智能技術(shù)在特高壓換流站數(shù)字化管理中的研究

國家電網(wǎng)有限公司特高壓建設(shè)分公司 李 丹 周之皓 宋 濤 路 寧 北京道亨軟件股份有限公司 魏青松

隨著近年來新能源的不斷開發(fā)和應(yīng)用，在全國范圍內(nèi)加強(qiáng)了特高壓換流站的建設(shè)，對不同轉(zhuǎn)換電壓的輸電網(wǎng)架構(gòu)組建，需要從中設(shè)置定向管理方法，以保障多組運(yùn)行設(shè)備的穩(wěn)定[1]。在現(xiàn)階段變換站的管理方式中，主要以動態(tài)無功補(bǔ)償?shù)姆绞竭M(jìn)行支撐，以此一次變換站交流系統(tǒng)的功率轉(zhuǎn)換，但由于該補(bǔ)償模式的響應(yīng)的時間過長，在長時間的低頻振動中會產(chǎn)生不同程度的噪聲信號，影響輸電工程的轉(zhuǎn)換任務(wù)[2]。

1 智能技術(shù)在特高壓換流站數(shù)字化管理中的應(yīng)用方法

1.1 構(gòu)建特高壓交流站濾波數(shù)字模型

特高壓換流站中采用的為串聯(lián)組濾波形式，以換流變壓器和脈動組作為基礎(chǔ)，進(jìn)行多個觸發(fā)控制器的電流交換[3]。換流站包括兩個功能組成結(jié)構(gòu)，其一是整流站將交流電變換為直流電，其二是逆變站將直流電轉(zhuǎn)化為交流電。通過特高壓換流站的功能結(jié)構(gòu)分析，建立一個濾波數(shù)字模型，以此確認(rèn)不同轉(zhuǎn)換狀態(tài)下兩組電流的變化模式[4]。

在換流站中的整流站在接收到交流電后，將其轉(zhuǎn)化為高壓直流電，然后在通過直流輸入線路傳入至逆變站，最后在逆變站中將其轉(zhuǎn)換為工頻交流電，用于各組電路的負(fù)荷使用。為準(zhǔn)確地了解特高壓換流站中電流的轉(zhuǎn)換形式，結(jié)合其站內(nèi)變壓器的設(shè)計結(jié)構(gòu)，以單相雙繞的組合變壓器進(jìn)行模型構(gòu)建，以此考慮變換線路中國濾波的產(chǎn)生情況，具體數(shù)字模型的組成結(jié)構(gòu)，如下圖1所示。

圖1 數(shù)字模型濾波串聯(lián)結(jié)構(gòu)

根據(jù)圖中內(nèi)容所示，在換流濾波數(shù)字模型中分為兩組電路形式，以磁路和電路兩個部分組成，在線路中包含繞組電阻，分別用rp和rq來表示，繞組中的磁路長路用k來表示，電路通過的有效截取面積用y來表示。以兩條線路的正方向變換過程，得出濾波變化方程，表達(dá)式為：

公式中：高壓交流繞組的兩側(cè)匝數(shù)分別用gp和gq來表示；其中變壓器中包含鐵芯的磁感強(qiáng)度，用i來表示；該鐵芯的磁場強(qiáng)度和磁通數(shù)值用t和j來表示；通過繞組的兩側(cè)感應(yīng)電勢分別用hp和hq來表示。在模型中完成電流轉(zhuǎn)換，通過磁通將變量串聯(lián)，以此描述交流過程中產(chǎn)生的噪聲特征。

1.2 基于智能技術(shù)描述換流噪聲特征

以設(shè)置的特高壓交流站濾波數(shù)字模型為基礎(chǔ)，能夠?qū)ζ洚a(chǎn)生的信號數(shù)據(jù)進(jìn)行測量和分析，直接從主站內(nèi)獲取戶外的換流信號。由于換流所用的設(shè)備發(fā)揮作用不同，其振動產(chǎn)生的噪聲強(qiáng)度和頻率均不一致，采用智能技術(shù)進(jìn)行特征分析，能夠快速的掌握不同設(shè)備中產(chǎn)生的交流噪聲。特高壓換流站中不同設(shè)備類型，產(chǎn)生的噪聲特征對交換過程的影響也不一致，在55-100dB的強(qiáng)度下，能夠確定此時設(shè)備會存在出現(xiàn)故障的可能性。

選擇多個交流變換濾波器產(chǎn)生的噪聲頻譜進(jìn)行分信息，設(shè)置多個交流濾波測試點(diǎn)，圍繞交流濾波器進(jìn)行布置，以水平和垂直距離均相距0.5米的點(diǎn)位劃分，至少設(shè)置20個監(jiān)測點(diǎn)位，完成噪聲測點(diǎn)的信號選擇，以描述其換流特征，具體布局如下圖2所示。

