PDF《利用行波电压分布特征的柔性直流输电线路单端故障定位》

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0 0 / A E P S

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7 利用行波电压分布特征的柔性直流输电线路单端故障定位 宋国兵1 ,李德坤2 ,靳东晖1 ,冉孟兵1 ,靳幸福1 ,郭润生3 ( 1. 西安交通大学电气工程学院,陕西省西安市

7 1

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4 9;

2. 山东电力集团公司济南供电公司,山东省济南市

2 5

0 0

1 2;

3. 山西朔州供电分公司,山西省朔州市

0 3

6 0

0 2 ) 摘要:提出了一种基于分布参数模型的柔性直流输电线路单端故障定位原理.由于柔性直流输电 线路两端并联有大电容, 直流线路发生单极接地故障后, 1模故障分量网络中的电压行波具有以下 2个特点: 在两端直流母线处全反射, 故障点处主要为折射;

反射改变极性, 折射不改变极性.据此 可以在1模故障分量网络中计算本端第1次电压反射波及其前行路径上的电压分布, 找出该电压 分布的最强正跳变点, 该点到对端的距离即为故障距离.该方法的故障定位精度高, 理论上不受过 渡电阻的影响, 无需人工识别行波波头, 易于实现故障定位的自动化, 仿真结果表明该方法具有全 线的适用性. 关键词:柔性直流输电;

故障定位;

单端电气量;

行波电压分布 收稿日期:

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2 1;

修回日期:

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1 3 -

0 6 -

2 7. 国家自然科学基金资助项目(

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2 8,

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0 5) ;

教育部博士点基金资助项目(

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0 2

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1 1

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5 6 ) .

0 引言 柔性直流输电( HV D CF l e x i b l e ) 可实现有功功 率和无功功率的解耦控制, 其输电方式具有经济、 灵活、 高质量、 高可控性的特点, 在实际应用中的控制 方式则更加丰富[

1 - 2] .它不但可以将可再生能源发 电和分布式电源接入电网, 还在孤岛供电、 城市电网 供电、 异步交流电网互联等领域具有广阔的应用前 景[ 3] .为了保障柔性直流输电线路正常稳定 地运行, 必须及时查找和清除线路故障.因此, 研究柔性 直流输电线路故障定位具有理论意义与实用价值. 直流输电线路故障定位方法可分为故障分析法 和行波法[

4 ] .近年来很多学者对故障分析法作了深 入研究: 文献[

5 ] 给出一种直流输电线路的双端故障 定位方法, 该方法定位精度高、 对采样频率要求低;

文献[

6 ] 提出仅利用单端电气量的故障定位方法, 但 易受对端换流器调节作用的影响;

文献[

7 ] 针对柔性 直流输电线路提出一种利用电流固有频率的故障定 位原理, 取得了较好的效果.目前投入商业运行的 直流线路故障定位方法仍以行波法为主[

8 -

1 2 ] .行波 故障定位通过标定2个行波波头之间的时间差来实 现故障定位.该方法响应速度快且理论上不受线路 类型、 过渡电阻、 两侧系统参数、 故障类型等因素的 影响, 具有较高的测距精度.但它很难区分故障点 处和对端母线处的反射波, 需要人工介入识别行波 波头, 因此, 很难实现故障定位的自动化. 鉴于目前直流输电线路故障定位研究现状, 本 文针对最为常见的两电平或三电平换流器结构的柔 性直流输电线路, 提出一种利用行波电压分布特征 的自动故障定位方法, 它在1模故障分量网络中标 定本端第1次电压反射波及其前行路径上电压分布 的最强正跳变点所处的位置实现故障定位.理论分 析和仿真验证表明, 该方法原理正确且具有较高的 定位精度, 可实现故障定位自动化.

1 柔性直流输电系统结构 图1所示即为柔性直流输电系统结构简图.图中j 端代表整流侧, k 端代表逆变侧.该系统采用 电压源换流器的结构, 明显的特征就是在两侧换流 站并联很大的电容. 图1 柔性直流输电系统结构 F i g .

