變電站直流系統(tǒng)充電模塊故障智能切除控制技術(shù)

曹立峰， 顧于昊， 施浩楠

(國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司 張家港市供電分公司，江蘇 張家港 215600)

0 引 言

變電站工作過程中，直流系統(tǒng)作為運(yùn)行動(dòng)力的提供方，發(fā)揮了極其重要的影響。直流系統(tǒng)主要由充電模塊和蓄電池組構(gòu)成。充電模塊在日常運(yùn)行中，總會(huì)產(chǎn)生或大或小的故障，使得直流系統(tǒng)的整體安全性受到影響。通過充電模塊重要性的研究可知，需要加強(qiáng)充電模塊故障處理重視程度，提出有效措施解決故障問題，從而保證變電站正常運(yùn)轉(zhuǎn)[1-2]。 周光陽等[3]提出一種含限流器的多端柔直系統(tǒng)故障保護(hù)方法，分析電阻型超導(dǎo)限流器對(duì)短路電流的影響,構(gòu)建失超和恢復(fù)超導(dǎo)態(tài)的等效模型，提出R-SFCL和DCCB配合的故障處理流程。仿真結(jié)果表明：該配合策略能夠快速地隔離故障,實(shí)現(xiàn)非故障站的故障穿越,提高了MTDC系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行能力。此方法能夠提升故障保護(hù)效果，但是故障處理時(shí)間較長(zhǎng)。王盼寶等[4]提出基于線路電流二階導(dǎo)數(shù)的中壓直流系統(tǒng)故障識(shí)別方法，分析直流系統(tǒng)的故障特性，根據(jù)線路電流二階導(dǎo)數(shù)設(shè)計(jì)中壓直流配電系統(tǒng)直流線路故障快速識(shí)別方案，利用MATLAB驗(yàn)證了所提故障檢測(cè)方案的有效性，此方法在故障電阻,故障距離及負(fù)載發(fā)生變化的情況下仍可實(shí)現(xiàn)直流線路故障的快速準(zhǔn)確檢測(cè),但是此方法故障處理效率不佳。

本文針對(duì)故障處理方法的不足之處，提出變電站直流系統(tǒng)充電模塊故障智能切除控制技術(shù)研究。通過本文的研究，準(zhǔn)確分析了充電模塊中故障狀態(tài)，并對(duì)其進(jìn)行快速智能切除和遠(yuǎn)程控制，從而保證變電站直流系統(tǒng)運(yùn)行的安全狀態(tài)。

1 充電模塊故障智能切除控制技術(shù)設(shè)計(jì)

1.1 提取充電模塊故障特征

為了對(duì)充電模塊故障進(jìn)行有效處理，需要通過交直流電轉(zhuǎn)換進(jìn)行脈寬調(diào)制信號(hào)過濾，這一環(huán)節(jié)需要充電模塊發(fā)揮作用，充電模塊的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 充電模塊基本結(jié)構(gòu)圖

通過直流系統(tǒng)充電模塊的作用，將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，利用高頻逆變器對(duì)電源脈沖信號(hào)進(jìn)行處理，在經(jīng)歷過濾波后得出最終結(jié)果[5]。利用脈寬調(diào)制技術(shù)，調(diào)節(jié)直流電源的電壓，并將運(yùn)行狀態(tài)信息傳達(dá)至監(jiān)控模塊。監(jiān)控模塊在電壓調(diào)整和故障預(yù)警中也發(fā)揮著重要作用。

故障特征向量提取過程中，首先需要采集輸入電流數(shù)據(jù)，并將采集信息完成三層小波包分解，將分解結(jié)果依據(jù)頻率劃分為8個(gè)頻帶，分解系數(shù)按照頻率由低到高展示出來。為了保證信號(hào)的準(zhǔn)確性，通過對(duì)香農(nóng)采樣定理的分析，將采樣頻率設(shè)定為原始信號(hào)最大頻率的兩倍。針對(duì)分解系數(shù)完成重構(gòu)處理，并將不同重構(gòu)信號(hào)提取出來[6]。將原始信號(hào)表示為S，依據(jù)能量積分恒等式，獲得小波分解后的第j層總能量：

