（电机与电器专业论文）小波变换在直流输电保护故障特征量提取中的应用.pdf

其对直流输电的暂态的消嗓具有无法比拟的优点。本文运用小波分析对信号进 行预处理，获得了良好的效果。 本文首先根据直流输电特性和继电保护原理得到了直流输电的继电保护及 其基本整定方法。对各种故障的分类及其应该采用的保护措施进行了详细的阐 述，并介绍了我国的直流输电的发展情况。其次描述了小波变换的基本理论及 分析方法，最后用m a t l a b 对直流输电进行建模，对其故障信号进行了小波分析， 仿真分析验证了该方法的优越性。 关键词：1 高压直流输电m a t l a b 小波变换小波消噪继电保护 t h e o r ya n d t e c h i n i q u e s o fw a v e l e tt r a n s f o r m e r a p p l i e di ni d e n t i f i c a t i o no f f u a i jc h a r a c t e r0 f p r o t e c t i o no fh v d c m a j o r ：e l e c t r i c m a c h i n ea n de l e c t r i c a le q u i p m e n t g r a d u a t e ：h o ub a o s h e n g a d v i s o r ：z e n gc h e n g b w i t ht h e d e v e l o p m e n to fp o w e rs y s t e ma n do u rc o u n t r y 、se c o n o m y ，o u r c o u n t r yw i l li m p l e m e n t t h ed e v e l o p i n gs t r a t e g yo f “t h ew e s t p o w e r t r a n s m i t t e dt ot h e e a s ta r e a ”t h es o u t hp o w e rt r a n s m i t t e dt o n o r t h a n d u n i t i n gt h ew h o l ep o w e r s y s t e mi n t oai n t e g r i t y ”a st h eh v d c h a st h ep r o p e r t i e so f l o n gd i s t a n c eo fp o w e r t r a n s m i s s i o n ，g o o dr e g u l a t i o n ，l o w e ro v e r v o l t a g e a n dl o w e r l o s s e s ，i t s u i t st o t r a n s m i s s i o no fl a r g ep o w e ro fl o n gd i s t a n c e ，p e a km o d u l a t i o na n dl i n k b yw a t e r c a b l e s o u rc o u n t r yp u th v d ca sap a r to ft h ew h o l e p r o g r a m m i n g h v d c w i l lg e t m o r eu s a g ei n p o w e rs y s t e m ，w h i l et h em a t u r eo ft e c h n o l o g yo fh v d c ，d e c e n to f p r i c eo f p o w e r t r a n s m i s s i o ne q u i p m e n t ，a n de n h a n c e m e n to f u t i l i z er a t i oo f c o n v e r t e r s t a t i o ni ti s i n e v i t a b l yt og e tf a u l ta n db em a l f u n c t i o nd u r i n gi t so p e r a t i o na sa c s y s t e m s ow e m u s tf i n dan e wm e t h o df o rh v d c p r o t e c t i o nt oa v o i d t h ei n f l u e n c e o fp o w e rt r a n s m i s s i o na n dt oa v o i d d a n l a g i n ge q u i p m e n tw h e nf a u l to c c u r r e d ， a c c o r d i n g w i t hd i f f e r e n c eb e t w e e na ca n dd c n o to n l ye l e m e n to fc u r r e n ta n dv o l t a g eo fe v e r y c