高壓直流輸電線路行波色散及行波測(cè)距研究

　　摘要：高壓直流輸電是遠(yuǎn)距離能量傳輸?shù)淖钣懈?jìng)爭(zhēng)力方案。目前，高壓直流輸電在中國(guó)和全球范圍內(nèi)獲得了蓬勃發(fā)展，未來還會(huì)為大規(guī)模清潔能源的遠(yuǎn)距離送出和消納提供強(qiáng)有力支撐。高壓直流輸電線路由于橫跨范圍大、沿線環(huán)境復(fù)雜，線路發(fā)生故障的概率較大，快速、精確定位故障點(diǎn)對(duì)提高電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定水平具有重要意義。直流線路故障測(cè)距主要有三類方法：故障分析法、固有頻率法和行波測(cè)距法。故障分析法依賴精確的線路模型參數(shù)和準(zhǔn)確的電壓、電流信號(hào)測(cè)量。固有頻率法存在頻譜混疊及測(cè)距死區(qū)等問題。行波測(cè)距方法在交流線路、直流線路中已取得了廣泛的應(yīng)用和豐富的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，是目前直流線路故障測(cè)距的主要技術(shù)手段。對(duì)于高壓遠(yuǎn)距離直流輸電線路，行波傳輸過程中伴隨的波形變緩(行波色散)和等效波速降低是行波測(cè)距面臨的重要問題。

　　關(guān)鍵詞：高壓直流輸電線路;行波色散;行波測(cè)距;

　　引言

　　高壓直流輸電距離長(zhǎng)，跨越地區(qū)的地形地貌、環(huán)境氣候差別大，故障率較高。特別是，對(duì)于目前中國(guó)超特高壓交直流混聯(lián)大電網(wǎng)運(yùn)行形態(tài)，直流系統(tǒng)故障或長(zhǎng)時(shí)間停運(yùn)導(dǎo)致的大容量輸送功率缺失，對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行沖擊或隱患較大，因此快速準(zhǔn)確的故障定位極為重要。

　　1輸電線路行波色散的物理機(jī)理

　　行波沿輸電線路傳輸時(shí)產(chǎn)生的幅值衰減和波形畸變稱為行波色散。行波色散會(huì)導(dǎo)致行波波頭變緩，增加行波測(cè)距的難度。行波色散的主要原因有：1)輸電線路和大地均為有損回路，且不滿足無畸變條件，即式中，L0、C0、R0、G0分別為輸電線路的分布電感、電容、電阻和電導(dǎo)參數(shù)。2)由于趨膚效應(yīng)，回路的分布電阻R0和分布電感L0是與頻率相關(guān)的變化參數(shù)。3)不同模量(例如線路線模量與地模量)的行波傳輸特性不同，也會(huì)引起相量域波形的畸變。回路的信號(hào)傳輸特性可用傳播系數(shù)γ=α(ω)+jβ(ω)描述，其中α(ω)為衰減系數(shù)，β(ω)為相位系數(shù)，ω為信號(hào)角頻率。當(dāng)忽略電導(dǎo)G0時(shí)，α(ω)和β(ω)分別為

　　3高壓直流輸電線路行波測(cè)距新方法

　　3.1常用的行波波頭標(biāo)定方法

　　行波沿線路傳輸會(huì)產(chǎn)生色散，行波波頭到達(dá)的真實(shí)時(shí)刻難以準(zhǔn)確獲得，工程上只能采用合適的方法標(biāo)定行波波頭到達(dá)的感知時(shí)刻。采用不同的標(biāo)定方法，檢測(cè)到的行波到達(dá)時(shí)刻會(huì)有所不同。一類波頭時(shí)刻標(biāo)定方法是采用固定幅值門檻。按此方法，門檻設(shè)置得越小，則檢測(cè)到的行波到達(dá)時(shí)刻越早。固定門檻的波頭時(shí)刻檢測(cè)方法未能充分利用門檻值之后的行波波形信息，門檻值不容易確定，受行波信號(hào)幅度及噪聲幅度影響較大。另一類方法是采用多尺度小波分析或類似方法。對(duì)于多尺度小波分析法，不同尺度的小波模極大值標(biāo)定的時(shí)刻通常不同。采用多尺度分析類方法時(shí)，難以綜合利用各個(gè)尺度的分析結(jié)果，且在某一具體尺度，信號(hào)的分析結(jié)果并不滿足物理的因果律(在行波實(shí)際到達(dá)之前會(huì)存在非零的計(jì)算結(jié)果)，且模極大值反映的是窄帶信號(hào)的最強(qiáng)時(shí)段，在行波色散嚴(yán)重時(shí)與行波真實(shí)到達(dá)時(shí)刻的對(duì)應(yīng)性較差。

