直流輸電系統(tǒng)金屬回線行波故障測距方案設(shè)計

1、 直流輸電系統(tǒng)金屬回線行波故障測距方案設(shè)計 目 錄摘要IAbstractII第1章 緒 論11.1 課題研究背景11.2 課題研究現(xiàn)狀31.3 本文所做的工作及意義4第2章 直流輸電線路單端行波測距原理52.1 直流輸電線路行波傳播過程52.1.1 直流輸電線路故障過程52.1.2 直流輸電線路故障暫態(tài)行波傳播特點52.2 單端行波測距原理72.3 行波故障測距的關(guān)鍵技術(shù)問題92.3.1 故障分量的提取92.3.2 模變換102.3.3 正反向行波的分離122.3.4 行波浪涌到達時刻的確定132.4 小結(jié)13第3章 直流輸電系統(tǒng)金屬回線故障分析及仿真153.1引言153.2直流輸電系統(tǒng)單極金

2、屬回線運行方式下線路接地故障現(xiàn)象分析153.2.1 極 1 線路 A 點發(fā)生接地故障時的現(xiàn)象153.2.2 極 2 線路 B 點發(fā)生接地故障時的現(xiàn)象163.3 仿真環(huán)境173.4 故障仿真173.4.1 極 1 線路 A 點發(fā)生接地故障173.4.2 極 2 線路 B 點發(fā)生接地故障193.5 小結(jié)20第4章 直流輸電系統(tǒng)金屬回線行波故障測距方案設(shè)計214.1引言214.2 故障測距系統(tǒng)的總體設(shè)計214.3故障測距裝置的外接電路224.4 行波故障測距裝置234.4.1 故障測距裝置原理234.4.2 信號調(diào)理電路244.4.3 故障行波數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)254.4.4 GPS同步時鐘模塊264.5

3、本章小結(jié)28第5章 結(jié) 論29致 謝30參考文獻31ConcentsAbstractI1 Thread theory11.1 Subject research background11.2 Status quo of research31.3 The work and the significance of this paper42 Single terminal traveling wave fault location for HVDC transmission line52.1 Traveling wave propagation of HVDC transmission line52.

4、1.1 DC transmission line fault process52.1.2 Transient traveling wave propagation of HVDC transmission line52.2 Principle of single ended traveling wave fault72.3 The key technology of traveling wave fault location92.3.1 Extraction of fault components92.3.2 Mode transformation102.3.3 Separation of p

5、ositive and backward waves122.3.4 Determination of arrival time of traveling wave surge132.4 Summary133 Fault analysis and Simulation of the metal loop in HVDC transmission system153.1 Introduction153.2 Analysis on the fault of the grounding fault in the operation mode of the single pole metal loop

6、of HVDC system153.2.1 Phenomenon of the occurrence of earth fault in the polar 1 line A points153.2.2 Phenomenon of the occurrence of earth fault in the polar 2 line B points163.3 Simulation environment173.4 Fault simulation173.4.1 The A point of the 1 line is ground fault173.4.2 The B point of the

7、2 line is ground fault193.5 Summary204 Design of traveling wave fault location scheme for metal transmission line in HVDC transmission system214.1 Introduction214.2 The overall design of fault location system214.3 The external circuit of fault locating device224.4 Traveling wave fault locating devic

8、e234.4.1 Principle of fault locating device234.4.2 Signal conditioning circuit244.4.3 Fault traveling wave data acquisition system254.4.4 GPS synchronization clock module264.5 Summary of this chapter285 The theory of knots29Thanks30Reference31I直流輸電系統(tǒng)金屬回線行波故障測距方案設(shè)計 摘要：在急速發(fā)展的今天，中國地域遼闊、環(huán)境問題嚴(yán)重，直流輸電非常適合中

9、國的發(fā)展。近幾年，直流輸電在我國得到發(fā)展迅速。在直流輸電電網(wǎng)中，采用金屬回線接線方式具有很大的優(yōu)點。然而，直流輸電系統(tǒng)金屬回線發(fā)生故障，由于其接線方式的存在一定的特殊性，與其它的接線方式下的輸電線路發(fā)生故障存在著很大的區(qū)別，而且在直流金屬回線的故障保護和測距裝置仍存在可靠性不高、勿動等問題。利用故障點暫態(tài)行波信號可實現(xiàn)故障準(zhǔn)確可靠測距，但其直流輸電系統(tǒng)金屬回線故障測距中的應(yīng)用研究不夠深入與全面。本文提出的利用暫態(tài)行波的直流輸電系統(tǒng)金屬回線故障方案，測距精度較高，并可以推廣應(yīng)用到繼電保護裝置上，在生活中得以應(yīng)用。關(guān)鍵詞:直流輸電系統(tǒng)；金屬回線；行波；故障測距；PSCAD仿真Dc transmis

10、sion system metal loop traveling wave fault location scheme design Abstract:In today's rapid development, China's vast territory, environmental issues seriously, direct current transmission is very suitable for China's development. In recent years, direct current transmission have got gr

11、eat development in China。In the direct current transmission grid, using metal loop wiring has special advantages. However, single-pole ground fault circuit metal loop mode, because of the special nature of its wiring, and other ground fault circuit wiring under the existence of certain differences,

12、but under the current operating mode of the metal loop fault protection and ranging device reliability are still not high, do not move and other issues, ranging accuracy can be further improved. Using the fault transient traveling wave signal ranging can achieve accurate and reliable fault, but its

