小波分析法的直流輸電線路行波保護研究

馮媛碩,宋吉江

(山東理工大學電氣與電子工程學院,山東 淄博 255000)

小波分析法的直流輸電線路行波保護研究

馮媛碩,宋吉江

(山東理工大學電氣與電子工程學院,山東 淄博 255000)

利用MATLAB對高壓直流輸電系統中發生的常見故障進行仿真,提出一種基于小波分析的新型單端直流線路行波保護判據及原理,此方案是依據MATLAB仿真得到的反向電壓行波的模極大值波形來判定系統的故障特性,最后對此方法進行了仿真驗證,結果表明此保護方案是有效的。

高壓直流輸電；小波分析；反向電壓行波；模極大值

0 前言

高壓直流輸電系統的核心是保護系統,保護系統的性能對設備的安全性及系統的穩定運行是有決定性作用的。高壓直流輸電系統的輸送容量很大,對于保護有了更高的要求,必須加快供電系統恢復正常的速度,使得危害減小到最小[1]。

高壓輸電線路發生故障時,故障點的兩側均會產生沿線路運動的行波,在初始行波電流或電壓中,包含的故障信息很多,可以對這些信息進行分析,使得保護裝置在故障發生后很短時間內進行超高速故障檢測。因直流線路的結構比較簡單,電流

和電壓行波基本沒有受到母線結構變化的影響,由于線路波阻抗值很大,折射率為零,反射率為1,這個特性對于行波保護是具有很大優勢的。另外,直流輸電系統不存在電壓相角問題,這是與交流輸電不同的地方,這個特性也避免了行波保護中的死區問題。所以目前現有的高壓直流輸電工程廣泛采用行波保護作為主保護[2]。

行波信號是隨著頻率而變化的一種暫態不平穩的信號,波形的波頭很陡,高頻信息豐富。所以需要同時依靠故障行波的時域和頻域特征來對故障進行判別。對于傳統的傅里葉變換數學方法,是純頻域的方法,不適合分析不穩定變換的波形,所以不適合應用于行波分析中。而小波分析的方法有更高的優勢,取代了傅里葉變換的方法。小波變換方法特殊的時頻特性在處理暫態信號時有明顯優勢,它在行波保護研究中有更深的應用。另外,小波變換的模極大值是能夠體現信號突變信息的一個特殊性能,利用小波變換模極大值能夠很好的對信號的奇異性及突變性進行分析,便于進行故障診斷[3]。所以,小波分析方法是應用于高壓直流輸電線路暫態保護分析的有效手段。

1 輸電線路行波保護原理分析

對于高壓直流輸電系統,其輸送容量非常大,所以必須使得保護設備能在幾毫秒之內動作,并且可靠性要求很高,這樣可以使之相聯的電網產生的沖擊減小很多,然后短時間內就恢復供電。當故障發生在直流系統側時,除了借用橋閥控制極的控制使得故障電流可以快速被消除掉,另外,與交流輸電線路比較而言,定電流調節器使得故障電流減小很多。因此直流線路發生故障時,不能僅僅利用傳統的依靠故障電流的大小來進行檢測[4]。

行波保護方法按原理不同可以分為：行波差動保護、距離保護、行波極性比較方式保護等。極性比較方法是如今廣泛使用的,其原理就是將輸電線路兩端產生的電壓或者電流行波極性進行比較,如果極性相同,則發生了區內故障；如果極性是相反的,則發生了區外故障。極性比較方式的方向元件不是單獨存在的,其構成很簡單,然而,會受母線結構的影響,并且此保護方法對通道的依賴性較強,可靠性也不夠高。

本文提出一種基于小波變換的單端輸電線路行波保護方法,對于高壓直流輸電系統,在正常運行時,對檢測到的整流設備的保護安裝處反向電壓行波進行小波變換求出模極大值,其模極大值接近于0。如果系統發生故障,故障點處會產生行波的折射與反射現象,然后使得行波開始向線路兩端傳播,此時檢測到的模極大值會出現明顯的突變,即高壓直流輸電系統正常運行及發生區內外故障時測到的電壓行波模極大值的大小是有不同的,所以根據此信息來判別故障類型是有效的。這種新型的直流輸電線路行波保護方法不需要通信信道,只需要檢測反向電壓行波來進行故障識別。

