高壓直流輸電系統(tǒng)故障檢測的反向電壓行波方法

王金玉,趙月嬌,孔德健,呂金淼

(1.東北石油大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318；2.國網(wǎng)冀北電力有限公司檢修分公司，北京 102488)

高壓直流輸電系統(tǒng)故障檢測的反向電壓行波方法

王金玉1,趙月嬌1,孔德健2,呂金淼1

(1.東北石油大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318；2.國網(wǎng)冀北電力有限公司檢修分公司，北京 102488)

高壓直流輸電技術(shù)(HVDC)的廣泛應(yīng)用，使得其故障檢測越來越重要。為了快速區(qū)分高壓直流輸電系統(tǒng)的故障類型，對系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的各種故障進(jìn)行了分析，例如逆變側(cè)單相接地短路故障、兩相短路故障、三相短路故障和直流輸電線路故障。在否定典型行波檢測方法之后，提出小波分析方法中的檢測反向電壓行波的方案，即采用Db3小波對高壓直流輸電系統(tǒng)不同類型故障的行波信號進(jìn)行小波分析，通過使用MATLAB小波工具箱對故障點的反向電壓行波進(jìn)行5層分解，提出利用反向電壓行波5層小波系數(shù)最大絕對值來區(qū)分直流故障和交流故障的方法。MATLAB仿真結(jié)果表明，直流故障的反向電壓行波小波系數(shù)不被接地電阻值的大小所影響。該方法能夠很好地完成高壓直流輸電的故障檢測，并為以后的研究提供參考。

高壓直流輸電； 行波； 小波變換； Db3小波； 反向電壓行波； 故障檢測； 直流故障； 交流故障

0 引言

隨著高壓直流輸電(high voltage direct current transmisson,HVDC)技術(shù)的逐漸成熟，其應(yīng)用也日益普及。為保證電網(wǎng)運行的可靠性與安全性，直流輸電線路的故障檢測已成為當(dāng)前研究的熱點。高壓直流輸電線路發(fā)生故障后[1]，故障點會產(chǎn)生一組向兩側(cè)傳播的隨時間和頻率變化的行波。該行波攜帶相應(yīng)故障的信息，可用于故障檢測和線路保護(hù)[2]。原有的文獻(xiàn)表明，傳統(tǒng)的典型行波保護(hù)方法很難對故障進(jìn)行有效識別并在短時間內(nèi)作出正確的保護(hù)決定。如果有噪聲干擾，將大大增加故障識別的難度[3]。小波變換能實現(xiàn)時間和頻域的局部變換。本文將以小波變換為工具，利用反向行波電壓的故障信息來驗證其是否具有適用于特征識別和行波保護(hù)的能力。

1 原理分析

1.1 HVDC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和故障

HVDC系統(tǒng)主要由電網(wǎng)送端交流網(wǎng)絡(luò)(Network Ⅰ)、交流變直流的換流變壓器(YYΔ)，整流器、直流輸電線路、逆變器、直流變交流的換流變壓器和電網(wǎng)受端交流網(wǎng)絡(luò)(Network Ⅱ)構(gòu)成，實現(xiàn)將交流變?yōu)橹绷鱾鬏敽笤俎D(zhuǎn)化為交流的過程[4]。系統(tǒng)中的整流器和逆變器又稱為換流器，是系統(tǒng)中的主要設(shè)備，能實現(xiàn)交流和直流的轉(zhuǎn)換。

直流輸電系統(tǒng)的故障分為直流故障和交流故障。本文主要研究直流故障中的直流線路故障和交流故障中的接地短路故障。

本文所設(shè)計的高壓直流輸電系統(tǒng)是典型的12脈沖橋[5]，其功能是將電流從500 kV、5 000 MV、60 Hz系統(tǒng)傳輸?shù)?45 kV、10 000 MV、50 Hz系統(tǒng)，使用的是500 kV、線長300 km的直流輸電線路。HVDC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 HVDC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 故障識別方法