13、application in the study of metal loop operating mode fault location have not enough depth and comprehensive.This paper proposes the use of transient traveling wave metal loop Direct Current Transmission System failure scenarios, ranging accuracy is higher, and can be extended to the protection devi

14、ces, can be applied in life.Key Words: direct current transmission system; metal loop; traveling wave; fault location; PSCAD simulation4第1章 緒 論1.1 課題研究背景從直流輸電開始，電能應(yīng)用在生活中，隨后，直流輸電又經(jīng)歷了一些巨大的變革1：汞弧閥換流時期與晶閘管換流時期，尤其是在1980s年代以后，在電能應(yīng)用上一些高科技技術(shù)得到飛速發(fā)展的機會，使電能的應(yīng)用范圍更加廣泛。在中國，改革開放以來，我國經(jīng)濟進入了快速發(fā)展時期，工業(yè)化、城鎮(zhèn)化、市場化、國際化的快速發(fā)

15、展，拉動重工業(yè)和電力工業(yè)以超過前20年平均發(fā)展速度的高速不斷增長，而且發(fā)展的趨勢還在繼續(xù)，此時，電力工業(yè)對于輸電的可靠性有了新的要求。有資料顯示，隨著中國的經(jīng)濟快速發(fā)展，用電量大大增加，速度驚人。在國內(nèi)，其中水電資源的80%在西部，而能源需求的2/3集中在東部沿海，為優(yōu)化配置能源資源，中國正在實施發(fā)展“一特三大”戰(zhàn)略2。直流輸電系統(tǒng)根據(jù)其結(jié)構(gòu)可分為兩大類：第一種是兩端直流輸電系統(tǒng)，第二種是多端直流輸電系統(tǒng)。其中第一種輸電系統(tǒng)由一個逆變站和一個整流站構(gòu)成，它的結(jié)構(gòu)與交流系統(tǒng)一樣，都是只有兩個端口，如今，世界上已投入運行的的直流輸電系統(tǒng)大部分是兩端直流輸電系統(tǒng)，其中，兩端換流站的中性點均與接地極系

16、統(tǒng)連接的方式是最常見且最典型的系統(tǒng)，如圖1-1。 圖1-1 直流輸電系統(tǒng)示意圖在直流輸電系統(tǒng)中，采用雙極兩端且中性點都接地的運行方式時，當(dāng)某一極出現(xiàn)故障需要停運時，則需轉(zhuǎn)換為單極運行方式，根據(jù)接線方式的不同單極運行方式可分為三種：單極金屬回線運行方式、單極大地回線運行方式和單極雙導(dǎo)線并聯(lián)大地回線運行方式。直流輸電系統(tǒng)中當(dāng)故障極僅換流站設(shè)備出現(xiàn)故障需要檢修，而故障極的直流輸電線路完好，可作為非故障端輸電回路使用時，需要轉(zhuǎn)換為單極雙導(dǎo)線與大地回線并聯(lián)的方式運行3。而且，單極金屬回線運行方式和單極雙導(dǎo)線并聯(lián)大地回線運行方式的示意圖分別如圖1-2(a)和圖1-2(b)所示。單極大地回線運行方式下，直流

17、輸電系統(tǒng)中，直流輸電線路完好無損，而且非故障極兩端的設(shè)備也完好，線路兩端的接地極系統(tǒng)也是完好無損的；線路故障極其兩端的設(shè)備及其直流輸電線路退出工作進行檢修，單極大地回線運行方式示意圖如圖1-2(c)。（a）直流輸電系統(tǒng)單極金屬回線運行方式（b）直流輸電系統(tǒng)單極雙導(dǎo)線并聯(lián)大地回線運行方式（c）直流輸電系統(tǒng)單極大地回線運行方式圖1-2直流輸電系統(tǒng)的單極運行方式示意圖直流輸電系統(tǒng)中，常用的有單極大地回線方式以及單極雙導(dǎo)線并聯(lián)大地回線運行方式和單極金屬回線方式，它們可以保證一極因檢查等工作停止運行時，另一極仍然可以以正常的方式運行，從而降低對整個系統(tǒng)的影響。但若直流輸電系統(tǒng)長期以單極大地回線方式運行時

18、，產(chǎn)生的直流磁通將對變壓器造成很大的影響。在實際生產(chǎn)應(yīng)用中，需要考慮直流輸電系統(tǒng)安全運行的穩(wěn)定性，因此，發(fā)展直流輸電線路金屬回線運行方式下故障測距技術(shù)顯得十分有意義4。1.2 課題研究現(xiàn)狀在國內(nèi)外直流輸電系統(tǒng)中，已經(jīng)有大量人員利用行波原理進行故障測距，尤其是在直流接地極線路故障的應(yīng)用中日趨成熟5。目前，應(yīng)用于直流接地極線路故障測距的主要方法有電流差分法、時域脈沖法和行波法。但是，由于在國內(nèi)已經(jīng)運行的接地極線路的故障保護以及故障測距裝置存在很多問題，如：可靠性，易勿動等，因而，研究接地極線路在故障發(fā)生時進行快速、并且準(zhǔn)確無誤的測距對于整個輸電系統(tǒng)的可靠與安全運行的提高來說，有著非比尋常的意義,而

