于電壓波形擬合的換相失敗快速預(yù)測與抑制措施［J］．電工技術(shù)學報，2020，35（7）：1454-1463.

WANG Zengping，LIU Xiyang，ZHENG Bowen，et al．The research on fast prediction and suppression measures of commutation failure based on voltage waveform fitting［J］．Transactions of China Electrotechnical Society，2020，35（7）：1454-1463.

［12］ 申洪明，黃少鋒，費彬，等．基于數(shù)學形態(tài)學的換相失敗檢測新方法［J］．電工技術(shù)學報，2016，31（4）：170-177.

SHEN Hongming，HUANG Shaofeng，F(xiàn)EI Bin， et al．A new method to detect commutation failure based on mathematical morphology［J］．Transactions of China Electrotechnical Society，2016，31（4）：170-177.

［13］ 陳光侵，傅闖，張勇軍．基于閥側(cè)電流特征的高壓直流換相失敗檢測方法［J］．電網(wǎng)技術(shù)，2019，43（10）：3488-3496.

CHEN Guangqin，F(xiàn)U Chuang，ZHANG Yongjun．Detection method of HVDC CF based on characteristics of valve-side current［J］．Power System Technology，2019，43（10）：3488-3496.

［14］ 李軒，梅飛，沙浩源，等．考慮樣本不平衡的特高壓換流閥狀態(tài)評估及其影響因素分析［J］．中國電機工程學報，2022，42（4）：1558-1569.

LI Xuan，MEI Fei，SHA Haoyuan，et al．State evaluation of UHVDC converter valve considering sample imbalance and its influencing factors analysis［J］．Proceedings of the CSEE，2022，42（4）：1558-1569.

［15］ 陳光侵，傅闖，張勇軍．基于閥電流特征的高壓直流換相失敗檢測方法［J］．電力系統(tǒng)自動化，2018，42（23）：86-94，119.

CHEN Guangqin，F(xiàn)U Chuang，ZHANG Yongjun．Detection method of HVDC communication failure based on characteristic of valve current［J］．Automation of Electric Power Systems，2018，42（23）：86-94，119.

［16］ 鄒亮，劉濤，趙彤，等．基于閥電壓或閥電流的HVDC換相失敗故障診斷［J］．電網(wǎng)技術(shù)，2014，38（12）：3453-3458.

ZOU Liang，LIU Tao，ZHAO Tong，et al．Diagnosis of commutation failure in HVDC transmission systems based on voltage or current of converter valve［J］．Power System Technology，2014，38（12）：3453-3458.

［17］ 李欣蔚，劉崇茹，韓玉蓉，等．送端系統(tǒng)對交直流系統(tǒng)輸送功率極限的影響［J］．電力系統(tǒng)自動化，2017，41（17）：101-105，141.

LI Xinwei，LIU Chongru，HAN Yurong，et al．Effect of sending-end system on maximum transmission power of AC/DC system［J］．Automation of Electric Power Systems，2017，41（17）：101-105，141.

［18］ 羅漢武，樂健，毛濤，等．扎魯特—青州±800 kV特高壓直流輸電工程運行特性分析［J］．電力自動化設(shè)備，2019，39（1）：53-59.

LUO Hanwu，LE Jian，MAO Tao，et al．Analysis of operation characteristics of Zhalute-Qingzhou ±800 kV UHVDC system［J］．Electric Power Automation Equipment，2019，39（1）：53-59.

［19］ 歐開健，任震，荊勇．直流輸電系統(tǒng)換相失敗的研究（一）—換相失敗的影響因素分析［J］．電力自動化設(shè)備，2003，23（5）：5-9.

OU Kaijian，REN Zhen，JING Yong．Research on commutation failure in HVDC transmission system part1：commutation failure factors analysis［J］．Electric Power Automation Equipment，2003，23（5）：5-9.

［20］ SHAO Y，TANG Y．Fast evaluation of commutation failure risk in multi-infeed HVDC systems［J］．IEEE Transaction Power Systems，2018，33（1）：646-653.

［21］ 吳秋媚，傅闖，龔英明，等．3種高壓直流同步觸發(fā)控制的對比分析［J］．電網(wǎng)技術(shù)，2020，44（12）：4744-4754.

WU Qiumei，F(xiàn)U Chuang，GONG Yingming，et al．Comparative analysis of three kinds of HVDC synchronous firing control systems［J］．Power System Technology，2020，44（12）：4744-4754.

Commutation Failure Detection Based on Temporal Feature of AC Maximum Current on the Valve-Side

LI Xiaohua YIN Shanshan LI Jiewen CAI Zexiang LIU Dui TAN Zhanpeng

（School of Electric Power Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510640，Guangdong，China）

Commutation failure (CF) is common for the operation of HVDC transmission system, and it reflects the vulnerability of converter. The existing methods for judging CF are subject to influence of fault factors and control adjustments, resulting in the insufficient sensitivity of the methods. Accurate and reliable detection of CF is extremely important to control and protection. Therefore, the paper proposed a detection scheme for CF based on temporal feature of AC maximum current on the valve-side starting from detecting the valve conduction interval. Firstly, the characteristics of AC maximum current was constructed based on the ratio between the unilaterally polarity current of AC current on the converter terminal and the half of the maximum value of the three-phase AC current. Secondly, to reduce the impact of operating conditions, taking the current intersection of two commutating valves currents as the demarcation point, the virtual conducting state of the valve was constructed by using half of the amplitude of the characteristic quantity of AC maximum current, and the accumulated width was calculated by integrating it in a period to determine whether the virtual conducting state of the valve is abnormal.Then, the interlocking relationship between the lengthened and shortened virtual conduction width was used to determine the commutation failure during the commutation process. According to the analysis of power disturbance, fault transiency and the sampling step, the threshold for commutation failure was derived. The recommended threshold value is 1.3 millisecond. Finally, based on the PSCAD / EMTDC electromagnetic transient simulation and wave recorded data, the results show that the proposed detection method is reliable to detect commutation failure. Compared with the detection method based on differential current, the proposed method for detecting commutation failure is less affected by factors, such as operating conditions of AC and DC system, fault moment, and fault severity under different fault conditions. This proposed method can locate the valve of commutation failure and provides more margin for the adjustment of the control system.

LCC-HVDC；commutation；valve-side current；valve conducting state；temporal feature

Supported by the State Grid Smart Joint Fund Program of China（U1766213） and the National Natural Science Foundation of China （51677073）

TM772

1000-565X（2022）07-0108-10

10.12141/j.issn.1000-565X.210810

2021-12-21

國家電網(wǎng)智能電網(wǎng)聯(lián)合基金資助項目（U1766213）；國家自然科學基金資助項目（51677073）

李曉華（1975-），女，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事電力系統(tǒng)故障分析和繼電保護、高壓直流輸電運行的研究. E-mail： eplxh@scut.edu.cn