小波分析法的直流输电线路行波保护研究

冯媛硕,宋吉江

(山东理工大学电气与电子工程学院,山东 淄博 255000)

小波分析法的直流输电线路行波保护研究

冯媛硕,宋吉江

(山东理工大学电气与电子工程学院,山东 淄博 255000)

利用MATLAB对高压直流输电系统中发生的常见故障进行仿真,提出一种基于小波分析的新型单端直流线路行波保护判据及原理,此方案是依据MATLAB仿真得到的反向电压行波的模极大值波形来判定系统的故障特性,最后对此方法进行了仿真验证,结果表明此保护方案是有效的。

高压直流输电；小波分析；反向电压行波；模极大值

0 前言

高压直流输电系统的核心是保护系统,保护系统的性能对设备的安全性及系统的稳定运行是有决定性作用的。高压直流输电系统的输送容量很大,对于保护有了更高的要求,必须加快供电系统恢复正常的速度,使得危害减小到最小[1]。

高压输电线路发生故障时,故障点的两侧均会产生沿线路运动的行波,在初始行波电流或电压中,包含的故障信息很多,可以对这些信息进行分析,使得保护装置在故障发生后很短时间内进行超高速故障检测。因直流线路的结构比较简单,电流

和电压行波基本没有受到母线结构变化的影响,由于线路波阻抗值很大,折射率为零,反射率为1,这个特性对于行波保护是具有很大优势的。另外,直流输电系统不存在电压相角问题,这是与交流输电不同的地方,这个特性也避免了行波保护中的死区问题。所以目前现有的高压直流输电工程广泛采用行波保护作为主保护[2]。

行波信号是随着频率而变化的一种暂态不平稳的信号,波形的波头很陡,高频信息丰富。所以需要同时依靠故障行波的时域和频域特征来对故障进行判别。对于传统的傅里叶变换数学方法,是纯频域的方法,不适合分析不稳定变换的波形,所以不适合应用于行波分析中。而小波分析的方法有更高的优势,取代了傅里叶变换的方法。小波变换方法特殊的时频特性在处理暂态信号时有明显优势,它在行波保护研究中有更深的应用。另外,小波变换的模极大值是能够体现信号突变信息的一个特殊性能,利用小波变换模极大值能够很好的对信号的奇异性及突变性进行分析,便于进行故障诊断[3]。所以,小波分析方法是应用于高压直流输电线路暂态保护分析的有效手段。

1 输电线路行波保护原理分析

对于高压直流输电系统,其输送容量非常大,所以必须使得保护设备能在几毫秒之内动作,并且可靠性要求很高,这样可以使之相联的电网产生的冲击减小很多,然后短时间内就恢复供电。当故障发生在直流系统侧时,除了借用桥阀控制极的控制使得故障电流可以快速被消除掉,另外,与交流输电线路比较而言,定电流调节器使得故障电流减小很多。因此直流线路发生故障时,不能仅仅利用传统的依靠故障电流的大小来进行检测[4]。

行波保护方法按原理不同可以分为：行波差动保护、距离保护、行波极性比较方式保护等。极性比较方法是如今广泛使用的,其原理就是将输电线路两端产生的电压或者电流行波极性进行比较,如果极性相同,则发生了区内故障；如果极性是相反的,则发生了区外故障。极性比较方式的方向元件不是单独存在的,其构成很简单,然而,会受母线结构的影响,并且此保护方法对通道的依赖性较强,可靠性也不够高。

本文提出一种基于小波变换的单端输电线路行波保护方法,对于高压直流输电系统,在正常运行时,对检测到的整流设备的保护安装处反向电压行波进行小波变换求出模极大值,其模极大值接近于0。如果系统发生故障,故障点处会产生行波的折射与反射现象,然后使得行波开始向线路两端传播,此时检测到的模极大值会出现明显的突变,即高压直流输电系统正常运行及发生区内外故障时测到的电压行波模极大值的大小是有不同的,所以根据此信息来判别故障类型是有效的。这种新型的直流输电线路行波保护方法不需要通信信道,只需要检测反向电压行波来进行故障识别。