　　3.2雙端行波測(cè)距算法設(shè)計(jì)

　　雙端行波測(cè)距需要檢測(cè)故障點(diǎn)初始行波到達(dá)兩端的準(zhǔn)確時(shí)間，同時(shí)還需要兩側(cè)進(jìn)行故障初始行波到達(dá)絕對(duì)時(shí)刻的信息交互。目前的超高壓輸電線路保護(hù)裝置均配置了光纖通道，通過光纖通道與對(duì)側(cè)線路保護(hù)裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換來構(gòu)建全線速動(dòng)的主保護(hù)功能，而主CPU則可以通過光纖通道來完成兩側(cè)故障到達(dá)絕對(duì)時(shí)刻的傳遞。行波CPU與保護(hù)CPU兩者間則通過集成裝置的母板上設(shè)置的HSB總線來進(jìn)行信息的傳遞。行波測(cè)距需要準(zhǔn)確捕捉故障到達(dá)的絕對(duì)時(shí)刻，該時(shí)刻的準(zhǔn)確性對(duì)測(cè)距計(jì)算的準(zhǔn)確性影響很大，因此需要對(duì)行波CPU進(jìn)行精確對(duì)時(shí)。對(duì)時(shí)精度須達(dá)到1μs(假定行波波速度等于光速，則1μs對(duì)應(yīng)的測(cè)距誤差為150m)，行波CPU支持電B碼對(duì)時(shí)。本側(cè)時(shí)標(biāo)的獲取：行波CPU自身滿足啟動(dòng)之后進(jìn)行故障波頭的絕對(duì)時(shí)刻提取，當(dāng)感受到主CPU的啟動(dòng)信號(hào)之后，通過總線將該時(shí)標(biāo)傳遞給主CPU。對(duì)側(cè)時(shí)標(biāo)的獲取：通過主CPU的光縱通道獲取對(duì)側(cè)傳遞的絕對(duì)時(shí)標(biāo)。行波CPU上送時(shí)標(biāo)和本/對(duì)側(cè)傳遞時(shí)標(biāo)的格式均取標(biāo)準(zhǔn)協(xié)調(diào)世界時(shí)(coordinateduniversaltime，UTC)格式。UTC時(shí)標(biāo)分為2個(gè)4字節(jié)傳遞，前面4個(gè)字節(jié)表示為年月日時(shí)分秒，后面4個(gè)字節(jié)表示為微秒。當(dāng)線路上發(fā)生故障后，行波CPU與保護(hù)CPU均會(huì)啟動(dòng)。保護(hù)CPU啟動(dòng)開放出口繼電器的負(fù)電源，只有保護(hù)CPU動(dòng)作后，才將行波CPU的測(cè)距結(jié)果以事件的方式上送到保護(hù)裝置液晶面板。當(dāng)線路CPU通過HSB總線和光纖通道分別獲取到本側(cè)、對(duì)側(cè)時(shí)標(biāo)之后則進(jìn)入雙端行波測(cè)距流程。

　　3.3基于波頭標(biāo)定及波速修正的行波測(cè)距新方法

　　考慮行波色散效應(yīng)，基于行波波頭標(biāo)定和行波波速修正新方法的完整行波測(cè)距過程如下：1)仿真獲得傳輸距離與波速的關(guān)系曲線。2)對(duì)行波波形采用多尺度小波分析確定行波波頭的最大值時(shí)刻，鎖定行波峰值點(diǎn)。3)基于行波峰值，按10%峰值點(diǎn)和90%峰值點(diǎn)標(biāo)定行波到達(dá)時(shí)刻。4)先按線路長(zhǎng)度50%對(duì)應(yīng)的波速進(jìn)行故障測(cè)距，然后根據(jù)行波傳輸距離修正各側(cè)的行波波速，修正測(cè)距結(jié)果。考慮波速變化的雙端行波測(cè)距計(jì)算公式為

　　式中：x為故障點(diǎn)距M側(cè)的距離;l為線路全長(zhǎng);tM和Nt分別為行波波頭到達(dá)M側(cè)和N側(cè)的標(biāo)定時(shí)刻;vM和Nv分別為兩側(cè)行波的等效波速，需根據(jù)測(cè)距結(jié)果進(jìn)行迭代修正。

　　結(jié)束語

　　行波測(cè)距算法能適用于各種工況下的各種故障類型，且測(cè)距精度高。集成了行波測(cè)距的線路保護(hù)裝置可以精確定位線路故障點(diǎn)，大大減少人工巡線的工作量，縮短了故障修復(fù)時(shí)間，提高供電可靠性。

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