李 巖， 龔雁峰， 姜 斌

(華北電力大學(xué)， 北京 102206)

一種基于方向行波的多端VSC-HVDC系統(tǒng)保護(hù)策略

李 巖， 龔雁峰， 姜 斌

(華北電力大學(xué)， 北京 102206)

針對(duì)星型連接的多端柔性直流輸電(VSC-HVDC)系統(tǒng)，提出一種基于方向行波小波能量比值的保護(hù)策略。首先分析了星型連接VSC-HVDC系統(tǒng)故障行波的傳播特性，找出故障線(xiàn)路和非故障線(xiàn)路方向行波的不同傳播規(guī)律；然后對(duì)電壓和電流線(xiàn)模分量進(jìn)行離散小波變換，計(jì)算相應(yīng)線(xiàn)路方向行波的小波能量；最后通過(guò)各個(gè)線(xiàn)路正反向行波小波能量的比值確定故障線(xiàn)路。PSCAD/EMTDC仿真結(jié)果表明：提出的方法能夠快速準(zhǔn)確地判斷星型拓?fù)銿SC-HVDC系統(tǒng)的故障線(xiàn)路，并且不受故障線(xiàn)路、故障距離、故障類(lèi)型和故障電阻的影響，具有很好的魯棒性。

VSC-HVDC；星型拓?fù)?；方向行波；離散小波變換；小波能量

基于電壓源型的多端柔性直流輸電技術(shù)(multi-terminal VSC-HVDC)在風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)、孤島供電和城市電網(wǎng)供電等諸多領(lǐng)域具有非常廣闊的應(yīng)用前景[1-5]。多端直流輸電系統(tǒng)通過(guò)采用環(huán)網(wǎng)或者星型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行連接，由于換流站的控制方式和連接結(jié)構(gòu)的靈活性，給系統(tǒng)保護(hù)策略的整定帶來(lái)了極大的困難[6]。對(duì)于現(xiàn)有的多端直流輸電工程，通常采用雙極電纜的傳輸方式，故障類(lèi)型多為永久性故障。當(dāng)直流線(xiàn)路發(fā)生短路故障，短路電流將會(huì)傳導(dǎo)至所有相連換流站，給系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)巨大的挑戰(zhàn)。因此，對(duì)于多端直流輸電系統(tǒng)，當(dāng)直流線(xiàn)路發(fā)生短路故障時(shí)應(yīng)能夠及時(shí)準(zhǔn)確地確定故障線(xiàn)路并予以切除。

行波保護(hù)因其響應(yīng)時(shí)間快，受故障電阻和故障位置影響小等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛作為直流線(xiàn)路的主保護(hù)，應(yīng)用于多端直流系統(tǒng)中[7-12]。文獻(xiàn)[13]針對(duì)環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)的VSC-HVDC系統(tǒng)，根據(jù)邊界行波的傳播特點(diǎn)，提出一種邊界保護(hù)的策略。文獻(xiàn)[14]則針對(duì)星型連接的多端VSC-HVDC，基于同步測(cè)量裝置捕捉各個(gè)端點(diǎn)行波到達(dá)時(shí)刻，實(shí)現(xiàn)對(duì)故障線(xiàn)路的判別和故障定位。文獻(xiàn)[15]則通過(guò)行波和模糊算法實(shí)現(xiàn)對(duì)多端柔直系統(tǒng)故障線(xiàn)路的確定。本文針對(duì)星型連接的VSC-HVDC輸電系統(tǒng)，提出一種基于方向行波小波能量比值的保護(hù)策略。

1 小波理論

1.1 小波變換

小波變換作為新型數(shù)字信號(hào)處理工具，最大的特點(diǎn)就是具有良好的時(shí)頻局部化能力,能夠同時(shí)從時(shí)域和頻域描述奇異信號(hào)的每一個(gè)細(xì)節(jié)。故障產(chǎn)生的行波是一種非平穩(wěn)變化的高頻信號(hào)，因此小波變換成為分析行波最為有效的數(shù)學(xué)工具之一[16]。

(1)

連續(xù)小波變換(CWT)能有效避免信息丟失，但也導(dǎo)致了信息冗余，因此工程領(lǐng)域更常采用離散小波變換(DWT)進(jìn)行分析計(jì)算。離散小波變換不僅能降低連續(xù)小波的冗余度，也能較好地保持連續(xù)小波變換的緊支性、光滑性和對(duì)稱(chēng)性，具有很好的工程應(yīng)用效果。二進(jìn)制離散小波變換的定義如下：

(2)

可以看出，離散小波變換只是對(duì)連續(xù)小波函數(shù)的尺度因子進(jìn)行了二進(jìn)制離散化處理，而保持時(shí)移因子的時(shí)間連續(xù)性，本文在處理行波信號(hào)時(shí)均采用離散小波變換。

