高壓直流輸電線路分析論文

導語：高壓直流輸電線路分析論文一文來源于網友上傳，不代表本站觀點，若需要原創文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：目前，國內外投運的行波保護普遍存在著可靠性差的問題。針對該問題，本文簡要分析了實際工程中行波保護存在的缺陷。同時，在使用EMTDC暫態仿真軟件對各種直流線路故障進行仿真計算的基礎上，本文對目前國際上具有代表性的兩種行波保護判劇進行了對比性分析與研究；并提出了基于小波變換的行波方向保護新原理，提高了行波保護的可靠性。

關鍵詞：高壓直流行波保護EMTDC小波變換

1引言

隨著我國電力事業的蓬勃發展，將越來越多地采用高壓直流輸電作為長距離輸送電能方式。目前，我國已有多項直流輸電工程投運，舉世矚目的三峽工程也已經開始投運。因此，如何保證直流線路的安全穩定運行，提供一種高速可靠的線路保護方案，就成為一個急待解決的直流輸電技術問題。

由于行波保護具有超高速動作性能，同時能夠克服傳統工頻量保護易受電流互感器飽和、系統振蕩和長線分布電容等影響的缺點，目前，世界上廣泛采用了行波保護作為高壓直流線路保護的主保護。然而，目前國內外所投運的行波保護普遍存在著可靠性不高的問題。因此，有必要對現有行波保護開展進一步的研究，使行波保護在實際工程中能夠具有更高的可靠性和抗干擾性能。

2工程中行波保護存在的問題

國內外相關資料顯示，目前所投運的行波保護普遍存在著受擾動容易誤動的問題。分析其原因，主要有以下幾點：

1)行波保護判據中多采用電流、電壓值的瞬時值，在計算時，具體所選擇的計算點的值將直接影響判別式輸出的值，因此，由噪聲等干擾引起的數據采樣值的波動很容易影響計算點的值，從而引起判別式誤動作。

2)由于線路使用的耦合電容分壓式電壓互感器，傳變暫態信號的能力較差，使得二次側獲取的行波電壓信號誤差較大。

3)換相故障、交流側故障等都可能引起直流線

路上出現交流分量的暫態分量，以及電力線路上由雷擊、開關分合、空線合閘等所造成的干擾，都和暫態行波有相似之處，從而影響行波的識別。

4)當接地電阻較大時(100Ω以上)，行波保護不易區分逆變側平波電抗器正反向故障。這是由于在接地電阻較小時，平波電抗器線路側(正向)故障時的行波波頭幅值和陡度都較大，而在逆變器側(反向)故障時，由于受到平波電抗器的平滑作用，行波波頭的幅值和陡度都較大地減小了，從而得以正確區分；然而，當正向經高阻接地時，正向行波波頭的幅值和陡度都減小，以至與反向故障時(金屬性接地)所傳播到整流側的行波波頭相混淆，從而無法區分。

3行波保護判據的研究

作者首先建立了基于交直流電磁暫態仿真軟件EMTDC的高壓直流輸電系統仿真模型，并在仿真模型上構造各種類型的直流線路區內外故障，以獲取HVDC系統的運行特性以及故障數據；在此基礎上對實際工程中廣泛采用的行波保護判據(ABB公司和SIEMENS公司)進行了對比性分析研究，并提出了基于小波變換的行波方向保護新原理。

本文以天廣(天生橋—廣州)直流輸電工程為仿真模型，其主要運行參數為：1800MW，1．8kA，500kV，12脈波，雙極雙橋。如圖1所示。

3．1ABB行波保護判據

(1)基本原理

其基本原理是：當直流線路上發生對地短路故障時，會從故障點產生向線路兩端傳播的故障行波，兩端換流站通過檢測所謂極波b(t)＝ID·γ－UD(式中：γ為直流線路的極波阻抗，ID和UD分別為整流側直流電流和直流電壓)的變化，即可檢知直流線路故障，構成直流線路快速保護；另一方面，故障時兩個接地極母線上的過電壓吸收電容器上會分別產生一個沖擊電流ICN1和ICN2，利用該沖擊電流以及兩極直流電壓的變化即可構成所謂地模波Gwave，根據地模波的極性就能正確判斷出故障極。

這里：ID1和ID2分別為極1和極2上整流側線路直流電流；UD1和UD2分別為極1和極2上整流側線路直流電壓；IEL為整流側架空地極線上的電流。電流電壓的極性和方向如圖2所示。

(2)仿真實例

下面舉例說明該行波保護判據的具體判別過程：以極1上距整流側480km發生100歐姆接地故障為例。

圖3和圖4分別顯示了故障時的直流電流、電壓波形以及極波、地模波的波形。其中：pwave1為極1上的極波；pwave2為極2上的極波；cwave為地模波；故障發生時刻為1．600s。由圖可見，在1．6016s時檢測到極波pwave1的變化率大于整定值，于是起動極1故障判別式；再對地模波cwave自波前時刻后的10個采樣點進行積分求和得Swave大于整定值，因此可確定極1上直流線路發生接地故障。

