潘衛(wèi)龍，彭奎，夏勝忠

(浙江省送變電工程公司輸電一分公司，浙江 杭州 310016)

基于同步電流測量的多端直流系統(tǒng)故障定位

潘衛(wèi)龍，彭奎，夏勝忠

(浙江省送變電工程公司輸電一分公司，浙江 杭州 310016)

針對現(xiàn)存多終端直流傳輸(MTDC)系統(tǒng)靈活性差和可靠性低的問題，提出一種新的基于行波系統(tǒng)故障定位方法，利用小波變換和同步電流測量來確定故障位置。首先通過排除不可能為故障的線路來區(qū)分故障區(qū)段，然后提出一種評(píng)估指標(biāo)，以確定故障區(qū)段所包含的所有線路中的故障線路，最后構(gòu)建并求解故障開始時(shí)間、故障位置和首次到達(dá)各個(gè)檢測器時(shí)間的線性方程組。仿真結(jié)果表明，具有高精度、噪聲免疫和故障阻抗魯棒性，其中高阻抗魯棒性是最大優(yōu)勢。

多終端直流(MTDC)系統(tǒng)；小波變換；行波；電流浪涌；阻抗魯棒

0 引 言

多終端直流(Multi-terminal DC，MTDC)[1]傳輸系統(tǒng)在工程項(xiàng)目和實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用非常廣泛。如風(fēng)電場應(yīng)用中通常優(yōu)先使用高壓直流電纜[2]，MTDC傳輸是大型海上風(fēng)電場[3-4]最合適的選擇。MTDC系統(tǒng)應(yīng)該充分考慮成本，可靠性，靈活性和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[5]，其中故障定位于檢測是MTDC系統(tǒng)必須解決的問題，它與可靠性和靈活性密切相關(guān)。

基于行波的MTDC故障定位卻是一項(xiàng)非常困難的任務(wù)，因?yàn)椴煌瑱z測器最短路徑變化會(huì)導(dǎo)致故障位置的變化。文獻(xiàn)[6]提出了一種分段線性優(yōu)化方法，使用電力系統(tǒng)中多個(gè)行波檢測器定位故障位置，不過分段優(yōu)化并沒有明顯提升定位的準(zhǔn)確度。文獻(xiàn)[7]提出了星型連接MTDC輸電線路中的故障定位算法，然而，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可靠性較低。

本文提出了一種MTDC系統(tǒng)故障定位的新方法，使用有限個(gè)位置的測量，降低了計(jì)算負(fù)擔(dān)，利用簡單技術(shù)來盡可能限制可能故障線路數(shù)。該方法無需其他行波特征，回避了檢測隨后到達(dá)浪涌和提取其他行波特征的困難。

1 提出的故障定位方法

1.1 確定故障線路

相對于單一線路，每個(gè)檢測器最短路徑、包括此路徑的線路都相對于MTDC系統(tǒng)故障位置而變化[8]。假設(shè)故障發(fā)生在傳輸線路(i,j)。由于初始行波朝向端子i和j傳播，第一次到達(dá)任意檢測器的浪涌必然經(jīng)過其路徑上的這些檢測器。由安裝在終端k的檢測器確定的浪涌到達(dá)時(shí)間可推導(dǎo)為：

(1)

式中Ti,k和Tj,k分別為浪涌經(jīng)過終端k到終端i和j最短路徑的時(shí)間。

(2)

上述關(guān)系表示，從線路上l任意點(diǎn)至檢測器p的最短路徑比到檢測器q的短。因此，對于線路l上的故障，浪涌到達(dá)檢測器p之前不能檢測到首次到達(dá)檢測器q的浪涌，否則，可以得出結(jié)論，故障已定位在某線路而不是線路l。利用此屬性排除不可能故障的線路。圖1表示用于故障區(qū)段限制的算法流程圖。

圖1 用于故障區(qū)段限制的算法流程圖

1.2 故障線路識(shí)別

(3)

(4)

改變式(4)下邊界為-Ti,j+tf,j+t0，因此，不等式簡化為：

(5)

用同樣的方法，可以得出結(jié)論：

(6)

(7)

(8)

因此，下面的評(píng)估指標(biāo)理論上等于零，實(shí)踐中會(huì)取一個(gè)非常小的值，對于故障線路：

(9)

1.3 首次到達(dá)浪涌的時(shí)間方程

令Si和Sj分別為到達(dá)浪涌經(jīng)過終端i和j的檢測器索引集合。提取從故障點(diǎn)到各檢測器的行程時(shí)間方程，相應(yīng)的方程組如下：

(10)

考慮到tf,j=Ti,j-tf,i，上述方程組可以改寫為矩陣形式：

(11)

這是一個(gè)超定線性方程組，使用最小均方(Least Error Square, LES)方法[9]可以求解其兩個(gè)未知數(shù)就可以精確得到故障位置及其開始時(shí)間。

1.4 故障定位

圖2 提出的故障定位算法流程圖

式(11)產(chǎn)生精確的故障定位，識(shí)別行波到達(dá)各檢測器的時(shí)間。同時(shí)進(jìn)行時(shí)域和頻域分析。由于離線執(zhí)行故障位置計(jì)算，選擇連續(xù)小波變換(Continuous Wavelet Transform，CWT)[10]，以精確檢測測得信號(hào)[11]的突變。故障定位算法如圖2所示。

