高壓直流接地極線路故障特性仿真及其故障測(cè)距新算法研究

程星星，張懌寧，王健，梁華彬

（1.華南理工大學(xué)，廣東廣州　510630；2.南方電網(wǎng)超高壓輸電公司檢修試驗(yàn)中心研究生工作站，廣東廣州　510507）

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高壓直流接地極線路故障特性仿真及其故障測(cè)距新算法研究

程星星1，2，張懌寧2，王健1，梁華彬1

（1.華南理工大學(xué)，廣東廣州510630；2.南方電網(wǎng)超高壓輸電公司檢修試驗(yàn)中心研究生工作站，廣東廣州510507）

摘要：高壓直流輸電系統(tǒng)可用大地構(gòu)成輸電回路，接地極系統(tǒng)運(yùn)行方式復(fù)雜。建立了±500 kV直流輸電系統(tǒng)仿真模型，分析了接地極線路故障時(shí)的運(yùn)行特性，并針對(duì)接地極線路單線短路故障，提出了一種基于貝杰龍模型的接地極線路故障測(cè)距新方法。利用故障后首端電壓和兩出線電流推算沿線電壓分布，根據(jù)故障點(diǎn)或極址點(diǎn)為全線電壓最小值的特點(diǎn)構(gòu)造故障測(cè)距函數(shù)，計(jì)算出故障距離。PSCAD/EMTDC仿真計(jì)算結(jié)果和工程實(shí)例表明，該算法可在接地極全線范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)故障定位，且具有較高精度。

關(guān)鍵詞：高壓直流輸電；接地極線路；貝杰龍模型；故障測(cè)距；電壓分布。

目前國(guó)內(nèi)已投運(yùn)的高壓直流輸電（HVDC）系統(tǒng)多為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)直流輸電系統(tǒng)，一般采用大地回線運(yùn)行方式，其兩端換流站中性母線經(jīng)由接地極可靠接地。在實(shí)際工程中，接地極址一般選擇遠(yuǎn)離換流站的偏僻地區(qū)，與換流站中性母線通過兩平行架構(gòu)的接地極線路連接，線路長(zhǎng)度因極址地理位置而定，一般在幾十以至上百公里。

高壓直流系統(tǒng)在雙極大地回線運(yùn)行方式時(shí)，接地極線路流過雙極不平衡電流，同時(shí)限制換流閥中性點(diǎn)電位，保護(hù)換流閥的安全；在單極大地回線運(yùn)行方式時(shí)，接地極址入地電流為系統(tǒng)輸電線路運(yùn)行電流，此電流可達(dá)數(shù)千安，形成電流場(chǎng)會(huì)加速附近金屬管道的腐蝕，現(xiàn)有部分直流系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)程不允許長(zhǎng)時(shí)間采用該方式運(yùn)行。但在直流工程投產(chǎn)初期或雙極系統(tǒng)某一極發(fā)生故障導(dǎo)致單極閉鎖時(shí)，為了發(fā)揮直流工程輸電效益、減少因故障造成的輸電損失，直流系統(tǒng)正常極往往采用單極大地回線運(yùn)行方式，輸送雙極系統(tǒng)一半的功率，保障供受端交流系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，接地極系統(tǒng)對(duì)HVDC系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)高效運(yùn)行具有重要意義[1-3]。

直流系統(tǒng)在單極大地回線運(yùn)行方式下，接地極線路發(fā)生故障時(shí)，會(huì)危及故障點(diǎn)附近人畜安全，干擾通訊設(shè)施，甚至中斷系統(tǒng)功率傳送；在雙極大地回線運(yùn)行方式下，當(dāng)系統(tǒng)某一極輸電線路發(fā)生故障而需要單極閉鎖操作時(shí)，若接地極線路運(yùn)行狀態(tài)不明確，系統(tǒng)無法轉(zhuǎn)換為單極大地回線運(yùn)行方式，從而導(dǎo)致雙極閉鎖。因此，接地極系統(tǒng)對(duì)HVDC系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義，有必要開展接地極線路故障特性及測(cè)距研究，快速定位故障。