2 行波保护判据

2.1 保护方案

首先根据实际运行经验来设置两个整定值,一个是来判断线路是否发生故障的整定值1,另外是判断系统发生区内还是区外故障的整定值2。输电线路发生故障以后,检测整流侧保护安装处的电压和电流波形,然后通过计算得到反向电压行波的波形,再经过小波变换得到反向电压行波的模极大值,将得到的模极大值与整定值进行比较,判别系统是否发生故障,如果极大值超过了整定值,则系统发生故障。然后与整定值2进行比较,判别发生故障的类型。

2.2 故障识别判据

反向电压行波的计算公式为：

式中：UM,IM表示整流侧检测到的电压和电流,λ是输电线路波阻抗。

注意,对于高压直流输电系统而言,在正向电压下工作,则线路发生故障后测得的初始行波波形的极性是负的。

2.3 小波类型选择

小波变换用于信号的突变点检测,无论采用小波变换系数的模极大值点还是过零点的方法,都是在尺度上进行综合判断,才能准确地确定突变点位置。目前,如何选取小波函数并没有一个理论标准,一般依据小波变换的小波系数对小波函数进行选择。小波变换后的小波系数表明了小波与被处理信号之间的相似程度,小波系数越大则相似程度较大。还需要对尺度的大小进行选择,对于仅仅需要反映信号整体的近似特性,一般选取较大尺度[4]。

本文利用小波变换模极大值幅值识别故障点波形,将故障后的电流行波进行模变换后,对其进行分解,取第2层高频数据求取模极大值,然后根据求得的模极大值波形进行故障诊断。

3 仿真分析

3.1仿真模型

利用MATLAB对高压直流输电系统进行建模仿真分析,建立的单极性12脉冲的仿真模型参数为：整流侧交流系统的额定电压为500 kV,逆变侧交流系统额定电压是345 kV,频率均为50 Hz；直流输电线路长度为300 km。HVDC系统如下图1所示。

图1单极性高压直流输电系统

系统的故障点设置在图1所示的a,b两点处,对于两种故障发生后检测到的整流侧暂态过程的波形是相似的,如果利用传统的诊断方法,是很难在极短时间内区分故障类型的,所以必须采用新型保护方案[5]。本文提出的保护方案是利用故障发生时刻信号产生的暂态行波波形的奇异点来对系统故障类型进行判定。下面图2、图3和图4分别表示直流输电系统正常运行时整流侧保护安装处的电压和电流波形,以及直流输电线路发生短路故障和交流侧系统发生故障时的波形图。

图2 系统正常运行时整流侧电压和电流波形

对建立的高压直流输电系统进行仿真运行,仿真结果最后都会达到稳定状态。仿真得到的电压和电流波形如图2所示。图2表示系统正常运行时稳态仿真的整流侧波形。直流侧线路电压为实际值,直流侧线路电流为标幺值形式。对于系统的控制系统模块,在时间t=20 ms时转换器的脉冲发生器开始工作,线路中开始出现电流并且有功率传输。在0.3 s时参考电流值达到最小为0.1 pu。并且观察到此时开始建立直流电压。在t =0.4 s时参考电流以5 pu/s的速度由0.1 pu升到1 pu(2 kA)。直流电流在大约0.58 s时达到稳定状态。波形图中的电压波形显示了整流器侧的直流线路电压实际值,波形图中的电流波形表示参考电流和测得的电流 (1 pu=2 kA)。在t= 1.4 s时施加停止脉冲,将电流值降为0.1 pu,在t=1.4 s时直流电流消失,直流电压也降低。

3.2 直流线路故障仿真

对于高压直流输电系统发生直流线路接地故障,在仿真模型中将系统中故障模块的参数因子由100变为1,即表示在t=0.7 s时设置了一个故障,将仿真时间设为1.4 s。直流线路故障时整流侧波形如图3所示。由波形可知,故障时直流侧电流激增到2.2 pu,直流侧电压下降为零值,而故障发生后,直流侧仍有电流流通。在t=0.77 s时,触发延迟角α被强制改变,这时的整流器运行在逆变器模式,此时直流侧线路电压变为负值,将线路上储存的能量反送入交流系统,导致故障电流在过零点时快速熄灭。在t=0.82 s时,消除触发延迟角α的强制值,额定直流电压和电流在0.5 s后恢复正常。

