双极直流输电线路暂态高频小波能量保护

金恩淑，马仲涛，夏国武，许 晶

(1.东北电力大学 电气工程学院，吉林 吉林 132012；2.安徽省电力公司蚌埠供电公司，安徽 蚌埠 233000；3.国网通辽供电公司，内蒙古 通辽 028000)



双极直流输电线路暂态高频小波能量保护

金恩淑1，马仲涛2，夏国武3，许 晶1

(1.东北电力大学 电气工程学院，吉林 吉林 132012；2.安徽省电力公司蚌埠供电公司，安徽 蚌埠 233000；3.国网通辽供电公司，内蒙古 通辽 028000)

随着高压直流输电的推广，针对直流系统的保护配置也在不断改进。直流线路作为直流输电系统的核心元件，其保护配置一直是研究重点。本文利用小波变换提取故障暂态时电压高频信号，通过检测电压高频信号小波能量突变量的大小及比较正负极小波能量的大小，提出一种直流输电线路的全线速动保护新方法。该方法原理简单、动作迅速、耐过渡电阻能力强。利用PSCAD搭建仿真模型，对各种类型故障进行仿真，结果表明，该保护具有绝对的选择性，能有效可靠保护直流线路全长。

直流输电；高频信号；暂态保护；小波变换

直流输电技术作为一个新兴的输电技术，由于其输送容量大、输送距离远、建造成本低、无同步运行等特点在远距离大容量、非同步运行、海岛供电等项目中较交流具有明显的优势。中国由于其人口分布不均匀，能源中心与负荷中心距离遥远等基本国情问题给直流输电提供了广阔的运用空间及发展前景。我国相继建设了向家坝—上海、锦屏—苏南、宁东—山东等多条大容量远距离的特高压直流输电线路，就已投运的直流输电容量而言，我国已是一个直流输电大国，但对于关键技术的研究还很薄弱。线路工作环境恶劣、故障率高、故障后对系统影响巨大，因此线路保护的研究一直是国内外学者关注的重点[1-2]。

目前我国的直流输电线路保护多数是由ABB与Siemens公司所提供，主保护为行波保护。直流线路发生故障时，会从故障点向线路两端传播故障行波，即反行波。行波保护就是利用反行波来识别故障。行波保护动作迅速，能实现全线速动，但行波保护存在耐过渡电阻能力不高，且理论不严密，缺乏整定依据而需要通过仿真进行整定等问题。后备保护为低电压保护及电流差动保护。低电压保护的原理为当电压低于一定程度时，保护将会启动，但低电压保护对多高阻接地故障与区外故障无法区分，缺乏选择性。电流差动保护的作用是切除高阻接地故障，但运用在直流输电系统中具有一定延时性，原因是当区外发生故障时，直流端电压的改变会导致分布电容充放电，会影响差动电流的计算，保护需要躲过这段时间，因此具有延时性。在多起高阻接地事故中，纵联差动未及时动作，导致极控低压保护或最大触发角保护动作而闭锁故障极，使系统直接停运，失去了重启的机会[3-5]。

针对直流输电线路保护存在的易误动、整定困难、耐过渡电阻能力不足等问题，国内外专家学者进行了大量的研究。文献[6]提出一种利用平波电抗器和直流滤波器组成的物理边界的特性，构建了直流输电线路单端电气量保护。该保护利用物理边界对高频信号的阻滞作用来区分区内外故障，但由于长距离输电线路对信号也有衰减作用，因此该方法无法区分区内末端高阻故障与区外故障，失去了选择性。文献[7]改进了纵联差动保护原理，利用故障暂态时整流侧与逆变侧电流突变极性变化构成保护判据，该原理利用了故障分量方法提取特征信号，削弱了过渡电阻的影响，能够对大部分高阻接地故障正确动作，但未考虑故障极对正常极的影响，可能会造成正常极误动[8]。综上所述，一种动作迅速、选择性好、耐过渡电阻能力强、全线速度的直流输电线路保护新方法亟待提出。

本文利用小波变换提取故障暂态时电压高频信号，通过检测电压高频信号小波能量突变量的大小及比较正负极小波能量的大小，提出一种直流输电线路的全线速动保护新方法。该方法整定简单，故障特征明显，具有绝对的选择性与灵敏性。

1 高压直流输电系统的构成

图1 双极直流输电系统结构图

图2 边界元件结构图

图3 边界传输函数幅频特性

双极直流输电系统结构图，如图1所示。保护安装在整流侧正极与负极的M处，测量数据为线路的对地电压。L为平波电抗器，它与直流滤波器共同组成了直流输电线路的边界。

2 电压高频信号突变分析

2.1 边界特性

直流输电线路边界是由平波电抗器与直流滤波器共同完成的。结构如图2所示。

图2中，U1为换流站阀侧电压，U2为直流线路保护安装处电压[9]。定义边界传输特性为E(jω)。

E(jω) =U2/U1

=[ZD(jω)]/[ZL(jω)+ZD(jω)] ，

(1)

