基于行波原理的雙極直流輸電接地極引線故障測距

鐘小壘 李 京

1.山東理工大學 電氣與電子工程學院 山東 淄博 255000；2.山東科匯電力自動化有限公司 山東 淄博 255087

接地極引線在整個直流輸電系統(tǒng)中起著舉足輕重的作用，當接地極引線發(fā)生故障時，將對直流輸電系統(tǒng)產生嚴重影響。對接地極引線進行故障監(jiān)視和準確故障定位對于提高直流系統(tǒng)的供電可靠性具有重要意義。接地極引線一般為數十公里，采用雙回架空線，具有分布參數特性［1］，當線路故障時，故障點將會產生向兩側母線運行的行波。行波信號是一種高頻暫態(tài)信號，有豐富的故障信息，正確識別和提取其中的故障信息，可構成接地極引線的精確測距［2-3］和故障判斷。同時線路故障時會造成故障點處阻抗不匹配，根據電磁波在傳輸線中傳播理論，電磁波會在障礙點產生反射。依據這一原理，向已發(fā)生故障的線路上注入一脈沖，該脈沖將沿線路向前傳播，當遇到故障點時，就會有反射行波回到發(fā)射端，稱為時域脈沖測量技術［4-5］。在應用研究領域，為更進一步提高故障判斷和測距的準確性，提出了小波模極大值理論［6-7］，利用小波變換在時域和頻域良好刻畫局部信號能力，快熟準確查找行波波頭，有效去除噪音。本文首先從理論上分析了雙極方式下接地極引線不同運行方式下各特征量（電壓、電流）的變化情況，并根據接地極引線較為復雜的運行特性討論了更有針對性的故障測距方案，并借助matlab軟件進行了仿真驗證。

1 接地極引線運行特性

高壓直流輸電系統(tǒng)中，雙極方式又稱雙極兩端中性點接地方式［8］，為兩端換流站的中性點均連接接地極系統(tǒng)構成方式，見圖1。接地極引線可以利用大地（或海水）作為回流電路，作為輸電系統(tǒng)的備用輸電導線。雙極電壓和電流均相等時稱為雙極對稱運行方式，地中無電流；不相等時稱為電壓或電流的不對稱運行方式，兩極中的電流不相等，地中電流為兩極電流之差，實際上僅為兩極的不平衡電流，通常小于額定電流的1%。雙極方式的直流輸電工程，當一個極的換流站發(fā)生故障需要退出工作時，可根據具體情況轉換為單極金屬回線方式運行。若是一極輸電線路故障時，則轉為單極大地回線方式運行，由接地極引線利用大地（或海水）作為回流電路，接地極引線中有較大電流通過。由此可見，接地極系統(tǒng)在直流輸電系統(tǒng)中起著重要的作用：一是當某一極出現故障需要停運檢修時，接地極系統(tǒng)利用大地作為回流電路與另外一極直接長時間地為系統(tǒng)輸送電力，提高系統(tǒng)運行的可靠性；二是鉗制換流站中性點電位，避免兩極對地電壓不平衡而損害設備。

圖1 雙極方式直流輸電示意圖

2 基于行波原理的接地極引線故障測距

接地極引線作為直流輸電系統(tǒng)中的重要組成部分，目的是為了避免直流輸電系統(tǒng)故障對設備產生的損壞，同時利于減小直流輸電系統(tǒng)的停運率。現在國內直流輸電系統(tǒng)中，行波原理多應用于西門子行波保護和ABB行波保護［9］。其在判據中并沒有利用故障行波，而是根據電流電壓的變化率來試圖檢測出行波波頭的波前保護，丟棄了故障行波中的故障信息，如故障時刻，行波極性等。確切地說，并不是真正意義上的行波原理應用，且有無法實現故障測距，反應速度慢，對噪聲較敏感等缺點。近年來行波故障測距理論已經比較成熟，因此在實際的直流輸電工程中研究可靠性、靈敏性更高的接地極引線行波原理故障測距方法，不僅有利于彌補我國現有高壓直流輸電線路行波應用的不足，更有利于提高未來直流輸電中行波測距和故障判斷水平。

基于行波原理的接地極引線測距，根據A型測距原理［10］和時域脈沖測量技術實現。A型測距原理，其通過測量行波在故障點和測量端之間的傳播時間差確定故障距離，原理如圖2所示：

圖2 A型測距原理

準確檢測故障引起的第1個行波浪涌和其在故障點的反射波，記錄初始行波浪涌到達時刻和其在故障點反射波到達時刻，計算兩者的時間差Δt，則故障點的距離可有以下公式計算

時域脈沖測量技術則利用接地極引線故障點阻抗不匹配特點，向已發(fā)生故障線路上注入脈沖，該脈沖將沿線路向前傳播，當遇到傳輸線阻抗不匹配點發(fā)生反射，記錄脈沖發(fā)射時間和反射行波到達時間，計算兩者對應的時間差，可計算故障距離。

