本發(fā)明屬于電氣工程，特別涉及一種upfc子模塊故障快速切除方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、統(tǒng)一潮流控制器(unified?power?flow?controller，upfc)作為柔性交流輸電系統(tǒng)中功能最全面的裝置，能夠獨(dú)立調(diào)節(jié)線路有功、無功功率及節(jié)點(diǎn)電壓，提升電網(wǎng)輸電能力與穩(wěn)定性。然而，其復(fù)雜的子模塊結(jié)構(gòu)和高頻次動(dòng)作特性使得控保策略的設(shè)計(jì)面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，尤其在故障快速辨識(shí)與動(dòng)態(tài)響應(yīng)方面存在技術(shù)瓶頸。

2、現(xiàn)有upfc工程多采用在系統(tǒng)層面的復(fù)雜冗余配置保護(hù)策略，通過增加大量冗余配備并行運(yùn)行，通過“三取二”邏輯提高可靠性；然而，此類方案通常定位系統(tǒng)層級(jí)控保策略，需要大量經(jīng)濟(jì)投入建設(shè)，且其采用的靜態(tài)優(yōu)先級(jí)仲裁在多故障并發(fā)時(shí)易因邏輯沖突導(dǎo)致響應(yīng)延遲，難以滿足復(fù)雜故障場(chǎng)景需求；專利cn118885879a提出了基于小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的upfc設(shè)備故障預(yù)測(cè)方法，包括：定義統(tǒng)一潮流控制器的故障變量；對(duì)故障變量進(jìn)行分類，并定義用于設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障預(yù)測(cè)的數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)；獲取統(tǒng)一潮流控制器的各個(gè)節(jié)點(diǎn)的信號(hào)數(shù)據(jù)，進(jìn)行濾波、a/d轉(zhuǎn)換后對(duì)其分類編碼；采用小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建設(shè)備故障預(yù)測(cè)模型；將實(shí)時(shí)信號(hào)數(shù)據(jù)輸入到訓(xùn)練好的設(shè)備故障預(yù)測(cè)模型，得到設(shè)備故障預(yù)測(cè)模型輸出的設(shè)備狀態(tài)預(yù)測(cè)結(jié)果；根據(jù)設(shè)備狀態(tài)預(yù)測(cè)結(jié)果，判斷有無設(shè)備故障；對(duì)預(yù)測(cè)得到的設(shè)備故障發(fā)出故障預(yù)警信號(hào)，但是單獨(dú)故障仍需要訓(xùn)練，處理低效；且只能診斷和預(yù)測(cè)，沒有后續(xù)故障處理方法，處理優(yōu)先級(jí)判定等等，且對(duì)象是系統(tǒng)整體和閥級(jí)別，不涉及子模塊。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明提供了一種upfc子模塊故障快速切除方法及系統(tǒng)，通過電路本征建模與過濾瞬態(tài)干擾，結(jié)合bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提升復(fù)合故障診斷精度，并引入動(dòng)態(tài)權(quán)重分配優(yōu)化故障仲裁邏輯，實(shí)現(xiàn)多故障場(chǎng)景下的快速切除。相較現(xiàn)有技術(shù)，其在響應(yīng)速度、診斷精度及系統(tǒng)適應(yīng)性方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。

2、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案：

3、本發(fā)明的第一方面提出了一種upfc子模塊故障快速切除方法，其特征在于，包括：

4、進(jìn)行upfc子模塊電路本征建模，根據(jù)建模并基于upfc子模塊控制策略計(jì)算直流母線電壓、交流端口電流和igbt結(jié)溫度；

5、通過實(shí)時(shí)采集的直流母線電壓、交流端口電流和igbt結(jié)溫度和其對(duì)應(yīng)的計(jì)算值，計(jì)算直流母線電壓、交流端口電流和igbt結(jié)溫度的絕對(duì)值殘差；每個(gè)upfc子模塊的所有igbt位于同一個(gè)基板上，測(cè)量的igbt結(jié)溫度為該基板溫度；

