張懌寧,郝洪民,李京,,李錄照
(1.中國(guó)南方電網(wǎng)超高壓輸電公司檢修試驗(yàn)中心,廣東廣州 510663;2.山東理工大學(xué)智能電網(wǎng)研究中心,山東淄博 255000;3.山東科匯電力自動(dòng)化股份有限公司,山東淄博 255087)
脈沖注入法用于直流輸電系統(tǒng)接地極線路故障測(cè)距
張懌寧1,郝洪民2,李京2,3,李錄照3
(1.中國(guó)南方電網(wǎng)超高壓輸電公司檢修試驗(yàn)中心,廣東廣州 510663;2.山東理工大學(xué)智能電網(wǎng)研究中心,山東淄博 255000;3.山東科匯電力自動(dòng)化股份有限公司,山東淄博 255087)
分析了直流輸電系統(tǒng)在雙極運(yùn)行方式下,外部注入脈沖信號(hào)在接地極線路上的傳播過(guò)程,提出一種利用注入脈沖信號(hào)的直流輸電系統(tǒng)接地極線路故障測(cè)距方法。該方法通過(guò)周期性地從接地極線路始端注入脈沖信號(hào)探測(cè)線路是否發(fā)生故障,在判斷線路發(fā)生故障后,通過(guò)改變注入脈沖信號(hào)的寬度和脈沖極性探測(cè)故障點(diǎn)位置,最后以取平均值的方式得到故障測(cè)距結(jié)果。以PSCAD/EMTDC為仿真平臺(tái),搭建了直流輸電系統(tǒng)在雙極運(yùn)行方式下的接地線路故障測(cè)距仿真模型,并借助MATLAB對(duì)仿真波形數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,仿真結(jié)果表明該方法是可行的。
高壓直流輸電;接地極線路;脈沖注入法;故障測(cè)距
高壓直流輸電以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),在我國(guó)得到了快速的發(fā)展。高壓直流輸電系統(tǒng)廣泛應(yīng)用雙極兩端中性點(diǎn)接地運(yùn)行方式,其接地系統(tǒng)主要由接地極、接地極線路和導(dǎo)流系統(tǒng)等幾部分構(gòu)成[1],其中接地極線路的主要作用是為直流電流提供通路??梢姡拥貥O線路故障必然會(huì)影響整個(gè)直流輸電系統(tǒng)的正常運(yùn)行[2]。
適用于直流輸電系統(tǒng)接地極線路的故障測(cè)距方法主要可分為3大類:阻抗法、行波法和錄波數(shù)據(jù)分析法。阻抗法需要在換流站利用外加電源向接地極線路注入一定頻率的交流信號(hào),并通過(guò)實(shí)時(shí)測(cè)量接地極線路首端電壓相量和電流相量的比值(阻抗)獲得故障點(diǎn)位置。這種方法的基本思想來(lái)源于交流輸電線路的阻抗測(cè)距方法[3],因而測(cè)距精度受線路參數(shù)、故障類型和過(guò)渡電阻等因素的影響較大。行波法通過(guò)檢測(cè)暫態(tài)行波在接地極線路上的傳播時(shí)間獲得故障點(diǎn)位置[4-7],具體分為A型單端行波法、C型單端行波法(脈沖信號(hào)注入法)和D型雙端行波法。行波法最早用于交流線路(包括架空線和電纜)的故障探測(cè)[8-10],其主要特點(diǎn)是測(cè)距精度高、適應(yīng)性強(qiáng)。錄波數(shù)據(jù)分析法利用換流站常規(guī)錄波器記錄到的接地極線路故障數(shù)據(jù)構(gòu)造測(cè)距函數(shù),進(jìn)而求解獲得故障距離[11-12]。
本文針對(duì)雙極運(yùn)行方式下的直流輸電系統(tǒng),將脈沖信號(hào)注入法用于接地極線路故障測(cè)距,其主要特點(diǎn)在于脈沖信號(hào)寬度和極性是可變的。
如圖1所示,在直流輸電系統(tǒng)中性母線處注入脈沖信號(hào),該脈沖信號(hào)將沿接地極線路向接地極方向傳播。當(dāng)接地極線路中存在故障時(shí),故障點(diǎn)F處形成波阻抗不匹配點(diǎn),注入脈沖在該點(diǎn)將會(huì)產(chǎn)生發(fā)射和透射,其中反射波向中性母線M端傳播,并在到達(dá)M端時(shí)再次發(fā)生反射;透射波向接地極N端傳播,到達(dá)N端時(shí)也會(huì)發(fā)生反射。
圖1 注入脈沖信號(hào)在直流接地極線路上的傳播示意圖Fig.1 Propagation diagram of the injected pulse signal on a grounding electrode line
如果接地極線路不存在故障,則注入脈沖將在到達(dá)接地極N端時(shí)發(fā)生反射。
脈沖信號(hào)注入法屬于單端測(cè)距法,它通過(guò)周期性從直流接地極線路中性母線端注入一個(gè)脈沖信號(hào),根據(jù)脈沖信號(hào)由發(fā)射端到故障點(diǎn)之間往返一次的時(shí)間來(lái)探測(cè)接地極線路故障距離。
2.1 故障檢測(cè)
