雷朝煜，郝良收, 戴甲水, 張 鐳,王 軒，崔春艷，亓金成，湯曉君

高壓直流輸電線路故障定位研究綜述

雷朝煜1，郝良收1, 戴甲水1, 張 鐳1,王 軒2,3，崔春艷2,3，亓金成4，湯曉君4

(1.中國(guó)南方電網(wǎng)超高壓輸電公司天生橋局，貴州 興義 562400；2.南瑞集團(tuán)(國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院)有限公司，江蘇 南京 211106；3.北京市直流輸配電工程技術(shù)研究中心(中電普瑞電力工程有限公司)，北京 102200；4.西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，陜西 西安 710049)

高壓直流輸電是我國(guó)的重點(diǎn)發(fā)展方向之一?？焖?、準(zhǔn)確的高壓直流輸電線路故障定位對(duì)保障高壓直流系統(tǒng)運(yùn)行可靠性、減少停運(yùn)時(shí)間具有重要意義。對(duì)目前應(yīng)用于高壓直流輸電線路以及柔性直流配電網(wǎng)故障定位的主要技術(shù)，包括行波測(cè)距法、固有頻率法、故障分析法和非精確同步測(cè)距法，進(jìn)行了詳細(xì)的分析和綜述。探討了不同故障定位技術(shù)在高壓直流輸電線路故障定位應(yīng)用中的優(yōu)缺點(diǎn)。結(jié)合傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)與人工智能技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)高壓直流輸電線路故障定位技術(shù)的未來(lái)發(fā)展進(jìn)行了展望。該研究給高壓直流線路故障定位方法的研究者提供了良好的參考。

高壓直流輸電線路；故障定位；柔性直流配電網(wǎng)；固有頻率法；故障分析法

0 引言

由于具有輸送容量大、輸電距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)，高壓直流輸電系統(tǒng)是解決我國(guó)一次能源與負(fù)荷中心逆向分布的關(guān)鍵[1-2]。隨著“碳達(dá)峰-碳中和”正式成為國(guó)家戰(zhàn)略，跨區(qū)輸送清潔能源的力度將進(jìn)一步加大，高壓直流輸電工程將在構(gòu)建堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)中發(fā)揮重要作用。

受經(jīng)濟(jì)因素影響，除海上輸電項(xiàng)目外，高壓直流輸電線路仍以架空線路為主。在我國(guó)，由于跨區(qū)輸送距離較長(zhǎng)，直流輸電線路要穿越復(fù)雜地形和特殊環(huán)境地區(qū)，導(dǎo)致其運(yùn)行環(huán)境惡劣，受自然災(zāi)害和氣候因素影響，輸電線路故障率較高。而且，故障發(fā)生后，由于故障巡線距離遠(yuǎn)，巡查難度較大，嚴(yán)重影響系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性[3]。而快速、準(zhǔn)確的故障定位可以幫助快速隔離故障[1]，排除雙極閉鎖[2]等故障，從而減少故障恢復(fù)時(shí)間，對(duì)高壓直流輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行具有重要意義。

現(xiàn)有的高壓直流輸電線路故障定位方法主要分為行波法、固有頻率法和故障分析法[4]。其中行波法具有測(cè)距精度高、適用范圍廣、同時(shí)具備保護(hù)與測(cè)距功能等優(yōu)點(diǎn)，因此應(yīng)用最為廣泛[5-7]。本文將結(jié)合國(guó)內(nèi)外最新研究成果，對(duì)高壓直流輸電線路故障定位技術(shù)進(jìn)行歸納論述。同時(shí)，基于研究現(xiàn)狀，結(jié)合傳感器技術(shù)、人工智能等，對(duì)高壓直流輸電線路故障定位法的技術(shù)發(fā)展進(jìn)行展望。

1 行波測(cè)距法

1.1 行波測(cè)距法原理

當(dāng)輸電線路發(fā)生故障時(shí)，受導(dǎo)線分布電容和電感影響，故障點(diǎn)產(chǎn)生向線路兩側(cè)傳播的行波，即為故障行波。利用故障行波的傳播特性檢測(cè)故障行波波頭，以及行波波頭到達(dá)的時(shí)間差和介質(zhì)中波速進(jìn)行計(jì)算即可實(shí)現(xiàn)對(duì)故障點(diǎn)的精確定位[8]。從行波法原理上可分為單端法和雙端法。單端行波測(cè)距法的原理如圖1所示。

