雙極直流輸電線路暫態(tài)高頻小波能量保護(hù)

金恩淑，馬仲濤，夏國(guó)武，許 晶

(1.東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院，吉林 吉林 132012；2.安徽省電力公司蚌埠供電公司，安徽 蚌埠 233000；3.國(guó)網(wǎng)通遼供電公司，內(nèi)蒙古 通遼 028000)

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雙極直流輸電線路暫態(tài)高頻小波能量保護(hù)

金恩淑1，馬仲濤2，夏國(guó)武3，許 晶1

(1.東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院，吉林 吉林 132012；2.安徽省電力公司蚌埠供電公司，安徽 蚌埠 233000；3.國(guó)網(wǎng)通遼供電公司，內(nèi)蒙古 通遼 028000)

隨著高壓直流輸電的推廣，針對(duì)直流系統(tǒng)的保護(hù)配置也在不斷改進(jìn)。直流線路作為直流輸電系統(tǒng)的核心元件，其保護(hù)配置一直是研究重點(diǎn)。本文利用小波變換提取故障暫態(tài)時(shí)電壓高頻信號(hào)，通過檢測(cè)電壓高頻信號(hào)小波能量突變量的大小及比較正負(fù)極小波能量的大小，提出一種直流輸電線路的全線速動(dòng)保護(hù)新方法。該方法原理簡(jiǎn)單、動(dòng)作迅速、耐過渡電阻能力強(qiáng)。利用PSCAD搭建仿真模型，對(duì)各種類型故障進(jìn)行仿真，結(jié)果表明，該保護(hù)具有絕對(duì)的選擇性，能有效可靠保護(hù)直流線路全長(zhǎng)。

直流輸電；高頻信號(hào)；暫態(tài)保護(hù)；小波變換

直流輸電技術(shù)作為一個(gè)新興的輸電技術(shù)，由于其輸送容量大、輸送距離遠(yuǎn)、建造成本低、無同步運(yùn)行等特點(diǎn)在遠(yuǎn)距離大容量、非同步運(yùn)行、海島供電等項(xiàng)目中較交流具有明顯的優(yōu)勢(shì)。中國(guó)由于其人口分布不均勻，能源中心與負(fù)荷中心距離遙遠(yuǎn)等基本國(guó)情問題給直流輸電提供了廣闊的運(yùn)用空間及發(fā)展前景。我國(guó)相繼建設(shè)了向家壩—上海、錦屏—蘇南、寧東—山東等多條大容量遠(yuǎn)距離的特高壓直流輸電線路，就已投運(yùn)的直流輸電容量而言，我國(guó)已是一個(gè)直流輸電大國(guó)，但對(duì)于關(guān)鍵技術(shù)的研究還很薄弱。線路工作環(huán)境惡劣、故障率高、故障后對(duì)系統(tǒng)影響巨大，因此線路保護(hù)的研究一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的重點(diǎn)[1-2]。

目前我國(guó)的直流輸電線路保護(hù)多數(shù)是由ABB與Siemens公司所提供，主保護(hù)為行波保護(hù)。直流線路發(fā)生故障時(shí)，會(huì)從故障點(diǎn)向線路兩端傳播故障行波，即反行波。行波保護(hù)就是利用反行波來識(shí)別故障。行波保護(hù)動(dòng)作迅速，能實(shí)現(xiàn)全線速動(dòng)，但行波保護(hù)存在耐過渡電阻能力不高，且理論不嚴(yán)密，缺乏整定依據(jù)而需要通過仿真進(jìn)行整定等問題。后備保護(hù)為低電壓保護(hù)及電流差動(dòng)保護(hù)。低電壓保護(hù)的原理為當(dāng)電壓低于一定程度時(shí)，保護(hù)將會(huì)啟動(dòng)，但低電壓保護(hù)對(duì)多高阻接地故障與區(qū)外故障無法區(qū)分，缺乏選擇性。電流差動(dòng)保護(hù)的作用是切除高阻接地故障，但運(yùn)用在直流輸電系統(tǒng)中具有一定延時(shí)性，原因是當(dāng)區(qū)外發(fā)生故障時(shí)，直流端電壓的改變會(huì)導(dǎo)致分布電容充放電，會(huì)影響差動(dòng)電流的計(jì)算，保護(hù)需要躲過這段時(shí)間，因此具有延時(shí)性。在多起高阻接地事故中，縱聯(lián)差動(dòng)未及時(shí)動(dòng)作，導(dǎo)致極控低壓保護(hù)或最大觸發(fā)角保護(hù)動(dòng)作而閉鎖故障極，使系統(tǒng)直接停運(yùn)，失去了重啟的機(jī)會(huì)[3-5]。