o m p o n e n to fs y s t e mi s r e q u i r e d t ob e g o tr a p i d l y i nt i m ei n m i c r o p r o c e s s o r b a s e d p r o t e c t i o n ，b u t c o r r e s p o n d i n ga l g o r i t h mo fp r o t e c t i o nm u s tb eg i v e nt od ow i t hd a t at oa n a l y s i sa n d t om a k ed e c i s i o n ，a tl a s ts w i t c ho r d e ro rc a l c u l a t e dr e s u l ti s g i v e n b u tt h ep r i o r a l g o r i t h mh a sf l a wd u r i n gc a l c u l a t i o np r o c e s s t h et r a n s i e n t s i g n a l o fh i g hf r e q u e n c yh a sa b u n d a n tf a u l ts i g n a l sw h e nd c s y s t e m sc o m et o f a u l t b e c a u s et h et r a n s i e n ts i g n a l sh a p p e ni nas h o r tt i m ea n di t s f r e q u e n c y i s b r o a d ，f o u r i e rt r a n s f o r m a n dw i n d o w e df o u r i e rt r a n s f o r mc a n t a n a l y z e i t e f f i c i e n t l y w a v e l e t h a sp r o p e r t yo fl o c a l i z a t i o ni nt i m ed o m a i na n d u n c h a n g e a b l e n e s sb o t hi n t i m ed o m a i na n ds p a c ed o m a i ni nt h ec o n d i t i o nt h a t s i g n a l sm o v ep a r a l l e l s oi t c a l la n a l y s i st r a n s i e n ts i g n a l so f c h a n g i n gs u d d e n l ya n d f a i n ts i g n a l sb yd i v e r s ec h a r a c t e r i s t i co ft r a n s i e n ts i g n a l sb e t t e rt h r o u g hw a v e l e tb a s e z o o m i n ga n dm o v i n gp a r a l l e lt oa d j u s tw i d t ho fa n a l y t i cw i n d o wa d a p t i v e l y i nt h e d i s s e r t a t i o n ，a ni n t e g r a lh v d cm o d e li sb u i l tu s i n gs i m u l a t i o nt o o lm a t l a b t h e s i m u l a t i o no f a n a l y z i n gb y w a v e l e ti nt i m ed o m a i ns h o w sa g o o d r e s u l t t h e r eh a v es i g n a l so fh i g hf r e q u e n c yo fc h a n g i n gs u d d e n l ya n dn o i s ew h e n f a u l t so fh v d ct a k e np l a c ed e n o i s et h e o r yb a s e do nw a v e l e tw i t ha d a p t i v e p r o p e r t yi s e x c e l l e n tt od e a lw i t ht r a n s i e n ts i g n a l s 。