电压源换流器实时故障检测平台实现

目前，传统的输电线路继电保护涉及3个主要任务：检测、分类和故障定位。快速准确地切断故障线路，可保护系统免受故障的影响[1]。基于电压源换流器的电力电子设备广泛用于远距离输电、异步联网以及海上风电、城市配网增容及电能质量[2]等领域，已成为未来电网互联的主流结构。此类电力电子装置易受外界环境影响导致系统失衡。如，输电线路易受故障影响产生故障电流，故障电流反馈至绝缘栅双极型晶体管IGBT（insulated gate bipo⁃lar transistor）中，使器件受损造成停电事故。而当下直流断路器技术不成熟，直流侧故障难以由直流断路器断开，一般采用交流断路器切除故障电流[3]。为保证安全运行，对其有效的故障检测必不可少。实时仿真是目前公认的电力系统开发工具[4]。在电路模型求解器设计、故障工况测试上，能够显著节省计算时间、提高测试覆盖面，且实时仿真与离线仿真相比更具有说服力。故研究电压源换流器实时故障检测平台是一项重要工作。

近年来，国内外大多采用PSCAD、EMTDC等离线仿真软件对电力系统进行故障检测[5-6]。这类仿真实验虽然节约生产成本，但仿真速度与实际系统不同，不能直接与实物相连进行各类分析测试。而FPGA在电力系统参数测量、电能质量检测等方面都有不少应用实例[7]。故本文以FPGA作为硬件开发平台。

在故障检测平台中，最重要的是对暂态信号的检测、识别、处理。因高频开关器件系统频率高，易受直流故障或交流故障的影响，造成输电系统输出电压波形出现中断、暂降、谐波等现象。此类现象严重影响了电网安全运行。传统的快速傅里叶变换FFT（fast Fourier transform）已被证明非常适用于进行稳态谐波分析。而小波变换奇异点检测具有将暂态信号突变点进行精确时域定位的优点[8]。其两者结合可很好地区分稳态信号与暂态信号[9]。另一方面，小波分析具有完整的理论基础和使用价值，在电力系统中得到了广泛关注。文献[10]运用小波变换的方法来检测直流线路中直流故障与发生在逆变器交流侧的交流故障，并加以区分。文献[11]采用离散小波变换的方法来检测多端电压源换流器-高压直流输电VSC-HVDC（voltage source con⁃verter-high voltage direct current）系统直流故障。文献[12]利用小波变换捕捉HVDC系统的交、直流故障和负载变化对系统的不利影响，针对不同的模极大值来区分故障与负载变化。

因此，要保障输电系统安全、稳定地运行，及时地检测故障发生显得非常重要[13]。本文在上述研究的基础上将故障检测方法运用在FPGA仿真卡和PC仿真机构成的联合仿真平台上。由PC机负责控制器等故障模型的仿真，KC705 FPGA仿真卡（Xilinx公司，简称K7）承担实时故障模型仿真，Zynq7C020 FPGA仿真卡（Xilinx公司，简称Z7）完成暂态故障信号检测的算法设计。

1　仿真平台设计实现

1.1　平台架构

为实现对换流器设备的实时检测，本平台采用FPGA+PC为硬件架构的实时故障检测仿真平台，该检测系统的硬件结构如图1所示。其主要硬件设备包括AD73360信号采集板、ADC9764、FPGA开发板（XC7Z020Zynq-7000、KC705）等。

图1　检测系统硬件结构 Fig.1　Hardware structure of detection system

在这种硬件构架下，K7作为仿真器完成电力电子系统中高频换流开关器件的高速解算与闭环控制仿真。文献[14]将模型分割为线性与非线性模型，进行解算器设计以及SPWM控制算法的设计，本文不再赘述。将解算后的实时波形经ADC9764输出到AD73360采集卡中，最终传输送至Z7。Z7作为实时检测平台，将采集到的原始信号经AD_Controller模块送至Mallat信号检测端。检测后的平稳信号进行稳态谐波测量，暂态信号通过小波熵暂态特征提取识别故障发生相。

