（高电压与绝缘技术专业论文）高压直流输电线路行波保护及其故障定位的研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 详细介绍了国内外高压直流输电技术的发展现状及发展动向。针对现有行波保 护易误动的问题，分析了其误动的原因，并引入了新的行波保护原理和新的数学分 析工具。对直流线路行波保护进行了多种尝试，首先提出了两种基于小波变换的行 波保护方案并进行了仿真研究。在详细介绍数学形态学的基础一 ：，针对直流线路行 波信号中的主要噪声，提出了一种新的多尺度数学形态学滤波器，仿真结果表明其 性能卓越；为了准确提取行波信号的突变特性，介绍了一种多分辨数学形态学梯度 技术，同小波变换的比较表明，这种技术对信号的突变点更为敏感，变化后的结果 更易识别。在此基础上，本文提出了一套完整的基于数学形态学的电流行波极性比 较式保护方案。最后奉文针对行波法故障定位易受干扰的问题，提出了一种新的基 于模式识别的单端故障定位算法，有效的排除了干扰波头的影响。仿真结果表明， 基于数学的行波保护动作可靠，原理简单，易于实现，故障定位算法定位准确，精 度高。 关键词：直流输电，行波，数学形态学，故障定位 a b s t r a c t t h ed i s s e r t a t i o n f i r s t l y i n t r o d u c e s d e v e l o p i n ga c t u a l i t ya n dd i r e c t i o n o ft t v d c t r a n s m i s s i o ne l e c t r i ct e c h n o l o g yi nh o m ea n do v e r s e a i nv i e wo t e a s ye r r o ra c t i o no f t r a v e l l i n gw a v ep r o t e c t i o n ，t h ed i s s e r t a t i o na n a l y z e sp r i m a r yr e a s o n a n di m p o r t sn e w p r o t e c t i o nt h e o r ya n dm a t h e m a t i c st 0 0 1 t h e nt h ed i s s e r t a t i o nb r i n g sl b r w a r dt w ok i n d s t r a v e l l i n gw a v ep r o t e c t i o ns c h e m e sa n dp u t su ps i m u l m i o ns t u d y o nt h eb a s i so fd e t a i l e d l y i n t r o d u c i n gm a t h e m a t i c a lm o r p h o l o g y ，t h ed i s s e r t a t i o na n a l y z e sn o i s eo ft r a v e ll i n gw a v e s i g n a l sa n dt h en e wf i l t e rb a s e do nm a t h e m a t i c a lm o r p h o l o g yi sb r o u g h tf o n , a r dt of i l t e r n o i s e ；m a t h e m a t i c a lm o r p h o l o g yg r a d i e n tt e c h n o l o g yi su s e dt or e f l e c t t h es a l t a t i o n c h a r a c t e r i s t i co ft r a v e l l i n gw a v es i g n a l s t h ed i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e saw h o l es u i to ft r a v e l l i n g p r o t e c t i o ns c h e m e s i nl a s tp a r t t h ed i s s e r t a t i o ns t u d yt r a v e l l i n gw a v ef a u l tl o c a t i o no fh v d c t r a n s m i s s i o nl i n e s ，a n db r i n g sf o r w a r ds i n g l e t e r m i n a lf a u l tl o c a t i o nn e wa l g o r i t h mb a s e do n p a t t e r nr e c o g n i t i o n t h em e t h o de f t i j c t i v e l ye l i m i n a t e st h ei n f l u e n c eo f d i