HVDC在實際應(yīng)用中，由于直流傳輸線路長，非常容易出現(xiàn)故障，所以需要快速檢測故障并識別故障類型，并在最短時間內(nèi)作出補(bǔ)救。當(dāng)高壓直流輸電系統(tǒng)的直流輸電線路出現(xiàn)故障時，一般以行波保護(hù)作為主保護(hù)。傳統(tǒng)的行波保護(hù)方案中，應(yīng)用較為廣泛的是ABB行波保護(hù)和SIEMENS行波保護(hù)[6]。這兩種保護(hù)方案雖然動作快、識別范圍廣，但是存在一定的缺陷。由于其采用的電壓和電流都是瞬時值，對噪聲比較敏感，抗干擾能力不強(qiáng)，還存在誤動作和不動作的情況，因此在實際應(yīng)用中效果不理想[7]。

基于小波變換的行波保護(hù)具有優(yōu)越的抗干擾能力和運行穩(wěn)定性，本文應(yīng)用小波變換對故障進(jìn)行準(zhǔn)確檢測，以驗證其能力。小波分析具有同時在頻域和時域分析的優(yōu)點，可以檢測到正常原始信號中的暫態(tài)，并將其頻率部分表示出來，以便分析[8]。Daubechies小波函數(shù)的支撐長度為2N-1，消失矩為N。DbN小波是沒有顯式表達(dá)式的(除N=1外)，但是其傳遞函數(shù){hk}的模的平方卻有顯式表達(dá)式。故DbN小波的表達(dá)式為：

(1)

本文采用Daubechies小波中的Db3小波，作為分析HVDC故障時的母小波。Db3小波具有正交性和近似對稱性，在故障檢測中可以作為小波基函數(shù)。

1.3 反向電壓行波的計算

以下通過小波變換，分析上述各種故障條件下產(chǎn)生的瞬態(tài)電壓和電流[9]。HVDC模型設(shè)計采樣時間為Ts=50 μs，對于40 ms的直流電壓和電流，采用5層Db3小波變換。根據(jù)故障點處行波電壓和電流，計算反向電壓行波[10]。

(2)

式中:Vr為反向電壓行波；Vd、Id分別為故障點傳輸行波電壓和電流；Z0為HVDC的線阻抗。

2 仿真試驗

2.1 正常運行

HVDC系統(tǒng)在正常運行情況下，電壓和電流在額定值附近小幅度地變化，如圖2所示。

圖2 正常運行時的直流電壓和電流曲線

將反向電壓行波作為MATLAB小波工具箱的輸入信號，以Db3小波作為母小波進(jìn)行5層小波分析，正常工作情況下反向電壓行波的絕對小波系數(shù)的最大值小于10。HVDC正常運行反向電壓行波如圖3所示。

圖3 HVDC正常運行反向電壓行波

2.2 逆變器交流側(cè)單相接地短路故障

當(dāng)HVDC系統(tǒng)在逆變器交流側(cè)線路上受到單相接地短路故障時，端子R處的行波電壓、電流直流電壓和電流迅速降為0。當(dāng)HVDC系統(tǒng)逆變器交流側(cè)單相接地短路故障時，反向電壓行波保持為負(fù)；從故障瞬間開始在30 ms內(nèi)從0降至-500 V，如圖4所示。

圖4 單相接地故障反向電壓行波

2.3 逆變器交流側(cè)兩相短路故障

HVDC系統(tǒng)逆變器交流側(cè)兩相故障時，線路完全斷開。圖5為逆變器交流側(cè)兩相故障時在端子R處的反向電壓行波。同樣地，其交流故障中的兩相故障小波系數(shù)小于50，其極性在30 ms內(nèi)保持相同。因此，交流故障既可以通過HVDC線路故障中檢測小波系數(shù)識別，又可以通過具有極性改變的正常操作識別。

圖5 兩相故障反向電壓行波

2.4 逆變器交流側(cè)三相短路故障

當(dāng)HVDC系統(tǒng)逆變器交流側(cè)三相故障時，其電壓和電流達(dá)到0，此時故障最為嚴(yán)重。圖6是逆變器交流側(cè)三相短路故障時端子R處的反向電壓行波。相比于其他交流故障，三相故障時反向電壓行波從0下降到負(fù)值的用時最短，故障發(fā)生最為迅速。

