直流断路器结合暂态行波的HVDC输电线路故障保护算法

刘卫明，汤汉松，张平，鲍音夫，陈浩然，王纯，刘润苗

(1.国网内蒙古东部电力有限公司 电力科学研究院，内蒙古 呼和浩特 010000；2.江苏凌创电气自动化股份有限公司, 江苏 镇江 212009；3.国电南瑞科技股份有限公司，江苏 南京 211106)

0 引 言

为解决全球能源紧缺问题，风电和太阳能等可再生能源已大量接入电网[1]。多端直流传输系统(multi-terminal DC transmission system，MTDC)具有能量损耗小和通信干扰小等方面的独特优势，可将可再生能源整合到电网中，这成为高压直流输电线路重要发展趋势[2-4]。直流故障保护是其发展的关键技术之一,主要技术难点包括故障线路的可靠识别和快速隔离。

在电压型换流站点对点方案中，存在特定终端无法连接交流电网现象，如光伏发电厂或风电发电厂终端，断开换流站的交流断路器来消除直流故障的解决方案不能应用于现代多端直流传输系统。

本文提出配置混合直流断路器的多端高压直流输电线路故障保护算法，首先对故障行波波形分析，结合小波变化提取故障时刻高频暂态电压分量，并基于区内、区外故障小波能量值故障识别方法，提出设计含混合式直流断路器多次重合闸判定方法的直流故障保护算法。

1 故障行波波头检测以及多孔算法

基于小波变换对突变型故障行波信号进行波头检测。连续小波变换定义为：

(1)

(2)

多孔算法又称为平稳小波变换，它能够显著削弱振动效应的影响[5]。多孔算法的分解公式为：

(3)

多孔算法通过对信号k(t)变换可得到K(t)，若存在t0使得K(t0)为其邻域内的极大值，即所有t值都满足：

|K(t0)|>|K(t)|

(4)

则可以判断信号k(t)发生突变的时间是t0。对比小波系数的模极大值来判断信号突变点，以此区分分行波波头和噪声。

2 基于暂态行波与断路器的MTDC输电线路故障保护算法

通过Mallat算法对一个离散信号样本x(k)实现离散小波的快速分解，第j层平滑逼近系数xj(k)和细节系数yj(k)可以表示如下：

(5)

式中：h0、h1分别为低通、高通滤波器。

为了获取高频分量随时间变化的关系，将直流故障发生时刻前后一段时间内的行波线模分量进行小波离散变换。其中，电压信号的高频分量模值W(k)，记电压的高频分量的小波能量E(k)为：

(6)

使用高频分量的小波能量值作为区间判据。由于终端为感性，因此，电流是缓慢增加，使用电压的变化作为检测故障发生的判据更加准确，判定条件如下：

|V-Vav|>kVav

(7)

式中：k为电压故障倍率系数；V为线模电压的瞬时量；Vav为线模电压的稳态量。

基于暂态行波的多端直流系统的直流故障保护算法流程如图1所示。

图1 直流故障算法流程图

3 仿真分析

在MATLAB/Simulink中搭建如图2所示的基于电压型换流站的四端直流输电系统。所有换流站之间以电缆相连，线缆的具体参数如表1所示。所用直流断路器的采样频率为50 Hz，试验数据为DCCB21所测数据。

图2 四端高压直流输电系统

以DCCB12为采样点，仿真模拟此四端直流输电系统分别在如图2所示位置处(F1、F2、F3)发生双极短路故障。对于直流断路器DCCB21来说，分别为区内故障、反向区外故障和区内故障。取故障前后1 ms的时间间隔进行数据取样处理，通过仿真计算得出三者的小波能量图，如图3所示。

当故障发生在区外时，小波能量最大值为1.5。鉴于存在测量误差以及周围环境的影响，取Eset为3。从图3中提取启动判据检测到的时刻小波能量值，分别为90.56、5.32×10-7和2.15×

表1 线路参数

图3 区内外故障小波能量图

10-7。表2为不同情况下的区内故障。表3为不同情况下的区外故障。

表2 区内故障

表3 区外故障

通过对比试验，提出的直流故障保护算法在故障切断的准确率上高于文献[6]所提的基于波头时差的保护算法和文献[7]所提的结合端部电压小波变换系数的保护算法，并且远高于文献[7]所提出的算法准确率。因此，所提的直流故障保护算法可以提供准确和稳定的故障判断结果，如图4所示。

图4 算法成功率对比

4 结束语

本文利用小波变换提取故障时刻高频暂态电压分量，并依据小波能量值判断故障类型，采用混合直流断路器多次重合闸进行准确直流故障线路隔离。所提算法能够准确判断区内外故障，具有故障识别成功率高和过渡电阻容忍度高的优势。未来会进一步对故障保护的启动条件进行研究，解决过高的过渡电阻导致电压启动判据的判定失败问题。