1 S t r u c t u r eo fH V D CF l e x i b l e t r a n s m i s s i o ns y s t e m 研究发现, 并联电容的结构特征使得故障后短 期内, 两端的换流站在1模故障分量网络中可以近 似等效为电容, 进而得出电压行波具有在两端直流 母线处全反射、 故障点处反射弱以及反射改变极性、 折射不改变极性的特点.以上是本文故障定位方法 实现的基础, 下面将从电容等效以及直流母线处、 故 障点处的折反射特征分别进行分析. ―

3 8 ― 第37卷第15期2013年8月10日Vol.37No.15Aug.10,

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2 故障行波折反射分析 2.

1 1模故障分量网络电容等效 柔性直流输电线路故障后, 1模故障分量网络 严格上应该用图2 ( a ) 表示, 即不能忽略换流站的影 响, 其中Zr e c, Zi n v, Rf, C 分别为整流站等效阻抗、 逆 变站 等效阻抗、 接地过渡电阻、 换流站并联电容;

Δ i j 1和Δik1分别为整流侧和逆变侧直流线路的1模 故障分量电流;

Δ i j c 1和Δikc1分别为整流侧和逆变侧 并联电容 注入直流线路中的1模故障分量电流;

Δ i r e c 1和Δiinv1分别为整流站和逆变站注入直流线路 中的1模故障分量电流.图2( b) 为故障后短时间 内的等效网络, 其中u 代表行进到直流母线处的电 压初始行波, 幅值为E. 图2 1模故障分量网络 F i g .

2 O n e - m o d e f a u l t c o m p o n e n tn e t w o r k 为说明换流站可以等效为电容的合理性, 现对 图2 ( a ) 中各1模故障分量电流进行仿真考察, 其波 形如图3所示.其中仿真的线路长度为10

0 0k m, 正极金属性接地故障发生在距整流侧3

0 0k m 处, 故障时刻为1. 5s , 图中给出故障前0.

5 τ 和故障后

3 τ 范围的波形( τ 为1模行波从线路本端传到对端 所需要的时间) . 图3 故障分量电流波形 F i g .

3 C u r r e n tw a v e f o r m so f f a u l t c o m p o n e n t 从图3可以看出, 在故障后3 τ 范围中, 电容上 的1模故障分量电流 Δ i j c

1 和整流侧线路的1模故 障分量电流 Δ i j 1近似相等, 并且整流站注入直流线 路的电流 Δ i r e c 1几乎为0, 即可以近似认为整流站不 向线路提供1模故障分量电流, 该分析同样适用于 逆变侧.因此, 1模故障分量网络在故障后3 τ 范围 可以等效为图2 ( b ) 所示的网络, 即两端换流站系统 在故障后短期内能够等效为电容. 2.

2 直流母线处行波折反射分析 由2. 1节电容等效可知, 故障后的短期内, 1模 故障分量网络见图2 ( b ) .根据彼得逊法则, 直流母 线处行波折反射规律可用图4所示等效电路表示. 图4 等效电路 F i g .

4 E q u i v a l e n t c i r c u i t 在图4( a ) 中, ub 为入射波u 在电容处的反射 波;

Zc 为输电线路的波阻抗.图4( b) 即为彼得逊 等效电路, 为求解方便, 此处用拉普拉斯变换的形式 表示, 其中UC( s) 为电容电压.根据分压原理易得: UC( s) =

2 E s

1 s C Zc+

1 s C =2 E

1 C Zc ss+

1 C Zc ? è ? ? ? ÷ (

1 ) 将式(

1 ) 变换到时域可得: uC=2 E( 1-e - t C Z c ) (

2 ) 电容上的电压为入射波和反射波之和, 即uC= u+ ub (

3 ) 联立式(

2 ) 和式(

3 ) 可得反射波为: ub= uC- u=E-2 E e - t C Z c (

4 ) 由式(

4 ) 可见, 入射行波在刚到达直流母线处, 即t=0时, 反射波电压ub=-E, 也就是说电压行 波在到达电容处时的瞬间发生了全反射, 并改变极 性.该特点可用反射系数 KC 表示, 记为 KC=-1. 2.

