基于能量分布的特高压直流输电线路雷电暂态识别方法

黄然， 束洪春， 龚振， 王辉春， 于宗俊

(1.云南电网电力研究院，云南 昆明 650217；2.昆明理工大学 电力工程学院，云南 昆明 650051；3.云南电网有限责任公司普洱供电局，云南 普洱 665000)

0 引 言

由于特高压直流输电的输送容量大、输电距离远、输电线路长，常需跨越恶劣的地理环境，面对更为严酷的自然条件，因此在特高压直流输电线路上更容易发生雷击故障。当输电线路遭到雷击时，通常会产生负极性的雷电流，该雷电流以行波的形式从雷击点向线路两端传播，这就导致暂态信号中存在了大量的高频分量。在行波保护以及暂态保护中，保护装置可能由于捕捉到雷电行波，造成了保护误动作，从而危及输电线路、保护装置以及整个电力系统的安全运行稳定性。这就要求维护人员必须对故障性雷击、雷击干扰和普通短路故障信号能够进行正确有效的识别[1-4]。

在此之前，国内外许多学者已经对雷电信号的识别进行过了大量的研究。文献[5-7]主要分析了在发生非故障性以及故障性绕击时保护安装处电压、电流的暂态特性，对雷击误动进行了优化。文献[8]对雷击故障和接地短路故障时的时域和暂态能量特征进行分析，以此对两种故障进行识别，并通过仿真验证其有效性，但该方法的保护整定较困难。文献[9]利用暂态量的线模和零模特征差异构成判据，以此感应区分雷击和短路故障，但该方法只能识别感应以上两种故障，有其局限性。文献[10]分析了暂态信号的附加电流分量特征，利用雷击故障起始时刻后基波电流的相量变化率对雷击干扰进行识别。文献[11]分别对线路扰动后时间轴上方和下方的暂态电流波形进行积分运算，以此识别雷击干扰和短路故障，但在此方法中交流母线的结构会对识别结果造成影响。文献[12]基于暂态信号的波性特征，提出一种计算速度快、抗噪能力强的短时窗电压均值雷击干扰识别算法，其可靠性较高。

本文在分析雷击故障、雷电干扰和普通接地短路故障信号暂态特性的基础上，利用小波变换对3 ms数据窗内暂态信号的衰减程度进行分析，总结出不同暂态信号在各频带上暂态能量的分布特征，并在此基础上分别提出了不同的识别方法。同时，本文还利用小波能谱熵来反映电流或电压频率空间的能量分布信息，实现对故障和雷电干扰信号的识别，进一步实现识别和区分普通短路故障和雷电故障。并在识别出暂态信号的基础上，采用能量相对熵对故障极进行了选择。基于EMTP/PSCAD搭建了特高压直流输电仿真模型，大量仿真结果表明，本方案适用于不同的雷电流水平、故障距离和过渡电阻情况。

1 小波变换能谱熵的介绍

(1)

随着窗的滑动，可以得到小波能谱熵随时间的变化规律。式(1)的定义中，尺度空间与频率空间具有一定的对应关系。对于电力系统采集的电流、电压暂态信号，式(1)定义的小波能谱熵能反映电流或电压频率空间的能量分布信息。因为小波函数在频域与时域上均不具有脉冲性质，而是具有一定的支撑空间，因此在尺度空间上对电流或者电压能量的划分，同时反映了电流或者电压在时域与频域上的能量分布特征。

2 雷电暂态特性及信号能谱熵分析

雷电流多为负极性，根据同性相斥、异性相吸的原理，直流输电线路以雷击正极线路为主。雷击输电线路分为绕击和反击，绕击是雷电流绕过避雷线击中导线，反击包括雷击杆塔顶部和雷击避雷线档距中央。

根据保护安装处测得的两极电压数据，采用Karenbauer相模变换进行电磁解耦：

(2)

取线模电压与正极轴线电压差的标幺值进行暂态分析，即：

(3)

式中：um1为线模电压；u+(t)为正极电压；u-(t)为负极电压；U+为正极轴线电压，等于800 kV。

2.1 雷击未故障暂态特性分析

2.1.1绕击未故障

直流线路发生绕击未故障时，在雷击点处叠加了一个电流源，但是由于未引起线路故障，因此没有形成故障电流入地通道。距离整流侧保护安装处500 km发生绕击未故障时，正、负两极电压波形如图1示。

图1 绕击未故障时两极电压波形

从图1可看出，绕击干扰时，两极电压围绕各自极电压轴线上下交替变化，包含大量的暂态分量。由于电磁耦合的作用，两极直流线路中暂态电压波动呈现出相反极性。

由式(3)计算的暂态电压，进行小波分解求出频率含量，分析高频信号的衰减程度，取部分结果如表1所示，其中小波分解采用的分解层数为7，选择小波基为db4。

结合表1可以看出，绕击未故障情况下，由于不存在故障电流入地通路，保护安装处检测到的高频电压信号的衰减较慢。行波刚到达整流侧保护安装处时，高频分量的能量熵较大，低频部分较小。

表1 绕击未故障时小波能谱熵

2.1.2反击未故障

直流线路发生反击未故障时，在雷击点处叠加了一个电流源，但是由于未引起线路故障，因此没有形成故障电流入地通道。距离整流侧保护安装处500 km发生反击未故障时，正、负两极电压波形如图2示。