2 行波保護判據

2.1 保護方案

首先根據實際運行經驗來設置兩個整定值,一個是來判斷線路是否發生故障的整定值1,另外是判斷系統發生區內還是區外故障的整定值2。輸電線路發生故障以后,檢測整流側保護安裝處的電壓和電流波形,然后通過計算得到反向電壓行波的波形,再經過小波變換得到反向電壓行波的模極大值,將得到的模極大值與整定值進行比較,判別系統是否發生故障,如果極大值超過了整定值,則系統發生故障。然后與整定值2進行比較,判別發生故障的類型。

2.2 故障識別判據

反向電壓行波的計算公式為：

式中：UM,IM表示整流側檢測到的電壓和電流,λ是輸電線路波阻抗。

注意,對于高壓直流輸電系統而言,在正向電壓下工作,則線路發生故障后測得的初始行波波形的極性是負的。

2.3 小波類型選擇

小波變換用于信號的突變點檢測,無論采用小波變換系數的模極大值點還是過零點的方法,都是在尺度上進行綜合判斷,才能準確地確定突變點位置。目前,如何選取小波函數并沒有一個理論標準,一般依據小波變換的小波系數對小波函數進行選擇。小波變換后的小波系數表明了小波與被處理信號之間的相似程度,小波系數越大則相似程度較大。還需要對尺度的大小進行選擇,對于僅僅需要反映信號整體的近似特性,一般選取較大尺度[4]。

本文利用小波變換模極大值幅值識別故障點波形,將故障后的電流行波進行模變換后,對其進行分解,取第2層高頻數據求取模極大值,然后根據求得的模極大值波形進行故障診斷。

3 仿真分析

3.1仿真模型

利用MATLAB對高壓直流輸電系統進行建模仿真分析,建立的單極性12脈沖的仿真模型參數為：整流側交流系統的額定電壓為500 kV,逆變側交流系統額定電壓是345 kV,頻率均為50 Hz；直流輸電線路長度為300 km。HVDC系統如下圖1所示。

圖1單極性高壓直流輸電系統

系統的故障點設置在圖1所示的a,b兩點處,對于兩種故障發生后檢測到的整流側暫態過程的波形是相似的,如果利用傳統的診斷方法,是很難在極短時間內區分故障類型的,所以必須采用新型保護方案[5]。本文提出的保護方案是利用故障發生時刻信號產生的暫態行波波形的奇異點來對系統故障類型進行判定。下面圖2、圖3和圖4分別表示直流輸電系統正常運行時整流側保護安裝處的電壓和電流波形,以及直流輸電線路發生短路故障和交流側系統發生故障時的波形圖。

圖2 系統正常運行時整流側電壓和電流波形

對建立的高壓直流輸電系統進行仿真運行,仿真結果最后都會達到穩定狀態。仿真得到的電壓和電流波形如圖2所示。圖2表示系統正常運行時穩態仿真的整流側波形。直流側線路電壓為實際值,直流側線路電流為標幺值形式。對于系統的控制系統模塊,在時間t=20 ms時轉換器的脈沖發生器開始工作,線路中開始出現電流并且有功率傳輸。在0.3 s時參考電流值達到最小為0.1 pu。并且觀察到此時開始建立直流電壓。在t =0.4 s時參考電流以5 pu/s的速度由0.1 pu升到1 pu(2 kA)。直流電流在大約0.58 s時達到穩定狀態。波形圖中的電壓波形顯示了整流器側的直流線路電壓實際值,波形圖中的電流波形表示參考電流和測得的電流 (1 pu=2 kA)。在t= 1.4 s時施加停止脈沖,將電流值降為0.1 pu,在t=1.4 s時直流電流消失,直流電壓也降低。

3.2 直流線路故障仿真

對于高壓直流輸電系統發生直流線路接地故障,在仿真模型中將系統中故障模塊的參數因子由100變為1,即表示在t=0.7 s時設置了一個故障,將仿真時間設為1.4 s。直流線路故障時整流側波形如圖3所示。由波形可知,故障時直流側電流激增到2.2 pu,直流側電壓下降為零值,而故障發生后,直流側仍有電流流通。在t=0.77 s時,觸發延遲角α被強制改變,這時的整流器運行在逆變器模式,此時直流側線路電壓變為負值,將線路上儲存的能量反送入交流系統,導致故障電流在過零點時快速熄滅。在t=0.82 s時,消除觸發延遲角α的強制值,額定直流電壓和電流在0.5 s后恢復正常。

