高压直流输电线路行波保护判据的研究.docx

高压直流输电线路行波保护判据的研究.docx

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摘要：

目前，国内外投运的行波保护普遍存在着可靠性差的问题。

针对该问题，本文简要分析了实际工程中行波保护存在的缺陷。

同时，在使用EMTDC暂态仿真软件对各种直流线路故障进行仿真计算的基础上，本文对目前国际上具有代表性的两种行波保护判剧进行了对比性分析与研究；并提出了基于小波变换的行波方向保护新原理，提高了行波保护的可靠性。

关键词：

高压直流行波保护EMTDC小波变换

1　引言

　　随着我国电力事业的蓬勃发展，将越来越多地采用高压直流输电作为长距离输送电能方式。

目前，我国已有多项直流输电工程投运，举世瞩目的三峡工程也已经开始投运。

因此，如何保证直流线路的安全稳定运行，提供一种高速可靠的线路保护方案，就成为一个急待解决的直流输电技术问题。

　　由于行波保护具有超高速动作性能，同时能够克服传统工频量保护易受电流互感器饱和、系统振荡和长线分布电容等影响的缺点，目前，世界上广泛采用了行波保护作为高压直流线路保护的主保护。

然而，目前国内外所投运的行波保护普遍存在着可靠性不高的问题。

因此，有必要对现有行波保护开展进一步的研究，使行波保护在实际工程中能够具有更高的可靠性和抗干扰性能。

2　工程中行波保护存在的问题

　　国内外相关资料显示，目前所投运的行波保护普遍存在着受扰动容易误动的问题。

分析其原因，主要有以下几点：

　　1）行波保护判据中多采用电流、电压值的瞬时值，在计算时，具体所选择的计算点的值将直接影响判别式输出的值，因此，由噪声等干扰引起的数据采样值的波动很容易影响计算点的值，从而引起判别式误动作。

　　2）由于线路使用的耦合电容分压式电压互感器，传变暂态信号的能力较差，使得二次侧获取的行波电压信号误差较大。

　　3）换相故障、交流侧故障等都可能引起直流线

路上出现交流分量的暂态分量，以及电力线路上由雷击、开关分合、空线合闸等所造成的干扰，都和暂态行波有相似之处，从而影响行波的识别。

　　4）当接地电阻较大时（100Ω以上），行波保护不易区分逆变侧平波电抗器正反向故障。

这是由于在接地电阻较小时，平波电抗器线路侧（正向）故障时的行波波头幅值和陡度都较大，而在逆变器侧（反向）故障时，由于受到平波电抗器的平滑作用，行波波头的幅值和陡度都较大地减小了，从而得以正确区分；然而，当正向经高阻接地时，正向行波波头的幅值和陡度都减小，以至与反向故障时（金属性接地）所传播到整流侧的行波波头相混淆，从而无法区分。

3　行波保护判据的研究

　　作者首先建立了基于交直流电磁暂态仿真软件EMTDC的高压直流输电系统仿真模型，并在仿真模型上构造各种类型的直流线路区内外故障，以获取HVDC系统的运行特性以及故障数据；在此基础上对实际工程中广泛采用的行波保护判据（ABB公司和SIEMENS公司）进行了对比性分析研究，并提出了基于小波变换的行波方向保护新原理。

　　本文以天广（天生桥—广州）直流输电工程为仿真模型，其主要运行参数为：

1800MW，1．8kA，500kV，12脉波，双极双桥。

如图1所示。

3．1　ABB行波保护判据

（1）基本原理

　　其基本原理是：

当直流线路上发生对地短路故障时，会从故障点产生向线路两端传播的故障行波，两端换流站通过检测所谓极波b（t）＝ID·γ－UD（式中：

γ为直流线路的极波阻抗，ID和UD分别为整流侧直流电流和直流电压）的变化，即可检知直流线路故障，构成直流线路快速保护；另一方面，故障时两个接地极母线上的过电压吸收电容器上会分别产生一个冲击电流ICN1和ICN2，利用该冲击电流以及两极直流电压的变化即可构成所谓地模波Gwave，根据地模波的极性就能正确判断出故障极。

　　这里：

ID1和ID2分别为极1和极2上整流侧线路直流电流；UD1和UD2分别为极1和极2上整流侧线路直流电压；IEL为整流侧架空地极线上的电流。

电流电压的极性和方向如图2所示。

（2）仿真实例

　　下面举例说明该行波保护判据的具体判别过程：

以极1上距整流侧480km发生100欧姆接地故障为例。

　　图3和图4分别显示了故障时的直流电流、电压波形以及极波、地模波的波形。

其中：

pwave1为极1上的极波；pwave2为极2上的极波；cwave为地模波；故障发生时刻为1．600s。

由图可见，在1．6016s时检测到极波pwave1的变化率大于整定值，于是起动极1故障判别式；再对地模波cwave自波前时刻后的10个采样点进行积分求和得Swave大于整定值，因此可确定极1上直流线路发生接地故障。