在直流輸電系統(tǒng)中性母線M端安裝脈沖信號(hào)發(fā)生裝置。在接地極線路正常運(yùn)行(無(wú)故障)狀態(tài)下,脈沖信號(hào)發(fā)生裝置在設(shè)定的時(shí)刻周期性地向接地極線路注入脈沖寬度為t1的單極性脈沖信號(hào),如圖2所示。該脈沖信號(hào)為正向行波信號(hào),經(jīng)過(guò)接地極N端反射回來(lái)的信號(hào)為反向行波信號(hào)。
圖2 接地極線路無(wú)故障時(shí)注入單極性脈沖信號(hào)的傳播示意圖Fig.2 Propagation diagram of the injected uni-polar pulse signal when the grounding electrode line is in normal state
設(shè)注入脈沖信號(hào)的發(fā)射時(shí)刻為tM1,反射波到達(dá)測(cè)量點(diǎn)M的時(shí)刻為tM2,兩者之間的時(shí)間間隔為Δt,即Δt=tM2-tM1。注入脈沖信號(hào)從發(fā)射端到反射點(diǎn)之間的距離可以表示為
式中:v為暫態(tài)行波在接地極線路中的傳播速度。
在接地極線路正常運(yùn)行情況下,測(cè)量端總是經(jīng)過(guò)相同的時(shí)間間隔接收到脈沖反射信號(hào),根據(jù)式(1)獲得的距離對(duì)應(yīng)于接地極線路的全長(zhǎng)。
當(dāng)測(cè)量端接收到脈沖反射信號(hào)的時(shí)間間隔不同于正常情況時(shí),表明反射波不是來(lái)自于接地極線路末端的接地極,而是來(lái)自于線路上的其它某個(gè)位置(即故障點(diǎn)),如圖3所示。
圖3 接地極線路故障時(shí)注入單極性脈沖信號(hào)的傳播示意圖(正常脈沖寬度)Fig.3 Propagation diagram of the injected uni-polar pulse signal when the grounding electrode line is in fault state(under normal pulse width)
可見,通過(guò)檢測(cè)測(cè)量端接收到脈沖反射信號(hào)滯后于發(fā)射信號(hào)的時(shí)間間隔是否發(fā)生變化,即可檢測(cè)接地極線路是否發(fā)生故障。
2.2 故障定位
當(dāng)檢測(cè)到接地極線路發(fā)生故障時(shí),根據(jù)式(1)獲得的距離對(duì)應(yīng)于測(cè)量端到故障點(diǎn)之間的距離,可以認(rèn)為是初步的故障測(cè)距結(jié)果。進(jìn)一步,通過(guò)改變脈沖信號(hào)寬度(依次為t1和t1)以及脈沖信號(hào)極性(雙極性)來(lái)探測(cè)故障距離,如圖4所示。
圖4 改變脈沖寬度和極性時(shí)的故障測(cè)距示意圖Fig.4 Fault location diagram in case the pulse width and polarity are changed
2.3 給定最終測(cè)距結(jié)果
采用上述故障探測(cè)方法,可以得到4次故障定位結(jié)果。當(dāng)然,也可以根據(jù)實(shí)際情況,選擇更多的脈沖寬度來(lái)探測(cè)故障點(diǎn)位置。理論上,每次探測(cè)獲得的結(jié)果應(yīng)該是相同的。
在實(shí)際應(yīng)用中,考慮到干擾等因素的影響,某次探測(cè)結(jié)果可能是不正確的。為此,可從所有結(jié)果中選取最為接近(偏差在設(shè)定的范圍內(nèi))的幾組數(shù)據(jù)取平均值作為最終測(cè)距結(jié)果,這就提高了故障測(cè)距可靠性。
利用脈沖信號(hào)注入法對(duì)直流接地極線路進(jìn)行故障測(cè)距時(shí),為了提高測(cè)距可靠性,必須對(duì)發(fā)射脈沖信號(hào)做出合適選擇,主要包括脈沖類型和脈沖寬度的選擇。
3.1 脈沖類型
脈沖信號(hào)是指在短時(shí)間內(nèi)存在一定幅值的突變后迅速回到其初始狀態(tài)的波形信號(hào)。矩形脈沖因?yàn)槠湫盘?hào)上升迅速,且可以迅速回到其初始狀態(tài),在進(jìn)行故障測(cè)距時(shí),波形不易失真,容易判斷反射波波動(dòng)點(diǎn),因而在故障位置的判定時(shí)容易獲得更準(zhǔn)確的故障距離。本文選擇以單極性和雙極性矩形脈沖為例進(jìn)行測(cè)距仿真分析,為直流接地極線路基于脈沖注入信號(hào)的故障測(cè)距奠定基礎(chǔ)。
3.2 脈沖寬度
在選擇脈沖時(shí),如果僅從減小測(cè)量盲區(qū)的角度考慮,發(fā)射脈沖寬度越小則越有利于減小測(cè)量盲區(qū),但寬度越窄的脈沖信號(hào)中含有高頻分量越多,信號(hào)在直流接地極線路中的傳播損耗就越大,可測(cè)量的線路長(zhǎng)度也就越短,而且信號(hào)識(shí)別可靠性也隨之降低。綜合考慮減小測(cè)量盲區(qū)和提高測(cè)距可靠性,本文選擇脈沖信號(hào)的初始寬度為2n微秒(n為正整數(shù)),并且可以二進(jìn)遞減,以達(dá)到最佳測(cè)距效果。
