高壓直流輸電系統(tǒng)輸電電纜的故障定位研究

程泓澤 沈 靖 張 俊

（成都供電公司電纜運(yùn)檢中心）

0 引言

高壓直流輸電已成為現(xiàn)代電網(wǎng)的最新發(fā)展趨勢(shì)，已廣泛存在于各大電力網(wǎng)絡(luò)中。但在架空線路遠(yuǎn)距離輸電過(guò)程中，高壓直流側(cè)輸電線纜受途中氣候及周邊環(huán)境的干擾較大，造成線纜經(jīng)常發(fā)生接地短路類的故障，有的架空線路斷線故障發(fā)生之后，架空線路的外表絕緣層不能徹底被熔化碳化，鋁芯線會(huì)由于架空線路的拉力而被動(dòng)進(jìn)入絕緣層，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致人員觸電的重大安全事故。且高壓直流輸電系統(tǒng)故障自我清除及復(fù)位能力較差，往往需要工作人員手動(dòng)將高壓直流線路切斷后按壓相關(guān)按鈕進(jìn)行再次啟動(dòng)后進(jìn)行故障復(fù)位，避免高壓直流輸電系統(tǒng)的自身故障對(duì)整個(gè)配網(wǎng)的安全運(yùn)行帶來(lái)嚴(yán)重威脅［1］。遠(yuǎn)途輸送一般選擇架空線路進(jìn)行電力輸送，線路發(fā)生故障時(shí)往往不容易被發(fā)現(xiàn)，且對(duì)輸電線路沿途的建筑及設(shè)施設(shè)備帶來(lái)了較多的安全隱患，間接影響到人民的生產(chǎn)生活。因此，對(duì)直流輸電系統(tǒng)輸電電纜的故障進(jìn)行識(shí)別和定位是系統(tǒng)可靠運(yùn)行的前提。本文提出一種基于模糊比值分析的模塊化多電平轉(zhuǎn)換器高壓直流輸電系統(tǒng)（MMC－HVDC）直流側(cè)故障定位方法，能夠較好地對(duì)輸電系統(tǒng)輸電線纜的故障進(jìn)行精準(zhǔn)故障定位，使故障可以及時(shí)得到處理，有效縮短了故障搶修時(shí)間，提高了故障處理效率，最大程度保證了電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

1 基于模塊化多電平轉(zhuǎn)換器的高壓直流輸電系統(tǒng)單極接地故障分析

基于模塊化多電平轉(zhuǎn)換器的高壓直流輸電系統(tǒng)由交流系統(tǒng)、逆變側(cè)和整流側(cè)模塊化多電平轉(zhuǎn)換器、直流側(cè)平波電抗器及其架空輸電線路等組成［2］。為進(jìn)一步對(duì)直流系統(tǒng)單極接地故障開(kāi)展深入研究，本文以200kV的架空線路距離為15km的MMCHVDC系統(tǒng)為例進(jìn)行分析，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 高壓直流輸電結(jié)構(gòu)

為便于分析計(jì)算，系統(tǒng)簡(jiǎn)化高壓直流輸電系統(tǒng)直流側(cè)電路如圖2所示，圖中電纜線路路單位電阻為每千米零點(diǎn)二歐姆，單位電感為為每千米零點(diǎn)四亨利，Rf、Rb分別是故障位置前半段及后半段的電路電阻，Lf、Lb分別是故障位置前半段及后半段的電路電感，Rg代表接地電阻，其取值根據(jù)實(shí)際接地故障而定，一般不超過(guò)5Ω［3］。當(dāng)直流側(cè)電纜在t=1s時(shí)突發(fā)單極接地故障時(shí)，故障電壓波形見(jiàn)圖3。

圖2 高壓直流輸電系統(tǒng)直流側(cè)簡(jiǎn)化電路

圖3 直流輸電系統(tǒng)單極接地故障波形圖

由圖3不難發(fā)現(xiàn)，當(dāng)直流輸電系統(tǒng)單極接地故障發(fā)生時(shí)，從t=1s開(kāi)始，不論輸電系統(tǒng)±極電壓均會(huì)發(fā)生突變，隨后趨于穩(wěn)定。針對(duì)直流輸電系統(tǒng)單極接地故障，接地故障電壓計(jì)算如下：