s t u r b i n gs i g n a l s t h e s i m u l a t i o nr e s u l ts h o w st h a tt h et r a v e l l i n gw a v em e t h o d sb a s e do nm a t h e m a t i c a lm o 咖o l o g y c a nr e l i a b l ya c t ；t h et h e o r yi ss i m p l ea n di se a s yt oc o m et r u e ，t h ea l g o r i t h mo ff a u l tl o c a t i o n c a nw e l la n d t r u l yc o n f i r mf a u l tl o c a t i o n l ix u ep e n gr h i g hv o l t a g e & i n s u l a t i n nt e c h n o l o g y ) d i r e c t e db yp r o f q u a ny us h e n g k e y w o r d s ：h v d c ；t r a v e l l i n gw a v e ；m a t h e m a t i c a lm o r p h o l o g y ；f a u l tl o c a t i o n l 华北电力大学硕士学位论文 摘要 详细介绍了国内外高压直流输电技术的发展现状及发展动向。针对现有行波保 护易误动的问题，分析了其误动的原因，并引入了新的行波保护原理和新的数学分 析工具。对直流线路行波保护进行了多种尝试，首先提出了两种基于小波变换的行 波保护方案并进行了仿真研究。在详细介绍数学形态学的基础上：，针对直流线路行 波信号中的主要噪声，提出了一种新的多尺度数学形态学滤波器，仿真结果表明其 性能卓越；为了准确提取行波信号的突变特性，介绍了一种多分辨数学形态学梯度 技术，同小波变换的比较表明，这种技术对信号的突变点更为敏感，变化后的结果 更易识别。在此基础上，本文提出了一套完整的基于数学形态学的电流行波极性比 较式保护方案。最后奉文针对行波法故障定位易受干扰的问题，提出了一种新的基 于模式识别的单端故障定位算法，有效的排除了干扰波头的影响。仿真结果表明， 基于数学的行波保护动作可靠，原理简单，易于实现，故障定位算法定位准确，精 度高。 关键词：直流输电，行波，数学形态学，故障定位 a b s t r a c t t h ed i s s e r t a t i o n f i r s t l y i n t r o d u c e s d e v e l o p i n ga c t u a l i t ya n dd i r e c t i o n o fh v d c t r a n s m i s s i o ne l e c t r i ct e c h n o l o g yi nh o m ea n do v e r s e a i nv i e wo t e a s ye l t o ra c t i o no f t r a v e l l i n g w a v ep r o t e c t i o n ，t h ed i s s e r t a t i o n a n a l y z e sp r i m a r y r e a s o na n d i m p o r t s n e w p r o t e c t i o nt h e o r ym a dm a t h e m a t i c st 0 0 1 t h e nt h ed i s s e r t a t i o nb r i n g sl b r w a r dt w ok i n d s t r a v e l l i n gw a v ep r o t e c t i o ns c h e m e sa n dp u t su ps i m u l a t i o ns t u d y o nt h eb a s i so fd e t a i l e d l y i n t r o d u c i n gm a t h e m a t i c a lm o r p h o l o g y ，t h ed i s s e r t a t i o na n a l y z e sn o i s eo ft r a v e ll i n gw a v e s i g n a l sa n dt h en e wf i l t e rb a s e do nm a t h e m a t i c a lm o r p h o l o g yi sb r o u g h tf o r a , a r dt of i l t e r n o i s e ；m a t h e m a t i c a lm o r p h o l o g y g r a d i e n tt e c h n o l o g y i su s e dt or e f l e c tt h es a l t a t i o n c h a r a c t e r i s t i co