本發明屬于電氣工程，特別涉及一種upfc子模塊故障快速切除方法及系統。

背景技術：

1、統一潮流控制器(unified?power?flow?controller，upfc)作為柔性交流輸電系統中功能最全面的裝置，能夠獨立調節線路有功、無功功率及節點電壓，提升電網輸電能力與穩定性。然而，其復雜的子模塊結構和高頻次動作特性使得控保策略的設計面臨嚴峻挑戰，尤其在故障快速辨識與動態響應方面存在技術瓶頸。

2、現有upfc工程多采用在系統層面的復雜冗余配置保護策略，通過增加大量冗余配備并行運行，通過“三取二”邏輯提高可靠性；然而，此類方案通常定位系統層級控保策略，需要大量經濟投入建設，且其采用的靜態優先級仲裁在多故障并發時易因邏輯沖突導致響應延遲，難以滿足復雜故障場景需求；專利cn118885879a提出了基于小波神經網絡的upfc設備故障預測方法，包括：定義統一潮流控制器的故障變量；對故障變量進行分類，并定義用于設備狀態監測、故障預測的數據采集結構；獲取統一潮流控制器的各個節點的信號數據，進行濾波、a/d轉換后對其分類編碼；采用小波神經網絡構建設備故障預測模型；將實時信號數據輸入到訓練好的設備故障預測模型，得到設備故障預測模型輸出的設備狀態預測結果；根據設備狀態預測結果，判斷有無設備故障；對預測得到的設備故障發出故障預警信號，但是單獨故障仍需要訓練，處理低效；且只能診斷和預測，沒有后續故障處理方法，處理優先級判定等等，且對象是系統整體和閥級別，不涉及子模塊。

技術實現思路

1、有鑒于此，本發明提供了一種upfc子模塊故障快速切除方法及系統，通過電路本征建模與過濾瞬態干擾，結合bp神經網絡提升復合故障診斷精度，并引入動態權重分配優化故障仲裁邏輯，實現多故障場景下的快速切除。相較現有技術，其在響應速度、診斷精度及系統適應性方面具有顯著優勢。

2、為解決上述技術問題，本發明采用如下的技術方案：

3、本發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、進行upfc子模塊電路本征建模，根據建模并基于upfc子模塊控制策略計算直流母線電壓、交流端口電流和igbt結溫度；

5、通過實時采集的直流母線電壓、交流端口電流和igbt結溫度和其對應的計算值，計算直流母線電壓、交流端口電流和igbt結溫度的絕對值殘差；每個upfc子模塊的所有igbt位于同一個基板上，測量的igbt結溫度為該基板溫度；

6、根據絕對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，將電路故障本征參數與預設的異常特征庫進行匹配，并根據匹配結果進行多層級故障篩選識別；

7、設定靜態優先級，并結合采集的直流母線電壓、交流端口電流或igbt結溫度計算動態優先級；所述靜態優先級為同一個子模塊不同故障類型的優先級，動態優先級為不同子模塊的不同故障類型的優先級；

8、根據動態優先級，對不同子模塊的不同故障類型采取對應的故障切除。

9、優選地，根據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結溫度的數學公式：

10、

11、上式中，為 t時刻的直流母線電壓計算值，為 t時刻的交流端口電流計算值，為 t時刻的igbt結溫度計算值， sbridge為橋臂的開關管切換函數； idc為直流側輸入到三相橋臂的直流電流之和； ω1為交流側電壓角頻率； is和分別為upfc中換流器交流側電流幅值與相位； mis/4、分別為環流二次諧波的幅值與相位； m為調制比，為子模塊的開關管切換函數， 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量，為直流母線電容等效串聯電阻， ta( t)為測量獲得的 t時刻的igbt基板溫度， pthigbt為igbt熱損耗， zthigbt為igbt熱阻網絡。

12、優選地，橋臂的開關管切換函數 sbridge和子模塊的開關管切換函數通過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流抑制策略；其中二倍頻環流抑制策略通過載波移項位調制輸出調制波。

13、優選地，所述根據絕對值殘差判斷是否存在異常，具體為：

14、用設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結溫度每個采樣點的絕對值殘差，并計算直流母線電壓、交流端口電流或igbt結溫度的每個采樣窗口的所有絕對值殘差的均值與標準差；

15、若存在采樣點的直流母線電壓、交流端口電流或igbt結溫度的絕對值殘差與其對應的采樣窗口的直流母線電壓測量值、交流端口電流測量值或igbt結溫度測量值的均值之間差值的絕對值大于3倍的對應的采樣窗口的直流母線電壓測量值、交流端口電流測量值或igbt結溫度測量值的標準差，則判斷upfc子模塊異常。