19、且有很大的實際用處。當(dāng)短路故障發(fā)生在直流輸電線路上時，在該線路的故障點處會產(chǎn)生故障暫態(tài)行波，并且該故障暫態(tài)行波會向線路的兩端進行傳播，故障暫態(tài)行波在故障發(fā)生點以及母線之間進行反射和透射現(xiàn)象，當(dāng)波到達測量端母線時，會產(chǎn)生一定的突變，可以利用行波的這一原理構(gòu)成接地極線路的故障測距。同時由于直流接地極線路結(jié)構(gòu)簡單、行波的傳輸受母線結(jié)構(gòu)變化的影響較小，所以利用行波法進行直流接地極線路的故障測距更加具有優(yōu)勢。行波測距技術(shù)可簡單分為兩大類：雙端、單端測距技術(shù)。對于現(xiàn)代雙端行波故障測距技術(shù)，它的實現(xiàn)需要雙端通信時間的精確同步和專用的通信通道，因而造價不菲且測距精度受同步技術(shù)的影響，其測距結(jié)果并不完全可信，這

20、些問題制約了雙端行波測距技術(shù)在線路故障測距方面的應(yīng)用。相對而言，單端行波測距技術(shù)，它的測距結(jié)果的實時性更強，準(zhǔn)確性更高。因此，研究利用單端行波故障定位技術(shù)進行直流接地極線路的故障測距更具實用性6。直流接地極輸電系統(tǒng)中，單極金屬回線方式因其接線方式的特殊性，有著特殊的優(yōu)點，單極金屬回線方式的線路接地故障的研究狀況還不是非常成熟，有待于做進一步的探究。 1.3 本文所做的工作及意義本文主要進行直流輸電系統(tǒng)在金屬回線運行方式下行波故障測距研究，為更好的實現(xiàn)直流輸電系統(tǒng)在金屬回線運行方式下行波故障測距，主要做了以下幾方面的工作：（1）詳細(xì)分析直流輸電系統(tǒng)單端行波測距原理，講述了直流輸電線路行波傳播過程

21、，單端行波測距原理，以及行波故障測距的關(guān)鍵技術(shù)問題。（2）在對直流輸電系統(tǒng)在金屬回線運行方式下線路故障特性分析的基礎(chǔ)上，針對直流輸電系統(tǒng)在金屬回線運行方式下行波測距理論進行了分析，根據(jù)直流輸電系統(tǒng)金屬回線運行方式下線路故障暫態(tài)行波的傳播特性，分析了直流輸電系統(tǒng)在金屬回線運行方式下行波測距基本原理。（3）以PSCAD為平臺建立高壓直流輸電系統(tǒng)仿真模型，針對高壓直流輸電系統(tǒng)在金屬回線運行方式下線路可能出現(xiàn)的故障進行故障設(shè)置與仿真，對直流線路故障初始模量進行仿真驗證，設(shè)計出利用暫態(tài)行波的直流輸電系統(tǒng)金屬回線故障測距系統(tǒng)方案。本文通過分析直流輸電系統(tǒng)在金屬回線運行方式下線路故障時的特征，利用直流輸電系

22、統(tǒng)在金屬回線運行方式下行波測距原理實現(xiàn)故障測距，仿真分析進一步驗證了理論分析的正確性和設(shè)計測距方案的可行性，為實時的直流輸電系統(tǒng)在金屬回線運行方式下線路故障測距提供理論基礎(chǔ)7。第2章 直流輸電線路單端行波測距原理在故障的發(fā)生過程和行波傳播時，本章在對直流輸電線路上故障特點進行深入分析的基礎(chǔ)上，闡述了直流輸電線路上實現(xiàn)單端行波測距的關(guān)鍵問題，并分析了影響行波相關(guān)法獲得應(yīng)用的關(guān)鍵問題。2.1 直流輸電線路行波傳播過程2.1.1 直流輸電線路故障過程 當(dāng)短路故障發(fā)生在直流輸電線路上時，會在線路阻抗上放電，沿著該條線路電場和磁場所儲存的能量進行相互轉(zhuǎn)換，形成了故障電流行波以及相應(yīng)的電壓行波，在直流輸電

23、線路故障初始階段，故障行波以接近光速（大約2.95km/ms）飛快地向線路兩端傳播，并在故障點和線路兩端之間來回進行反射和透射（大約2.95km/ms）8；很快的隨著故障進入暫態(tài)階段直流輸電系統(tǒng)的控制系統(tǒng)開始發(fā)揮作用，整流站與逆變站兩側(cè)的觸發(fā)角增大從而限制了故障電流的大??；最終兩端換流站的電流分別減小到各自控制系統(tǒng)的整定值，直流輸電系統(tǒng)重新進入穩(wěn)態(tài)階段。由于直流輸電系統(tǒng)閥控制系統(tǒng)的作用，直流輸電線路故障暫態(tài)維持時間非常短，系統(tǒng)很快就會建立起新的穩(wěn)態(tài)，并且電壓、電流的幅值與變化率均發(fā)生了變化，因而傳統(tǒng)的繼電保護原理便在直流輸電系統(tǒng)中不再適用，但對于行波測距法來說故障初期的暫態(tài)行波中已包含了足夠的

24、故障點信息，其幅值和相位受到直流系統(tǒng)的閥控制系統(tǒng)的影響并不大，利用這些信息完全可以實現(xiàn)直流輸電線路上的行波故障測距9。2.1.2 直流輸電線路故障暫態(tài)行波傳播特點 （1）行波的定義在均勻無損傳輸線上的任一點的電壓與電流的瞬時值，可由其波動方程表示為： （2-1）利用邊界條件可得到，可求得式（2-1）的達朗貝爾解：（2-2）令 （2-3）可得 （2-4） （2-5）式中，為單位長度的阻抗，為單位長度的導(dǎo)納，為特性阻抗或波阻抗，稱為傳播常數(shù)?？煽礊橐浑S時間增加向增加方向運動的衰減波，通常將這種波稱為正向電壓行波；可看作是隨著時間增加沿著減小的方向運動的衰減波，通常把它叫做反向電壓行波。（2）行波的

