高压直流输电系统故障检测的反向电压行波方法

白动化仪表

PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATION

Vol.38 No. 6June. 2017

高压直流输电系统故障检测的反向电压行波方法

王金玉1，赵月娇1，孔德健2，吕金淼1

(1•东北石油大学电气信息工程学院，黑龙江大庆163318;2•国网冀北电力有限公司检修分公司，北京1〇2488)摘要：高压直流输电技术（HVDC)的广泛应用，使得其故障检测越来越重要。为了快速区分高压直流输电系统的故障类型，对系统 中可能出现的各种故障进行了分析，例如逆变侧单相接地短路故障、两相短路故障、三相短路故障和直流输电线路故障。在否定典型 行波检测方法之后，提出小波分析方法中的检测反向电压行波的方案，即采用Db3小波对高压直流输电系统不同类型故障的行波信 号进行小波分析，通过使用MATLAB小波工具箱对故障点的反向电压行波进行5层分解，提出利用反向电压行波5层小波系数最大 绝对值来区分直流故障和交流故障的方法。MATLAB仿真结果表明，直流故障的反向电压行波小波系数不被接地电阻值的大小所影 响。该方法能够很好地完成高压直流输电的故障检测，并为以后的研究提供参考。

关键词：高压直流输电；行波；小波变换；Db3小波；反向电压行波；故障检测；直流故障；交流故障 中图分类号：TH165;TP301

文献标志码：A

DOI：10.16086/j. cnki. issnl000 -0380.201706020

Reverse Voltage Traveling Wave Method

for Fault Detection of HVDC Transmission

WANG Jinyu1，ZHAO Yuejiao1，KONG Dejian2，Lt) Jinmiao1

(1. School of Electrical Engineering and Information,Northeast Petroleum University,Daqing 163318,China；

2. Maintenance Branch of State Grid North Hebei Electric Power Company, Beijing 102488, China)

Abstract ： The wide applications of HVDC transmission technology make its fault detection more and more important ； in order to

quickly distinguish the fault type of HVDC transmission system, various kinds of faults that may appear in the system are analyzed, by such as the single - phase grounding short - circuit fault at the inverter side, two - phase short circuit fault, three - phase short circuit fault, and DC transmission line fault. After denying the typical traveling wave detection method, the strategy of detecting reverse voltage traveling wave in Wavelet analysis is put forward,i. e. ,the traveling wave signals of different faults in HVDC transmission system are analyzed by using Db3 wavelet, and the MATLAB wavelet toolbox is used to decompose the reverse voltage traveling wave of the fault point into 5 layers. It is proposed that using the maximum absolute value of the 5 - layer wavelet coefficient of the reverse voltage traveling wave to distinguish the DC fault and AC fault. The MATLAB simulation results show that the wavelet coefficient of DC fault is not affected by the magnitude of the grounding resistance value. This method can well accomplish the fault detection of HVDC transmission and provide reference for research in future.

Keywords： HVDC transmission； Traveling wave； Wavelet transform； Db3 wavelet； Reverse voltage traveling wave； Fault

detection； DC fault； AC fault

〇引言

随着高压直流输电（high voltage direct current

tmnsmisson，HVDC )技术的逐渐成熟，其应用也日益普

随时间和频率变化的行波。该行波携带相应故障的信 息，可用于故障检测和线路保护[2]。原有的文献表明， 传统的典型行波保护方法很难对故障进行有效识别并 在短时间内作出正确的保护决定。如果有噪声干扰， 将大大增加故障识别的难度[3]。小波变换能实现时间 和频域的局部变换。本文将以小波变换为工具，利用 反向行波电压的故障信息来验证其是否具有适用于特