在雙極對稱運行模式和單極金屬接線方式下，接地極引線中無電流，故障時線路中將不會產生行波，通過時域脈沖測量方法向線路注入脈沖，可有效實現對稱運行方式下接地極引線故障測距，相鄰兩脈沖時間間隔內的瞬時故障不會影響系統(tǒng)正常運行，此時監(jiān)測到穩(wěn)態(tài)故障則只需斷開接地極系統(tǒng)進行快速檢修。在雙極不對稱運行和單極大地運行時，接地極引線線上電壓較高，外接脈沖信號源電壓遠小于引線故障點產生的電壓行波幅值，依據A型單端行波故障測距原理可靠性更高。兩種方法可共用行波測量和數據處理裝置，實現接地極引線故障距離測定和故障類型的判斷，設計實時故障測距方案原理如圖3所示。

圖3 工作原理方框圖

微處理器作為系統(tǒng)的核心，控制信號的發(fā)射、接收及數字化處理。脈沖發(fā)生器是根據微處理器送來的信號，自動形成一定寬度的脈沖。此脈沖經發(fā)射電路轉換成高幅值的射沖，送至被測接地極引線上，直流輸電系統(tǒng)工作在單極大地回線方式和雙極不對稱運行方式時，脈沖發(fā)生器停止工作。行波測量裝置則包括避雷裝置、電壓電流測量設備、電力線載波設備及耦合濾波器等。高速A/D發(fā)生器是將被測電纜上返回的信號及發(fā)射脈沖信號經輸入電路送高速A/D采樣電路轉換成數字信號，最后送微處理器進行處理。鍵盤是人機對話的窗口，操作人員可根據測試需要通過鍵盤將命令輸入給計算機，然后由計算機控制儀器完成某一功能。可以推測，一旦新型直流輸電接地極引線故障測距裝置研究成功，將在高壓直流輸電中得到廣泛的應用。

3 基于小波變換的行波波頭檢測

3.1 小波基礎理論

假定函數ψ（t）絕對Lebesgue可積（面積有限），而且Lebesgue平方可積（能量有限），令（w）為ψ（t）的傅里葉變換，則當（w）滿足條件

時，稱ψ（t）為一個基小波或母小波?；〔é祝╰）經過伸縮和平移所生成的能量歸一化函數

稱為分析小波。 任意函數f（t）∈L2（R）的連續(xù)小波變換定義為該函數與連續(xù)小波ψa，b（t）的內積 .

3.2 行波波頭的模極大值檢測

由文獻（7）可知，如x0為函數的局部奇異點，記載該點上函數小波變換有極大值，則在x0的某個鄰域內對于任意給定的?≤1，存在一常數A，使

在采用離散二進尺度｜W2j f（x）｜≤A（2j）?

因此，有

實際測量中噪音信號無法消除，檢測到的電壓信號是由行波信號和噪聲信號組合而成。通常認為檢測噪聲為白噪聲，是一個幾乎處處奇異的隨機分布函數。因此，小波變換模極大值也就有可能是由檢測噪聲變換產生。式中，j為整數。由上式可知，如函數在x處的Lipschitz指數為正值，則隨j的增大，小波變換模極大值的幅值也變大，如函數具有負Lipschitz指數，則情況相反。檢測噪聲為白噪聲，a=-0.5-μ（μ>0）為負值。 因此，由式（5）知，隨尺度j的增大，其小波變換模極大值的幅值逐漸減小，其主要由小尺度表現。

行波信號是一種具有突變性、非平穩(wěn)性的瞬時信號，具有很大的奇異性，從故障的電流電壓信號中提取出有效的故障特征是實現接地極引線故障測距的前提和關鍵。通常認為行波信號的頻率范圍為10kHz-100kHz，行波信號中的突變部分含有豐富的高頻信號，包含了豐富的故障信息，是故障測距的重要依據，故障行波信號的次高頻部分也反應了故障的重要特征。因此，對含有噪聲的故障行波信號做小波處理，既要消除高頻和低頻部分噪聲分量，又要保留故障行波信號對應的高頻部分和低頻部分。小波分解具有自適應的時-頻局部化功能，行波信號的突變部分對應小波變換的模極大值，與噪音在高頻部分的均勻表現形成對比，而且噪音的高頻部分隨著小波尺度的增加逐漸減小，在小波變換的低頻部分，行波信號同樣能得到明顯的表現，利用小波變換可有效區(qū)分行波信號中的突變部分和噪聲，達到消噪的效果。文獻［11-13］對小波變換用于行波的處理進行了詳細的研究，分析了db系列小波函數在檢測暫態(tài)行波時的有利方面，介紹了Mallat小波分解與重構快速濾波器組算法，對原始信號進行逐步分解，實現小波變換的數字化處理。