1.2　换流器侧故障拓扑

常见的直流故障包括单极接地故障和双极短路故障等。而交流故障有单相接地故障、双相短路故障、三相短路故障等。电压源换流器侧故障拓扑如图2所示。当此类故障发生时，首先通过换流器的控制功能来限制和消除故障，保护设备和保证系统安全稳定运行；在严重故障条件下，还需要通过跳开交流侧断路器来保证换流器的安全。通过检测直流线路/交流线路的电压变化，排除伪故障情形，可为上层预警系统提供有利依据[15]。

图2　电压源换流器侧故障拓扑 Fig.2　Topology of fault on the VSC side

2　故障检测分析方法

2.1　Mallat算法及滤波器组实现

基于FPGA的小波算法（即Mallat算法）以硬逻辑方式，采用高通、低通分解滤波器来实现小波变换，解决了小波变换在进行多分辨分析时由于计算量大限制系统的实时性问题。一般地，函数空间部分和理想滤波器组是设计Mallat算法很好的切入点，但前者数学计算严谨不适合应用于数字信号处理的研究。本文将采用构建理想滤波器组的方法，对AD采集后信号进行暂、稳态特征提取。

基本思想是将原始信号X（t）通过一个低通滤波器LP和一个高通滤波器HP进行平滑和细节分解，即求出第一层小波变换。然后对第一层变换后的低频部分继续通过高、低滤波器进行分解。一般地，依据所要检测的突变信号频率的大小，将信号的基频位于最低频带的中心处。本文AD73360采样频率为fs=8 kHz，基频为f=50 Hz，则频带划分数目为

各层高、低通滤波器系数G（ω）、H（ω）是一样的，这是因为滤波器是根据归一频率来设计，即各级滤波器的一致性原则。且归一频率满足：归一频率=真实频率×采样间隔。图3为离散信号的Mallat算法分解过程及信号频谱。本文采用Daubechies滤波器中的DB5小波对突变信号进行分析，DB5小波阶数低、正则性等优点适合于暂态电能质量的检测，其高频小波系数在故障处具有模极大值。

图3　Mallat算法分解过程及信号频谱 Fig.3　Process of Mallat decomposition algorithm and signal spectrum

2.2　故障信号的稳态谐波测量

基于FFT的谐波测量是当今应用最多的方法，算法虽成熟但短范围频谱泄露问题严重，无法精确测量电网中谐波含量。本文将对Mallat分解后的低频信号进行矩形窗截断，然后经FFT处理，平顶窗幅值校正进行幅度补偿，旨在精确检测故障信号稳态特征。X（m）为该信号的最大幅值，m为频域系数，则经平顶窗补偿[16]后频谱Xft(m)为

式中：X（m±1）、X（m±2）为X（m）相邻频点；h0，h1，…h4为相邻频点的频谱系数，选取SFT3F系数[17]经归一化、二进制转换后h0=1(2)，h1/2=-0.1111(2)，h2/2=0.0111，h3=h4=0。

由第2.3节设置的交、直流故障通过故障检测方法进行故障检测。所得的单相接地故障A相高频小波系数如图8（a）所示，其中1.101 s与1.201 s处的峰值为故障的开始与结束的高频小波系数值，矩形框的细节放大如图8（c）所示。而直流正极接地故障高频小波系数如图8（b）所示，1.101 s处为故障开始时刻的高频小波系数值，其矩形框的细节放大如图8（d）所示。

三、缓解职业合理与人文抱负的冲突对立。在物欲横流、逐利有理的时代，不可能期望民众自发地直接跳出物质利益圈。树立清流榜样，重铸民族精神，知识分子责无旁贷。中国缺乏彼岸世界的宗教超越，需在当世人文世界中寻找对现实功利的突破力量。历代学者走的也是此路，“从学术文化角度看近代建设新的精神文明的探索，从魏源到鲁迅乃至当代梁漱溟、冯友兰，等等，都应该本着求知求真的精神，站在超越当时与现在的实用政治的高度加以总结、消化，然后接着走下去”[4]66-67。徐斌的离职演说，刘俐俐的《我的学术选择及反思》提出了文人放弃金钱、放弃资金的主张都属此类。