25、傳播根據(jù)導(dǎo)線單位長度的上電場能與單位長度上的磁場能恒相等的規(guī)律，行波在波阻抗不連續(xù)點會發(fā)生行波的折射以及反射現(xiàn)象。如下圖2-1所示，線路與連接，結(jié)點為點，與在單位長度的電感與單位長度的對地電容并不相同，因此，當(dāng)入射電壓波到達波阻抗不連續(xù)點點時必然要發(fā)生電壓、電流的變化，反射的電壓波自結(jié)點沿著線路返回傳播，折射的電壓波則自點沿線路繼續(xù)向前進行傳播。固然，此折射的電壓波以表示。A圖2-1 行波在結(jié)點A的折、反射通過一系列的分析，可以求出反射的電壓波 以及折射的電壓波 。 對于線路： （2-6） 對于線路： （2-7） 在結(jié)點A處故于是得：由上述公式綜合可得：電壓波折射系數(shù)： （2-8）電流波折射系

26、數(shù)： （2-9）電壓波反射系數(shù)： （2-10）電流波反射系數(shù)： （2-11）2.2 單端行波測距原理論述單端行波測距原理，是利用線路發(fā)生故障時所產(chǎn)生的暫態(tài)行波量在線路上的傳播實現(xiàn)測距1。如下圖2-2（a）所示，分別表示直流輸電線路的兩端，表示故障點位置，測量點在處，規(guī)定行波從端母線到點的傳播方向為正方向。圖2-2 單端行波測距原理圖（b）行波網(wǎng)格圖（a）直流輸電線路MFNDNFDMFFNM整流側(cè)逆變側(cè)如圖2-2（b），在行波網(wǎng)格圖中所見，當(dāng)故障在線路上發(fā)生后，在線路點所產(chǎn)生的故障暫態(tài)行波向該條線路兩端同時進行傳播，首先到達在測量點的是反向行波，此時可以記作，并在該時刻計時，標(biāo)記為，當(dāng)?shù)搅藴y量端

27、的母線后，又經(jīng)過反射形成了第一個正向行波，標(biāo)記為，再向故障點這一方向傳播，并再一次向測量端進行反射，此時形成了反向行波，標(biāo)記為，時間標(biāo)記為，通過這樣的分析，故障距離可表示為： （2-12）式中：波速度表示為。當(dāng)線路故障發(fā)生時，該線路上故障點所產(chǎn)生的暫態(tài)行波既向測量點傳播，又同時向該線路的端進行傳播，行波到達端之后發(fā)生了一次反射，此時形成了反向行波，表示為，時間表示為，因此故障距離也可表示為： （2-13）第一個反向行波浪涌是挺容易識別的，但是第二個反向行波浪涌或許可能是，也或許可能是。所以，對第二個反向行波的性質(zhì)的識別以及對故障時刻的準(zhǔn)確提取問題是單端行波測距法的關(guān)鍵問題。2.3 行波故障測距

28、的關(guān)鍵技術(shù)問題2.3.1 故障分量的提取 當(dāng)短路（接地）故障在直流輸電線路上發(fā)生時，故障點的電壓會發(fā)生一定的突變，該線路上將出現(xiàn)暫態(tài)行波過程，在線性電路的假設(shè)前提下，直流輸電線路的故障過程可以通過疊加原理進行分析。在單極運行方式下，直流線路的故障，可與在接地故障發(fā)生的這一瞬間，在大地之間與故障點進行串聯(lián)兩個附加直流電壓源、等效，兩者幅值相同并且等于故障點在故障前的穩(wěn)態(tài)電壓，但是極性相反，同時還串聯(lián)一個非線性電弧電阻，如圖2-3所示，其中網(wǎng)絡(luò)（有源）和（無源）分別表示整流端和逆變端的等效網(wǎng)絡(luò)。對直流輸電線路的初始狀態(tài)進行假設(shè)，設(shè)定其故障前處于穩(wěn)態(tài)，此時線路故障網(wǎng)絡(luò)就可表示為圖2-3所示的故障附加

29、網(wǎng)絡(luò)的疊加與和圖2-3所示的正常負(fù)荷網(wǎng)絡(luò)。在雙極運行方式下，直流輸電線路的發(fā)生故障所產(chǎn)生的故障暫態(tài)行波中含有線模和零模兩種彼此想獨立的模分量，而且不相同的模行波分量的傳播特性是不一樣的，但每一種暫態(tài)行波模分量傳播特性的分析方法與單極運行方式下的暫態(tài)行波傳播特性分析方法相同。FMNFMNMNF整流側(cè)逆變側(cè)±±±±2-3 直流線路故障暫態(tài)行波的產(chǎn)生2.3.2 模變換 如上節(jié)所述直流輸電線路上的零模分量和線模分量傳播特性不同，如其傳播速度與穩(wěn)定性。雙極直流系統(tǒng)的兩條線路間存在耦合因而在計算故障線路沿線電壓、電流分布前首先要對線路方程完成解耦計算。JPDCDCD

