行波波頭的參數識別方法在高壓直流輸電系統中的應用

徐海洋,宋國兵,樊占峰,靳幸福

(1.西安交通大學電氣工程學院, 710049, 西安;2.許繼集團有限公司, 461000, 河南許昌;3.國網安徽省電力公司經濟技術研究院, 230022, 合肥)

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行波波頭的參數識別方法在高壓直流輸電系統中的應用

徐海洋1,宋國兵1,樊占峰2,靳幸福3

(1.西安交通大學電氣工程學院, 710049, 西安;2.許繼集團有限公司, 461000, 河南許昌;3.國網安徽省電力公司經濟技術研究院, 230022, 合肥)

為了提高識別電壓源換流器型高壓直流輸電(VSC-HVDC)系統中的行波波頭的可靠性,提出了一種行波波頭的參數識別方法。根據VSC-HVDC系統零模網絡的分析結果,直流線路兩端的系統可以等效為電容,利用保護安裝處測得的零模電壓和零模電流可以計算零模識別電容。當直流線路發生故障后,零模識別電容會在行波波頭到達線路兩端的時刻突變至等效電容,因此可以根據零模識別電容的突變時刻確定行波波頭的到達時刻。仿真結果表明:對于全長為100 km的線路,采用行波波頭的參數識別方法,故障定位的絕對誤差小于200 m,說明該方法具有較高的識別精度。與傳統的行波波頭識別方法相比,文中方法的優勢在于能夠始終可靠識別VSC-HVDC系統中行波波頭的到達時刻,不受電氣量波形漸變和輸電線路參數頻變的影響,且適用于高阻接地故障,能夠應用于VSC-HVDC直流線路區內接地故障的定位,因此具有一定的理論和實用價值。

高壓直流輸電;直流線路;行波波頭;參數識別

1990年,加拿大學者首次提出了基于電壓源換流器的高壓直流輸電(VSC-HVDC)的概念;1999年,世界上第一條商業運行的VSC-HVDC工程在瑞典的哥特蘭島投入運行[1-2]。1999年至今,世界上已經有30多個VSC-HVDC工程投入運行[3],成功應用于新能源發電并網、孤島供電、城市電網改造和異步電網互聯等領域,并在構建直流電網方面展現出了良好的應用前景[4-5]。

直流輸電工程兩端換流站之間的直流線路一般較長且運行環境惡劣,因而與其他輸電設備相比故障率高[6]。為了保障直流輸電系統的安全穩定運行,需要在直流線路發生故障后及時確定故障位置并清除故障,因此精確的故障定位方法是十分必要的。針對高壓直流線路的故障定位方法,國內外學者開展了大量的研究工作[6-14]。文獻[6]對目前直流輸電線路的故障定位方法進行了較詳細的綜述。文獻[7]求解貝瑞龍模型下輸電線路沿線各點電壓,利用故障點處兩端的計算電壓時時相等進行故障定位。文獻[8]利用沿線電壓和電流計算過渡電阻,根據故障點處的過渡電阻最穩定確定故障點的位置。文獻[9]將參數識別的方法應用于故障定位,通過構造故障網絡的時域微分方程計算故障距離。文獻[10]分析固有頻率和故障距離之間的關系,通過頻譜分析的方法得到固有頻率,進而求取故障距離實現定位。

目前,應用于直流輸電工程的故障定位方法以行波法為主。行波故障定位具有定位精度高的優點,但定位精度受到采樣頻率的影響,并且在高阻情況下可能定位失敗。同時,行波故障定位需要專業的運行人員進行行波波頭的識別,難以實現自動化的定位[6]。針對行波故障定位存在的問題,國內外學者進行了深入的研究并提出了改進方法[11-14]。文獻[11]利用小波變換的方法識別初始電流行波的波頭,構成了行波故障定位原理。文獻[12]將紅綠色彩模式檢測應用于特高壓直流線路的故障定位,根據故障電壓行波映射得到的色彩模式圖確定故障點位置。文獻[13]利用行波極性識別初始反行波和對端母線第一次反射的反行波,根據兩者到達測點的時間差實現故障定位。文獻[14]對行波故障定位中識別波頭和確定波速度的問題進行分析,給出了考慮波速度變化的行波故障定位方法。

本文針對VSC-HVDC輸電系統,充分利用其直流線路兩端并聯大電容的結構特點,提出了一種能夠準確識別行波波頭到達時刻的方法,用于故障定位。通過計算故障后線路兩端的識別電容進行行波波頭的識別,根據識別電容值的突變時刻確定行波到達線路兩端的時刻。由于使用的電壓和電流量均為零模量,所以該方法適用于直流線路區內接地故障(單極接地故障和雙極接地故障)的故障定位。PSCAD/EMDTC仿真驗證了行波波頭的識別方法有效,且具有較高的識別精度。

