基于行波原理的双极直流输电接地极引线故障测距

钟小垒 李 京

1.山东理工大学 电气与电子工程学院 山东 淄博 255000；2.山东科汇电力自动化有限公司 山东 淄博 255087

接地极引线在整个直流输电系统中起着举足轻重的作用，当接地极引线发生故障时，将对直流输电系统产生严重影响。对接地极引线进行故障监视和准确故障定位对于提高直流系统的供电可靠性具有重要意义。接地极引线一般为数十公里，采用双回架空线，具有分布参数特性［1］，当线路故障时，故障点将会产生向两侧母线运行的行波。行波信号是一种高频暂态信号，有丰富的故障信息，正确识别和提取其中的故障信息，可构成接地极引线的精确测距［2-3］和故障判断。同时线路故障时会造成故障点处阻抗不匹配，根据电磁波在传输线中传播理论，电磁波会在障碍点产生反射。依据这一原理，向已发生故障的线路上注入一脉冲，该脉冲将沿线路向前传播，当遇到故障点时，就会有反射行波回到发射端，称为时域脉冲测量技术［4-5］。在应用研究领域，为更进一步提高故障判断和测距的准确性，提出了小波模极大值理论［6-7］，利用小波变换在时域和频域良好刻画局部信号能力，快熟准确查找行波波头，有效去除噪音。本文首先从理论上分析了双极方式下接地极引线不同运行方式下各特征量（电压、电流）的变化情况，并根据接地极引线较为复杂的运行特性讨论了更有针对性的故障测距方案，并借助matlab软件进行了仿真验证。

1 接地极引线运行特性

高压直流输电系统中，双极方式又称双极两端中性点接地方式［8］，为两端换流站的中性点均连接接地极系统构成方式，见图1。接地极引线可以利用大地（或海水）作为回流电路，作为输电系统的备用输电导线。双极电压和电流均相等时称为双极对称运行方式，地中无电流；不相等时称为电压或电流的不对称运行方式，两极中的电流不相等，地中电流为两极电流之差，实际上仅为两极的不平衡电流，通常小于额定电流的1%。双极方式的直流输电工程，当一个极的换流站发生故障需要退出工作时，可根据具体情况转换为单极金属回线方式运行。若是一极输电线路故障时，则转为单极大地回线方式运行，由接地极引线利用大地（或海水）作为回流电路，接地极引线中有较大电流通过。由此可见，接地极系统在直流输电系统中起着重要的作用：一是当某一极出现故障需要停运检修时，接地极系统利用大地作为回流电路与另外一极直接长时间地为系统输送电力，提高系统运行的可靠性；二是钳制换流站中性点电位，避免两极对地电压不平衡而损害设备。

图1 双极方式直流输电示意图

2 基于行波原理的接地极引线故障测距

接地极引线作为直流输电系统中的重要组成部分，目的是为了避免直流输电系统故障对设备产生的损坏，同时利于减小直流输电系统的停运率。现在国内直流输电系统中，行波原理多应用于西门子行波保护和ABB行波保护［9］。其在判据中并没有利用故障行波，而是根据电流电压的变化率来试图检测出行波波头的波前保护，丢弃了故障行波中的故障信息，如故障时刻，行波极性等。确切地说，并不是真正意义上的行波原理应用，且有无法实现故障测距，反应速度慢，对噪声较敏感等缺点。近年来行波故障测距理论已经比较成熟，因此在实际的直流输电工程中研究可靠性、灵敏性更高的接地极引线行波原理故障测距方法，不仅有利于弥补我国现有高压直流输电线路行波应用的不足，更有利于提高未来直流输电中行波测距和故障判断水平。

基于行波原理的接地极引线测距，根据A型测距原理［10］和时域脉冲测量技术实现。A型测距原理，其通过测量行波在故障点和测量端之间的传播时间差确定故障距离，原理如图2所示：

图2 A型测距原理

准确检测故障引起的第1个行波浪涌和其在故障点的反射波，记录初始行波浪涌到达时刻和其在故障点反射波到达时刻，计算两者的时间差Δt，则故障点的距离可有以下公式计算

时域脉冲测量技术则利用接地极引线故障点阻抗不匹配特点，向已发生故障线路上注入脉冲，该脉冲将沿线路向前传播，当遇到传输线阻抗不匹配点发生反射，记录脉冲发射时间和反射行波到达时间，计算两者对应的时间差，可计算故障距离。

