基于行波法的HVDC输电线路故障测距综述

崔本丽 兰 生



基于行波法的HVDC输电线路故障测距综述

崔本丽 兰 生

（福州大学电气工程与自动化学院，福州 350108）

本文首先介绍了行波的基本理论，包括行波的产生、波动和折反射；其次对HVDC输电线路行波法故障测距进行了详细的分类，并分析了各种方法的优缺点；最后针对行波法的缺点提出建议。

HVDC输电；故障测距；行波法

HVDC输电由于自身结构简单、性能良好，在大功率、远距离输电中扮演着越来越重要的角色，且与传统的高压交流输电相比，具有潮流快速可控、输电线路造价和系统运行费用低、不存在功角稳定问题等优点。目前世界上各发达国家都把HVDC输电作为远距离、大容量送电的主要手段，因此其担负着传送电能的重任，是电力系统的命脉。但HVDC输电线路长度通常可达上百甚至是上千公里，且线路沿线的地理环境变化多端，一旦输电线路在某点处发生故障，故障点就将很难被找到。为减少电网损失和提高用电安全性，急需发展可靠的HVDC输电线路的故障测距技术[1-2]。目前行波定位技术已经被广泛地运用到HVDC输电线路的故障测距中。该技术在理论上不受故障类型、接地电阻等因素的影响，具有较高的测距精度[3-10]。

1 行波法的基本理论

输电线路是具有分布参数的电路元件[11]。当有故障出现在HVDC输电线路上的某一点时，故障将导致该点的电流、电压突然发生变化，电流、电压的变化并不能立刻发生在线路其他各个点上，而是要以电磁波的形式按照一定的速度从故障点传播到其他各点。国内外的相关研究数据表明，造成HVDC输电线路故障的主要原因是雷击[12]。假如当HVDC输电线路遭受雷击时，在雷击点产生的对地高电压将沿着线路向左右两侧传播，那么这个沿线路传播的电压波以及与它同时产生并向线路两侧传播的电流波就被称为行波[13]。

在研究HVDC输电线路的行波过程中，一般可将线路的相关参数视为常数，但在电力系统中，均匀线路只在某一特定条件下才存在。当行波沿着输电线路运动时，在点发生故障，将导致线路的波阻抗在结点突然发生变化，此时将有波的折反射现象在结点处发生[14]。

2 HVDC输电线路行波故障测距方法

由于HVDC输电线路的直流母线两端存在整流站和逆变站且线路两端连接有直流滤波器和电抗器，因此直流暂态行波只会在输电线路上传播，加之线路两端母线除了直流输电线路之外，不存在其他出线，不会有其他成分混入到行波的固有频率中，便于行波的提取和识别[15]。由于上述条件为行波法的使用奠定了良好基础，所以目前HVDC输电线路故障测距技术主要依赖于行波法。行波法故障测距有很多种类型，若按照早期所需故障信息分类，则主要包括单端测距法和双端测距法。现代行波测距法主要有小波变换法、HHT法、数学形态法、独立分量法和固有频率法。

2.1 早期行波法

1）单端行波测距法

单端法行波测距只需测量初始行波波头到达线路某一端的时间。由图1可知，故障点与线路端、端的距离分别为

式中，为行波传播速度；为初始行波波头到达线路端、端的时刻。

图1 单端测距原理图

单端行波测距方法原理简单，只需要单端数据和设备，经济实惠。如果把设备安装在端，且故障点距离端较近时，将会导致端的第一个反射波提前到达端，从而很难与故障点反射过来的第二个行波波头区分开来，最终导致故障定位失败。因此，使用单端行波测距具有很大的局限性。

2）双端行波测距法

双端行波测距法是对单端法的完善，其需测量出故障产生的初始行波波头分别到达线路两端的时间。由图2可知，故障点距离直流输电线路端和端的长度可用故障初始行波波头到达线路两端的时间差来表示，即

式中，为输电线路长度。

图2 双端测距原理图

双端行波测距法需在线路两端装设测距装置，经济性差，但方法可靠性高，目前应用范围较为广泛。

2.2 现代行波法

1）小波变换法

小波变换同时具有频域和时域特性，其突破了傅里叶变换在时域没有任何分辨率的限制，具有多分辨率分析的特征[13]。该特征使得小波分析能够将故障信息的频率表示出来，方便对原始正常信号中的暂态信号进行分析[16]。文献[8]提出一种单端测距新方法，即利用小波变换提取线路的故障特征，且可消除行波色散的影响。文献[17]提出基于小波变换模极大值理论的双端测距方法，该方法首先记录下初始故障电流行波波头到达HVDC输电线路两端的时间，最终利用双端法原理计算出故障点距离逆变侧母线的长度。文献[18]通过对故障暂态电压信号进行小波变换，提出一种对单级和双级HVDC输电线路均适用的故障测距方法。文献[19]与文献[17]利用相同的小波变换模极大值理论，但实现的是单端行波故障测距。文献[20]提出利用上述理论分析行波信号，实现输电线路的多点故障定位。

虽然小波变换具有独特的优势，但其自身也存在一些问题。由于其自身不具有自适应性，所以当故障类型发生变换时，需用不同的小波基来分析。

2）HHT法

当需要处理非平稳和非线性的信号时，一般会选择HHT法。文献[21]提出可利用HHT检测行波波头实现故障定位。文献[22]提出可将HHT运用到HVDC输电线路的行波保护中，通过判断综合判据，即将HHT分析行波波形和直流线路低电压相结合，构成HVDC输电线路的行波保护方案。文献[15]指出HHT法存在曲线拟合方法的选取和端点效应等问题，但通过改进算法，使用三次样条函数进行曲线拟合，利用极值镜像延拓可消除上述问题的影响。文献[23]提出基于三端法的HHT行波故障测距方法，即在线路中点再加入一个测量点。文献[24]提出可使用HHT对1000kV输电线路的雷击高频信号中的前四阶IMF进行变换，通过计算变换后的IMF瞬时值的幅值对方差贡献率的大小，进而判断出输电线路的雷击故障类型。