ft r a v e l l i n gw a v es i g n a l s t h ed i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e saw h o l es u i to ft r a v e l l i n g p r o t e c t i o ns c h e m e s i nl a s tp a r t t h ed i s s e r t a t i o ns t u d yt r a v e l l i n gw a v ef a u l tl o c a t i o no fh v d c t r a n s m i s s i o nl i n e s ，a n db r i n g sf o r w a r ds i n g l e t e r m i n a lf a u l tl o c a t i o nn e wa l g o r i t h mb a s e do n p a t t e r nr e c o g n i t i o n t h em e t h o de f t b c t i v e l ye l i m i n a t e st h ei n f l u e n c eo fd i s t u r b i n gs i g n a l s t h e s i m u l a t i o nr e s u l ts h o w st h a tt h et r a v e l l i n gw a v em e t h o d sb a s e do nm a t h e m a t i c a lm o r p h o l o g y c a r lr e l i a b l ya c t ；t h et h e o r yi ss i m p l ea n di se a s yt oc o m et r u e ，t h ea l g o r i t h mo ff a u l tl o c a t i o n c a nw e l la n dt r u l yc o n f i r mf a u l tl o c a t i o n l ix u ep e n gr h i g hv o l t a g e i n s u l a t i o nt e c h n o l o g y ) d i r e c t e db yp r o f q u a ny us h e n g k e y w o r d s ：h v d c ；t r a v e l l i n gw a v e ；m a t h e m a t i c a lm o r p h o l o g y ；f a u l tl o c a t i o n l 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文高压直流输电线路行波保护及其 故障定位的研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行 的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特另, j j j n 以标注和致谢之处外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：应塑监 日 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不 同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：垒运! 煎 导师签名：垒至竺 日期：6t 1 日期：、；t ) 华北电力大学硕士学位论文 1 1 研究的目的和意义 第一章绪论 高压直流( h v d c ) 输电以其传输功率大，线路造价低，控制性能好等优点，在远 距离、大功率输电中占有越来越重要的地位，世界发达国家都把它作为大容量、远 距离送电和异步联网的主要手段，我国也因“西电东送，南北互供，全国联网”而 成为电力建设的热点。自1 9 8 9 年葛洲坝至上海的输电线路采用直流输电以来，又 建成天生桥至广东的直流输电工程。随着三峡电站的建设投产，西部大开发的加快， 为配合全国联网，正在加快以三峡电网为核心的全国联网建设，包括三峡至广东的 一批赢流输电工程的完成，届时中国直流输电在世界上将名列前茅。我国已建和在 建的5 0 0 k v 直流输电线路工程，有三峡左岸至江苏常州直流输电工程( 3 3 0 万k w ) 、 三峡至广东惠州直流输电工程( 3 0 0 万k w ) 和贵州至广东的直流( 3 0 0 万k w ) ， 即将开工的还有三峡右岸直流输电工程( 3 0 0 万k w ) 等。作为大区互联的直流“背 靠背”工程，将有西北一华中、华北一华中、东北一华北等。很多输电工程将在2 0 0 5 年完成，届时将基本实现全国联网，为建立全国性统一开放、公平竞争、规范有序 的电力市场和实现全国资源优化配置创造有利条件。 随着全国联网的完成直流输电工程必将发挥着越来越重要的作用。