基于行波法的HVDC輸電線路故障測距綜述

崔本麗 蘭 生

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基于行波法的HVDC輸電線路故障測距綜述

崔本麗 蘭 生

（福州大學電氣工程與自動化學院，福州 350108）

本文首先介紹了行波的基本理論，包括行波的產(chǎn)生、波動和折反射；其次對HVDC輸電線路行波法故障測距進行了詳細的分類，并分析了各種方法的優(yōu)缺點；最后針對行波法的缺點提出建議。

HVDC輸電；故障測距；行波法

HVDC輸電由于自身結構簡單、性能良好，在大功率、遠距離輸電中扮演著越來越重要的角色，且與傳統(tǒng)的高壓交流輸電相比，具有潮流快速可控、輸電線路造價和系統(tǒng)運行費用低、不存在功角穩(wěn)定問題等優(yōu)點。目前世界上各發(fā)達國家都把HVDC輸電作為遠距離、大容量送電的主要手段，因此其擔負著傳送電能的重任，是電力系統(tǒng)的命脈。但HVDC輸電線路長度通?？蛇_上百甚至是上千公里，且線路沿線的地理環(huán)境變化多端，一旦輸電線路在某點處發(fā)生故障，故障點就將很難被找到。為減少電網(wǎng)損失和提高用電安全性，急需發(fā)展可靠的HVDC輸電線路的故障測距技術[1-2]。目前行波定位技術已經(jīng)被廣泛地運用到HVDC輸電線路的故障測距中。該技術在理論上不受故障類型、接地電阻等因素的影響，具有較高的測距精度[3-10]。

1 行波法的基本理論

輸電線路是具有分布參數(shù)的電路元件[11]。當有故障出現(xiàn)在HVDC輸電線路上的某一點時，故障將導致該點的電流、電壓突然發(fā)生變化，電流、電壓的變化并不能立刻發(fā)生在線路其他各個點上，而是要以電磁波的形式按照一定的速度從故障點傳播到其他各點。國內(nèi)外的相關研究數(shù)據(jù)表明，造成HVDC輸電線路故障的主要原因是雷擊[12]。假如當HVDC輸電線路遭受雷擊時，在雷擊點產(chǎn)生的對地高電壓將沿著線路向左右兩側(cè)傳播，那么這個沿線路傳播的電壓波以及與它同時產(chǎn)生并向線路兩側(cè)傳播的電流波就被稱為行波[13]。

在研究HVDC輸電線路的行波過程中，一般可將線路的相關參數(shù)視為常數(shù)，但在電力系統(tǒng)中，均勻線路只在某一特定條件下才存在。當行波沿著輸電線路運動時，在點發(fā)生故障，將導致線路的波阻抗在結點突然發(fā)生變化，此時將有波的折反射現(xiàn)象在結點處發(fā)生[14]。

2 HVDC輸電線路行波故障測距方法

由于HVDC輸電線路的直流母線兩端存在整流站和逆變站且線路兩端連接有直流濾波器和電抗器，因此直流暫態(tài)行波只會在輸電線路上傳播，加之線路兩端母線除了直流輸電線路之外，不存在其他出線，不會有其他成分混入到行波的固有頻率中，便于行波的提取和識別[15]。由于上述條件為行波法的使用奠定了良好基礎，所以目前HVDC輸電線路故障測距技術主要依賴于行波法。行波法故障測距有很多種類型，若按照早期所需故障信息分類，則主要包括單端測距法和雙端測距法?，F(xiàn)代行波測距法主要有小波變換法、HHT法、數(shù)學形態(tài)法、獨立分量法和固有頻率法。

2.1 早期行波法

1）單端行波測距法

單端法行波測距只需測量初始行波波頭到達線路某一端的時間。由圖1可知，故障點與線路端、端的距離分別為

式中，為行波傳播速度；為初始行波波頭到達線路端、端的時刻。

圖1 單端測距原理圖

單端行波測距方法原理簡單，只需要單端數(shù)據(jù)和設備，經(jīng)濟實惠。如果把設備安裝在端，且故障點距離端較近時，將會導致端的第一個反射波提前到達端，從而很難與故障點反射過來的第二個行波波頭區(qū)分開來，最終導致故障定位失敗。因此，使用單端行波測距具有很大的局限性。