針對(duì)直流輸電線路保護(hù)存在的易誤動(dòng)、整定困難、耐過渡電阻能力不足等問題，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。文獻(xiàn)[6]提出一種利用平波電抗器和直流濾波器組成的物理邊界的特性，構(gòu)建了直流輸電線路單端電氣量保護(hù)。該保護(hù)利用物理邊界對(duì)高頻信號(hào)的阻滯作用來區(qū)分區(qū)內(nèi)外故障，但由于長(zhǎng)距離輸電線路對(duì)信號(hào)也有衰減作用，因此該方法無法區(qū)分區(qū)內(nèi)末端高阻故障與區(qū)外故障，失去了選擇性。文獻(xiàn)[7]改進(jìn)了縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)原理，利用故障暫態(tài)時(shí)整流側(cè)與逆變側(cè)電流突變極性變化構(gòu)成保護(hù)判據(jù)，該原理利用了故障分量方法提取特征信號(hào)，削弱了過渡電阻的影響，能夠?qū)Υ蟛糠指咦杞拥毓收险_動(dòng)作，但未考慮故障極對(duì)正常極的影響，可能會(huì)造成正常極誤動(dòng)[8]。綜上所述，一種動(dòng)作迅速、選擇性好、耐過渡電阻能力強(qiáng)、全線速度的直流輸電線路保護(hù)新方法亟待提出。

本文利用小波變換提取故障暫態(tài)時(shí)電壓高頻信號(hào)，通過檢測(cè)電壓高頻信號(hào)小波能量突變量的大小及比較正負(fù)極小波能量的大小，提出一種直流輸電線路的全線速動(dòng)保護(hù)新方法。該方法整定簡(jiǎn)單，故障特征明顯，具有絕對(duì)的選擇性與靈敏性。

1 高壓直流輸電系統(tǒng)的構(gòu)成

圖1 雙極直流輸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 邊界元件結(jié)構(gòu)圖

圖3 邊界傳輸函數(shù)幅頻特性

雙極直流輸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示。保護(hù)安裝在整流側(cè)正極與負(fù)極的M處，測(cè)量數(shù)據(jù)為線路的對(duì)地電壓。L為平波電抗器，它與直流濾波器共同組成了直流輸電線路的邊界。

2 電壓高頻信號(hào)突變分析

2.1 邊界特性

直流輸電線路邊界是由平波電抗器與直流濾波器共同完成的。結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2中，U1為換流站閥側(cè)電壓，U2為直流線路保護(hù)安裝處電壓[9]。定義邊界傳輸特性為E(jω)。

E(jω) =U2/U1

=[ZD(jω)]/[ZL(jω)+ZD(jω)] ，

(1)

