高壓直流輸電線路故障定位解析

1、第40卷第5期 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制 Vol.40 No.5 2012年3月1日PowerSystem Protection and Control Mar. 1,2012高壓直流輸電線路故障定位研究綜述宋國兵，蔡新雷，高淑萍，張健康，李德坤，索南加樂(西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，陜西西安710049摘要：綜述了國內(nèi)外開展的直流線路故障定位的研究背景和現(xiàn)狀。首先分析了 現(xiàn)有直流輸電線路故障定位技術(shù)的不足，指出了目前工程應(yīng)用中的直流輸電線路故 障定位裝置只采用行波原理，存在原理單一、對采樣率要求高、耐過渡電阻能力差 等問題。借鑒交流輸電線路故障定位原理的劃分方法，對直流輸電線路故障定位原 理進(jìn)行了歸

2、類研究。將直流輸電線路故障定位方法分為行波法和故障分析法，并分 別分析和研究了行波法和故障分析法的優(yōu)缺點(diǎn)，指出故障分析法在直流輸電線路故 障定位中的廣闊應(yīng)用前景。最后給出了直流輸電線路故障定位研究的幾點(diǎn)建議與設(shè) 想。關(guān)鍵詞：直流輸電線路；故障定位；行波法；故障分析法Survey of fault locatio n research for HVDC tran smissi on linesSONG Guo-bing, CAI Xin-lei, GAO Shu-ping, ZHANG Jian-kang, LI De-kun,SUONAN Jia-le(School of Electrical

3、 Engineering, Xi an Jiaotong University, Xi an 710049, ChiAbstract: The HVDC line fault locati on methods at home and abroad are surveyed in this paper. Firstly, the disadvantage of the existing fault location techniques of HVDC transmission line is analyzed, and it is point out that the engineering

4、 applications of fault location of HVDC transmission line are based on traveling wave principle at present. The fault location principle is relatively simple, requiring high sampling rate, and its tolerance ability of high resistance is not sufficient. Making use of the dividing method of fault loca

5、tion principle of AC transmission line, the fault location principle of HVDCtransmission line is classified and studied. The HVDC transmission line fault location methods are divided into traveli ng wave method and fault an alysis method. Furthermore, the adva ntages and disadva ntages of each fault

6、 locati on prin ciples of HVDC tran smissi on line are reviewed respectively and it is pointed out that fault analysis method has broad application prospects. Finally, several important problems which need to be further studied are proposed.This work is supported by National Natural Science Foundati

7、on of China (No. 51177128 and No. 51037005. Key words: HVDC transmission line; fault location; traveli ng wave method; fault an alysis method中 圖分類號：TM77 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文 章編號：1674-3415(201205-0133-050引言與交流輸電相比，直流輸電具有輸送容量大、送電距離遠(yuǎn)、電網(wǎng)互聯(lián)方便、功 率調(diào)節(jié)容易、線路走廊窄等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此在遠(yuǎn)距離電能傳輸、非同步電網(wǎng)互聯(lián)、 分布式能源接入電網(wǎng)、海島供電以及大城市中心區(qū)域電纜供電等領(lǐng)域具有明顯

8、優(yōu)勢 1-10。我國幅員遼闊、能源與負(fù)荷呈逆向分布，決定了高壓直流輸電技術(shù)在我國具有廣闊的應(yīng)用前景11。在舟山直流輸電項(xiàng)目之后，先后建設(shè)了葛南基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51177128, 51037005等直流輸電工程，以及靈寶等直流背靠背聯(lián)網(wǎng)工程。目前，在建和規(guī)劃中的直 流輸電工程數(shù)量已漸漸可以和交流輸電工程相比擬，已投運(yùn)直流工程占世界直流輸 電容量的20%以上，我國已經(jīng)成為直流輸電大國12。直流輸電線路是直流系統(tǒng)故障率最高的元件，運(yùn)行數(shù)據(jù)也顯示我國直流輸電可 靠性指標(biāo)偏低13。直流線路故障一般是遭受雷擊、污穢或樹枝等環(huán)境因素所造成 線路絕緣水平降低而產(chǎn)生的對地故障和閃絡(luò)。直流輸電線路