‖S0‖2=‖Sj,0‖2+‖Sj,1‖2+…+‖Sj,2j-1‖2

(1)

式中：k為重構(gòu)信號(hào)排序順序。小波包分解可以表示為：

(2)

針對(duì)充電模塊中的電流，采用三層小波包形式，完成信號(hào)的分解與重構(gòu)操作[9]。并將重構(gòu)信號(hào)總數(shù)量用n表示，對(duì)三相輸入電流的能量值進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算公式為：

(3)

式中:E3,k為某一重構(gòu)信號(hào)總能量值，并且該信號(hào)位于第三層的k個(gè)節(jié)點(diǎn)；S3,k為該信號(hào)的離散點(diǎn)幅值；ckn為細(xì)節(jié)系數(shù)。綜上所述，小波包分解第三層頻帶總能量計(jì)算結(jié)果為：

(4)

針對(duì)式(4)計(jì)算結(jié)果，可以生成充電模塊能量譜。在正常工作狀態(tài)下，以頻帶的能量值計(jì)算結(jié)果為依據(jù)，構(gòu)成充電模塊故障特征向量。例如單相電流，將故障特征向量用T來表示，則其構(gòu)造公式為：

T=E1E2E3…En

(5)

式中：E為頻帶能量值。通常情況下能量值不會(huì)太小，為了減少計(jì)算過程中梯度爆炸現(xiàn)象的出現(xiàn)，使得不同頻帶的能量值，根據(jù)歸一化處理獲得信號(hào)故障特征向量矩陣為：

(6)

通過計(jì)算獲取故障特征向量之后，以此為依據(jù)。本文采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類算法，將故障特征向量輸入其中，完成故障識(shí)別。

1.2 設(shè)計(jì)故障智能切除裝置

當(dāng)充電模塊故障問題出現(xiàn)后，通過智能切除裝置內(nèi)包含的電流互感器，采集故障電流。并通過計(jì)算機(jī)線路，完成測(cè)控裝置的再次判斷，從而啟動(dòng)跳閘部分，切除充電模塊中的故障部分。采用GSM或CDMA網(wǎng)絡(luò)，依托于遠(yuǎn)程無線傳輸模塊，將故障數(shù)據(jù)向調(diào)度指揮中心傳送。在調(diào)度指揮中心的作用下，終端控制端工控機(jī)獲取故障跳閘信息，具體的技術(shù)原理如圖2所示。

由圖2可知，故障智能切除裝置可以使得故障智能切除裝置具有很多功能：其一是智能監(jiān)控保護(hù)，通過充電模塊工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在故障出現(xiàn)時(shí)能快速、準(zhǔn)確完成判斷，并且完成自動(dòng)跳閘，智能切除故障；其二是“四遙”功能，將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的故障情況，向調(diào)度指揮中心端不斷傳輸。通過調(diào)度指揮中心，完成高壓斷路器的總體控制，并使控制系統(tǒng)完成參數(shù)采集和調(diào)節(jié)；其三是將遠(yuǎn)程操作、當(dāng)場(chǎng)操作相結(jié)合，保證故障智能切除裝置良好運(yùn)行。

圖2 故障智能切除裝置技術(shù)原理

1.3 實(shí)現(xiàn)故障切除遠(yuǎn)程控制

為了保證故障智能切除裝置具有遠(yuǎn)程控制的效果，在故障智能切除設(shè)計(jì)中包含兩個(gè)系統(tǒng)，分別是管理系統(tǒng)A和管理系統(tǒng)B。其中，系統(tǒng)A為變電站直流充放電系統(tǒng)，系統(tǒng)B則是以鐵路供電信息管理平臺(tái)為依據(jù)，包括數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)庫管理以及系統(tǒng)管理和服務(wù)、數(shù)據(jù)工程工具多個(gè)模塊工程。系統(tǒng)A與系統(tǒng)B相比，包含的模塊大部分相同，唯一差異是應(yīng)用模塊部分。通過GPRS網(wǎng)絡(luò)對(duì)故障切除系統(tǒng)進(jìn)行有效控制，從而達(dá)到故障切除的遠(yuǎn)程控制。操作人員面對(duì)變電站直流系統(tǒng)充電模塊中的故障問題，通過調(diào)度指揮中心完成控制完成故障智能切除，并將相關(guān)故障處理數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄匯總，以便后續(xù)的運(yùn)行維護(hù)。