高压直流输 电线路作为大区域联网的联络线及大功率传输线，它的安全性和可靠性不仅关系到 本系统的稳定性，而且将直接影响与其连接的区域电网甚至整个电网的稳定运行， 因此提高直流输电线路运行的安全性与可靠性是一个非常值得重视的问题。 然而根据葛上直流输电工程和天广直流输电工程的运行情况来看，目前国内外投运 的直流线路继电保护装置普遍存在着可靠性不高，易误动等问题。文献 2 对我 国已投运的葛上线及天广线的可靠性指标与国际上容量及投运年份相近的直流工 程的可靠性指标做了比较，从比较结果来看我国的直流工程可靠性指标还处于较低 水平，输电线路故障仍是造成系统停运的主要原因之一。文献 3 4 分析了国际大 电网工作组对全世界高压直流输电工程的统计资料后指出，输电线路故障是导致直 流系统停运的一个主要原因。高压直流输电工程继电保护是直流线路安全稳定运行 的基本保障，因此对直流输电线路的继电保护做进一步的研究就显得很有必要。 电力系统继电保护是电力系统的重要组成部分。它在保证电力系统安全、稳定 和经济运行等方面发挥着非常重要的作用。继电保护的主要作用是在电力系统中电 气元件发生故障时将故障元件从电力系统中尽快切除，使故障元件免于遭受更大的 破坏，并保证电力系统尽快恢复正常运行。在超高压系统中，根据对系统的暂态稳 定性能的要求，无论在什么故障情况下也不应使系统发生振荡而失步，对于高压直 】 华北电力大学硕士学位论文 流输电来说，由于输送容量很大，必须要求保护能够在几毫秒内可靠动作；即使对 于低电压系统的保护也应该尽可能快的动作，以便迅速恢复供电。超高速切除故障 是提高电力系统暂态稳定最基本、最有效的措施，也是其他安全措施得以发挥作用 的前提条件。因此，快速切除故障，是提高整个系统安全与可靠运行及供电质量最 直接而又简单的方法。探索新的保护原理和方法，以提高输电线路保护的性能，是 继电保护研究领域中的一个重要课题。 随着电力系统的发展，保护的动作快速性和准确性的矛盾日益尖锐，由于超高 压输电线路继电保护对于电力系统安全稳定运行具有重要影响，这一矛盾表现得特 别突出。特别是对高压直流输电来说，要求保护的动作速度应尽可能得快，以便对 与之联系的电力系统造成最小冲击。保护能否快速、可靠、灵敏地动作与保护的原 理和算法的设计密切相关。二十世纪五十年代以来，人们开始尝试利用故障分量来 构成继电保护装置，在最近三十年中形成了研究的热潮，其中以输电线路的故障分 量构成超高速保护，取得的进展最大“1 。利用输电线路故障所产生的故障暂态行 波，即行波故障分量实现的行波保护，具有动作速度快、不受过渡电阻、电流互感 器饱和、系统振荡和长线分布电容的影响等独特优点，受到了更多的重视。如何提 高行波保护动作的可靠性、快速性，则是行波保护在系统中获得更多实际应用所必 须解决的问题。 随着保护装置硬件水平的大幅度提高，为各种数字信号处理方法、数学分析工 具和人工智能技术应用于微机保护提供了有效地保证。其中小波分析方法应用于继 电保护被认为具有特别重要的意义。小波理论被认为是对傅立叶分析方法的重大突 破，在非平稳信号的分析与处理中获得了广泛的应用 7 - - 1 1 1 。故障分量信号具有非平 稳特性，包含了从直流分量到几百千赫兹的高频分量，基于平稳性假设的傅立叶变 换方法存在着很大的局限性。小波分析对非平稳信号的处理和识别具有很多优势， 利用小波分析可以对暂态信号进行多分辨分析、时频分析、多尺度边沿检测等等， 因此小波分析被认为是处理暂态突变信号的有力工具，在行波保护中得到了广泛地 应用。 傅立叶变换和小波变换作为常用的积分工具，已被工程技术人员习惯地用于计 算电力系统电压电流基波、提取系统谐波和分析系统故障导致的暂态突变量。在傅 立叶变换和小波变换概念下导出的一系列分析方法为电力系统继电保护的发展做 出了重要贡献。然而就积分变换而言，这种方法需要获取在积分周期内的所有数据， 而且对其进行积分变换后，仅有几个系数来表示被积分量的特征信息。因此，用积 分变换方法来处理电力系统量需要保证足够宽度的采样数据窗口，并且其积分变换 结果相对于输入信号会带来相位偏移和幅度衰减。如果窗口不够宽，将导致信号的 丢失。信号频率越高，相位偏移和幅度衰减就越大。另外，积分变换数值计算复杂， 且对噪声特别敏感，其积分变换后的系数，如傅立叶分解系数，对积分变换量的不 2 华北电力大学硕士学位论文 确定性很敏感。在傅立叶变换和小波变换应用于继电保护设计方面，人们不妨看到 许多局限性，如窗口宽度、采样速度、数值计算量、抗干扰性、相位移、幅值衰减 和信号非周期衰减分量等问题。因此，寻求新的，更简单的，效果更好的数学处理 方法一直是继电保护工作者梦寐以求的事情。为了能够更容易提取和分辨出信号的 突变点，提高行波保护的动作性能，寻找新的更好的数学方法是解决问题的一个重 要途径 12 1 0 近年来高压输电线路特别是超高压输电线路继电保护的研究内容主要集中在 两个方面：研究新的保护算法以提高继电器工作速度：寻找更好的数学分析方法来 处理故障信息反映故障特征，如新的数学处理方法用于提高行波故障分量保护的性 能。本文将从这两个方面着手，针对高压直流输电线路自身的特点选择行波保护作 为直流输电线路的主保护，并在直流线路保护中引入新的保护原理；研究新的数学 处理方法一一数学形态学来提取故障特征，反映故障时刻，并且讨论高压直流输电 线路继电保护需要解决的主要问题和提出新的直流输电线路行波测距新算法。 