馮媛碩,宋吉江

(山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院,山東 淄博 255000)

小波分析法的直流輸電線路行波保護(hù)研究

馮媛碩,宋吉江

(山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院,山東 淄博 255000)

利用MATLAB對(duì)高壓直流輸電系統(tǒng)中發(fā)生的常見故障進(jìn)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(hù)判據(jù)及原理,此方案是依據(jù)MATLAB仿真得到的反向電壓行波的模極大值波形來判定系統(tǒng)的故障特性,最后對(duì)此方法進(jìn)行了仿真驗(yàn)證,結(jié)果表明此保護(hù)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(tǒng)的核心是保護(hù)系統(tǒng),保護(hù)系統(tǒng)的性能對(duì)設(shè)備的安全性及系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行是有決定性作用的。高壓直流輸電系統(tǒng)的輸送容量很大,對(duì)于保護(hù)有了更高的要求,必須加快供電系統(tǒng)恢復(fù)正常的速度,使得危害減小到最小[1]。

高壓輸電線路發(fā)生故障時(shí),故障點(diǎn)的兩側(cè)均會(huì)產(chǎn)生沿線路運(yùn)動(dòng)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(duì)這些信息進(jìn)行分析,使得保護(hù)裝置在故障發(fā)生后很短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行超高速故障檢測(cè)。因直流線路的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單,電流

和電壓行波基本沒有受到母線結(jié)構(gòu)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(gè)特性對(duì)于行波保護(hù)是具有很大優(yōu)勢(shì)的。另外,直流輸電系統(tǒng)不存在電壓相角問題,這是與交流輸電不同的地方,這個(gè)特性也避免了行波保護(hù)中的死區(qū)問題。所以目前現(xiàn)有的高壓直流輸電工程廣泛采用行波保護(hù)作為主保護(hù)[2]。

行波信號(hào)是隨著頻率而變化的一種暫態(tài)不平穩(wěn)的信號(hào),波形的波頭很陡,高頻信息豐富。所以需要同時(shí)依靠故障行波的時(shí)域和頻域特征來對(duì)故障進(jìn)行判別。對(duì)于傳統(tǒng)的傅里葉變換數(shù)學(xué)方法,是純頻域的方法,不適合分析不穩(wěn)定變換的波形,所以不適合應(yīng)用于行波分析中。而小波分析的方法有更高的優(yōu)勢(shì),取代了傅里葉變換的方法。小波變換方法特殊的時(shí)頻特性在處理暫態(tài)信號(hào)時(shí)有明顯優(yōu)勢(shì),它在行波保護(hù)研究中有更深的應(yīng)用。另外,小波變換的模極大值是能夠體現(xiàn)信號(hào)突變信息的一個(gè)特殊性能,利用小波變換模極大值能夠很好的對(duì)信號(hào)的奇異性及突變性進(jìn)行分析,便于進(jìn)行故障診斷[3]。所以,小波分析方法是應(yīng)用于高壓直流輸電線路暫態(tài)保護(hù)分析的有效手段。

1 輸電線路行波保護(hù)原理分析

對(duì)于高壓直流輸電系統(tǒng),其輸送容量非常大,所以必須使得保護(hù)設(shè)備能在幾毫秒之內(nèi)動(dòng)作,并且可靠性要求很高,這樣可以使之相聯(lián)的電網(wǎng)產(chǎn)生的沖擊減小很多,然后短時(shí)間內(nèi)就恢復(fù)供電。當(dāng)故障發(fā)生在直流系統(tǒng)側(cè)時(shí),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(diào)節(jié)器使得故障電流減小很多。因此直流線路發(fā)生故障時(shí),不能僅僅利用傳統(tǒng)的依靠故障電流的大小來進(jìn)行檢測(cè)[4]。

