一種基于hvdc的單端故障測距方法

一種基于hvdc的單端故障測距方法

0電網(wǎng)故障時域故障定位技術(shù)高壓直接供電（hvdc）具有傳輸能力大、線路成本低、控制能力好等優(yōu)點(diǎn)，在遠(yuǎn)程和大型電壓供電中發(fā)揮著越來越重要的作用。世界工業(yè)化國家正在把它作為一個功率大、遠(yuǎn)程送電和全過程網(wǎng)絡(luò)的主要手段。在中國，“西能東送，南北供，全國聯(lián)網(wǎng)”，特別是近年來國家的高壓發(fā)達(dá)，高壓直接供電成為能源建設(shè)的熱點(diǎn)。隨著全國聯(lián)網(wǎng)的完成,直流輸電工程必將發(fā)揮著越來越重要的作用。要保障高壓直流輸電線路正常穩(wěn)定地運(yùn)行,及時地查找和清除線路故障就變得非常重要,因此,發(fā)展直流輸電線路故障測距技術(shù)具有十分重要的意義。從測距所用電氣量來劃分,故障測距的方法可分為雙端測距和單端測距2大類。雙端故障測距法是利用輸電線路兩端電氣量確定輸電線路故障位置的方法,它需要通過通道獲取對端電氣量,因此對通道的依賴性強(qiáng)。單端測距法是僅利用輸電線路一端的電壓、電流數(shù)據(jù)確定輸電線路故障位置的一種方法,由于它僅需要一端數(shù)據(jù),無須通信和數(shù)據(jù)同步設(shè)備,運(yùn)行費(fèi)用低且測距的可靠性增加;另外,性能優(yōu)越的單端測距原理將會被用作距離保護(hù)。因此,單端故障測距法的固有優(yōu)點(diǎn),將使它擁有廣闊的應(yīng)用前景。目前直流輸電線路故障后的測距主要依賴于行波故障定位技術(shù)。長期以來,行波原理是直流輸電線路故障定位的主要方式。行波故障定位通過測量暫態(tài)行波在故障點(diǎn)和測量點(diǎn)之間的傳輸時間來實(shí)現(xiàn)故障定位,響應(yīng)速度快,理論上不受線路類型、接地電阻、兩側(cè)系統(tǒng)參數(shù)、故障類型等因素的影響,具有較高的測距精度。與文獻(xiàn)[13-15]將小波用于分析行波信號以提高交流輸電線路測距精度的目的相同,文獻(xiàn)[9-12]分別將小波模極大值理論和數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)用于分析直流故障暫態(tài)行波,以提高定位精度。但行波故障定位也存在一些難以克服的技術(shù)問題:1)行波故障定位檢測的是行波波頭,如果發(fā)生故障時行波波頭檢測失敗或者行波不存在,則無法進(jìn)行故障定位。例如:當(dāng)高阻接地時暫態(tài)行波信號微弱,無法進(jìn)行行波故障定位;如果故障是由過渡電阻漸變發(fā)展而來,也可能會出現(xiàn)暫態(tài)行波信號微弱而無法進(jìn)行行波故障定位的情況。2)行波故障定位的精度和波速度有關(guān)。行波故障定位依靠波頭到達(dá)測距裝置安裝點(diǎn)的時間進(jìn)行故障定位,定位精度取決于波速度的準(zhǔn)確性。3)行波故障定位的精度和采樣率有關(guān)。考慮到傳輸線的波速度略低于光速,因此為了提高定位精度,行波測距裝置必須具有較高的采樣頻率。4)行波故障定位過程中需要識別行波波頭,這需要由有經(jīng)驗(yàn)的專業(yè)人員來完成,無法用計(jì)算機(jī)來自動完成。5)行波故障定位易受干擾影響。就行波故障定位而言,任何導(dǎo)致行波波頭檢測失敗的情況發(fā)生后,行波故障定位將無法進(jìn)行,且波頭以后的所有故障暫態(tài)數(shù)據(jù)也將無法用于故障定位。鑒于以上分析,文獻(xiàn)[16-19]基于輸電線路分布參數(shù)模型,給出了一系列用于交流、直流輸電線路的時域故障定位方法,它們具有所需數(shù)據(jù)窗短、對采樣率要求低、定位精度高、從故障暫態(tài)到故障穩(wěn)態(tài)的任意一段數(shù)據(jù)都可以用于故障定位的優(yōu)點(diǎn)。與行波故障定位相比,可靠性高且易于實(shí)現(xiàn)自動化。文獻(xiàn)給出了一種非行波原理的直流輸電線路故障定位方法,該方法具有定位精度高、所需采樣頻率低、換流站錄波數(shù)據(jù)即可用于故障定位的特點(diǎn),但需要雙端錄波數(shù)據(jù),因此僅能用于雙側(cè)錄波裝置都能起動的情況,使用條件受限。為此有必要研究僅需單端數(shù)據(jù)的、非行波原理的直流輸電線路故障定位方法。