图2 反击未故障时两极电压波形

从图2可看出，反击干扰时，两极电压围绕各自极电压轴线上下交替变化，包含大量的暂态分量。反击干扰在两极线路上呈现出相似的暂态电压波动。

由以上方法求得的小波能谱熵如表2所示。

结合图2和表2可以看出，由于反击干扰在两极线路上呈现出相似的电压变化，根据式(3)计算出的暂态电压幅值很小，高频分量被抵消，在反击干扰持续的时间内，暂态信号的复杂度变化不大。

表2 反击未故障时小波能谱熵

2.2 雷击故障暂态特性分析

直流输电线路发生雷击故障时，绝缘子闪络，形成故障电流入地通道，保护安装处的故障极电压出现电压幅值骤降。为节省篇幅，以绕击故障为例进行分析。图3为绕击故障时两极电压波形。

图3 绕击故障时两极电压波形

绝缘子闪络后，发展为短路故障，高频能量快速衰减。对式(3)计算的暂态电压。进行小波分解，求出频率含量，分析高频信号能量衰减程度，所得能谱熵如表3所示。

表3 绕击故障时小波能谱熵

由表3可以看出，在雷击故障情况下，由于存在故障电流入地通路，保护安装处检测到的高频电压信号衰减较快。行波刚到达整流侧保护安装处时，由于大量高频信号的存在，信号复杂度发生突变，此后信号衰减加快。因此暂态信号中低频信号比高频信号能量所占成分更多。

2.3 普通接地故障暂态特性分析

直流输电线路发生普通接地短路故障时，由于存在故障电流入地通道，保护安装处测量的暂态电压波形特征与雷击故障时类似，如图4所示。

图4 短路故障时两极电压波形

对式(3)计算的暂态电压，在雷击发生后的小波能谱熵如表4所示，分析高频信号的能量占比。

表4 短路故障时小波能谱熵

结合图4和表4可以看出，发生普通接地短路故障的情况下，由于存在故障电流入地通路，保护安装处检测到的高频电压信号的衰减较快，暂态信号中高频分量较少，中低频分量较多，与发生雷击故障时类似。

3 识别方案

根据以上分析，结合不同暂态信号小波能谱熵的差异构成保护判据，可实现特高压直流输电线路上绕击未故障、反击未故障和故障信号的识别。

本文设置采样频率为20 kHz，选用db4小波，移动窗参数w=50，步长δ=1，在尺度7下计算系统各区间的小波能谱熵值。

设1.60～3.21 kHz、0.80～1.61 kHz、0.40～0.80 kHz、0.20～0.40 kHz、0.10～0.20 kHz 分别为WEE1、WEE2、WEE3、WEE4、WEE5取

(4)

则雷电识别判据如式(5)、式(6)所示：

kset2>k>kset1

(5)

k

(6)

当满足式(5)时，识别为雷击干扰信号；满足式(6)时，识别为雷击故障；否则，识别为短路故障信号。根据大量仿真分析结果并考虑一定的裕度，本文中kset1取为1，kset2取为3.5。

本文所提的UHVDC线路雷电暂态信号识别方案流程如图5所示。

图5 雷电暂态识别原理框图

4 仿真验证

为验证本文所提雷电暂态识别方案的有效性，在PSCAD/EMTDC中搭建了±800 kV特高压直流输电系统仿真模型，对多种故障和干扰情况进行了仿真分析。

4.1 绕击故障仿真

直流输电线路发生正极雷电绕击故障时，按本文所提方案，仿真计算结果如表5所示。

表5 绕击故障仿真结果

由表5可以看出，发生绕击故障时，保护方案在不同的故障距离和雷电流水平下，计算得到的k和HE均满足保护判据，可将暂态信号识别为绕击故障信号，并可进行故障极的正确选择。

4.2 反击故障仿真

反击故障仿真如表6所示。

表6 反击故障仿真结果

4.3 普通短路故障仿真

直流输电线路发生正极线路普通接地短路故障时，按本文所提方案，仿真计算结果如表7所示。

表7 短路故障仿真结果

由表7可以看出，发生普通接地短路故障时，在不同的故障距离和接地电阻情况下，计算得到的k和HE均满足保护判据，可将暂态信号识别为短路故障信号，并可进行故障极的正确选择。

4.4 绕击未故障仿真

直流输电线路发生绕击未故障时，按本文所提方案，仿真计算结果如表8所示。

表8 绕击未故障仿真结果

由表8可以看出，发生绕击未故障时，保护方案在不同的故障距离和雷电流水平下，计算得到的k均满足保护判据，可将暂态信号识别为绕击未故障信号。

4.5 反击未故障仿真

直流输电线路发生绕击故障时，按本文所提方案，仿真计算结果如表9所示。

表9 反击未故障仿真结果

由表9可以看出，发生反击未故障时，保护方案在不同的故障距离和雷电流水平下，计算得到的k均满足保护判据，可将暂态信号识别为反击未故障信号。

5 结束语

本文在分析故障暂态信号不同频率的能量分布的基础上，提出了基于不同频率的信号能量分布不同的识别方法。通过小波能谱熵值将绕击干扰、反击干扰与故障信号区分。整个暂态信号识别过程仿真计算方便，整定简单，仅利用3 ms的数据窗，保护动作速度快。大量仿真结果表明，本方案受故障位置、过渡电阻和雷电流水平等因素的影响小，具有较好的适应性。