圖1 單端行波法原理示意圖

圖1中，F(xiàn)為故障點(diǎn)，A點(diǎn)為行波測(cè)距終端安裝位置，B點(diǎn)為對(duì)端邊界，為故障點(diǎn)與行波測(cè)距裝置的距離。當(dāng)線路故障發(fā)生時(shí)，利用行波波頭與反射波到達(dá)時(shí)間差進(jìn)行故障精確測(cè)距。

雙端行波測(cè)距法原理圖如圖2所示，F(xiàn)為故障點(diǎn)，A點(diǎn)與B點(diǎn)為行波測(cè)距終端安裝位置，為故障點(diǎn)與行波測(cè)距裝置的距離，為AB兩點(diǎn)間的線路長(zhǎng)度。雙端行波測(cè)距法檢測(cè)故障初始行波波頭的到達(dá)時(shí)間就能完成測(cè)距，受過(guò)渡電阻和線路分布電容的影響較小，因此實(shí)際應(yīng)用中以雙端測(cè)距法為主[9]。

圖2 雙端行波法原理示意圖

1.2 行波測(cè)距法受限因素及克服方法

影響行波測(cè)距精度的主要因素包括故障行波波頭識(shí)別和行波波速選取兩個(gè)方面[10]。

1.2.1行波波頭識(shí)別

對(duì)于高壓直流線路，若行波傳播距離過(guò)長(zhǎng)，受行波色散[11]影響，故障初始行波波頭在傳播過(guò)程中高頻分量的幅值逐漸減小，發(fā)生畸變。在高過(guò)渡電阻情況下，高頻分量由于幅值較小而難以被測(cè)距終端捕獲。受高壓直流線路兩端邊界效應(yīng)影響，故障初始行波在對(duì)端母線的反射波發(fā)生衰減和畸變[12-13]。針對(duì)行波波頭識(shí)別這一問(wèn)題，科研工作者和工程技術(shù)人員做了大量研究和探索，目前常用的故障行波波頭的識(shí)別方法主要有小波變換法[14-16]、數(shù)學(xué)形態(tài)法[17-19]、希爾伯特-黃變換法[20-22]、紅綠色彩模式檢測(cè)法[23]和快速獨(dú)立分量分析法[24]等。各方法的優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。

表1 不同行波波頭識(shí)別方法的優(yōu)缺點(diǎn)

1.2.2波速影響處理

為解決由趨膚效應(yīng)和線路頻變特性引發(fā)的波速誤差問(wèn)題，文獻(xiàn)[25]在分析了故障行波初始波頭波速度與故障距離關(guān)系的基礎(chǔ)上，提出一種考慮波速變化特性的新型測(cè)距方法，利用波速度與故障距離的函數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系，有效降低波速度隨故障距離變化導(dǎo)致的定位誤差。文獻(xiàn)[26]利用牛頓插值算法補(bǔ)償波頭時(shí)刻與波速的匹配問(wèn)題，將補(bǔ)償波速代入測(cè)距公式，得到逐步逼近真實(shí)故障距離的測(cè)距結(jié)果。文獻(xiàn)[27]提出一種不受波速影響的單端行波測(cè)距方法，記錄故障初始波頭、故障點(diǎn)的反射行波波頭和對(duì)端直流母線的反射波波頭的到達(dá)時(shí)間，通過(guò)聯(lián)立方程消去波速度，避免波速度變化帶來(lái)的影響。文獻(xiàn)[28]通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)線路參數(shù)的頻變特性和行波波頭的衰減造成行波波速與故障距離呈非線性關(guān)系，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非線性擬合特性，減小了行波波速變化導(dǎo)致的測(cè)距誤差。

盡管行波測(cè)距法技術(shù)積累較為成熟，但是在實(shí)際應(yīng)用中，現(xiàn)有基于故障行波的測(cè)距方式受過(guò)渡電阻的影響較大，存在波頭檢測(cè)失敗的風(fēng)險(xiǎn)，且若裝置出現(xiàn)故障，無(wú)法在故障發(fā)生后進(jìn)行二次故障定位。因此，為提高行波法測(cè)距準(zhǔn)確性，研究人員除了提高波頭識(shí)別率，減小波速的測(cè)距影響之外，還對(duì)其他缺陷做了大量研究。