(3)動作性能分析

1)該保護對線路全長范圍內各種故障均能識別(包括100Ω的高阻接地故障)。

2)該保護動作速度快，延時在毫秒級。

3)該保護的抗干擾性能尚可，對于線路空載合閘、開關操作等不誤動，而對于2％及以上的噪聲干擾易誤動。

3．2SIEMENS行波保護判據

基本保護原理為：當直流線路發生接地故障時，在向故障點兩端傳播行波的同時，兩端換流站檢測到的直流電壓下跌，整流側直流電流急增，逆變側直流電流急降；根據以上特點，可采用電壓下降率(du/dt)和行波值b(t)等計算，即可檢知線路故障，從而構成線路保護的主保護。保護判據為：當直流電壓下降率大于給定值時，對故障前的b(t)與故障后的b(t)差值進行10ms積分，若此積分值大于給定值，延時6ms后發出行波保護動作信號。在此延時內，若有其它保護動作或另一極行波保護動作，則本級行波保護將被閉鎖800ms。

分析其動作性能，可得出：

1)該保護對線路全長范圍內各種故障均能識別(包括100Ω的高阻接地故障)。

2)該保護的動作時延較大(大于16ms)。

3)該保護對于線路空載合閘、開關操作等不誤動；在有輕微噪聲干擾的情況下，該判據雖然能正確檢測出故障，卻不能準確判別故障時刻。

3．3基于小波變換的行波方向保護

由以上分析可見，傳統行波保護的主要缺點是不能準確把握線路故障的暫態信息，因而其動作可靠性、動作速度、抗干擾性能等都受到了較大的限制。為了從根本上克服傳統行波保護不能準確把握故障信息的缺點，這里采用小波算法，準確提取故障特征，提出了基于小波變換的行波方向保護新原理。小波變換具有良好的時域局部化性能，使得它能在任一小時間段給出行波信號在該時刻的頻率信息，因此，能夠快速準確地抓住行波波頭；另一方面，小波變換的模極大值與行波信號的主要特征———“突變點”相對應：由于信號的奇異點中包含著信號中最重要的信息，因此小波變換的模極大值能夠刻畫故障行波信號的奇異點和奇異性，進行故障檢測。此外，小波變換還有抑制噪聲的作用———噪聲信號在小波變換下其能量是隨尺度的增大而變小的。

基于小波變換的行波方向保護的基本原理為：采用暫態電流行波在小波變換下的模極大值是否越限作為故障判別起動元件；然后，采用基于小波變換的行波極性比較式方向保護判據來判別故障。(即根據故障電壓、電流行波從模極大值點的正負極性來分區內區外故障：極性相反時為區內故障，反之亦然。)可見，該保護原理簡單，易于實現。

圖5為極一上距整流側240km在1．6000秒發生1000Ω高阻接地，并施加10％的噪聲干擾時的UD1原始信號圖及以db3小波為母小波的六個尺度的小波變換結果，其中采樣間隔為5μs?？梢姡脊收喜ㄐ我约捌湓诔叨萪1和尺度d2下的小波變換中，噪聲干擾完全淹沒了故障行波信號，隨著尺度的增加，噪聲被抑制，而故障信號的特征更加明顯，在尺度d4和尺度d5中，行波波頭所對應的模極大值已經能很明顯地辨認出來，其故障時間為1．6008s。(故障時間t＝1．6000＋Xr/v＝1．6008，其中Xr為故障點距整流側的距離，v為波速，近似取為光速。)

保護動作性能分析：

1)該保護對線路全長范圍內各種故障均能識別(包括1000Ω的高阻接地故障)。

2)該保護抗干擾性能較好，對于線路空載合閘、開關操作等不誤動，對高達10％的噪聲干擾，該判據均能正確檢測出故障。

3)在高達1000Ω的高阻接地故障情況下能正確區分逆變側正反向故障，另一方面，還能根據電流行波的模極大值點所對應的時刻來進行故障定位，有助于巡線檢修工作。

4)該保護具有超高速動作特性，能在故障瞬間抓住波頭(4ms內)。

可見，基于小波變換的行波方向保護不失為一種高速可靠的行波保護方案。

4結論

通過對各種行波保護方案的研究和對現有行波保護存在問題的探討可以看出：傳統行波保護是一種快速、靈敏且動作性能較好的高壓直流線路主保護，但其可靠性卻存在著易受擾動的缺陷，究其根本原因是沒有準確把握故障信息。基于小波變換的行波方向保護采用小波算法，準確提取故障行波的突變信號，克服了傳統行波保護的不足，不但具有超高速的動作性能和良好的故障判別能力，還具有很高的可靠性以及良好的抗干擾性能。

參考文獻

［1］浙江大學發電研究室．直流輸電［M］．北京：水利電力出版社，1984．

［2］楊福生．小波變換的工程分析與應用［M］．科學出版社，1999．

［3］李興源．高壓直流輸電系統的運行和控制［J］．科學出版社，1998．

［4］LiangJ，ElangovanS，DevottaJBX．Applicationofwavelet

transformintravelingwaveprotection［J］．ElectricalPowerandEnergySystems,2000,22.