9、距離長，要跨越不同地形和氣候區(qū)域，工作條件惡劣，故障概率高，故障巡線難度大，嚴(yán)重影響永久性故 障的恢復(fù)時間。隨著繼電-134 -電力系統(tǒng)保護(hù)與控制保護(hù)技術(shù)的發(fā)展，直流線路故障切除的時間將大大縮短，這使得線路損傷較 小，只是造成局部絕緣缺陷而無明顯的破壞痕跡，故障點(diǎn)的查找困難1。因此，準(zhǔn)確可靠的故障定位技術(shù)，對于減少巡線工作量、加快故障修復(fù)速度、減小停電損 失，保障電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行，提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性具有重要意義。直流輸 電線路故障定位技術(shù)有待大力發(fā)展和研究。1直流輸電線路故障定位研究現(xiàn)狀直流輸電線路與交流輸電線路物理本質(zhì)相同，只是能量集中頻帶不同。這使得 交流線路的部分故障定位原理也可

10、用于直流輸電線路。然而，目前交流輸電線路故 障定位原理眾多，而直流輸電線路故障定位原理單一。目前運(yùn)行中的直流輸電線故 障定位裝置均采用行波原理。實(shí)際上，直流線路也可構(gòu)造多種原理的故障定位方 法，以提高故障定位的可靠性。故障定位分為行波法和故障分析法1。行波法分為A、B、C、D、E和F 型。其中A、C、E、F型為單端原理，而B、D型為雙端原理。故障分析法按照 電氣量來源可分為單端和雙端；按照輸電線路模型分為集中參數(shù)模型和分布參數(shù)模 型；按照電氣量形式可以分為頻域法和時域法 14-16。直流線路的故障定位與交流線路又有所不同，使得交流線路故障定位原理只有 部分適用于直流線路。主要表現(xiàn)在：直流線路一

11、般較長，具有明顯的分布參數(shù)特 性，因此應(yīng)采用分布參數(shù)模型以保證故障定位精度。直流線路主要傳輸?shù)皖l能量， 線路故障后無穩(wěn)定的工頻量，基于工頻量的頻域法故障定位原理不再適用于直流線 路。綜上所述，直流輸電線路與交流輸電線路物理本質(zhì)并無區(qū)別；直流線路故障定 位應(yīng)采用分布參數(shù)模型；直流線路故障定位不能采用基于工頻量的頻域法，一般應(yīng)在時域中進(jìn)行。具體可采用的方法有：利用單端和兩端量的行波法；基于分布參數(shù) 模型的單端和兩端量的故障分析法。下面對直流輸電線路故障定位研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析。1.1直流輸電線路行波故障定位行波故障定位最早用于交流線路1。早期行波法故障定位誕生于20世紀(jì)40 年代末，由于暫態(tài)行波的傳播

12、速度比較穩(wěn)定（接近光速，檢測故障線路上暫態(tài)行波 在母線與故障點(diǎn)之間的傳播時間可以測量故障距離。行波法測距的可靠性和精度在 理論上不受線路類型、故障電阻及兩側(cè)系統(tǒng)的影響。交流線路行波故障定位存在一些問題：故障行波產(chǎn)生的不確定性（有些故障初相角下沒有行波產(chǎn)生、線路兩端非線性組件的動態(tài)延時、故障點(diǎn)反射波與對端母線反 射波的識別、行波信號的提取、故障初始行波及反射波到達(dá)時刻的標(biāo)定、超高速的 采樣頻率、參數(shù)的頻變效應(yīng)和波速度的確定等 14-16。目前，直流線路保護(hù)和故障定位均采用行波原理 17-20。與交流線路行波故障 定位相比，直流輸電線路行波故障定位有以下優(yōu)勢：1）直流電壓不會每周期過零，不受故障初

13、相角的影響，且暫態(tài)行波能量豐富，波頭更容易識別；2）直流系統(tǒng)母線結(jié)構(gòu)變化小，且母線一般只有一條出線，無需區(qū)分故障點(diǎn)傳播的行波和各母 線的反射波和透射波，因此不會受其他線路影響?；谝陨蟽?yōu)點(diǎn)，在直流工程中長期以來人們已經(jīng)接受行波故障定位作為直流輸 電線路故障定位的唯一方法。目前，運(yùn)行中的直流輸電線故障定位裝置均采用行波 原理。如西門子、ABB、中科院行波測距裝置等。目前應(yīng)用的直流輸電線路行波 故障測距基本原理分為 A、D兩種型式1，其中A型為單端原理，D型為雙端原 理。目前，在實(shí)際應(yīng)用中往往將 D型原理作為主要測距原理，而將 A型原理作為 輔助測距原理。早在1985年文獻(xiàn)21就提出利用連續(xù)兩個反