1 VSC-HVDC系統結構

圖1為VSC-HVDC的系統結構圖。VSC-HVDC系統的直流線路兩端通常接有并聯電容器,為直流電壓提供支撐,并起到減小直流側諧波的作用[1]。為了防止調整模式引起的零序分量向交流系統傳遞,交流側變壓器的二次側通常采用三角形接法[4]。下文分析僅針對圖1所示的VSC-HVDC系統。

G1和G2分別為整流側和逆變側的交流電源;T1和T2分別為整流側和逆變側的換流變壓器;L1和L2分別為整流側和逆變側的換流電抗器;VSC1和VSC2分別為整流站和逆變站;C為并聯電容;M和N分別代表整流側和逆變側;p和n分別代表正極和負極;uMp、iMp和uNp、iNp分別代表整流側和逆變側正極直流線路的電壓和電流;uMn、iMn和uNn、iNn分別代表整流側和逆變側負極直流線路的電壓和電流圖1 VSC-HVDC系統結構圖

2 區內接地故障的零模網絡

根據文獻[9],零模電壓和電流的計算公式為

(1)

當VSC-HVDC直流線路發生區內接地故障時,零模網絡中直流線路兩側的系統可以等效為電容[15]。VSC-HVDC的直流線路發生單極接地故障的等效零模網絡如圖2所示。

uM0、iM0和uN0、iN0分別為整流側和逆變側的零模電壓與電流;CM和CN分別為兩側的并聯電容;故障點處Uf為等效的零模電壓源;CL為線路等效的對地電容,線路采用π模型等效;RM、LM和RN、LN分別為故障點兩側線路的等效電阻和電抗圖2 直流線路單極接地故障的零模網絡

3 行波波頭到達時刻的識別方法

行波波頭到達時刻的識別受電壓、電流行波漸變的影響,對運行人員素質要求高,且難以實現自動化。鑒于行波電壓和電流受背側系統參數的約束,利用行波電壓和電流計算系統參數值可以反映行波波頭的達到時刻。因此,有必要研究利用識別背側系統參數反映行波波頭到達時刻的方法。

在圖2所示的零模網絡中,對于兩端的大電容而言,由電壓、電流關系可以得到如下關系式

(2)

(3)

即發生區內單極接地故障時,由線路兩端的零模電壓和零模電流可以準確計算出兩端并聯的電容值。

根據行波的相關理論,當發生單極接地故障后,行波由故障點向線路兩端傳播[16]。在行波到達線路兩端之前,線路兩端的零模電流和零模電壓均為0,圖2所示的零模網絡不存在。只有當行波到達線路兩端時,圖2的零模網絡才存在,由式(2)和式(3)計算的識別電容等于并聯電容。所以,在區內單極接地故障發生后,由于行波傳播的延時,識別電容經過一定的延時會突變至并聯電容。因此,可以根據識別電容的突變時刻進行行波波頭到達時刻的識別。

對于區內雙極接地故障,零模網絡與單極接地故障相同,也可以采用該方法進行波頭識別。

圖3 M側零模電壓、電流和零模識別電容波形

圖3為2 s時發生單極接地故障的零模電壓、電流波形和識別電容波形的對比圖。從圖3可以看出,發生故障后,零模電壓、電流都在緩慢變化,僅識別出的電容值即可準確反映行波波頭的到達時刻。這是因為電壓、電流的變化反映背側系統的等值電容參數,而電壓、電流波形的陡度受參數頻變、故障嚴重程度等因素的影響。因此,與傳統行波法相比,采用電容突變時刻識別行波波頭的到達時刻具有更高的識別精度。

4 行波波頭到達時刻的判據

由第3節的分析可知,利用線路兩端識別電容的突變時刻可以確定行波波頭的到達時刻。VSC-HVDC系統兩端并聯的電容相同,設為C0。考慮到采樣時的不確定性可能造成的數據壞點,取C0±ΔC0作為零模識別電容的穩定區間,即用零模識別電容達到穩定區間反映電容的突變時刻,作為行波波頭的到達時刻。例如,當C0=1 000 μF時,若取ΔC0=50 μF,則零模識別電容值的穩定區間為950～1 050 μF。

采用三點數值微分公式,計算式(1)和式(2)中的零模電壓微分

(4)

取tM和tN分別為整流側和逆變側的零模識別電容第一次達到穩定區間的時間。為保證可靠性,tM和tN取為連續3點計算的零模識別電容滿足穩定區間的第一個點對應的時間,即行波波頭到達時刻的判據為

