同塔雙回直流線路故障選線方法

余多，何廷一，彭俊臻，馬紅升，邢超，李勝男，奚鑫澤，張明強(qiáng)，許珂瑋

（云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，云南 昆明 650217）

0 前言

高壓直流輸電具有線路輸電能力強(qiáng)、損耗小、兩側(cè)交流系統(tǒng)不需同步運(yùn)行、發(fā)生故障時(shí)對(duì)電網(wǎng)造成的損失小等優(yōu)點(diǎn)，特別適合用于長(zhǎng)距離點(diǎn)對(duì)點(diǎn)大功率輸電[1-2]。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和人口的快速增長(zhǎng)，土地資源愈發(fā)緊俏，在保證傳輸功率的基礎(chǔ)上減少送電線路所需的占地走廊具有即時(shí)的經(jīng)濟(jì)效益和實(shí)際意義。同塔雙回輸電技術(shù)是指在一個(gè)桿塔上架設(shè)兩回線路。與常規(guī)單回線相比，同塔架設(shè)雙回線路的走廊數(shù)量明顯減少，土地占用面積隨之減少，其線路走廊的輸送容量可視為幾回線路輸送容量之和，相當(dāng)于增加了總輸電容量，明顯提高經(jīng)濟(jì)效益[3]。而同塔雙回直流輸電技術(shù)兼具直流輸電和同塔架設(shè)送電線路的雙重特點(diǎn)，伴隨直流輸電技術(shù)的逐漸成熟和電壓等級(jí)的逐步提高，同塔雙回直流輸電技術(shù)將越來越受到關(guān)注。直流線路是同塔雙回直流輸電系統(tǒng)的重要組成部分，每回的正極與負(fù)極，回線與回線之間均存在耦合，故障類型復(fù)雜多樣，這些都給雙回線的解耦、故障分析與故障測(cè)距等帶來復(fù)雜性和特殊性[4-5]。同時(shí)，同塔雙回直流線路電壓等級(jí)高，輸電距離遠(yuǎn)，在輸送大容量電能的過程中途經(jīng)區(qū)域大多為人煙稀少的偏遠(yuǎn)山區(qū)，其環(huán)境惡劣，地質(zhì)條件和氣象條件復(fù)雜多樣，極易引發(fā)故障[6]。

故障選線研究是同塔雙回直流線路保護(hù)的重要組成部分，準(zhǔn)確判斷出故障線路有助于運(yùn)維人員快速處理故障，有效保障直流系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行[7]。本文提出一種同塔雙回直流線路故障選線方法，在1 MHz采樣率下，利用量測(cè)端獲取故障前10 ms和故障后10 ms時(shí)窗長(zhǎng)度下各極線故障電壓，用各極線故障電壓減去正常情況下的各極線電壓得到故障分量電壓；再對(duì)故障分量電壓進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理得到標(biāo)準(zhǔn)化極線電壓；最后選取故障后10 ms時(shí)窗長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)化極線電壓來進(jìn)行方差計(jì)算;若計(jì)算出的方差小于設(shè)定的閾值，則判斷該極線發(fā)生故障。仿真試驗(yàn)表明該方法計(jì)算簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，選線效果好。

1 故障分量法

圖1為一個(gè)簡(jiǎn)化的電力系統(tǒng)圖，當(dāng)圖1（a）所示的線路發(fā)生短路故障后，利用疊加原理可以把短路點(diǎn)電壓等效為兩個(gè)串聯(lián)的、大小相等方向相反的電壓是故障發(fā)生之前短路點(diǎn)的電壓[8]。因此圖1（a）故障狀態(tài)可分解為圖1（b）正常狀態(tài)和圖1（c）故障附加狀態(tài)的疊加。故障附加狀態(tài)的電氣量又稱為故障分量、突變量或變化量。故障分量?jī)H在故障時(shí)出現(xiàn)，正常運(yùn)行時(shí)為零[9-10]。因此，反映故障分量的保護(hù)在正常運(yùn)行時(shí)不會(huì)起動(dòng)，靈敏度高。

圖1 電力系統(tǒng)故障分解圖

以圖1所示m端為例，計(jì)算故障分量如式(1)所示：

其中，Um(k)、Im(k)分別為故障狀態(tài)下m端的電壓、電流；Um[0]、Im[0]分別為正常狀態(tài)下m端的運(yùn)行電壓、負(fù)荷電流；ΔUm(k)、ΔIm(k)分別為m端的電壓、電流故障分量。

2 同塔雙回直流線路故障選線方法

步驟一：極線故障電壓的獲取：?jiǎn)螛O線接地故障時(shí)，在1 MHz的采樣率下，取故障前10 ms和故障后10 ms時(shí)窗長(zhǎng)度下各極線的電壓uR,IP(k)、uR,IN(k)、uR,IIP(k)、uR,IIN(k)，其 中 采樣點(diǎn)k=1,2,…,204；下標(biāo)R為量測(cè)端；IP、IN、ⅡP、ⅡN分別為I回正極線、I回負(fù)極線、Ⅱ回正極線、Ⅱ回負(fù)極線；