图3 直流输电线路接地故障

3.3 交流侧故障仿真

下面对于直流输电系统中的交流侧接地短路故障进行仿真分析,将故障发生时刻设在t=0.7 s时,然后进行仿真,整流侧波形如图4所示。

图4 逆变器交流侧单相接地短路故障

由仿真结果分析,故障导致直流电压和直流电流出现了振荡,故障开始时,逆变器两个阀进行换相时,因预计关断的阀关断后,在反向电压期间未能恢复阻断能力[6],当加在该阀上的电压为正时,又重新导通,即出现了换相失败现象,直流电流激增到2 pu,在t=0.8 s时故障清除。

3.4 故障诊断

对于上述得到的波形进行小波变换求出模极大值,然后依据本文提出的新型保护判据进行故障诊断。在MATLAB中编程求取各分量的模极大值波形如图5所示。

图5 整流侧反向电压行波及模极大值波形

仿真结果图中a所示为正常运行状态下整流侧M点检测到的暂态量的反向电压行波及经过小波变换后得到的模极大值波形,由图可知,在系统正常运行时,对反向电压行波进行小波变换后得到的模极大值是小于0.1的。

对于图中b、c所示分别为输电线路发生短路故障时和交流侧发生单相接地故障时的小波变换模极大值波形。由仿真结果图可知,对于输电线路短路故障情况,得到的模极大值在前3 ms以内幅值是大于50的,而在后期的时间内是在30左右。对于系统交流侧发生单相接地故障的情况,其反向电压行波的模极大值的幅值是在5到10之间的[7]。由以上分析可知,只要设定好的整定值,就可以在极短时间内检测出故障,并将故障类型进行区分判定[8-9]。

4 结束语

本文是基于小波分析的方法对高压直流输电系统的行波保护进行研究。首先利用MATLAB分别对HVDC系统的正常运行及故障情况进行仿真分析,为高压直流输电系统的保护配置提供了基础。本文提出一种基于小波变换的行波保护新方案,能够快速准确判定系统发生故障类型。本文的行波保护方案是利用仿真得到的反向电压行波的模极大值波形进行故障诊断,能够对系统的区内外故障进行有效识别,这种新型的单端行波保护方法,不需要通信信道,所以也使得成本降低,更加满足高压直流输电技术的应用。

[1] 赵畹君.高压直流输电工程技术 [M].北京：中国电力出版社,2011.

[2] 杨晓萍.高压直流输电与柔性交流输电 [M].中国电力出版社,2010.

[3] 张德丰.MATLAB小波分析 [M].机械工业出版社,2009.

[4] 潘伟明.高压直流输电线路的行波保护研究 [D].南京理工大学,2013.

[5] 全玉生,李学鹏,徐铁鹰,等.基于小波变换的HVDC线路行波电流极性比较式方向保护 [J].现代电力,2005, 06：22-26.

[6] 梁睿,孙式想.单端行波故障测距的组合方法研究 [J].电网技术,2013,03：699-706.

[7] 兰华,李成哲,王韵然,等.高压直流输电线路行波保护的发展与展望 [J].电测与仪表,2012,06：1-4+14.

[8] 覃剑.输电线路单端行波故障测距的研究 [J].电网技术,2005,15：65-70.

[9] 覃剑,葛维春,邱金辉,等.影响输电线路行波故障测距精度的主要因素分析 [J].电网技术,2007,02：28-35.

宋吉江 (1963),男,教授,硕士生导师,山东理工大学,研究方向为电力系统及其自动化,检测装置及其自动化等。

Study on Traveling Wave Protection of HVDC Transmission Line Based on Wavelet Transform

FENG Yuanshuo,SONG Jijiang
(School of Electrical and Electronic Engineering,Shandong University of Technology,Zibo,Shandong 255000,China)

Apply the method of wavelet transform to the HVDC line fault traveling wave protection,the accuracy of fault diagnosis can be improved.This paper simulated the common faults in the high-voltage direct current transmission system based on MATLAB. And then put forward a new type of protection criterion and principle of single-ended DC line traveling wave protection.This scheme is based on the traveling wave modulus maxima waveform of reverse voltage from MATLAB to determine fault features of the system. Finally,the simulation verify this method,the results show that this scheme is effective.

HVDC；wavelet transform；reverse voltage traveling wave；modulus maxima

TM727

B

1006-7345(2015)01-0022-04

2014-09-27

冯媛硕 (1988),女,硕士研究生,山东理工大学,研究方向为电力系统及其自动化 (e-mail)fengyuanshuo36＠163.com。