i nt h i s p a p e rt h a ta n a l y s i so f w a v e l e ti su s e dt op r e t r e a t m e n ts i g n a l sp r o v e dt h i s f i r s t ，p r o t e c t i o no fh v d c ，h o w t og e ti t s v a l u e s ，b o wt oc l a s s i f yf a u l t sa n d w h a tk i n do fm e t h o ds h o u l db et a k e na r es u m m a r i z e d ，a sw e l la st h ed e v e l o p m e n to f h v d ci no u rc o u n t r y s e c o n d ，t h et h e o r yo fw a v e l e ta n da n a l y s i sm e t h o do fw a v e l e t i si n t r o d u c e d f a u l ts i g n a l sa r ea n a l y z e db yw a v e l e t t h es i m u l a t i o np r o v e dt h e s u p e r i o r i t yo f t h i sm e t h o d k e y w o r d s ：h v d c m a t l a bw a v e l e tt r a n s f o r md e n o i s et h e o r yo fw a v e l e t p r o t e c t i o n p 目川大学硕上学位论文 第一章绪论 1 1 选题背景和研究意义 随着生产的发展和电能的需求的不断增长f l 】，人们逐步掌握了多相交流电 路原理，创造了交流发电机、变压器、和感应电动机。由于交流电的发电、变 压、输送、分配、和使用都很方便，而且经济、安全和可靠。因此，交流电发 展成了现在规模巨大的电力系统。 尽管如此，世界上有许多的科学家和工程技术人员根据交流输电和直流输 电各自的特点，特别是交流远距离输电会受到同步运行稳定性的限制，预见到 继续发展直流输电的必要性。并陆续建立了一些实验性工程。2 0 世纪5 0 年代 以后，电力的需求增长很快，电力系统的规模发展得更大，交流电的局限性在 生产实践中也表现得更为明显，于是直流输电技术又重新为人们所重视。 1 9 5 4 年，瑞典在本土和果特兰岛之间建成一条海底电缆直流输电线。是世 界上第一条工业性的高压直流输电线。此后，许多国家也积极地展开了商压直 流输电线路的研究和建设工作。6 0 年代可控硅整流元件的出现，为换流设备的 制造开辟了新的途径，高压直流输电出现了新的前景。 直流输电在技术上和经济上有许多不同于交流输电的特点，因此，在目前 交流输电技术虽然已经广泛应用的情况下，有的工程由于经济或技术上的原因 采用直流输电却较为合理。直流输电可以用两根导线，三相交流线路则须用三 根导线。如果每根导线具有相同的截面和绝缘水平，那么直流线路每根导线的 输送功率为 p d = v d id 交流线路每根导线输送的功率为 p o = 圪，。c o s 中 式中 矿，一直流线路的对地电压； 旷一交流线路对地电压的有效值，即相电压的有效值： ，。，一直流和交流线路的电流有效值； c o s 中一交流线路的功率因数。 四川大学硕七学位论文 当两种线路采用相同的电流密度时，每根导线所载电流相等，即，。，= 。 如果交流和直流线路所需的绝缘水平按过电压倍数而定，分别为 2 。v 。和女。对于超高压架空线路，交流线路过电压倍数取2 2 5 ，直 流线路则约为2 倍。作为一次近似，假定过电压倍数k 。= k 。，因此当线路具 有相同的绝缘水平时候，则有 = 4 2 v o 所以告p = 考v = 羔 。o 。c o s 巾c o s 中 在交流远距离输电的情况下，c o s o 一般比较高，取为o 9 4 5 ，则 也就是只有两根导线的直流线路输送的总功率只和三根导线的交流线路 输送的总功率只相等。因此单位长度的直流线路所需的有色金属和绝缘材料就 可以比交流线路节约三分之一。如果采用架空线，直流线路的杆塔载荷较小， 线路所需的走廊也较窄。 反过来也就是说：如果线路建造费用相同，直流输电所能传送的功率约为 交流输电功率的1 5 倍。 另一方面，由于直流线路少一根导线，在输送功率相同的情况下，直流线 路导线电阻的功率损耗也比交流线路的少三分之一。此外，由于集肤效应，大 截面导线的交流有效电阻比直流电阻略大，也增大了线路的功率损耗。 直流架空线路的电晕损耗，要比交流架空线路的电晕损耗小的多，并且无 线电干扰在雨天时候要小的多。对于电缆线路，在电缆输电的情况下，采用直 流输电，电缆的有色金属和绝缘材料相同的情况下，输电能力可以提高1 ，8 2 5 倍。虽然换流站的造价比较高，但是当线路较长时候，直流线路可以节约很多 费用。因此线路较长时候采用直流输电是比较经济的。 直流线路调节功率比较迅速，调节所需的时间常数较小。当交、直流输电 线并列运行时候，当发生交流输电线路故障等大扰动时，直流输电线路可以在 允许的过载能力范围内短时增加功率，使送端系统中发电机转子制动，从而保 熹 肋一儿只一只 或 四川火学硕士学位论文 持送、受两端同步电机之间的同步运行。在交、直流输电线路并联运行的情况 下，直流输电线路短时多送功率到同一受端系统，不但能使受端发电机转子减 速，同时还可以减小受端系统发电机由于交流输电线路少送功率而引起转速下 降，因此可以大大提高稳定性。 