高壓直流輸電線路分析論文

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摘要：目前，國內(nèi)外投運(yùn)的行波保護(hù)普遍存在著可靠性差的問題。針對該問題，本文簡要分析了實(shí)際工程中行波保護(hù)存在的缺陷。同時，在使用EMTDC暫態(tài)仿真軟件對各種直流線路故障進(jìn)行仿真計(jì)算的基礎(chǔ)上，本文對目前國際上具有代表性的兩種行波保護(hù)判劇進(jìn)行了對比性分析與研究；并提出了基于小波變換的行波方向保護(hù)新原理，提高了行波保護(hù)的可靠性。

關(guān)鍵詞：高壓直流行波保護(hù)EMTDC小波變換

1引言

隨著我國電力事業(yè)的蓬勃發(fā)展，將越來越多地采用高壓直流輸電作為長距離輸送電能方式。目前，我國已有多項(xiàng)直流輸電工程投運(yùn)，舉世矚目的三峽工程也已經(jīng)開始投運(yùn)。因此，如何保證直流線路的安全穩(wěn)定運(yùn)行，提供一種高速可靠的線路保護(hù)方案，就成為一個急待解決的直流輸電技術(shù)問題。

由于行波保護(hù)具有超高速動作性能，同時能夠克服傳統(tǒng)工頻量保護(hù)易受電流互感器飽和、系統(tǒng)振蕩和長線分布電容等影響的缺點(diǎn)，目前，世界上廣泛采用了行波保護(hù)作為高壓直流線路保護(hù)的主保護(hù)。然而，目前國內(nèi)外所投運(yùn)的行波保護(hù)普遍存在著可靠性不高的問題。因此，有必要對現(xiàn)有行波保護(hù)開展進(jìn)一步的研究，使行波保護(hù)在實(shí)際工程中能夠具有更高的可靠性和抗干擾性能。

2工程中行波保護(hù)存在的問題

國內(nèi)外相關(guān)資料顯示，目前所投運(yùn)的行波保護(hù)普遍存在著受擾動容易誤動的問題。分析其原因，主要有以下幾點(diǎn)：

1)行波保護(hù)判據(jù)中多采用電流、電壓值的瞬時值，在計(jì)算時，具體所選擇的計(jì)算點(diǎn)的值將直接影響判別式輸出的值，因此，由噪聲等干擾引起的數(shù)據(jù)采樣值的波動很容易影響計(jì)算點(diǎn)的值，從而引起判別式誤動作。

2)由于線路使用的耦合電容分壓式電壓互感器，傳變暫態(tài)信號的能力較差，使得二次側(cè)獲取的行波電壓信號誤差較大。

3)換相故障、交流側(cè)故障等都可能引起直流線

路上出現(xiàn)交流分量的暫態(tài)分量，以及電力線路上由雷擊、開關(guān)分合、空線合閘等所造成的干擾，都和暫態(tài)行波有相似之處，從而影響行波的識別。

4)當(dāng)接地電阻較大時(100Ω以上)，行波保護(hù)不易區(qū)分逆變側(cè)平波電抗器正反向故障。這是由于在接地電阻較小時，平波電抗器線路側(cè)(正向)故障時的行波波頭幅值和陡度都較大，而在逆變器側(cè)(反向)故障時，由于受到平波電抗器的平滑作用，行波波頭的幅值和陡度都較大地減小了，從而得以正確區(qū)分；然而，當(dāng)正向經(jīng)高阻接地時，正向行波波頭的幅值和陡度都減小，以至與反向故障時(金屬性接地)所傳播到整流側(cè)的行波波頭相混淆，從而無法區(qū)分。

3行波保護(hù)判據(jù)的研究

作者首先建立了基于交直流電磁暫態(tài)仿真軟件EMTDC的高壓直流輸電系統(tǒng)仿真模型，并在仿真模型上構(gòu)造各種類型的直流線路區(qū)內(nèi)外故障，以獲取HVDC系統(tǒng)的運(yùn)行特性以及故障數(shù)據(jù)；在此基礎(chǔ)上對實(shí)際工程中廣泛采用的行波保護(hù)判據(jù)(ABB公司和SIEMENS公司)進(jìn)行了對比性分析研究，并提出了基于小波變換的行波方向保護(hù)新原理。