以傅里叶理论为基础的故障测距方法只能在时频方面进行分析，但HHT法却克服了此局限性，具有完全的自适应性，且适合用于分析HVDC输电线路的故障突变信号[25]。但鉴于HHT法需要复杂的递回运算，运算所需时间其实并不短，另外，HHT未必能正确计算出本质模态函数的瞬时频率。

3）数学形态法

数学形态法在信号的突变点检测和滤波方面具有极大的优势，同时其也是一种非线性的分析方法。文献[26]提出可利用形态学法滤除暂态行波信号中典型的噪声信号，从而可靠辨识出行波波头并准确实现故障测距。文献[27]通过对几种故障类型相似的线路行波进行分析，提出数学形态法不仅能够很好地区分HVDC的故障与非故障线路，而且也能够准确地进行故障定位。文献[28]提出一种基于数学形态法的多尺度滤波算法，该算法可提高识别行波波头的准确性和可靠性。文献[29]提出一种基于双端故障信息的单端测距法，该方法首先采用数学形态法进行滤波，其次用形态学梯度法提取出故障发生时刻，通过总结故障规律，最终得到计算故障测距的方法。

数学形态法虽然原理简单，设备投入少，测距精度较高，且能够较为准确地识别出故障行波波头，但如何选取更有效的结构元素一直是数学形态法的难题。而结构元素的形状和大小对数学形态学的运算结果具有至关重要的影响，其作用与信号处理中的滤波窗口差不多。

4）独立分量法

独立分量法是一种高效盲源分离方法。文献[30]指出由于独立分量法具有对环境、目标的要求少，易实现等特征，而被广泛地运用在输电线路故障特征信号提取中。文献[31]提出一种基于ICA和LLE的新型HVDC输电系统故障诊断方法，该方法可有效提取出故障的重要特征。文献[32]提出一种基于FastICA算法的HVDC输电线路的单端测距法，该方法通过对分离出的故障电流信号的分析实现故障定位。文献[33]利用仿真证明基于单通道动态FastICA算法能对HVDC输电线路故障进行更加准确的定位。

独立分量法是近年来逐渐发展起来的一种故障定位方法，虽然该方法在使用过程中对环境和目标的要求较少，但也存在最多只能有一个高斯条件、源信号之间必须相互独立的限制条件。

5）固有频率法

当HVDC输电线路在点处发生故障时，将有暂态故障行波出现在线路上，且暂态故障行波的频谱与故障所处位置以及HVDC输电线路的边界条件均存在某种联系[14]，因此可利用故障行波的频谱特征计算出故障所处的位置，进而实现HVDC输电线路的故障测距。文献[34]推导出行波固有频率、故障所处位置和系统条件在任意系统等效阻抗值的条件下都存在的数学关系。文献[35]提出输电线路故障行波频谱与故障所处位置具有数学关系，可利用此原理实现故障测距。文献[36]提出可将固有频率法和行波法联合起来进行单端行波测距。

传统的HVDC输电线路行波法故障测距一直面临着如何能够把故障初始行波波头、反射行波波头、相邻母线反射波以及对端母线反射波正确识别和区分开来的问题，但固有频率法避免了上述难题，具有与时域不同的优点和特性。

2.3 行波故障测距缺点

行波故障测距法原理虽然简单易懂，但其本身也有一些难以克服的难题[10,37]：

1）行波故障测距容易受外界的干扰影响。

2）行波故障测距一旦检测不到行波波头或者在检测的过程当中出现失误，行波故障定位技术就会失败。

3）行波故障测距无法用计算机识别行波波头，需要专业人员完成此操作。

4）行波故障测距精度与行波的传播速度有关，而实际系统中无法保证波速恒定。

5）行波故障测距的精度与采样率有关，采样率越高，故障测距精度也越高，但采样率过高并不容易实现。

3 展望

通过对上述测距方法的总结，可以发现各有优缺点，所以建议在之后的测距研究中，可尝试着将上述方法中的两种或多种定位原理结合使用,这样不仅可以做到扬长补短，而且可能会提高故障测距的精度。另外，当输电线路发生高阻接地或者行波波头识别失败等问题时，可利用固有频率法来避免这个难题，以提高故障测距精度。除此之外，上述的测距方法基本上都是在线路单点故障情况下验证的，之后可尝试对线路正负极两点处故障情况进行研究。

4 结论

本文对基于行波法的HVDC输电线路故障测距方法进行了较为全面地综述，最终针对行波法存在的一些问题，提出了建议，并希望能够得到进一步地研究。

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Review of High Voltage DC Transmission Lines Fault Location based on the Traveling Wave Method

Cui Benli Lan Sheng

(College of Electrical Engineering and Automation, Fuzhou University, Fuzhou 350108)

First, this paper introduced the basic theory of traveling wave, including the generation, the fluctuation, refraction and reflection of traveling wave. Second, traveling wave method of high voltage DC transmission lines fault location was classified, and the advantages and disadvantages of various methods were analyzed. Finally some suggestions were put forward in view of the shortcomings of the traveling wave method.

high voltage DC transmission; fault location; traveling wave method

崔本丽（1993-），女，硕士研究生，研究方向为高压直流输电线路故障测距。