1.2.3多測(cè)點(diǎn)行波測(cè)距法

目前行波測(cè)距裝置一般安裝在高壓直流線路兩端的整流站和逆變站內(nèi)。理論上，這種安裝方式可滿足雙端行波測(cè)距法的實(shí)施，但對(duì)于長(zhǎng)距離輸電線路，由1.1節(jié)的分析可知，僅采用站-端獲取的行波信息進(jìn)行故障測(cè)距結(jié)果存在較大誤差，解決該問(wèn)題的直接方法便是在線路上安裝多個(gè)行波測(cè)距裝置，減少故障行波到行波測(cè)距裝置的傳播距離，即多測(cè)點(diǎn)行波測(cè)距法。

多測(cè)點(diǎn)行波測(cè)距法將輸電線路分為多個(gè)測(cè)距區(qū)段，故障點(diǎn)近端的多個(gè)行波測(cè)距裝置的數(shù)據(jù)可以對(duì)故障點(diǎn)進(jìn)行精確定位[29]。文獻(xiàn)[30]使用Rosowski線圈作為行波檢測(cè)單元，利用鄰近故障點(diǎn)的3個(gè)檢測(cè)點(diǎn)獲取的故障行波到達(dá)時(shí)刻數(shù)據(jù)減少了波速度和線路長(zhǎng)度變化對(duì)故障測(cè)距精度的影響。文獻(xiàn)[31]利用空間磁場(chǎng)傳感器實(shí)現(xiàn)非接觸式故障行波采集，克服了在高壓直流輸電線路中沿線布置測(cè)距終端安裝與維護(hù)困難的缺點(diǎn)。

多測(cè)點(diǎn)行波測(cè)距法可以避免在長(zhǎng)距離輸電線路上因波速度變化和故障行波傳播損耗帶來(lái)的測(cè)距誤差，僅需在線路上安裝多個(gè)行波測(cè)距裝置即可實(shí)現(xiàn)。多測(cè)點(diǎn)行波測(cè)距法的測(cè)距原理仍基于雙端測(cè)距方法，較為簡(jiǎn)單，可靠性較高，且適用于多端直流輸電線路。因此，多測(cè)點(diǎn)式行波測(cè)距法具有很好的應(yīng)用前景。但是，受高壓直流系統(tǒng)的線路屬性和傳感技術(shù)的制約，目前還未有能推廣應(yīng)用的測(cè)距裝置，該技術(shù)的實(shí)用化問(wèn)題還需要進(jìn)一步研究。

1.2.4主動(dòng)式行波測(cè)距法

對(duì)于高壓直流系統(tǒng)，主動(dòng)式行波測(cè)距法最先用于對(duì)接地極引線故障測(cè)距[32-33]，待故障暫態(tài)過(guò)程結(jié)束后，通過(guò)中性母線處向線路注入脈沖信號(hào)，檢測(cè)信號(hào)時(shí)域反射來(lái)定位故障[34-35]。相比于被動(dòng)式行波測(cè)距法，脈沖注入法需要額外的脈沖產(chǎn)生裝置，且對(duì)注入脈沖信號(hào)要求較高。隨著電壓源換流器(Voltage Source Converter, VSC)技術(shù)的發(fā)展和模塊化多電平換流器的應(yīng)用，利用換流器等電力電子設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)故障線路的測(cè)距信號(hào)注入成為可能[36]。文獻(xiàn)[37]通過(guò)控制MMC的子模塊產(chǎn)生行波脈沖，避免了過(guò)渡阻抗對(duì)故障點(diǎn)反射波的影響，同時(shí)由于產(chǎn)生的行波脈沖高度可控，可在正常運(yùn)行時(shí)對(duì)該脈沖在輸電線中的波速度進(jìn)行測(cè)量，避免線路參數(shù)的頻變特性對(duì)波速度的影響。

雖然主動(dòng)式行波測(cè)距法是基于單端行波測(cè)距法原理的，但是永久性故障往往是金屬性故障。因此，主動(dòng)式行波測(cè)距法不受過(guò)渡阻抗的影響，只需檢測(cè)注入信號(hào)與故障點(diǎn)的反射波即可實(shí)現(xiàn)故障測(cè)距，理論上準(zhǔn)確度較高。此外，同利用故障行波進(jìn)行測(cè)距相比，主動(dòng)式行波測(cè)距法具有高可控性、可重復(fù)性等優(yōu)點(diǎn)，也可作為換流器重啟的參考，對(duì)線路器件具有一定的保護(hù)作用。

行波測(cè)距法整體上具有較高的測(cè)距精度，因此得到了較為廣泛的應(yīng)用和研究[38-39]，但是受線路類型、故障類型、接地電阻和線路系統(tǒng)參數(shù)等因素的影響，其對(duì)采樣率要求較高，且受行波特性的限制，存在檢測(cè)失敗的風(fēng)險(xiǎn)。因此，這種方法還需要輔助手段進(jìn)行故障定位以提高可靠性。