　　（3）动作性能分析

　　1）该保护对线路全长范围内各种故障均能识别（包括100Ω的高阻接地故障）。

　　2）该保护动作速度快，延时在毫秒级。

　　3）该保护的抗干扰性能尚可，对于线路空载合闸、开关操作等不误动，而对于2％及以上的噪声干扰易误动。

3．2　SIEMENS行波保护判据

　　基本保护原理为：

当直流线路发生接地故障时，在向故障点两端传播行波的同时，两端换流站检测到的直流电压下跌，整流侧直流电流急增，逆变侧直流电流急降；根据以上特点，可采用电压下降率（du/dt）和行波值b（t）等计算，即可检知线路故障，从而构成线路保护的主保护。

保护判据为：

当直流电压下降率大于给定值时，对故障前的b（t）与故障后的b（t）差值进行10ms积分，若此积分值大于给定值，延时6ms后发出行波保护动作信号。

在此延时内，若有其它保护动作或另一极行波保护动作，则本级行波保护将被闭锁800ms。

分析其动作性能，可得出：

　　1）该保护对线路全长范围内各种故障均能识别（包括100Ω的高阻接地故障）。

　　2）该保护的动作时延较大（大于16ms）。

　　3）该保护对于线路空载合闸、开关操作等不误动；在有轻微噪声干扰的情况下，该判据虽然能正确检测出故障，却不能准确判别故障时刻。

3．3　基于小波变换的行波方向保护

　　由以上分析可见，传统行波保护的主要缺点是不能准确把握线路故障的暂态信息，因而其动作可靠性、动作速度、抗干扰性能等都受到了较大的限制。

为了从根本上克服传统行波保护不能准确把握故障信息的缺点，这里采用小波算法，准确提取故障特征，提出了基于小波变换的行波方向保护新原理。

　　小波变换具有良好的时域局部化性能，使得它能在任一小时间段给出行波信号在该时刻的频率信息，因此，能够快速准确地抓住行波波头；另一方面，小波变换的模极大值与行波信号的主要特征———“突变点”相对应：

由于信号的奇异点中包含着信号中最重要的信息，因此小波变换的模极大值能够刻画故障行波信号的奇异点和奇异性，进行故障检测。

此外，小波变换还有抑制噪声的作用———噪声信号在小波变换下其能量是随尺度的增大而变小的。

　　基于小波变换的行波方向保护的基本原理为：

采用暂态电流行波在小波变换下的模极大值是否越限作为故障判别起动元件；然后，采用基于小波变换的行波极性比较式方向保护判据来判别故障。

（即根据故障电压、电流行波从模极大值点的正负极性来分区内区外故障：

极性相反时为区内故障，反之亦然。

）可见，该保护原理简单，易于实现。

　　图5为极一上距整流侧240km在1．6000秒发生1000Ω高阻接地，并施加10％的噪声干扰时的UD1原始信号图及以db3小波为母小波的六个尺度的小波变换结果，其中采样间隔为5μs。

可见，原始故障波形以及其在尺度d1和尺度d2下的小波变换中，噪声干扰完全淹没了故障行波信号，随着尺度的增加，噪声被抑制，而故障信号的特征更加明显，在尺度d4和尺度d5中，行波波头所对应的模极大值已经能很明显地辨认出来，其故障时间为1．6008s。

（故障时间t＝1．6000＋Xr/v＝1．6008，其中Xr为故障点距整流侧的距离，v为波速，近似取为光速。

）

　　保护动作性能分析：

　　1）该保护对线路全长范围内各种故障均能识别（包括1000Ω的高阻接地故障）。

　　2）该保护抗干扰性能较好，对于线路空载合闸、开关操作等不误动，对高达10％的噪声干扰，该判据均能正确检测出故障。

　　3）在高达1000Ω的高阻接地故障情况下能正确区分逆变侧正反向故障，另一方面，还能根据电流行波的模极大值点所对应的时刻来进行故障定位，有助于巡线检修工作。

　　4）该保护具有超高速动作特性，能在故障瞬间抓住波头（4ms内）。

　　可见，基于小波变换的行波方向保护不失为一种高速可靠的行波保护方案。

4　结论

　　通过对各种行波保护方案的研究和对现有行波保护存在问题的探讨可以看出：

传统行波保护是一种快速、灵敏且动作性能较好的高压直流线路主保护，但其可靠性却存在着易受扰动的缺陷，究其根本原因是没有准确把握故障信息。

基于小波变换的行波方向保护采用小波算法，准确提取故障行波的突变信号，克服了传统行波保护的不足，不但具有超高速的动作性能和良好的故障判别能力，还具有很高的可靠性以及良好的抗干扰性能。

参考文献

［1］浙江大学发电研究室．直流输电［M］．北京：

水利电力出版社，1984．

［2］杨福生．小波变换的工程分析与应用［M］．科学出版社，1999．

［3］李兴源．高压直流输电系统的运行和控制［J］．科学出版社，1998．

［4］LiangJ，ElangovanS，DevottaJBX．Applicationofwavelet

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