(5)

式中:CK為K側的零模識別電容;i為采樣點數。

具體的行波波頭識別流程為:由線路兩端的電壓和電流采樣值計算對應的零模電壓和電流;根據式(4)計算零模電壓微分值;根據式(2)和式(3)計算零模識別電容,從而確定行波波頭的到達時刻。

5 仿真驗證

本文在PSCAD軟件上搭建了VSC-HVDC輸電系統的仿真模型。模型具體參數如下:系統容量為60 MW,額定直流電壓為±60 kV。直流線路分別采用貝瑞龍模型的架空線和頻變參數模型的電纜,線路長度為100 km。線路兩端的并聯電容均為1 000 μF,零模識別電容的穩定區間取為950～1 050 μF。采樣頻率為1 MHz。仿真時間為2.5 s,故障開始時間為2.0 s,持續時間為0.1 s。

本文采用貝瑞龍模型的線路仿真是為了驗證行波波頭識別方法的有效性和精確性。由于貝瑞龍模型下的零模波速度為固定值,根據文獻[16]中的雙端故障定位方法可知,當故障定位的結果準確時,即證明行波波頭的識別具有較高的精度。雙端行波定位方法的計算公式如下

xM=[L-v0(tN-tM)]/2

(6)

式中:v0為零模波速度;L為區內直流線路全長;xM為故障點到M端的距離。

為了驗證實際VSC-HVDC系統中行波波頭識別方法的有效性,本文采用頻變參數模型進行仿真。頻變參數模型的具體參數見文獻[15]。

5.1 貝瑞龍模型仿真

貝瑞龍模型的架空線路的具體參數如下:1模電阻R1=36.294×10-3Ω/km,0模電阻R0=379.58×10-1Ω/km,1模波阻抗ZC1=390.141 6 Ω,0模波阻抗ZC0=753.595 5 Ω,1模波速度v1=2.919 67×105km/s,0模波速度v0=2.097 75×105km/s。

由于篇幅限制,下面僅給出距M端20 km處發生正極接地故障的仿真結果。由圖4可以看出,在距離整流側20 km處發生正極金屬性接地故障時,整流側識別電容先達到穩定區間。根據MATLAB的數據處理結果,整流側識別電容達到穩定區間的時間為2.000 099 s,逆變側識別電容值達到穩定區間的時間為2.000 384 s。利用式 (6)計算得xM=20.107 1 km。對于全長為L的直流線路,故障定位結果的絕對誤差和相對誤差如下

ΔxM=|xre-xid|

(7)

(8)

式中:xre為實際故障點到M端的距離;xid為計算得到的故障點到M端的距離。

圖4 距M端20 km處發生正極金屬性接地故障的零模識別電容波形

仿真線路全長為100 km,根據式(7)和式(8)可計算出定位的絕對誤差為0.107 1 km,相對誤差為0.107 1%。從仿真結果可以看出,本文提出的行波波頭識別方法具有較高的識別精度。

由圖5可以看出,在VSC-HVDC系統中,由于行波電壓或者行波電流的波頭變化緩慢且幅值較小,因而傳統的波頭識別方法難以識別行波波頭。相比較而言,本文提出的方法不受行波波頭陡度和幅值的影響,能夠可靠識別行波波頭。

圖5 距M端20 km處發生正極金屬性接地故障的零模電壓和零模電流波形

為了驗證新的行波波頭識別方法對于VSC-HVDC直流線路任意位置故障及對于非金屬性接地故障的適用性,本文進行了大量的仿真驗證。表1給出了區內不同位置經不同的過渡電阻發生單極接地故障的仿真結果。

表1 不同位置發生單極接地故障的仿真結果

分析表1中的數據可知,在區內不同位置發生單極接地故障時,定位的相對誤差小于0.2%。即對于100 km的線路,定位的絕對誤差小于200 m。同時,無論是金屬性接地故障,還是經過渡電阻接地故障,定位的結果都相同。由此可知,新的行波波頭識別方法能夠準確地識別行波波頭,且識別精度不受過渡電阻的影響。

在高阻接地故障情況下,由于行波波頭幅值受到限制,傳統的行波波頭識別方法適應性較差,甚至可能無法用于故障定位[6]。由圖6和圖5對比可以看出,故障點過渡電阻的存在會嚴重降低行波波頭的幅值,影響波頭識別的可靠性。相比較而言,新的行波波頭識別方法由于計算識別電容不受行波波頭幅值的影響,仍然可以可靠地進行波頭識別。即新的行波波頭識別方法能很好地適應高阻接地故障。