1 2 国内外现状综述 1 2 1 高压直流输电技术发展的现状及其发展动向 电力技术的发展是从直流电开始的，早期的直流输电是不需要经过换流，直接 从直流电源送往直流负荷，即发电、输电和用电均为直流电，如1 8 8 2 年在德国建 成的2 k v 、1 5 k w 、5 7 k m 向慕尼黑国际展览会的送电工程；1 8 8 9 年在法国用直流 发电机串联而得到高电压，从毛梯埃斯( m o u t i e f s ) 到里昂( l y o n ) 1 2 5 k v ，2 0 m w 、 2 3 0 k m 的直流输电工程等。随着三相交流发电机、感应电动机和变压器的迅速发展， 发电和用电领域很快被交流电取代。同时变压器又可方便地改变交流电压，从而使 交流输电和交流电网得到迅速地发展，并很快占据了统治地位。但在输电领域，直 流还有交流所不能取代之处，如远距离电缆送电，不同频率电网之间的联网等。 直流输电技术的发展与换流技术的发展，其中特别是大功率电力电子技术的发 展有着密切的关系。直流输电的发展可以按照换流技术的发展分为以下三个时期。 即汞弧阀换流时期、晶闸管换流时期、新型半导体换流设备的应用。目前投运的直 流输电工程主要都是以阀作为换流闻，这一时期直流输电工程得到了很大的发展， 例如从1 9 5 4 2 0 0 0 年，世界上己投运的直流输电工程有6 3 项，其中架空线路1 7 项，电缆线路8 项，架空线和电缆混合线路1 2 项，背靠背直流工程2 6 项。在已投 运的直流工程中，架空线路最高电压( _ + 6 0 0 k v ) 和最大输送容量( 6 3 0 0 m w ) 的是 巴西伊泰普直流工程，最长输送距离( 17 0 0 k m ) 的是南非英加一沙巴直流工程：电 缆线路的最大输送容量( 2 0 0 0 m w ) 的是英法海峡直流工程；背靠背环流站的最大 容量( 1 0 6 5 m w ) 是俄罗斯一芬兰之间的维堡直流工程。在晶闸管换流阀时期，直 3 华北电力大学硕士学位论文 流输电在远距离大容量输电，电网互联和电缆送电( 特别是海底电缆) 等反面发挥 了重大作用。 我国的直流输电是在1 9 5 8 年考虑长江三峡水力资源的开发及三峡电站的电力 外送问题时提出来的。我国直流输电的发展起步较晚，它跨越了汞弧阀换流时期， 在2 0 世纪7 0 年代宜接从晶闸管换流阀开始，并同时对直流输电的其他设备进行试 验研制。在西安和上海先后建立了相应的试验装置和实验工程。 2 0 世纪8 0 年代，中国开始建设直流输电工程，到2 0 0 2 年已经有5 项直流输电 工程投入运行，还有3 项直流输电工程与制造厂家已签订了合同，计划于2 0 0 5 以 前建成，另外还有一些工程在计划之中，它们的基本情况如下所示。 1 2 1 1 目前已经投运的直流输电工程”3 1 ( 1 ) 舟山直流输电工程是1 9 8 0 年国家确定全部依靠自己的力量建设中国第一 项跨海直流输电工程，它既解决了浙江大陆向舟山本岛的输电问题，又具有向建设 大型直流输电工程过渡的工业性试验性质。1 9 8 9 年正式投入商业运行。工程的最终 规模为双极，土1 0 0k v ，5 0 0 a ，1 0 0 m w ，线路全长5 4 k m ，其中架空线路为4 2 k m ， 电缆线路为1 2 k m 。 ( 2 ) 葛上直流输电工程是我国第一项大型直流输电工程。该工程既解决了葛 洲坝电站向华东上海地区的送电问题，又实现了华中与华东两大电网的非同期联 网，它具有输电和联网的双重性质。这种大型直流输电工程的换流设备，我国尚不 能制造，同时又缺乏工程设计经验，因此工程设计和设备制造均由瑞士a b b ( 瑞士 b b c ) 公司和德国西门子公司承包。1 9 8 7 年底建成单极5 0 0k v ，输送电力6 0 0 m w ； 1 9 9 0 年8 月双极建成5 0 0k v ，1 2 0 0 a ，输送电力1 2 0 0 m w ，输送距离约1 0 4 5 k m 。 ( 3 ) 天广直流输电工程为西电东送工程中的一部分，它和天广5 0 0 k v 交流输电 工程形成交直流并联的输电系统。该工程额定直流电压士5 0 0k v ，1 8 0 0 a ，额定输送 功率1 8 0 0 m w 。天广直流的建成，使南方电网成为我国第一个交直流并联输电系统。 天广线采用的直流输电新技术有直流有源滤波器、直流电流光检测元件、脉冲回声 检测装置以准确定位故障位置、实时多处理控制保护系统( 西门子公司的 s i n s d y n d 系统) 、局域网控制系统、运行人员操作工作站和g p s 技术。 ( 4 ) 嵊泗直流输电工程是我国自行设计和建造的一项小功率跨海直流输电试验 工程。该工程采用双极海水回路，额定直流电压+ 5 0 0 k v ，6 0 0 a ，额定输送功率双极 6 0 m w ，线路全长为6 6 2 k m ，其中5 9 7 k m 为海底电缆6 5 k m 为架空线路。2 0 0 2 年 正式投入运行，这个工程除控制保护装置由许继电气股份有限公司供货外，其余全 部设备均由西安电力机械股份有限公司承包。 ( 5 ) 三常直流输电工程主要是为解决三峡水电站向华东电网的送电问题，同 时也加强了华中与华东两大电网的非同期联网。