高压直流输电系统故障检测的反向电压行波方法

王金玉,赵月娇,孔德健,吕金淼

(1.东北石油大学电气信息工程学院，黑龙江 大庆 163318；2.国网冀北电力有限公司检修分公司，北京 102488)

高压直流输电系统故障检测的反向电压行波方法

王金玉1,赵月娇1,孔德健2,吕金淼1

(1.东北石油大学电气信息工程学院，黑龙江 大庆 163318；2.国网冀北电力有限公司检修分公司，北京 102488)

高压直流输电技术(HVDC)的广泛应用，使得其故障检测越来越重要。为了快速区分高压直流输电系统的故障类型，对系统中可能出现的各种故障进行了分析，例如逆变侧单相接地短路故障、两相短路故障、三相短路故障和直流输电线路故障。在否定典型行波检测方法之后，提出小波分析方法中的检测反向电压行波的方案，即采用Db3小波对高压直流输电系统不同类型故障的行波信号进行小波分析，通过使用MATLAB小波工具箱对故障点的反向电压行波进行5层分解，提出利用反向电压行波5层小波系数最大绝对值来区分直流故障和交流故障的方法。MATLAB仿真结果表明，直流故障的反向电压行波小波系数不被接地电阻值的大小所影响。该方法能够很好地完成高压直流输电的故障检测，并为以后的研究提供参考。

高压直流输电； 行波； 小波变换； Db3小波； 反向电压行波； 故障检测； 直流故障； 交流故障

0 引言

随着高压直流输电(high voltage direct current transmisson,HVDC)技术的逐渐成熟，其应用也日益普及。为保证电网运行的可靠性与安全性，直流输电线路的故障检测已成为当前研究的热点。高压直流输电线路发生故障后[1]，故障点会产生一组向两侧传播的随时间和频率变化的行波。该行波携带相应故障的信息，可用于故障检测和线路保护[2]。原有的文献表明，传统的典型行波保护方法很难对故障进行有效识别并在短时间内作出正确的保护决定。如果有噪声干扰，将大大增加故障识别的难度[3]。小波变换能实现时间和频域的局部变换。本文将以小波变换为工具，利用反向行波电压的故障信息来验证其是否具有适用于特征识别和行波保护的能力。

1 原理分析

1.1 HVDC系统结构和故障

HVDC系统主要由电网送端交流网络(Network Ⅰ)、交流变直流的换流变压器(YYΔ)，整流器、直流输电线路、逆变器、直流变交流的换流变压器和电网受端交流网络(Network Ⅱ)构成，实现将交流变为直流传输后再转化为交流的过程[4]。系统中的整流器和逆变器又称为换流器，是系统中的主要设备，能实现交流和直流的转换。

直流输电系统的故障分为直流故障和交流故障。本文主要研究直流故障中的直流线路故障和交流故障中的接地短路故障。

本文所设计的高压直流输电系统是典型的12脉冲桥[5]，其功能是将电流从500 kV、5 000 MV、60 Hz系统传输到345 kV、10 000 MV、50 Hz系统，使用的是500 kV、线长300 km的直流输电线路。HVDC系统结构如图1所示。

图1 HVDC系统结构图

1.2 故障识别方法

HVDC在实际应用中，由于直流传输线路长，非常容易出现故障，所以需要快速检测故障并识别故障类型，并在最短时间内作出补救。当高压直流输电系统的直流输电线路出现故障时，一般以行波保护作为主保护。传统的行波保护方案中，应用较为广泛的是ABB行波保护和SIEMENS行波保护[6]。这两种保护方案虽然动作快、识别范围广，但是存在一定的缺陷。由于其采用的电压和电流都是瞬时值，对噪声比较敏感，抗干扰能力不强，还存在误动作和不动作的情况，因此在实际应用中效果不理想[7]。

基于小波变换的行波保护具有优越的抗干扰能力和运行稳定性，本文应用小波变换对故障进行准确检测，以验证其能力。小波分析具有同时在频域和时域分析的优点，可以检测到正常原始信号中的暂态，并将其频率部分表示出来，以便分析[8]。Daubechies小波函数的支撑长度为2N-1，消失矩为N。DbN小波是没有显式表达式的(除N=1外)，但是其传递函数{hk}的模的平方却有显式表达式。故DbN小波的表达式为：

(1)

本文采用Daubechies小波中的Db3小波，作为分析HVDC故障时的母小波。Db3小波具有正交性和近似对称性，在故障检测中可以作为小波基函数。

1.3 反向电压行波的计算

以下通过小波变换，分析上述各种故障条件下产生的瞬态电压和电流[9]。HVDC模型设计采样时间为Ts=50 μs，对于40 ms的直流电压和电流，采用5层Db3小波变换。根据故障点处行波电压和电流，计算反向电压行波[10]。

(2)

式中:Vr为反向电压行波；Vd、Id分别为故障点传输行波电压和电流；Z0为HVDC的线阻抗。

2 仿真试验

2.1 正常运行

HVDC系统在正常运行情况下，电压和电流在额定值附近小幅度地变化，如图2所示。

图2 正常运行时的直流电压和电流曲线

将反向电压行波作为MATLAB小波工具箱的输入信号，以Db3小波作为母小波进行5层小波分析，正常工作情况下反向电压行波的绝对小波系数的最大值小于10。HVDC正常运行反向电压行波如图3所示。