2 固有頻率法

輸電線路發(fā)生故障后，故障行波在故障點(diǎn)和線路兩端多次反射，形成故障暫態(tài)行波，在頻域上表現(xiàn)為一系列具有特定頻率的諧波，該頻率被稱為固有頻率，其大小與故障距離和邊界條件有關(guān)。與交流輸電系統(tǒng)相比，電壓源換流器型直流輸電系統(tǒng)的固有頻率信號(hào)更強(qiáng)、更穩(wěn)定[40]，更適合利用固有頻率法進(jìn)行故障測(cè)距。固有頻率法雖然無(wú)需對(duì)故障行波的波頭進(jìn)行識(shí)別，但仍需要對(duì)固有頻譜進(jìn)行準(zhǔn)確提取。近年來(lái)，研究人員常將固有頻率法和智能算法結(jié)合以解決故障行波的固有頻率提取問(wèn)題。

基于固有頻率的故障定位智能算法主要包括PRONY算法及其改進(jìn)算法[40-42]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[43]、多重信號(hào)分類算法(MUSIC)[44]、小波包分解法[45]以及上述方法組合形成的新方法。

PRONY算法或其改進(jìn)算法解決了故障行波的固有頻率因易受噪聲干擾而難以獲取的問(wèn)題，僅利用單端數(shù)據(jù)且無(wú)需傳統(tǒng)的固有頻率法所需的線路參數(shù)，不受線路依頻特性的影響，可適用于長(zhǎng)距離輸電線路[40-42]。固有頻率結(jié)合BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的測(cè)距算法，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非線性擬合特性，解決固有頻率難以精確提取的問(wèn)題[43]。

MUSIC提取固有頻率信號(hào)方法，能夠有效應(yīng)對(duì)近端發(fā)生故障時(shí)產(chǎn)生的高頻信號(hào)，所需數(shù)據(jù)窗較短[44]。文獻(xiàn)[45]利用小波包分解提取故障暫態(tài)電壓信號(hào)的頻譜能量對(duì)PSO-RBF混合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練學(xué)習(xí)，該方法能夠充分利用行波頻譜能量所包含的故障信息，結(jié)合粒子群算法和徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)，訓(xùn)練時(shí)間短、收斂速度快。為減少數(shù)據(jù)窗短造成的測(cè)距誤差，文獻(xiàn)[46]提出一種利用重合閘重合期間殘余電流開(kāi)關(guān)結(jié)合固有頻率法進(jìn)行定位的新方法，該方法先利用殘余電流創(chuàng)造較長(zhǎng)的暫態(tài)數(shù)據(jù)窗，然后利用MUSIC算法提取固有頻率和次頻率對(duì)故障位置進(jìn)行粗略估計(jì)和精確定位。該方法可實(shí)現(xiàn)對(duì)永久性故障的精確測(cè)距，能夠?qū)⒐烙?jì)結(jié)果和精確定位結(jié)果進(jìn)行相互驗(yàn)證，解決了MUSIC算法導(dǎo)致的虛假譜峰現(xiàn)象。

也有研究人員利用固有頻率法和行波測(cè)距法的互補(bǔ)特性提出一種混合方法，再利用固有頻率法進(jìn)行粗略測(cè)距，確定故障初始行波到達(dá)的時(shí)間范圍后，利用集成經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解得到波速相對(duì)穩(wěn)定的高頻行波分量，進(jìn)行精確測(cè)距[47]。

固有頻率法無(wú)需對(duì)故障初始行波波頭進(jìn)行識(shí)別，因此可靠性較高，且可與行波測(cè)距法進(jìn)行互補(bǔ)，無(wú)需再增加檢測(cè)儀器，是行波法失效時(shí)最理想的輔助測(cè)距手段。但是，這種方法需要對(duì)固有頻率進(jìn)行可靠提取，且測(cè)距精確度同樣受行波波速的影響。目前的解決方案主要集中于利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和其他算法結(jié)合的方法，但這些方法所需運(yùn)算時(shí)間較長(zhǎng)，目前的研究?jī)H限于仿真階段，還難以應(yīng)用于實(shí)際工程。