该工程从2 0 0 0 年开始建设，2 0 0 2 4 华北电力大学硕士学位论文 年底已建成单极5 0 0 k v ，输送电力1 5 0 0 m w ；2 0 0 3 年5 月建成双极士5 0 0k v ，3 0 0 0 a ， 输送电力3 0 0 0 m w ，输电线路全长8 9 0 k m 。采用的新技术有实时多处理控制保护系 统( 瑞典a b b 公司的m s r c h 2 系统) 、光纤通信、运行人员操作工作站的g p s 技术。 ( 6 ) 三广直流输电工程主要为解决三峡水电站向广东的电力输送以及实现华 中与华南电网的非同期联网。工程为双极士5 0 0k v 、3 0 0 0 a 、3 0 0 0 m w 。直流架空线 路从湖北荆州换流站到广东惠州换流站，全长约9 6 0 k m 。计划2 0 0 4 年2 月一极投 运，6 月双极全部投运。换流站也采用了a b b 的m s r c h 2 实时多处理器控制保护系统、 光纤通信和检测、0 p s 等多项新技术。 ( 7 ) 贵广直流输电工程。本工程为西电东送工程，是南方电网西电东送的第2 条直流线路，主要解决西南水电与火电向广东珠江三角洲负荷中心的送电问题。直 流架空线路由贵州的安顺换流站到广东的肇庆换流站，全长8 8 0 k m 。工程为5 0 0 k v 、3 0 0 0 a 、3 0 0 0 m w ，计划2 0 0 4 年6 月建成。采用了西门子公司的s i n a d y n d 实 时多处理器控制保系统、g p s 直流电流光检测元件和光纤通信等新技术。 ( 8 ) 灵宝背靠背直流输电工程。本工程是实现西北与华中；两大电网非同期 联网的第一步，其主要参数为3 6 0 m w ，1 2 0 k v ，3 0 0 0 a 。随着西北水电与火电的开 发，当需要从西北向华中送电时，还可以通过大型的直流输电工程来加强两大电网 的互连。灵宝背靠背直流工程均采用国产设备，工程计划于2 0 0 5 年建成。 1 2 1 2 规划在2 0 2 0 年前建设的直流输电工程 ( 1 ) 小湾、糯扎渡送广东的3 0 0 万k w 工程。 ( 2 ) 奚落渡、向家坝向华中、华东送电1 6 0 0 万k w 。 ( 3 ) 两南水电送江西、福建的3 0 0 万k w 项目。 ( 4 ) 广东与海南用直流电缆联网，输送容量为1 0 0 万k w 。 ( 5 ) 2 0 0 8 年将投运三峡右一练塘，5 0 0k v ，3 0 0 万k w 直流工程。 ( 6 ) 开远一江门，6 0 0k v ，3 0 0k w 万直流工程。 ( 7 ) 糯扎渡一湛江市，6 0 0k v ，3 5 0 万k w ，向海南送电。 高压直流输电已逐渐成为一种主要的输电方式，越来越受到世界各国的重视。 据不完全统计，全世界已投运的有7 6 个直流输电工程，其中6 5 个为晶闸管阀直流 系统。但级观直流输电技术发展的历史，可以说没有现代科学技术的发展，就没有 直流输电的复兴。直流输电集许多现代电力电子技术于一体，其应用也同时带动了 相关科学技术和产业的发展。近十几年来，直流输电技术的发展，主要表现是高速 发展的电子信息技术在直流控制和保护中的应用。包括：光真接触发晶闸管阀，绝 缘门极双极型晶体管( i g b t ) 电压源换流器、接地极引线故障测量装置、实时多处 理器控制保护系统、全球定位系统等。这些技术的应用必然将直流输电工程引入一 个更加广阔的天地。 5 华北电力大学硕士学位论文 1 2 2 行波保护的原理及现状 行波保护的概念很早就被提出，但直至1 9 7 6 年，第一套行波保护装置才由瑞 士通用电气公司研制成功，并投入试运行；同时其他国家也先后开始了行波保护的 研究。我国于1 9 7 8 年开始行波保护的研究，并于8 0 年代初从瑞典引进2 套r a l d a 型行波保护装置，分别安装在东北5 0 0 k v 电网( 锦辽线) 和华中电网( 平武线) 。 经过多年的研究国内外学者已经提出了众多的行波保护方案，但是很多保护方案还 仅仅是停留在研究的阶段，随着计算机技术、高速数字信号采集和处理技术在电力 系统继电保护中的广泛应用，为行波保护应用于电力系统创造了良好的条件。 目前已经研制出和正在研究的超高速行波保护有以下几种类型：1 行波方向比 较式：2 行波极性比较式方向保护；3 行波差动保护；4 行波距离保护。 行波方向比较式保护是根据行波特征不变性理论推导出正反向故障判据，可以 工作于两端纵联方式和单端独立方式。d o m m e l 和m i c h e l 首先应用行波特征不变性 理论推导出利用正向行波及其一阶导数构成反应的行波比较式保护判据“”；它的基 本原理是：根据行波的行进方向判定故障方向，进而根据两端方向元件的动作结果 决定保护是否动作。从理论上讲，该保护方向性明确，与故障位置、初相位、故障 类型无关。该保护存在的问题是：在行波发生多次折返射后，不再满足方向判据。 因此必须在很短的时间内完成判据的快速检测。由于只采用前行波判决，因此在背 侧发生故障时，可能由于行波的折射和反射产生误判断。这种方法对噪声非常敏感， 各种干扰容易引起误动作，从而限制了其实际应用。文献 1 5 一1 6 也提出了不同的 方向比较式行波保护判决，但都存在着相似的问题。 