崔本麗 蘭 生

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基于行波法的HVDC輸電線(xiàn)路故障測(cè)距綜述

崔本麗 蘭 生

（福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福州 350108）

本文首先介紹了行波的基本理論，包括行波的產(chǎn)生、波動(dòng)和折反射；其次對(duì)HVDC輸電線(xiàn)路行波法故障測(cè)距進(jìn)行了詳細(xì)的分類(lèi)，并分析了各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)；最后針對(duì)行波法的缺點(diǎn)提出建議。

HVDC輸電；故障測(cè)距；行波法

HVDC輸電由于自身結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能良好，在大功率、遠(yuǎn)距離輸電中扮演著越來(lái)越重要的角色，且與傳統(tǒng)的高壓交流輸電相比，具有潮流快速可控、輸電線(xiàn)路造價(jià)和系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用低、不存在功角穩(wěn)定問(wèn)題等優(yōu)點(diǎn)。目前世界上各發(fā)達(dá)國(guó)家都把HVDC輸電作為遠(yuǎn)距離、大容量送電的主要手段，因此其擔(dān)負(fù)著傳送電能的重任，是電力系統(tǒng)的命脈。但HVDC輸電線(xiàn)路長(zhǎng)度通?？蛇_(dá)上百甚至是上千公里，且線(xiàn)路沿線(xiàn)的地理環(huán)境變化多端，一旦輸電線(xiàn)路在某點(diǎn)處發(fā)生故障，故障點(diǎn)就將很難被找到。為減少電網(wǎng)損失和提高用電安全性，急需發(fā)展可靠的HVDC輸電線(xiàn)路的故障測(cè)距技術(shù)[1-2]。目前行波定位技術(shù)已經(jīng)被廣泛地運(yùn)用到HVDC輸電線(xiàn)路的故障測(cè)距中。該技術(shù)在理論上不受故障類(lèi)型、接地電阻等因素的影響，具有較高的測(cè)距精度[3-10]。

1 行波法的基本理論

輸電線(xiàn)路是具有分布參數(shù)的電路元件[11]。當(dāng)有故障出現(xiàn)在HVDC輸電線(xiàn)路上的某一點(diǎn)時(shí)，故障將導(dǎo)致該點(diǎn)的電流、電壓突然發(fā)生變化，電流、電壓的變化并不能立刻發(fā)生在線(xiàn)路其他各個(gè)點(diǎn)上，而是要以電磁波的形式按照一定的速度從故障點(diǎn)傳播到其他各點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外的相關(guān)研究數(shù)據(jù)表明，造成HVDC輸電線(xiàn)路故障的主要原因是雷擊[12]。假如當(dāng)HVDC輸電線(xiàn)路遭受雷擊時(shí)，在雷擊點(diǎn)產(chǎn)生的對(duì)地高電壓將沿著線(xiàn)路向左右兩側(cè)傳播，那么這個(gè)沿線(xiàn)路傳播的電壓波以及與它同時(shí)產(chǎn)生并向線(xiàn)路兩側(cè)傳播的電流波就被稱(chēng)為行波[13]。

在研究HVDC輸電線(xiàn)路的行波過(guò)程中，一般可將線(xiàn)路的相關(guān)參數(shù)視為常數(shù)，但在電力系統(tǒng)中，均勻線(xiàn)路只在某一特定條件下才存在。當(dāng)行波沿著輸電線(xiàn)路運(yùn)動(dòng)時(shí)，在點(diǎn)發(fā)生故障，將導(dǎo)致線(xiàn)路的波阻抗在結(jié)點(diǎn)突然發(fā)生變化，此時(shí)將有波的折反射現(xiàn)象在結(jié)點(diǎn)處發(fā)生[14]。

2 HVDC輸電線(xiàn)路行波故障測(cè)距方法

由于HVDC輸電線(xiàn)路的直流母線(xiàn)兩端存在整流站和逆變站且線(xiàn)路兩端連接有直流濾波器和電抗器，因此直流暫態(tài)行波只會(huì)在輸電線(xiàn)路上傳播，加之線(xiàn)路兩端母線(xiàn)除了直流輸電線(xiàn)路之外，不存在其他出線(xiàn)，不會(huì)有其他成分混入到行波的固有頻率中，便于行波的提取和識(shí)別[15]。由于上述條件為行波法的使用奠定了良好基礎(chǔ)，所以目前HVDC輸電線(xiàn)路故障測(cè)距技術(shù)主要依賴(lài)于行波法。行波法故障測(cè)距有很多種類(lèi)型，若按照早期所需故障信息分類(lèi)，則主要包括單端測(cè)距法和雙端測(cè)距法?，F(xiàn)代行波測(cè)距法主要有小波變換法、HHT法、數(shù)學(xué)形態(tài)法、獨(dú)立分量法和固有頻率法。