2）雙端行波測距法

雙端行波測距法是對單端法的完善，其需測量出故障產(chǎn)生的初始行波波頭分別到達線路兩端的時間。由圖2可知，故障點距離直流輸電線路端和端的長度可用故障初始行波波頭到達線路兩端的時間差來表示，即

式中，為輸電線路長度。

圖2 雙端測距原理圖

雙端行波測距法需在線路兩端裝設測距裝置，經(jīng)濟性差，但方法可靠性高，目前應用范圍較為廣泛。

2.2 現(xiàn)代行波法

1）小波變換法

小波變換同時具有頻域和時域特性，其突破了傅里葉變換在時域沒有任何分辨率的限制，具有多分辨率分析的特征[13]。該特征使得小波分析能夠?qū)⒐收闲畔⒌念l率表示出來，方便對原始正常信號中的暫態(tài)信號進行分析[16]。文獻[8]提出一種單端測距新方法，即利用小波變換提取線路的故障特征，且可消除行波色散的影響。文獻[17]提出基于小波變換模極大值理論的雙端測距方法，該方法首先記錄下初始故障電流行波波頭到達HVDC輸電線路兩端的時間，最終利用雙端法原理計算出故障點距離逆變側(cè)母線的長度。文獻[18]通過對故障暫態(tài)電壓信號進行小波變換，提出一種對單級和雙級HVDC輸電線路均適用的故障測距方法。文獻[19]與文獻[17]利用相同的小波變換模極大值理論，但實現(xiàn)的是單端行波故障測距。文獻[20]提出利用上述理論分析行波信號，實現(xiàn)輸電線路的多點故障定位。

雖然小波變換具有獨特的優(yōu)勢，但其自身也存在一些問題。由于其自身不具有自適應性，所以當故障類型發(fā)生變換時，需用不同的小波基來分析。

2）HHT法

當需要處理非平穩(wěn)和非線性的信號時，一般會選擇HHT法。文獻[21]提出可利用HHT檢測行波波頭實現(xiàn)故障定位。文獻[22]提出可將HHT運用到HVDC輸電線路的行波保護中，通過判斷綜合判據(jù)，即將HHT分析行波波形和直流線路低電壓相結合，構成HVDC輸電線路的行波保護方案。文獻[15]指出HHT法存在曲線擬合方法的選取和端點效應等問題，但通過改進算法，使用三次樣條函數(shù)進行曲線擬合，利用極值鏡像延拓可消除上述問題的影響。文獻[23]提出基于三端法的HHT行波故障測距方法，即在線路中點再加入一個測量點。文獻[24]提出可使用HHT對1000kV輸電線路的雷擊高頻信號中的前四階IMF進行變換，通過計算變換后的IMF瞬時值的幅值對方差貢獻率的大小，進而判斷出輸電線路的雷擊故障類型。

以傅里葉理論為基礎的故障測距方法只能在時頻方面進行分析，但HHT法卻克服了此局限性，具有完全的自適應性，且適合用于分析HVDC輸電線路的故障突變信號[25]。但鑒于HHT法需要復雜的遞回運算，運算所需時間其實并不短，另外，HHT未必能正確計算出本質(zhì)模態(tài)函數(shù)的瞬時頻率。

3）數(shù)學形態(tài)法

數(shù)學形態(tài)法在信號的突變點檢測和濾波方面具有極大的優(yōu)勢，同時其也是一種非線性的分析方法。文獻[26]提出可利用形態(tài)學法濾除暫態(tài)行波信號中典型的噪聲信號，從而可靠辨識出行波波頭并準確實現(xiàn)故障測距。文獻[27]通過對幾種故障類型相似的線路行波進行分析，提出數(shù)學形態(tài)法不僅能夠很好地區(qū)分HVDC的故障與非故障線路，而且也能夠準確地進行故障定位。文獻[28]提出一種基于數(shù)學形態(tài)法的多尺度濾波算法，該算法可提高識別行波波頭的準確性和可靠性。文獻[29]提出一種基于雙端故障信息的單端測距法，該方法首先采用數(shù)學形態(tài)法進行濾波，其次用形態(tài)學梯度法提取出故障發(fā)生時刻，通過總結故障規(guī)律，最終得到計算故障測距的方法。

數(shù)學形態(tài)法雖然原理簡單，設備投入少，測距精度較高，且能夠較為準確地識別出故障行波波頭，但如何選取更有效的結構元素一直是數(shù)學形態(tài)法的難題。而結構元素的形狀和大小對數(shù)學形態(tài)學的運算結果具有至關重要的影響，其作用與信號處理中的濾波窗口差不多。