本文以天廣(天生橋—廣州)直流輸電工程為仿真模型，其主要運(yùn)行參數(shù)為：1800MW，1．8kA，500kV，12脈波，雙極雙橋。如圖1所示。

3．1ABB行波保護(hù)判據(jù)

(1)基本原理

其基本原理是：當(dāng)直流線路上發(fā)生對地短路故障時，會從故障點(diǎn)產(chǎn)生向線路兩端傳播的故障行波，兩端換流站通過檢測所謂極波b(t)＝ID·γ－UD(式中：γ為直流線路的極波阻抗，ID和UD分別為整流側(cè)直流電流和直流電壓)的變化，即可檢知直流線路故障，構(gòu)成直流線路快速保護(hù)；另一方面，故障時兩個接地極母線上的過電壓吸收電容器上會分別產(chǎn)生一個沖擊電流ICN1和ICN2，利用該沖擊電流以及兩極直流電壓的變化即可構(gòu)成所謂地模波Gwave，根據(jù)地模波的極性就能正確判斷出故障極。

這里：ID1和ID2分別為極1和極2上整流側(cè)線路直流電流；UD1和UD2分別為極1和極2上整流側(cè)線路直流電壓；IEL為整流側(cè)架空地極線上的電流。電流電壓的極性和方向如圖2所示。

(2)仿真實(shí)例

下面舉例說明該行波保護(hù)判據(jù)的具體判別過程：以極1上距整流側(cè)480km發(fā)生100歐姆接地故障為例。

圖3和圖4分別顯示了故障時的直流電流、電壓波形以及極波、地模波的波形。其中：pwave1為極1上的極波；pwave2為極2上的極波；cwave為地模波；故障發(fā)生時刻為1．600s。由圖可見，在1．6016s時檢測到極波pwave1的變化率大于整定值，于是起動極1故障判別式；再對地模波cwave自波前時刻后的10個采樣點(diǎn)進(jìn)行積分求和得Swave大于整定值，因此可確定極1上直流線路發(fā)生接地故障。

(3)動作性能分析

1)該保護(hù)對線路全長范圍內(nèi)各種故障均能識別(包括100Ω的高阻接地故障)。

2)該保護(hù)動作速度快，延時在毫秒級。

3)該保護(hù)的抗干擾性能尚可，對于線路空載合閘、開關(guān)操作等不誤動，而對于2％及以上的噪聲干擾易誤動。

3．2SIEMENS行波保護(hù)判據(jù)

基本保護(hù)原理為：當(dāng)直流線路發(fā)生接地故障時，在向故障點(diǎn)兩端傳播行波的同時，兩端換流站檢測到的直流電壓下跌，整流側(cè)直流電流急增，逆變側(cè)直流電流急降；根據(jù)以上特點(diǎn)，可采用電壓下降率(du/dt)和行波值b(t)等計(jì)算，即可檢知線路故障，從而構(gòu)成線路保護(hù)的主保護(hù)。保護(hù)判據(jù)為：當(dāng)直流電壓下降率大于給定值時，對故障前的b(t)與故障后的b(t)差值進(jìn)行10ms積分，若此積分值大于給定值，延時6ms后發(fā)出行波保護(hù)動作信號。在此延時內(nèi)，若有其它保護(hù)動作或另一極行波保護(hù)動作，則本級行波保護(hù)將被閉鎖800ms。

分析其動作性能，可得出：

1)該保護(hù)對線路全長范圍內(nèi)各種故障均能識別(包括100Ω的高阻接地故障)。

2)該保護(hù)的動作時延較大(大于16ms)。

3)該保護(hù)對于線路空載合閘、開關(guān)操作等不誤動；在有輕微噪聲干擾的情況下，該判據(jù)雖然能正確檢測出故障，卻不能準(zhǔn)確判別故障時刻。

3．3基于小波變換的行波方向保護(hù)