3 故障分析法

早期應(yīng)用于高壓直流輸電線路的故障分析法主要基于分布參數(shù)模型，故障發(fā)生后，利用單端或者雙端測(cè)得的電壓、電流值計(jì)算沿線電壓、電流分布，并求取過(guò)渡電阻阻值，以進(jìn)行故障定位[48-49]。與行波法相比，故障分析法可利用故障過(guò)程中任意一段數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)故障定位。但是，由于采用Bergeron模型測(cè)距精度受線路特征阻抗影響較大，為提高模型的精確度，文獻(xiàn)[50]將線路電阻作為分布參數(shù)計(jì)入直流輸電線路模型，利用麥夸特法實(shí)現(xiàn)對(duì)線模信號(hào)的高階求導(dǎo)，減少求導(dǎo)過(guò)程中產(chǎn)生的誤差，同時(shí)在判據(jù)中引入粒子群算法，便于結(jié)果輸出。該方法所需采樣率較低，且所需數(shù)據(jù)窗短，便于工程實(shí)現(xiàn)。

此外，若采樣率較低，故障分析法容易造成在線路兩端存在測(cè)距死區(qū)的問(wèn)題。對(duì)此，采用S變換提取行波首波頭高頻分量累加值作為定位判斷依據(jù)，并利用小波Teager能量算子精確測(cè)距，測(cè)距結(jié)果不受故障狀況、噪聲和負(fù)載的影響[51]。

文獻(xiàn)[52]針對(duì)MMC-HVDC輸電系統(tǒng)中的單極接地故障，提出一種基于頻變參數(shù)模型的單端故障測(cè)距方法。該方法在證明虛擬線路阻抗僅在故障點(diǎn)處恒定的基礎(chǔ)上，提取故障信息中的直流分量和三次諧波分量，在頻域下計(jì)算沿線電壓和電流分布，結(jié)合測(cè)距函數(shù)進(jìn)行一元線性回歸，實(shí)現(xiàn)了故障精確測(cè)距。該方法對(duì)采樣頻率的要求較低，具有較高的可靠性。文獻(xiàn)[53]提出利用混合式MMC換流器進(jìn)行主動(dòng)式探測(cè)信號(hào)注入實(shí)現(xiàn)故障分析法的故障定位方法。通過(guò)向直流線路中注入特征頻率的正弦信號(hào)，利用故障分析法的參數(shù)識(shí)別定位原理實(shí)現(xiàn)故障位置的精確定位，并且定量分析了注入信號(hào)的特征選擇，提出詳細(xì)的定位流程，進(jìn)一步完善了利用換流器子模塊進(jìn)行主動(dòng)式故障測(cè)距的理論方法。

整體而言，利用故障分析法對(duì)線路故障進(jìn)行測(cè)距的前提是需要對(duì)線路參數(shù)進(jìn)行精確測(cè)量與計(jì)算，且受線路依頻特性影響，測(cè)距誤差較大。為此，目前主要采用人工智能方法提高故障定位精度，但人工智能方法計(jì)算量大，尚未形成實(shí)用性好的有效方法。

4 非精確同步測(cè)距法

為達(dá)到更高定位精度，行波法一般借助于GPS保持時(shí)間同步。故障定位準(zhǔn)確性取決于對(duì)故障波形到達(dá)時(shí)間的準(zhǔn)確檢測(cè)，一旦發(fā)生時(shí)間不同步情形，則會(huì)定位失敗。文獻(xiàn)[54]針對(duì)GPS信號(hào)丟失情形提出一維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(1D-CNN)的故障定位方法，在整流側(cè)和逆變側(cè)提取解耦的故障電壓線模分量，通過(guò)經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解處理信號(hào)并訓(xùn)練CNN模型，利用CNN的分類機(jī)制和線性回歸機(jī)制實(shí)現(xiàn)故障定位。該方法能夠在800 km線路上識(shí)別接地電阻5 200W的故障，定位平均誤差小于170 m。

文獻(xiàn)[55]考慮了兩端測(cè)量的非同步性和線路參數(shù)的不確定性，提出高壓直流輸電線路時(shí)域故障定位算法。通過(guò)Bergeron線性模型構(gòu)造時(shí)域故障定位方程，零時(shí)間參考點(diǎn)設(shè)為行波波頭兩端到達(dá)采樣點(diǎn)的位置，所有采樣點(diǎn)的時(shí)間標(biāo)記隨時(shí)間基準(zhǔn)為零而變化。所以兩端測(cè)量的時(shí)間差等于行波波頭兩端到達(dá)的時(shí)間差?；谝陨戏治?，結(jié)合Bergeron時(shí)域故障定位方法的行波故障定位方法適用于非同步狀態(tài)性的故障監(jiān)測(cè)。為了提高該方法的性能，引入了不同頻率間波速比系數(shù)和數(shù)字帶通濾波器，仿真和測(cè)試結(jié)果表明，該方法在GPS信號(hào)丟失的情況下也能準(zhǔn)確定位高壓直流輸電線路的故障。

