高压直流输电线路行波色散及行波测距研究

　　摘要：高压直流输电是远距离能量传输的最有竞争力方案。目前，高压直流输电在中国和全球范围内获得了蓬勃发展，未来还会为大规模清洁能源的远距离送出和消纳提供强有力支撑。高压直流输电线路由于横跨范围大、沿线环境复杂，线路发生故障的概率较大，快速、精确定位故障点对提高电力系统的安全稳定水平具有重要意义。直流线路故障测距主要有三类方法：故障分析法、固有频率法和行波测距法。故障分析法依赖精确的线路模型参数和准确的电压、电流信号测量。固有频率法存在频谱混叠及测距死区等问题。行波测距方法在交流线路、直流线路中已取得了广泛的应用和丰富的应用经验，是目前直流线路故障测距的主要技术手段。对于高压远距离直流输电线路，行波传输过程中伴随的波形变缓(行波色散)和等效波速降低是行波测距面临的重要问题。

　　关键词：高压直流输电线路;行波色散;行波测距;

　　引言

　　高压直流输电距离长，跨越地区的地形地貌、环境气候差别大，故障率较高。特别是，对于目前中国超特高压交直流混联大电网运行形态，直流系统故障或长时间停运导致的大容量输送功率缺失，对电网的安全稳定运行冲击或隐患较大，因此快速准确的故障定位极为重要。

　　1输电线路行波色散的物理机理

　　行波沿输电线路传输时产生的幅值衰减和波形畸变称为行波色散。行波色散会导致行波波头变缓，增加行波测距的难度。行波色散的主要原因有：1)输电线路和大地均为有损回路，且不满足无畸变条件，即式中，L0、C0、R0、G0分别为输电线路的分布电感、电容、电阻和电导参数。2)由于趋肤效应，回路的分布电阻R0和分布电感L0是与频率相关的变化参数。3)不同模量(例如线路线模量与地模量)的行波传输特性不同，也会引起相量域波形的畸变。回路的信号传输特性可用传播系数γ=α(ω)+jβ(ω)描述，其中α(ω)为衰减系数，β(ω)为相位系数，ω为信号角频率。当忽略电导G0时，α(ω)和β(ω)分别为

　　3高压直流输电线路行波测距新方法

　　3.1常用的行波波头标定方法

　　行波沿线路传输会产生色散，行波波头到达的真实时刻难以准确获得，工程上只能采用合适的方法标定行波波头到达的感知时刻。采用不同的标定方法，检测到的行波到达时刻会有所不同。一类波头时刻标定方法是采用固定幅值门槛。按此方法，门槛设置得越小，则检测到的行波到达时刻越早。固定门槛的波头时刻检测方法未能充分利用门槛值之后的行波波形信息，门槛值不容易确定，受行波信号幅度及噪声幅度影响较大。另一类方法是采用多尺度小波分析或类似方法。对于多尺度小波分析法，不同尺度的小波模极大值标定的时刻通常不同。采用多尺度分析类方法时，难以综合利用各个尺度的分析结果，且在某一具体尺度，信号的分析结果并不满足物理的因果律(在行波实际到达之前会存在非零的计算结果)，且模极大值反映的是窄带信号的最强时段，在行波色散严重时与行波真实到达时刻的对应性较差。

　　3.2双端行波测距算法设计

　　双端行波测距需要检测故障点初始行波到达两端的准确时间，同时还需要两侧进行故障初始行波到达绝对时刻的信息交互。目前的超高压输电线路保护装置均配置了光纤通道，通过光纤通道与对侧线路保护装置进行数据的交换来构建全线速动的主保护功能，而主CPU则可以通过光纤通道来完成两侧故障到达绝对时刻的传递。行波CPU与保护CPU两者间则通过集成装置的母板上设置的HSB总线来进行信息的传递。行波测距需要准确捕捉故障到达的绝对时刻，该时刻的准确性对测距计算的准确性影响很大，因此需要对行波CPU进行精确对时。对时精度须达到1μs(假定行波波速度等于光速，则1μs对应的测距误差为150m)，行波CPU支持电B码对时。本侧时标的获取：行波CPU自身满足启动之后进行故障波头的绝对时刻提取，当感受到主CPU的启动信号之后，通过总线将该时标传递给主CPU。对侧时标的获取：通过主CPU的光纵通道获取对侧传递的绝对时标。行波CPU上送时标和本/对侧传递时标的格式均取标准协调世界时(coordinateduniversaltime，UTC)格式。UTC时标分为2个4字节传递，前面4个字节表示为年月日时分秒，后面4个字节表示为微秒。当线路上发生故障后，行波CPU与保护CPU均会启动。保护CPU启动开放出口继电器的负电源，只有保护CPU动作后，才将行波CPU的测距结果以事件的方式上送到保护装置液晶面板。当线路CPU通过HSB总线和光纤通道分别获取到本侧、对侧时标之后则进入双端行波测距流程。

　　3.3基于波头标定及波速修正的行波测距新方法

　　考虑行波色散效应，基于行波波头标定和行波波速修正新方法的完整行波测距过程如下：1)仿真获得传输距离与波速的关系曲线。2)对行波波形采用多尺度小波分析确定行波波头的最大值时刻，锁定行波峰值点。3)基于行波峰值，按10%峰值点和90%峰值点标定行波到达时刻。4)先按线路長度50%对应的波速进行故障测距，然后根据行波传输距离修正各侧的行波波速，修正测距结果。考虑波速变化的双端行波测距计算公式为

　　式中：x为故障点距M侧的距离;l为线路全长;tM和Nt分别为行波波头到达M侧和N侧的标定时刻;vM和Nv分别为两侧行波的等效波速，需根据测距结果进行迭代修正。

　　结束语

　　行波测距算法能适用于各种工况下的各种故障类型，且测距精度高。集成了行波测距的线路保护装置可以精确定位线路故障点，大大减少人工巡线的工作量，缩短了故障修复时间，提高供电可靠性。

　　参考文献

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