30、CDC圖2-4 直流輸電系統(tǒng)圖2-4中所示直流輸電線路上的電報方程為： （2-14）式中：；其中，分別表示端正、負(fù)極電壓和電流；，分別表示直流線路的自阻、互阻、自感、互感；，分別表示極-地間電導(dǎo)、極-極間電導(dǎo)、極-地間電容、極-極間電容。利用公式（2-14）可以構(gòu)造如下解耦矩陣： （2-15）通過公式（2-15），可以將公式（2-14）寫成如下模量的形式： （2-16）式中：；。在公式（2-16）中，如果設(shè)，則稱：，分別為1模、0模電壓；，分別為1模、0模電流； ， ，； ， ，。由公式（2-16）知，解耦能夠得到的模量間不存在互感的影響。2.3.3 正反向行波的分離 在經(jīng)過模量變換后，對于直

31、流輸電線路來說，其在頻域的任一模分量的基本以及波動方程是相互獨立的，因而可以作為單相線路來求解結(jié)果，因而其正、反向行波浪涌的分離方法與三相交流輸電線路上的方法相同，在此不再推導(dǎo)贅述。圖2-5正反向行波示意圖在圖2-2所示參考方向下，計算公式如下：直流線路中正向行波和反向行波可以分別表示為： （2-17） （2-18）式中：表示正向行波，表示反向行波，為波阻抗，為模電壓列向量，為模電流列向量。2.3.4 行波浪涌到達時刻的確定 由模變換一節(jié)中分析可知，在直流輸電線路上每一相行波中均含有0模（也稱地模）分量和1模（也稱線模）分量。這兩種模分量具有不同的傳播模式10。不同模式下的傳播途徑對在不同頻率

32、下的行波的傳播速度不相同，而且衰減常數(shù)也不相同，其中低頻分量的傳播速度小于高頻分量的傳播速度，而低頻分量的衰減常數(shù)則大于高頻分量的衰減常數(shù)，造成行波傳播頻散的原因就來源于此。正是由于行波傳播的頻散現(xiàn)象，使得零模行波分量與線模行波分量到達測量點的時刻是不同的。如圖2-6所示，線模行波分量先于零模行波分量到達測量點，可見線模行波的傳播速度大于零模行波的傳播速度，且線模行波分量較零模行波分量具有更高的穩(wěn)定性，衰減速度也較慢。線模地模t0圖2-6 到達測量點的模域故障初始行波浪涌該行波浪涌到達時刻的定義：應(yīng)將1模行波分量中的最高頻分量其能夠到達并且最早到達檢測點的時刻定義為行波浪涌的到達時刻；在時域中

33、而言，就是1模行波浪涌起始點的對應(yīng)時刻。如圖2-6所示，在時域中線模與地模行波分量的波頭幅值并不是突變的，而是沿著類似于指數(shù)函數(shù)的軌跡經(jīng)過一定的時間才上升到峰值的，整個波頭是連續(xù)且可導(dǎo)的，只在起始點處表現(xiàn)出不可導(dǎo)來11。但是，在實際的行波故障測距裝置中，由于受干擾信號和數(shù)據(jù)采集裝置所限對采集到信號首先要作模擬低通濾波與離散化處理，這使得模行波分量的波頭起始點的奇異性消失，甚至有可能無法采集到該點。因而在本課題中在將故障暫態(tài)行波分離為正向、反向行波后，采用常規(guī)的設(shè)置觸發(fā)門檻值的方法來檢測故障初始行波浪涌的到達時刻，在故障初始行波浪涌第一次到達測量端之前反向行波信號為零值，因而將反向行波超過觸發(fā)門

34、檻值的時刻作為初始行波浪涌的到達時刻。2.4 小結(jié)本章首先對直流輸電線路上故障的發(fā)生過程進行了分析，并且對故障行波傳播特點進行深層次的分析，在此的基礎(chǔ)上，進一步闡述了直流輸電線路上實現(xiàn)單端行波測距的關(guān)鍵問題，對第二個反向行波的性質(zhì)的識別以及對故障時刻的準(zhǔn)確提取問題是單端行波測距法的關(guān)鍵問題，并且分析了影響行波故障測距的關(guān)鍵技術(shù)問題。20第3章 直流輸電系統(tǒng)金屬回線故障分析及仿真3.1引言本文針對直流輸電系統(tǒng)金屬回線運行方式下，研究利用其故障時產(chǎn)生的暫態(tài)行波實現(xiàn)行波故障測距。分析了直流輸電系統(tǒng)金屬回線運行方式下線路故障發(fā)生情況，并在PSCAD仿真環(huán)境下進行直流輸電系統(tǒng)金屬回線行波故障測距仿真，并

35、為下一章設(shè)計利用暫態(tài)行波的直流輸電系統(tǒng)金屬回線故障測距系統(tǒng)方案提供支持。3.2直流輸電系統(tǒng)單極金屬回線運行方式下線路接地故障現(xiàn)象分析 如3-1 圖所顯示，設(shè)定極 1 為單極金屬回線方式運行，電流正方向為順時針方向。圖3-1 單極金屬回線運行方式連接線圖3.2.1 極 1 線路 A 點發(fā)生接地故障時的現(xiàn)象 如圖下圖所示，當(dāng)線路 A 點發(fā)生接地故障（即極1）時，故障發(fā)生后，輸電系統(tǒng)中電流方向發(fā)生轉(zhuǎn)變，在該時，為平衡電流的高速接地開關(guān)與線路接地點，經(jīng)過大地構(gòu)成一個閉合回路，而且相當(dāng)一部分直流電流（I1）會通過該回路再流入極 2 線路，此時會有平衡式：IdLI1+I2（1）其中：I1為流經(jīng)高速接地開關(guān)