4）獨立分量法

獨立分量法是一種高效盲源分離方法。文獻[30]指出由于獨立分量法具有對環(huán)境、目標的要求少，易實現(xiàn)等特征，而被廣泛地運用在輸電線路故障特征信號提取中。文獻[31]提出一種基于ICA和LLE的新型HVDC輸電系統(tǒng)故障診斷方法，該方法可有效提取出故障的重要特征。文獻[32]提出一種基于FastICA算法的HVDC輸電線路的單端測距法，該方法通過對分離出的故障電流信號的分析實現(xiàn)故障定位。文獻[33]利用仿真證明基于單通道動態(tài)FastICA算法能對HVDC輸電線路故障進行更加準確的定位。

獨立分量法是近年來逐漸發(fā)展起來的一種故障定位方法，雖然該方法在使用過程中對環(huán)境和目標的要求較少，但也存在最多只能有一個高斯條件、源信號之間必須相互獨立的限制條件。

5）固有頻率法

當HVDC輸電線路在點處發(fā)生故障時，將有暫態(tài)故障行波出現(xiàn)在線路上，且暫態(tài)故障行波的頻譜與故障所處位置以及HVDC輸電線路的邊界條件均存在某種聯(lián)系[14]，因此可利用故障行波的頻譜特征計算出故障所處的位置，進而實現(xiàn)HVDC輸電線路的故障測距。文獻[34]推導出行波固有頻率、故障所處位置和系統(tǒng)條件在任意系統(tǒng)等效阻抗值的條件下都存在的數(shù)學關系。文獻[35]提出輸電線路故障行波頻譜與故障所處位置具有數(shù)學關系，可利用此原理實現(xiàn)故障測距。文獻[36]提出可將固有頻率法和行波法聯(lián)合起來進行單端行波測距。

傳統(tǒng)的HVDC輸電線路行波法故障測距一直面臨著如何能夠把故障初始行波波頭、反射行波波頭、相鄰母線反射波以及對端母線反射波正確識別和區(qū)分開來的問題，但固有頻率法避免了上述難題，具有與時域不同的優(yōu)點和特性。

2.3 行波故障測距缺點

行波故障測距法原理雖然簡單易懂，但其本身也有一些難以克服的難題[10,37]：

1）行波故障測距容易受外界的干擾影響。

2）行波故障測距一旦檢測不到行波波頭或者在檢測的過程當中出現(xiàn)失誤，行波故障定位技術就會失敗。

3）行波故障測距無法用計算機識別行波波頭，需要專業(yè)人員完成此操作。

4）行波故障測距精度與行波的傳播速度有關，而實際系統(tǒng)中無法保證波速恒定。

5）行波故障測距的精度與采樣率有關，采樣率越高，故障測距精度也越高，但采樣率過高并不容易實現(xiàn)。

3 展望

通過對上述測距方法的總結，可以發(fā)現(xiàn)各有優(yōu)缺點，所以建議在之后的測距研究中，可嘗試著將上述方法中的兩種或多種定位原理結合使用,這樣不僅可以做到揚長補短，而且可能會提高故障測距的精度。另外，當輸電線路發(fā)生高阻接地或者行波波頭識別失敗等問題時，可利用固有頻率法來避免這個難題，以提高故障測距精度。除此之外，上述的測距方法基本上都是在線路單點故障情況下驗證的，之后可嘗試對線路正負極兩點處故障情況進行研究。

4 結論

本文對基于行波法的HVDC輸電線路故障測距方法進行了較為全面地綜述，最終針對行波法存在的一些問題，提出了建議，并希望能夠得到進一步地研究。

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Review of High Voltage DC Transmission Lines Fault Location based on the Traveling Wave Method

Cui Benli Lan Sheng

(College of Electrical Engineering and Automation, Fuzhou University, Fuzhou 350108)

First, this paper introduced the basic theory of traveling wave, including the generation, the fluctuation, refraction and reflection of traveling wave. Second, traveling wave method of high voltage DC transmission lines fault location was classified, and the advantages and disadvantages of various methods were analyzed. Finally some suggestions were put forward in view of the shortcomings of the traveling wave method.

high voltage DC transmission; fault location; traveling wave method

崔本麗（1993-），女，碩士研究生，研究方向為高壓直流輸電線路故障測距。