在双极对称运行模式和单极金属接线方式下，接地极引线中无电流，故障时线路中将不会产生行波，通过时域脉冲测量方法向线路注入脉冲，可有效实现对称运行方式下接地极引线故障测距，相邻两脉冲时间间隔内的瞬时故障不会影响系统正常运行，此时监测到稳态故障则只需断开接地极系统进行快速检修。在双极不对称运行和单极大地运行时，接地极引线线上电压较高，外接脉冲信号源电压远小于引线故障点产生的电压行波幅值，依据A型单端行波故障测距原理可靠性更高。两种方法可共用行波测量和数据处理装置，实现接地极引线故障距离测定和故障类型的判断，设计实时故障测距方案原理如图3所示。

图3 工作原理方框图

微处理器作为系统的核心，控制信号的发射、接收及数字化处理。脉冲发生器是根据微处理器送来的信号，自动形成一定宽度的脉冲。此脉冲经发射电路转换成高幅值的射冲，送至被测接地极引线上，直流输电系统工作在单极大地回线方式和双极不对称运行方式时，脉冲发生器停止工作。行波测量装置则包括避雷装置、电压电流测量设备、电力线载波设备及耦合滤波器等。高速A/D发生器是将被测电缆上返回的信号及发射脉冲信号经输入电路送高速A/D采样电路转换成数字信号，最后送微处理器进行处理。键盘是人机对话的窗口，操作人员可根据测试需要通过键盘将命令输入给计算机，然后由计算机控制仪器完成某一功能。可以推测，一旦新型直流输电接地极引线故障测距装置研究成功，将在高压直流输电中得到广泛的应用。

3 基于小波变换的行波波头检测

3.1 小波基础理论

假定函数ψ（t）绝对Lebesgue可积（面积有限），而且Lebesgue平方可积（能量有限），令（w）为ψ（t）的傅里叶变换，则当（w）满足条件

时，称ψ（t）为一个基小波或母小波。基小波ψ（t）经过伸缩和平移所生成的能量归一化函数

称为分析小波。 任意函数f（t）∈L2（R）的连续小波变换定义为该函数与连续小波ψa，b（t）的内积 .

3.2 行波波头的模极大值检测

由文献（7）可知，如x0为函数的局部奇异点，记载该点上函数小波变换有极大值，则在x0的某个邻域内对于任意给定的∂≤1，存在一常数A，使

在采用离散二进尺度｜W2j f（x）｜≤A（2j）∂

因此，有

实际测量中噪音信号无法消除，检测到的电压信号是由行波信号和噪声信号组合而成。通常认为检测噪声为白噪声，是一个几乎处处奇异的随机分布函数。因此，小波变换模极大值也就有可能是由检测噪声变换产生。式中，j为整数。由上式可知，如函数在x处的Lipschitz指数为正值，则随j的增大，小波变换模极大值的幅值也变大，如函数具有负Lipschitz指数，则情况相反。检测噪声为白噪声，a=-0.5-μ（μ>0）为负值。 因此，由式（5）知，随尺度j的增大，其小波变换模极大值的幅值逐渐减小，其主要由小尺度表现。

行波信号是一种具有突变性、非平稳性的瞬时信号，具有很大的奇异性，从故障的电流电压信号中提取出有效的故障特征是实现接地极引线故障测距的前提和关键。通常认为行波信号的频率范围为10kHz-100kHz，行波信号中的突变部分含有丰富的高频信号，包含了丰富的故障信息，是故障测距的重要依据，故障行波信号的次高频部分也反应了故障的重要特征。因此，对含有噪声的故障行波信号做小波处理，既要消除高频和低频部分噪声分量，又要保留故障行波信号对应的高频部分和低频部分。小波分解具有自适应的时-频局部化功能，行波信号的突变部分对应小波变换的模极大值，与噪音在高频部分的均匀表现形成对比，而且噪音的高频部分随着小波尺度的增加逐渐减小，在小波变换的低频部分，行波信号同样能得到明显的表现，利用小波变换可有效区分行波信号中的突变部分和噪声，达到消噪的效果。文献［11-13］对小波变换用于行波的处理进行了详细的研究，分析了db系列小波函数在检测暂态行波时的有利方面，介绍了Mallat小波分解与重构快速滤波器组算法，对原始信号进行逐步分解，实现小波变换的数字化处理。