将式（3）代入式（2），化简后得到

幅度特性与信号峰值之间满足式（5），最终得到补偿后信号幅值A及频率Mpeak为

随着立法业务渐次展开、监督工作深入推进、党建任务日益繁重，机关出现了个别部位人手不足、不同岗位忙闲不均、跨科室配合不够顺畅等现象。如何在现有编制、人员条件下，发挥好参谋助手、综合协调、督办落实和服务保障的作用，成为机关亟需破解的现实问题。

[6]Paily B，Kumaravel S，Basu M，et al.Fault analysis of VSC HVDC systems using fuzzy logic[C]//IEEE International Conference on Signal Processing，Informatics，Communi⁃cation and Energy Systems.Kozhikode，India，2015．

2.3　故障信号的暂态特征提取

本文所述故障检测方法原理如图4所示。图中，α与β分别为直流故障判决阈值与交流故障判决阈值。

式中：Dj(k)为在j分解尺度下k时刻的高频小波系数，j=1，2，…，N，N为频带划分数目。则k时刻信号能量为

因此，小波能量熵的定义为

式中，pjk为尺度空间中电压的能量分布，小波能量熵反映信号能量分布特征，依据此类特性可根据熵值大小区分故障线路与非故障线路，高的小波能量熵意味着不同频率信号分量更复杂的相互作用，进而区分直流故障与交流故障。

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2.4　故障检测方法原理

时域中，经小波变换后的故障暂态信号具有比正常电压信号更高的小波系数值，而小波熵可定量评估电压信号的复杂度与故障率[18-20]。在小波变换理论基础上，j分解尺度下的小波能量定义为

第二，“传承”概念并未过时，只是我们需要从实践的角度，将民俗事象在历史时间中的传承，理解为行动者实践的过程及变化轨迹。两者之间的根本差异，是将关注的对象从客体性的民俗事象，转变为历史社会互动中的实践主体。也正是在这一意义上，民俗学者对“传承”和“历史”的理解与历史学者(尤其是历史人类学者)发生了分歧：当历史学者将“传承”理解为由历史节点构成的单流向河流时，民俗学者把“传承”视为“过去”参与建构“现在”的方式，即过去已经被“日常化”了。[注]尹虎彬:《从“科学的民俗研究”到“实践的民俗学”》，《中央民族大学学报(哲学社会科学版)》2017年第3期。

2017年，黑龙江省委1号文件和实行河长制的意见、生态文明建设的相关文件，均将实行最严格水资源管理制度作为重要内容。省政府召开全省视频会议，对推进最严格水资源管理制度做出全面安排；市县党委政府进一步强化对实行最严格水资源管理制度的组织领导和政策支持，多个市县政府召开了常务会议、办公会议，研究推进最严格水资源管理制度，政府负责、水利牵头、部门协调配合的机制进一步得到加强。

