高壓直流輸電線路的雙端行波頻差比值故障測距

宋其濤

摘要：高壓直流輸電（highvoltagedirectcurrent，HVDC）具有傳輸距離遠(yuǎn)、輸送容量大、電能損耗小等優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于遠(yuǎn)距離電能傳輸、跨區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)等工程、分布式能源接入電網(wǎng)工程等領(lǐng)域。由于直流線路較長，受所跨越的地區(qū)氣候條件、地形地貌條件差異影響，線路故障概率很高，故障巡線難度大，因此，具有可靠性和準(zhǔn)確性的線路故障定位技術(shù)對于保證電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，提高系統(tǒng)可靠性具有重要意義。現(xiàn)有的直流輸電線路故障定位方法主要以行波法為主。行波測距又可分為單端測距法和雙端測距法，其中，單端測距法的優(yōu)勢在于僅需線路一端故障信息，經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)簡單，其關(guān)鍵在于初始波頭的識別和正確可靠地檢測、表征、標(biāo)定、甄別故障點(diǎn)反射波。目前識別故障點(diǎn)反射波的方法主要有相關(guān)分析法、Hough變換直線檢測法等。

關(guān)鍵詞：高壓直流輸電線路;雙端行波頻差比值故障測距;

引言

隨著我國直流系統(tǒng)規(guī)模的逐年擴(kuò)大，其故障概率也在逐漸增多，相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，直流系統(tǒng)故障主要為直流線路故障。長距離直流輸電線路的故障暫態(tài)發(fā)展過程會受多種因素影響，包括：遠(yuǎn)距離輸電情況下線路的分布電容電流現(xiàn)象明顯，故障電流會受到線路電容電流放電過程的影響;由于長線路的參數(shù)頻變特性，故障電氣量的行波傳輸過程會出現(xiàn)色散現(xiàn)象，行波波頭捕捉困難;直流線路故障過程及電壓電流暫態(tài)特性受兩側(cè)換流器的快速故障控制的直接影響;故障暫態(tài)過程中的諧波特性會與濾波器、平波電抗器等設(shè)備的參數(shù)配置密切相關(guān)等等。

1故障行波的頻譜產(chǎn)生的機(jī)理

直流輸電線路上發(fā)生故障時，由故障行波在故障點(diǎn)與觀測點(diǎn)之間的多次反射往復(fù)傳播和有限長度的線路延時形成自由振蕩的自然頻率，在故障點(diǎn)沒有對端透射的情況下，它正比于故障距觀測點(diǎn)的距離的倒數(shù)，在頻域上表現(xiàn)為某一特定頻率的無窮多諧波之和，即故障行波的頻譜分布，可通過疊加定理、彼得遜法則和運(yùn)算電路等效來推導(dǎo)。單極運(yùn)行方式下，直流線路故障下的附加分量網(wǎng)絡(luò)圖如圖1所示。

圖中，Zc為線路的波阻抗，ZM、ZN分別為兩端系統(tǒng)阻抗，Rf為故障點(diǎn)的過渡電阻，xf為故障點(diǎn)相對于量測端M端的距離，v為波速。γ為傳播系數(shù)，L和C表示導(dǎo)線單位長度的電感和電容。故障點(diǎn)初始行波由故障點(diǎn)向線路兩端系統(tǒng)邊界傳播，行波在故障點(diǎn)邊界處和系統(tǒng)邊界處的折反射由波得遜法則分析。故障點(diǎn)初始行波由故障點(diǎn)向線路兩端系統(tǒng)邊界傳播，在邊界處發(fā)生反射，反射行波到達(dá)故障點(diǎn)時發(fā)生反射和折射。在經(jīng)故障點(diǎn)的折射波未再一次到達(dá)故障點(diǎn)之前，由系統(tǒng)邊界處反射行波在故障點(diǎn)的折反射規(guī)律符合彼得遜法則，等效電路圖如圖2所示。

圖中Zf=（Rf·ZC）/（Rf+ZC），Uf+表示系統(tǒng)M端邊界反射行波。由彼得遜法則可知，行波在故障邊界處的反射系數(shù)、折射系數(shù)分別為

2故障特征分析

由于高壓直流輸電線路兩端均裝設(shè)有直流濾波環(huán)節(jié)，使得直流輸電線路發(fā)生區(qū)外、區(qū)內(nèi)故障時，故障分量網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)就不同。直流輸電線路發(fā)生區(qū)外故障時，輸電線路兩端的平波電抗器會對高頻信號產(chǎn)生阻滯作用，使得流過直流濾波器支路互感器的高頻電流分量很小;直流輸電線路區(qū)內(nèi)故障時，平波電抗器沒有對故障信號產(chǎn)生阻滯作用，流過直流濾波器支路互感器高頻分量很大。由以上分析可以知道，直流輸電線路區(qū)內(nèi)、外故障時流過直流濾波器支路的高頻分量信號差異明顯，利用濾波器支路中電流信號差異進(jìn)行高壓輸電線路區(qū)內(nèi)外故障的判斷將具有很好的靈敏度和選擇性。由于直流濾波環(huán)節(jié)的存在，對于區(qū)內(nèi)故障，其阻抗曲線對直流濾波支路特定諧振頻點(diǎn)600、1200和1800Hz具有帶通性，使得流過直流濾波器支路的這3個頻率分量的幅值變化較大，相反故障發(fā)生在直流輸電線路區(qū)外時，由于平波電抗器的作用3個頻率分量流過直流濾波器的幅值變化較小。