式中，UGi，UNi—頻率i對(duì)應(yīng)的接地電壓及故障位置特征電壓。

倘若只針對(duì)接地故障的U、I值大小進(jìn)行定位，必定受到故障發(fā)生點(diǎn)位及接地電阻大小等因素影響。當(dāng)選擇用該頻段的電壓比值K當(dāng)作定位特征量時(shí)，可以規(guī)避掉接地電阻阻值以及故障位置前半段和后半段的電路電阻的干擾，其計(jì)算式如下：

對(duì)于K值來(lái)說(shuō)，其所占故障電壓的比例跟故障點(diǎn)位特征電壓UNi有關(guān)，不受接地電阻變化的影響，能夠用來(lái)表示故障點(diǎn)的具體位置［4］。

2 直流輸電系統(tǒng)電纜故障分析方法

2.1 S-transformation故障極定位方法及原理

S-trаnsformаtion又稱S變換，在小波技術(shù)和Fouriеr變換的基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化發(fā)展，可以處理Fouriеr變換不能有效處理非平穩(wěn)信號(hào)的難題，不僅能提供較強(qiáng)的時(shí)間分辨率，在頻域也有較強(qiáng)的定位能力，還能克制信號(hào)干擾，能夠較好處理復(fù)雜的非穩(wěn)態(tài)信號(hào)［5］。因此經(jīng)常被用在故障分析法中對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理，使故障數(shù)據(jù)更加凸出并客觀表示出來(lái)，所以被廣泛應(yīng)用，但必須保證選擇合適的小波基，否則無(wú)法確保結(jié)果的準(zhǔn)確性。

對(duì)于任意連續(xù)信號(hào)，S-trаnsformаtion定義為：

式中，w(τ-t，f)為S-trаnsformаtion使用的高斯窗口函數(shù)；τ為時(shí)移參數(shù)；f為頻率。將收集到的故障電壓信號(hào)U利用上述S-trаnsformаtion處理后得到的頻譜見(jiàn)圖4。

圖4 直流輸電系統(tǒng)線纜故障電壓頻譜圖

由圖4可以看出，當(dāng)直流輸電系統(tǒng)接地故障發(fā)生在本極或異極的時(shí)，在本極處故障時(shí)，所測(cè)故障電壓頻率范圍兩千五到五千赫茲之間，在異極處故障時(shí)，所測(cè)故障電壓頻率范圍在零到兩千五赫茲之間。設(shè)置M為一千五到兩千五赫茲的低頻段電壓和，N為三千五到四千五赫茲的高頻段電壓和，取K=N/M。當(dāng)K大于1時(shí)，診斷為本極故障，當(dāng)K小于等于1時(shí)診斷為異極故障。

2.2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)故障點(diǎn)定位方法及原理

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)又稱Bаck Proраgаtion，是前饋網(wǎng)絡(luò)的一種，其結(jié)構(gòu)相較其他前饋網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)更簡(jiǎn)單，普遍適用性更好。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由數(shù)據(jù)輸入輸出層、隱層等部分組成。輸入層將直流輸電系統(tǒng)各輸入數(shù)據(jù)K1、K2、K3……Ki進(jìn)行加權(quán)（e=WKi+b，其中W和b均為常數(shù)）后并輸送至隱層各個(gè)神經(jīng)元，再其內(nèi)部進(jìn)行故障信息的有效處理，最后借助隱層神經(jīng)元將處理后的信息傳遞到輸出層進(jìn)行權(quán)值分析并將最終結(jié)果輸出。

為了有效保證高壓直流系統(tǒng)故障定位效果，采用故障發(fā)生點(diǎn)距監(jiān)測(cè)點(diǎn)的距離除以整體位置為控制變量，且可通過(guò)將故障分區(qū)逐步縮小來(lái)使測(cè)量精度提高，該法能夠滿足不同長(zhǎng)短線路的故障定位，故障在0.6s后的各個(gè)位置的頻率電壓圖如圖5所示。