16、優選地，所述電路故障本征參數包括直流母線電壓測量值、直流母線電壓偏差率、交流端口電流測量值、交流端口電流變化率 diarm/ dt、igbt結溫度測量值和igbt結溫梯度 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結溫梯度 dtj/ dt計算公式為：

18、

19、上式中， uc,m( t)為 t時刻直流母線電壓測量值，為 t時刻的直流母線電壓的計算值， 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時刻交流端口電流測量值， tj,m( t)、 tj,m( t-1)分別為 t、 t-1時刻igbt結溫度測量值，為設定的采樣窗口。

20、優選地，所述將電路故障本征參數與預設的異常特征庫進行匹配，并根據匹配結果進行多層級故障篩選識別，具體為：

21、先進行第一層故障篩選，記錄判斷異常后的一個采樣窗口內的電路故障本征參數，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，計算其與預設的異常特征庫中的各種故障對應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定的第一閾值時，則認為存在對應的故障；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寬采樣窗口，并將所有電路故障本征參數組成向量，計算其與預設的異常特征庫中的各種故障對應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定的第一閾值，則認為存在對應的故障；

23、第三層故障篩選為將相鄰模塊的電路故障本征參數輸入預訓練好的bp神經網絡，輸出各個故障的概率；若有概率超過設定的第三閾值，則認為存在對應的故障；

24、所述各種故障對應的第一異常參考向量為各種故障發生后的一個設定的采樣窗口內的直流母線電壓、直流母線電壓偏差率、交流端口電流的歷史數據組成的向量；所述各種故障對應的第二異常參考向量為通過歷史數據得到的各種故障發生后的擴寬的采樣窗口內的所有電路故障本征參數的歷史數據組成的向量。

25、優選地，電容過壓故障、igbt短路故障、igbt過熱故障的靜態優先級分別設定為80、70、60。

26、優選地，所述計算動態優先級，具體為：

27、

28、上式中， pstatic為設定的靜態優先級， α、 β和 γ分別為直流母線電壓、igbt結溫度和交流端口電流權重系數， uc,m( t)為 t時刻直流母線電壓測量值， uc,rated為直流母線電壓額定值，為 t時刻igbt結溫度測量值，為igbt結溫度最大值，為 t時刻交流端口電流測量值、為交流端口電流最大值。

29、優選地，所述根據動態優先級，對不同故障類型采取對應的故障切除，具體為：

30、當發生單一故障時，若為igbt短路故障，則閉鎖子模塊驅動并觸發旁路開關，投入冗余模塊運行；若為電容過壓故障，則切除故障模塊并投入冗余單元，通過調制控制算法維持橋臂電平輸出穩定；若為igbt過熱故障，則切冗余單元運行或降低子模塊出力；

31、若發生多種故障，則按照動態優先級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，當冗余模塊不足時觸發換流器緊急停運。

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

33、電路物理本征建模模塊：用于進行upfc子模塊電路本征建模，計算直流母線電壓、交流端口電流和igbt結溫度；

34、異常狀態辨識模塊：用于通過實時采集的直流母線電壓、交流端口電流和igbt結溫度和其對應的計算值，計算直流母線電壓、交流端口電流和igbt結溫度的絕對值殘差；每個upfc子模塊的所有igbt位于同一個基板上，測量的igbt結溫度為該基板溫度；根據絕對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，將電路故障本征參數與預設的異常特征庫進行匹配，并根據匹配結果進行多層級故障篩選識別；

35、故障處理模塊：用于設定靜態優先級，并結合采集的直流母線電壓、交流端口電流或igbt結溫度計算動態優先級；所述靜態優先級為同一個子模塊不同故障類型的優先級，動態優先級為不同子模塊的不同故障類型的優先級；根據動態優先級，對不同子模塊的不同故障類型采取對應的故障切除。

36、本發明與現有技術相比的有益效果為：基于控制策略與電路物理本征建模，計算直流母線電壓、交流端口電流和igbt結溫度；根據計算值和采集值的殘差對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，將電路故障本征參數與預設的異常特征庫進行匹配，并根據匹配結果進行多層級故障篩選識別；能夠快速精準定位故障類型，減少誤判和漏判，同時通過多層級篩選機制，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性的依據。設定靜態優先級，并結合采集的直流母線電壓、交流端口電流或igbt結溫度計算動態優先級，對不同子模塊的不同故障類型采取對應的故障切除，確保關鍵子模塊優先保護，從而最大化系統穩定性；可有效避免過切或欠切，提高故障處理的精準性和效率。本發明與傳統方法相比在響應速度、多類型故障識別以及系統適應性方面具有更優性能。