圖6 三相故障反向電壓行波

2.5 直流線路接地故障

在SIMULINK中模擬直流線路150 km處的接地故障，并從故障開始記錄40 ms的直流電壓和電流。通過得到的故障數(shù)據(jù)計算反向電壓行波，且該故障數(shù)據(jù)已用于小波工具箱的輸入信號。假設(shè)直流對地故障的故障電阻分別為1 Ω、5 Ω，通過仿真發(fā)現(xiàn)，1 Ω和5 Ω的故障電阻的直流線路接地故障反向電壓行波波形幾乎是一樣的，如圖7所示。由此可以看出，故障電阻的變化不會對行波傳播所耗費的時間產(chǎn)生任何影響。無論故障電阻是1 Ω還是5 Ω，都不影響最終結(jié)果的測量，因此小波變換方法對于高壓直流輸電系統(tǒng)故障的檢測更可靠。

圖7 HVDC 直流線路故障反向電壓行波

HVDC系統(tǒng)在各種不同工況下的小波系數(shù)最大絕對值可以清楚地將交流故障和直流故障區(qū)分開。經(jīng)過小波工具箱的分析，得到結(jié)果如下。交流故障的小波系數(shù)的最大絕對值都在50以下，其中單相接地短路故障的第1～4層小波系數(shù)最大絕對值是1.4～26.9遞增，兩相短路故障是1.7～33.8遞增，三相短路故障是2.3～45遞增。而直流故障的小波系數(shù)最大絕對值都大于100，其中接地電阻為5 Ω的直流故障的1～4層小波系數(shù)最大絕對值是160～769遞增，接地電阻為1 Ω的則是165～795遞增。交流故障的小波系數(shù)最大絕對值遠(yuǎn)低于直流故障的小波系數(shù)。另外，在故障發(fā)生后的30 ms，反向電壓行波的5層小波系數(shù)的極性不變，因此小波系數(shù)極性的變化也能作為識別換相故障的標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)束語

本文提出高壓直流輸電系統(tǒng)基于小波變換技術(shù)的故障檢測方法，通過分別檢測逆變器交流側(cè)故障和直流輸電線路故障的行波信號，利用Db3小波分析得到反向電壓行波的5層小波變換系數(shù)，以區(qū)分故障類型。仿真結(jié)果表明，采用小波變換技術(shù)，反向行波電壓的小波變換系數(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對HVDC直流故障和交流故障的區(qū)分。小波變換技術(shù)在高壓直流輸電故障檢測方面的應(yīng)用加快了檢測進(jìn)度，使高壓直流輸電故障檢測技術(shù)得到了更快的發(fā)展。

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Reverse Voltage Traveling Wave Method for Fault Detection of HVDC Transmission

WANG Jinyu1,ZHAO Yuejiao1,KONG Dejian2,Lü Jinmiao1

(1.School of Electrical Engineering and Information,Northeast Petroleum University,Daqing 163318，China；2.Maintenance Branch of State Grid North Hebei Electric Power Company,Beijing 102488，China)

The wide applications of HVDC transmission technology make its fault detection more and more important;in order to quickly distinguish the fault type of HVDC transmission system,various kinds of faults that may appear in the system are analyzed, by such as the single-phase grounding short-circuit fault at the inverter side,two-phase short circuit fault,three-phase short circuit fault,and DC transmission line fault.After denying the typical traveling wave detection method,the strategy of detecting reverse voltage traveling wave in Wavelet analysis is put forward,i.e.,the traveling wave signals of different faults in HVDC transmission system are analyzed by using Db3 wavelet,and the MATLAB wavelet toolbox is used to decompose the reverse voltage traveling wave of the fault point into 5 layers.It is proposed that using the maximum absolute value of the 5-layer wavelet coefficient of the reverse voltage traveling wave to distinguish the DC fault and AC fault.The MATLAB simulation results show that the wavelet coefficient of DC fault is not affected by the magnitude of the grounding resistance value.This method can well accomplish the fault detection of HVDC transmission and provide reference for research in future.

HVDC transmission; Traveling wave; Wavelet transform; Db3 wavelet; Reverse voltage traveling wave; Fault detection; DC fault; AC fault

王金玉(1973—)，男，博士，教授，主要從事電力電子與電力傳動和信號檢測與處理方向的研究。 E-mail:wangjydxl@126.com。 趙月嬌(通信作者)，女，在讀碩士研究生，主要從事電力電子與電力傳動方向的研究。E-mail:956221173@qq.com。

TH165；TP301

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201706020

修改稿收到日期:2017-02-06