由以上分析可見，傳統(tǒng)行波保護(hù)的主要缺點(diǎn)是不能準(zhǔn)確把握線路故障的暫態(tài)信息，因而其動作可靠性、動作速度、抗干擾性能等都受到了較大的限制。為了從根本上克服傳統(tǒng)行波保護(hù)不能準(zhǔn)確把握故障信息的缺點(diǎn)，這里采用小波算法，準(zhǔn)確提取故障特征，提出了基于小波變換的行波方向保護(hù)新原理。小波變換具有良好的時域局部化性能，使得它能在任一小時間段給出行波信號在該時刻的頻率信息，因此，能夠快速準(zhǔn)確地抓住行波波頭；另一方面，小波變換的模極大值與行波信號的主要特征———“突變點(diǎn)”相對應(yīng)：由于信號的奇異點(diǎn)中包含著信號中最重要的信息，因此小波變換的模極大值能夠刻畫故障行波信號的奇異點(diǎn)和奇異性，進(jìn)行故障檢測。此外，小波變換還有抑制噪聲的作用———噪聲信號在小波變換下其能量是隨尺度的增大而變小的。

基于小波變換的行波方向保護(hù)的基本原理為：采用暫態(tài)電流行波在小波變換下的模極大值是否越限作為故障判別起動元件；然后，采用基于小波變換的行波極性比較式方向保護(hù)判據(jù)來判別故障。(即根據(jù)故障電壓、電流行波從模極大值點(diǎn)的正負(fù)極性來分區(qū)內(nèi)區(qū)外故障：極性相反時為區(qū)內(nèi)故障，反之亦然。)可見，該保護(hù)原理簡單，易于實(shí)現(xiàn)。

圖5為極一上距整流側(cè)240km在1．6000秒發(fā)生1000Ω高阻接地，并施加10％的噪聲干擾時的UD1原始信號圖及以db3小波為母小波的六個尺度的小波變換結(jié)果，其中采樣間隔為5μs?？梢?，原始故障波形以及其在尺度d1和尺度d2下的小波變換中，噪聲干擾完全淹沒了故障行波信號，隨著尺度的增加，噪聲被抑制，而故障信號的特征更加明顯，在尺度d4和尺度d5中，行波波頭所對應(yīng)的模極大值已經(jīng)能很明顯地辨認(rèn)出來，其故障時間為1．6008s。(故障時間t＝1．6000＋Xr/v＝1．6008，其中Xr為故障點(diǎn)距整流側(cè)的距離，v為波速，近似取為光速。)

保護(hù)動作性能分析：

1)該保護(hù)對線路全長范圍內(nèi)各種故障均能識別(包括1000Ω的高阻接地故障)。

2)該保護(hù)抗干擾性能較好，對于線路空載合閘、開關(guān)操作等不誤動，對高達(dá)10％的噪聲干擾，該判據(jù)均能正確檢測出故障。

3)在高達(dá)1000Ω的高阻接地故障情況下能正確區(qū)分逆變側(cè)正反向故障，另一方面，還能根據(jù)電流行波的模極大值點(diǎn)所對應(yīng)的時刻來進(jìn)行故障定位，有助于巡線檢修工作。

4)該保護(hù)具有超高速動作特性，能在故障瞬間抓住波頭(4ms內(nèi))。

可見，基于小波變換的行波方向保護(hù)不失為一種高速可靠的行波保護(hù)方案。

4結(jié)論

通過對各種行波保護(hù)方案的研究和對現(xiàn)有行波保護(hù)存在問題的探討可以看出：傳統(tǒng)行波保護(hù)是一種快速、靈敏且動作性能較好的高壓直流線路主保護(hù)，但其可靠性卻存在著易受擾動的缺陷，究其根本原因是沒有準(zhǔn)確把握故障信息?；谛〔ㄗ儞Q的行波方向保護(hù)采用小波算法，準(zhǔn)確提取故障行波的突變信號，克服了傳統(tǒng)行波保護(hù)的不足，不但具有超高速的動作性能和良好的故障判別能力，還具有很高的可靠性以及良好的抗干擾性能。

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