高壓直流輸電線路行波色散及行波測距研究

秦興建

摘要：高壓直流輸電是遠距離能量傳輸的最有競爭力方案。目前，高壓直流輸電在中國和全球范圍內獲得了蓬勃發展，未來還會為大規模清潔能源的遠距離送出和消納提供強有力支撐。高壓直流輸電線路由于橫跨范圍大、沿線環境復雜，線路發生故障的概率較大，快速、精確定位故障點對提高電力系統的安全穩定水平具有重要意義。直流線路故障測距主要有三類方法：故障分析法、固有頻率法和行波測距法。故障分析法依賴精確的線路模型參數和準確的電壓、電流信號測量。固有頻率法存在頻譜混疊及測距死區等問題。行波測距方法在交流線路、直流線路中已取得了廣泛的應用和豐富的應用經驗，是目前直流線路故障測距的主要技術手段。對于高壓遠距離直流輸電線路，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距面臨的重要問題。

關鍵詞：高壓直流輸電線路;行波色散;行波測距;

引言

高壓直流輸電距離長，跨越地區的地形地貌、環境氣候差別大，故障率較高。特別是，對于目前中國超特高壓交直流混聯大電網運行形態，直流系統故障或長時間停運導致的大容量輸送功率缺失，對電網的安全穩定運行沖擊或隱患較大，因此快速準確的故障定位極為重要。

1輸電線路行波色散的物理機理

行波沿輸電線路傳輸時產生的幅值衰減和波形畸變稱為行波色散。行波色散會導致行波波頭變緩，增加行波測距的難度。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、電阻和電導參數。2）由于趨膚效應，回路的分布電阻R0和分布電感L0是與頻率相關的變化參數。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，也會引起相量域波形的畸變。回路的信號傳輸特性可用傳播系數γ=α（ω）+jβ（ω）描述，其中α（ω）為衰減系數，β（ω）為相位系數，ω為信號角頻率。當忽略電導G0時，α（ω）和β（ω）分別為

3高壓直流輸電線路行波測距新方法

3.1常用的行波波頭標定方法

行波沿線路傳輸會產生色散，行波波頭到達的真實時刻難以準確獲得，工程上只能采用合適的方法標定行波波頭到達的感知時刻。采用不同的標定方法，檢測到的行波到達時刻會有所不同。一類波頭時刻標定方法是采用固定幅值門檻。按此方法，門檻設置得越小，則檢測到的行波到達時刻越早。固定門檻的波頭時刻檢測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。對于多尺度小波分析法，不同尺度的小波模極大值標定的時刻通常不同。采用多尺度分析類方法時，難以綜合利用各個尺度的分析結果，且在某一具體尺度，信號的分析結果并不滿足物理的因果律（在行波實際到達之前會存在非零的計算結果），且模極大值反映的是窄帶信號的最強時段，在行波色散嚴重時與行波真實到達時刻的對應性較差。

3.2雙端行波測距算法設計

雙端行波測距需要檢測故障點初始行波到達兩端的準確時間，同時還需要兩側進行故障初始行波到達絕對時刻的信息交互。目前的超高壓輸電線路保護裝置均配置了光纖通道，通過光纖通道與對側線路保護裝置進行數據的交換來構建全線速動的主保護功能，而主CPU則可以通過光纖通道來完成兩側故障到達絕對時刻的傳遞。行波CPU與保護CPU兩者間則通過集成裝置的母板上設置的HSB總線來進行信息的傳遞。行波測距需要準確捕捉故障到達的絕對時刻，該時刻的準確性對測距計算的準確性影響很大，因此需要對行波CPU進行精確對時。對時精度須達到1μs（假定行波波速度等于光速，則1μs對應的測距誤差為150m），行波CPU支持電B碼對時。本側時標的獲取：行波CPU自身滿足啟動之后進行故障波頭的絕對時刻提取，當感受到主CPU的啟動信號之后，通過總線將該時標傳遞給主CPU。對側時標的獲取：通過主CPU的光縱通道獲取對側傳遞的絕對時標。行波CPU上送時標和本/對側傳遞時標的格式均取標準協調世界時（coordinateduniversaltime，UTC）格式。UTC時標分為2個4字節傳遞，前面4個字節表示為年月日時分秒，后面4個字節表示為微秒。當線路上發生故障后，行波CPU與保護CPU均會啟動。保護CPU啟動開放出口繼電器的負電源，只有保護CPU動作后，才將行波CPU的測距結果以事件的方式上送到保護裝置液晶面板。當線路CPU通過HSB總線和光纖通道分別獲取到本側、對側時標之后則進入雙端行波測距流程。

3.3基于波頭標定及波速修正的行波測距新方法

考慮行波色散效應，基于行波波頭標定和行波波速修正新方法的完整行波測距過程如下：1）仿真獲得傳輸距離與波速的關系曲線。2）對行波波形采用多尺度小波分析確定行波波頭的最大值時刻，鎖定行波峰值點。3）基于行波峰值，按10%峰值點和90%峰值點標定行波到達時刻。4）先按線路長度50%對應的波速進行故障測距，然后根據行波傳輸距離修正各側的行波波速，修正測距結果。考慮波速變化的雙端行波測距計算公式為

式中：x為故障點距M側的距離;l為線路全長;tM和Nt分別為行波波頭到達M側和N側的標定時刻;vM和Nv分別為兩側行波的等效波速，需根據測距結果進行迭代修正。

結束語

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

參考文獻

[1]楊林，王賓，董新洲.高壓直流輸電線路故障測距研究綜述[J].電力系統自動化，2018，42（8）：185-191.

[2]熊列彬，吳高華，王志洋.基于IHHT的多測點行波法故障測距在全并聯AT牽引網中的研究[J].電工技術學報，2019，34（15）：3244-3252.

[3]孫廣，王陽，薛楓，等.特高壓直流輸電線路改進雙端行波故障定位方法研究[J].電力系統保護與控制，2020，48（14）：113-120.

[4]王永進，樊艷芳，唐勇，等.考慮強非線性和波速變化特性的特高壓直流輸電線路故障測距方法[J].電力系統保護與控制，2020，48（5）：17-25.294A1066-0CEA-43B2-A165-ECB9D3882DCC