4 基于MATLAB的接地极引线故障测距仿真

由于暂态电流、电压行波不受直流输电系统两端换流站的控制，其幅值、方向、时间皆能准确反映原始的故障特征而不受影响，并且接地极引线具有直流本身独特的特点，不存在相间耦合的问题，不用考虑相模问题。对区外故障（交流侧和换流器故障），其暂态行波信号经边界传变至接地极引线行波测量装置安装处的高频分量很小;对于直流线路区内故障（接地极引线上的故障），高频暂态电流不易通过边界，于行波测量装置安装处获得的暂态电压高频分量较大［14-15］。基于以上分析，本文利用matlab仿真软件对接地极引线行波故障测距进行了仿真。仿真中接地极引线采用分布参数模型，线路全长50km，行波测量装置安装在M端母线处，测得的故障距离以M端为准。对图4中F1、F2、F3、F4、F5处做不同故障类型做仿真验证。

图4 仿真示意图

4.1 永久性接地故障仿真

图5 直接接地故障时时域脉冲法波形仿真

图6 接地故障时A型测量法波形仿真

图5和图6给出了高压直流接地极引线直接接地故障时，在测量端测得的电压行波波形及经小波变换后的波形。为了更加贴近实际，信号中增加了较强的白噪声，从图5（a）、（b）中可以看出，反射行波信号虽然完全被噪声所淹没，但经小波去噪后仍能够较好的分辨初始行波波头（波1）反射行波波头（波2），保持原信号的形状，准确反映行波信号的到达时刻。 在图6（a）、（b）中，仅经过3次db小波分解后，初始行波和反射行波对应的小波变换高频部分模极大值点（a、b对应点）可以清晰辨别，与噪声对应的模极大值点形成明显对比，即在采用A型单端行波原理进行故障测距时，取小波变换后模极大值点时刻即可达到波头检测的目的，而无需再进行信号的重构。通过进一步分析，图5中初始行波和反射行波时间差为0.00020262s，图6中时间差为0.00020263s，已测接地极引线波速度为296112km/s，则计算故障距离分别为29.999km和30.059km处，而实际故障距离为30km，测距误差在误差小于100米，完全在允许范围之内。且在直接接地故障时，任一故障测量方式的初始行波和反射行波的极性都相反。

高压直流接地极引线上发生的短路故障一般为经过渡电阻短路，接地短路的过渡电阻值可高达几百欧姆（通常小于300Ω）。选取距测量端30km处故障点进行仿真分析，当接地电阻为30Ω时，仿真结果如下图7、图8。通过仿真波形图7和图8可以观察，相对于直接接地故障，其反射行波幅值有所减小，峰值处变化放缓，但并不影响故障的判断和测距。通过大量的仿真研究表明（见表1），随着过渡电阻的不断增大，采取时域脉冲法时，故障点反射电压行波幅值有所减小，但是通过加大发射脉冲幅值则可以克服这一问题，不影响故障测距。

图7 高阻接地故障时域脉冲法仿真

图8 高阻接地A型故障测距仿真

表1 故障仿真数据

4.2 开路故障仿真

图9表明线路开路故障时并不影响时域脉冲测量法对故障点距离的测定，反射行波极性与发射脉冲同极性，可作为故障类型判据。图10表明开路故障时，A型行波故障测距测量端感受到的行波能量非常小。由以上仿真数据可以看出，基于小波变换的接地极引线实时行波故障测距，能够满足实际需要，对线路故障能够起到测距和判断的作用。结果表明，接地故障过渡电阻较小时能够准确的实现故障的测距，随着过渡电阻的增大，测距精度将有所减小，并增加了测距的难度，对于时域脉冲测量技术，通过增大发射脉冲幅值，这一情况将有很好的改善。开路故障时，虽然A型行波测距方法不能有效作用，但是脉冲测量法起到很好的弥补作用。满足了故障测距要求，并为进一步研制接地极引线行波测距装置提供了理论和技术依据。

图9 开路故障后时域脉冲测量仿真

图10 开路故障A型行波故障测距仿真

5 总结

双极方式是直流输电系统中最常见的运行方式，接地极引线作为直流输电的重要组成部分，属于较容易故障的设备。目前行波原理在接地极引线中应用多为ABB行波保护和西门子行波保护，故障误判率高、反应速度慢，且不能实现故障测距。对此本文根据双极两端中性点接地方式下接地线路实际运行的特点，提出了基于行波原理的接地极引线故障测距方法，并对各种故障进行了仿真，结果表明该方法可快速准确实现故障测距，判断接地极引线的各种故障，对快速排查故障降低整个直流输电系统的停运率有很大益处。

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