在GPS信號(hào)非同步情形下進(jìn)行高壓線路故障測(cè)距，大多采用預(yù)測(cè)算法模型以及深度學(xué)習(xí)來(lái)訓(xùn)練并提高識(shí)別效率，且在長(zhǎng)輸線路的高阻值有著極好的應(yīng)用效果。

5 柔性直流電網(wǎng)的故障測(cè)距法

柔性直流輸電故障有著電氣振蕩迅速、電流上升速度快且無(wú)基波主頻特點(diǎn)，要求故障測(cè)距技術(shù)數(shù)據(jù)采集窗口窄、定位精度高。面對(duì)VSC(電壓源型變流器)雙端柔性直流配電網(wǎng)的單極、雙極故障，文獻(xiàn)[56]提取VSC直流側(cè)電容暫態(tài)放電電壓數(shù)據(jù)，進(jìn)而能夠快速實(shí)現(xiàn)故障測(cè)距，該方法在20 kHz采樣頻率下可實(shí)現(xiàn)過(guò)渡電阻100W故障點(diǎn)測(cè)量，誤差率低于1%。但由于暫態(tài)分析法需要雙端數(shù)據(jù)信息，對(duì)時(shí)鐘同步要求高，系統(tǒng)設(shè)計(jì)繁瑣，目前有一定的應(yīng)用限制。

與VSC相比，MMC(模塊化多電平變換器)不需要外接母線電容。文獻(xiàn)[57]等效故障兩側(cè)環(huán)路的RLC串聯(lián)電路，控制雙端MMC子模塊提供初始電壓，提取子模塊電容電流最大值和電壓，公式推導(dǎo)的故障距離與電容電流電壓相關(guān)，而與初始電壓無(wú)關(guān)，從而避免了非同步信息的干擾。

由于柔性直流配網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，電纜與架空線的混合連接導(dǎo)致故障暫態(tài)特征復(fù)雜，尤為依賴可靠的通信手段，技術(shù)難度要求進(jìn)一步提升。文獻(xiàn)[58]利用限流電抗器為直流線路邊界，比較電抗器兩端電壓變化率比值和差值，提出了一種基于本地信息的故障區(qū)間判別方法及邏輯，故障定位誤差在2%以內(nèi)。

行波測(cè)距和基于貝瑞隆模型的測(cè)距有相同采樣頻率要求，與之不同的是，文獻(xiàn)[59]提出的頻變參數(shù)模型，從頻域轉(zhuǎn)換到時(shí)域，可以免受過(guò)渡電阻和分布電容的影響，能夠取得精度更高的測(cè)量距離。

以上方法均依賴于邊界元件做約束條件，而文獻(xiàn)[60]對(duì)于無(wú)明顯邊界元件的柔性直流線路故障測(cè)距給出了解決思路。該文結(jié)合突變量方向啟動(dòng)判據(jù)和數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的零-線模時(shí)差識(shí)別算法，提出一個(gè)就地測(cè)距單端保護(hù)原理，不依賴雙端通信。

柔性直流配網(wǎng)故障測(cè)距技術(shù)仍然處于起步階段，現(xiàn)有文獻(xiàn)提到的故障定位方法，主要停留在理論研究層面，缺乏實(shí)際驗(yàn)證，大部分方案還需進(jìn)一步的研究才可以投入應(yīng)用。

6 展望

目前，實(shí)際應(yīng)用于高壓直流輸電線路故障定位的方法仍以故障行波作為判據(jù)的行波法為主，但其受故障行波特性限制，在長(zhǎng)距離的高壓直流輸電線路中誤差較大，存在測(cè)距失敗的風(fēng)險(xiǎn)，且測(cè)距過(guò)程中需要人員參與故障行波波頭到達(dá)時(shí)間的標(biāo)定，難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。隨著多端電壓源高壓直流輸電系統(tǒng)的建設(shè)，高壓直流輸電線路的結(jié)構(gòu)將會(huì)更為復(fù)雜化；在全球氣候異常的背景下，長(zhǎng)距離輸電線路的故障率將會(huì)進(jìn)一步上升，且存在同一時(shí)間段內(nèi)發(fā)生多次故障的可能，進(jìn)一步增加故障定位的難度。因此，無(wú)論是從提高定位精度還是從可靠性出發(fā)，都應(yīng)在現(xiàn)有應(yīng)用技術(shù)的基礎(chǔ)上做進(jìn)一步提升，以滿足工程需要。