直流线路可以在两个频率相同或不同的交流系统之间联络，使两个交流系 统得到联系，并且不受两端交流系统的频率和电压相位限制，而且还能根掘 定的技术要求迅速和简便地加以调节。在两个额定频率相同的交流系统之间用 直流线路，在正常运行时，两个交流系统之间既可交换功率又可以互为备用， 实现水、火电的配合，发挥电力系统互联的经济效益，又可各自调频；有冲击 负荷时候，可减轻它对系统的影响：事故时候，不但可以迅速实现健全的一端 系统对事故系统的紧急支援，又能有效地限制事故扩大到另一端。从而提高了 运行的可靠性和灵活性口j 。 直流联络线的电流能按照给定值迅速加以控制，因此两个系统各自的短路 容量不会因为互联而有明显的增大。此外，当直流线路发生短路故障时候，同 样可以通过整流嚣的调节来限制短路电流。在直流线路电容放电电流消逝之后， 短路电流的峰值一般可控制到为线路电流的额定电流的1 7 2 倍。这时，整流 器向送端交流系统汲取的短路电流也和上述倍数相当；逆变器则不会向交流系 统汲取短路电流。 电力系统之间如用交流线路联络，短路容量则将增大。原有的一部分断路 器的遮断容量可能不够，原来敷设的电缆通过短路电流时温升也可能超过允许 值。因此必须更换断路器或设置新型限流装置，例如可控限流电抗器等设备。 展望未来，直流输电技术在电能系统中的应用将是一幅十分引人入胜的图 景( 3 j f 4 。 早在5 0 年代初，中国就已经很关注直流输电，当时政府派人去学习苏联 的高压汞弧闽设计制造。1 9 8 4 年西安电力整流器厂在引进b b c 公司无功静止 补偿装置技术的基础上，研制出换流阀，1 0 0 k v 、5 0 0 a 水冷空气绝缘光电触发 的双重阀，选用的晶闸管元件为2 k v 、5 0 0 a 硅片直径4 5 m m 。整个阀体使用 3 8 4 只晶闸管，为支撑式结构。该阀用在宁波至丹山直流输电线上。第一期工 程规模为：一1 0 0 k v 、5 0 0 a ，额定容量5 0 m w ，单极、6 脉冲换流单元。1 9 8 4 年国家批准建设葛洲坝至上海直流输电工程。规模为：5 0 0 k v 、1 2 k a ，双极 四川大学硕士学位论文 额定容量1 2 0 0 m w ，线路全长1 0 4 5 7 k m 。设备及技术主要从瑞士b b c 公司引 进，由中国安装调试。 随着天生桥一二级水电站的建设，天生桥送广东5 0 0 k v 交流输电线在已 有的两条基础上再增加一条直流线路。可以利用直流线路的附加控制功能进行 直流调制，以抑制两个电力系统间的功率振荡，同时可以增加原有交流联网线 路的输送容量。天广5 0 0 k v 直流输电工程于1 9 9 8 年4 月1 6 日开工，由西门子 公司总承包，总投资3 9 8 亿元。工程规模为：5 0 0 k v 、1 0 8 k a ，双极额定容 量1 8 0 0 m w ，线路全长9 8 0 k m ，该线共需d d l 0 0 m m ，8 k v 、2 2 k a 晶闸管3 7 4 4 只。该工程于2 0 0 1 年6 月2 6 日双极投产。工程有所创新，采用了有源滤波器， 合成材料穿墙套管等，同时在工程质量，造价控制建设速度以及调试方面都是 国内最好水平。 三峡至常州5 0 0 k v 直流输电工程西起宜昌龙泉，东至常州政平，全长 8 9 0 k m ，额定容量3 0 0 0 m w 于2 0 0 2 年单极投产。2 0 0 3 年双极投运。直流线路 采用a s c r - 7 2 0 5 0 四分裂导线，是我国采用截面最大的导线。随线架设o p g w 复合地线光缆条，不但提供快速、可靠的远动信号，完善了调度通信功能， 还可望在东西部之间架起信息高速公路。该线规模为：5 0 0 k v 、双极3 0 0 0 m w 。 换流变压器为单相双绕组，单台容量龙泉侧2 9 7 5 m v a ，政平侧2 8 73 m v a 。平 波电抗器、油浸式，龙泉站2 6 3 m h 政平站1 7 0 m h ；换流阀为空气绝缘水冷户 内悬挂式双重阀，随着三峡电站于2 0 0 3 年开始投运，国家电力公司部署了“西 电东送、南北互联、全国联网”的方针。全国互联电网的基本格局式是：以三 峡输电系统为主题，向东西南北方向辐射，形成以北、中、南送电通道为主题， 南北电网间多点瓦聪，纵向通道联系较为紧密的全国互联电网格局。北、中、 南三大片电网原则上采用直流背靠背或常规直流隔离开关，以控制交流同步电 网的规模。另一方面，随着西部开发号角的吹响，龙滩、公伯峡、洪加渡、索 风营、百色水利枢纽、紫坪铺水利枢纽等水电工程的开工，以及后继工程小湾、 三板溪、溪洛渡、景洪、瀑布沟、拉西瓦、彭水等正在编制可行性研究，预计 今后十几年内直流输电项目不少。十五期间安排了7 项直流输电工程。其中三 峡至常州正在建设。荆州至惠州博罗晌水镇5 0 0 k v ，3 0 0 0 m w 、9 4 0 k m 工程 已由a b b 公司中标，将于2 0 0 5 年投运。稍后开工的还有三峡至上海练塘 5 0 0 k v 、3 0 0 0 m w 工程。作为大区互联的直流背靠背工程，将有陕西至河南 n 川大学硕士学位论文 灵宝、邯郸至新乡、东北至华北等项目。