基于同步电流测量的多端直流系统故障定位

潘卫龙，彭奎，夏胜忠

(浙江省送变电工程公司输电一分公司，浙江 杭州 310016)

基于同步电流测量的多端直流系统故障定位

潘卫龙，彭奎，夏胜忠

(浙江省送变电工程公司输电一分公司，浙江 杭州 310016)

针对现存多终端直流传输(MTDC)系统灵活性差和可靠性低的问题，提出一种新的基于行波系统故障定位方法，利用小波变换和同步电流测量来确定故障位置。首先通过排除不可能为故障的线路来区分故障区段，然后提出一种评估指标，以确定故障区段所包含的所有线路中的故障线路，最后构建并求解故障开始时间、故障位置和首次到达各个检测器时间的线性方程组。仿真结果表明，具有高精度、噪声免疫和故障阻抗鲁棒性，其中高阻抗鲁棒性是最大优势。

多终端直流(MTDC)系统；小波变换；行波；电流浪涌；阻抗鲁棒

0 引 言

多终端直流(Multi-terminal DC，MTDC)[1]传输系统在工程项目和实际生产中应用非常广泛。如风电场应用中通常优先使用高压直流电缆[2]，MTDC传输是大型海上风电场[3-4]最合适的选择。MTDC系统应该充分考虑成本，可靠性，灵活性和技术标准[5]，其中故障定位于检测是MTDC系统必须解决的问题，它与可靠性和灵活性密切相关。

基于行波的MTDC故障定位却是一项非常困难的任务，因为不同检测器最短路径变化会导致故障位置的变化。文献[6]提出了一种分段线性优化方法，使用电力系统中多个行波检测器定位故障位置，不过分段优化并没有明显提升定位的准确度。文献[7]提出了星型连接MTDC输电线路中的故障定位算法，然而，这种拓扑结构可靠性较低。

本文提出了一种MTDC系统故障定位的新方法，使用有限个位置的测量，降低了计算负担，利用简单技术来尽可能限制可能故障线路数。该方法无需其他行波特征，回避了检测随后到达浪涌和提取其他行波特征的困难。

1 提出的故障定位方法

1.1 确定故障线路

相对于单一线路，每个检测器最短路径、包括此路径的线路都相对于MTDC系统故障位置而变化[8]。假设故障发生在传输线路(i,j)。由于初始行波朝向端子i和j传播，第一次到达任意检测器的浪涌必然经过其路径上的这些检测器。由安装在终端k的检测器确定的浪涌到达时间可推导为：

(1)

式中Ti,k和Tj,k分别为浪涌经过终端k到终端i和j最短路径的时间。

(2)

上述关系表示，从线路上l任意点至检测器p的最短路径比到检测器q的短。因此，对于线路l上的故障，浪涌到达检测器p之前不能检测到首次到达检测器q的浪涌，否则，可以得出结论，故障已定位在某线路而不是线路l。利用此属性排除不可能故障的线路。图1表示用于故障区段限制的算法流程图。

图1 用于故障区段限制的算法流程图

1.2 故障线路识别

(3)

(4)

改变式(4)下边界为-Ti,j+tf,j+t0，因此，不等式简化为：

(5)

用同样的方法，可以得出结论：

(6)

(7)

(8)

因此，下面的评估指标理论上等于零，实践中会取一个非常小的值，对于故障线路：

(9)

1.3 首次到达浪涌的时间方程

令Si和Sj分别为到达浪涌经过终端i和j的检测器索引集合。提取从故障点到各检测器的行程时间方程，相应的方程组如下：

(10)

考虑到tf,j=Ti,j-tf,i，上述方程组可以改写为矩阵形式：

(11)

这是一个超定线性方程组，使用最小均方(Least Error Square, LES)方法[9]可以求解其两个未知数就可以精确得到故障位置及其开始时间。

1.4 故障定位

图2 提出的故障定位算法流程图

式(11)产生精确的故障定位，识别行波到达各检测器的时间。同时进行时域和频域分析。由于离线执行故障位置计算，选择连续小波变换(Continuous Wavelet Transform，CWT)[10]，以精确检测测得信号[11]的突变。故障定位算法如图2所示。