目前，針對(duì)接地極系統(tǒng)的研究主要集中在接地極線路故障時(shí)不平衡保護(hù)的動(dòng)作策略上[4]，對(duì)接地極線路故障特性分析及故障定位的研究較少。文獻(xiàn)[5]僅提出了一種辨別接地極線路近端金屬性短路與斷線故障的方法，未對(duì)接地極線路故障特性進(jìn)行全面分析；文獻(xiàn)[6-8]根據(jù)故障行波在接地極線路不均勻點(diǎn)折反射傳播過程，在線路首端檢測(cè)兩次故障行波到達(dá)時(shí)間差來計(jì)算故障距離。但行波法對(duì)采樣頻率要求較高，且行波波頭難于識(shí)別，在實(shí)際應(yīng)用中易出現(xiàn)測(cè)距失敗情況。文獻(xiàn)[9-12]闡述了高壓輸電線路的故障特點(diǎn)，并將故障分析法用于直流輸電線路的故障測(cè)距研究。本文以PSCAD/EMDTC為仿真平臺(tái)，建立南方電網(wǎng)某±500 kV高流直流輸電系統(tǒng)仿真模型，通過仿真，分析接地極線路發(fā)生各種故障時(shí)，電氣量的變化特征及沿線分布情況，并采取接地極線路的貝杰龍模型，利用其首端電氣量推算故障點(diǎn)或極址點(diǎn)電壓，構(gòu)造故障定位函數(shù)，計(jì)算故障距離。

1　HVDCT接地極系統(tǒng)模型

以南方電網(wǎng)某±500 kV雙端直流輸電工程為例，建立HVDCT接地極系統(tǒng)模型如圖1所示。系統(tǒng)雙極額定功率3 200 MW，可在雙極大地、單極大地和單極金屬回線方式下運(yùn)行。圖中C1、C2為接地極線路過電壓吸收電容，可以吸收因遭受雷擊或斷線故障產(chǎn)生的能量；K1、K2為轉(zhuǎn)換開關(guān)，用于系統(tǒng)不同運(yùn)行方式的切換；M點(diǎn)為接地極線路電氣量測(cè)量點(diǎn)，測(cè)量首端電壓及其兩分支出線電流；F為故障點(diǎn)，G為極址點(diǎn)；Rg為極址電阻。

圖1　HVDCT接地極系統(tǒng)模型Fig. 1 Simulation model for the HVDC electrode line

2　接地極線路故障特性分析

本文以HVDC系統(tǒng)單極大地回線運(yùn)行方式為例，分析接地極線路發(fā)生單線接地、單線斷線及相間短路故障時(shí)的電氣量變化特征及沿線分布情況。

2.1接地故障

接地極系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)經(jīng)極址處于良好接地。當(dāng)發(fā)生單線接地故障時(shí)，接地極線路將處于兩點(diǎn)接地狀態(tài)，系統(tǒng)不平衡電流將在極址和故障點(diǎn)之間分布。當(dāng)該故障為金屬性接地故障時(shí)，即過渡電阻小于極址電阻，電流分布如圖2所示，非故障線路l1上的電流i3將在極址N處分流，經(jīng)極址G和故障點(diǎn)F流入大地；而故障線路l2的電流i2全部在故障點(diǎn)F處流入大地。此時(shí)故障點(diǎn)電壓為全線電壓最小值。當(dāng)該故障為高阻接地故障時(shí)，即故障的過渡電阻大于極址電阻，電流分布如圖3所示，故障線路l2電流i5將在故障點(diǎn)F處分流，經(jīng)故障點(diǎn)F和極址點(diǎn)G流入大地，非故障線路l1上的電流i3全部在極址流入大地，此時(shí)極址處電壓為全線電壓最小值。