鑒于目前直流輸電線路故障后的測距的研究現(xiàn)狀,本文提出一種新的直流輸電線路單端測距的時域方法:1)該方法在時域中進(jìn)行故障定位,不需要濾波處理,所需數(shù)據(jù)窗短;2)采用分布參數(shù)模型,測距精度較高;3)僅需要單端數(shù)據(jù)。1直流輸電系統(tǒng)的類型直流輸電工程的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以分為兩端直流輸電系統(tǒng)和多端直流輸電系統(tǒng)。目前世界上已運(yùn)行的直流輸電工程多為兩端直流輸電系統(tǒng)。兩端直流輸電系統(tǒng)又可以分為單極系統(tǒng)(正極或負(fù)極)、雙極系統(tǒng)(正負(fù)兩極)和背靠背直流系統(tǒng)(無直流輸電線路)3種類型。雙極直流輸電系統(tǒng)主要由整流站、逆變站和直流輸電線路構(gòu)成。圖1為兩端雙極直流輸電系統(tǒng)的構(gòu)成簡圖。圖中:uMp,uMn為M端所測的正、負(fù)極電壓;iMp,iMn為M端所測的正、負(fù)極電流;uNp,uNn為N端所測的正、負(fù)極電壓;iNp,iNn為N端所測的正、負(fù)極電流。2線路模量在故障定位中,首要的問題是計(jì)算沿線電壓分布和電流分布,因此,首先需對線路方程進(jìn)行解耦,以方便計(jì)算。圖1中存在互感的直流輸電線路的電報(bào)方程為對于式(1)而言,可以構(gòu)造如下解耦矩陣:通過式(2)的解耦矩陣,式(1)可寫成如下模量的形式:式(3)中,如果令um=[u1u0]T,im=[i1i0]T,則稱u1為1模電壓,u0為0模電壓,i1為1模電流,i0為0模電流。與之對應(yīng)的線路1模和0模參數(shù)分別為:R1=Rs-Rm,L1=Ls-Lm,C1=C0+2Cm,G1=G0+2Gm;R0=Rs+Rm,L0=Ls+Lm,C0=C0,G0=G0。由式(3)可知,解耦所得到的模量間不存在互感的影響,計(jì)算方便。3運(yùn)行定位原理3.1貝瑞隆線路模型故障定位方法本文的故障定位算法采用貝瑞隆線路模型,當(dāng)線路的電阻遠(yuǎn)小于線路的特征阻抗時,該模型可以獲得較高的精度。單端故障定位一般利用故障點(diǎn)接地阻抗的電阻性質(zhì)構(gòu)造定位方程。在頻域中,可假定故障點(diǎn)處的電壓與電流同相位,或故障點(diǎn)電壓電流的計(jì)算阻抗為電阻性質(zhì)。在時域中,則可利用故障點(diǎn)電壓波形與故障點(diǎn)電流波形的相關(guān)性來進(jìn)行故障定位,但考慮到金屬性故障時故障點(diǎn)電壓為零,無法判斷其與電流的相關(guān)性,本文在時域中根據(jù)電壓電流的比值實(shí)時計(jì)算過渡電阻,并根據(jù)全線范圍內(nèi)只有故障點(diǎn)處計(jì)算得到的電阻值較為穩(wěn)定而實(shí)現(xiàn)故障定位。至于電阻值穩(wěn)定性的評價,本文采用了電阻值方差判別的方法,即計(jì)算電阻越穩(wěn)定,方差最小。由于本文所述的故障定位方法是根據(jù)沿線電壓和電流分布計(jì)算出的過渡電阻在故障點(diǎn)處方差最小進(jìn)行故障定位的,因此首先考慮如何計(jì)算線路的沿線電壓分布和電流分布。由文獻(xiàn)可知,在貝瑞隆線路模型下,由單端電氣量分別計(jì)算得到的沿線電壓、電流分布分別為式中:j=1,0,為模量標(biāo)號;rj,Zcj,vj分別為j模下的電阻率、特征阻抗和波速度;iMj(t)為t時刻M端的j模電流;uMj(t)為t時刻M端的j模電壓;ujM(x,t)為用M端電壓電流計(jì)算出的、距離M端x處的j模電壓,x為以M端為基準(zhǔn)的距離;ijM(x,t)為用M端電壓電流計(jì)算出的、距離M端x處的j模電流,x為以M端為基準(zhǔn)的距離。通過式(4)~(5)可以計(jì)算出各模電壓分布和電流分布,再通過相模反變換矩陣將模電壓合成為正極和負(fù)極電壓,將模電流合成為正極和負(fù)極電流,合成時要注意1模量和0模量傳輸速度的差異。3.2故障點(diǎn)處的計(jì)算雙極直流輸電線路發(fā)生單極故障的電路如圖2所示。假設(shè)某一時刻F處發(fā)生故障,uf是故障點(diǎn)處的電壓,if是故障點(diǎn)處的電流,Rf為故障處的接地電阻。