2 仿真结果与分析

为了评估本文故障定位方法的适用性，本小节包含单环、两个网格和三条径向线路的复杂MTDC测试系统，在该测试系统上进行了大量的故障仿真，其中，MTDC测试系统和它的图形表示分别如图3 (a)和图3(b)所示。

2.1 故障定位结果

表1表示了三种故障情况：线路(p，g)的开始、中间和末端。根据计算出的浪涌到达时间获得故障开始时间和位置。可以看出，提出的方法不管MTDC系统多么复杂都能精确定位故障位置。

2.2 估计精度的噪声影响

针对线路(p，g)上五种不同故障，使用60、50和40 dB的白高斯噪声污染产生的行波。表2总结了故障定位结果。估计精度确保通过定义适当阈值拒绝不想要的WT系数能够正确识别首次到达时间。从表2可以看出，提出的方法对噪声免疫具有鲁棒性。

2.3 高阻抗故障

提出的方法最大优势是其对故障阻抗的鲁棒性。表3为具有各种故障阻抗的线路(c，h)上的仿真故障实例，可以观察到，只要故障阻抗在实际范围内，即使噪声存在也能精确地确定故障位置。

图3 (a)研究的MTDC测试系统，(b)对应的图形表示

距终端P的故障距离/km检测器位置abcde浪涌到达时间/μs故障开始时间/μsFS中包含的线路数EIa/μs故障定位误差10预期1275.81551.71344.81586.21620.61000检测127915551349159016241003.412.410.00059%35预期1448.21379.31517.21413.71724.11000检测145313851522141817271004.514.340.051%50预期1551.71275.81482.71310.31620.61000检测155612791486131516251004.0613.270.045%

表2 噪声对故障定位精度的影响

表3 高阻抗故障的故障定位精度

3 结束语

本文提出了一种新的基于行波的故障定位方法，适用于MTDC系统广域故障定位。由于该方法只需要首次浪涌到达各种检测器位置的时间，因此，完全消除了检测随后到达浪涌和提取其他特征的实际困难。虽然提出的方法利用安装在换流站的有限个行波检测器，不管网络拓扑结构多复杂，如环数、网格数和径向线路数，它都能精确定位故障位置。且该方法对故障阻抗的高噪声免疫性和鲁棒性。

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Multi-terminal DC System Fault Location Based on Synchronous Current Measurement

Pan Weilong, Peng Kui, Xia Shengzhong

(Transmission Branch, Zhejiang Electric Power Transmission and Transformation Engineering Co., Hangzhou Zhejiang 310016, China)

In view of poor flexibility and low reliability of existing multi-terminal DC (MTDC) transmission systems, based on the traveling wave system, this paper presents a new fault location method, which uses wavelet transform and synchronous current measurement to determine the fault location. First, faulty sections are distinguished by excluding impossible faulty sections. Then, an evaluation criterion is proposed to determine faulty lines included in all the lines of the faulty sections. Finally, linear equations are set and solved for fault start time, fault location and the time of first arrival to the detectors. Simulation results show that this approach has high precision, noise immunity and robustness to fault impedance, with high impedance robustness being its most prominent advantage.

multi-terminal DC (MTDC) system; wavelet transform (WT); traveling wave; current surge; impedance robustness

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.06.034

TM73

A

1000-3886(2016)06-0112-03

潘卫龙(1987-)，男，江苏连云港人，助理工程师，本科，研究领域：直流输电线路、故障定位等。 彭奎(1990-)，男，江苏宿迁人，助理工程师，本科，研究领域：直流输电线路、故障定位等。 夏胜忠(1970-)，男，浙江奉化人，技师，研究领域：直流输电线路、故障定位等。

定稿日期: 2016-06-29