圖2　金屬性接地故障電流分布圖Fig. 2 Current distribution of the metallic grounded fault

圖3　高阻接地故障電流分布圖Fig. 3 Current distribution of the high-impedancegrounded fault

圖中xf為故障點(diǎn)到量測(cè)端的距離；uM為量測(cè)端電壓；i1為線路l1的出線電流；i2為線路l2的出線電流；r為接地極線路單位長(zhǎng)度電阻；l為接地極線路從量測(cè)端到極址點(diǎn)的距離。

2.2單線斷線故障

當(dāng)接地極線路發(fā)生單線斷線故障時(shí)，故障線路l2上的電流i2為0，系統(tǒng)不平衡電流經(jīng)非故障線路l1在極址點(diǎn)處流入大地，線路總阻抗增加，線路l1沿線電壓升高。

2.3相間短路故障

接地極線路兩條架空引出線的阻抗具有對(duì)稱性，兩線流過大小相等的直流電流。當(dāng)發(fā)生相間短路時(shí)，不破壞2條出線的對(duì)稱性，線路電氣量特征及沿線分布基本不變。

3　接地極線路故障特性仿真

以PSCAD/EMTDC為仿真分析平臺(tái)，基于南方電網(wǎng)某直流輸電系統(tǒng)建立HVDC系統(tǒng)仿真模型（見圖1）。HVDC系統(tǒng)以單極大地回線運(yùn)行方式為例，額定輸送功率1 600 MW，整流側(cè)采取定電流控制，逆變側(cè)采用定電壓控制。

接地極線路選擇貝杰龍參數(shù)模型，線路長(zhǎng)度設(shè)為100 km，線路參數(shù)為r=0.021 5 Ω/km，l= 1.273 3 mH/km，c=1.04×10-8F/km，極址電阻Rg= 0.657 Ω。仿真采樣頻率為20 kHz，仿真時(shí)長(zhǎng)12.25 s（其中直流仿真模型從啟動(dòng)到穩(wěn)定運(yùn)行需要10 s），設(shè)在12.1 s時(shí)發(fā)生故障，故障位置設(shè)定在整流側(cè)接地極線路2距首端40 km處，故障類型為過渡電阻分別為5 Ω和0.1 Ω單線接地、單線斷線故障及相間短路故障。故障電壓和電流的仿真波形如圖4～圖7所示。

圖4　金屬性接地故障波形圖Fig. 4 Waveform of the metallic grounding fault

為了判斷故障線路電流在極址處的流向，監(jiān)測(cè)接地極線路l2在極址處的注入電流I_gnd2。如圖4所示，系統(tǒng)在單極大地回線運(yùn)行方式下，接地極中性母線上的電壓約為4.85 kV，且含有較為穩(wěn)定的諧波分量，兩出線電流大小相等，均為1.6 kA。發(fā)生金屬性接地短路時(shí)，中性母線電壓有較大幅度下降，故障線路電流大幅增加，非故障線路電流減小，故障線路在極址處的注入電流I_gnd2在故障后反向，由極址流向故障點(diǎn)，在接地極線路上形成局部回流。

圖5　高阻接地故障波形圖Fig. 5 Waveform of the high-impedance-grounded fault

圖6　單線斷線故障波形圖Fig. 6 Waveform of the single line break-down fault

圖7　相間短路波形圖Fig. 7 Waveform of the interphase short circuit

發(fā)生高阻接地故障后，如圖5所示，接地極中性母線電壓經(jīng)過短暫波動(dòng)后略有降低；故障線路電流增大，并在極址處入地電流I_gnd2大于0，流向不變；非故障線路電流減小，沿極址流入大地。

發(fā)生斷線故障時(shí)，由圖6可知，故障線路電流降為零，非故障線路電流經(jīng)過短時(shí)波動(dòng)穩(wěn)定在3.2 kA，故障瞬間可在中性母線產(chǎn)生40 kV的沖擊過電壓，經(jīng)過震蕩衰減后穩(wěn)定在8.6 kV，高于線路正常運(yùn)行電壓。