2.1 早期行波法

1）單端行波測(cè)距法

單端法行波測(cè)距只需測(cè)量初始行波波頭到達(dá)線(xiàn)路某一端的時(shí)間。由圖1可知，故障點(diǎn)與線(xiàn)路端、端的距離分別為

式中，為行波傳播速度；為初始行波波頭到達(dá)線(xiàn)路端、端的時(shí)刻。

圖1 單端測(cè)距原理圖

單端行波測(cè)距方法原理簡(jiǎn)單，只需要單端數(shù)據(jù)和設(shè)備，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。如果把設(shè)備安裝在端，且故障點(diǎn)距離端較近時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致端的第一個(gè)反射波提前到達(dá)端，從而很難與故障點(diǎn)反射過(guò)來(lái)的第二個(gè)行波波頭區(qū)分開(kāi)來(lái)，最終導(dǎo)致故障定位失敗。因此，使用單端行波測(cè)距具有很大的局限性。

2）雙端行波測(cè)距法

雙端行波測(cè)距法是對(duì)單端法的完善，其需測(cè)量出故障產(chǎn)生的初始行波波頭分別到達(dá)線(xiàn)路兩端的時(shí)間。由圖2可知，故障點(diǎn)距離直流輸電線(xiàn)路端和端的長(zhǎng)度可用故障初始行波波頭到達(dá)線(xiàn)路兩端的時(shí)間差來(lái)表示，即

式中，為輸電線(xiàn)路長(zhǎng)度。

圖2 雙端測(cè)距原理圖

雙端行波測(cè)距法需在線(xiàn)路兩端裝設(shè)測(cè)距裝置，經(jīng)濟(jì)性差，但方法可靠性高，目前應(yīng)用范圍較為廣泛。

2.2 現(xiàn)代行波法

1）小波變換法

小波變換同時(shí)具有頻域和時(shí)域特性，其突破了傅里葉變換在時(shí)域沒(méi)有任何分辨率的限制，具有多分辨率分析的特征[13]。該特征使得小波分析能夠?qū)⒐收闲畔⒌念l率表示出來(lái)，方便對(duì)原始正常信號(hào)中的暫態(tài)信號(hào)進(jìn)行分析[16]。文獻(xiàn)[8]提出一種單端測(cè)距新方法，即利用小波變換提取線(xiàn)路的故障特征，且可消除行波色散的影響。文獻(xiàn)[17]提出基于小波變換模極大值理論的雙端測(cè)距方法，該方法首先記錄下初始故障電流行波波頭到達(dá)HVDC輸電線(xiàn)路兩端的時(shí)間，最終利用雙端法原理計(jì)算出故障點(diǎn)距離逆變側(cè)母線(xiàn)的長(zhǎng)度。文獻(xiàn)[18]通過(guò)對(duì)故障暫態(tài)電壓信號(hào)進(jìn)行小波變換，提出一種對(duì)單級(jí)和雙級(jí)HVDC輸電線(xiàn)路均適用的故障測(cè)距方法。文獻(xiàn)[19]與文獻(xiàn)[17]利用相同的小波變換模極大值理論，但實(shí)現(xiàn)的是單端行波故障測(cè)距。文獻(xiàn)[20]提出利用上述理論分析行波信號(hào)，實(shí)現(xiàn)輸電線(xiàn)路的多點(diǎn)故障定位。

雖然小波變換具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，但其自身也存在一些問(wèn)題。由于其自身不具有自適應(yīng)性，所以當(dāng)故障類(lèi)型發(fā)生變換時(shí)，需用不同的小波基來(lái)分析。