36、的直流電流，I2為逆變側(cè)極 1 測量得到的直流線路電流，IdL為整流側(cè)極 1 測量得到的直流線路電流，電流方向如圖所示。圖3-2 單極金屬回線方式下線路發(fā)生接地故障后電流流向示意圖3.2.2 極 2 線路 B 點發(fā)生接地故障時的現(xiàn)象 如圖下圖所示，當(dāng)線路 B 點發(fā)生接地故障（即極2）時，故障發(fā)生后，輸電系統(tǒng)中電流方向發(fā)生轉(zhuǎn)變，在該時，為平衡電流的高速接地開關(guān)與線路接地點，經(jīng)過大地構(gòu)成一個閉合回路，此時會有平衡式：IdLI1+I2（2）其中：I1為流經(jīng)高速接地開關(guān)的直流電流，I2為逆變側(cè)極 2 測量得到的直流線路電流，IdL為逆變側(cè)極 1 測量得到的直流線路電流，電流方向如圖所示。圖3-3 單極

37、金屬回線方式下線路發(fā)生接地故障后電流流向示意圖3.3 仿真環(huán)境PSCAD(Power Systems Computer Aided Design)是電力系統(tǒng)領(lǐng)域中使用率很高的一款仿真軟件，其一，它具有強大的原件庫，可以方便在仿真時提供現(xiàn)成的原件，其二，他的仿真更接近現(xiàn)實，如對架空線的仿真，對長距離輸電電纜的仿真等。PSCAD仿真軟件對于建立電力系統(tǒng)仿真模型、以及模擬各種電力系統(tǒng)中的運行狀態(tài)都能夠發(fā)揮巨大的作用，目前，PSCAD仿真軟件在各大高校電力實驗室中有廣泛應(yīng)用。PSCAD還具有的巨大優(yōu)勢是能夠為用戶提供一個能與各種電力元件完全集合的仿真界面，并且該界面詳細(xì)，清晰12。通過這個仿真界面，用

38、戶不但可以根據(jù)電力系統(tǒng)的運行狀況設(shè)計出逼真的仿真模型，而且可以設(shè)置詳細(xì)的參數(shù)，尤其對電力系統(tǒng)故障時表現(xiàn)出的各種暫態(tài)過程能夠詳細(xì)仿真出來。如果需要某一個實際的模型時，但是該元件庫中沒有設(shè)置好的模塊，我們可以采用FORTRAN語言進行編寫我們所需要的模塊。在仿真結(jié)果方面，PSCAD能為用戶提供圖表和數(shù)據(jù)信息，而且用戶可以很直白的看到各種仿真數(shù)據(jù)，并且可以將PSCAD仿真數(shù)據(jù)直接傳導(dǎo)到MATLAB軟件中進行數(shù)據(jù)處理，分析，整合。通過MATLAB可以將PSCAD仿真得到的數(shù)據(jù)進行計算處理，從而進行故障波形的分析與繪圖。PSCADMATLAB仿真分析流程如圖3-1所示，其中的關(guān)鍵問題是根據(jù)PSCAD仿真

39、得到的數(shù)據(jù)在MATLAB中編寫所需算法程序，從而進行波形的分析處理，最終得到故障的距離。輸入量輸出量PSCAD仿真數(shù)據(jù)MATLAB數(shù)據(jù)引擎MATLAB語言M文件分析處理繪圖/故障距離圖3-4 PSCAD/EMTDCMATLAB仿真分析流程3.4 故障仿真在所建立的高壓直流輸電系統(tǒng)中，設(shè)置高壓直流輸電系統(tǒng)可能出現(xiàn)的故障類型進行仿真，來驗證所建模型是否正確與實用。本文主要研究的是直流輸電系統(tǒng)在金屬回線運行方式下發(fā)生故障。按照上文所講述的極 1 線路 A 點發(fā)生接地故障和極 2 線路 B 點發(fā)生接地故障。參數(shù)設(shè)置：直流輸電線路L=400km，電壓等級500kV，故障距離100km，故障起始時間0.8

40、s，持續(xù)0.05s，同時，在金屬回線運行方式下，接地故障設(shè)故障點過渡電阻為50。3.4.1 極 1 線路 A 點發(fā)生接地故障 首先，假設(shè)在極 1 線路 A 點發(fā)生了接地故障，如圖 3-2 所示。對此，借助PSCAD 仿真系統(tǒng)，電壓、電流波形如圖3-5所示。圖3-5 極1線路 A 點發(fā)生接地故障電壓、電流波形 其中，對電流波形進行分析，在T1和T2點發(fā)生兩次大幅度的波動，其中T1=0.800321s，T2=0.80101s，運用第2章所述的單端故障測距原理，按照公式 計算結(jié)果為101.6km（其中，v=2.95km/ms），可以看出仿真誤差較大，誤差為1.6km。但，對單極金屬回線運行方式下A點

41、發(fā)生接地故障進行模擬驗證，仿真波形顯示，以及進行了分析，與上述分析結(jié)果一致,該結(jié)果得到驗證。3.4.2 極 2 線路 B 點發(fā)生接地故障 設(shè)定線路 B 點發(fā)生接地故障（即極 2），故障發(fā)生后，直流系統(tǒng)中電流流向如圖3-3 所示。借助PSCAD仿真系統(tǒng)，電壓、電流波形如圖3-6所示。 圖3-6 極2線路 B 點發(fā)生接地故障電壓、電流波形 其中，對電流波形進行分析，在T1和T2點發(fā)生兩次大幅度的波動，其中T1=0.800322s，T2=0.80102s，運用第2章所述的單端故障測距原理，按照公式 計算結(jié)果為101.6km（其中，v=2.95km/ms）,可以看出仿真誤差較大，誤差為1.6km。 對