接地極雙回線路發(fā)生相間短路后，由圖7可見，中性母線電壓和兩出線電流基本沒有變化，說明雙回接地極線路發(fā)生對(duì)稱性故障不影響線路電壓分布與電流流向。

4　接地極線路故障測(cè)距新方法

雙端故障測(cè)距方法需在極址處和換流站分別安裝測(cè)距裝置。由于極址通常位于偏遠(yuǎn)區(qū)域，無人值守，裝置取電和維護(hù)極不便利，所以雙端法故障測(cè)距在實(shí)際工程中難以應(yīng)用。在換流站側(cè)，接地極線路出線端都裝有電壓電流監(jiān)測(cè)裝置，具備單端法故障測(cè)距的條件。

本文根據(jù)線路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，建立接地極線路的貝杰龍模型；利用換流站測(cè)量端電氣量，分別從不同方向計(jì)算沿線分布電壓和分布電流；根據(jù)計(jì)算出來的沿線分布電壓在故障點(diǎn)處時(shí)時(shí)相等的特性，構(gòu)造故障定位函數(shù)。實(shí)際計(jì)算中，當(dāng)接地極線路發(fā)生單線金屬性接地故障時(shí)，如圖2所示，故障點(diǎn)電壓為全線電壓最小值，從兩個(gè)不同方向分別計(jì)算故障點(diǎn)電壓，根據(jù)這兩個(gè)故障點(diǎn)電壓差值最小的特性構(gòu)造測(cè)距函數(shù)；當(dāng)發(fā)生高阻接地故障時(shí)，如圖3所示，極址點(diǎn)電壓為全線電壓最小值，從兩個(gè)不同方向分別計(jì)算極址點(diǎn)電壓，根據(jù)這兩個(gè)極址點(diǎn)電壓差值最小的特性構(gòu)造測(cè)距函數(shù)。求解測(cè)距函數(shù)即得故障距離。計(jì)算過程如下：

文獻(xiàn)[13]推導(dǎo)了沿線任意時(shí)刻電壓電流分布的計(jì)算公式，已知線路量測(cè)端電壓和出線電流，依據(jù)接地極線路的貝杰龍等效模型，可計(jì)算沿線任意時(shí)刻的電壓電流分布為

式中：r、Zc、v分別為線路電阻率、特征阻抗和波速度；uM（t）、iM（t）分別為t時(shí)刻M端的電壓和電流；u（x，t）、i（x，t）分別為t時(shí)刻距M端x處的電壓、電流。

1）對(duì)于金屬性接地故障，故障點(diǎn)電壓為全線電壓最小值，線路電流分布如圖2所示。利用故障后從不同方向計(jì)算出來的故障點(diǎn)電壓時(shí)時(shí)相等的特點(diǎn)，列寫測(cè)距函數(shù)的步驟如下：

①設(shè)故障距離為xf，根據(jù)貝杰龍電壓電流沿線分布式（1）和式（2），由接地極線路測(cè)量端電壓uM和故障線路l2的電流i2計(jì)算故障點(diǎn)電壓uf1。

②根據(jù)貝杰龍電壓電流沿線分布式（1）和式（2），由測(cè)量端電壓uM和非故障線路l1的電流i1計(jì)算極址點(diǎn)電壓ug和電流i3。

③由極址邊界條件，故障線路l2末端電流i4=－ug/ Rg+i3，再由極址電壓和故障線路l2極址側(cè)電流i4計(jì)算故障點(diǎn)電壓uf2。

④由故障點(diǎn)電壓時(shí)時(shí)相等列寫測(cè)距函數(shù)如下：

式中：t1、t2為數(shù)據(jù)冗余時(shí)間。由式（1）和式（2）可知，求得極址點(diǎn)特定時(shí)間電壓值需2倍的全線傳播時(shí)間，再由極址電氣量計(jì)算全線電壓分布也需2倍全線傳播時(shí)間，所以利用首端電氣量從不同方向推算線路單點(diǎn)電壓需4倍全線傳播時(shí)間，再加上式（3）冗余數(shù)據(jù)長(zhǎng)度（3 ms左右），該算法所需數(shù)據(jù)長(zhǎng)度tw為