1.2 小波能量

由小波理論可知，信號(hào)奇異點(diǎn)的時(shí)刻和大小可以通過(guò)小波變換局部極大值(即模極大值)的時(shí)刻和大小來(lái)描述。小波變換的模極大值點(diǎn)與信號(hào)突變點(diǎn)是一一對(duì)應(yīng)的，模極大值與信號(hào)突變量的大小成正比。因此，可以通過(guò)小波變換模值的能量函數(shù)來(lái)描述信號(hào)的奇異性。信號(hào)在尺度J下的小波能量的定義如下[17]：

(3)

其中，dji表示在尺度J下離散小波變換的細(xì)節(jié)系數(shù)(即模值)，M表示采樣周期內(nèi)采樣點(diǎn)的個(gè)數(shù)。

2 保護(hù)原理

2.1 故障行波基本理論

如圖1所示，當(dāng)輸電線(xiàn)路某處發(fā)生短路故障，由疊加理論可知，相當(dāng)于在故障點(diǎn)附加一個(gè)大小相等方向相反的電壓源，產(chǎn)生的行波從故障點(diǎn)開(kāi)始沿線(xiàn)路向兩側(cè)傳播，并在波阻抗不連續(xù)處發(fā)生折反射。

圖1 直流線(xiàn)路故障分量

對(duì)于線(xiàn)路上距離故障點(diǎn)為x的任一點(diǎn)，可得該點(diǎn)的暫態(tài)電壓Δu和暫態(tài)電流Δi分別為：

(4)

(5)

由式(4)和(5)可以得到正向行波和反向行波的表達(dá)式分別為：

(6)

(7)

2.2 正反向行波的特性分析

考慮如圖2所示星型連接的VSC-HVDC輸電系統(tǒng)，0代表星型節(jié)點(diǎn)，線(xiàn)路l01, l02和l03分別裝有相應(yīng)的保護(hù)裝置。假設(shè)線(xiàn)路l03發(fā)生正極接地故障，其行波傳播路徑如圖2所示。

圖2 星型連接的VSC-HVDC輸電系統(tǒng)

(8)

2.3 基于方向行波小波能量的保護(hù)策略

針對(duì)圖2所示的星型連接的多端VSC-HVDC輸電系統(tǒng)，將采樣裝置設(shè)置在星型節(jié)點(diǎn)處，這樣可以同時(shí)檢測(cè)3條線(xiàn)路的行波變化，并能夠采用統(tǒng)一的啟動(dòng)判據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，減小行波在線(xiàn)路上衰減所帶來(lái)的影響。將相電壓和電流解耦成模量進(jìn)行分析，因?yàn)榫€(xiàn)模分量相對(duì)穩(wěn)定，所以一般采用電壓和電流的線(xiàn)模分量進(jìn)行分析?；诜较蛐胁ㄐ〔芰康谋Ｗo(hù)策略如下：

(1) 啟動(dòng)判據(jù)。對(duì)線(xiàn)模電流采用離散小波變換，設(shè)定合適的閾值，當(dāng)小波變換的模值大于所設(shè)定的閾值時(shí)，啟動(dòng)方向行波小波能量的積分判據(jù)，對(duì)于噪聲信號(hào)的干擾，可以采用多層小波變換來(lái)排除。

(2) 方向行波小波能量計(jì)算。將直流線(xiàn)路采樣得到的電壓和電流進(jìn)行相模轉(zhuǎn)換，得到相應(yīng)線(xiàn)路的線(xiàn)模電壓um1和電流im1，模量分解矩陣如下所示：

(9)

(3) 方向行波小波能量判據(jù)。根據(jù)方向行波小波能量的比值可以快速檢測(cè)出故障線(xiàn)路，條件如表1所示。

表1 方向行波小波能量判據(jù)

3 算例分析

以PSCAD/EMTDC為仿真平臺(tái)，搭建如圖2所示的仿真模型。線(xiàn)路長(zhǎng)度分別設(shè)置為l01=100 km，l02=100 km和l03=100 km。采樣裝置設(shè)置在星型節(jié)點(diǎn)處，采樣頻率設(shè)置為200 kHz。采用db 4母小波進(jìn)行離散小波變換[16]。

3.1 典型故障分析

在線(xiàn)路l03設(shè)置正極接地故障，故障電阻設(shè)置為10 Ω，故障距離換流站3為30 km，故障開(kāi)始時(shí)間為2 s，小波能量計(jì)算時(shí)窗為2 ms。

(1) 啟動(dòng)判據(jù)。以線(xiàn)模電流作為啟動(dòng)判據(jù)，線(xiàn)路l03線(xiàn)模電流的3層小波變換模值如圖3所示。通過(guò)圖3可以看出，小波變換的模值隨著尺度的增加而變大，因此判斷線(xiàn)路發(fā)生短路故障而非噪聲信號(hào)。