4 基于MATLAB的接地極引線故障測距仿真

由于暫態(tài)電流、電壓行波不受直流輸電系統(tǒng)兩端換流站的控制，其幅值、方向、時間皆能準確反映原始的故障特征而不受影響，并且接地極引線具有直流本身獨特的特點，不存在相間耦合的問題，不用考慮相模問題。對區(qū)外故障（交流側和換流器故障），其暫態(tài)行波信號經邊界傳變至接地極引線行波測量裝置安裝處的高頻分量很小;對于直流線路區(qū)內故障（接地極引線上的故障），高頻暫態(tài)電流不易通過邊界，于行波測量裝置安裝處獲得的暫態(tài)電壓高頻分量較大［14-15］。基于以上分析，本文利用matlab仿真軟件對接地極引線行波故障測距進行了仿真。仿真中接地極引線采用分布參數模型，線路全長50km，行波測量裝置安裝在M端母線處，測得的故障距離以M端為準。對圖4中F1、F2、F3、F4、F5處做不同故障類型做仿真驗證。

圖4 仿真示意圖

4.1 永久性接地故障仿真

圖5 直接接地故障時時域脈沖法波形仿真

圖6 接地故障時A型測量法波形仿真

圖5和圖6給出了高壓直流接地極引線直接接地故障時，在測量端測得的電壓行波波形及經小波變換后的波形。為了更加貼近實際，信號中增加了較強的白噪聲，從圖5（a）、（b）中可以看出，反射行波信號雖然完全被噪聲所淹沒，但經小波去噪后仍能夠較好的分辨初始行波波頭（波1）反射行波波頭（波2），保持原信號的形狀，準確反映行波信號的到達時刻。 在圖6（a）、（b）中，僅經過3次db小波分解后，初始行波和反射行波對應的小波變換高頻部分模極大值點（a、b對應點）可以清晰辨別，與噪聲對應的模極大值點形成明顯對比，即在采用A型單端行波原理進行故障測距時，取小波變換后模極大值點時刻即可達到波頭檢測的目的，而無需再進行信號的重構。通過進一步分析，圖5中初始行波和反射行波時間差為0.00020262s，圖6中時間差為0.00020263s，已測接地極引線波速度為296112km/s，則計算故障距離分別為29.999km和30.059km處，而實際故障距離為30km，測距誤差在誤差小于100米，完全在允許范圍之內。且在直接接地故障時，任一故障測量方式的初始行波和反射行波的極性都相反。

高壓直流接地極引線上發(fā)生的短路故障一般為經過渡電阻短路，接地短路的過渡電阻值可高達幾百歐姆（通常小于300Ω）。選取距測量端30km處故障點進行仿真分析，當接地電阻為30Ω時，仿真結果如下圖7、圖8。通過仿真波形圖7和圖8可以觀察，相對于直接接地故障，其反射行波幅值有所減小，峰值處變化放緩，但并不影響故障的判斷和測距。通過大量的仿真研究表明（見表1），隨著過渡電阻的不斷增大，采取時域脈沖法時，故障點反射電壓行波幅值有所減小，但是通過加大發(fā)射脈沖幅值則可以克服這一問題，不影響故障測距。

圖7 高阻接地故障時域脈沖法仿真

圖8 高阻接地A型故障測距仿真

表1 故障仿真數據

4.2 開路故障仿真

圖9表明線路開路故障時并不影響時域脈沖測量法對故障點距離的測定，反射行波極性與發(fā)射脈沖同極性，可作為故障類型判據。圖10表明開路故障時，A型行波故障測距測量端感受到的行波能量非常小。由以上仿真數據可以看出，基于小波變換的接地極引線實時行波故障測距，能夠滿足實際需要，對線路故障能夠起到測距和判斷的作用。結果表明，接地故障過渡電阻較小時能夠準確的實現故障的測距，隨著過渡電阻的增大，測距精度將有所減小，并增加了測距的難度，對于時域脈沖測量技術，通過增大發(fā)射脈沖幅值，這一情況將有很好的改善。開路故障時，雖然A型行波測距方法不能有效作用，但是脈沖測量法起到很好的彌補作用。滿足了故障測距要求，并為進一步研制接地極引線行波測距裝置提供了理論和技術依據。

圖9 開路故障后時域脈沖測量仿真

圖10 開路故障A型行波故障測距仿真

5 總結

雙極方式是直流輸電系統(tǒng)中最常見的運行方式，接地極引線作為直流輸電的重要組成部分，屬于較容易故障的設備。目前行波原理在接地極引線中應用多為ABB行波保護和西門子行波保護，故障誤判率高、反應速度慢，且不能實現故障測距。對此本文根據雙極兩端中性點接地方式下接地線路實際運行的特點，提出了基于行波原理的接地極引線故障測距方法，并對各種故障進行了仿真，結果表明該方法可快速準確實現故障測距，判斷接地極引線的各種故障，對快速排查故障降低整個直流輸電系統(tǒng)的停運率有很大益處。

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