42、單極金屬回線運行方式下金屬回線B點接地故障模擬驗證，從仿真波形看出，以及進行了分析，與上述分析結(jié)果一致,該結(jié)果得到驗證。3.5 小結(jié)本章主要是講述直流輸電系統(tǒng)在金屬回線的運行方式之下，分析了可能出現(xiàn)的故障，對可能出現(xiàn)的故障進行了仿真驗證。首先，對直流輸電系統(tǒng)單極金屬回線運行方式下線路接地故障現(xiàn)象進行了分析，介紹了仿真環(huán)境，建立了直流接地極線路故障仿真平臺；針對直流輸電系統(tǒng)在金屬回線運行方式下可能出現(xiàn)的故障用PSCAD進行了仿真分析，仿真結(jié)果表明了上面理論分析的正確性，為利用暫態(tài)行波實現(xiàn)直流輸電系統(tǒng)在金屬回線運行方式下故障的在線監(jiān)測奠定了理論基礎(chǔ)。第4章 直流輸電系統(tǒng)金屬回線行波故障測距方案設(shè)計

43、4.1引言在運行方式為金屬回線時， 直流輸電系統(tǒng)的故障測距方法，主要通過線路故障點等效附加行波源的方式，線路在平衡運行狀態(tài)下進行故障測距的主要根據(jù)是外接的行波信號源提供的脈沖行波信號，脈沖行波信號在故障測距中作用重要，故障測距的可行性也與能否提供良好的脈沖行波源有著直接的關(guān)系。故障行波信號的傳送速度很快，要想做到行波的成功采樣，所要進行的數(shù)據(jù)捕獲需要在納秒級時間間隔上13。GPS衛(wèi)星信號的普遍使用和現(xiàn)代電力電子技術(shù)的飛速進步，為設(shè)計故障測距的裝置提供了非常好的理論基礎(chǔ)，經(jīng)過合乎情理的設(shè)計，可以得到故障行波波頭的時間信息，這些可以為實現(xiàn)故障測距功能提供理論依據(jù)。所以，合乎情理的行波信號耦合裝置，

44、可以控制的脈沖信號發(fā)生裝置，精度高、速度快、可靠性好的行波信號處理單元構(gòu)成了完整的故障測距系統(tǒng)。4.2 故障測距系統(tǒng)的總體設(shè)計依據(jù)直流輸電系統(tǒng)在金屬回線運行方式下故障的測距原理，耦合信號的單元、產(chǎn)生脈沖的單元、采集行波的單元、精度高的時鐘以及微處理器是故障測距系統(tǒng)最重要的五大部分，如圖4-1。高頻耦合單元金屬回線高頻耦合單元可控脈沖源信號調(diào)理數(shù)據(jù)采集可控脈沖源微處理器精確時鐘圖4-1 在金屬回線運行方式下故障測距系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)圖工作原理如下：首先高頻脈沖由微處理器脈沖控制發(fā)射的單元形成，通過耦合高頻的單元進入線路，同時記錄脈沖發(fā)射時間，注入脈沖沿金屬回線傳播至阻抗不匹配點發(fā)生反射，并根據(jù)金屬回

45、線故障測距的原理，計算線路故障點發(fā)生的位置。線路在非平衡運行狀態(tài)下，故障點附加行波源產(chǎn)生的行波，依然可以經(jīng)過耦合高頻的單元進入，并且可以作為判斷故障和測距的依據(jù)。4.3故障測距裝置的外接電路為了達到故障測距的要求，線路故障測距裝置不但要在金屬回線上發(fā)射高頻行波信號，并且要接收高頻行波信號。為實現(xiàn)直流輸電線路金屬回線的故障測距要求，第一步要解決的問題是，金屬回線和故障測距裝置之間信號耦合問題。故障測距系統(tǒng)中的外接電路能夠在高壓輸電線上建立非常穩(wěn)定的高頻通道，并且能夠?qū)⒐收蠝y距裝置盡可能安全的連接到直流輸電系統(tǒng)金屬回線上14。因此，這種連接既要防止其引線上的操作過電壓、高電壓以及雷電過電壓信號對故

46、障測距裝置的損害，而且要保證高頻信號以盡可能大的幅值發(fā)送到金屬回線上，而且要保證高頻信號以盡可能最小的衰減發(fā)送到金屬回線上，按照上述要求，設(shè)計故障測距裝置外接電路如圖4-2所示，它主要由耦合電容器、高壓避雷器、耦合單元、同軸電纜和過電流防護設(shè)備等幾部分組成。圖4-2 故障測距裝置外接電路簡圖 下文重點闡述組成故障測距外接電路的幾部分的作用：（1）高電壓避雷器在選擇高壓避雷器參數(shù)時，第一步要考慮的是其電容參數(shù)，通過并聯(lián)電容對于高頻行波信號產(chǎn)生的影響可以得出，如果避雷器所選擇的電容參數(shù)值過大，這時，高頻脈沖信號就會直接與高壓避雷器連接，發(fā)生對地短路現(xiàn)象，這樣將無法實現(xiàn)故障測距。通過資料分析，且考慮