2 仿真結(jié)果與分析

為了評(píng)估本文故障定位方法的適用性，本小節(jié)包含單環(huán)、兩個(gè)網(wǎng)格和三條徑向線路的復(fù)雜MTDC測試系統(tǒng)，在該測試系統(tǒng)上進(jìn)行了大量的故障仿真，其中，MTDC測試系統(tǒng)和它的圖形表示分別如圖3 (a)和圖3(b)所示。

2.1 故障定位結(jié)果

表1表示了三種故障情況：線路(p，g)的開始、中間和末端。根據(jù)計(jì)算出的浪涌到達(dá)時(shí)間獲得故障開始時(shí)間和位置?？梢钥闯觯岢龅姆椒ú还躆TDC系統(tǒng)多么復(fù)雜都能精確定位故障位置。

2.2 估計(jì)精度的噪聲影響

針對線路(p，g)上五種不同故障，使用60、50和40 dB的白高斯噪聲污染產(chǎn)生的行波。表2總結(jié)了故障定位結(jié)果。估計(jì)精度確保通過定義適當(dāng)閾值拒絕不想要的WT系數(shù)能夠正確識(shí)別首次到達(dá)時(shí)間。從表2可以看出，提出的方法對噪聲免疫具有魯棒性。

2.3 高阻抗故障

提出的方法最大優(yōu)勢是其對故障阻抗的魯棒性。表3為具有各種故障阻抗的線路(c，h)上的仿真故障實(shí)例，可以觀察到，只要故障阻抗在實(shí)際范圍內(nèi)，即使噪聲存在也能精確地確定故障位置。

圖3 (a)研究的MTDC測試系統(tǒng)，(b)對應(yīng)的圖形表示

距終端P的故障距離/km檢測器位置abcde浪涌到達(dá)時(shí)間/μs故障開始時(shí)間/μsFS中包含的線路數(shù)EIa/μs故障定位誤差10預(yù)期1275.81551.71344.81586.21620.61000檢測127915551349159016241003.412.410.00059%35預(yù)期1448.21379.31517.21413.71724.11000檢測145313851522141817271004.514.340.051%50預(yù)期1551.71275.81482.71310.31620.61000檢測155612791486131516251004.0613.270.045%

表2 噪聲對故障定位精度的影響

表3 高阻抗故障的故障定位精度

3 結(jié)束語

本文提出了一種新的基于行波的故障定位方法，適用于MTDC系統(tǒng)廣域故障定位。由于該方法只需要首次浪涌到達(dá)各種檢測器位置的時(shí)間，因此，完全消除了檢測隨后到達(dá)浪涌和提取其他特征的實(shí)際困難。雖然提出的方法利用安裝在換流站的有限個(gè)行波檢測器，不管網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)多復(fù)雜，如環(huán)數(shù)、網(wǎng)格數(shù)和徑向線路數(shù)，它都能精確定位故障位置。且該方法對故障阻抗的高噪聲免疫性和魯棒性。

[1] 劉龍龍, 馬曉春. VSC-MTDC輸電系統(tǒng)的新型混合式控制策略[J]. 中國電力, 2014, 47(8): 51-56.

[2] FLETCHER S D A, NORMAN P J, GALLOWAY S J, et al. Determination of protection system requirements for DC unmanned aerial vehicle electrical power networks for enhanced capability and survivability[J]. Iet Electrical Systems in Transportation, 2011, 1(4):137-147.

[3] 戴金水, 朱淼. VSC-MTDC聯(lián)網(wǎng)風(fēng)電場的交流故障穿越控制[J]. 電氣自動(dòng)化, 2016, 38(1): 26-30.

[4] 趙成勇, 許建中, 李探. 全橋型MMC-MTDC直流故障穿越能力分析[J]. 中國科學(xué)(技術(shù)科學(xué)), 2013, 31(1):106-114.

[5] SHARAFI A, SANAYE-PASAND M, JAFARIAN P. Ultra-high-speed protection of parallel transmission lines using current travelling waves[J]. Iet Generation Transmission & Distribution, 2011, 5(6): 656-666.

[6] KORKALI M, ABUR A. Robust fault location using least-absolute-value estimator[J]. Power Systems IEEE Transactions on, 2013, 28(4): 4384-4392.

[7] 史迪鋒. VSC-MTDC故障特征分析與保護(hù)策略研究[D]. 華北電力大學(xué), 2014.

[8] 高坤, 何怡剛, 于文新,等. 基于曲波分析和ELM模擬電路故障診斷方法[J]. 湘潭大學(xué)自然(科學(xué)學(xué)報(bào)), 2014, 36(3): 111-116.

[9] 付華, 王燦祥, 李文娟,等. 基于改進(jìn)的LMS-CSP算法管道泄漏點(diǎn)定位方法研究[J]. 計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究, 2015, 32(10): 2940-2942.

[10] NANAYAKKARA K, RAJAPAKSE A, WACHAL R. Traveling-wave-based line fault location in star-connected multiterminal HVDC Systems[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2013, 27(4): 2286-2294.

[11] 趙季紅, 雷佩, 王偉華,等. 基于小波變換的RLS波束成形算法研究[J]. 電信科學(xué), 2015, 31(2): 108-112.

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

潘衛(wèi)龍(1987-)，男，江蘇連云港人，助理工程師，本科，研究領(lǐng)域：直流輸電線路、故障定位等。 彭奎(1990-)，男，江蘇宿遷人，助理工程師，本科，研究領(lǐng)域：直流輸電線路、故障定位等。 夏勝忠(1970-)，男，浙江奉化人，技師，研究領(lǐng)域：直流輸電線路、故障定位等。

定稿日期: 2016-06-29