行波极性比较式方向保护是根据故障发生后电压电流故障分量的初始极性关 系实现故障方向判别“”。在输电线路内部发生故障时，线路两端均有同一极性的电 流和电压故障分量，外部故障时，近故障端有相同极性的电流和电压分量。理论分 析和运行经验表明，在交流系统中，当电压过零前发生故障时，很可能产生不正确 的极性判断。另外，某些情况下非故障相的保护会由于相间耦合关系发生不正确的 极性判断。而在直流系统中，这些情况都不存在，因此这种保护方式对直流输电线 路的保护具有很大优势。 行波差动式基本原理是：由线路一端发出的前向行波经延时后到达另一端，前 向行波的形状及大小是不变的，即输电线路上外部故障时满足行波特征不变性”“”1 。 通过数字载波通道利用p c m 编码传送线路两端行波电流电压的采样值，并且使用 了比较完整的行波故障信息。缺点是要求高性能的数字载波通道；保护性能受网络 拓扑结构的影响。另外，判决计算中行波波速和线路波阻抗与线路结构及环境条件 等因素有关，选择不恰当时也会影响判决计算的正确性。 行波距离保护是以行波反射原理构成，通过检测初始行波和反射行波到达检测 6 华北电力大学硕士学位论文 母线的时间计算出故障距离“1 。它的优点是仅使用单端量，容易实现，动作速度 快。主要问题有：受被保护线路两端母线的结构影响大，其值与他们所连接的其他 线路及其末端母线的结构都会严重影响距离继电器的测量结果；由于波的畸变和衰 减，使得延时的测量变得困难；而且波速受大地电阻的影响，使得距离保护误差增 大。 上述的行波保护虽然能够一定程度上体现行波保护的优点，但是由于行波本身 的高频暂态性质、原理缺陷以及数学工具、技术条件等的限制，保护装置性能不够 稳定，可靠性较差。这个阶段的理论研究和装置研制奠定了行波保护的基础，也为 今后的行波保护研究积累了重要的经验。小波变换的出现虽然在一定程度上解决了 一些阚题，为行波保护开辟了新的天地，但是仍然存在很多问题，因此寻求新的更 好的数学工具一直是保护工作者致力的目标。 1 2 。3 高压直流输电线路行波保护的提出与现状 1 2 3 ，1 高压直流输电线路行波保护的提出 直流输电线路不仅传输功率大线路发生故障后，要求线路保护装置必须尽可能 快的动作，切除故障，否则将对整个系统造成很大的冲击，对系统的安全稳定运行 构成威胁。而一般的工频保护由于其动作速度慢，耗时较多，难以满足直流输电线 路保护的要求，因此人们把目光投向了动作更快的行波保护。 根据电磁场理论，电能以波的形式传播。正常运行和发生故障时，输电线路上 都存在运动的电压和电流行波。当线路发生故障时，会从故障点产生向两侧以接近 光速传播的电流行波和电压行波，而行波信号中包含着丰富的故障信息，对于继电 保护来说，充分利用线路故障时产生的暂态故障行波，即行波的故障分量，可构成 超高速行波保护，能够满足直流输电线路保护速动性要求，因此行波保护以其优良 的速动性在国际上一直被作为直流输电线路的主保护。 另外直流输电线路由于其结构简单，几乎没有分支，因此故障行波的传播与交 流线路有所不同。直流输电线路发生故障后，其故障行波传播除了具有交流线路故 障行波的一般特点外还有其自身的特点，主要表现在以下几个方面”： 直流系统发生故障时，一方面，可以利用桥阀控制极的控制来快速地限制和 消除故障电流；另一方面，由于定电流调节器的作用，故障电流与交流线路相比要 小的多。因此，对直流线路故障的检测，不能依靠故障电流大小来判别，而需要通 过电流或电压的暂态分量来识别。 行波保护正是应用了故障后线路传播的行波作为保护信息，这即避免了工频保 护易受电流和电压调节器的影响，又可利用行波的快速性构成极快速保护。正是基 于这一原因，高压直流线路在全世界范围内把行波保护作为线路的主保护。 7 华北电力大学硕士学位论文 相比于交流输电，在高压直流输电系统中，由于直流线路结构简单，两端换 流站波阻抗非常大，折射率几乎为零，反射率几乎为1 ，当线路内部故障时，故障 行波几乎只在整流器和逆变器之间来回反射，这一特性对行波保护具有优势：直流 线路区外故障时，由于换流器和平波电抗器的作用，折射到行波检测装置( 安装在 平波电抗器侧) 的行波，无论是幅值还是波头的陡度都大大地减小了。 相比于交流系统，行波保护在直流系统中具有更明显的优越性。首先，在交 流系统中，如果在电压过零时刻( 初相角为o 。) 发生故障，则故障后线路上没有故 障行波出现，保护存在动作死区；直流系统中不存在电压相角，则无此限制。其次， 交流系统中电压、电流行波的传输受母线结构变化的影响较大，并且需要区分来自 故障点的行波和各母线的反射波以及透射波，难度较大；而高压直流线路结构简单， 对直流线路来说上述问题也较简单。 可见行波保护作为直流输电线路的主保护，具有于其他保护方式不可比较的优 点，因此高压直流线路保护普遍以行波保护作为主保护，行波保护动作时，将起动 直流线路故障恢复顺序控制( 整流侧) ，即按预先设定的次数，按一定去游离时间， 全压起动或降压起动故障的直流极；若经重起动后仍不成功，将闭锁两端阀组。同 时，高压直流线路保护采用低电压保护、斜率保护、纵差保护等作为行波保护的后 备保护。 