直流斷路器結合暫態(tài)行波的HVDC輸電線路故障保護算法

劉衛(wèi)明，湯漢松，張平，鮑音夫，陳浩然，王純，劉潤苗

(1.國網內蒙古東部電力有限公司 電力科學研究院，內蒙古 呼和浩特 010000；2.江蘇凌創(chuàng)電氣自動化股份有限公司, 江蘇 鎮(zhèn)江 212009；3.國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 211106)

0 引 言

為解決全球能源緊缺問題，風電和太陽能等可再生能源已大量接入電網[1]。多端直流傳輸系統(tǒng)(multi-terminal DC transmission system，MTDC)具有能量損耗小和通信干擾小等方面的獨特優(yōu)勢，可將可再生能源整合到電網中，這成為高壓直流輸電線路重要發(fā)展趨勢[2-4]。直流故障保護是其發(fā)展的關鍵技術之一,主要技術難點包括故障線路的可靠識別和快速隔離。

在電壓型換流站點對點方案中，存在特定終端無法連接交流電網現(xiàn)象，如光伏發(fā)電廠或風電發(fā)電廠終端，斷開換流站的交流斷路器來消除直流故障的解決方案不能應用于現(xiàn)代多端直流傳輸系統(tǒng)。

本文提出配置混合直流斷路器的多端高壓直流輸電線路故障保護算法，首先對故障行波波形分析，結合小波變化提取故障時刻高頻暫態(tài)電壓分量，并基于區(qū)內、區(qū)外故障小波能量值故障識別方法，提出設計含混合式直流斷路器多次重合閘判定方法的直流故障保護算法。

1 故障行波波頭檢測以及多孔算法

基于小波變換對突變型故障行波信號進行波頭檢測。連續(xù)小波變換定義為：

(1)

(2)

多孔算法又稱為平穩(wěn)小波變換，它能夠顯著削弱振動效應的影響[5]。多孔算法的分解公式為：

(3)

多孔算法通過對信號k(t)變換可得到K(t)，若存在t0使得K(t0)為其鄰域內的極大值，即所有t值都滿足：

|K(t0)|>|K(t)|

(4)

則可以判斷信號k(t)發(fā)生突變的時間是t0。對比小波系數(shù)的模極大值來判斷信號突變點，以此區(qū)分分行波波頭和噪聲。

2 基于暫態(tài)行波與斷路器的MTDC輸電線路故障保護算法

通過Mallat算法對一個離散信號樣本x(k)實現(xiàn)離散小波的快速分解，第j層平滑逼近系數(shù)xj(k)和細節(jié)系數(shù)yj(k)可以表示如下：

(5)

式中：h0、h1分別為低通、高通濾波器。

為了獲取高頻分量隨時間變化的關系，將直流故障發(fā)生時刻前后一段時間內的行波線模分量進行小波離散變換。其中，電壓信號的高頻分量模值W(k)，記電壓的高頻分量的小波能量E(k)為：

(6)

使用高頻分量的小波能量值作為區(qū)間判據(jù)。由于終端為感性，因此，電流是緩慢增加，使用電壓的變化作為檢測故障發(fā)生的判據(jù)更加準確，判定條件如下：

|V-Vav|>kVav

(7)

式中：k為電壓故障倍率系數(shù)；V為線模電壓的瞬時量；Vav為線模電壓的穩(wěn)態(tài)量。

基于暫態(tài)行波的多端直流系統(tǒng)的直流故障保護算法流程如圖1所示。

圖1 直流故障算法流程圖

3 仿真分析

在MATLAB/Simulink中搭建如圖2所示的基于電壓型換流站的四端直流輸電系統(tǒng)。所有換流站之間以電纜相連，線纜的具體參數(shù)如表1所示。所用直流斷路器的采樣頻率為50 Hz，試驗數(shù)據(jù)為DCCB21所測數(shù)據(jù)。

圖2 四端高壓直流輸電系統(tǒng)

以DCCB12為采樣點，仿真模擬此四端直流輸電系統(tǒng)分別在如圖2所示位置處(F1、F2、F3)發(fā)生雙極短路故障。對于直流斷路器DCCB21來說，分別為區(qū)內故障、反向區(qū)外故障和區(qū)內故障。取故障前后1 ms的時間間隔進行數(shù)據(jù)取樣處理，通過仿真計算得出三者的小波能量圖，如圖3所示。

當故障發(fā)生在區(qū)外時，小波能量最大值為1.5。鑒于存在測量誤差以及周圍環(huán)境的影響，取Eset為3。從圖3中提取啟動判據(jù)檢測到的時刻小波能量值，分別為90.56、5.32×10-7和2.15×

表1 線路參數(shù)

圖3 區(qū)內外故障小波能量圖

10-7。表2為不同情況下的區(qū)內故障。表3為不同情況下的區(qū)外故障。

表2 區(qū)內故障

表3 區(qū)外故障

通過對比試驗，提出的直流故障保護算法在故障切斷的準確率上高于文獻[6]所提的基于波頭時差的保護算法和文獻[7]所提的結合端部電壓小波變換系數(shù)的保護算法，并且遠高于文獻[7]所提出的算法準確率。因此，所提的直流故障保護算法可以提供準確和穩(wěn)定的故障判斷結果，如圖4所示。

圖4 算法成功率對比

4 結束語

本文利用小波變換提取故障時刻高頻暫態(tài)電壓分量，并依據(jù)小波能量值判斷故障類型，采用混合直流斷路器多次重合閘進行準確直流故障線路隔離。所提算法能夠準確判斷區(qū)內外故障，具有故障識別成功率高和過渡電阻容忍度高的優(yōu)勢。未來會進一步對故障保護的啟動條件進行研究，解決過高的過渡電阻導致電壓啟動判據(jù)的判定失敗問題。