基于能量分布的特高壓直流輸電線路雷電暫態(tài)識(shí)別方法

黃然， 束洪春， 龔振， 王輝春， 于宗俊

(1.云南電網(wǎng)電力研究院，云南 昆明 650217；2.昆明理工大學(xué) 電力工程學(xué)院，云南 昆明 650051；3.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司普洱供電局，云南 普洱 665000)

0 引 言

由于特高壓直流輸電的輸送容量大、輸電距離遠(yuǎn)、輸電線路長(zhǎng)，常需跨越惡劣的地理環(huán)境，面對(duì)更為嚴(yán)酷的自然條件，因此在特高壓直流輸電線路上更容易發(fā)生雷擊故障。當(dāng)輸電線路遭到雷擊時(shí)，通常會(huì)產(chǎn)生負(fù)極性的雷電流，該雷電流以行波的形式從雷擊點(diǎn)向線路兩端傳播，這就導(dǎo)致暫態(tài)信號(hào)中存在了大量的高頻分量。在行波保護(hù)以及暫態(tài)保護(hù)中，保護(hù)裝置可能由于捕捉到雷電行波，造成了保護(hù)誤動(dòng)作，從而危及輸電線路、保護(hù)裝置以及整個(gè)電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行穩(wěn)定性。這就要求維護(hù)人員必須對(duì)故障性雷擊、雷擊干擾和普通短路故障信號(hào)能夠進(jìn)行正確有效的識(shí)別[1-4]。

在此之前，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者已經(jīng)對(duì)雷電信號(hào)的識(shí)別進(jìn)行過了大量的研究。文獻(xiàn)[5-7]主要分析了在發(fā)生非故障性以及故障性繞擊時(shí)保護(hù)安裝處電壓、電流的暫態(tài)特性，對(duì)雷擊誤動(dòng)進(jìn)行了優(yōu)化。文獻(xiàn)[8]對(duì)雷擊故障和接地短路故障時(shí)的時(shí)域和暫態(tài)能量特征進(jìn)行分析，以此對(duì)兩種故障進(jìn)行識(shí)別，并通過仿真驗(yàn)證其有效性，但該方法的保護(hù)整定較困難。文獻(xiàn)[9]利用暫態(tài)量的線模和零模特征差異構(gòu)成判據(jù)，以此感應(yīng)區(qū)分雷擊和短路故障，但該方法只能識(shí)別感應(yīng)以上兩種故障，有其局限性。文獻(xiàn)[10]分析了暫態(tài)信號(hào)的附加電流分量特征，利用雷擊故障起始時(shí)刻后基波電流的相量變化率對(duì)雷擊干擾進(jìn)行識(shí)別。文獻(xiàn)[11]分別對(duì)線路擾動(dòng)后時(shí)間軸上方和下方的暫態(tài)電流波形進(jìn)行積分運(yùn)算，以此識(shí)別雷擊干擾和短路故障，但在此方法中交流母線的結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)識(shí)別結(jié)果造成影響。文獻(xiàn)[12]基于暫態(tài)信號(hào)的波性特征，提出一種計(jì)算速度快、抗噪能力強(qiáng)的短時(shí)窗電壓均值雷擊干擾識(shí)別算法，其可靠性較高。

本文在分析雷擊故障、雷電干擾和普通接地短路故障信號(hào)暫態(tài)特性的基礎(chǔ)上，利用小波變換對(duì)3 ms數(shù)據(jù)窗內(nèi)暫態(tài)信號(hào)的衰減程度進(jìn)行分析，總結(jié)出不同暫態(tài)信號(hào)在各頻帶上暫態(tài)能量的分布特征，并在此基礎(chǔ)上分別提出了不同的識(shí)別方法。同時(shí)，本文還利用小波能譜熵來反映電流或電壓頻率空間的能量分布信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)故障和雷電干擾信號(hào)的識(shí)別，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)識(shí)別和區(qū)分普通短路故障和雷電故障。并在識(shí)別出暫態(tài)信號(hào)的基礎(chǔ)上，采用能量相對(duì)熵對(duì)故障極進(jìn)行了選擇。基于EMTP/PSCAD搭建了特高壓直流輸電仿真模型，大量仿真結(jié)果表明，本方案適用于不同的雷電流水平、故障距離和過渡電阻情況。

1 小波變換能譜熵的介紹

(1)

隨著窗的滑動(dòng)，可以得到小波能譜熵隨時(shí)間的變化規(guī)律。式(1)的定義中，尺度空間與頻率空間具有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。對(duì)于電力系統(tǒng)采集的電流、電壓暫態(tài)信號(hào)，式(1)定義的小波能譜熵能反映電流或電壓頻率空間的能量分布信息。因?yàn)樾〔ê瘮?shù)在頻域與時(shí)域上均不具有脈沖性質(zhì)，而是具有一定的支撐空間，因此在尺度空間上對(duì)電流或者電壓能量的劃分，同時(shí)反映了電流或者電壓在時(shí)域與頻域上的能量分布特征。