行波保護(hù)方法按原理不同可以分為：行波差動(dòng)保護(hù)、距離保護(hù)、行波極性比較方式保護(hù)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(chǎn)生的電壓或者電流行波極性進(jìn)行比較,如果極性相同,則發(fā)生了區(qū)內(nèi)故障；如果極性是相反的,則發(fā)生了區(qū)外故障。極性比較方式的方向元件不是單獨(dú)存在的,其構(gòu)成很簡(jiǎn)單,然而,會(huì)受母線結(jié)構(gòu)的影響,并且此保護(hù)方法對(duì)通道的依賴性較強(qiáng),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(hù)方法,對(duì)于高壓直流輸電系統(tǒng),在正常運(yùn)行時(shí),對(duì)檢測(cè)到的整流設(shè)備的保護(hù)安裝處反向電壓行波進(jìn)行小波變換求出模極大值,其模極大值接近于0。如果系統(tǒng)發(fā)生故障,故障點(diǎn)處會(huì)產(chǎn)生行波的折射與反射現(xiàn)象,然后使得行波開始向線路兩端傳播,此時(shí)檢測(cè)到的模極大值會(huì)出現(xiàn)明顯的突變,即高壓直流輸電系統(tǒng)正常運(yùn)行及發(fā)生區(qū)內(nèi)外故障時(shí)測(cè)到的電壓行波模極大值的大小是有不同的,所以根據(jù)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(hù)方法不需要通信信道,只需要檢測(cè)反向電壓行波來進(jìn)行故障識(shí)別。

2 行波保護(hù)判據(jù)

2.1 保護(hù)方案

首先根據(jù)實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來設(shè)置兩個(gè)整定值,一個(gè)是來判斷線路是否發(fā)生故障的整定值1,另外是判斷系統(tǒng)發(fā)生區(qū)內(nèi)還是區(qū)外故障的整定值2。輸電線路發(fā)生故障以后,檢測(cè)整流側(cè)保護(hù)安裝處的電壓和電流波形,然后通過計(jì)算得到反向電壓行波的波形,再經(jīng)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(jìn)行比較,判別系統(tǒng)是否發(fā)生故障,如果極大值超過了整定值,則系統(tǒng)發(fā)生故障。然后與整定值2進(jìn)行比較,判別發(fā)生故障的類型。

2.2 故障識(shí)別判據(jù)

反向電壓行波的計(jì)算公式為：

式中：UM,IM表示整流側(cè)檢測(cè)到的電壓和電流,λ是輸電線路波阻抗。

注意,對(duì)于高壓直流輸電系統(tǒng)而言,在正向電壓下工作,則線路發(fā)生故障后測(cè)得的初始行波波形的極性是負(fù)的。

2.3 小波類型選擇

小波變換用于信號(hào)的突變點(diǎn)檢測(cè),無論采用小波變換系數(shù)的模極大值點(diǎn)還是過零點(diǎn)的方法,都是在尺度上進(jìn)行綜合判斷,才能準(zhǔn)確地確定突變點(diǎn)位置。目前,如何選取小波函數(shù)并沒有一個(gè)理論標(biāo)準(zhǔn),一般依據(jù)小波變換的小波系數(shù)對(duì)小波函數(shù)進(jìn)行選擇。小波變換后的小波系數(shù)表明了小波與被處理信號(hào)之間的相似程度,小波系數(shù)越大則相似程度較大。還需要對(duì)尺度的大小進(jìn)行選擇,對(duì)于僅僅需要反映信號(hào)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(shí)別故障點(diǎn)波形,將故障后的電流行波進(jìn)行模變換后,對(duì)其進(jìn)行分解,取第2層高頻數(shù)據(jù)求取模極大值,然后根據(jù)求得的模極大值波形進(jìn)行故障診斷。

3 仿真分析

3.1仿真模型

利用MATLAB對(duì)高壓直流輸電系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真分析,建立的單極性12脈沖的仿真模型參數(shù)為：整流側(cè)交流系統(tǒng)的額定電壓為500 kV,逆變側(cè)交流系統(tǒng)額定電壓是345 kV,頻率均為50 Hz；直流輸電線路長(zhǎng)度為300 km。HVDC系統(tǒng)如下圖1所示。

