基于形态学梯度与FBC的HVDC输电网故障处理方法

刘洪亮, 杨俊, 韩舒, 司鑫尧

(1.南京远能电力工程有限公司,江苏 南京 210000;2.国网江苏省电力有限公司电力科学研究院,江苏 南京 211103)

0 引 言

随着分布式发电技术的兴起,基于电压源换流器(voltage source converters,VSC)的高压直流(high voltage direct current,HVDC)系统应运而生［1-2］。目前,最先进的VSC-HVDC传输是基于半桥模块化多电平换流器(modular multilevel converters,MMC)［3］进行的,但由于直流输电线路距离长、故障概率高,因此如何快速且有选择性地处理故障直流线路是亟待解决的问题［4］。

在快速清除故障线路中,直流断路器起着关键的作用［5］。由于换流器的故障阻塞和故障电流可控性,基于故障阻断换流器(fault blocking converter,FBC)的HVDC输电网能够利用直流断路器或直流高速开关(high-speed switches,HSS)作为线路末端的故障分离装置［6］。文献［7］研究了基于FBC保护系统设计的选择性故障控制策略可以缩短故障区分时间,但其未应用到完整电力系统中［8］。文献［9］分析了机械式直流断路器的电气特性,并且HSS能够显著降低对开关额定电压的要求。

由于故障初期直流线路两侧电流的波形变化能够用于故障处理［10］。因此,结合暂态波形特性,利用形态学梯度与FBC保护,提出了HVDC输电网直流故障处理方法。其中,采用结合滤波处理的形态学梯度算法进行故障电流信号特征提取,以克服噪音等因素的干扰,提高了特征提取的准确性;同时将FBC与高速开关结合,用于快速且选择性地清除直流线路上的故障,缩短故障处理的耗时。

1 基于形态学梯度的故障特征辨识

当发生直流故障时,线路两端的电流会出现上升或下降的波形变化。因此,利用数学形态学的多分辨形态梯度识别波形边缘,同时进行滤波操作以减少高频谐波与噪声的干扰。形态学滤波是由形态学开运算与闭运算组成的一类滤波方式,m、n的开运算(m∘n)和闭运算(m·n)为:

(1)

式中:(m⊕n)、(m⊗n)分别为元素n对数据m的膨胀与腐蚀。

(2)

式中:n+、n-分别为原点位置的右边和左边,依次用于识别故障电流的上升、下降边缘;α为形态学梯度的层数。

将整流侧和逆变侧的电流进行多分辨形态学梯度处理为:

(3)

式中:Wr为整流侧的计算值;Wi为逆变侧的计算值;OC(Ir)、OC(Ii)分别为整流侧和逆变侧的故障电流。Wr>0表示电流上升,Wi<0表示电流下降。

2 基于FBC的HVDC输电网故障处理

2.1 FBC控制理论

本文所提方法中使用的FBC为基于全桥子模块的模块化多电平换流器,因此,换流器可以在直流故障期间闭锁,并中断交流对直流系统的故障电流。具有故障闭锁和控制能力的FBC控制理论如图1所示,包括交流控制、直流控制和内部电流控制。

图1 故障阻断换流器控制理论

2.2 HVDC输电网故障处理

与普通换流器闭锁不同,大多数FBC在发生故障时可以通过调整直流输出电压以主动地将其直流电流调节为零。如果选择打开HSS,则有利于选择性地将通过HSS的故障电流控制为零。因此,HSS电流降低得更快,能更好地隔离故障线路。基于FBC和高速开关,并结合形态学梯度的HVDC输电网故障处理流程如图2所示。其中利用形态学梯度获得故障波形特征,并基于这一特征控制FBC和高速开关,实现直流故障处理。

图2 HVDC输电网故障处理流程

3 试验结果与分析

本文所提方法的HVDC输电网模型包括四个MMC、电缆和开关设备,以及代表输电网的500 kV交流电源和代表发电厂的70 kV交流电源,所有电源通过变压器连接到换流器。试验中的瞬态模拟均在PSCAD | EMTDC中进行,时间步长为Δt=25 μs。并且UFD由一个理想开关表示,如果流过装置的电流小于1 A,其接触电压小于5.2 kV,则开关中断。UFD的开启时间为3 ms,包括通信延迟。

3.1 抗噪音性能对比

为了论证所提方法抵抗噪音的能力,在故障电流的基础上施加白噪声与尖锐毛刺信号,并将所提方法和低通滤波用于处理叠加噪音后的整流侧和逆变侧原始电流信号,结果如图3所示。

图3 抗噪音性能对比

从图3(b)可以看出,低通滤波可以过滤一部分高频谐波与白噪声,但改变了原有的波形边缘特征,使其变得平滑,并且无法彻底滤除尖锐噪声产生的边缘信息,造成多分辨形态梯度的误判。从图3(c)可以看出,本文所提方法具有较理想的噪声滤除效果,无论是高频谐波、白噪声,还是由测量误差所带来的尖锐毛刺,并不会使原有波形特性发生变化,具备良好的抗噪能力。

3.2 故障处理时间和准确率的对比

将本文所提方法与文献［6］、文献［7］方法和文献［10］方法中的故障处理方法在时间和准确率两方面进行对比分析,结果如图4所示。

图4 故障处理时间和准确率对比

从图4可以看出,文献方法［6］提出的方法耗时多且准确率不高,文献方法［7］和文献方法［10］提出的方法耗时不多但准确率较低。而所提方法由于用形体学梯度算法处理后的故障信号触发故障闭锁装置和高速开关,其故障处理耗时少,仅为10 ms,且准确率较高,高达95%。

4 结束语

为实现快速且有选择性地处理HVDC输电网的直流故障,提出了基于形态学梯度与FBC的直流故障处理方法,并利用PSCAD | EMTDC模拟输电网模型在处理时间和准确率等方面对其性能进行了验证。利用多分辨形态学梯度算法能够较为准确地提取故障电流信号的上升与下降特征,并且故障闭锁装置大大降低了对直流电流中断能力的要求,实现了故障直流线路的快速分离,缩短了故障处理时间。但本文所提方法未考虑SSW电压、故障距离等因素的影响,因此,后期将针对更多的影响因素作进一步的研究,以全面评估所提方法的性能。