4.1 仿真建模
本文利用電磁暫態(tài)分析軟件PSCAD建立雙極運(yùn)行方式下的高壓直流輸電系統(tǒng)仿真模型,如圖5所示。其中AC1、AC2為500 kV交流電源,T1、T2為變壓器,HB1、HB2為換流橋,D為直流輸電線路,C和H構(gòu)成諧波濾波器。X1、X2為2根平行的架空線路(長(zhǎng)度相同),代表接地極線路,其首端并聯(lián)后連接直流系統(tǒng)中性點(diǎn),同時(shí)帶有接地電容;末端并聯(lián)后經(jīng)接地電阻R入地。故障點(diǎn)F設(shè)在接地極線路X1上,用于故障探測(cè)的脈沖信號(hào)由一可控脈沖電源產(chǎn)生,并從接地極線路首端(測(cè)量端)注入。
圖5 高壓直流輸電系統(tǒng)仿真模型Fig.5 Simulation model of HVDC transmission system
有關(guān)參數(shù)設(shè)置如下:
1)直流輸電線路長(zhǎng)度400 km;
2)接地極線路長(zhǎng)度100 km;
3)接地極線路首端接地電容9.54 nF;
4)接地極線路末端接地電阻0.3 Ω;
5)脈沖電源幅值48 V;
6)仿真計(jì)算步長(zhǎng)1 μs。
根據(jù)仿真計(jì)算,求得暫態(tài)行波在直流接地極線路中的傳播速度為v=298 km/ms。
4.2 測(cè)距仿真
4.2.1 無(wú)故障狀態(tài)
在接地極線路無(wú)故障狀態(tài)下,周期性地從線路測(cè)量端注入寬度為t1=64 μs的單極性脈沖信號(hào),記錄到注入脈沖信號(hào)產(chǎn)生的典型暫態(tài)波形如圖6所示。
圖6 接地極線路無(wú)故障時(shí)注入單極性脈沖信號(hào)產(chǎn)生的暫態(tài)波形Fig.6 Transient waveform generated by the injected unipolar pulse signal in case the grounding electrode line is in normal state
對(duì)圖6波形數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,可計(jì)算出脈沖信號(hào)發(fā)射時(shí)刻和反射波到達(dá)時(shí)刻之間的時(shí)間間隔(圖中兩虛線光標(biāo)之間的時(shí)間間隔)為Δt=670 μs,對(duì)應(yīng)的探測(cè)距離為
可見,當(dāng)接地極線路處于無(wú)故障狀態(tài)時(shí),通過(guò)注入脈沖法探測(cè)到的距離對(duì)應(yīng)于接地極線路全長(zhǎng)。
4.2.2 近距離故障
在接地極線路上設(shè)置故障點(diǎn)距離測(cè)量端20 km,故障類型為非金屬性接地故障,過(guò)渡電阻為1 Ω。在測(cè)量端注入寬度為t1=64 μs的單極性脈沖信號(hào),記錄到注入脈沖信號(hào)產(chǎn)生的暫態(tài)波形如圖7所示。
對(duì)圖7波形數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,可計(jì)算出脈沖信號(hào)發(fā)射時(shí)刻和反射波到達(dá)時(shí)刻之間的時(shí)間間隔為Δt= 133 μs。
與無(wú)故障情況相比,測(cè)量端接收到脈沖反射信號(hào)滯后于發(fā)射信號(hào)的時(shí)間間隔發(fā)生明顯變化,表明線路已發(fā)生故障。初步故障測(cè)距結(jié)果為
圖8給出了脈沖寬度為32 μs和16 μs時(shí),測(cè)量端記錄到注入脈沖信號(hào)產(chǎn)生的暫態(tài)波形,分析獲得的故障距離分別為l2=19.67 km和l3=19.82 km。
圖9給出了注入雙極性脈沖(寬度32 μs)時(shí),測(cè)量端記錄到注入脈沖信號(hào)產(chǎn)生的暫態(tài)波形,分析獲得的故障距離為l4=19.82 km。
圖7 接地極線路20 km處故障時(shí)注入單極性脈沖信號(hào)產(chǎn)生的暫態(tài)波形(正常脈沖寬度)Fig.7 Transient waveform generated by the injected uni-polar pulse signal in case a fault occurs on the grounding electrode line,20 km away from the measurement point(under normal pulse width)
圖8 接地極線路20 km處故障時(shí)注入單極性脈沖信號(hào)產(chǎn)生的暫態(tài)波形(不同脈沖寬度)Fig.8 Transient waveform generated by the injected uni-polar pulse signal in case a fault occurs on the grounding electrode line,20 km away from the measurement point(under different pulse width)