2 試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

針對(duì)本文設(shè)計(jì)的故障智能切除控制技術(shù)，選擇某一變電站的直流系統(tǒng)充電模塊進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)過程的主要參數(shù)設(shè)置如表2所示。

試驗(yàn)中直流電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

表2 主要參數(shù)

圖3 直流電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

當(dāng)變電站直流系統(tǒng)充電模塊產(chǎn)生故障問題時(shí)，快速識(shí)別并定位，并通過結(jié)構(gòu)的切斷隔離，保證直流系統(tǒng)的正常運(yùn)行。在變電站直流系統(tǒng)充電模塊故障智能切除過程中，故障處理效果主要受到網(wǎng)絡(luò)傳輸性能的影響。通常情況下，對(duì)于直流系統(tǒng)運(yùn)行可靠性的判斷可以通過電量不足期望值(expected energy not supplied, EENS)指標(biāo)完成。獲得EENS指標(biāo)的與時(shí)延相關(guān)性曲線如圖4所示。

由圖4可知，隨著信息傳輸時(shí)延均值從50 ms開始，以10 ms的間距不斷遞增至100 ms，并且保持閾值不變。根據(jù)變化曲線可知，隨著延時(shí)的不斷增加，EENS值有所增長(zhǎng)，而系統(tǒng)可靠性反而越差。在同樣的試驗(yàn)環(huán)境下進(jìn)行測(cè)試，將三種技術(shù)的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，從而提升試驗(yàn)的科學(xué)性。

圖4 時(shí)延均值對(duì)EENS指標(biāo)的影響

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

利用本文設(shè)計(jì)的故障智能切除控制技術(shù)以及兩種傳統(tǒng)的控制技術(shù)，分別進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試。具體結(jié)果如圖5所示。

圖5 三種技術(shù)的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

由圖5可知，在1.52 s左右的變電站直流系統(tǒng)充電模塊中，分別應(yīng)用三種技術(shù)進(jìn)行故障智能切除處理，應(yīng)用本文設(shè)計(jì)的技術(shù)處理故障耗費(fèi)了0.08 s，而兩種傳統(tǒng)方法處理故障則分別耗費(fèi)了0.14 s、0.31 s。

對(duì)故障切除技術(shù)的處理性能進(jìn)行了研究。采用迭代試驗(yàn)獲取不同方法下故障處理平均耗時(shí)，得到結(jié)果如表3所示。

表3 三種故障切除技術(shù)耗費(fèi)時(shí)間對(duì)比

由表3可知，本文設(shè)計(jì)的技術(shù)可以將故障處理時(shí)間大幅降低，與等效模型技術(shù)和線路電流二階導(dǎo)數(shù)技術(shù)相比，分別將耗費(fèi)時(shí)間降低了52.27 ms、242.51 ms。綜上所述，本文設(shè)計(jì)的技術(shù)可以快速完成故障智能切除，從而提升變電站直流系統(tǒng)工作可靠性。

3 結(jié)束語

變電站正常運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，其可靠性取決于直流系統(tǒng)的安全性。充電模塊作為重要的組成部分之一，直接影響變電站運(yùn)行狀態(tài)。通過本文的研究，將充電模塊故障狀態(tài)準(zhǔn)確識(shí)別出來，并通過智能切除裝置完成故障有效處理。試驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)控制技術(shù)可以達(dá)到預(yù)期效果，使得充電模塊故障有效降低，并保證直流系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。