式中：ZD為直流濾波器的阻抗，ZL為平波電抗器的阻抗。

由式(1)可以得到直流輸電線路邊界傳輸函數(shù)E(jω)的幅頻特性如圖3所示。

圖3中，當(dāng)f處于低頻段(02 kHz)時(shí)，E(jω)幅值為0，表明邊界元件對(duì)高頻信號(hào)有很強(qiáng)的阻滯效果。區(qū)外故障時(shí)，電壓信號(hào)通過邊界元件傳輸?shù)奖Ｗo(hù)安裝處，由于高頻信號(hào)被邊界所濾除，因此保護(hù)所采集到的電壓高頻信號(hào)很少；區(qū)內(nèi)故障時(shí)，電壓信號(hào)不經(jīng)過邊界直接被保護(hù)所接收，保護(hù)采集到的高頻信號(hào)很多。因此可以通過檢測(cè)保護(hù)采集到的高頻信號(hào)的多少來判別故障位置[10]。由于小波變換具有可以迅速準(zhǔn)確將信號(hào)投影到不同尺度上且明顯的表現(xiàn)出高頻信號(hào)的特性的特點(diǎn)，因此本文利用小波變換對(duì)電壓高頻信號(hào)進(jìn)行提取。

2.2 故障判別

直流線路的物理邊界對(duì)高頻信號(hào)具有阻滯作用，區(qū)外故障時(shí)，保護(hù)處高頻信號(hào)小波能量較?。粎^(qū)內(nèi)故障時(shí)，保護(hù)處高頻信號(hào)小波能量很大。根據(jù)上述結(jié)論，可以利用檢測(cè)故障發(fā)生后保護(hù)安裝處測(cè)得的高頻信號(hào)小波能量的大小來判別區(qū)內(nèi)外故障。

高頻信號(hào)的提取利用小波變換來得到，本文采用的是dB3小波，3層次小波變換，采樣頻率f為20 kHz，由于高頻信號(hào)從突變到衰減為暫態(tài)過程，故時(shí)間窗長(zhǎng)度需較短，本文為10 ms。小波變換后第一層次(5

(2)

式中：E為小波能量，W(k)為小波變換系數(shù)，N為時(shí)間窗內(nèi)采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)。

區(qū)外故障時(shí)，圖1中F3處發(fā)生金屬性接地故障，整流側(cè)正極與負(fù)極電壓高頻信號(hào)小波能量如圖4所示。

圖4 區(qū)外故障時(shí)正負(fù)極小波能量曲線

圖5 區(qū)內(nèi)故障時(shí)正負(fù)極小波能量曲線

圖6 正極故障正極與負(fù)極小波能量差值

圖7 正極線路保護(hù)流程圖

圖4中，M+表示正極高頻信號(hào)小波能量，M-表示負(fù)極高頻信號(hào)小波能量。區(qū)外故障時(shí)，保護(hù)處所測(cè)得的高頻信號(hào)增多，小波能量增大，但變化量很小且正極與負(fù)極變化量基本一致。

區(qū)內(nèi)故障時(shí)，以圖1中F4處發(fā)生金屬性接地故障為例。正極與負(fù)極電壓高頻信號(hào)小波能量如圖5所示。

圖5中，實(shí)線為正極小波能量，虛線為負(fù)極小波能量。區(qū)內(nèi)故障時(shí)，正極與負(fù)極電壓信號(hào)未經(jīng)過邊界元件，直接被保護(hù)所接收，高頻信號(hào)小波能量很大。該特征與區(qū)外故障時(shí)區(qū)分度很大，因此，可根據(jù)此特征構(gòu)建判別區(qū)內(nèi)外故障的保護(hù)判據(jù)。

設(shè)正極保護(hù)安裝處測(cè)得電壓高頻信號(hào)小波能量為E+，負(fù)極為E-。以區(qū)外金屬性故障時(shí)保護(hù)所測(cè)得的小波能量值再乘以一個(gè)可靠系數(shù)作為門檻值Eset。當(dāng)E+>Eset或者E->Eset時(shí)，判斷為區(qū)內(nèi)故障，保護(hù)啟動(dòng)，當(dāng)E+、E-都小于Eset時(shí)，判斷為區(qū)外故障保護(hù)不動(dòng)作。