2）HHT法

當(dāng)需要處理非平穩(wěn)和非線(xiàn)性的信號(hào)時(shí)，一般會(huì)選擇HHT法。文獻(xiàn)[21]提出可利用HHT檢測(cè)行波波頭實(shí)現(xiàn)故障定位。文獻(xiàn)[22]提出可將HHT運(yùn)用到HVDC輸電線(xiàn)路的行波保護(hù)中，通過(guò)判斷綜合判據(jù)，即將HHT分析行波波形和直流線(xiàn)路低電壓相結(jié)合，構(gòu)成HVDC輸電線(xiàn)路的行波保護(hù)方案。文獻(xiàn)[15]指出HHT法存在曲線(xiàn)擬合方法的選取和端點(diǎn)效應(yīng)等問(wèn)題，但通過(guò)改進(jìn)算法，使用三次樣條函數(shù)進(jìn)行曲線(xiàn)擬合，利用極值鏡像延拓可消除上述問(wèn)題的影響。文獻(xiàn)[23]提出基于三端法的HHT行波故障測(cè)距方法，即在線(xiàn)路中點(diǎn)再加入一個(gè)測(cè)量點(diǎn)。文獻(xiàn)[24]提出可使用HHT對(duì)1000kV輸電線(xiàn)路的雷擊高頻信號(hào)中的前四階IMF進(jìn)行變換，通過(guò)計(jì)算變換后的IMF瞬時(shí)值的幅值對(duì)方差貢獻(xiàn)率的大小，進(jìn)而判斷出輸電線(xiàn)路的雷擊故障類(lèi)型。

以傅里葉理論為基礎(chǔ)的故障測(cè)距方法只能在時(shí)頻方面進(jìn)行分析，但HHT法卻克服了此局限性，具有完全的自適應(yīng)性，且適合用于分析HVDC輸電線(xiàn)路的故障突變信號(hào)[25]。但鑒于HHT法需要復(fù)雜的遞回運(yùn)算，運(yùn)算所需時(shí)間其實(shí)并不短，另外，HHT未必能正確計(jì)算出本質(zhì)模態(tài)函數(shù)的瞬時(shí)頻率。

3）數(shù)學(xué)形態(tài)法

數(shù)學(xué)形態(tài)法在信號(hào)的突變點(diǎn)檢測(cè)和濾波方面具有極大的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)其也是一種非線(xiàn)性的分析方法。文獻(xiàn)[26]提出可利用形態(tài)學(xué)法濾除暫態(tài)行波信號(hào)中典型的噪聲信號(hào)，從而可靠辨識(shí)出行波波頭并準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)故障測(cè)距。文獻(xiàn)[27]通過(guò)對(duì)幾種故障類(lèi)型相似的線(xiàn)路行波進(jìn)行分析，提出數(shù)學(xué)形態(tài)法不僅能夠很好地區(qū)分HVDC的故障與非故障線(xiàn)路，而且也能夠準(zhǔn)確地進(jìn)行故障定位。文獻(xiàn)[28]提出一種基于數(shù)學(xué)形態(tài)法的多尺度濾波算法，該算法可提高識(shí)別行波波頭的準(zhǔn)確性和可靠性。文獻(xiàn)[29]提出一種基于雙端故障信息的單端測(cè)距法，該方法首先采用數(shù)學(xué)形態(tài)法進(jìn)行濾波，其次用形態(tài)學(xué)梯度法提取出故障發(fā)生時(shí)刻，通過(guò)總結(jié)故障規(guī)律，最終得到計(jì)算故障測(cè)距的方法。

數(shù)學(xué)形態(tài)法雖然原理簡(jiǎn)單，設(shè)備投入少，測(cè)距精度較高，且能夠較為準(zhǔn)確地識(shí)別出故障行波波頭，但如何選取更有效的結(jié)構(gòu)元素一直是數(shù)學(xué)形態(tài)法的難題。而結(jié)構(gòu)元素的形狀和大小對(duì)數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的運(yùn)算結(jié)果具有至關(guān)重要的影響，其作用與信號(hào)處理中的濾波窗口差不多。

4）獨(dú)立分量法

獨(dú)立分量法是一種高效盲源分離方法。文獻(xiàn)[30]指出由于獨(dú)立分量法具有對(duì)環(huán)境、目標(biāo)的要求少，易實(shí)現(xiàn)等特征，而被廣泛地運(yùn)用在輸電線(xiàn)路故障特征信號(hào)提取中。文獻(xiàn)[31]提出一種基于ICA和LLE的新型HVDC輸電系統(tǒng)故障診斷方法，該方法可有效提取出故障的重要特征。文獻(xiàn)[32]提出一種基于FastICA算法的HVDC輸電線(xiàn)路的單端測(cè)距法，該方法通過(guò)對(duì)分離出的故障電流信號(hào)的分析實(shí)現(xiàn)故障定位。文獻(xiàn)[33]利用仿真證明基于單通道動(dòng)態(tài)FastICA算法能對(duì)HVDC輸電線(xiàn)路故障進(jìn)行更加準(zhǔn)確的定位。

獨(dú)立分量法是近年來(lái)逐漸發(fā)展起來(lái)的一種故障定位方法，雖然該方法在使用過(guò)程中對(duì)環(huán)境和目標(biāo)的要求較少，但也存在最多只能有一個(gè)高斯條件、源信號(hào)之間必須相互獨(dú)立的限制條件。