式中：ZD为直流滤波器的阻抗，ZL为平波电抗器的阻抗。

由式(1)可以得到直流输电线路边界传输函数E(jω)的幅频特性如图3所示。

图3中，当f处于低频段(02 kHz)时，E(jω)幅值为0，表明边界元件对高频信号有很强的阻滞效果。区外故障时，电压信号通过边界元件传输到保护安装处，由于高频信号被边界所滤除，因此保护所采集到的电压高频信号很少；区内故障时，电压信号不经过边界直接被保护所接收，保护采集到的高频信号很多。因此可以通过检测保护采集到的高频信号的多少来判别故障位置[10]。由于小波变换具有可以迅速准确将信号投影到不同尺度上且明显的表现出高频信号的特性的特点，因此本文利用小波变换对电压高频信号进行提取。

2.2 故障判别

直流线路的物理边界对高频信号具有阻滞作用，区外故障时，保护处高频信号小波能量较小；区内故障时，保护处高频信号小波能量很大。根据上述结论，可以利用检测故障发生后保护安装处测得的高频信号小波能量的大小来判别区内外故障。

高频信号的提取利用小波变换来得到，本文采用的是dB3小波，3层次小波变换，采样频率f为20 kHz，由于高频信号从突变到衰减为暂态过程，故时间窗长度需较短，本文为10 ms。小波变换后第一层次(5

(2)

式中：E为小波能量，W(k)为小波变换系数，N为时间窗内采样点个数。

区外故障时，图1中F3处发生金属性接地故障，整流侧正极与负极电压高频信号小波能量如图4所示。

图4 区外故障时正负极小波能量曲线

图5 区内故障时正负极小波能量曲线

图6 正极故障正极与负极小波能量差值

图7 正极线路保护流程图

图4中，M+表示正极高频信号小波能量，M-表示负极高频信号小波能量。区外故障时，保护处所测得的高频信号增多，小波能量增大，但变化量很小且正极与负极变化量基本一致。

区内故障时，以图1中F4处发生金属性接地故障为例。正极与负极电压高频信号小波能量如图5所示。

图5中，实线为正极小波能量，虚线为负极小波能量。区内故障时，正极与负极电压信号未经过边界元件，直接被保护所接收，高频信号小波能量很大。该特征与区外故障时区分度很大，因此，可根据此特征构建判别区内外故障的保护判据。

设正极保护安装处测得电压高频信号小波能量为E+，负极为E-。以区外金属性故障时保护所测得的小波能量值再乘以一个可靠系数作为门槛值Eset。当E+>Eset或者E->Eset时，判断为区内故障，保护启动，当E+、E-都小于Eset时，判断为区外故障保护不动作。

2.3 故障极选取

图5中，正极发生金属性故障时，正极与负极小波能量都突变很大，若仅利用Eset无法正确的选取故障极，需要添加故障极选取判据。

单极故障时，正负极小波能量都会发生突变，但正常极测量到的高频小波能量较故障极少。因此可以设置槛值Kset，Kset需要根据最大过渡电阻接地时，正极与负极小波能量整定。本文Kset取100。在突变判据已判断为区内故障的情况下，当E+-E->Kset时，判定为正极故障；当E--E+>Kset时，判断为负极故障；当上述两个判据都不满足时，则认为是双极同时发生故障。图6是正极发生接地故障时，正极与负极小波能量的差值。

图6中，故障发生后，正极与负极小波能量差值迅速增大，超过槛值，即可判定为正极故障。仿真结果与理论分析相同，证明该判据的合理性。

2.4 保护动作流程

线路保护动作流程图，如图7所示。

保护流程为：首先检测小波能量突变量是否超过槛值，若超过槛值，则继续判断正极与负极小波能量差值是否超过槛值，若超过则判断为正极故障。若小波能量突变判据启动且正极与负极都判断为非本极故障，则系统发生双极故障。负极配置与正极相同原理的保护。

3 仿真验证

运用PSCAD仿真软件搭建图1所对应的±800kV双极直流输电系统仿真模型，利用MATLAB进行保护算法的仿真验证。其中输送功率为2 400MW，额定电流为1.5kA，输送距离为1 000km，两极直流线路采用同杆并架，均为4分裂导线，数据采样频率为20kHz，故障发生时刻为1s，持续时间为0.5s。

3.1 区外故障

系统在图1中F3位置处发生区外故障时，图8给出了正极与负极小波能量判据及保护动作情况。

在图8中，a图为故障发生后，正极与负极小波能量突变值，其中实线代表E+，虚线代表E+。在故障发生后，E+和E-均增大，但变化量很小，未能超过门槛值Eset。因此保护可靠不动作如图c所示，不需要继续进行故障极选取，图b中正极与负极差值基本无变化也证明了上述观点。