以上4次故障測(cè)距結(jié)果非常相近,可取平均值作為最終測(cè)距結(jié)果:
圖9 接地極線路20 km處故障時(shí)注入雙極性脈沖信號(hào)產(chǎn)生的暫態(tài)波形Fig.9 Transient waveform generated by injected bipolar pulse signal in case a fault occurs on the grounding electrode line,20 km away from the measurement point
4.2.3 遠(yuǎn)距離故障
在接地極線路上設(shè)置故障點(diǎn)距離測(cè)量端70 km,故障類型為非金屬性接地故障,過(guò)渡電阻為1 Ω。在測(cè)量端注入寬度為t1=64 μs的單極性脈沖信號(hào),記錄到注入脈沖信號(hào)產(chǎn)生的暫態(tài)波形如圖10所示。
圖10 接地極線路70 km處故障時(shí)注入單極性脈沖信號(hào)產(chǎn)生的暫態(tài)波形(正常脈沖寬度)Fig.10 Transient waveform generated by injected unipolar pulse signal in case a fault occurred on the grounding electrode line,70 km away from the measurement point(under normal pulse width)
對(duì)圖10波形數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,可計(jì)算出脈沖信號(hào)發(fā)射時(shí)刻和反射波到達(dá)時(shí)刻之間的時(shí)間間隔為Δt= 469 μs。
與無(wú)故障情況相比,測(cè)量端接收到脈沖反射信號(hào)滯后于發(fā)射信號(hào)的時(shí)間間隔發(fā)生明顯變化,表明線路已發(fā)生故障。初步故障測(cè)距結(jié)果為
圖11給出了脈沖寬度為32 μs和16 μs時(shí),測(cè)量端記錄到注入脈沖信號(hào)產(chǎn)生的暫態(tài)波形,分析獲得的故障距離分別為l2=69.73 km和l3=70.03 km。
圖11 接地極線路70 km處故障時(shí)注入單極性脈沖信號(hào)產(chǎn)生的暫態(tài)波形(不同脈沖寬度)Fig.11 Transient waveform generated by the injected uni-polar pulse signal in case a fault occurs on the grounding electrode line,70 km away from the measurement point(under different pulse widths)
圖12給出了注入雙極性脈沖(寬度32 μs)時(shí),測(cè)量端記錄到注入脈沖信號(hào)產(chǎn)生的暫態(tài)波形,分析獲得的故障距離為l4=70.03 km。
圖12 接地極線路70 km處故障時(shí)注入雙極性脈沖信號(hào)產(chǎn)生的暫態(tài)波形Fig.12 Transient waveform generated by the injected bipolar pulse signal in case a fault occurs on the grounding electrode line,70 km away from the measurement point
以上4次故障測(cè)距結(jié)果非常相近,可取平均值作為最終測(cè)距結(jié)果:
4.2.4 仿真結(jié)果統(tǒng)計(jì)
表1中給出了直流接地極線路上6個(gè)不同地點(diǎn)發(fā)生非金屬性接地故障時(shí),根據(jù)注入脈沖法獲得的最終測(cè)距結(jié)果。可以看出,注入脈沖法的測(cè)距誤差可以達(dá)到300 m以內(nèi)。
表1 仿真結(jié)果統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistics of simulation results km
本文針對(duì)雙極運(yùn)行方式下的高壓直流輸電系統(tǒng),提出一種利用脈沖注入信號(hào)的接地極線路故障測(cè)距方法,即根據(jù)測(cè)量端接收到脈沖反射信號(hào)滯后于發(fā)射信號(hào)的時(shí)間間隔發(fā)生變化,判斷接地極線路發(fā)生故障,進(jìn)而通過(guò)改變脈沖信號(hào)寬度和脈沖極性探測(cè)故障點(diǎn)位置。