图4　故障检测方法原理 Fig.4　Principle of fault detection method

3　实验分析

为验证实验结果的准确性，分别对离线故障发生模块，离线暂态故障信号检测识别、信号采集模块、Mallat实时暂态特征识别及实时稳态谐波测量等功能进行仿真和板级验证。

3.1　离线故障发生模块

图5　VSC-HVDC系统模型 Fig.5　Model of VSC-HVDC system

应用Matlab/Simulink环境下的电力系统模块对VSC-HVDC系统建立故障仿真模型，如图5所示。整个柔直系统的采样时间为Ts_Power=7.407×10-6 s；控制系统的采样时间为Ts_Control=74.07×10-6s，是载波周期的倍数。采用变步长模式的单步求解器ode45（四/五阶龙格-库塔法），其特点是适用于大多数连续或离散系统，但不适用于刚性系统，其系统状态计算值精确到0.1%。在此模型中，一个2 000 MW、230 kV、50 Hz的交流系统（送电端）通过电压源换流器强制换相成200 MW，100 kV的直流系统，经75 km直流输电线路传输后转换成另一功率、电压、频率相同的交流系统（受电端）。采用三电平中点箝位型VSC转换器作为整流器和换流器。正弦脉宽调制采用高于基波频率的27倍三角载波（1 350 Hz）与正弦波比较后得出。整个换流站包括：AC侧的Yg-D型连接的三相变压器、AC滤波器、相位转换器、换流桥以及DC侧电容滤波器。

其中，伞形集果筒由合页与搭扣固定，伞形集果筒的合页与搭扣对应安装位置开通孔，合页与搭扣通过螺钉，螺栓固定在伞形集果筒上。伞形集果筒如图2所示。

图6　变压器一次侧A相接地故障仿真检测 Fig.6　Simulation and detection of A-phase ground fault on the primary side of transformer

在直流传输线路设置正极接地故障，故障时间为1.101～1.201 s。从图7可得，当发生正极接地故障时，电压在故障时间处出现波动，电流振荡明显。

图7　正极接地故障电压电流 Fig.7　Voltage and current under fault at positive pole

3.2　离线暂态故障检测识别

令

图8　两类故障点处高频小波系数 Fig.8　High-frequency wavelet coefficients of two kinds of fault point

针对换流器出现的交流故障，在仿真电路变压器一次侧设置故障检测点，对以下7类交流故障进行电压检测。所得的三相小波熵函数如表1所示。由表中可得出，当发生故障时，故障点处小波熵明显比无故障线路大，而无故障线路的熵值非常小。正常情况下，换流器交流侧电网三相电压为平衡对称。当发生故障时，直流线路中产生故障电流馈入换流器造成桥臂电压的不对称现象，进而影响其他相电压电流正常运行。而根据小波熵值的大小可以准确判定交流故障线路，从而排除正常线路确立故障相。

表1　交流故障点处小波熵结果 Tab.1　Result of wavelet entropy at the point of AC fault

注：带*数据为A相接地故障发生时熵值

故障Ag AB ABg ABC ABCg正常A相熵1.165 1×1013*1.320 6×1011 5.679 7×1011 3.989 9×1010 4.134 6×1010 15.268 9 B相熵13.742 7*1.255 2×1011 7.886 9×1011 5.914 8×1013 3.010 2×1011 21.587 1 C相熵32.859 4*45.146 7 35.889 4 4.847 7×1011 1.214 3×1013 11.286 4

表2为输电线路中发生直流单极故障、双极短路故障时系统的小波熵值与正常值对比结果。从表2我们可以得出，当发生故障时其小波系数与小波熵明显比正常值要大。故可依据小波熵值大小判别是否发生故障。比较表1与表2，根据小波熵值大小，可以得到发生在交流输电线路的故障小波熵明显要比发生在直流线路故障的小波熵大得多。

表2　直流故障点处小波熵结果 Tab.2　Result of wavelet entropy at the point of DC fault

注：带*数据为正极接地故障小波系数与熵值

故障直流单极故障双极短路故障正常高频小波系数112.202 6*213.852 8 0.488 7小波熵1.792 6×106*7.264 1×106 69.586 8

3.3　信号采集模块

本文采用工业电能计量AD73360为采样芯片，其采样频率可编程控制，每次上电使用时都要对8个寄存器进行配置。本设计在Zynq端设计AD_Con⁃troller控制器，编写数据采集状态机来配置CRA～CRH寄存器。配置寄存器时，以AD73360为主设备，FPGA为从设备。我国交流电频率为50 Hz，而测量仪器A级标准规定对电网谐波测量要能准确测出50次以内的谐波，所以需要采样的信号最高频率为2.5 kHz，由奈奎斯特采样定理有