圖2 交流濾波器組智能監(jiān)測點(diǎn)位設(shè)置

根據(jù)圖中內(nèi)容所示，利用智能技術(shù)進(jìn)行噪聲頻率描述時，其測量點(diǎn)位的選擇為主要影響因素，在各個點(diǎn)位中按照順序，在交流濾波器組中呈現(xiàn)逆時針排列。以同等間距下產(chǎn)生的噪聲特征來看，距離交流蓋亞容器越近的測量點(diǎn)，產(chǎn)生的噪聲頻譜值越大，以此可以確定在其附近產(chǎn)生的噪聲信號分量越大，距離電阻較近的檢測點(diǎn)位產(chǎn)生的頻率值較小，此刻產(chǎn)生的噪聲信號分量就越小。而受噪聲信號影響對設(shè)備產(chǎn)生溫度變化，形成換流的任務(wù)設(shè)備會產(chǎn)生超高溫度，造成設(shè)備的故障，采用同相位對比方法進(jìn)行判斷，完成特高壓換流站的狀態(tài)數(shù)字化管理。

1.3 同相對比法數(shù)字化管理換流狀態(tài)

當(dāng)特高壓換流站出現(xiàn)噪聲信號后，容易造成設(shè)備的故障，影響輸電工作的交換效果，一般情況下會通過設(shè)備的溫度變化判斷設(shè)備故障，通過其與正常運(yùn)行溫度的比較，判斷該線路中是否出現(xiàn)噪聲信號。溫度閾值的評判方法比較簡單，基本上溫度超過運(yùn)行的最高閾值，則表示設(shè)備出現(xiàn)故障，但通過該方法智能在溫度超高的情況下進(jìn)行判斷，在設(shè)備出現(xiàn)嚴(yán)重故障時才能發(fā)現(xiàn)，對交換任務(wù)的可靠保證較低。

選擇同相位對比方法，進(jìn)行其交換電流的設(shè)備管理，以同時出現(xiàn)的Q和W以及E三個相位進(jìn)行運(yùn)行管理，保證三組運(yùn)行設(shè)備同時保持在平衡狀態(tài)，以此具備相同的溫度狀態(tài)信息。某一相位發(fā)生故障時，可以通過對比其他兩個相位的運(yùn)行的溫度，可以完成設(shè)備故障的判斷，將疑似故障點(diǎn)的溫度進(jìn)行正常比較。

設(shè)置同相位組的設(shè)備正常點(diǎn)溫度為a，監(jiān)測點(diǎn)的異常溫度為b，在電流交換過程中所處的環(huán)境溫度溫度為c，以兩者進(jìn)行對比計算，溫差的對比值用Z表示，表達(dá)式為：

公式中：其中相位Q的溫度對比值用Z(Q)，相位W的溫度對比值用Z(W)來表示，相位Z(Q)的溫度對比值用來表示。Q相位的監(jiān)測點(diǎn)和正常點(diǎn)溫度表示為Qa和Qb，W相位的監(jiān)測點(diǎn)和正常點(diǎn)溫度表示為Wa和Wb，E相位的監(jiān)測點(diǎn)和正常點(diǎn)溫度表示為Ea和Eb。

通過對檢測點(diǎn)接觸到的交換電壓，與實(shí)際設(shè)備運(yùn)行的溫度差別，能夠快速的發(fā)現(xiàn)同相位設(shè)備中的故障問題，完成數(shù)字化管理。至此在構(gòu)建高壓交流站濾波數(shù)字模型的基礎(chǔ)上，基于智能技術(shù)描述噪聲特征，以此確定交換電流中的故障信號，完成特高壓換流站的數(shù)字化管理方法設(shè)計。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為驗(yàn)證此次設(shè)計的應(yīng)用方法具有實(shí)際效果，能夠?qū)μ馗邏簱Q流站進(jìn)行數(shù)字化管理，采用實(shí)驗(yàn)測試的方法進(jìn)行論證。實(shí)驗(yàn)主要目的為檢驗(yàn)本文方法在輸電工程轉(zhuǎn)換任務(wù)中，是否能夠?qū)霈F(xiàn)噪聲信號進(jìn)行標(biāo)記，降低設(shè)備的轉(zhuǎn)換結(jié)果，保證輸電工程內(nèi)的各組設(shè)備正常運(yùn)行。

以某省±1000kV的特高壓交流站作為測試對象，在其標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行過程中采集多天內(nèi)的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，分別統(tǒng)計直流電與交流電的電壓幅值。其中若出現(xiàn)噪聲信號，兩種電壓模式會出現(xiàn)融合，在后續(xù)輸出過程中會無法進(jìn)行轉(zhuǎn)換，出現(xiàn)設(shè)備故障。根據(jù)該交流站運(yùn)行設(shè)備產(chǎn)生的故障時段，進(jìn)行電壓數(shù)據(jù)的采集和整理，具體數(shù)據(jù)如下表1所示。