其中灵宝直流换流站，额定容量为 3 6 0 m w ，已被列为直流输电国产化的依托工程，后两个项目的规模及落脚点也 将近期内明确。 在我国，直流输电的前景是诱人的。“十五”期间三项3 0 0 0 m w 直流输电 ： 程都属于世界级的，为了夺标，各大公司都纷纷拿出顶尖技术来争取任务。 如三峡至常州线a b b 公司已选用中1 2 5 m m 、7 2 k v 、3 k a 的晶闸管元件，从而 使换流阀的串联晶闸管数大为减少、阀损降低。四重阀改为双重阀，使阀的体 积、重量和成本大幅度下降，同时也使阀厅高度降低，悬挂支架轻型化，从而 降低工程造价。天生桥至广州线，西门子公司选用的有源直流滤波器，利用光 纤谐波电流传感器和数字信号处理器，使谐波电流发生器产生一+ 大小相等方向 相反的谐波电流，经电压匹配变压器输入直流滤波器，抵消直流输出电路中的 谐波电流达到滤波的目的。用光线电流传感器代替电磁式电流互感器，使高低 压电位隔离趋于简便，体积重量大为减少，损耗大大降低。从丹山的支柱式换 流阀到葛洲坝的悬挂式换流阀，从葛洲坝的四重阀到天生桥的双重阀，晶闸管 耐压从丹山的2 k v 进步到天生桥的8 k v ，大大削减了串联元件数。其他如阀 控、站控设备的微机化，则使换流站占地面积大为缩小。目前在剂州至惠州和 安顺至肇庆两条即将上马的工程中，已采用分包合作生产的方式，同时依靠灵 宝背靠背换流站的国产化，和三峡至上海工程国产化率的提高，将逐步掌握直 流输电的核心技术。 直流输电和交流电力系统形成一个整体1 6 j 因此保护原理极大地受到交流 系统保护原理的影响。但是有两个技术上的原因，使得与常规保护原理多少有 些不同，这就是直流断路器和高压直流换流器控制速度的限制。此外，换流设 备的串联连接也提出了一些在交流变电中通常不曾遭遇过的特殊问题。正如与 交流保护系统样，直流安全裕度也应当以统计风险度的评估、区分独立的扰 动以及可能的联锁故障为根据。对于给定的扰动，保护系统还必须在最短的时 间里只断开必要的最少元件。因此，根据直流输电具有的和交流输电不同的特 点，研究出适合直流输电的继电保护，成了目前具有重大意义的课题。 1 2 国内外研究动态 国内外学者与工程实际人员经过了几十年对高压直流输电的潜心研究与探 四川大学硕士学位论文 索，在理论和工程上面取得了相当的成果。由于直流输电本身具有的高度可控 号陕速可调的工作特性，直流输电的继电保护是建立在进行保护的同时，对阀 进行控制的基础上进行的，因此和交流保护动作有很大的区别。由于国内的设 备主要是依赖进口，国内研究直流输电一般都局限于理论方面，只有输送功率 比较小的丹山直流线路的继电保护完全由国内生产，中国现在走的是进口、消 化、然后自己发展的道路，因此研究直流输电的继电保护具有重要的意义，在 这期间涌现出许多文献。 这些研究方向主要集中在以下几个方面： 第一，寻求解决高压直流输电的过电压的保护部分。换流站的过电压有内 部过电压和外部过电压，外部过电压是指雷击电压，它和交流线路中发生的雷 击波相同，换流站的雷击波一般都是从交流线路或直流线路侵入的，由于换流 站与交流部分有变压器相隔离，与直流线路部分有直流电抗器相隔离，因此， 雷击波通过电磁耦合进入换流站，它的波头和幅值都被这些大电抗器所削弱， 但只要采取一定的措施，限制过小的运行电流等，一般不会造成危害。外部过 电压不是绝缘的主要威胁，但是直流电压甩负荷、交流系统的事故过电压、换 流站母线接地时候、都会产生过电压，对直流线路造成危害。采用避雷器可以 消除直流输电的过电压【l 。在高压直流输电系统附近的弱交流系统从直流系统 断开时候，要产生过电压】，这就要根据换流器的电压变换特征使继电器进行 动作。 第二，研究直流输电的线路保护部分。由于直流输电线路一般都是超高压 长距离输电，或者是通过电缆或者是通过架空线进行输电，这就使得直流输电 线路的继电保护和常规的保护的整定方法不一致。对于长距离直流输电必须考 虑线路的分布参数，对于电缆线路还必须考虑当电缆发生接地故障时候的电容 放电电流的影n 吼并且，当发生直流接地故障时候，由于直流输电控制系统反 应比较灵敏，线路要产生很大的谐波。这些都使得直流输电线路的继电保护和 交流输电线路的继电保护有很大的区别。对两级直流输电线路，当中性线接地 时候，采用注入电流法【l2 j 【l 列检查中性线是否发生故障，进行处理。这种注入电 流法用于日本的h o k k a i d o h o n s h u 和k i i 之间联络的直流输电换流站的输电线 路。采用三步距离保护法能够保护直流输电电路【】“。利用直流线路故障时候， 电压变化引起的电流变化来限制继电器的动作可以更好地判断电缆故障【1 “。直 凹i l 大学硕士学位论文 流输电线路由架空线和电缆组成时候【1 ”，根据电压电流的变化方向可以区分出 故障点是在架空线还是在电缆，从而采取不同的控制策略。 第三，研究直流输电的整流器和逆变器发生换向故障、桥臂故障时候的差 动保护，以及相应采取的措施。换流站故障有许多不同类型的故障，既有换流 阀的失通、误通和逆弧，又有换流站换相失败故障，换流站内部短路故障。故 障不同，采取的措施也不相同，但是作为换流站的主保护的桥差保护，对这些 故障都起到重要的保护或者后备保护作用。高压直流输电桥差保护利用线性集 成电路将交流侧的电流的绝对值相加，可以将保护整定值降低到额定值的2 0 以下1 8 】。