1) 多端行波測(cè)距

隨著微電子與傳感技術(shù)的發(fā)展，行波測(cè)距裝置的安裝位置將不再局限于“站-端”，可在高壓直流輸電線路應(yīng)用多端行波測(cè)距法，將線路分為多個(gè)測(cè)距區(qū)段，減少線路長(zhǎng)度和邊界特性對(duì)行波波頭和波速度的影響。

工程應(yīng)用中不可避免地要考慮成本、器件的體積和重量，目前多端行波測(cè)距應(yīng)用尚未推廣，其中重要的一個(gè)因素就是成本偏高，有的傳感器的重量和體積難以滿足線路安裝。但隨著傳感器技術(shù)等的發(fā)展，成本將逐步下降，體積進(jìn)一步減小，環(huán)境適應(yīng)能力等性能進(jìn)一步提升[61]，多端行波測(cè)距法有望得到進(jìn)一步的推廣應(yīng)用。

2) 主動(dòng)式行波測(cè)距

高壓直流輸電系統(tǒng)具備使用換流閥產(chǎn)生的行波進(jìn)行測(cè)距的基本條件，且換流閥高度可控，無(wú)需外加信號(hào)注入裝置，可利用換流閥進(jìn)行主動(dòng)式行波測(cè)距，避免因故障過(guò)渡電阻過(guò)大導(dǎo)致故障初始行波未達(dá)到檢測(cè)裝置的動(dòng)作要求而造成測(cè)距失??；若與多端行波測(cè)距法搭配應(yīng)用，可利用行波到達(dá)測(cè)距裝置的時(shí)間差確定行波的波速度，同時(shí)減少因長(zhǎng)距離線路造成的誤差。

3) 利用行波的色散進(jìn)行故障定位

在現(xiàn)有的大多數(shù)直流線路故障定位方法研究中，行波色散會(huì)帶來(lái)負(fù)面作用[11]。實(shí)際上，故障初始行波的波頭中包含大量故障位置信息，對(duì)其進(jìn)行分析也可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。例如，文獻(xiàn)[62]對(duì)故障初始行波的曲率和高頻量衰減特性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)故障初始行波和其高頻量衰減與故障點(diǎn)到測(cè)量點(diǎn)的距離有關(guān)，進(jìn)而推導(dǎo)出相關(guān)公式，計(jì)算出故障點(diǎn)的精確位置。利用故障初始行波波頭的特性進(jìn)行故障定位，無(wú)需對(duì)時(shí)系統(tǒng)和故障點(diǎn)的反射波，可靠性較高，可能是一種有前景的直流線路故障定位方法。

4) 人工智能技術(shù)應(yīng)用

固有頻率法和故障分析法需要有人工智能方法予以輔助。目前的應(yīng)用尚處于拿來(lái)主義階段，其現(xiàn)狀是因計(jì)算量過(guò)大，處理器計(jì)算能力不足，完成這些計(jì)算所花費(fèi)的時(shí)間長(zhǎng)，難以滿足技術(shù)要求。對(duì)此，有兩條路徑可予以解決。一方面，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，處理器的計(jì)算能力越來(lái)越強(qiáng)，計(jì)算能力獲得進(jìn)一步的提升；另一方面，隨著研究的進(jìn)一步深入，充分利用應(yīng)用背景條件，并將其與現(xiàn)有人工智能方法相結(jié)合，有助于降低人工智能方法的計(jì)算量，從而提升固有頻率法和故障分析法的實(shí)時(shí)性，從而使其得到實(shí)用化。

整體而言，充分利用人工智能技術(shù)研究成果，尤其是深度學(xué)習(xí)的非線性擬合特性，可提高固有頻率法和故障分析法的工程應(yīng)用性。

5) 多種線路故障定位方法綜合應(yīng)用

隨著傳感器技術(shù)、計(jì)算能力與直流線路故障定位智能方法的提升，固有頻率法和故障分析法可與行波測(cè)距法相互補(bǔ)充，形成多種定位法的綜合應(yīng)用，從而進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)高壓直流線路的自動(dòng)故障定位，避免因人工識(shí)別和標(biāo)定造成的測(cè)距誤差，同時(shí)為高壓直流輸電系統(tǒng)的智能化提供基礎(chǔ)。