及。为保证电网运行的可靠性与安全性，直流输电线 路的故障检测已成为当前研究的热点。高压直流输电 线路发生故障后[1]，故障点会产生一组向两侧传播的

修改稿收到日期:2017 - 02 - 06

作者简介:王金玉（1973—)，男，博士，教授，主要从事电力电子与电力传动和信号检测与处理方向的研究。

E - mail:wangjydxl@ 126. com〇

赵月娇(通信作者），女，在读硕士研究生，主要从事电力电子与电力传动方向的研究。E-mail:956221173@qq.c〇m,

第6期高压直流输电系统故障检测的反向电压行波方法王金玉，等• 83 •

征识别和行波保护的能力。

1原理分析

1.1 HVDC系统结构和故障

HVDC系统主要由电网送端交流网络（Network I)、

交流变直流的换流变压器（YYA)，整流器、直流输电 线路、逆变器、直流变交流的换流变压器和电网受端交 流网络（Network II)构成，实现将交流变为直流传输 后再转化为交流的过程[4]。系统中的整流器和逆变器 又称为换流器，是系统中的主要设备，能实现交流和直 流的转换。

直流输电系统的故障分为直流故障和交流故障。 本文主要研究直流故障中的直流线路故障和交流故障 中的接地短路故障。

本文所设计的高压直流输电系统是典型的12脉 冲桥[5]，其功能是将电流从500 kV、5 000 MV、60 Hz 系统传输到345 kV、10 000 MV、50 Hz系统，使用的是 500 kV、线长300 km的直流输电线路。HVDC系统结 构如图1所示。

图1 HVDC系统结构图 Fig. 1 HVDC system structure

1.2故障识别方法

HVDC在实际应用中，由于直流传输线路长，非常

容易出现故障，所以需要快速检测故障并识别故障类 型，并在最短时间内作出补救。当高压直流输电系统 的直流输电线路出现故障时，一般以行波保护作为主 保护。传统的行波保护方案中，应用较为广泛的是

ABB行波保护和SIEMENS行波保护[6]。这两种保护

方案虽然动作快、识别范围广，但是存在一定的缺陷。 由于其采用的电压和电流都是瞬时值，对噪声比较敏 感，抗干扰能力不强，还存在误动作和不动作的情况， 因此在实际应用中效果不理想[7]。

基于小波变换的行波保护具有优越的抗干扰能 力和运行稳定性，本文应用小波变换对故障进行准 确检测，以验证其能力。小波分析具有同时在频域 和时域分析的优点，可以检测到正常原始信号中的 暂态，并将其频率部分表示出来，以便分析[8]。

Daubechies小波函数的支撑长度为2/V - 1，消失矩为 I Db/V小波是没有显式表达式的（除# = 1外），但

是其传递函数|\\丨的模的平方却有显式表达式。故

Db/V小波的表达式为：

本文采用Daubechies小波中的Db3小波，作为分 析HVDC故障时的母小波。Db3小波具有正交性和近 似对称性，在故障检测中可以作为小波基函数。1.3反向电压行波的计算

以下通过小波变换，分析上述各种故障条件下产 生的瞬态电压和电流[9]。HVDC模型设计采样时间为 7； =50

对于40 ms的直流电压和电流，采用5层

Db3小波变换。根据故障点处行波电压和电流，计算

反向电压行波[1°]。

K = Fd ~2Z〇h (2)

式中：R为反向电压行波;Fd、/d分别为故障点传输行 波电压和电流;'为HVDC的线阻抗。

2仿真试验

2.1正常运行

HVDC系统在正常运行情况下，电压和电流在额

定值附近小幅度地变化，如图2所示。

U)St A ,y

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1.0- ^

Lft

〇10.60

-------0.61

-------0.62

--------------\"s

0.63 0.

(a)直流电ffi

(b)直流电流

图2

正常运行时的直流电压和电流曲线

Fig. 2 DC voltage and current curves in normal operation

将反向电压行波作为MATLAB小波工具箱的输 入信号，以Db3小波作为母小波进行5层小波分析，正

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自 动化仪表第38卷

常工作情况下反向电压行波的绝对小波系数的最大值 小于10。HVDC正常运行反向电压行波如图3所示。

图3 HVDC正常运行反向电压行波 Fig. 3 Reverse voltage traveling wave

in normal operation of HVDC

2.2逆变器交流侧单相接地短路故障

当HVDC系统在逆变器交流侧线路上受到单相 接地短路故障时，端子R处的行波电压、电流直流电 压和电流迅速降为〇。当HVDC系统逆变器交流侧单 相接地短路故障时，,-----------反向电压行波保持为负;从故障瞬 间开始在30 ms内从0降至-500 V，如图4所示。

200

\"6〇〇0.60

0.61

0.62

0.63

0.