通过对改进后的保护在发生故障时候的动态模拟分析表明，直流输电 的保护也可以兼作连续换相失败的保护。直流输电工程中的桥差保护在交流电 流比直流电流大8 0 时候动作，动作时限小于15 m s g l 。在多端直流输电系统的 起动、正常运行、停止时，应该采用特殊的控制方式和对直流换流桥进行保护 1 7 1 。 第四，研究基于高性能的微处理器的用小波变换提取故障信号的行波保护 f 7 】f 2 0 1 1 2 1 。随着电力系统的规模不断扩大，电压等级不断升高，对继电保护动作 的速度要求越来越高。由于超高压输电线路具有分布参数特性，当输电线路发 生故障时，故障点将产生向两侧母线运动的行波。行波信号是一种高频暂态信 号，包含着丰富的故障信息【2 2 】【2 3 l 。正确识别和提取其中的故障信息，可以构 成行波故障肩动元件、选线元件和行波故障选相元件，构成超高速动作的行波 保护并实现精确故障测距。但是输电线路的某些正常操作，如空载线路合闸， 同样会产生行波信号，且与线路发生故障时的暂态过程十分相似。另外行波信 号是高频暂态信号，易于和噪声干扰( 如c t 、p t 及测量仪器中的噪声) 相混淆。 这些情况都可能造成行波保护装置误动作和故障测距失败。因此，正确识别暂 态信号，并有效剔除噪声干扰，提取有用暂态信号是实现超高速保护和故障测 距的关键。小波变换在时域和频域同时具有良好的表征局部信号的能力 口9 j 日0 j 口“，并且去噪能力比较强，因此用小波变提取高频暂态信号，具有较强的 优势。由于直流输电的继电保护是一种基于高频暂态、具有突变性和非平稳性 的信号，需要准确地捕获故障信息，并且快速地处理与判断，常规工频保护的 信号只有5 0 h z ，对于该信号的采样频率只需要几百h z ，而直流输电的信号能量 集中在比较高的频率，所以他对采样频率要求比较高。因此继电保护要求高性 四川大学硕= 匕学位论文 能的微处理器。基于d s p 的高压直流输电保护f 1 9 1 ，能够大幅度的提高处理 信号的能力，从而更好地发挥控制保护作用。目前小波变换主要用于交流输电 部分的继电保护。由于直流输电在发生故障时候，要产生比交流输电更多的高 频暂态谐波，因此用在直流输电部分能够起到很好的效果。 1 3 本文研究工作的思路和主要工作 与当代新兴科学技术相比，电力系统继电保护是相当古老了，然而电力系 统继电保护作为一门综合性科学又总是充满青春活力，处于蓬勃发展中。之所 以如此，是因为它是一一门理论和实践并重的科学技术，又与电力系统的发展息 息相关。它以电力系统的需要作为发展的源泉，同时又不断地吸取相关的科学 技术中出现的新成就作为发展的手段。电力系统继电保护技术的发展过程充分 地说明了这一论点。 随着高压直流输电的发展，为了维护高压直流输电系统的安全运行，必然 要求发展相应的保护系统，由于高压直流输电具有的特点和交流输电不同，必 须根据高压直流输电故障的特征值来制定专门的保护方案。高压直流输电发生 故障产生的故障特征量是一个突变的、具有奇异性的信号。因为傅立叶变换是 频域分析方法，它在时域上没有任何分辨能力，所以不适合对故障信号的特征 量提取。实践结果表明，对于象高压直流输电这样具有非线性参数和干扰严重 的场合，相关法等时域分析法也不可靠。总之，无论是单纯的频域分析法，还 是单纯的时域分析法，都不足以精确地描述高压直流输电这样的非平稳变化信 号。因此就要寻找一种信号的表示方式，它能够在整体上提供信号的主要特征 而又能提供任一局部时间内，信号变化剧烈程度的信息。小波分析法恰好能满 足上述要求。 本文主要作了如下几个方面的研究工作： l 、本文综合比较了影响高压直流输电保护的主要因素，深入分析了换流阀、 直流线路以及与直流线路相连的交流系统发生故障的原因、类型和特征，给出 了保护动作后，切除故障过程和恢复正常运行过程中应该采取的措施。根据直 流输电系统的特点，结合交流输电继电保护的整定原则，对保护的动作方式及 整定方法进行了探讨。并且给出了当出现这些故障时候，高压直流输电继电保 护的动作方式，和促使直流输电恢复正常应该采取的措施。重点介绍了直流输 h q 川大学顺0 ：学位论文 电换流桥的差动保护和直流线路的行波保护动作的原理。 2 、介绍了m a t l a b 建立直流输电仿真模型的理论基础，用m a t l a b 的图 形编辑工具p s b 对高压直流输电系统进行了建模。对个典型1 2 脉冲高压直流 输电系统交、直流侧发生故障时的电压信号进行了测量，并且用m a t l a b 的小 波工具箱对故障信号特征量进行了提取。给出了直流输电出现大扰动情况下的 仿真方法，仿真结果证明了小波变换用于直流输电的继电保护中的实用性和合 理性。 3 、对直流输电线路和交流输电线路故障时候的故障信号进行了提取，并 且用m a t l a b 的小波工具箱用小波进行了分析处理。通过两个不同地方发生故 障时候的电流的特征值对比，可以明显看出是直流部分还是交流部分发生故障， 为继电保护正确动作提供依据。针对直流输电故障信号易受干扰信号的影响， 在小波消噪的基础上，对模拟采集信号作了去噪处理。通过比较小波消噪不同 阀值时候的消噪结果，给出了采用不同阀值消噪时候的优缺点。 