根據(jù)歐姆定律有根據(jù)基爾霍夫電流定律,在故障點(diǎn)處,有式中:iMf為根據(jù)M端的數(shù)據(jù)計(jì)算出來的故障點(diǎn)電流;iNf為根據(jù)N端的數(shù)據(jù)計(jì)算出來的故障點(diǎn)電流。由于iNf是未知的,所以if也是未知的,故只能用故障點(diǎn)左側(cè)的電流iMf來代替if。由于直流輸電線路的故障電流僅由整流側(cè)提供,其為整流側(cè)電流的一部分或全部,不存在對端的助增問題,因此單端故障定位原理用于直流輸電線路時的定位效果,將優(yōu)于其在交流輸電線路中的效果。由于計(jì)算時,電壓和電流是一系列采樣數(shù)據(jù),所以電阻的計(jì)算公式為式中k為從1到n的一個序列。由于故障點(diǎn)存在過渡電阻,可根據(jù)在故障點(diǎn)處計(jì)算得到的電阻數(shù)值變化率最小進(jìn)行故障定位。3.3故障定位函數(shù)一般地,若一組樣本數(shù)據(jù)的個數(shù)是n,則其方差的計(jì)算公式可以寫成式中:S2為方差;x1,x2,…,xn為n個數(shù)據(jù);為n個數(shù)據(jù)的平均值,即。方差是可以用來衡量一個樣本波動大小的量:樣本方差越大,樣本數(shù)據(jù)的波動就越大;樣本方差越小,樣本數(shù)據(jù)的波動就越小?？紤]到只有在故障點(diǎn)處Rf的波動最小,時域中的故障定位函數(shù)可以寫為式中:R1(x1),R2(xi),…,Rn(xi)為距離M端xi處所計(jì)算出的n個電阻值;為n個電阻值的平均值。在實(shí)際應(yīng)用中,考慮到過渡電阻存在時逆變側(cè)系統(tǒng)非線性導(dǎo)致故障點(diǎn)分流的非線性、線路參數(shù)不準(zhǔn)確、互感器傳變誤差、A/D采樣精度、計(jì)算中的舍入誤差等因素的影響,式(11)取最小值所對應(yīng)的x就是故障點(diǎn),因此實(shí)際故障距離應(yīng)根據(jù)以下表達(dá)式來確定:式中:x∈(0,l);xf為故障距離;l為線路全長。4故障定位驗(yàn)證±500kV雙極輸電系統(tǒng)的仿真模型如圖1所示,線路全長1000km,采用貝瑞隆模型,用PSCAD進(jìn)行電力系統(tǒng)仿真,Matlab進(jìn)行算法仿真。輸電線路參數(shù)如下:R1=0.0321?/km;R0=33.1m?/km;L1=1.3mH/km;L1=4.1mH/km;C1=9.0307nF/km;C0=6.5994nF/km。在PSCAD仿真時,數(shù)據(jù)采樣頻率為100kHz,故障發(fā)生在t=0.5s時刻,采用相模變換矩陣提取模量,冗余數(shù)據(jù)窗長取為14ms,考慮到1模分量和0模分量傳輸速度的差異,因此總的有效數(shù)據(jù)窗長約為10ms。圖3給出了距離M端600km處發(fā)生單極經(jīng)100?過渡電阻接地故障時的定位結(jié)果。圖中x軸為距離,y軸為判據(jù)函數(shù)f(x)的幅值。由此故障定位圖可知,判據(jù)函數(shù)f(x)的值在故障點(diǎn)處最小,對于1000km長的線路,利用故障后10ms的有效采樣數(shù)據(jù),即可實(shí)現(xiàn)線路故障點(diǎn)的準(zhǔn)確定位。為了驗(yàn)證本文算法的有效性,表1給出了單極故障發(fā)生于不同位置、經(jīng)不同過渡電阻短路時的定位結(jié)果。表1的定位結(jié)果顯示,在線路全長范圍內(nèi),該故障定位方法都能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確定位,最大定位誤差約為線路全長的0.5%。仿真結(jié)果表明,在過渡電阻小于300?時,該故障定位方法的測距精確度高,測距精度受過渡電阻影響不大,但無法徹底消除高過渡電阻的影響。此外,作者進(jìn)行了大量仿真,仿真結(jié)果表明,在過渡電阻大于300?時,該方法的故障定位精度會受到過渡電阻的影響,但對于直流而言,由于電弧穩(wěn)定,一般不考慮大過渡電阻的可能性。5測距基本原理本文提出了一種非行波原理、可用于直流輸電線路故障定位的單端時域算法。該故障定位算法利用單端電壓電流量進(jìn)行測距,直接在時域內(nèi)進(jìn)行定位計(jì)算,且故障后的任意一段數(shù)據(jù)都可以用來實(shí)現(xiàn)故障定位,可靠性高。算法采用分布參數(shù)模型,定位精度高。與目前廣泛應(yīng)用的行波測距相比,本方法用故障后任意一段數(shù)據(jù)即可實(shí)