3.2 区内故障

3.2.1 单极经过渡电阻故障

当系统在图1中F4位置处发生经300欧过渡电阻接地故障时，正负极小波能量变化及保护动作情况如图9所示。

图8 区外故障时保护动作情况图9 区内经300欧过渡电阻故障时保护动作情况

图10 双极故障时保护动作情况

当系统单极发生经300欧过渡电阻区内故障时，在正极与负极小波能量都超过了槛值，保护启动，继而进行故障极选取。图9b中正极与负极的差值超过了槛值Kset，判断为正极发生故障。图9c中实线代表正极，虚线代表负极。正极保护于发张发生后15ms动作，负极可靠不动作。

3.2.2 双极同时故障

当系统正极与负极同时发生故障时，如在图1中F4，F5位置同时发生接地故障，正负极小波能量及保护动作情况如图10所示。

在图10a中，正极与负极小波能量都超过槛值Eset，判断为区内故障。在图10b中，正极与负极小波能量差值未超过槛值Kset，结合图a中判断为区内故障，因此保护最终判断为区内双极故障。在图10c中，正极与负极保护于故障发生后12ms时同时动作。

综上所述，当直流输电线路内部发生故障时，利用双极小波能量比较判据可以准确判断处故障位置，当判断为单极故障时，保护做出准确判断并为换流站提供信息，换流站据此作出调整换流阀导通角以达到对故障线路的切除且不影响健全极独立运行的可能。当判断为双极故障时，换流站则完全切断对双极的输送电能达到保护换流设备的目的。大量仿真结果表明：保护在区内区外故障时均能正确选取故障极，可靠动作，与理论分析结果相一致。

4 结 语

本文利用了直流输电线路两端的平波电抗器与直流滤波器形成的边界对高频信号的阻滞作用以及正负极故障特征之间的比较构成了高压直流输电线路暂态高频比较保护原理。该方案仅利用电压信号即可判断故障区间，原理简单，信息量需求小，动作迅速，灵敏度高，选择性好且具有一定的工程实用价值。

[1] 赵婉君.高压直流输电工程技术[M].北京：中国电力出版社.2004：1-25.

[2] 宋国兵，高淑萍，蔡新雷，等.高压直流输电线路继电保护技术综述[J].电力系统自动化，2012，36(22)：123-129.

[3] 张保会，张嵩，尤敏，等.高压直流线路单端暂态量保护研究[J].电力系统保护与控制，2010，38(15)：18-23.

[4] 李振强，鲁改风，吕艳萍.基于小波变换的高压直流输电线路暂态电压行波保护[J].电力系统保护与控制，2010，38(13)：40-45.

[5] 邓本飞.天广高压直流输电线路保护系统综述[J].电力系统保护与控制，2008，36(19)：71-74.

[6] 束洪春，刘可真，朱胜强，等.± 800kV特高压直流输电线路单端电气量暂态保护[J].中国电机工程学报，2010，30(31)：108-117.

[7] 王钢，罗健斌，李海峰，等.特高压直流输电线路暂态能量保护[J].电力系统自动化，2010，34(1)：28-31.

[8] 王钢，李志铿，李海峰.±800KV特高压直流线路暂态保护的研究[J].电力系统自动化，2007，21(31)：40-43.

[9] 金恩淑，杨健，张有才，等.异步法在T型线路电流差动保护中的应用[J].东北电力大学学报，2014，34(1)：31-34.

[10] 陈仕龙，张杰，毕贵红.基于小波分析的特高压直流输电线路双端电压暂态保护[J].电网技术，2013，37(10)：2719-2725.

Bipolar DCTransmission Line Transient High Frequency Wavelet Energy Protection

Jin Enshu1，Ma Zhongtao2，Xia Guowu3，Xu Jing1

(1.Electrical Engineering College，Northeast Electric Power University，Jilin Jilin 132012；2.BengbuElectrical Power Supply Compangy of Anhui，Bengbu Anhui 233000；3.TongliaoElectrical Power Supply Compangy of Inner Mongolia，Tongliao Inner Mongolia 028000)

With the development of HVDC，the protection configuration of DC system has been improved.As DC lines are the core component of HVDC transmission system，the protection configuration has been the focus of the study.Here uses wavelet transform to extract high frequency voltage transient signal of the fault.According to detect high frequency voltage wavelet mutation size and comparise of positive and negative wavelet energy，this paper put forward a new method of HVDC transmission line across the quick-acting protection.The principle of this method is simple，quick and resistance.Use PSCAD to build a simulation model and simulate various types of fault.The results show that the protection has absolute selectivity and can reliable protecte the DC lines.

DC transmission；High frequency signal；Transient protection；Wavelet transform

2016-08-21

金恩淑(1972-)，女，博士，教授，主要研究方向：电力系统继电保护.

1005-2992(2017)02-0014-05

TM721.1

A

电子邮箱： juyanzhong@126.com(金恩淑)；497171156@qq.com(马仲涛)；ndxiaguowu@163.com(夏国武)；1554051887@qq.com(许晶)