圖6 距M端20 km處經300 Ω發生正極接地故障的零模電壓和零模電流波形

5.2 頻變參數模型仿真

圖7為距M端20 km處發生正極金屬性接地故障的仿真結果。由圖7可以看出,對于實際的VSC-HVDC系統而言,本文提出的波頭識別方法能夠準確地識別行波波頭,從而確定波頭的到達時刻。

根據以上仿真分析可以得出結論:本文提出的行波波頭識別方法有效,且具有較高的精度。

圖7 距M端20 km處發生正極金屬性接地故障的零模識別電容波形

6 相關問題分析

6.1 行波波頭到達時刻識別方法的本質

本文提出的行波波頭到達時刻的識別方法,本質是通過識別背側系統參數反映行波到達時刻,適用于背側系統參數性質確定的場合。本方法僅利用了參數突變時刻來反映行波波頭的到達時刻,關注的是突變時刻的準確性,無須考慮背側系統參數的具體數值。本文針對的VSC-HVDC系統,其背側系統可以等效為電容,故能夠使用本方法。

6.2 背側系統參數不確定對本方法的影響

由該方法的本質分析可以看出,本方法僅利用了參數突變時刻來反映行波波頭的到達時刻,關注的是突變時刻的準確性,不涉及背側系統參數的具體數值。當背側系統參數性質確定時(容性、感性等),即可使用本方法。

以本文中的VSC-HVDC系統為例,由于電容不精確、寄生電感等因素的影響,無非表現為電容參數的時變或頻變特性,只要其總體仍表現為電容特性,則不會影響行波波頭到達時刻的確定。

6.3 輸電線路參數頻變對本方法的影響

輸電線路參數頻變對行波故障定位影響的本質是,不同頻率分量對應不同的波速度,即參數的頻變特性不僅影響了波頭中頻率分量的分布,也影響波速度的確定。需要說明的是,本文僅關注如何利用電氣量反映行波波頭到達時刻,并不涉及互感器傳變能力、A/D轉換精度和參數頻變帶來的波速度確定問題。

事實上,輸電線路在參數頻變的情況下,互感器和A/D轉換系統能夠識別的行波波頭中最高頻率分量受互感器傳變特性、A/D轉換精度和故障嚴重程度等因素的影響。對本方法而言,參與電容參數識別的電氣量是互感器和A/D轉換系統轉變的最高頻率分量。

7 結 論

本文分析了VSC-HVDC直流輸電線路發生區內接地故障時的零模網絡,根據故障時直流線路兩端識別電容的突變時刻進行行波波頭的識別,用于故障定位。仿真結果表明,本文提出的行波波頭識別方法能夠準確地識別行波波頭,且識別精度不受過渡電阻的影響。與傳統的行波波頭識別方法相比,本文方法的主要優勢在于行波波頭到達時刻的識別更精確,且對于高阻接地故障具有較好的適應性。

目前,行波故障定位的精度取決于波頭到達時刻與波速度的精確性。線路參數的頻變特性決定了行波波頭變化率下降和波速度的依頻特性,進而影響了行波波頭的識別和波速度的確定。本文提出的故障定位方法主要解決行波波頭準確識別的問題,頻變參數引起的波速度問題將會在今后繼續進行研究。

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(編輯 杜秀杰)

Parameter Identification Method with Applications to Traveling Wave Head in VSC-HVDC

XU Haiyang1,SONG Guobing1,FAN Zhanfeng2,JIN Xingfu3

(1. School of Electrical Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China;2. Xuji Group Corporation, Xuchang, Henan 461000, China;3. State Grid Anhui Electric Power Company Economy and Technology Research Institute, Hefei 230022, China)

In voltage source converter based high voltage direct current (VSC-HVDC) system, the zero-sequence network at both ends of the DC line can be equivalent to a parallel capacitor, which reduces the slope of voltage traveling waveform to difficultly identify the traveling wave head with electrical quantities. A method is proposed to identify the arriving time of traveling wave head via judging the sudden changing time of the calculated zero-sequence capacitance. The method is used to locate fault points in the DC line of VSC-HVDC system of 100 km, and the absolute location error can be limited within range of 200 m. The theoretical analysis and simulations show that the proposed method is reliable and accurate to identify the arriving time of the traveling wave head, especially, it is immune from the slow change of electrical quantities and the frequency dependent characteristics of DC lines and suitable for high resistance grounding cases.

high voltage direct current; DC line; traveling wave head; parameter identification

2015-06-24。

徐海洋(1992—),男,碩士生;宋國兵(通信作者),男,教授,博士生導師。 基金項目:國家自然科學基金資助項目(51477131)。

時間:2015-11-11

10.7652/xjtuxb201602015

TM77

A

0253-987X(2016)02-0085-06

網絡出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20151111.1820.014.html