圖1單極性高壓直流輸電系統(tǒng)

系統(tǒng)的故障點(diǎn)設(shè)置在圖1所示的a,b兩點(diǎn)處,對(duì)于兩種故障發(fā)生后檢測(cè)到的整流側(cè)暫態(tài)過程的波形是相似的,如果利用傳統(tǒng)的診斷方法,是很難在極短時(shí)間內(nèi)區(qū)分故障類型的,所以必須采用新型保護(hù)方案[5]。本文提出的保護(hù)方案是利用故障發(fā)生時(shí)刻信號(hào)產(chǎn)生的暫態(tài)行波波形的奇異點(diǎn)來對(duì)系統(tǒng)故障類型進(jìn)行判定。下面圖2、圖3和圖4分別表示直流輸電系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)整流側(cè)保護(hù)安裝處的電壓和電流波形,以及直流輸電線路發(fā)生短路故障和交流側(cè)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)的波形圖。

圖2 系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)整流側(cè)電壓和電流波形

對(duì)建立的高壓直流輸電系統(tǒng)進(jìn)行仿真運(yùn)行,仿真結(jié)果最后都會(huì)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。仿真得到的電壓和電流波形如圖2所示。圖2表示系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)穩(wěn)態(tài)仿真的整流側(cè)波形。直流側(cè)線路電壓為實(shí)際值,直流側(cè)線路電流為標(biāo)幺值形式。對(duì)于系統(tǒng)的控制系統(tǒng)模塊,在時(shí)間t=20 ms時(shí)轉(zhuǎn)換器的脈沖發(fā)生器開始工作,線路中開始出現(xiàn)電流并且有功率傳輸。在0.3 s時(shí)參考電流值達(dá)到最小為0.1 pu。并且觀察到此時(shí)開始建立直流電壓。在t =0.4 s時(shí)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(shí)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。波形圖中的電壓波形顯示了整流器側(cè)的直流線路電壓實(shí)際值,波形圖中的電流波形表示參考電流和測(cè)得的電流 (1 pu=2 kA)。在t= 1.4 s時(shí)施加停止脈沖,將電流值降為0.1 pu,在t=1.4 s時(shí)直流電流消失,直流電壓也降低。

3.2 直流線路故障仿真

對(duì)于高壓直流輸電系統(tǒng)發(fā)生直流線路接地故障,在仿真模型中將系統(tǒng)中故障模塊的參數(shù)因子由100變?yōu)?,即表示在t=0.7 s時(shí)設(shè)置了一個(gè)故障,將仿真時(shí)間設(shè)為1.4 s。直流線路故障時(shí)整流側(cè)波形如圖3所示。由波形可知,故障時(shí)直流側(cè)電流激增到2.2 pu,直流側(cè)電壓下降為零值,而故障發(fā)生后,直流側(cè)仍有電流流通。在t=0.77 s時(shí),觸發(fā)延遲角α被強(qiáng)制改變,這時(shí)的整流器運(yùn)行在逆變器模式,此時(shí)直流側(cè)線路電壓變?yōu)樨?fù)值,將線路上儲(chǔ)存的能量反送入交流系統(tǒng),導(dǎo)致故障電流在過零點(diǎn)時(shí)快速熄滅。在t=0.82 s時(shí),消除觸發(fā)延遲角α的強(qiáng)制值,額定直流電壓和電流在0.5 s后恢復(fù)正常。

圖3 直流輸電線路接地故障

3.3 交流側(cè)故障仿真

下面對(duì)于直流輸電系統(tǒng)中的交流側(cè)接地短路故障進(jìn)行仿真分析,將故障發(fā)生時(shí)刻設(shè)在t=0.7 s時(shí),然后進(jìn)行仿真,整流側(cè)波形如圖4所示。