3行波故障測距的誤差分析

小波變換是波頭標(biāo)定的良好工具，模極大值對應(yīng)時刻可以準(zhǔn)確地反映行波到達(dá)的時刻。給出具體的單端行波測距步驟如下：1）對故障電流行波（或線模電流行波）進(jìn)行小波變換，得到前三個尺度下的模極大值序列。2）通過考察不同尺度下的模極大值的變化情況消除噪聲的干擾，當(dāng)某一模極大值不隨著尺度的增加而增大時，則被判定為噪聲產(chǎn)生的模極大值。3）檢測到的首個非零模極大值作為故障初始行波對應(yīng)的模極大值，根據(jù)極性判斷檢測到的第二個模極大值對應(yīng)的是故障點(diǎn)反射波還是故障點(diǎn)折射波，確定故障點(diǎn)反射波。當(dāng)檢測第二個波頭時，為避免其他波阻抗不連續(xù)點(diǎn)導(dǎo)致的行波影響，需要設(shè)置門檻值，取值為當(dāng)前尺度下初始行波模極大值的10%。4）以初始行波模極大值最大的尺度作為檢測尺度，根據(jù)式計(jì)算故障距離。

4基于頻差比值的雙端測距

頻域法測距相對于時域法的優(yōu)勢在于無需精確標(biāo)定波頭到達(dá)時刻以及對波頭提取精度要求不高，可利用雙端頻差比值構(gòu)建與故障距離的關(guān)系式如式所示：

令式中 表示雙端頻差之比，亦可令 從數(shù)學(xué)上消除了波速對測距結(jié)果的影響，且利用第n+1次頻率與第n次頻率做頻差比，消除了主頻率提取不準(zhǔn)確對測距精度造成的影響。

5集成裝置的性能優(yōu)化

集成裝置將行波測距功能與保護(hù)功能兩者進(jìn)行融合，既能有效提升行波測距可靠性，同時可較大程度優(yōu)化保護(hù)性能。對于斷路器操作和不造成故障的雷擊，如果僅利用行波啟動元件作為故障判別元件，將會造成行波誤啟動和誤測距，而集成行波測距裝置通圖5集成裝置雙端行波測距流程過以下兩方面來提高行波測距的可靠性。1）利用保護(hù)工頻量啟動開放行波波頭提取功能。將工頻電流突變量作為另一個啟動元件，與行波啟動元件構(gòu)成與邏輯。行波CPU可以通過母板獲取主CPU的硬啟動信號，只有兩個啟動元件均啟動之后，才投入小波變換提取故障波頭的算法。行波裝置啟動與電流突變量啟動相結(jié)合能可靠躲過雷電波導(dǎo)致的誤啟動。2）利用工頻量保護(hù)的動作信號開放行波測距結(jié)果輸出功能。只有保護(hù)跳閘之后，保護(hù)CPU才輸出雙端行波測距結(jié)果，否則僅是裝置內(nèi)部記錄測距結(jié)果，并根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)閱。利用雙端行波測距來校驗(yàn)線路保護(hù)的動作行為，能夠精確定位故障點(diǎn)，故障測距精度能夠達(dá)到1km以內(nèi)。對于300km以上的線路，在暫態(tài)超越不超過5%，即15km的情況下，行波測距裕度遠(yuǎn)大于阻抗的誤差范圍，完全可以利用行波CPU對距離I段進(jìn)行暫態(tài)超越校驗(yàn)。

結(jié)束語

1）與交流線路相比，直流母線沒有其他出線，且直流電壓不存在過零點(diǎn)，因此任何故障條件下均可得到更為穩(wěn)健的故障行波暫態(tài)量自由振蕩頻譜，頻譜分布規(guī)律由故障點(diǎn)折反射、系統(tǒng)邊界條件決定。2）故障自然頻率的頻差可反映故障位置，不受系統(tǒng)邊界條件影響，規(guī)避了行波波頭識別的不可靠、波到時刻的標(biāo)定的不精確所帶來的誤差。3）利用雙端頻差比構(gòu)造測距方程，測距精度不受波頭畸變、波形缺損、首波頭丟失的影響，數(shù)學(xué)上減少了波速衰減的影響，不受特征諧波影響，不依賴雙端同步對時，對高阻故障等弱故障模態(tài)具有較好的魯棒性。

參考文獻(xiàn)

[1]李玥樺，李雄，趙偉.電力系統(tǒng)行波測距方法探究[J].電力與能源，2018，39（4）：506-509.

[2]談昊，徐曉春，趙青春，等.兩側(cè)時鐘同步校驗(yàn)及不依賴對時的行波測距[J].電氣技術(shù)，2019，20（1）：80-83.

[3]馮騰，董新洲.雙端行波故障測距裝置性能測試方法[J].電力自動化設(shè)備，2018，38（9）：114-120.

[4]李振興，吳李群，譚洪，等.基于簡單通信的雙端行波測距新方法[J].中國電力，2018，51（3）：74-79.294A1066-0CEA-43B2-A165-ECB9D3882DCC