图3 HVDC正常运行反向电压行波

2.2 逆变器交流侧单相接地短路故障

当HVDC系统在逆变器交流侧线路上受到单相接地短路故障时，端子R处的行波电压、电流直流电压和电流迅速降为0。当HVDC系统逆变器交流侧单相接地短路故障时，反向电压行波保持为负；从故障瞬间开始在30 ms内从0降至-500 V，如图4所示。

图4 单相接地故障反向电压行波

2.3 逆变器交流侧两相短路故障

HVDC系统逆变器交流侧两相故障时，线路完全断开。图5为逆变器交流侧两相故障时在端子R处的反向电压行波。同样地，其交流故障中的两相故障小波系数小于50，其极性在30 ms内保持相同。因此，交流故障既可以通过HVDC线路故障中检测小波系数识别，又可以通过具有极性改变的正常操作识别。

图5 两相故障反向电压行波

2.4 逆变器交流侧三相短路故障

当HVDC系统逆变器交流侧三相故障时，其电压和电流达到0，此时故障最为严重。图6是逆变器交流侧三相短路故障时端子R处的反向电压行波。相比于其他交流故障，三相故障时反向电压行波从0下降到负值的用时最短，故障发生最为迅速。

图6 三相故障反向电压行波

2.5 直流线路接地故障

在SIMULINK中模拟直流线路150 km处的接地故障，并从故障开始记录40 ms的直流电压和电流。通过得到的故障数据计算反向电压行波，且该故障数据已用于小波工具箱的输入信号。假设直流对地故障的故障电阻分别为1 Ω、5 Ω，通过仿真发现，1 Ω和5 Ω的故障电阻的直流线路接地故障反向电压行波波形几乎是一样的，如图7所示。由此可以看出，故障电阻的变化不会对行波传播所耗费的时间产生任何影响。无论故障电阻是1 Ω还是5 Ω，都不影响最终结果的测量，因此小波变换方法对于高压直流输电系统故障的检测更可靠。

图7 HVDC 直流线路故障反向电压行波

HVDC系统在各种不同工况下的小波系数最大绝对值可以清楚地将交流故障和直流故障区分开。经过小波工具箱的分析，得到结果如下。交流故障的小波系数的最大绝对值都在50以下，其中单相接地短路故障的第1～4层小波系数最大绝对值是1.4～26.9递增，两相短路故障是1.7～33.8递增，三相短路故障是2.3～45递增。而直流故障的小波系数最大绝对值都大于100，其中接地电阻为5 Ω的直流故障的1～4层小波系数最大绝对值是160～769递增，接地电阻为1 Ω的则是165～795递增。交流故障的小波系数最大绝对值远低于直流故障的小波系数。另外，在故障发生后的30 ms，反向电压行波的5层小波系数的极性不变，因此小波系数极性的变化也能作为识别换相故障的标准。

3 结束语

本文提出高压直流输电系统基于小波变换技术的故障检测方法，通过分别检测逆变器交流侧故障和直流输电线路故障的行波信号，利用Db3小波分析得到反向电压行波的5层小波变换系数，以区分故障类型。仿真结果表明，采用小波变换技术，反向行波电压的小波变换系数能够实现对HVDC直流故障和交流故障的区分。小波变换技术在高压直流输电故障检测方面的应用加快了检测进度，使高压直流输电故障检测技术得到了更快的发展。

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Reverse Voltage Traveling Wave Method for Fault Detection of HVDC Transmission

WANG Jinyu1,ZHAO Yuejiao1,KONG Dejian2,LÜ Jinmiao1

(1.School of Electrical Engineering and Information,Northeast Petroleum University,Daqing 163318，China；2.Maintenance Branch of State Grid North Hebei Electric Power Company,Beijing 102488，China)

The wide applications of HVDC transmission technology make its fault detection more and more important;in order to quickly distinguish the fault type of HVDC transmission system,various kinds of faults that may appear in the system are analyzed, by such as the single-phase grounding short-circuit fault at the inverter side,two-phase short circuit fault,three-phase short circuit fault,and DC transmission line fault.After denying the typical traveling wave detection method,the strategy of detecting reverse voltage traveling wave in Wavelet analysis is put forward,i.e.,the traveling wave signals of different faults in HVDC transmission system are analyzed by using Db3 wavelet,and the MATLAB wavelet toolbox is used to decompose the reverse voltage traveling wave of the fault point into 5 layers.It is proposed that using the maximum absolute value of the 5-layer wavelet coefficient of the reverse voltage traveling wave to distinguish the DC fault and AC fault.The MATLAB simulation results show that the wavelet coefficient of DC fault is not affected by the magnitude of the grounding resistance value.This method can well accomplish the fault detection of HVDC transmission and provide reference for research in future.

HVDC transmission; Traveling wave; Wavelet transform; Db3 wavelet; Reverse voltage traveling wave; Fault detection; DC fault; AC fault

王金玉(1973—)，男，博士，教授，主要从事电力电子与电力传动和信号检测与处理方向的研究。 E-mail:wangjydxl@126.com。 赵月娇(通信作者)，女，在读硕士研究生，主要从事电力电子与电力传动方向的研究。E-mail:956221173@qq.com。

TH165；TP301

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201706020

修改稿收到日期:2017-02-06