智能技术在特高压换流站数字化管理中的研究
2022-04-08国家电网有限公司特高压建设分公司周之皓北京道亨软件股份有限公司魏青松
国家电网有限公司特高压建设分公司 李 丹 周之皓 宋 涛 路 宁 北京道亨软件股份有限公司 魏青松
随着近年来新能源的不断开发和应用,在全国范围内加强了特高压换流站的建设,对不同转换电压的输电网架构组建,需要从中设置定向管理方法,以保障多组运行设备的稳定[1]。在现阶段变换站的管理方式中,主要以动态无功补偿的方式进行支撑,以此一次变换站交流系统的功率转换,但由于该补偿模式的响应的时间过长,在长时间的低频振动中会产生不同程度的噪声信号,影响输电工程的转换任务[2]。
1 智能技术在特高压换流站数字化管理中的应用方法
1.1 构建特高压交流站滤波数字模型
特高压换流站中采用的为串联组滤波形式,以换流变压器和脉动组作为基础,进行多个触发控制器的电流交换[3]。换流站包括两个功能组成结构,其一是整流站将交流电变换为直流电,其二是逆变站将直流电转化为交流电。通过特高压换流站的功能结构分析,建立一个滤波数字模型,以此确认不同转换状态下两组电流的变化模式[4]。
在换流站中的整流站在接收到交流电后,将其转化为高压直流电,然后在通过直流输入线路传入至逆变站,最后在逆变站中将其转换为工频交流电,用于各组电路的负荷使用。为准确地了解特高压换流站中电流的转换形式,结合其站内变压器的设计结构,以单相双绕的组合变压器进行模型构建,以此考虑变换线路中国滤波的产生情况,具体数字模型的组成结构,如下图1所示。
图1 数字模型滤波串联结构
根据图中内容所示,在换流滤波数字模型中分为两组电路形式,以磁路和电路两个部分组成,在线路中包含绕组电阻,分别用rp和rq来表示,绕组中的磁路长路用k来表示,电路通过的有效截取面积用y来表示。以两条线路的正方向变换过程,得出滤波变化方程,表达式为:
公式中:高压交流绕组的两侧匝数分别用gp和gq来表示;其中变压器中包含铁芯的磁感强度,用i来表示;该铁芯的磁场强度和磁通数值用t和j来表示;通过绕组的两侧感应电势分别用hp和hq来表示。在模型中完成电流转换,通过磁通将变量串联,以此描述交流过程中产生的噪声特征。
1.2 基于智能技术描述换流噪声特征
以设置的特高压交流站滤波数字模型为基础,能够对其产生的信号数据进行测量和分析,直接从主站内获取户外的换流信号。由于换流所用的设备发挥作用不同,其振动产生的噪声强度和频率均不一致,采用智能技术进行特征分析,能够快速的掌握不同设备中产生的交流噪声。特高压换流站中不同设备类型,产生的噪声特征对交换过程的影响也不一致,在55-100dB的强度下,能够确定此时设备会存在出现故障的可能性。
选择多个交流变换滤波器产生的噪声频谱进行分信息,设置多个交流滤波测试点,围绕交流滤波器进行布置,以水平和垂直距离均相距0.5米的点位划分,至少设置20个监测点位,完成噪声测点的信号选择,以描述其换流特征,具体布局如下图2所示。
图2 交流滤波器组智能监测点位设置
根据图中内容所示,利用智能技术进行噪声频率描述时,其测量点位的选择为主要影响因素,在各个点位中按照顺序,在交流滤波器组中呈现逆时针排列。以同等间距下产生的噪声特征来看,距离交流盖亚容器越近的测量点,产生的噪声频谱值越大,以此可以确定在其附近产生的噪声信号分量越大,距离电阻较近的检测点位产生的频率值较小,此刻产生的噪声信号分量就越小。而受噪声信号影响对设备产生温度变化,形成换流的任务设备会产生超高温度,造成设备的故障,采用同相位对比方法进行判断,完成特高压换流站的状态数字化管理。
1.3 同相对比法数字化管理换流状态
当特高压换流站出现噪声信号后,容易造成设备的故障,影响输电工作的交换效果,一般情况下会通过设备的温度变化判断设备故障,通过其与正常运行温度的比较,判断该线路中是否出现噪声信号。温度阈值的评判方法比较简单,基本上温度超过运行的最高阈值,则表示设备出现故障,但通过该方法智能在温度超高的情况下进行判断,在设备出现严重故障时才能发现,对交换任务的可靠保证较低。
选择同相位对比方法,进行其交换电流的设备管理,以同时出现的Q和W以及E三个相位进行运行管理,保证三组运行设备同时保持在平衡状态,以此具备相同的温度状态信息。某一相位发生故障时,可以通过对比其他两个相位的运行的温度,可以完成设备故障的判断,将疑似故障点的温度进行正常比较。
设置同相位组的设备正常点温度为a,监测点的异常温度为b,在电流交换过程中所处的环境温度温度为c,以两者进行对比计算,温差的对比值用Z表示,表达式为:
公式中:其中相位Q的温度对比值用Z(Q),相位W的温度对比值用Z(W)来表示,相位Z(Q)的温度对比值用来表示。Q相位的监测点和正常点温度表示为Qa和Qb,W相位的监测点和正常点温度表示为Wa和Wb,E相位的监测点和正常点温度表示为Ea和Eb。
通过对检测点接触到的交换电压,与实际设备运行的温度差别,能够快速的发现同相位设备中的故障问题,完成数字化管理。至此在构建高压交流站滤波数字模型的基础上,基于智能技术描述噪声特征,以此确定交换电流中的故障信号,完成特高压换流站的数字化管理方法设计。
2 实验结果与分析
为验证此次设计的应用方法具有实际效果,能够对特高压换流站进行数字化管理,采用实验测试的方法进行论证。实验主要目的为检验本文方法在输电工程转换任务中,是否能够对会出现噪声信号进行标记,降低设备的转换结果,保证输电工程内的各组设备正常运行。
以某省±1000kV的特高压交流站作为测试对象,在其标准运行过程中采集多天内的转换数据,分别统计直流电与交流电的电压幅值。其中若出现噪声信号,两种电压模式会出现融合,在后续输出过程中会无法进行转换,出现设备故障。根据该交流站运行设备产生的故障时段,进行电压数据的采集和整理,具体数据如下表1所示。
表1 某省±1000kV的特高压交流站电压数据(kV)
根据表中内容所示,在两天的换流站运行过程中,直流电和交流电的电压情况不同,随着运行时间的增加两种电压换流幅值均有所增长。其中在直流母线中的换流电压达到760kV时,会出现与交流单相相容的情况,其电压的幅值不再产生变化。交流单相则在650kV状态下,会出现融合状态,导致两种电流形式无法完成正常转换,以表示在其中存在噪声信号。
通过MATLAB测试平台导入以上数据,按照电压数据进行转换模拟,引入原有方法进行对比,分别采用本文方法和原有方法进行管理。实验共分为两个部分:第一部分为测试本文方法的有效性,即在两组电压数据中是否能够完成电压转换,其两组线路不会出现相容状态。第二部分测试管理后的电压情况,保证两种电压交换中均能够不产生高压幅值,保障设备的稳定运行。首先进行特电压换流模拟,以两种管理方法接入至测试平台,分别对选择的样本数据进行管理,具体结果如下图3所示。
图3 不同方法下转换电压任务的管理效果
根据图中内容可知,在本文方法的应用下,能够保证两组电压的相互转换,其直流母线和交流单相的电压幅值远低于融合幅值,可以保证输电工程的任务正常进行。而原有方法在管理过程中,直流母线中出现了融合电压的情况,表示在其转换过程中会出现噪声情况,影响输电工程的转换任务,且该融合电压在后续运行阶段中,一直处于不变状态,会造成设备的故障。综合结果表明:本次设计的应用方法,能够在换流站的交换任务中,维持直流电压和交流电压的转换幅值,保证设备的稳定运行,具有实际应用效果。
为进一步验证本文方法的有效性,是否能够在多次交换任务中,均不会出现噪声现象,以直流电压650kV和交流电压550kV为例,进行1000次的交换模拟。以中噪声信号出现的频率作为测试条件,频率为噪声信号在总交换次数中出现的百分比,具体计算方式如下:
公式中:电压交换的总体次数用FDS来表示,此次设计的总数为1000次,出现噪声的次数用DAS来表示,噪声出现的频率用ASS来表示。设定频率小于0.1%为标准状态,不会影响输电工程的交换任务,具体模拟测试结果,如下表2所示。
表2 不同方法下噪声信号出现次数及频率(次、%)
根据表中内容所示,在本文方法应用下,当交换次数设置为1000组时,基本上出现噪声的次数不超过15次,计算得出的频率平均为0.008%,远低于标准范围。而原有方法下产生的噪声次数较多,噪声频率平均为0.13%,高于标准状态,会影响输电工程的电压交换任务。综合结果可知:本文设计的方法能够拟补原有方法的不足,在特高压交流站进行输电工程任务时,减少噪声信号出现的次数,保证设备的稳定运行,能够大范围地进行推广应用。
本文在分析原有管理方式不足的前提下,对智能技术进行引入,设计一个新的特高压换流站数字管理方法,保障输电工程的转换任务进行。实验结果表明:在选择的特高压交流站中,以1000次的直流电交流电模拟测试,本文方法均能够保证任务的正常转换,出现噪声的频率小于1%,具有实际应用效果。但由于时间有限,在测试环节中选定的数据样本过少,所得结论具有一定偏差性,存在不足之处。后续研究中会根据实际需要,选择不同形式的高压交流模式,用于直流电和交流电的转换管理,为输电工作的稳定运行提供理论支持。