輸電線路波速略低于光速，由式（4）可知，對(duì)于100 km長(zhǎng)的接地極線路，5 ms左右的數(shù)據(jù)時(shí)窗滿足測(cè)距要求。當(dāng)t1、t2一定時(shí)，f1（x）為故障距離x的函數(shù)。

理論上，式（3）為0時(shí)所對(duì)應(yīng)的x值即是故障距離。但在實(shí)際計(jì)算中，由于舍入誤差和計(jì)算精度的影響，式（3）很難取到0，一般遍歷求解其最小值時(shí)所對(duì)應(yīng)x當(dāng)作故障距離，即故障定位函數(shù)為

2）對(duì)于高阻接地故障，極址點(diǎn)電壓為全線電壓最小值，線路電流分布見圖3，利用故障后從不同方向計(jì)算出來的極址點(diǎn)電壓時(shí)時(shí)相等的特點(diǎn)，列寫測(cè)距函數(shù)的步驟如下：

①根據(jù)貝杰龍電壓電流沿線分布式（1）和式（2），由測(cè)量端電壓uM和非故障線路l1的電流i1計(jì)算極址點(diǎn)電壓ug1；

②設(shè)故障距離為xf，由測(cè)量端電壓uM和故障線路l2的電流i2計(jì)算故障點(diǎn)電壓uf和電流i5；

③設(shè)過渡電阻為Rf，根據(jù)故障邊界條件，得故障點(diǎn)流向極址點(diǎn)的電流i6=uf/Rf－i5，Rf∈[Rmin，Rmax]，其中，Rmin、Rmax為過渡電阻的搜索范圍，包含過渡電阻真實(shí)值；

④由故障點(diǎn)電壓uf和電流i6計(jì)算極址點(diǎn)電壓ug2；

⑤再根據(jù)極址點(diǎn)電壓時(shí)時(shí)相等列寫測(cè)距函數(shù)為

當(dāng)數(shù)據(jù)時(shí)窗t1、t2一定時(shí)，f2（x）為故障距離x和過渡電阻Rf的函數(shù)。

由于接地過渡電阻未知，可通過二維搜索求解式（6）最小值時(shí)所對(duì)應(yīng)的x即是故障距離，相應(yīng)故障定位函數(shù)為

為了快速獲取計(jì)算結(jié)果，本文采用粒子群算法求解測(cè)距函數(shù)（5）和（7）。粒子群算法首先將故障距離與過渡電阻初始化為一群隨機(jī)粒子、測(cè)距函數(shù)作為適應(yīng)度函數(shù)，然后通過個(gè)體極值和全局極值迭代更新找到最優(yōu)解，即故障距離。

5　故障測(cè)距仿真及實(shí)例驗(yàn)證

5.1故障測(cè)距仿真

基于本文第3節(jié)仿真環(huán)境，本節(jié)仿真設(shè)置采樣頻率為100 kHz，利用12.245 s～12.250 s的數(shù)據(jù)時(shí)窗進(jìn)行故障定位計(jì)算。在全線范圍每隔10 km設(shè)置一個(gè)故障點(diǎn)，對(duì)金屬性接地故障與高阻接地故障分別采用故障定位函數(shù)（5）和（7），計(jì)算測(cè)距結(jié)果如表1和表2所示。

由仿真結(jié)果可見：該算法對(duì)金屬性接地故障和高阻接地故障最大測(cè)距誤差均小于0.6 km，最大測(cè)距相對(duì)誤差在0.6%范圍內(nèi)，具有較高的測(cè)距精度，并對(duì)全線范圍內(nèi)的接地故障均可實(shí)現(xiàn)精確定位。在實(shí)際工程中，接地極極址都經(jīng)過良好接地，線路發(fā)生的接地故障時(shí)，過渡電阻一般大于極址電阻，在本算法中都可看作高阻接地故障處理。