6、根據(jù)絕對(duì)值殘差判斷是否存在異常，若存在異常，則獲取電路故障本征參數(shù)，將電路故障本征參數(shù)與預(yù)設(shè)的異常特征庫進(jìn)行匹配，并根據(jù)匹配結(jié)果進(jìn)行多層級(jí)故障篩選識(shí)別；

7、設(shè)定靜態(tài)優(yōu)先級(jí)，并結(jié)合采集的直流母線電壓、交流端口電流或igbt結(jié)溫度計(jì)算動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)；所述靜態(tài)優(yōu)先級(jí)為同一個(gè)子模塊不同故障類型的優(yōu)先級(jí)，動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)為不同子模塊的不同故障類型的優(yōu)先級(jí)；

8、根據(jù)動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)，對(duì)不同子模塊的不同故障類型采取對(duì)應(yīng)的故障切除。

9、優(yōu)選地，根據(jù)upfc子模塊電路本征建模和upfc子模塊控制策略，建立直流母線電壓、交流端口電流和igbt結(jié)溫度的數(shù)學(xué)公式：

10、

11、上式中，為 t時(shí)刻的直流母線電壓計(jì)算值，為 t時(shí)刻的交流端口電流計(jì)算值，為 t時(shí)刻的igbt結(jié)溫度計(jì)算值， sbridge為橋臂的開關(guān)管切換函數(shù)； idc為直流側(cè)輸入到三相橋臂的直流電流之和； ω1為交流側(cè)電壓角頻率； is和分別為upfc中換流器交流側(cè)電流幅值與相位； mis/4、分別為環(huán)流二次諧波的幅值與相位； m為調(diào)制比，為子模塊的開關(guān)管切換函數(shù)， c為直流母線電容，為直流母線電壓，為upfc中換流器橋臂子模塊數(shù)量，為直流母線電容等效串聯(lián)電阻， ta( t)為測(cè)量獲得的 t時(shí)刻的igbt基板溫度， pthigbt為igbt熱損耗， zthigbt為igbt熱阻網(wǎng)絡(luò)。

12、優(yōu)選地，橋臂的開關(guān)管切換函數(shù) sbridge和子模塊的開關(guān)管切換函數(shù)通過upfc子模塊采用的控制策略獲得，upfc子模塊采用的控制策略包括子模塊均壓控制策略和二倍頻環(huán)流抑制策略；其中二倍頻環(huán)流抑制策略通過載波移項(xiàng)位調(diào)制輸出調(diào)制波。

13、優(yōu)選地，所述根據(jù)絕對(duì)值殘差判斷是否存在異常，具體為：

14、用設(shè)定的采樣窗口記錄采集的直流母線電壓、交流端口電流和igbt結(jié)溫度每個(gè)采樣點(diǎn)的絕對(duì)值殘差，并計(jì)算直流母線電壓、交流端口電流或igbt結(jié)溫度的每個(gè)采樣窗口的所有絕對(duì)值殘差的均值與標(biāo)準(zhǔn)差；

15、若存在采樣點(diǎn)的直流母線電壓、交流端口電流或igbt結(jié)溫度的絕對(duì)值殘差與其對(duì)應(yīng)的采樣窗口的直流母線電壓測(cè)量值、交流端口電流測(cè)量值或igbt結(jié)溫度測(cè)量值的均值之間差值的絕對(duì)值大于3倍的對(duì)應(yīng)的采樣窗口的直流母線電壓測(cè)量值、交流端口電流測(cè)量值或igbt結(jié)溫度測(cè)量值的標(biāo)準(zhǔn)差，則判斷upfc子模塊異常。

16、優(yōu)選地，所述電路故障本征參數(shù)包括直流母線電壓測(cè)量值、直流母線電壓偏差率、交流端口電流測(cè)量值、交流端口電流變化率 diarm/ dt、igbt結(jié)溫度測(cè)量值和igbt結(jié)溫梯度 dtj/ dt；