2 雷電暫態(tài)特性及信號(hào)能譜熵分析

雷電流多為負(fù)極性，根據(jù)同性相斥、異性相吸的原理，直流輸電線路以雷擊正極線路為主。雷擊輸電線路分為繞擊和反擊，繞擊是雷電流繞過避雷線擊中導(dǎo)線，反擊包括雷擊桿塔頂部和雷擊避雷線檔距中央。

根據(jù)保護(hù)安裝處測(cè)得的兩極電壓數(shù)據(jù)，采用Karenbauer相模變換進(jìn)行電磁解耦：

(2)

取線模電壓與正極軸線電壓差的標(biāo)幺值進(jìn)行暫態(tài)分析，即：

(3)

式中：um1為線模電壓；u+(t)為正極電壓；u-(t)為負(fù)極電壓；U+為正極軸線電壓，等于800 kV。

2.1 雷擊未故障暫態(tài)特性分析

2.1.1繞擊未故障

直流線路發(fā)生繞擊未故障時(shí)，在雷擊點(diǎn)處疊加了一個(gè)電流源，但是由于未引起線路故障，因此沒有形成故障電流入地通道。距離整流側(cè)保護(hù)安裝處500 km發(fā)生繞擊未故障時(shí)，正、負(fù)兩極電壓波形如圖1示。

圖1 繞擊未故障時(shí)兩極電壓波形

從圖1可看出，繞擊干擾時(shí)，兩極電壓圍繞各自極電壓軸線上下交替變化，包含大量的暫態(tài)分量。由于電磁耦合的作用，兩極直流線路中暫態(tài)電壓波動(dòng)呈現(xiàn)出相反極性。

由式(3)計(jì)算的暫態(tài)電壓，進(jìn)行小波分解求出頻率含量，分析高頻信號(hào)的衰減程度，取部分結(jié)果如表1所示，其中小波分解采用的分解層數(shù)為7，選擇小波基為db4。

結(jié)合表1可以看出，繞擊未故障情況下，由于不存在故障電流入地通路，保護(hù)安裝處檢測(cè)到的高頻電壓信號(hào)的衰減較慢。行波剛到達(dá)整流側(cè)保護(hù)安裝處時(shí)，高頻分量的能量熵較大，低頻部分較小。

表1 繞擊未故障時(shí)小波能譜熵

2.1.2反擊未故障

直流線路發(fā)生反擊未故障時(shí)，在雷擊點(diǎn)處疊加了一個(gè)電流源，但是由于未引起線路故障，因此沒有形成故障電流入地通道。距離整流側(cè)保護(hù)安裝處500 km發(fā)生反擊未故障時(shí)，正、負(fù)兩極電壓波形如圖2示。

圖2 反擊未故障時(shí)兩極電壓波形

從圖2可看出，反擊干擾時(shí)，兩極電壓圍繞各自極電壓軸線上下交替變化，包含大量的暫態(tài)分量。反擊干擾在兩極線路上呈現(xiàn)出相似的暫態(tài)電壓波動(dòng)。

由以上方法求得的小波能譜熵如表2所示。

結(jié)合圖2和表2可以看出，由于反擊干擾在兩極線路上呈現(xiàn)出相似的電壓變化，根據(jù)式(3)計(jì)算出的暫態(tài)電壓幅值很小，高頻分量被抵消，在反擊干擾持續(xù)的時(shí)間內(nèi)，暫態(tài)信號(hào)的復(fù)雜度變化不大。

表2 反擊未故障時(shí)小波能譜熵

2.2 雷擊故障暫態(tài)特性分析

直流輸電線路發(fā)生雷擊故障時(shí)，絕緣子閃絡(luò)，形成故障電流入地通道，保護(hù)安裝處的故障極電壓出現(xiàn)電壓幅值驟降。為節(jié)省篇幅，以繞擊故障為例進(jìn)行分析。圖3為繞擊故障時(shí)兩極電壓波形。

圖3 繞擊故障時(shí)兩極電壓波形

絕緣子閃絡(luò)后，發(fā)展為短路故障，高頻能量快速衰減。對(duì)式(3)計(jì)算的暫態(tài)電壓。進(jìn)行小波分解，求出頻率含量，分析高頻信號(hào)能量衰減程度，所得能譜熵如表3所示。

表3 繞擊故障時(shí)小波能譜熵

由表3可以看出，在雷擊故障情況下，由于存在故障電流入地通路，保護(hù)安裝處檢測(cè)到的高頻電壓信號(hào)衰減較快。行波剛到達(dá)整流側(cè)保護(hù)安裝處時(shí)，由于大量高頻信號(hào)的存在，信號(hào)復(fù)雜度發(fā)生突變，此后信號(hào)衰減加快。因此暫態(tài)信號(hào)中低頻信號(hào)比高頻信號(hào)能量所占成分更多。

2.3 普通接地故障暫態(tài)特性分析

直流輸電線路發(fā)生普通接地短路故障時(shí)，由于存在故障電流入地通道，保護(hù)安裝處測(cè)量的暫態(tài)電壓波形特征與雷擊故障時(shí)類似，如圖4所示。