2.3 故障極選取

圖5中，正極發(fā)生金屬性故障時(shí)，正極與負(fù)極小波能量都突變很大，若僅利用Eset無法正確的選取故障極，需要添加故障極選取判據(jù)。

單極故障時(shí)，正負(fù)極小波能量都會(huì)發(fā)生突變，但正常極測(cè)量到的高頻小波能量較故障極少。因此可以設(shè)置檻值Kset，Kset需要根據(jù)最大過渡電阻接地時(shí)，正極與負(fù)極小波能量整定。本文Kset取100。在突變判據(jù)已判斷為區(qū)內(nèi)故障的情況下，當(dāng)E+-E->Kset時(shí)，判定為正極故障；當(dāng)E--E+>Kset時(shí)，判斷為負(fù)極故障；當(dāng)上述兩個(gè)判據(jù)都不滿足時(shí)，則認(rèn)為是雙極同時(shí)發(fā)生故障。圖6是正極發(fā)生接地故障時(shí)，正極與負(fù)極小波能量的差值。

圖6中，故障發(fā)生后，正極與負(fù)極小波能量差值迅速增大，超過檻值，即可判定為正極故障。仿真結(jié)果與理論分析相同，證明該判據(jù)的合理性。

2.4 保護(hù)動(dòng)作流程

線路保護(hù)動(dòng)作流程圖，如圖7所示。

保護(hù)流程為：首先檢測(cè)小波能量突變量是否超過檻值，若超過檻值，則繼續(xù)判斷正極與負(fù)極小波能量差值是否超過檻值，若超過則判斷為正極故障。若小波能量突變判據(jù)啟動(dòng)且正極與負(fù)極都判斷為非本極故障，則系統(tǒng)發(fā)生雙極故障。負(fù)極配置與正極相同原理的保護(hù)。

3 仿真驗(yàn)證

運(yùn)用PSCAD仿真軟件搭建圖1所對(duì)應(yīng)的±800kV雙極直流輸電系統(tǒng)仿真模型，利用MATLAB進(jìn)行保護(hù)算法的仿真驗(yàn)證。其中輸送功率為2 400MW，額定電流為1.5kA，輸送距離為1 000km，兩極直流線路采用同桿并架，均為4分裂導(dǎo)線，數(shù)據(jù)采樣頻率為20kHz，故障發(fā)生時(shí)刻為1s，持續(xù)時(shí)間為0.5s。

3.1 區(qū)外故障

系統(tǒng)在圖1中F3位置處發(fā)生區(qū)外故障時(shí)，圖8給出了正極與負(fù)極小波能量判據(jù)及保護(hù)動(dòng)作情況。

在圖8中，a圖為故障發(fā)生后，正極與負(fù)極小波能量突變值，其中實(shí)線代表E+，虛線代表E+。在故障發(fā)生后，E+和E-均增大，但變化量很小，未能超過門檻值Eset。因此保護(hù)可靠不動(dòng)作如圖c所示，不需要繼續(xù)進(jìn)行故障極選取，圖b中正極與負(fù)極差值基本無變化也證明了上述觀點(diǎn)。

3.2 區(qū)內(nèi)故障

3.2.1 單極經(jīng)過渡電阻故障

當(dāng)系統(tǒng)在圖1中F4位置處發(fā)生經(jīng)300歐過渡電阻接地故障時(shí)，正負(fù)極小波能量變化及保護(hù)動(dòng)作情況如圖9所示。

圖8 區(qū)外故障時(shí)保護(hù)動(dòng)作情況圖9 區(qū)內(nèi)經(jīng)300歐過渡電阻故障時(shí)保護(hù)動(dòng)作情況

圖10 雙極故障時(shí)保護(hù)動(dòng)作情況

當(dāng)系統(tǒng)單極發(fā)生經(jīng)300歐過渡電阻區(qū)內(nèi)故障時(shí)，在正極與負(fù)極小波能量都超過了檻值，保護(hù)啟動(dòng)，繼而進(jìn)行故障極選取。圖9b中正極與負(fù)極的差值超過了檻值Kset，判斷為正極發(fā)生故障。圖9c中實(shí)線代表正極，虛線代表負(fù)極。正極保護(hù)于發(fā)張發(fā)生后15ms動(dòng)作，負(fù)極可靠不動(dòng)作。