17、其中直流母線電壓偏差率 dvruc、交流端口電流變化率 diarm/ dt、igbt結(jié)溫梯度 dtj/ dt計(jì)算公式為：

18、

19、上式中， uc,m( t)為 t時(shí)刻直流母線電壓測(cè)量值，為 t時(shí)刻的直流母線電壓的計(jì)算值， uc,rated為直流母線電壓額定值， iarm,m( t)、 iarm,m( t-1)分別為 t、 t-1時(shí)刻交流端口電流測(cè)量值， tj,m( t)、 tj,m( t-1)分別為 t、 t-1時(shí)刻igbt結(jié)溫度測(cè)量值，為設(shè)定的采樣窗口。

20、優(yōu)選地，所述將電路故障本征參數(shù)與預(yù)設(shè)的異常特征庫進(jìn)行匹配，并根據(jù)匹配結(jié)果進(jìn)行多層級(jí)故障篩選識(shí)別，具體為：

21、先進(jìn)行第一層故障篩選，記錄判斷異常后的一個(gè)采樣窗口內(nèi)的電路故障本征參數(shù)，將其中的直流母線電壓、直流母線電壓偏差率、交流端口電流組成向量，計(jì)算其與預(yù)設(shè)的異常特征庫中的各種故障對(duì)應(yīng)的第一異常參考向量的余弦相似度，若存在余弦相似度大于設(shè)定的第一閾值時(shí)，則認(rèn)為存在對(duì)應(yīng)的故障；若所有余弦相似度均小于等于第一閾值大于第二閾值，則使用第二層故障篩選；若所有余弦相似度均小于等于第二閾值，則使用第三層故障篩選；

22、第二層故障篩選為擴(kuò)寬采樣窗口，并將所有電路故障本征參數(shù)組成向量，計(jì)算其與預(yù)設(shè)的異常特征庫中的各種故障對(duì)應(yīng)的第二異常參考向量的余弦相似度，若存在該余弦相似度大于設(shè)定的第一閾值，則認(rèn)為存在對(duì)應(yīng)的故障；

23、第三層故障篩選為將相鄰模塊的電路故障本征參數(shù)輸入預(yù)訓(xùn)練好的bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，輸出各個(gè)故障的概率；若有概率超過設(shè)定的第三閾值，則認(rèn)為存在對(duì)應(yīng)的故障；

24、所述各種故障對(duì)應(yīng)的第一異常參考向量為各種故障發(fā)生后的一個(gè)設(shè)定的采樣窗口內(nèi)的直流母線電壓、直流母線電壓偏差率、交流端口電流的歷史數(shù)據(jù)組成的向量；所述各種故障對(duì)應(yīng)的第二異常參考向量為通過歷史數(shù)據(jù)得到的各種故障發(fā)生后的擴(kuò)寬的采樣窗口內(nèi)的所有電路故障本征參數(shù)的歷史數(shù)據(jù)組成的向量。

25、優(yōu)選地，電容過壓故障、igbt短路故障、igbt過熱故障的靜態(tài)優(yōu)先級(jí)分別設(shè)定為80、70、60。

26、優(yōu)選地，所述計(jì)算動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)，具體為：

27、

28、上式中， pstatic為設(shè)定的靜態(tài)優(yōu)先級(jí)， α、 β和 γ分別為直流母線電壓、igbt結(jié)溫度和交流端口電流權(quán)重系數(shù)， uc,m( t)為 t時(shí)刻直流母線電壓測(cè)量值， uc,rated為直流母線電壓額定值，為 t時(shí)刻igbt結(jié)溫度測(cè)量值，為igbt結(jié)溫度最大值，為 t時(shí)刻交流端口電流測(cè)量值、為交流端口電流最大值。

29、優(yōu)選地，所述根據(jù)動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)，對(duì)不同故障類型采取對(duì)應(yīng)的故障切除，具體為：