p q 川i 大学颂l 学位论文 第二章影晌直流输电保护的主要因素及配置的基本原理 直流输电系统包括换流装置、直流输电系统、和换流站的交流部分，其中 任何一个部分发生故障，都会影响直流输电系统运行的可靠和有关设备的安全。 直流输电的继电保护是根据故障的类型和特征进行保护动作的，因此对直流输 电部分的故障分析就很重要。 2 1 换流器的异常运行旧 根据故障的根源，换流器的异常运行可以分为如下三类： 阀及有关设备故障。主要形式有：失通、误通、和逆弧。 0 换相失败。这是在逆变器运行期间最常见的故障。这种故障常在其它内 部或外部扰动之后发生。 换流站内部短路。虽然这种故障很少见，但是在换流站设计中必须加以 考虑。 2 1 1 换流器的失通、误通和逆弧 1 失通和误通 2 ”失通是阀在计划导通期间触发失败，而误通则是阀在计 划非导通期间阻断失败。这些故障是由于控制和触发设备的各种故障而造成的。 当这些故障发生在逆变端时，它们的影响更为严重，除非故障持续地存在， 它们对整流器运行不会构成严重的扰动，但是当持续存在时则可能会在直流侧 5 i 起电压和电流的振荡。 2 逆弧逆弧是指在反方向导通，它是与汞弧换流阀有关的一种严重问题。 由于逆弧是反向导通，它只能在反向电压超过一定值时候才发生。整流时候每 个阀大约在周波期间承受反向电压。因此相对于逆变期间而言，逆弧多出现 ，j 在整流期间。 逆弧主要是由于以下几个原因造成的： ( a ) 加在阀上的反向电压过高。 ( b ) 初始电压突变的上升率太大。 四川火学硕士学位论文 ( c ) 在初始电压突变瞬间电流的下降率过大。 2 1 2 换相失败 换相失败对于逆变器来说更为普遍，当两个桥臂之间换相结束后，刚退出 导通的阀在反向电压作用的一段时间内，如果未恢复阻断能力，或者在反向电 压期问换相过程一直未能进行到底，这两种情况在阀电压转变为正向时被换相 的阀都向原来预定退出导通的阀倒换相，这称之为换相失败。它使得逆变器在 一段时间内发生直流反电压降低直，流电流增大。 造成换相失败的原因有：交流电压下降；直流电流增加；触发角口过小或 整定的越前关断角占过小等。 2 2 交流和直流系统故障的响应 2 2 1 直流线路故障”1 直流输电中采用触发脉冲方式，并配有定电流定熄弧角调节方式，一般说 来其调节速度比较快，所以对直流线路故障也能起到一定的控制作用。 l 定电流调节器在故障中的作用 即使没有其它的保护装置，定电流调节器也能限制稳态短路电流。当直流 线路故障时，由于整流桥的调节器迅速使2 角增大，直流电压下降，最终使线 路电流下降到原来的整定值，。；此时逆变器的定电流调节器也迅速地使卢角增 大，直至卢 9 0 。使逆变器进入整流状态，电流重新回到整定值。一，。，当 线路发生金属性短路时，定电流调节将使线路两侧换流器的电压分别等于电流 ，。和，。一甜。的线路压降。逆变器由于移相的结果，变成整流状态运行，最 后故障处的稳态电流等于两侧定电流调节器整定电流的差值出，一般这个电 流差值等于额定电流的1 0 一1 5 。因此直流线路故障时，能够把故障电流限 制在一个较小的数值。 2 快速动作线路保护 换流器的正常控制作用是将故障电流限制到甜，而不是熄灭故障电流。 因此需要有附加的控制来降低故障电流和恢复跨接在故障通路上的电压。 通过一般发生在整流器上的直流电压崩溃和在逆变器中电流的减小来进 行故障检测。可以用电压降的幅值和电压变化率两者来检测故障。直流联络线 四川i 大学硕士学位论文 以外的交流系统故障不会引起这么快的电压变化。 为了清除故障，逆变器保持逆变，而整流器也转到逆变，为建立换流端电 压的正确极性以清除故障，给逆变器的角一个大约8 0 。的最大限定值( 这允 许逆变器的电压降低而不反向) ，并且移动整流器的触发延迟角口远超过9 0 0 而 到约1 4 0 0 。极电流试图反向。然而，由于阀的单向导通特性，整流器的电流不 能反向。因此，电流迅速降低到零( 在大约l o r e s 的时间内) 。这种故障消除的 过程叫“强制阻断”。 在允许空气环绕的电弧去游离( 6 0 m s 到2 0 0 m s ) 之后，直流架空线重新起 动，如果故障是临时的并且重新起动成功，那么电压和电流回升，故障消除和 恢复额定功率传输的典型总时间约是2 0 0 m s 到3 0 0 m s 。当直流联络线与弱交流 系统连接时，恢复时间更长。 自动重起动并不用于完全用于电缆的系统，因为电缆故障几乎全是永久性 故障。 2 2 2 换流器故障响应 大多数发生在换流站的直流功率线路故障需要将阀组或极停运。 除非故障较小，阀组故障将要求中止整个极的功率传输。通常地，指令电 流非常迅速地降低到零。同时，将整流器的触发角至少移到9 0 0 ，并可能进入 逆变区。在少于3 0 m s 的时间内，极电流能降为零。 2 , 2 3 交流系统故障 交流系统故障以后，由于直流系统的快速电流控制，直流线路实际上不向 故障点馈送附加电流，因此与交流互联相比，三相短路的严重程度将大大减少。 l 、整流器侧交流系统故障 交流系统中的故障，可能发生在离换流站或远或近的地方，因此使换流站 交流母线的电压不同程度地下降甚至完全消失，同时又会引起电压波形的畸变 和线电压过零点的编移。交流电压的下降，会引起换流桥直流电压的下降，甚 至迫使换流桥停止工作。 