6) 直流電力系統(tǒng)多類故障綜合分析

直流電力系統(tǒng)的故障類別較多，除了線路故障類別本身包含多類外，直接影響線路故障識(shí)別的還有斷路器和換流閥故障[63]，甚至交流側(cè)故障[1]。目前的研究大多針對(duì)某種特別故障的識(shí)別與處理來(lái)開(kāi)展。直流電力系統(tǒng)的故障呈現(xiàn)多樣化，要實(shí)現(xiàn)直流電力系統(tǒng)的快速恢復(fù)，需要快速準(zhǔn)確地定位整個(gè)系統(tǒng)的各類故障，這就要求故障識(shí)別方法覆蓋范圍更為廣闊。某一線路的故障識(shí)別定位方法，必須能將直流斷路器故障、換流閥故障以及交流側(cè)等其他故障納入識(shí)別范圍，且有足夠的能力將這些故障帶來(lái)的干擾排除在外。

7 結(jié)論

長(zhǎng)距離高壓直流輸電線路的安全穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)解決我國(guó)一次能源與負(fù)荷中心呈逆向分布問(wèn)題、達(dá)成“雙碳”目標(biāo)具有積極作用，而快速準(zhǔn)確地定位故障發(fā)生位置是保障長(zhǎng)距離高壓直流輸電線路供電連續(xù)性的關(guān)鍵。本文對(duì)現(xiàn)有的高壓直流輸電線路故障定位方法進(jìn)行了較為全面的總結(jié)和分析，并對(duì)技術(shù)的發(fā)展做了展望。

1) 現(xiàn)有高壓直流輸電線路故障定位技術(shù)中，行波測(cè)距法較為成熟，且在高壓直流輸電系統(tǒng)應(yīng)用廣泛，目前需要提高其在長(zhǎng)距離輸電線路的精確度和可靠性。

2) 隨著處理器計(jì)算能力的提高以及智能算法的不斷發(fā)展，固有頻率法和故障分析法應(yīng)用于實(shí)際工程的可能性不斷提升。這兩者與行波法具有較好的互補(bǔ)性，未來(lái)可能形成直流線路故障定位的多種方法綜合應(yīng)用的格局，從而大幅提升定位的準(zhǔn)確性。

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A review of fault location methods in HVDC transmission lines

LEI Zhaoyu1, HAO Liangshou1, DAI Jiashui1, ZHANG Lei1, WANG Xuan2, 3, CUI Chunyan2, 3, QI Jincheng4, TANG Xiaojun4

(1. China Southern Power Grid Co., Ltd. Tianshengqiao Bureau of EHV Transmission Company, Xingyi 562400, China;2. NARI Group Corporation (State Grid Electric Power Research Institute, Nanjing 211106, China; 3. Beijing DC Transmission and Distribution Engineering Technology Research Center (China-EPRI Electrical Engineering Co., Ltd.),Beijing 102200, China; 4. School of Electrical Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

High voltage direct current (HVDC) power transmission is one of the key development directions in China. Fast and accurate fault positioning of the HVDC transmission line is of great significance in ensuring operational reliability of the HVDC system and reduce shutdown time. The main technologies for fault positioning of an HVDC transmission line and flexible DC grid, including wave distance ranging, inherent frequency, fault analysis and the non-synchronous fault location method, are introduced and analyzed. The advantages and disadvantages of different fault positioning technologies are discussed. Finally, the future development of HVDC transmission lines is discussed by combining with the development trend of sensor, computer and artificial intelligence technology. This paper should provide a good reference for researchers working on fault positioning methods for HVDC transmission lines.

HVDC transmission lines; fault location; flexible DC grid; natural frequency method; fault analysis method

10.19783/j.cnki.pspc.211228

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目資助(2018YFB0904700)

This work is supported by the National Key Research and Development Program of China (No. 2018YFB0904700).

2021-09-06；

2022-01-05

雷朝煜(1985—)，男，本科，工程師，從事高壓直流系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)工作；E-mail: 18685900211@163.com

郝良收(1987—)，男，本科，工程師，從事高壓直流設(shè)備運(yùn)行及維護(hù)工作；E-mail: haoliangshou@163.com

湯曉君(1973—)，男，通信作者，博士，教授，主要從事智能傳感器、電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與評(píng)估技術(shù)研究工作。E-mail:xiaojun_tang@xjtu.edu.cn

(編輯 葛艷娜)