30、當(dāng)發(fā)生單一故障時(shí)，若為igbt短路故障，則閉鎖子模塊驅(qū)動(dòng)并觸發(fā)旁路開關(guān)，投入冗余模塊運(yùn)行；若為電容過壓故障，則切除故障模塊并投入冗余單元，通過調(diào)制控制算法維持橋臂電平輸出穩(wěn)定；若為igbt過熱故障，則切冗余單元運(yùn)行或降低子模塊出力；

31、若發(fā)生多種故障，則按照動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)從高到低生成切除序列，按序隔離故障子模塊并投入冗余模塊使用，當(dāng)冗余模塊不足時(shí)觸發(fā)換流器緊急停運(yùn)。

32、本發(fā)明的第二方面提供了一種使用本發(fā)明第一方面所述方法的一種upfc子模塊故障快速切除系統(tǒng)，包括電路物理本征建模模塊、異常狀態(tài)辨識(shí)模塊、故障處理模塊，其特征在于：

33、電路物理本征建模模塊：用于進(jìn)行upfc子模塊電路本征建模，計(jì)算直流母線電壓、交流端口電流和igbt結(jié)溫度；

34、異常狀態(tài)辨識(shí)模塊：用于通過實(shí)時(shí)采集的直流母線電壓、交流端口電流和igbt結(jié)溫度和其對(duì)應(yīng)的計(jì)算值，計(jì)算直流母線電壓、交流端口電流和igbt結(jié)溫度的絕對(duì)值殘差；每個(gè)upfc子模塊的所有igbt位于同一個(gè)基板上，測(cè)量的igbt結(jié)溫度為該基板溫度；根據(jù)絕對(duì)值殘差判斷是否存在異常，若存在異常，則獲取電路故障本征參數(shù)，將電路故障本征參數(shù)與預(yù)設(shè)的異常特征庫進(jìn)行匹配，并根據(jù)匹配結(jié)果進(jìn)行多層級(jí)故障篩選識(shí)別；

35、故障處理模塊：用于設(shè)定靜態(tài)優(yōu)先級(jí)，并結(jié)合采集的直流母線電壓、交流端口電流或igbt結(jié)溫度計(jì)算動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)；所述靜態(tài)優(yōu)先級(jí)為同一個(gè)子模塊不同故障類型的優(yōu)先級(jí)，動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)為不同子模塊的不同故障類型的優(yōu)先級(jí)；根據(jù)動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)，對(duì)不同子模塊的不同故障類型采取對(duì)應(yīng)的故障切除。

36、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果為：基于控制策略與電路物理本征建模，計(jì)算直流母線電壓、交流端口電流和igbt結(jié)溫度；根據(jù)計(jì)算值和采集值的殘差對(duì)值殘差判斷是否存在異常，若存在異常，則獲取電路故障本征參數(shù)，將電路故障本征參數(shù)與預(yù)設(shè)的異常特征庫進(jìn)行匹配，并根據(jù)匹配結(jié)果進(jìn)行多層級(jí)故障篩選識(shí)別；能夠快速精準(zhǔn)定位故障類型，減少誤判和漏判，同時(shí)通過多層級(jí)篩選機(jī)制，有效提高故障診斷的全面性和可靠性，為故障處理提供更有針對(duì)性的依據(jù)。設(shè)定靜態(tài)優(yōu)先級(jí)，并結(jié)合采集的直流母線電壓、交流端口電流或igbt結(jié)溫度計(jì)算動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)，對(duì)不同子模塊的不同故障類型采取對(duì)應(yīng)的故障切除，確保關(guān)鍵子模塊優(yōu)先保護(hù)，從而最大化系統(tǒng)穩(wěn)定性；可有效避免過切或欠切，提高故障處理的精準(zhǔn)性和效率。本發(fā)明與傳統(tǒng)方法相比在響應(yīng)速度、多類型故障識(shí)別以及系統(tǒng)適應(yīng)性方面具有更優(yōu)性能。