圖3 直流輸電線路接地故障

3.3 交流側故障仿真

下面對于直流輸電系統中的交流側接地短路故障進行仿真分析,將故障發生時刻設在t=0.7 s時,然后進行仿真,整流側波形如圖4所示。

圖4 逆變器交流側單相接地短路故障

由仿真結果分析,故障導致直流電壓和直流電流出現了振蕩,故障開始時,逆變器兩個閥進行換相時,因預計關斷的閥關斷后,在反向電壓期間未能恢復阻斷能力[6],當加在該閥上的電壓為正時,又重新導通,即出現了換相失敗現象,直流電流激增到2 pu,在t=0.8 s時故障清除。

3.4 故障診斷

對于上述得到的波形進行小波變換求出模極大值,然后依據本文提出的新型保護判據進行故障診斷。在MATLAB中編程求取各分量的模極大值波形如圖5所示。

圖5 整流側反向電壓行波及模極大值波形

仿真結果圖中a所示為正常運行狀態下整流側M點檢測到的暫態量的反向電壓行波及經過小波變換后得到的模極大值波形,由圖可知,在系統正常運行時,對反向電壓行波進行小波變換后得到的模極大值是小于0.1的。

對于圖中b、c所示分別為輸電線路發生短路故障時和交流側發生單相接地故障時的小波變換模極大值波形。由仿真結果圖可知,對于輸電線路短路故障情況,得到的模極大值在前3 ms以內幅值是大于50的,而在后期的時間內是在30左右。對于系統交流側發生單相接地故障的情況,其反向電壓行波的模極大值的幅值是在5到10之間的[7]。由以上分析可知,只要設定好的整定值,就可以在極短時間內檢測出故障,并將故障類型進行區分判定[8-9]。

4 結束語

本文是基于小波分析的方法對高壓直流輸電系統的行波保護進行研究。首先利用MATLAB分別對HVDC系統的正常運行及故障情況進行仿真分析,為高壓直流輸電系統的保護配置提供了基礎。本文提出一種基于小波變換的行波保護新方案,能夠快速準確判定系統發生故障類型。本文的行波保護方案是利用仿真得到的反向電壓行波的模極大值波形進行故障診斷,能夠對系統的區內外故障進行有效識別,這種新型的單端行波保護方法,不需要通信信道,所以也使得成本降低,更加滿足高壓直流輸電技術的應用。

[1] 趙畹君.高壓直流輸電工程技術 [M].北京：中國電力出版社,2011.

[2] 楊曉萍.高壓直流輸電與柔性交流輸電 [M].中國電力出版社,2010.

[3] 張德豐.MATLAB小波分析 [M].機械工業出版社,2009.

[4] 潘偉明.高壓直流輸電線路的行波保護研究 [D].南京理工大學,2013.

[5] 全玉生,李學鵬,徐鐵鷹,等.基于小波變換的HVDC線路行波電流極性比較式方向保護 [J].現代電力,2005, 06：22-26.

[6] 梁睿,孫式想.單端行波故障測距的組合方法研究 [J].電網技術,2013,03：699-706.

[7] 蘭華,李成哲,王韻然,等.高壓直流輸電線路行波保護的發展與展望 [J].電測與儀表,2012,06：1-4+14.

[8] 覃劍.輸電線路單端行波故障測距的研究 [J].電網技術,2005,15：65-70.

[9] 覃劍,葛維春,邱金輝,等.影響輸電線路行波故障測距精度的主要因素分析 [J].電網技術,2007,02：28-35.

宋吉江 (1963),男,教授,碩士生導師,山東理工大學,研究方向為電力系統及其自動化,檢測裝置及其自動化等。

Study on Traveling Wave Protection of HVDC Transmission Line Based on Wavelet Transform

FENG Yuanshuo,SONG Jijiang
(School of Electrical and Electronic Engineering,Shandong University of Technology,Zibo,Shandong 255000,China)

Apply the method of wavelet transform to the HVDC line fault traveling wave protection,the accuracy of fault diagnosis can be improved.This paper simulated the common faults in the high-voltage direct current transmission system based on MATLAB. And then put forward a new type of protection criterion and principle of single-ended DC line traveling wave protection.This scheme is based on the traveling wave modulus maxima waveform of reverse voltage from MATLAB to determine fault features of the system. Finally,the simulation verify this method,the results show that this scheme is effective.

HVDC；wavelet transform；reverse voltage traveling wave；modulus maxima

TM727

B

1006-7345(2015)01-0022-04

2014-09-27

馮媛碩 (1988),女,碩士研究生,山東理工大學,研究方向為電力系統及其自動化 (e-mail)fengyuanshuo36＠163.com。