图4单相接地故障反向电压行波 Fig. 4 Reverse voltage traveling wave

during single - phase ground fault

2.3逆变器交流侧两相短路故障

HVDC系统逆变器交流侧两相故障时，线路完全

断开。图5为逆变器交流侧两相故障时在端子R处的 反向电压行波。同样地，其交流故障中的两相故障小 波系数小于50,其极性在30 ms内保持相同。因此，交 流故障既可以通过HVDC线路故障中检测小波系数 识别，又可以通过具有极性改变的正常操作识别。

200.----------------------------------------------------------------01-200

\\

-400

'6〇〇0.60 0.61 0.62 0.63 0.

图5 两相故障反向电压行波

Fig. 5 Reverse voltage traveling wave during the two - phase fault

2.4逆变器交流侧三相短路故障

当HVDC系统逆变器交流侧三相故障时，其电压

和电流达到〇,此时故障最为严重。图6是逆变器交 流侧三相短路故障时端子R处的反向电压行波。相 比于其他交流故障，三相故障时反向电压行波从〇下 降到负值的用时最短，故障发生最为迅速。

图6

三相故障反向电压行波 Fig. 6 Reverse voltage traveling wave

during the three - phase fault

2.5直流线路接地故障

在SIMULINK中模拟直流线路150 km处的接地 故障，并从故障开始记录40 ms的直流电压和电流。 通过得到的故障数据计算反向电压行波，且该故障数 据已用于小波工具箱的输入信号。假设直流对地故障 的故障电阻分别为1

II，通过仿真发现，1 II和

5 II的故障电阻的直流线路接地故障反向电压行波波 形几乎是一样的，如图7所示。由此可以看出，故障电 阻的变化不会对行波传播所耗费的时间产生任何影

响。无论故障电阻是1 II还是5 II，都不影响最终结 果的测量，因此小波变换方法对于高压直流输电系统 故障的检测更可靠。

图7 HVDC直流线路故障反向电压行波 Fig. 7 Reverse voltage traveling wave

of HVDC system DC line fault

HVDC系统在各种不同工况下的小波系数最大绝

对值可以清楚地将交流故障和直流故障区分开。经过

小波工具箱的分析，得到结果如下。交流故障的小波

系数的最大绝对值都在50以下，其中单相接地短路故 障的第1〜4层小波系数最大绝对值是1.4〜26. 9递 增，两相短路故障是1.7〜33. 8递增，三相短路故障是 2.3〜45递增。而直流故障的小波系数最大绝对值都 大于100,其中接地电阻为5 II的直流故障的1〜4层

第6期高压直流输电系统故障检测的反向电压行波方法王金玉，等

2013(21) ：20-25.

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小波系数最大绝对值是160〜769递增，接地电阻为 1 II的则是165〜795递增。交流故障的小波系数最 大绝对值远低于直流故障的小波系数。另外，在故障 发生后的30 ms，反向电压行波的5层小波系数的极性 不变，因此小波系数极性的变化也能作为识别换相故 障的标准。

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3结束语

本文提出高压直流输电系统基于小波变换技术的

故障检测方法，通过分别检测逆变器交流侧故障和直 流输电线路故障的行波信号，利用Db3小波分析得到 反向电压行波的5层小波变换系数，以区分故障类型。 仿真结果表明，采用小波变换技术，反向行波电压的小

波变换系数能够实现对HVDC直流故障和交流故障 的区分。小波变换技术在高压直流输电故障检测方面 的应用加快了检测进度，使高压直流输电故障检测技 术得到了更快的发展。参考文献：

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