直流輸電系統(tǒng)在雙極運(yùn)行方式下,接地極線路故障本身產(chǎn)生的暫態(tài)行波信號(hào)較為微弱,難以可靠檢測(cè)。而應(yīng)用脈沖信號(hào)注入法在線探測(cè)接地極線路故障測(cè)距,不僅能夠提高檢測(cè)靈敏性,還可以通過(guò)改變脈沖寬度和脈沖極性,對(duì)故障點(diǎn)進(jìn)行多次探測(cè),因而大大提高了故障測(cè)距的可靠性和準(zhǔn)確性。
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(編輯 李沈)
Fault Location of Grounding Electrode Lines of HVDC System Based on Injected Pulse Signals
ZHANG Yining1,HAO Hongmin2,LI Jing2,3,LI Luzhao3
(1.M&T Center,CSG EHV Power Transmission Company,Guangzhou 510633,Guangdong,China;2.Smart Grid Research Center,Shandong University of Technology,Zibo 255000,Shandong,China;3.Shandong Kehui Power Automation Co.,Ltd.,Zibo 255087,Shandong,China)
In this paper,the external injected pulse signal’s propagation process in the grounding electrode lines of highvoltage direct current(HVDC)transmission system in bipolar operation mode is analyzed.On this basis,a fault location method for grounding electrode lines is presented using injected pulse signals.This method is to detect line faults by injecting pulse signals at the beginning of the grounding electrode lines periodically.After the line fault is determined,the fault location is detected by changing the width and polarity of the injected pulse signal.Finally,the fault location result is obtained in the form of the average value.On the PSCAD/EMTDC simulation platform,the bipolar HVDC transmission system simulation model is built for fault location analysis of grounding electrode lines built.Using MATLAB to process the simulation waveform data,it is indicated that the proposed fault location method is feasible.
HVDC transmission;grounding electrode lines;pulse injection method;fault location
2016-04-12。
張懌寧(1973—),男,博士,教授級(jí)高級(jí)工程師,主要從事超高壓交、直流輸電系統(tǒng)自動(dòng)化,故障測(cè)距,繼電保護(hù)與控制的研究、仿真和檢修工作;
郝洪民(1991—),男,碩士,研究方向?yàn)殡娋W(wǎng)故障監(jiān)測(cè)與定位;
李 京(1967—),男,碩士,工程技術(shù)應(yīng)用研究員,研究方向?yàn)殡娋W(wǎng)故障監(jiān)測(cè)與定位。
南方電網(wǎng)云南金沙江中游電站送電廣西直流輸電工程專題研究項(xiàng)目(010000WS24130002);南方電網(wǎng)超高壓輸電公司重點(diǎn)科技項(xiàng)目。
Project Supported by the Special Research Project for Power Transmission from Yunnan Jinshajing River Middle Reach Station to Guangxi Project(010000WS24130002);Key Science and Technology Program of CSG EHV Power Transmission Company.
1674-3814(2016)12-0063-06
TM77
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