式中，fh为被采样信号最高频率。因此，电力系统谐波测量中采样电路的采样频率fs≥5 kHz。为验证实验结果准确性，设计信号发生器模块输出2.5 V、50 Hz正弦波，AD采样率达8 kHz，将采集到的信号通过ChipScope Pro逻辑分析器进行分析，其采样结果如图9所示，图中dout为采集的信号。

图9　AD73360采样结果 Fig.9　Acquisition results with AD73360

3.4　Mallat实时暂态特征识别

在高压、特高压输电系统中，多数电压暂降是由故障引起的。一般来说，一个故障很容易区分电压暂降，在有故障的情况下，断路器（CB）切断线路停止系统工作。此外，故障产生的瞬态现象比电压凹陷更恶劣。然而，一些电压骤降引起的电压和电流波形的频率成分大。因此，为了区分这些干扰，有必要分析故障的频率和时域。

以K7为仿真器完成电力电子系统中高频换流开关器件的高速解算与闭环控制仿真。采用第2节提到的方法在Xilinx公司提供的ISE Design Suite环境下搭建暂态扰动检测系统对其信号的突变点进行检测，验证Mallat滤波器组检测暂态故障信号的正确性与准确性。选取0.08 s之内故障波形（故障时间为0.021～0.055 s），并调用Matlab的离线数据与FPGA实时仿真数据进行结果比较。图10为实时仿真与PC仿真对比。图11为Mallat检测到的离线模型与实时算法模极大值对比。从两图中可以看出，FPGA作为检测设备，对扰动信号突变点处的检测具有准确性与快速性，可应用至实际工程设备中。其检测的准确性与快速性都满足设计要求。

图10　故障信号实时仿真与PC仿真对比 Fig.10　Comparison of fault signal between real-time and PC simulations

图11　离线与实时故障检测结果对比 Fig.11　Comparison of results between off-line and real-time fault detection

从图11中可以得出，当发生故障后，在故障起止点处存在模极大值。其模极大值点可作为判别故障起始的依据。考虑到这类故障造成电能质量问题的产生原因以及用电设备损害程度，特此根据持续时间的长短进行具体划分，可为后续的控制保护装置提供参考设计。

为深化间接成本补偿机制改革，贯彻《关于进一步完善中央财政科研项目资金管理等政策的若干意见》的文件精神，《国家社会科学基金项目资金管理办法》结合我国实际，提高了间接费用核定比例，规定：国家社会科学基金项目间接费用一般按照不超过项目资助总额的一定比例核定。具体比例如下：50万元及以下部分为30%；超过50万元至500万元的部分为20%；超过500万元的部分为13%。

3.5　实时稳态谐波测量

对故障线路谐波的精确分析及电能的准确计量，可为科学管理提供可靠依据。本文利用FFT稳态特性，把其作为区分稳态谐波与暂态突变的一种手段。采用矩形窗截取经FFT变换后，由平顶窗幅值校正作为对X（m）的频谱补偿，第2.2节中已将复杂数学公式通过移位运算化简进行硬件设计。因AD采样频率为8 kHz，进行2 048点FFT后，要达到在低频处分辨率1 Hz，需添加抽取滤波处理。表3和表4为是基于谐波补偿算法分析结果，表3为补偿前后频率值，表4为补偿前后电压值。从表中可以看出，使用该补偿方法测量电压信号可以有效得到满足一定精度要求的谐波频率与电压幅值。

表3　补偿前后频率值 Tab.3　Values of frequency before and after compensation

谐波次数　补偿后频率/Hz 50 100 250 500 750 1 000 1251 0 15 20实际频率/Hz 50 100 250 500 750 1 000补偿前频率/Hz 47 98 246 498 748 997

表4　补偿前后电压值 Tab.4　Values of voltage before and after compensation

谐波次数1251 0 15 20实际电压值/V 2.50 1.00 1.25 0.50 0.45 0.50补偿前电压/V 2.026 0.754 1.097 0.348 0.259 0.380补偿后电压/V 2.496 0.995 1.249 0.493 0.392 0.499

