劉衛(wèi)明，湯漢松，張平，鮑音夫，陳浩然，王純，劉潤(rùn)苗

(1.國(guó)網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司 電力科學(xué)研究院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000；2.江蘇凌創(chuàng)電氣自動(dòng)化股份有限公司, 江蘇 鎮(zhèn)江 212009；3.國(guó)電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 211106)

0 引 言

為解決全球能源緊缺問題，風(fēng)電和太陽能等可再生能源已大量接入電網(wǎng)[1]。多端直流傳輸系統(tǒng)(multi-terminal DC transmission system，MTDC)具有能量損耗小和通信干擾小等方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，可將可再生能源整合到電網(wǎng)中，這成為高壓直流輸電線路重要發(fā)展趨勢(shì)[2-4]。直流故障保護(hù)是其發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一,主要技術(shù)難點(diǎn)包括故障線路的可靠識(shí)別和快速隔離。

在電壓型換流站點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方案中，存在特定終端無法連接交流電網(wǎng)現(xiàn)象，如光伏發(fā)電廠或風(fēng)電發(fā)電廠終端，斷開換流站的交流斷路器來消除直流故障的解決方案不能應(yīng)用于現(xiàn)代多端直流傳輸系統(tǒng)。

本文提出配置混合直流斷路器的多端高壓直流輸電線路故障保護(hù)算法，首先對(duì)故障行波波形分析，結(jié)合小波變化提取故障時(shí)刻高頻暫態(tài)電壓分量，并基于區(qū)內(nèi)、區(qū)外故障小波能量值故障識(shí)別方法，提出設(shè)計(jì)含混合式直流斷路器多次重合閘判定方法的直流故障保護(hù)算法。

1 故障行波波頭檢測(cè)以及多孔算法

基于小波變換對(duì)突變型故障行波信號(hào)進(jìn)行波頭檢測(cè)。連續(xù)小波變換定義為：

(1)

(2)

多孔算法又稱為平穩(wěn)小波變換，它能夠顯著削弱振動(dòng)效應(yīng)的影響[5]。多孔算法的分解公式為：

(3)

多孔算法通過對(duì)信號(hào)k(t)變換可得到K(t)，若存在t0使得K(t0)為其鄰域內(nèi)的極大值，即所有t值都滿足：

|K(t0)|>|K(t)|

(4)

則可以判斷信號(hào)k(t)發(fā)生突變的時(shí)間是t0。對(duì)比小波系數(shù)的模極大值來判斷信號(hào)突變點(diǎn)，以此區(qū)分分行波波頭和噪聲。

2 基于暫態(tài)行波與斷路器的MTDC輸電線路故障保護(hù)算法

通過Mallat算法對(duì)一個(gè)離散信號(hào)樣本x(k)實(shí)現(xiàn)離散小波的快速分解，第j層平滑逼近系數(shù)xj(k)和細(xì)節(jié)系數(shù)yj(k)可以表示如下：

(5)

式中：h0、h1分別為低通、高通濾波器。

為了獲取高頻分量隨時(shí)間變化的關(guān)系，將直流故障發(fā)生時(shí)刻前后一段時(shí)間內(nèi)的行波線模分量進(jìn)行小波離散變換。其中，電壓信號(hào)的高頻分量模值W(k)，記電壓的高頻分量的小波能量E(k)為：

(6)

使用高頻分量的小波能量值作為區(qū)間判據(jù)。由于終端為感性，因此，電流是緩慢增加，使用電壓的變化作為檢測(cè)故障發(fā)生的判據(jù)更加準(zhǔn)確，判定條件如下：

|V-Vav|>kVav

(7)

式中：k為電壓故障倍率系數(shù)；V為線模電壓的瞬時(shí)量；Vav為線模電壓的穩(wěn)態(tài)量。

基于暫態(tài)行波的多端直流系統(tǒng)的直流故障保護(hù)算法流程如圖1所示。

圖1 直流故障算法流程圖

3 仿真分析

在MATLAB/Simulink中搭建如圖2所示的基于電壓型換流站的四端直流輸電系統(tǒng)。所有換流站之間以電纜相連，線纜的具體參數(shù)如表1所示。所用直流斷路器的采樣頻率為50 Hz，試驗(yàn)數(shù)據(jù)為DCCB21所測(cè)數(shù)據(jù)。

圖2 四端高壓直流輸電系統(tǒng)

以DCCB12為采樣點(diǎn)，仿真模擬此四端直流輸電系統(tǒng)分別在如圖2所示位置處(F1、F2、F3)發(fā)生雙極短路故障。對(duì)于直流斷路器DCCB21來說，分別為區(qū)內(nèi)故障、反向區(qū)外故障和區(qū)內(nèi)故障。取故障前后1 ms的時(shí)間間隔進(jìn)行數(shù)據(jù)取樣處理，通過仿真計(jì)算得出三者的小波能量圖，如圖3所示。

當(dāng)故障發(fā)生在區(qū)外時(shí)，小波能量最大值為1.5。鑒于存在測(cè)量誤差以及周圍環(huán)境的影響，取Eset為3。從圖3中提取啟動(dòng)判據(jù)檢測(cè)到的時(shí)刻小波能量值，分別為90.56、5.32×10-7和2.15×

表1 線路參數(shù)

圖3 區(qū)內(nèi)外故障小波能量圖

10-7。表2為不同情況下的區(qū)內(nèi)故障。表3為不同情況下的區(qū)外故障。

表2 區(qū)內(nèi)故障

表3 區(qū)外故障

通過對(duì)比試驗(yàn)，提出的直流故障保護(hù)算法在故障切斷的準(zhǔn)確率上高于文獻(xiàn)[6]所提的基于波頭時(shí)差的保護(hù)算法和文獻(xiàn)[7]所提的結(jié)合端部電壓小波變換系數(shù)的保護(hù)算法，并且遠(yuǎn)高于文獻(xiàn)[7]所提出的算法準(zhǔn)確率。因此，所提的直流故障保護(hù)算法可以提供準(zhǔn)確和穩(wěn)定的故障判斷結(jié)果，如圖4所示。

圖4 算法成功率對(duì)比

4 結(jié)束語

本文利用小波變換提取故障時(shí)刻高頻暫態(tài)電壓分量，并依據(jù)小波能量值判斷故障類型，采用混合直流斷路器多次重合閘進(jìn)行準(zhǔn)確直流故障線路隔離。所提算法能夠準(zhǔn)確判斷區(qū)內(nèi)外故障，具有故障識(shí)別成功率高和過渡電阻容忍度高的優(yōu)勢(shì)。未來會(huì)進(jìn)一步對(duì)故障保護(hù)的啟動(dòng)條件進(jìn)行研究，解決過高的過渡電阻導(dǎo)致電壓?jiǎn)?dòng)判據(jù)的判定失敗問題。