14、射波頭之間的時間差進(jìn)行單端電 氣量的直流輸電線路故障定位，在能夠區(qū)分對端反射波和故障點(diǎn)反射波的情況下， 該方法具有較高的定位精度。1993年文獻(xiàn)22給出了一種借助于GPS同步時鐘、 利用兩端電氣量的行波故障定位方法，在兩側(cè)系統(tǒng)都能夠啟動的情況下該方法具有 較高的可靠性。文獻(xiàn)23將單端行波定位法與雙端行波定位法結(jié)合，給出了綜合故 障定位方法，以提高故障定位的可靠性。文獻(xiàn)24-25研制了單端、雙端行波故障定 位系統(tǒng)，并用于直流輸電線路，現(xiàn)場運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，行波用于直流輸電線路測距誤 差一般不超過3 km。文獻(xiàn)25還指出由于直流線路邊界以及行波傳播畸變的影響， 單端行波測距原理難以自動給出正確的故障測

15、距結(jié)果。而雙端行波測距原理不受這 些因素的影響，可以給出正確的故障測距結(jié)果。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)將雙端原理作為 一種主要測距原理，而將單端原理作為一種輔助測距原理。由于小波變換具有良好的表征局部信號的能力，且去噪能力較強(qiáng)，可用于識別 行波波頭。文獻(xiàn)26-27研究了基于小波變換的直流輸電線路故障定位原理。文獻(xiàn) 28-31根據(jù)故障暫態(tài)信號的奇異點(diǎn)中包含著信號的信息，利用小波變換的模極大值 刻畫宋國兵，等 高壓直流輸電線路故障定位研究綜述-135 -出故障行波信號的奇異點(diǎn)和奇異性，給出了基于小波模極大值的直流輸電線路 雙端D型行波故障定位方法，以提高定位精度，并分別用于單極和雙極直流輸電 系統(tǒng)。與文獻(xiàn)2

16、1的思想相同，文獻(xiàn)32將相關(guān)分析用于單端行波故障定位的波頭 識別，試圖提高故障定位的自動化水平。文獻(xiàn)33-36將新的數(shù)學(xué)工具和分析方法 一 紅綠色彩模式檢測、數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)理論以及模式識別的思想用于行波故障定位的波 頭識別之中，以提高故障定位的精度。眾所周知，行波故障定位是依靠識別波頭、標(biāo)定波頭起始時刻來實(shí)現(xiàn)故障定位 的。波頭的識別與標(biāo)定工作，對人員素質(zhì)有較高要求、難以實(shí)現(xiàn)自動化。當(dāng)存在過 渡電阻、行波波頭幅值受到限制時，波頭的起始點(diǎn)便更難準(zhǔn)確標(biāo)定，嚴(yán)重影響定位 的精度和可靠性。隨著過渡電阻的繼續(xù)增大，行波故障定位法就會由于沒有啟動而 無法定位故障，該現(xiàn)象在南方電網(wǎng)的直流運(yùn)行中多次出現(xiàn)23,37。

17、文獻(xiàn)37還指出直流線路首末端故障時行波測距會出現(xiàn)死區(qū)，且雙端故障測距的準(zhǔn)確性和可靠性依賴于GPS準(zhǔn)確對時和正常的通信。另外，由于電磁波接近光速傳播，1卩即對應(yīng)300 m誤差，為了準(zhǔn)確標(biāo)定波頭起始時刻、提高定位精度，必須采用高采樣率設(shè) 備。綜上，現(xiàn)有的直流輸電線路故障定位原理單一、僅依賴于行波法、對采樣率要 求高、高阻情況下無法實(shí)現(xiàn)故障定位、可靠性差。另外，存在波頭識別和起始時刻 標(biāo)定問題，需要人員介入、難以實(shí)現(xiàn)自動化。1.2直流輸電線路故障分析法故障定位故障分析法是根據(jù)系統(tǒng)有關(guān)參數(shù)和測量得到的電壓、電流，通過分析計(jì)算，求 出故障點(diǎn)的距離1。故障分析法簡單易行，可借助現(xiàn)有的故障錄波器達(dá)到測距的