1 2 3 2 高压直流输电线路行波保护的现状 从查阅的大量文献资料来看，目前针对直流线路的行波保护国内外学者研究的还 不是很多，而且新原理的应用也只是停留在研究的阶段，随着直流输电技术在电力系 统发挥的作用不断增大，针对直流输电线路的行波保护的研究也就显的极有必要。 目前，国内外己投运的高压直流输电工程中最为广泛采用的行波保护方案大多 都是a b b 公司和s i e m n s 公司的行波保护方案。如我国目前投运的高压直流输电线 路上采用的行波保护几乎都是这两家公司的产品。 a b b 公司采用的行波保护基本原理是：当直流线路上发生对地短路故障时，会 从故障点产生向线路两端传播的故障行波，两端换流站通过检测所谓极波 b ( t ) = i d 十y u d ( 式中：y 为直流线路的极波阻抗，i d 和u d 分别为整流侧直流电 流和直流电压) 的变化，即可检知直流线路故障，构成直流线路快速保护；另一方 面，故障时接地极母线上的过电压吸收电容器上会产生一个冲击电流i c n l 和i c n 2 ， 利用该冲击电流以及两极直流电压的交化即可构成所谓地模波g ，根据地模波的极 性就能正确判断出故障极。 s i e k i b n s 公司所采用行波保护基本原理为：当直流线路发生接地故障时，在向 故障点两端传播行波的同时，两端换流站检测到的直流电压下跌，整流侧直流电流 急增，逆变佻直流电流急降；根据以上特点，可采用电压下降率( d u d t ) 和行波 8 华北电力大学硕士学位论文 值b ( t ) 等计算，即可检知线路故障，从而构成线路保护的主保护。 这两种保护方案保护动作快，对线路全长范围内各种故障均能可靠识别，但都 不同程度的存在着易受噪声干扰，容易误动的问题。仿真时当线路故障信息加入2 的噪声或过渡电阻较大时，都不同程度出现误动。这是由于其保护判据原理存在 缺陷，其原理采用的电压和电流都是瞬时值，在计算时选择计算点的数值直接影响 判距的结果，其次由于微分运算的固有特性，它对噪声非常敏感，易受噪声的干扰。 因此，引用新的数学方法、研究新的保护原理，来解决高压直流输电线路行波 保护的问题，就显得极为必要。 1 3 论文研究的主要内容 1 、在高压直流输电线路行波保护中引入新的行波保护原理一一基于小波变换的距 离保护和基于小波变换的极性比较式方向保护，并对这两种保护方案分别进行 了数值仿真研究，分析了其动作性能和实际应用中应该注意的问题。 2 、在行波保护中引入新的数学工具一一数学形态学，并研究数学形态学的基本理 论。针对直流输电线路行波中存在的噪声，提出一种全新的基于数学形态学的 多分辨线性组合滤波器算法，仿真结果表明，这种滤波器对于行波信号中的自 噪声、谐波噪声、特别是对脉冲噪声具有很好的滤除效果。 3 、研究数学形态学梯度技术在电力系统突变信号检测中的应用，并把其应用于交 流输电线路行波精确故障定位，仿真表明该方法能够准确地反映出行波信号的 折返射时刻，对突变信号检测效果明显。 4 、提出一套完整的基于数学形态学的高压直流输电线路行波保护方案，该方案集 信号滤波、信号检测、方向保护、故障定位于一体，大大提高了直流线路行波保 护的性能。 5 、提出基于数学形态学和g p s 的双端故障定位新算法，并合理的与方向保护相配 合，仿真结果表明其测距精度高，保护可靠。 6 、针对输电线路单端故障定位难于区分本端检测到的行波波头是故障点反射还是 对端母线反射波的问题和单端故障定位难于区分干扰波头的问题，提出一种全 新的基于模式识别的单端行波故障定位新方法，并将其应用于交流和直流输电 线路的单端故障定位，仿真结果表明，该方法能够可靠的排除干扰脉冲的影响， 且定位结果准确。 9 华北电力大学硕士论文 第二章基于小波变换的高压直流输电线路行波保护 2 1 引言 高压直流输电线路传输容量大、对保护速动性要求严格，传统的保护难以满足 速动性要求。利用输电线路故障所产生的故障暂态行波，即行波的故障分量实现的 行波保护，具有动作速度快、不受过渡电阻、电流互感器饱和、系统振荡和长线分 布电容等影响的独特优点，在直流输电中受到了更多的重视。 小波理论被认为是对傅立叶分析的重大突破，已成为当今从应用数学到信号与 图象处理等众多领域的研究热点，而且仍在迅速的发展之中。小波变换与短时傅立 叶变换一样都是时频分析。与短时傅立叶变换相比，小波变换提供了一个可调的时 间一频率窗，当观察高频信号时它自动变窄，当研究低频信号时它自动变宽。因此 它能克服传统的短时傅立叶方法在处理非平稳电力系统暂态信号时存在的局限性。 小波变换的另一个重要特征就是它能表征信号的奇异性。用信号的小波变换在多尺 度边沿上的综合特性来表示信号的突变特征是小波变换的另一个实用领域。 应用小波变换来处理电力系统信号的研究最近得到了很大的发展。文献 2 3 2 4 】 以小波变换为工具提取故障后的行波信息，实现行波幅值比较式方向保护和行波极 性比较式方向保护。文献2 5 分析了“永久性”与“瞬时性”两种故障下故障相电 压的特点，提出了通过比较两种故障下电压信号的小波变换结果的差异来识别两种 故障。文献1 2 6 构造了基于小波变换的高通和带通滤波器并应用于发电机定予不对 称故障保护和单相接地保护。文献1 2 7 1 从小波变换的基本理论出发，构造出适合于 电力系统故障信号分析的基本小波，同时为了满足电力系统的实时性要求，提出了 改进递规小波变换，并利用其进行