高壓直流輸電線路的雙端行波頻差比值故障測距

宋其濤

摘要：高壓直流輸電（highvoltagedirectcurrent，HVDC）具有傳輸距離遠、輸送容量大、電能損耗小等優勢，廣泛應用于遠距離電能傳輸、跨區域電網互聯等工程、分布式能源接入電網工程等領域。由于直流線路較長，受所跨越的地區氣候條件、地形地貌條件差異影響，線路故障概率很高，故障巡線難度大，因此，具有可靠性和準確性的線路故障定位技術對于保證電力系統安全穩定運行，提高系統可靠性具有重要意義。現有的直流輸電線路故障定位方法主要以行波法為主。行波測距又可分為單端測距法和雙端測距法，其中，單端測距法的優勢在于僅需線路一端故障信息，經濟性強，實現簡單，其關鍵在于初始波頭的識別和正確可靠地檢測、表征、標定、甄別故障點反射波。目前識別故障點反射波的方法主要有相關分析法、Hough變換直線檢測法等。

關鍵詞：高壓直流輸電線路;雙端行波頻差比值故障測距;

引言

隨著我國直流系統規模的逐年擴大，其故障概率也在逐漸增多，相關統計數據表明，直流系統故障主要為直流線路故障。長距離直流輸電線路的故障暫態發展過程會受多種因素影響，包括：遠距離輸電情況下線路的分布電容電流現象明顯，故障電流會受到線路電容電流放電過程的影響;由于長線路的參數頻變特性，故障電氣量的行波傳輸過程會出現色散現象，行波波頭捕捉困難;直流線路故障過程及電壓電流暫態特性受兩側換流器的快速故障控制的直接影響;故障暫態過程中的諧波特性會與濾波器、平波電抗器等設備的參數配置密切相關等等。

1故障行波的頻譜產生的機理

直流輸電線路上發生故障時，由故障行波在故障點與觀測點之間的多次反射往復傳播和有限長度的線路延時形成自由振蕩的自然頻率，在故障點沒有對端透射的情況下，它正比于故障距觀測點的距離的倒數，在頻域上表現為某一特定頻率的無窮多諧波之和，即故障行波的頻譜分布，可通過疊加定理、彼得遜法則和運算電路等效來推導。單極運行方式下，直流線路故障下的附加分量網絡圖如圖1所示。

圖中，Zc為線路的波阻抗，ZM、ZN分別為兩端系統阻抗，Rf為故障點的過渡電阻，xf為故障點相對于量測端M端的距離，v為波速。γ為傳播系數，L和C表示導線單位長度的電感和電容。故障點初始行波由故障點向線路兩端系統邊界傳播，行波在故障點邊界處和系統邊界處的折反射由波得遜法則分析。故障點初始行波由故障點向線路兩端系統邊界傳播，在邊界處發生反射，反射行波到達故障點時發生反射和折射。在經故障點的折射波未再一次到達故障點之前，由系統邊界處反射行波在故障點的折反射規律符合彼得遜法則，等效電路圖如圖2所示。

圖中Zf=（Rf·ZC）/（Rf+ZC），Uf+表示系統M端邊界反射行波。由彼得遜法則可知，行波在故障邊界處的反射系數、折射系數分別為

2故障特征分析

由于高壓直流輸電線路兩端均裝設有直流濾波環節，使得直流輸電線路發生區外、區內故障時，故障分量網絡拓撲結構就不同。直流輸電線路發生區外故障時，輸電線路兩端的平波電抗器會對高頻信號產生阻滯作用，使得流過直流濾波器支路互感器的高頻電流分量很小;直流輸電線路區內故障時，平波電抗器沒有對故障信號產生阻滯作用，流過直流濾波器支路互感器高頻分量很大。由以上分析可以知道，直流輸電線路區內、外故障時流過直流濾波器支路的高頻分量信號差異明顯，利用濾波器支路中電流信號差異進行高壓輸電線路區內外故障的判斷將具有很好的靈敏度和選擇性。由于直流濾波環節的存在，對于區內故障，其阻抗曲線對直流濾波支路特定諧振頻點600、1200和1800Hz具有帶通性，使得流過直流濾波器支路的這3個頻率分量的幅值變化較大，相反故障發生在直流輸電線路區外時，由于平波電抗器的作用3個頻率分量流過直流濾波器的幅值變化較小。