圖3 故障電流的三層小波變換模值

圖4 線(xiàn)路正向和反向行波

圖5 正向和反向行波小波能量

(3)方向行波小波能量判據(jù)。根據(jù)小波能量結(jié)果計(jì)算方向行波的比值判據(jù)，可得Efm1/Ebm1=39.14，Efm2/Ebm2=38.70和Efm3/Ebm3=0.219。因此，可以判斷故障在線(xiàn)路l03內(nèi)，保護(hù)應(yīng)快速動(dòng)作予以切除。

3.2 適應(yīng)度分析

采用與上述仿真相同的參數(shù)設(shè)置，分別針對(duì)不同故障線(xiàn)路，故障類(lèi)型、故障距離和故障電阻進(jìn)行仿真分析。

3.2.1 故障線(xiàn)路

分別在距離換流站1、換流站2和換流站3的30%處設(shè)置正極接地故障，故障電阻設(shè)為10 Ω，計(jì)算結(jié)果如表2所示。結(jié)果表明，該算法能夠在不同線(xiàn)路故障時(shí)有效地識(shí)別出故障線(xiàn)路。

表2 不同故障線(xiàn)路

3.2.2 故障類(lèi)型

在線(xiàn)路l03上設(shè)置短路故障，距離換流站30 km，接地電阻為10 Ω，分別設(shè)置正極接地，負(fù)極接地和極間短路故障，計(jì)算結(jié)果如表3所示。從表3中可以看出，該算法不受故障類(lèi)型的影響。

表3 不同故障類(lèi)型

3.2.3 故障距離

在線(xiàn)路l03上設(shè)置正極接地故障，距換流站3長(zhǎng)度分別為線(xiàn)路的10%，30%，50%，70%，90%，計(jì)算結(jié)果如表4所示。從表4中可以看出，該算法不受故障距離的影響。

表4 不同故障距離

3.2.4 故障電阻

在線(xiàn)路l03上設(shè)置正極接地故障，距離換流站3長(zhǎng)度為線(xiàn)路的30%，故障電阻依次設(shè)置為0.1 Ω、10 Ω、100 Ω和300 Ω，計(jì)算結(jié)果如表5所示。從表5中可以看出，即使在高阻的情況下，該算法仍能夠有效地識(shí)別出故障線(xiàn)路。

表5 不同故障電阻

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)星型連接的VSC-HVDC輸電系統(tǒng)，提出了基于方向行波小波能量比值的保護(hù)策略。得到以下結(jié)論：(1) 通過(guò)方向行波的傳播特性可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于故障線(xiàn)路，反向行波的幅值要大于正向行波，而非故障線(xiàn)路則相反；(2) 通過(guò)對(duì)方向行波采用離散小波變換和計(jì)算方向行波的小波能量比值的計(jì)算能夠準(zhǔn)確地確定故障線(xiàn)路；(3) 通過(guò)仿真得出，該算法不受故障線(xiàn)路、故障距離、故障類(lèi)型和故障電阻的影響，具有很好的魯棒性。

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李 巖

李 巖(1990 —)，男，遼寧海城人，博士，研究方向?yàn)槿嵝灾绷鬏旊姷谋Ｗo(hù)與控制；

龔雁峰(1977 —)，男，江蘇啟東人，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)保護(hù)與控制；

姜 斌(1990 —)，男，江蘇揚(yáng)州人，博士，研究方向?yàn)槿嵝灾绷鬏旊姷谋Ｗo(hù)與控制。

A Protection Scheme for Multiterminal VSC-HVDC System Based on Direction Traveling Waves

LI Yan，GONG Yanfeng，JIANG Bin

(North China Electric Power University, Beijing 102206, China)

A protection scheme based on the ratio of energies of direction traveling waves is presented in this paper. Firstly, the propagation characteristic of fault traveling waves in a star-connected VSC-HVDC system is analyzed, and the different propagation law between fault and non-fault lines is studied. Then modal voltage and current are transformed in discrete wavelet transform(DWT), and wavelet energies of direction traveling waves are calculated. Finally, the fault line is determined by the ratio of positive and negative direction traveling waves. Simulation results of PSCAD/EMTDC show that the proposed method can identify the fault line quickly in the star-connected VSC-HVDC system. The proposed method is insensitive to different fault lines, fault distance, fault types and fault resistance, and has good robustness.

VSC-HVDC；star-connected；direction traveling waves； discrete wavelet transform； wavelet energy

2016-10-24；

2016-11-25

國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目(SGZJ0000BGJS1500265)

TM315

A

2096-3203(2017)01-0070-04