一種基于方向行波的多端VSC-HVDC系統保護策略

李 巖， 龔雁峰， 姜 斌

(華北電力大學， 北京 102206)

一種基于方向行波的多端VSC-HVDC系統保護策略

李 巖， 龔雁峰， 姜 斌

(華北電力大學， 北京 102206)

針對星型連接的多端柔性直流輸電(VSC-HVDC)系統，提出一種基于方向行波小波能量比值的保護策略。首先分析了星型連接VSC-HVDC系統故障行波的傳播特性，找出故障線路和非故障線路方向行波的不同傳播規律；然后對電壓和電流線模分量進行離散小波變換，計算相應線路方向行波的小波能量；最后通過各個線路正反向行波小波能量的比值確定故障線路。PSCAD/EMTDC仿真結果表明：提出的方法能夠快速準確地判斷星型拓撲VSC-HVDC系統的故障線路，并且不受故障線路、故障距離、故障類型和故障電阻的影響，具有很好的魯棒性。

VSC-HVDC；星型拓撲；方向行波；離散小波變換；小波能量

基于電壓源型的多端柔性直流輸電技術(multi-terminal VSC-HVDC)在風電場并網、孤島供電和城市電網供電等諸多領域具有非常廣闊的應用前景[1-5]。多端直流輸電系統通過采用環網或者星型的拓撲結構進行連接，由于換流站的控制方式和連接結構的靈活性，給系統保護策略的整定帶來了極大的困難[6]。對于現有的多端直流輸電工程，通常采用雙極電纜的傳輸方式，故障類型多為永久性故障。當直流線路發生短路故障，短路電流將會傳導至所有相連換流站，給系統的安全穩定運行帶來巨大的挑戰。因此，對于多端直流輸電系統，當直流線路發生短路故障時應能夠及時準確地確定故障線路并予以切除。

行波保護因其響應時間快，受故障電阻和故障位置影響小等優點，已經廣泛作為直流線路的主保護，應用于多端直流系統中[7-12]。文獻[13]針對環網結構的VSC-HVDC系統，根據邊界行波的傳播特點，提出一種邊界保護的策略。文獻[14]則針對星型連接的多端VSC-HVDC，基于同步測量裝置捕捉各個端點行波到達時刻，實現對故障線路的判別和故障定位。文獻[15]則通過行波和模糊算法實現對多端柔直系統故障線路的確定。本文針對星型連接的VSC-HVDC輸電系統，提出一種基于方向行波小波能量比值的保護策略。

1 小波理論

1.1 小波變換

小波變換作為新型數字信號處理工具，最大的特點就是具有良好的時頻局部化能力,能夠同時從時域和頻域描述奇異信號的每一個細節。故障產生的行波是一種非平穩變化的高頻信號，因此小波變換成為分析行波最為有效的數學工具之一[16]。

(1)

連續小波變換(CWT)能有效避免信息丟失，但也導致了信息冗余，因此工程領域更常采用離散小波變換(DWT)進行分析計算。離散小波變換不僅能降低連續小波的冗余度，也能較好地保持連續小波變換的緊支性、光滑性和對稱性，具有很好的工程應用效果。二進制離散小波變換的定義如下：

(2)

可以看出，離散小波變換只是對連續小波函數的尺度因子進行了二進制離散化處理，而保持時移因子的時間連續性，本文在處理行波信號時均采用離散小波變換。

1.2 小波能量

由小波理論可知，信號奇異點的時刻和大小可以通過小波變換局部極大值(即模極大值)的時刻和大小來描述。小波變換的模極大值點與信號突變點是一一對應的，模極大值與信號突變量的大小成正比。因此，可以通過小波變換模值的能量函數來描述信號的奇異性。信號在尺度J下的小波能量的定義如下[17]：

(3)

其中，dji表示在尺度J下離散小波變換的細節系數(即模值)，M表示采樣周期內采樣點的個數。

2 保護原理

2.1 故障行波基本理論

如圖1所示，當輸電線路某處發生短路故障，由疊加理論可知，相當于在故障點附加一個大小相等方向相反的電壓源，產生的行波從故障點開始沿線路向兩側傳播，并在波阻抗不連續處發生折反射。

圖1 直流線路故障分量

對于線路上距離故障點為x的任一點，可得該點的暫態電壓Δu和暫態電流Δi分別為：

(4)

(5)

由式(4)和(5)可以得到正向行波和反向行波的表達式分別為：

(6)

(7)

2.2 正反向行波的特性分析

考慮如圖2所示星型連接的VSC-HVDC輸電系統，0代表星型節點，線路l01, l02和l03分別裝有相應的保護裝置。假設線路l03發生正極接地故障，其行波傳播路徑如圖2所示。

圖2 星型連接的VSC-HVDC輸電系統

(8)

2.3 基于方向行波小波能量的保護策略

針對圖2所示的星型連接的多端VSC-HVDC輸電系統，將采樣裝置設置在星型節點處，這樣可以同時檢測3條線路的行波變化，并能夠采用統一的啟動判據標準，減小行波在線路上衰減所帶來的影響。將相電壓和電流解耦成模量進行分析，因為線模分量相對穩定，所以一般采用電壓和電流的線模分量進行分析。基于方向行波小波能量的保護策略如下：