3行波故障測距的誤差分析

小波變換是波頭標定的良好工具，模極大值對應時刻可以準確地反映行波到達的時刻。給出具體的單端行波測距步驟如下：1）對故障電流行波（或線模電流行波）進行小波變換，得到前三個尺度下的模極大值序列。2）通過考察不同尺度下的模極大值的變化情況消除噪聲的干擾，當某一模極大值不隨著尺度的增加而增大時，則被判定為噪聲產生的模極大值。3）檢測到的首個非零模極大值作為故障初始行波對應的模極大值，根據極性判斷檢測到的第二個模極大值對應的是故障點反射波還是故障點折射波，確定故障點反射波。當檢測第二個波頭時，為避免其他波阻抗不連續點導致的行波影響，需要設置門檻值，取值為當前尺度下初始行波模極大值的10%。4）以初始行波模極大值最大的尺度作為檢測尺度，根據式計算故障距離。

4基于頻差比值的雙端測距

頻域法測距相對于時域法的優勢在于無需精確標定波頭到達時刻以及對波頭提取精度要求不高，可利用雙端頻差比值構建與故障距離的關系式如式所示：

令式中 表示雙端頻差之比，亦可令 從數學上消除了波速對測距結果的影響，且利用第n+1次頻率與第n次頻率做頻差比，消除了主頻率提取不準確對測距精度造成的影響。

5集成裝置的性能優化

集成裝置將行波測距功能與保護功能兩者進行融合，既能有效提升行波測距可靠性，同時可較大程度優化保護性能。對于斷路器操作和不造成故障的雷擊，如果僅利用行波啟動元件作為故障判別元件，將會造成行波誤啟動和誤測距，而集成行波測距裝置通圖5集成裝置雙端行波測距流程過以下兩方面來提高行波測距的可靠性。1）利用保護工頻量啟動開放行波波頭提取功能。將工頻電流突變量作為另一個啟動元件，與行波啟動元件構成與邏輯。行波CPU可以通過母板獲取主CPU的硬啟動信號，只有兩個啟動元件均啟動之后，才投入小波變換提取故障波頭的算法。行波裝置啟動與電流突變量啟動相結合能可靠躲過雷電波導致的誤啟動。2）利用工頻量保護的動作信號開放行波測距結果輸出功能。只有保護跳閘之后，保護CPU才輸出雙端行波測距結果，否則僅是裝置內部記錄測距結果，并根據需要進行調閱。利用雙端行波測距來校驗線路保護的動作行為，能夠精確定位故障點，故障測距精度能夠達到1km以內。對于300km以上的線路，在暫態超越不超過5%，即15km的情況下，行波測距裕度遠大于阻抗的誤差范圍，完全可以利用行波CPU對距離I段進行暫態超越校驗。

結束語

1）與交流線路相比，直流母線沒有其他出線，且直流電壓不存在過零點，因此任何故障條件下均可得到更為穩健的故障行波暫態量自由振蕩頻譜，頻譜分布規律由故障點折反射、系統邊界條件決定。2）故障自然頻率的頻差可反映故障位置，不受系統邊界條件影響，規避了行波波頭識別的不可靠、波到時刻的標定的不精確所帶來的誤差。3）利用雙端頻差比構造測距方程，測距精度不受波頭畸變、波形缺損、首波頭丟失的影響，數學上減少了波速衰減的影響，不受特征諧波影響，不依賴雙端同步對時，對高阻故障等弱故障模態具有較好的魯棒性。

參考文獻

[1]李玥樺，李雄，趙偉.電力系統行波測距方法探究[J].電力與能源，2018，39（4）：506-509.

[2]談昊，徐曉春，趙青春，等.兩側時鐘同步校驗及不依賴對時的行波測距[J].電氣技術，2019，20（1）：80-83.

[3]馮騰，董新洲.雙端行波故障測距裝置性能測試方法[J].電力自動化設備，2018，38（9）：114-120.

[4]李振興，吳李群，譚洪，等.基于簡單通信的雙端行波測距新方法[J].中國電力，2018，51（3）：74-79.294A1066-0CEA-43B2-A165-ECB9D3882DCC