5）固有頻率法

當(dāng)HVDC輸電線(xiàn)路在點(diǎn)處發(fā)生故障時(shí)，將有暫態(tài)故障行波出現(xiàn)在線(xiàn)路上，且暫態(tài)故障行波的頻譜與故障所處位置以及HVDC輸電線(xiàn)路的邊界條件均存在某種聯(lián)系[14]，因此可利用故障行波的頻譜特征計(jì)算出故障所處的位置，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)HVDC輸電線(xiàn)路的故障測(cè)距。文獻(xiàn)[34]推導(dǎo)出行波固有頻率、故障所處位置和系統(tǒng)條件在任意系統(tǒng)等效阻抗值的條件下都存在的數(shù)學(xué)關(guān)系。文獻(xiàn)[35]提出輸電線(xiàn)路故障行波頻譜與故障所處位置具有數(shù)學(xué)關(guān)系，可利用此原理實(shí)現(xiàn)故障測(cè)距。文獻(xiàn)[36]提出可將固有頻率法和行波法聯(lián)合起來(lái)進(jìn)行單端行波測(cè)距。

傳統(tǒng)的HVDC輸電線(xiàn)路行波法故障測(cè)距一直面臨著如何能夠把故障初始行波波頭、反射行波波頭、相鄰母線(xiàn)反射波以及對(duì)端母線(xiàn)反射波正確識(shí)別和區(qū)分開(kāi)來(lái)的問(wèn)題，但固有頻率法避免了上述難題，具有與時(shí)域不同的優(yōu)點(diǎn)和特性。

2.3 行波故障測(cè)距缺點(diǎn)

行波故障測(cè)距法原理雖然簡(jiǎn)單易懂，但其本身也有一些難以克服的難題[10,37]：

1）行波故障測(cè)距容易受外界的干擾影響。

2）行波故障測(cè)距一旦檢測(cè)不到行波波頭或者在檢測(cè)的過(guò)程當(dāng)中出現(xiàn)失誤，行波故障定位技術(shù)就會(huì)失敗。

3）行波故障測(cè)距無(wú)法用計(jì)算機(jī)識(shí)別行波波頭，需要專(zhuān)業(yè)人員完成此操作。

4）行波故障測(cè)距精度與行波的傳播速度有關(guān)，而實(shí)際系統(tǒng)中無(wú)法保證波速恒定。

5）行波故障測(cè)距的精度與采樣率有關(guān)，采樣率越高，故障測(cè)距精度也越高，但采樣率過(guò)高并不容易實(shí)現(xiàn)。

3 展望

通過(guò)對(duì)上述測(cè)距方法的總結(jié)，可以發(fā)現(xiàn)各有優(yōu)缺點(diǎn)，所以建議在之后的測(cè)距研究中，可嘗試著將上述方法中的兩種或多種定位原理結(jié)合使用,這樣不僅可以做到揚(yáng)長(zhǎng)補(bǔ)短，而且可能會(huì)提高故障測(cè)距的精度。另外，當(dāng)輸電線(xiàn)路發(fā)生高阻接地或者行波波頭識(shí)別失敗等問(wèn)題時(shí)，可利用固有頻率法來(lái)避免這個(gè)難題，以提高故障測(cè)距精度。除此之外，上述的測(cè)距方法基本上都是在線(xiàn)路單點(diǎn)故障情況下驗(yàn)證的，之后可嘗試對(duì)線(xiàn)路正負(fù)極兩點(diǎn)處故障情況進(jìn)行研究。

4 結(jié)論

本文對(duì)基于行波法的HVDC輸電線(xiàn)路故障測(cè)距方法進(jìn)行了較為全面地綜述，最終針對(duì)行波法存在的一些問(wèn)題，提出了建議，并希望能夠得到進(jìn)一步地研究。

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Review of High Voltage DC Transmission Lines Fault Location based on the Traveling Wave Method

Cui Benli Lan Sheng

(College of Electrical Engineering and Automation, Fuzhou University, Fuzhou 350108)

First, this paper introduced the basic theory of traveling wave, including the generation, the fluctuation, refraction and reflection of traveling wave. Second, traveling wave method of high voltage DC transmission lines fault location was classified, and the advantages and disadvantages of various methods were analyzed. Finally some suggestions were put forward in view of the shortcomings of the traveling wave method.

high voltage DC transmission; fault location; traveling wave method

崔本麗（1993-），女，碩士研究生，研究方向?yàn)楦邏褐绷鬏旊娋€(xiàn)路故障測(cè)距。