(1) 啟動判據。對線模電流采用離散小波變換，設定合適的閾值，當小波變換的模值大于所設定的閾值時，啟動方向行波小波能量的積分判據，對于噪聲信號的干擾，可以采用多層小波變換來排除。

(2) 方向行波小波能量計算。將直流線路采樣得到的電壓和電流進行相模轉換，得到相應線路的線模電壓um1和電流im1，模量分解矩陣如下所示：

(9)

(3) 方向行波小波能量判據。根據方向行波小波能量的比值可以快速檢測出故障線路，條件如表1所示。

表1 方向行波小波能量判據

3 算例分析

以PSCAD/EMTDC為仿真平臺，搭建如圖2所示的仿真模型。線路長度分別設置為l01=100 km，l02=100 km和l03=100 km。采樣裝置設置在星型節點處，采樣頻率設置為200 kHz。采用db 4母小波進行離散小波變換[16]。

3.1 典型故障分析

在線路l03設置正極接地故障，故障電阻設置為10 Ω，故障距離換流站3為30 km，故障開始時間為2 s，小波能量計算時窗為2 ms。

(1) 啟動判據。以線模電流作為啟動判據，線路l03線模電流的3層小波變換模值如圖3所示。通過圖3可以看出，小波變換的模值隨著尺度的增加而變大，因此判斷線路發生短路故障而非噪聲信號。

圖3 故障電流的三層小波變換模值

圖4 線路正向和反向行波

圖5 正向和反向行波小波能量

(3)方向行波小波能量判據。根據小波能量結果計算方向行波的比值判據，可得Efm1/Ebm1=39.14，Efm2/Ebm2=38.70和Efm3/Ebm3=0.219。因此，可以判斷故障在線路l03內，保護應快速動作予以切除。

3.2 適應度分析

采用與上述仿真相同的參數設置，分別針對不同故障線路，故障類型、故障距離和故障電阻進行仿真分析。

3.2.1 故障線路

分別在距離換流站1、換流站2和換流站3的30%處設置正極接地故障，故障電阻設為10 Ω，計算結果如表2所示。結果表明，該算法能夠在不同線路故障時有效地識別出故障線路。

表2 不同故障線路

3.2.2 故障類型

在線路l03上設置短路故障，距離換流站30 km，接地電阻為10 Ω，分別設置正極接地，負極接地和極間短路故障，計算結果如表3所示。從表3中可以看出，該算法不受故障類型的影響。

表3 不同故障類型

3.2.3 故障距離

在線路l03上設置正極接地故障，距換流站3長度分別為線路的10%，30%，50%，70%，90%，計算結果如表4所示。從表4中可以看出，該算法不受故障距離的影響。

表4 不同故障距離

3.2.4 故障電阻

在線路l03上設置正極接地故障，距離換流站3長度為線路的30%，故障電阻依次設置為0.1 Ω、10 Ω、100 Ω和300 Ω，計算結果如表5所示。從表5中可以看出，即使在高阻的情況下，該算法仍能夠有效地識別出故障線路。

表5 不同故障電阻

4 結束語

針對星型連接的VSC-HVDC輸電系統，提出了基于方向行波小波能量比值的保護策略。得到以下結論：(1) 通過方向行波的傳播特性可以發現，對于故障線路，反向行波的幅值要大于正向行波，而非故障線路則相反；(2) 通過對方向行波采用離散小波變換和計算方向行波的小波能量比值的計算能夠準確地確定故障線路；(3) 通過仿真得出，該算法不受故障線路、故障距離、故障類型和故障電阻的影響，具有很好的魯棒性。

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李 巖

李 巖(1990 —)，男，遼寧海城人，博士，研究方向為柔性直流輸電的保護與控制；

龔雁峰(1977 —)，男，江蘇啟東人，教授，博士生導師，研究方向為電力系統保護與控制；

姜 斌(1990 —)，男，江蘇揚州人，博士，研究方向為柔性直流輸電的保護與控制。

A Protection Scheme for Multiterminal VSC-HVDC System Based on Direction Traveling Waves

LI Yan，GONG Yanfeng，JIANG Bin

(North China Electric Power University, Beijing 102206, China)

A protection scheme based on the ratio of energies of direction traveling waves is presented in this paper. Firstly, the propagation characteristic of fault traveling waves in a star-connected VSC-HVDC system is analyzed, and the different propagation law between fault and non-fault lines is studied. Then modal voltage and current are transformed in discrete wavelet transform(DWT), and wavelet energies of direction traveling waves are calculated. Finally, the fault line is determined by the ratio of positive and negative direction traveling waves. Simulation results of PSCAD/EMTDC show that the proposed method can identify the fault line quickly in the star-connected VSC-HVDC system. The proposed method is insensitive to different fault lines, fault distance, fault types and fault resistance, and has good robustness.

VSC-HVDC；star-connected；direction traveling waves； discrete wavelet transform； wavelet energy

2016-10-24；

2016-11-25

國家電網公司科技項目(SGZJ0000BGJS1500265)

TM315

A

2096-3203(2017)01-0070-04