圖5 故障發(fā)生位置頻率分布

由圖5可以發(fā)現(xiàn)，在頻率0-500Hz、1500-2000 Hz、3500Hz左右范圍處，故障位置距離越近，該頻率段分量所占比例越低；但在頻率500-1000Hz區(qū)間，故障位置發(fā)生距離越近，該頻率段分量所占比例越高；利用頻帶分布特性，將直流輸電系統(tǒng)輸電線路電壓所呈現(xiàn)的能量分布進(jìn)行分析，當(dāng)線路故障發(fā)生點(diǎn)位置不一時(shí)，各個(gè)故障位置特征電壓在各頻率段的所占的比值也不一樣，且跟隨故障位置距離的變動(dòng)而變動(dòng)，所以，依據(jù)不同故障位置的不同頻率段分量的比值進(jìn)行故障表征，最終達(dá)到故障定位的目的。考慮到每個(gè)故障點(diǎn)位的特征均不一樣，倘若針對(duì)某個(gè)故障點(diǎn)位開(kāi)展單獨(dú)數(shù)據(jù)分析，尋求相應(yīng)頻段比值會(huì)造成定位方法復(fù)雜冗長(zhǎng)，此外，拓展性會(huì)隨著點(diǎn)位距離的增加而減小，故采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，借助BP網(wǎng)絡(luò)將故障發(fā)生位置與各頻率段占比K值建立關(guān)系，不僅快速建立起數(shù)據(jù)關(guān)系，還能使定位流程步驟精簡(jiǎn)。

為了快速對(duì)故障發(fā)生的位置實(shí)施定位，故障定位方法主要?jiǎng)澐譃槟M和應(yīng)用兩步驟。前者采集輸電線路參數(shù)和故障信息數(shù)據(jù)并進(jìn)行仿真模擬，然后將故障數(shù)據(jù)進(jìn)行S-trаnsformаtion處理后借助BP網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練找到特定的權(quán)值，進(jìn)一步搭建出該區(qū)間輸電線路的故障信息數(shù)據(jù)庫(kù)。后者采用故障信息數(shù)據(jù)庫(kù)尋找合適的定位數(shù)據(jù)進(jìn)行位置定位，具體流程如圖6和圖7所示。

圖6 故障定位流程圖

圖7 故障定位流程圖

3 案例驗(yàn)證

由于篇幅有限，現(xiàn)針對(duì)故障點(diǎn)定位故障進(jìn)行論證，進(jìn)一步對(duì)輸電線路故障點(diǎn)實(shí)施定位，本文以長(zhǎng)為20km的200kV直流輸電系統(tǒng)為例進(jìn)行仿真，在采樣線路上標(biāo)注8個(gè)故障監(jiān)測(cè)點(diǎn)，獲取每個(gè)故障點(diǎn)的過(guò)頻段信號(hào)，比較分析不同故障位置處的故障信息，并將故障發(fā)生位置電壓進(jìn)行S-trаnsformаtion后取其頻段比值，輸進(jìn)數(shù)據(jù)庫(kù)中獲得相應(yīng)定位結(jié)果，見(jiàn)表1所示。

表1 高壓直流輸電系統(tǒng)故障定位結(jié)果

由表1可以看出，故障定位誤差都在0.2km之內(nèi)，故該定位方法的有效。且在增加BP網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練層數(shù)后，故障位置定位精度顯著改善，詳細(xì)對(duì)比結(jié)果如表2所示。

表2 BP網(wǎng)絡(luò)層數(shù)詳細(xì)對(duì)比結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著架空線路的建設(shè)數(shù)量的逐漸攀升，由之造成的問(wèn)題也日益增多，其中以直流輸電系統(tǒng)輸電電纜的故障最為常見(jiàn)，為降低輸電電纜故障造成的影響、保證配電網(wǎng)運(yùn)行安全可靠，需要對(duì)高壓直流輸電系統(tǒng)輸電電纜故障進(jìn)行定位，確保在故障發(fā)生第一時(shí)間內(nèi)發(fā)現(xiàn)故障并采取相應(yīng)的措施，最大程度縮短故障停時(shí)、提高生產(chǎn)效率。本文在對(duì)基于模塊化多電平轉(zhuǎn)換器的高壓直流輸電系統(tǒng)單極接地故障進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，研究了直流輸電系統(tǒng)輸電電纜S-trаnsformаtion等故障極定位方法及原理和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)故障點(diǎn)定位方法及原理，并以20km的200kV直流輸電系統(tǒng)為例進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，效果理想，一定程度上降低了高壓直流輸電系統(tǒng)輸電電纜故障造成的影響，保證了整個(gè)配電網(wǎng)的安全平穩(wěn)運(yùn)行，確保了居民的正常安全用電，實(shí)現(xiàn)電力部門穩(wěn)定發(fā)展與服務(wù)質(zhì)量的雙贏。