远方单相和相间故障通常不会引起直流联络线闭锁。交流电压平均值e l - - 相故障的高。如果最终的直流电压足够高，那么直流系统多半能抑制扰动而不 四川大学硕士学位论文 会有明显的影响。另一方面，如果直流电压下降明显，则类似于远方三相故障 那样进行响应。 在整流站附近交流侧发生故障时候，三相短路将造成交流电压的完全消失， 二相短路将造成桥阀不能换相，对桥阀的触发系统也将失去交流线电压过零点 的参考向量。因此这时直流输电将暂时中断。当交流保护装置动作而且需要切 断换流站交流侧电路时，应将整流器旁通，然后才能使交流侧断路器跳闸。 2 、逆变器的交流系统故障 逆变器交流侧故障对逆变器运行的影响，可以表现为以下几个方面 ( 1 ) 将使直流电流增大，在整流器采用定电流调节的情况下，虽然能抑制 直流电流的增大，但它的瞬时性增大是不可避免的； ( 2 ) 使换相y 角增大。这是由于交流电压下降和直流电流增大引起的： ( 3 ) 当发生不对称短路时候，将引起线电压过零点相对移动，使逆变器某 些阀的关断角减小。 以上各点都可能导致换流器的换相失败，但是由于离换流站有一定距离， 而且延伸得较远的交流电网中发生故障( 简称为远方故障) 的机率要比在换流 站附近发生故障的机率要大。而且桥阀关断角占的整定值总是要比晶闸管实际 需要的关断角占。大，因此并不是所有交流系统故障都会造成换流器的换相失 败。 为了减少逆变器交流侧的故障对直流输电的影响，一般可以采用如下三种 措施： ( 1 ) 逆变侧装设定瓯调节装置，尤其是预测型的，在扰动时候能自动调 节口角； ( 2 ) 在换流变压器第三绕组上装有快速励磁调节的同步调相机，它不但能 就近提供逆变站所需的无功功率，而且在扰动时能起支持交流侧电压的作用。 为此要求换流变压器等值电路中的交流网侧之路的电抗足够大，换流侧的支路 比较小，而调相机侧支路的电抗为零。至于调相机是否装设其容量的大小，要 全面考虑系统的情况加以确定。如果能用静止无功补偿装置代替调相机则效果 更好。 ( 3 ) 逆变侧的直流电抗要有足够大的电感量，以限制故障时直流线路电容 放电的峰值和逆变器直流电流的上升速度。 叫川大学硕卜学位论文 当交流侧的短路发生在换流站的换流变压器以内时，必然造成逆变站交流 电压大幅度下降。这种短路一方面使交流系统经过换流变压器，另一方面将导 致逆变器的不稳定运行。发生这种故障时候，变压器必须跳闸，为此，逆变器 应先旁通( 触发旁通对或解锁旁通阀) ，同时经通道发信号给整流侧，令整流侧 停机。 在逆变侧的交流保护中，还应专门设嚣防止逆变桥交流负荷突然断开的保 护，因为运行中的逆变侧，由它供电的交流负荷突然断开时，逆变器的电流将 全部流入滤波器，使交流侧以及其他部分的电压异常升高。防止交流负荷断开 的措施有：会使逆变器突然大幅度减载的断路器的跳闸，必须和逆变桥的闭 锁及旁通对的投入连锁；装载迅速检验出异常过电压的装置。 2 2 4 旁通对的应用 旁通对的投入能大大缩短直流电流分量流过换流变压器的时间，并能迅速 提供换流桥的直流电流旁路，便于实现交流断路器的快速跳闸。 如果换流器出两个或两个以上的换流桥串连组成，当某一个桥发生故障需 要退出运行时，可投入这个桥的旁通对，然后再投入旁通刀闸，使故障退出运行 以后，直流仍有通路，健全桥可以继续运行，从而减少故障造成的停电事故。 2 3 高压直流输电系统主要保护的配置 直流输电系统的各种故障及其影响如表2 1 所列。 在直流输电系统中，通常采用下列各种操作作为保护措施的基本手段 ( 1 ) 快速改变换流装置的触发脉冲相位( 也称控制极移相) ； ( 2 ) 进行故障产生后的控制； ( 3 ) 停送控制极脉冲( 也称控制极或栅极闭锁) ； ( 4 ) 投入旁路阀或旁路对； ( 5 ) 投入旁路刀闸； ( 6 ) 交流断路器跳闸： ( 7 ) 自动再起动。 这些保护操作，应根据故障种类，加以选择，并按一定的次序进行 直流输电的保护，分为交流系统的保护和直流系统的保护。 4 旧川大学硕士学位论文 表2 1 ：直流输电系统的故障种类及其影响 区分故障种类发生场所影响 一线接地交流线路交流电压不对称下降：直流电压及电流司能相应地下 降，非特征谐波增大。 整流侧交流两相短路交流线路交流电压不对称下降：直流电压及电流可能相应地下 系统降。非特征；波增大。 _ 三相短路交流线路交流电h 对称下降；直流电压及电流刈能相应地下 降。 误开通桥臂直流电压略有上于 ( 一类误开通) 或下降( 二类误开 通) 整流挢不开通桥臂直流电压下降 元件故障阀儿件所有阀的健垒7 件所受电n i 增大 桥臂短路桥臂交流电流激增直流电流下降 出口短路直流母线交流电流激增直流电压下降为零 一线接地直流线路直流电流激增发生过电压 直流线路二线短路直流线路直流电流激增，发生过电压 操作过电压直流线路发生过电m 谈开通桥臂直流电压下降、直流电流增加 坷i 开通桥臂直流电胜下降、直流电流增加 逆变桥 元件故障阀元件所在阀的健全元件所受电压增大 桥臂短路桥臂直流电压下降、直流电流增加 换相失败桥臂直流电压下降、直流电流增加 一线接地交流线路交流电压1 i 对称下降，可能q 起换相失败；非特征谐 逆变侧交流波增大 系统 两相短路交流线路交流电艇爿；对称下降，可能引起换相失败；非特征谐