圖4 短路故障時(shí)兩極電壓波形

對(duì)式(3)計(jì)算的暫態(tài)電壓，在雷擊發(fā)生后的小波能譜熵如表4所示，分析高頻信號(hào)的能量占比。

表4 短路故障時(shí)小波能譜熵

結(jié)合圖4和表4可以看出，發(fā)生普通接地短路故障的情況下，由于存在故障電流入地通路，保護(hù)安裝處檢測(cè)到的高頻電壓信號(hào)的衰減較快，暫態(tài)信號(hào)中高頻分量較少，中低頻分量較多，與發(fā)生雷擊故障時(shí)類似。

3 識(shí)別方案

根據(jù)以上分析，結(jié)合不同暫態(tài)信號(hào)小波能譜熵的差異構(gòu)成保護(hù)判據(jù)，可實(shí)現(xiàn)特高壓直流輸電線路上繞擊未故障、反擊未故障和故障信號(hào)的識(shí)別。

本文設(shè)置采樣頻率為20 kHz，選用db4小波，移動(dòng)窗參數(shù)w=50，步長(zhǎng)δ=1，在尺度7下計(jì)算系統(tǒng)各區(qū)間的小波能譜熵值。

設(shè)1.60～3.21 kHz、0.80～1.61 kHz、0.40～0.80 kHz、0.20～0.40 kHz、0.10～0.20 kHz 分別為WEE1、WEE2、WEE3、WEE4、WEE5取

(4)

則雷電識(shí)別判據(jù)如式(5)、式(6)所示：

kset2>k>kset1

(5)

k

(6)

當(dāng)滿足式(5)時(shí)，識(shí)別為雷擊干擾信號(hào)；滿足式(6)時(shí)，識(shí)別為雷擊故障；否則，識(shí)別為短路故障信號(hào)。根據(jù)大量仿真分析結(jié)果并考慮一定的裕度，本文中kset1取為1，kset2取為3.5。

本文所提的UHVDC線路雷電暫態(tài)信號(hào)識(shí)別方案流程如圖5所示。

圖5 雷電暫態(tài)識(shí)別原理框圖

4 仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文所提雷電暫態(tài)識(shí)別方案的有效性，在PSCAD/EMTDC中搭建了±800 kV特高壓直流輸電系統(tǒng)仿真模型，對(duì)多種故障和干擾情況進(jìn)行了仿真分析。

4.1 繞擊故障仿真

直流輸電線路發(fā)生正極雷電繞擊故障時(shí)，按本文所提方案，仿真計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表5 繞擊故障仿真結(jié)果

由表5可以看出，發(fā)生繞擊故障時(shí)，保護(hù)方案在不同的故障距離和雷電流水平下，計(jì)算得到的k和HE均滿足保護(hù)判據(jù)，可將暫態(tài)信號(hào)識(shí)別為繞擊故障信號(hào)，并可進(jìn)行故障極的正確選擇。

4.2 反擊故障仿真

反擊故障仿真如表6所示。

表6 反擊故障仿真結(jié)果

4.3 普通短路故障仿真

直流輸電線路發(fā)生正極線路普通接地短路故障時(shí)，按本文所提方案，仿真計(jì)算結(jié)果如表7所示。

表7 短路故障仿真結(jié)果

由表7可以看出，發(fā)生普通接地短路故障時(shí)，在不同的故障距離和接地電阻情況下，計(jì)算得到的k和HE均滿足保護(hù)判據(jù)，可將暫態(tài)信號(hào)識(shí)別為短路故障信號(hào)，并可進(jìn)行故障極的正確選擇。

4.4 繞擊未故障仿真

直流輸電線路發(fā)生繞擊未故障時(shí)，按本文所提方案，仿真計(jì)算結(jié)果如表8所示。

表8 繞擊未故障仿真結(jié)果

由表8可以看出，發(fā)生繞擊未故障時(shí)，保護(hù)方案在不同的故障距離和雷電流水平下，計(jì)算得到的k均滿足保護(hù)判據(jù)，可將暫態(tài)信號(hào)識(shí)別為繞擊未故障信號(hào)。

4.5 反擊未故障仿真

直流輸電線路發(fā)生繞擊故障時(shí)，按本文所提方案，仿真計(jì)算結(jié)果如表9所示。

表9 反擊未故障仿真結(jié)果

由表9可以看出，發(fā)生反擊未故障時(shí)，保護(hù)方案在不同的故障距離和雷電流水平下，計(jì)算得到的k均滿足保護(hù)判據(jù)，可將暫態(tài)信號(hào)識(shí)別為反擊未故障信號(hào)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文在分析故障暫態(tài)信號(hào)不同頻率的能量分布的基礎(chǔ)上，提出了基于不同頻率的信號(hào)能量分布不同的識(shí)別方法。通過小波能譜熵值將繞擊干擾、反擊干擾與故障信號(hào)區(qū)分。整個(gè)暫態(tài)信號(hào)識(shí)別過程仿真計(jì)算方便，整定簡(jiǎn)單，僅利用3 ms的數(shù)據(jù)窗，保護(hù)動(dòng)作速度快。大量仿真結(jié)果表明，本方案受故障位置、過渡電阻和雷電流水平等因素的影響小，具有較好的適應(yīng)性。