步驟二：故障分量電壓的計(jì)算：用步驟一所得各極線的故障電壓減去正常情況下的各極線電壓得到故障分量電壓；

式(2)中，u′R,IP(k)、u′R,IN(k)、u′R,IIP(k)、u′R,IIN(k)為故障分量電壓；uR,IP(k)、uR,IN(k)、uR,IIP(k)、uR,IIN(k)為故障前10 ms和故障后10 ms時(shí)窗長(zhǎng)度下各極線的電壓，其中采樣點(diǎn)k=1，2，…，204；uR,IP|0|、uR,IN|0|、uR,IIP|0|、uR,IIN|0|為 正 常 情 況下的各極線電壓；

步驟三：故障分量電壓的標(biāo)準(zhǔn)化。為了保證結(jié)果的可靠性，需要先對(duì)原始數(shù)據(jù)，即對(duì)故障分量電壓進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，利用標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

式(3)中，u′R,IP(k)、u′R,IN(k)、u′R,IIP(k)、u′R,IIN(k)為標(biāo)準(zhǔn)化極線電壓；μR,IP、μR,IN、μR,IIP、μR,IIN為 故 障 分 量 電 壓 的 均 值；σR,IP、σR,IN、σR,IIP、σR,IIN為故障分量電壓的標(biāo)準(zhǔn)差。

經(jīng)過上述標(biāo)準(zhǔn)化處理后，原始數(shù)據(jù)均轉(zhuǎn)換為無量綱化值（即：處于同一個(gè)數(shù)量級(jí)別上），可以進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)分析。

步驟四：故障選線判據(jù)的構(gòu)造：

式(4)中，u′R,h(q)為故障后10 ms時(shí)窗長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)化極線電壓，其中采樣點(diǎn)q=104,…,204；為故障后10 ms時(shí)窗長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)化極線電壓的平均值；ξ2R,h為10 ms時(shí)窗長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)化極線電壓的方差；下標(biāo)h代表極線，即：I回正極線IP、I回負(fù)極線IN、Ⅱ回正極線ⅡP、Ⅱ回負(fù)極線ⅡN；N為故障后10 ms時(shí)窗長(zhǎng)度采樣點(diǎn)q的總數(shù)，N=150001。

經(jīng)過大量仿真計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證，取閾值ξ2R,h=1，提出如下判據(jù)：

ξ2R,h≤1時(shí)，判斷為極線發(fā)生故障；

ξ2R,h＞1時(shí)，判斷為極線未發(fā)生故障。

綜上，具體的故障選線流程如圖2所示。

圖2 同塔雙回直流線路故障選線流程圖

3 仿真分析與驗(yàn)證

搭建同塔雙回直流輸電系統(tǒng)進(jìn)行大量數(shù)字仿真試驗(yàn)，以驗(yàn)證本文所提出的故障選線判據(jù)。仿真中，采樣頻率為1 MHz。

3.1 算例1

假設(shè)Ⅰ回正極線距整流側(cè)500 km處發(fā)生金屬性接地故障，利用式(1)得到的整流側(cè)量測(cè)端各極線故障分量電壓波形如圖3所示。對(duì)故障分量電壓進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理得到標(biāo)準(zhǔn)化極線電壓分量，并選取故障后10 ms時(shí)窗長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)化極線電壓分量來進(jìn)行方差計(jì)算，得到ξ2R,IP=0.7648，ξ2R,IN=1.9319，ξ2R,IIP=1.9175，ξ2R,IIN=1.9030。因?yàn)棣?R,IP=0.7648＜1，因此判斷Ⅰ回正極線發(fā)生故障。

圖3 算例1中量測(cè)端所獲的各極線故障分量電壓波形

3.2 算例2

假設(shè)Ⅱ回負(fù)極線距整流側(cè)900 km處發(fā)生金屬性接地故障，利用式(1)得到整流側(cè)量測(cè)端的各極線故障分量電壓波形如圖4所示。對(duì)故障分量電壓進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理得到標(biāo)準(zhǔn)化極線電壓分量，并選取故障后10 ms時(shí)窗長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)化極線電壓分量來進(jìn)行方差計(jì)算，得到ξ2R,IP=1.9601，ξ2R,IN=1.9979，ξ2R,IIP=1.9648，ξ2R,IIN=0.6489。因?yàn)棣?R,IIN=0.6489＜1，因此判斷Ⅱ回負(fù)極線發(fā)生故障。

圖4 算例2中量測(cè)端所獲的各極線故障分量電壓波形

4 結(jié)束語(yǔ)

1）本文提出的一種同塔雙回直流線路故障選線方法，是對(duì)同塔雙回直流線路的故障分量電壓進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理得到標(biāo)準(zhǔn)化極線電壓，并計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)化極線電壓的方差，若方差滿足判據(jù)則判斷極線發(fā)生故障，能可靠識(shí)別出故障極線。

2）本文通過電磁暫態(tài)仿真軟件搭建了同塔雙回直流輸電系統(tǒng)，并通過大量的數(shù)字仿真試驗(yàn)，驗(yàn)證了本文所提出的故障選線方法能可靠識(shí)別出故障極線，且具有計(jì)算簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)的顯著優(yōu)點(diǎn)。