圖4 逆變器交流側(cè)單相接地短路故障

由仿真結(jié)果分析,故障導(dǎo)致直流電壓和直流電流出現(xiàn)了振蕩,故障開始時(shí),逆變器兩個(gè)閥進(jìn)行換相時(shí),因預(yù)計(jì)關(guān)斷的閥關(guān)斷后,在反向電壓期間未能恢復(fù)阻斷能力[6],當(dāng)加在該閥上的電壓為正時(shí),又重新導(dǎo)通,即出現(xiàn)了換相失敗現(xiàn)象,直流電流激增到2 pu,在t=0.8 s時(shí)故障清除。

3.4 故障診斷

對(duì)于上述得到的波形進(jìn)行小波變換求出模極大值,然后依據(jù)本文提出的新型保護(hù)判據(jù)進(jìn)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(cè)反向電壓行波及模極大值波形

仿真結(jié)果圖中a所示為正常運(yùn)行狀態(tài)下整流側(cè)M點(diǎn)檢測(cè)到的暫態(tài)量的反向電壓行波及經(jīng)過小波變換后得到的模極大值波形,由圖可知,在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí),對(duì)反向電壓行波進(jìn)行小波變換后得到的模極大值是小于0.1的。

對(duì)于圖中b、c所示分別為輸電線路發(fā)生短路故障時(shí)和交流側(cè)發(fā)生單相接地故障時(shí)的小波變換模極大值波形。由仿真結(jié)果圖可知,對(duì)于輸電線路短路故障情況,得到的模極大值在前3 ms以內(nèi)幅值是大于50的,而在后期的時(shí)間內(nèi)是在30左右。對(duì)于系統(tǒng)交流側(cè)發(fā)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(shè)定好的整定值,就可以在極短時(shí)間內(nèi)檢測(cè)出故障,并將故障類型進(jìn)行區(qū)分判定[8-9]。

4 結(jié)束語

本文是基于小波分析的方法對(duì)高壓直流輸電系統(tǒng)的行波保護(hù)進(jìn)行研究。首先利用MATLAB分別對(duì)HVDC系統(tǒng)的正常運(yùn)行及故障情況進(jìn)行仿真分析,為高壓直流輸電系統(tǒng)的保護(hù)配置提供了基礎(chǔ)。本文提出一種基于小波變換的行波保護(hù)新方案,能夠快速準(zhǔn)確判定系統(tǒng)發(fā)生故障類型。本文的行波保護(hù)方案是利用仿真得到的反向電壓行波的模極大值波形進(jìn)行故障診斷,能夠?qū)ο到y(tǒng)的區(qū)內(nèi)外故障進(jìn)行有效識(shí)別,這種新型的單端行波保護(hù)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(shù)的應(yīng)用。

[1] 趙畹君.高壓直流輸電工程技術(shù) [M].北京：中國(guó)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(guó)電力出版社,2010.

[3] 張德豐.MATLAB小波分析 [M].機(jī)械工業(yè)出版社,2009.

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

[5] 全玉生,李學(xué)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(hù) [J].現(xiàn)代電力,2005, 06：22-26.

[6] 梁睿,孫式想.單端行波故障測(cè)距的組合方法研究 [J].電網(wǎng)技術(shù),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(hù)的發(fā)展與展望 [J].電測(cè)與儀表,2012,06：1-4+14.

[8] 覃劍.輸電線路單端行波故障測(cè)距的研究 [J].電網(wǎng)技術(shù),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(cè)距精度的主要因素分析 [J].電網(wǎng)技術(shù),2007,02：28-35.

宋吉江 (1963),男,教授,碩士生導(dǎo)師,山東理工大學(xué),研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)及其自動(dòng)化,檢測(cè)裝置及其自動(dòng)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(xué),研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)及其自動(dòng)化 (e-mail)fengyuanshuo36＠163.com。