3.2.2 雙極同時(shí)故障

當(dāng)系統(tǒng)正極與負(fù)極同時(shí)發(fā)生故障時(shí)，如在圖1中F4，F(xiàn)5位置同時(shí)發(fā)生接地故障，正負(fù)極小波能量及保護(hù)動(dòng)作情況如圖10所示。

在圖10a中，正極與負(fù)極小波能量都超過檻值Eset，判斷為區(qū)內(nèi)故障。在圖10b中，正極與負(fù)極小波能量差值未超過檻值Kset，結(jié)合圖a中判斷為區(qū)內(nèi)故障，因此保護(hù)最終判斷為區(qū)內(nèi)雙極故障。在圖10c中，正極與負(fù)極保護(hù)于故障發(fā)生后12ms時(shí)同時(shí)動(dòng)作。

綜上所述，當(dāng)直流輸電線路內(nèi)部發(fā)生故障時(shí)，利用雙極小波能量比較判據(jù)可以準(zhǔn)確判斷處故障位置，當(dāng)判斷為單極故障時(shí)，保護(hù)做出準(zhǔn)確判斷并為換流站提供信息，換流站據(jù)此作出調(diào)整換流閥導(dǎo)通角以達(dá)到對(duì)故障線路的切除且不影響健全極獨(dú)立運(yùn)行的可能。當(dāng)判斷為雙極故障時(shí)，換流站則完全切斷對(duì)雙極的輸送電能達(dá)到保護(hù)換流設(shè)備的目的。大量仿真結(jié)果表明：保護(hù)在區(qū)內(nèi)區(qū)外故障時(shí)均能正確選取故障極，可靠動(dòng)作，與理論分析結(jié)果相一致。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文利用了直流輸電線路兩端的平波電抗器與直流濾波器形成的邊界對(duì)高頻信號(hào)的阻滯作用以及正負(fù)極故障特征之間的比較構(gòu)成了高壓直流輸電線路暫態(tài)高頻比較保護(hù)原理。該方案僅利用電壓信號(hào)即可判斷故障區(qū)間，原理簡(jiǎn)單，信息量需求小，動(dòng)作迅速，靈敏度高，選擇性好且具有一定的工程實(shí)用價(jià)值。

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Bipolar DCTransmission Line Transient High Frequency Wavelet Energy Protection

Jin Enshu1，Ma Zhongtao2，Xia Guowu3，Xu Jing1

(1.Electrical Engineering College，Northeast Electric Power University，Jilin Jilin 132012；2.BengbuElectrical Power Supply Compangy of Anhui，Bengbu Anhui 233000；3.TongliaoElectrical Power Supply Compangy of Inner Mongolia，Tongliao Inner Mongolia 028000)

With the development of HVDC，the protection configuration of DC system has been improved.As DC lines are the core component of HVDC transmission system，the protection configuration has been the focus of the study.Here uses wavelet transform to extract high frequency voltage transient signal of the fault.According to detect high frequency voltage wavelet mutation size and comparise of positive and negative wavelet energy，this paper put forward a new method of HVDC transmission line across the quick-acting protection.The principle of this method is simple，quick and resistance.Use PSCAD to build a simulation model and simulate various types of fault.The results show that the protection has absolute selectivity and can reliable protecte the DC lines.

DC transmission；High frequency signal；Transient protection；Wavelet transform

2016-08-21

金恩淑(1972-)，女，博士，教授，主要研究方向：電力系統(tǒng)繼電保護(hù).

1005-2992(2017)02-0014-05

TM721.1

A

電子郵箱： juyanzhong@126.com(金恩淑)；497171156@qq.com(馬仲濤)；ndxiaguowu@163.com(夏國(guó)武)；1554051887@qq.com(許晶)