表1 某省±1000kV的特高壓交流站電壓數(shù)據(jù)（kV）

根據(jù)表中內(nèi)容所示，在兩天的換流站運(yùn)行過程中，直流電和交流電的電壓情況不同，隨著運(yùn)行時間的增加兩種電壓換流幅值均有所增長。其中在直流母線中的換流電壓達(dá)到760kV時，會出現(xiàn)與交流單相相容的情況，其電壓的幅值不再產(chǎn)生變化。交流單相則在650kV狀態(tài)下，會出現(xiàn)融合狀態(tài)，導(dǎo)致兩種電流形式無法完成正常轉(zhuǎn)換，以表示在其中存在噪聲信號。

通過MATLAB測試平臺導(dǎo)入以上數(shù)據(jù)，按照電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換模擬，引入原有方法進(jìn)行對比，分別采用本文方法和原有方法進(jìn)行管理。實(shí)驗(yàn)共分為兩個部分：第一部分為測試本文方法的有效性，即在兩組電壓數(shù)據(jù)中是否能夠完成電壓轉(zhuǎn)換，其兩組線路不會出現(xiàn)相容狀態(tài)。第二部分測試管理后的電壓情況，保證兩種電壓交換中均能夠不產(chǎn)生高壓幅值，保障設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。首先進(jìn)行特電壓換流模擬，以兩種管理方法接入至測試平臺，分別對選擇的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，具體結(jié)果如下圖3所示。

圖3 不同方法下轉(zhuǎn)換電壓任務(wù)的管理效果

根據(jù)圖中內(nèi)容可知，在本文方法的應(yīng)用下，能夠保證兩組電壓的相互轉(zhuǎn)換，其直流母線和交流單相的電壓幅值遠(yuǎn)低于融合幅值，可以保證輸電工程的任務(wù)正常進(jìn)行。而原有方法在管理過程中，直流母線中出現(xiàn)了融合電壓的情況，表示在其轉(zhuǎn)換過程中會出現(xiàn)噪聲情況，影響輸電工程的轉(zhuǎn)換任務(wù)，且該融合電壓在后續(xù)運(yùn)行階段中，一直處于不變狀態(tài)，會造成設(shè)備的故障。綜合結(jié)果表明：本次設(shè)計的應(yīng)用方法，能夠在換流站的交換任務(wù)中，維持直流電壓和交流電壓的轉(zhuǎn)換幅值，保證設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，具有實(shí)際應(yīng)用效果。

為進(jìn)一步驗(yàn)證本文方法的有效性，是否能夠在多次交換任務(wù)中，均不會出現(xiàn)噪聲現(xiàn)象，以直流電壓650kV和交流電壓550kV為例，進(jìn)行1000次的交換模擬。以中噪聲信號出現(xiàn)的頻率作為測試條件，頻率為噪聲信號在總交換次數(shù)中出現(xiàn)的百分比，具體計算方式如下：

公式中：電壓交換的總體次數(shù)用FDS來表示，此次設(shè)計的總數(shù)為1000次，出現(xiàn)噪聲的次數(shù)用DAS來表示，噪聲出現(xiàn)的頻率用ASS來表示。設(shè)定頻率小于0.1%為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，不會影響輸電工程的交換任務(wù)，具體模擬測試結(jié)果，如下表2所示。

表2 不同方法下噪聲信號出現(xiàn)次數(shù)及頻率（次、%）

根據(jù)表中內(nèi)容所示，在本文方法應(yīng)用下，當(dāng)交換次數(shù)設(shè)置為1000組時，基本上出現(xiàn)噪聲的次數(shù)不超過15次，計算得出的頻率平均為0.008%，遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)范圍。而原有方法下產(chǎn)生的噪聲次數(shù)較多，噪聲頻率平均為0.13%，高于標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，會影響輸電工程的電壓交換任務(wù)。綜合結(jié)果可知：本文設(shè)計的方法能夠擬補(bǔ)原有方法的不足，在特高壓交流站進(jìn)行輸電工程任務(wù)時，減少噪聲信號出現(xiàn)的次數(shù)，保證設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，能夠大范圍地進(jìn)行推廣應(yīng)用。

本文在分析原有管理方式不足的前提下，對智能技術(shù)進(jìn)行引入，設(shè)計一個新的特高壓換流站數(shù)字管理方法，保障輸電工程的轉(zhuǎn)換任務(wù)進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在選擇的特高壓交流站中，以1000次的直流電交流電模擬測試，本文方法均能夠保證任務(wù)的正常轉(zhuǎn)換，出現(xiàn)噪聲的頻率小于1%，具有實(shí)際應(yīng)用效果。但由于時間有限，在測試環(huán)節(jié)中選定的數(shù)據(jù)樣本過少，所得結(jié)論具有一定偏差性，存在不足之處。后續(xù)研究中會根據(jù)實(shí)際需要，選擇不同形式的高壓交流模式，用于直流電和交流電的轉(zhuǎn)換管理，為輸電工作的穩(wěn)定運(yùn)行提供理論支持。