表1　金屬性接地故障測(cè)距結(jié)果Tab. 1 Location result of the metallic grounded fault

表2　高阻接地故障測(cè)距結(jié)果Tab. 2 Location result of the high-impedancegrounded fault

5.2實(shí)例驗(yàn)證

2008年07月28日，某直流輸電系統(tǒng)接地極線路發(fā)生單線接地故障，其換流站接地極線路不平衡保護(hù)（60EL）動(dòng)作，啟動(dòng)極閉鎖順序，閉鎖直流極，實(shí)際尋線發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)距換流站54.42 km。換流站采樣錄波數(shù)據(jù)頻率為6.4 kHz，為了提高定位精度，對(duì)錄波數(shù)據(jù)采取5倍插值，再利用本文接地極線路高阻故障的測(cè)距算法，測(cè)得故障距離為53.03 km。實(shí)例驗(yàn)證表明，本文測(cè)距算法滿足實(shí)際工程中的精度需求。

6　結(jié)論

1）接地極線路故障時(shí)，具備以下特征：①發(fā)生金屬性單線接地故障時(shí)，故障線路末端電流成逆向流動(dòng)，并在故障點(diǎn)注入大地，此時(shí)，故障點(diǎn)為全線電壓最低點(diǎn)；發(fā)生高阻接地故障時(shí)，故障線路電流會(huì)在故障點(diǎn)分流，并在極址點(diǎn)注入大地，此時(shí)，極址點(diǎn)為全線電壓最低點(diǎn)。②發(fā)生單線斷線故障時(shí)，故障瞬間將產(chǎn)生較高的暫態(tài)過電壓，非故障線路沿線電壓上升。③發(fā)生相間短路時(shí)，線路電壓分布和電流流通形式基本無變化。

2）提出了一種基于貝杰龍模型的接地極線路故障測(cè)距新方法，可在全線范圍內(nèi)精確定位接地極單線接地故障。仿真試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該方法的有效性和實(shí)用性。

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程星星（1990—），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)故障測(cè)距；

張懌寧（1973—），男，教授級(jí)高級(jí)工程師，工學(xué)博士，主要從事超高壓交、直流輸電系統(tǒng)自動(dòng)化、故障測(cè)距、繼電保護(hù)與控制的研究、仿真和檢修工作；

王?。?965—），女，副教授，主要研究方向?yàn)殡娏κ袌?chǎng)；

梁華彬（1991—），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡娏κ袌?chǎng)需求響應(yīng)。

（編輯李沈）

HVDC Grounding Electrode Line Fault Simulation and Its New Fault Location Algorithm Research

CHENG Xingxing1，2，ZHANG Yining2，WANG Jian1，LIANG Huabin1
（1. South China University of Technology，Guangzhou 510630，Guangdong，China；2. Graduate Workstation of CSG EHV M&T Center，Guangzhou 510507，Guangdong，China）

ABSTRACT：With earth taken as part of the HVDC system loop，the grounding electrode system is connected to ground effectively，the operation mode of the system is different from normal HVDC lines. A±500 kV HVDC system model is established in this paper by using PSCAD/EMTDC simulation platform，based on which the fault operation characteristic of grounding electrode line is simulated and analyzed，and a fault location method based on the Bergeron line model aimed at single line grounded short circuit is also put forward in this paper. The head-end voltage and current of two outlets after fault are used to calculate the voltage distribution along line. According to the characteristics that the fault or electrode point is the minimum voltage along line，the fault location function is established to calculate the fault distance. The simulation result and project instances indicate that the fault of the grounding electrode line can be located accurately with the proposed method. KEY WORDS：HVDC；grounding electrode line；Bergeron line model；fault location；voltage distribution

作者簡(jiǎn)介：

收稿日期：2015-11-06。

文章編號(hào)：1674- 3814（2016）03- 0105- 06

中圖分類號(hào)：TM721.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A