18、目的。直流線路故障分析法也可分為單端量法和雙端量法。單端量法只使用本側(cè)信 息，實(shí)現(xiàn)起來比較方便，但一般很難消除對側(cè)系統(tǒng)及故障點(diǎn)過渡電阻的影響。雙端 量法從原理上不存在過渡電阻和對側(cè)系統(tǒng)的問題，但必須借助通信技術(shù)獲取對側(cè)的 數(shù)據(jù)信息，存在數(shù)據(jù)同步、計(jì)算量大等問題。故障分析法對采樣率要求低，可靠性 較高，但易受線路參數(shù)的精確度影響、定位精度相對于行波原理較差。相比較而言，故障分析法中基于分布參數(shù)模型的時域法用于直流輸電線路故障 定位具有明顯的優(yōu)勢。該方法從瞬時到穩(wěn)態(tài)的故障全過程數(shù)據(jù)都能夠用來定位故 障，直接用采樣點(diǎn)進(jìn)行測距無需時域頻域轉(zhuǎn)換，所需數(shù)據(jù)窗短等優(yōu)點(diǎn)，成為故障定位的發(fā)展趨勢。此外，繼電保護(hù)

19、和斷路器動作越來越快，能夠利用的故障數(shù)據(jù)窗也越來越短，這一發(fā)展趨勢也迫使故障定位向著分 布參數(shù)模型的時域法方向發(fā)展。借鑒交流輸電線路故障定位中基于分布參數(shù)模型的時域法，同時考慮直流輸電 線路特有的問題，國內(nèi)學(xué)者開展了大量的研究。文獻(xiàn) 38-39提出了一種直流輸電線 路雙端時域故障定位方法。它將貝瑞隆模型用于計(jì)算直流線路沿線電壓分布，根據(jù) 故障點(diǎn)處時時相等構(gòu)造時域故障定位方程，實(shí)現(xiàn)精確故障定位。文獻(xiàn)40提出了一種直流線路時域單端故障定位原理，它利用故障電流由整流側(cè)提供的基本思想，在分布參數(shù)模型下計(jì)算沿線電壓分布和電流分布，并根據(jù)故障點(diǎn)的邊界條件實(shí)現(xiàn)故障 定位。文獻(xiàn)41在文獻(xiàn)38-39的基礎(chǔ)上，在

20、輸電線路參數(shù)不準(zhǔn)確情況下，將遺傳算 法用于故障定位以提高定位精度。綜上，時域方法可用故障后任一段暫態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)故障定位，而不僅僅限于行波 波頭。該方法所需采樣率低，可直接利用換流站錄波數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)故障定位、對采樣率 要求低、可靠性高，具有一定的實(shí)用價值。但是該方法需要計(jì)算精確的線路參數(shù)， 當(dāng)線路參數(shù)存在一定誤差或頻變特性明顯時，會影響故障定位的精度。同時，雖然 此種故障定位原理性能上較穩(wěn)定，無死區(qū)，但故障定位精度一般沒有行波原理高。2直流輸電線路故障定位研究的建議與設(shè)想由上文分析可知，由于直流輸電線路與交流輸電線路并無本質(zhì)區(qū)別，只是能量 集中頻帶不同。理論上，交流線路的部分故障定位原理也適用于直流線

21、路。直流系 統(tǒng)故障暫態(tài)過程中含有大量的特征頻率信號，可研究基于特征頻率的故障定位原 理?；跁r域微分方程的故障定位方法，原理上不受非周期分量和各次諧波影響， 可研究適用于直流輸電線路的時域故障定位原理。另外，可研究直流線路故障定位 中線路參數(shù)不精確及其頻變特性問題、故障電弧特性問題的解決措施。充分利用直 流輸電線路故障特征，可構(gòu)建多種故障定位原理，從而提高直流線路故障定位的可 靠性和準(zhǔn)確性。3結(jié)語本文對直流輸電線路故障定位原理進(jìn)行了較全面的綜述。在總結(jié)國內(nèi)外的研究 與實(shí)踐的基礎(chǔ)上，對故障定位原理進(jìn)行了歸類研究，指出現(xiàn)有的直流輸電線路故障 定位存在原理單一、采樣率高、可靠性不高等問題，提出了開展

22、直流輸電線路故障 定位-136 -電力系統(tǒng)保護(hù)與控制研究的幾點(diǎn)建議與設(shè)想，并探討了進(jìn)一步的研究方向。參考文獻(xiàn)1葛耀中.新型繼電保護(hù)與故障測距原理與技術(shù)M.西安：西安交通大學(xué)出版社,2007.GE Yao-zhong. New types of protective relaying and fault location their theory and techniquesM. Xi an: Xi an Jiaotong University Press, 2007.2 Holm J G. Direct-curre nt power tran smissi on J. PowerApparat

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