3.6　硬件实物图

图12为平台硬件装置照片，其中PC1负责对电力模型分割、编译下载至K7机箱中，VGA用于显示稳态谐波测量部分，PC2负责实时回显Z7机箱中的故障波形。

图12　平台硬件装置照片 Fig.12　Photograph of hardware devices on platform

4　结论

（3）对高频小波系数进行小波熵求解，得到小波熵值，依据熵值大小判别发生故障的相，低的熵值可判定为无故障相。其中，交流故障的小波熵值明显比直流故障小波熵值大得多。

（1）Mallat小波分析作为一种可行性工具，其模极大值可作为判断故障发生的阈值，检测系统发生故障的起止时间。

(2)假设有i个电梯(i=1,2,3...)，其中第i个电梯不动时停在第ji层(j=1,2,3...)；

（2）FFT作为区分稳态谐波与暂态突变的一种手段。采用平顶窗幅值修正法大大降低了峰值振幅测量的不确定度。

为了提高电压源换流器运行可靠性，本文使用Mallat与FFT改进算法对换流器交、直流侧故障波形进行实时检测。该平台可快速准确判断故障发生的时间点，并根据小波模极大值与小波熵值大小来判别故障类型。对故障相识别精确，但对故障定位测距仍欠研究。仿真验证了在不同运行工况下的故障问题，得到以下结论。

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基于上述模型，本文以交流故障中单相接地故障和直流故障中正极接地故障为例进行详细实验测试。在变压器一次侧设置单相接地故障（交流故障）。A相在仿真时间为1.101～1.102 s时短路接地。从图6中可得，当A相发生接地故障时，A相电压瞬间跌落至30 V左右。由于接地短路原因导致A相电流瞬间增大至15 911 A，并以正弦波的形式在-2 159～15 911 A之间波动。B、C相电压在故障处出现电压暂降，幅度跌落至160 kV。

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关键词，指的是一篇文章内容的核心词汇与词组，是文章主题的高度凝练与总结。一篇文章一般通过3～5个关键词来获取文章的研究对象与方法，对关键词进行分析可以得到研究的热点。本文运用CitespaceIV对关键词进行分析，在Thresholds模式下选择阈值为(4，4，15)、(4，4，15)、(5，5，20)，得到了73个节点、747条连线(图2)。图中每个年轮表示为一个节点，即意味着一个关键词，年轮的大小表示其出现的频次，节点之间的连线表示年轮之间的联系，黑色短语表示高频关键词，字体的大小反映了各关键词之间出现频次的相对高低，这些高频词汇便代表着服务供应链相关领域的研究热点。

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除了干预措施，在必要的时候，药师可以建议患者转诊到指定呼吸科医师或更有经验的医师处就诊，以调整药师自己不能确定的治疗方案。

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虚拟现实技术能与土木建筑工程的建筑设计、建筑规划、建筑成本计算、建筑测量等多个建设环节相结合，构建三维模型，将工程环境、工程结构等直观呈现出来，方便不同岗位工作人员完成各自的工作，提升工作效率。同时，该技术的引进，还将带给客户更加直观、生动的体验，提升客户的满意度，塑造良好的企业形象，让企业在行业竞争中获得优势。所以，相关人员需重视对虚拟现实技术的学习与应用。

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上思县土地总面积2 813.61 km2，土地利用状况为耕地578.87 km2，占全县土地总面积的20.57%；园地16.72 km2，占0.6%；林地1 870.22 km2，占66.47%；草地145.39 km2，占5.17%；城镇村及工矿用地面积39.22 km2，占1.39%；交通运输用地33.73 km2，占1.19%；水域及水利设施用地112.43 km2，占4.00%；其他土地17.03 km2，占0.60%(表1)。

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小勺一眼就认出他来了，一点没有惊讶，好像他是前脚走后脚又进来的客。何良诸却生出失重感，笑道：“前店后院一大堆，你还亲自下厨呀。”

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