高壓直流輸電線路故障定位技術(shù)及應(yīng)用實踐微探

張磊　王啟程

摘 要：在高壓直流系統(tǒng)中，直流輸電線路的故障率最高，其中常見的故障是因樹枝、污穢或雷擊等環(huán)境因素所致的閃絡(luò)和對地故障。這將降低直流輸電的可靠性。鑒于高壓直流輸電線路故障點的找尋困難，則需引入可靠且準確的故障定位技術(shù)。據(jù)此，結(jié)合相關(guān)知識，介紹了幾種常用的高壓直流輸電線路故障定位技術(shù)。

關(guān)鍵詞：高壓直流輸電線路；故障定位技術(shù)；小波變換法；數(shù)學形態(tài)法

中圖分類號：TM755 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.05.142

直流輸電線路具有距離長、工作條件差、故障率高及故障巡線難度大等特點。為了快速且準確地找到故障點，要求從客觀實際出發(fā)來選用故障定位技術(shù)，其中較為常用的高壓直流輸電線路故障定位方法包括行波定位法、故障分析法2種。本文，筆者以行波定位法為例展開討論，即分別包括小波變換法、數(shù)字形態(tài)法、希爾伯特-黃變換法、獨立分量法和固有頻率法等。

1 小波變換法

小波變換法的時域局部化性能較好，其可在任一時間段（時長短）內(nèi)給出相應(yīng)行波信號的頻率，則可準確且快速地找出行波的波頭。據(jù)此，在高壓直流輸電線路故障定位時，可用小波變換法來提取故障行波的特點及消除行波色散對測距精度的影響。但在這一過程中，需以行波特點為依據(jù)來選取相應(yīng)的分解尺度和小波基。另外，亦可用小波變換法來提取高頻暫態(tài)信號，如此便可通過查找故障極線路來辨識故障極初始電流的行波波頭，繼而利用小波變換的模極大值來定位兩端的行波故障。一般而言，可將小波變換法運用在單、雙級高壓直流輸電線路中。但在實際應(yīng)用中，需將小波基的類型、數(shù)據(jù)窗口的寬度、信號的分解尺度與采樣率及積分運算等考慮其中。如果判定小波基不具備自適應(yīng)性，則不得在故障定位分析時用一組小波基。

2 數(shù)學形態(tài)法

作為非線性分析法，數(shù)學形態(tài)法在檢測濾波和信號突變點時更具優(yōu)勢。在實際應(yīng)用中，數(shù)學形態(tài)法的表現(xiàn)形式多樣，主要有以下2種：①故障線路辨識測距法，其是運用數(shù)學形態(tài)學來多分辨形態(tài)梯度處理故障的暫態(tài)電壓行波。應(yīng)用表明，這一快速行波波頭檢測方法的測距精度較高以及對噪音的魯棒性較好。②多尺度濾波算法，其是運用數(shù)學形態(tài)學來保護行波及準確識別行波波頭。總之，基于數(shù)學形態(tài)學的高壓直流輸電線路故障定位方法既可準確區(qū)分故障與非故障線路，又可準確定位故障，同時運用數(shù)學形態(tài)學來對雙向電壓行波浪涌進行變換分離，既可得到暫態(tài)行波突變點的相應(yīng)時刻，又可提高抗干擾性。但在形態(tài)運算中，數(shù)學形態(tài)學的運算結(jié)果取決于結(jié)構(gòu)元素的大小和形態(tài)，則在選擇結(jié)構(gòu)元素時，應(yīng)將干擾信號、原始信號及需保持圖形的實際要求等考慮其中。

3 希爾伯特-黃變換法

作為一種新的信號處理方法，希爾伯特-黃變換法（以下簡稱“希爾伯特-黃”）可用來處理非平穩(wěn)、非線性信號。針對希爾伯特-黃的應(yīng)用研究，具體表現(xiàn)在以下幾方面：①在行波波頭檢測中，可運用波爾波特-黃來算出故障距離；②在時域中，希爾伯特-黃可以信號為依據(jù)來實現(xiàn)自適應(yīng)分解，無需選取分解尺度和奇函數(shù)；③在高壓直流輸電行波保護中，可運用希爾伯特-黃提供的思路來分析行波波形，同時根據(jù)直流線路低電壓等判據(jù)來建構(gòu)直流輸電線路行波保護方案；④在EMD分解時，需將包絡(luò)線擬合與分解的端點問題考慮其中，并據(jù)此改進算法，即用3次樣條插值來完成擬合及用極值鏡像延拓來對端點效應(yīng)進行消除處理。

4 獨立分析法

作為一種盲源分離方法，獨立分量法在實際應(yīng)用中具有如下特點：①鑒于獨立分析法對目標和環(huán)境的要求較低，則在提取特征、識別語音等方面表現(xiàn)出可觀的應(yīng)用價值；②運用FastICA算法來分離多通道傳感器提供的直流電流與電壓信號的盲源，可恢復(fù)經(jīng)去噪處理的系統(tǒng)故障源信號，如此便可提取出故障的特征；③運用FastICA算法來處理直流線路故障電流信號，可將電流特征信號分離，可測出行波波頭的初始值及第二個行波波頭何時抵達測量點，可判定極性關(guān)系，并最終完成故障測距。但需注意的是，獨立分量法受限于如下條件，即源信號間應(yīng)保持相互獨立關(guān)系，且高斯信號至多有一個。

5 固有頻率法

鑒于直流輸電線路為單一線路，則可通過提取固有頻率來進行故障測距。其中，針對高壓直流輸電線路固有頻率的提取，可運用參數(shù)頻率估計方法，即故障行波具備諧波的相關(guān)特征，則可運用以（衰減）正弦諧波模型為依據(jù)的參數(shù)頻率估計方法來提取行波固有頻率。在實際應(yīng)用中，固有頻率法的應(yīng)用特點包括以下幾個：①直流輸電線路故障的距離與其行波頻譜間具有數(shù)學關(guān)系，可從故障行波頻譜的角度來進行故障測距；②以行波固有頻率為依據(jù)的測距方法一般不受限于行波波頭的識別，則通過分析暫態(tài)電壓的頻譜，便可獲得行波固有頻率的成分及實現(xiàn)故障測距；③根據(jù)線路兩端數(shù)據(jù)，運用Prony算法便可完成行波固有頻率的提取，繼而實現(xiàn)故障定位；④可將固有頻率法與行波法組合成一種新的高壓直流輸電線路故障定位方法——單端行波故障測距法，如此通過分解集成檢驗?zāi)B(tài)來完成行波高頻分量的提取，同時通過識別行波波頭來提取時間參數(shù)，從而完成行波波速的選取。

6 結(jié)束語

在高壓直流輸電線路故障定位中，行波定位法的運用效果顯著。但在實際應(yīng)用中，還需攻克如下技術(shù)難題：①在行波波頭發(fā)生故障時，行波故障定位方法將會失效；②行波故障定位精度主要與波速度、采樣頻率等有關(guān)，則在實際應(yīng)用中，應(yīng)控制好波速的變化及選用采樣頻率較高的行波測距裝置；③在行波故障定位時，要求安排專業(yè)人員來識別行波波頭?？傊?，高壓直流輸電線路故障定位極具復(fù)雜性，應(yīng)以故障特點及技術(shù)特點為依據(jù)來選擇最佳的故障定位技術(shù)。

參考文獻

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〔編輯：劉曉芳〕