3 故障点处行波折反射分析 文献[

1 3 ] 得出在双极直流输电线路中电压行波 不仅会发生相同模量间的折反射, 还会发生不同模 量间的折射, 此特点可用下述折反射系数表示: K1 1= -Zc

1 Zc 1+Zc 0+4 Rf H1 1= Zc 0+4 Rf Zc 1+Zc 0+4 Rf H1 0= -Zc

0 Zc 1+Zc 0+4 Rf K0 0= -Zc

0 Zc 1+Zc 0+4 Rf H0 0= Zc 1+4 Rf Zc 1+Zc 0+4 Rf H0 1= -Zc

1 Zc 1+Zc 0+4 Rf ì ? í ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (

5 ) ―

4 8 ―

2 0

1 3,

3 7 (

1 5 ) 式中: Zc 1和Zc 0分别为输电线路1模和0模波阻抗;

K1 1和H1 1分别为1模电压行波间的反射系数和折 射系数;

H1

0 为1模到0模的电压行波折射系数;

K0 0和H0 0分别为0模电压行波间的反射系数和折 射系数;

H0 1为0模到1模的电压行波折射系数. 由H1 1的表达式不难得到1模电压行波间的折 射系数会随着过渡电阻的增大而增大, 则当过渡电 阻为0时有最小值 H1

1 m i n=Zc

0 / ( Zc

0 +Zc 1) ≈2 / 3, 因此, 1模电压行波在故障点处的折射要大于反射, 且根据 K1

1 和H1

1 的表达式可见, 故障点处反射改 变极性, 折射则不改变极性. 综上可得1模故障分量网络中的电压行波特点 为: ①在直流母线处会发生全反射, 在故障点处折射 要大于反射;

②反射改变极性, 折射不改变极性.

3 行波网格图分析 本文的故障定位方法是基于行波传播规律实现 的, 因此有必要对图5所示的行波网格图进行分析. 图5 行波网格图 F i g .

5 G r i dd i a g r a mo f t r a v e l l i n gw a v e 图5是故障分量网络下的行波网格图;

F 代表 故障点;

实线代表1模电压行波, 虚线代表0模电压 行波;

折反射较弱的行波用细线表示, 折反射较强的 行波用粗线表示;

点划线代表行波的反向延长线. 此外, 文献[

1 3 ] 证明故障点处的电压初始行波 可用式(

6 ) 求得: U0= -

2 Zc

0 U Zc 1+Zc 0+4 Rf U1= -

2 Zc

1 U Zc 1+Zc 0+4 Rf ì ? í ? ? ? ? ? ? (

6 ) 式中: U 为故障前的线路电压;

U0 和U1 分别为0模和1模电压初始行波的大小.由此可见, 各模量的 电压初始行波 F A, F A1, F I 1, F I

2 都是负极性 的, 在图中用负号表示;

正极性用正号表示.由图5可见, 如果要从j 端检测到对端直流母线第1次反射 的1模电压反行波L J, 至多需要 A 点所在时间后

2 τ 时间窗的数据, 即t A 至t K . 本节的分析旨在得出如下命题是正确的: 无论 是近端故障还是远端故障, 在t A 至t K 时间窗内, j 端接收到的所有1模电压反行波中, 来自对端母线 第1次反射的反行波L J 是最强的正极性反行波. 以上命题的正确性是本文故障定位的关键所 在, 下面将给出详尽的分析证明过程. 3.

1 近端故障 图5 ( a ) 为近端故障, 故障位置 在线路的3/10处.由于B1 至B7 点到k 侧的前行波及其后续行 波和A7 至A1

1 点的反射波及其后续行波不会在j 端t A 至t K 时间窗内产生反行波, 因此为了简明起 见, 这些行波没有标示出.此外, 故障点处1模到1 模的电压行波反射较弱, 因此1模电压行波 A B 经过2次反射得到的行波 B2 A6 已经很小, 因此行波 B2 A6 后续的行波也不再标示出. 首先分析k 端母线处0模反射波I

2 B6 的影响: 易知I

2 B6 产生的1模反行波B6 A1 2是否在j 端tA至t K 时间窗内是与故障距离有关的, 但是B6 A1 2的极性为负却与故障距离无关, 因此不会影 响前述命题的证明;

I

2 B6 也会产生正极性1模反行 波B7 A1 4, 但是根据行波的行程关系易知, B7 A1 4是 不在j 端t A 至t K 时间窗内的, 因此也不会影响前 述命题的证明. 综上所述可知, k 端的0模反射波不会影响前 述命题的证明, 因此可以将其忽略.则根据前述行 波折反射分析以及式(

5 ) 可以得出如下结论: ①电压 行波在线路两端电容处和故障点处反射会改........