47、到行波信號的頻譜特點，避雷器的電容參數(shù)應(yīng)該要小于50pF才可以滿足要求。為了防止出現(xiàn)來自換流站過電壓而導(dǎo)致的故障測距裝置外接電路高電壓避雷器的放電現(xiàn)象，需要將故障測距裝置的高壓避雷與接地極母線過電壓避雷器裝置相互協(xié)調(diào)，配合工作。（2）高壓耦合電容器選擇高壓耦合電容器，首先要選擇其具有合適的耐壓性能，高壓耦合電容器的電容量通常在1000100000微微法之間選擇，但是，其耐壓值則需要視直流輸電等級的情況而定，對工頻直流、高頻脈沖信號分別呈現(xiàn)為高阻抗和低阻抗，阻止接地極引線在非平衡運行狀態(tài)下的直流進入故障測距裝置，造成對設(shè)備的損害。（3）耦合單元耦合單元和耦合電容器一起用來有效地實現(xiàn)同軸電纜和輸電

48、線之間傳輸載波信號，需要將耦合單元接在耦合電容器的低壓端和高頻電纜之間，并保證故障測距設(shè)備的低壓部分不受工頻電壓的危害，也要保證故障測距設(shè)備低壓側(cè)不受瞬時過電壓的危害1。它主要由高壓側(cè)隔離變壓器、低壓側(cè)隔離變壓器、接地刀閘、避雷器、以及濾波器等幾部分組成組成，如圖4-3所示。圖4-3 耦合單元4.4 行波故障測距裝置4.4.1 故障測距裝置原理 為了實現(xiàn)故障測距的目標(biāo)，采用微處理器技術(shù)和采樣技術(shù)，可以使直流輸電線路中的故障測距更加的精確、合理，很大程度上可以減少系統(tǒng)因為故障形成的停電事故。因此，設(shè)計該系統(tǒng)的實現(xiàn)功能可以從下面幾條要求開始：（1）裝置可以同步實現(xiàn)線路的平衡或者非平衡狀態(tài)的故障檢測

49、功能。（2）采用時間信號為納秒級，可以使采樣間隔減小，波特率更加穩(wěn)定，采樣系統(tǒng)的運行水平得以提高。（3）裝置所采集的大量緩沖數(shù)據(jù)，需要在一定時間間隔之內(nèi)進行數(shù)據(jù)的傳輸和校驗，故需要設(shè)計使用信號處理電路，信號傳輸電路和接收電路。設(shè)計該故障測距裝置的原理的框圖如圖5-8所示。圖4-4 金屬回線故障測距裝置原理框圖本設(shè)計裝置的組成包括：時鐘模塊、信號模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、處理器模塊、等。運行時，所處故障的行波信號通過線路的隔離變壓器處取得，采集的信號需要首先進行濾波和調(diào)理，隨后由CPLD控制模數(shù)轉(zhuǎn)換器，在時鐘信號的驅(qū)動之下采集數(shù)據(jù)，所采集的數(shù)據(jù)通過傳輸電路到內(nèi)部緩存，隨之進行實時值與預(yù)定值的比較，在采

50、樣信號到達預(yù)定值之后，將會向中央處理器傳輸狀態(tài)量信號，再次中央處理器會將某處線路在故障之前的信號和故障之后的信號從內(nèi)部緩存中提取出來，進行處理之后的數(shù)據(jù)就可以進行故障的檢測了。4.4.2 信號調(diào)理電路 在平衡運轉(zhuǎn)情況下，一般為了更大幅度的縮小線上的噪音干擾脈沖，選擇發(fā)送電壓幅值較大脈沖信號，這樣就可以不使脈沖信號在導(dǎo)線傳送的過程中因線路損耗而變的不能測距。在信號采集的過程中，應(yīng)當(dāng)實現(xiàn)隔離變壓器側(cè)瞬時高頻信號不失真的調(diào)整到采集數(shù)據(jù)的單元量程范圍內(nèi)，調(diào)理信號的電路設(shè)計主要就是為了達到這一個目的。同時，可以實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)側(cè)的與隔離變壓器側(cè)的電壓模擬量的電氣隔離，進而還可以防止在線的高電壓進入故障測距裝

51、置中的微電子模塊，造成模塊損壞。以上分析為基礎(chǔ)，故障信號的設(shè)計和調(diào)理線路如下圖5-9所示。前半部分的電路的作用主要是濾波的作用，為了使電壓的輸出不超過模數(shù)轉(zhuǎn)換的最大量程，電路中使用了穩(wěn)壓管，并且穩(wěn)壓管還可以起到限幅作用，保證了輸入電壓的幅值，從而防止了電壓對微電子模塊電路的損壞?；仞侂娮枋请娮鑢和R，經(jīng)過調(diào)整回饋電阻阻值額大小可用來改變電壓的輸出大小。加裝電容C2的目的是濾波和防振，可變電容r1和電容C1的安裝可以用來相移補償。圖4-5 信號調(diào)理電路4.4.3 故障行波數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 故障檢測裝置的主要部分是行波故障信息的采樣，采樣系統(tǒng)就是通過對故障信號采集之后進行一定的濾波和調(diào)理，然后在儲存到

52、內(nèi)部緩存中準(zhǔn)備進行輸出的傳輸，其主要部分如圖4-10所示。當(dāng)故障發(fā)生時，A/D轉(zhuǎn)換電路通過高精度時鐘信號，電壓量信號經(jīng)過調(diào)理電路之后轉(zhuǎn)換并將數(shù)據(jù)及時儲存在內(nèi)部緩存之中。采樣時鐘的頻率為10MHz，以加快轉(zhuǎn)換器的處理速度，該雙口RAM可以將存儲和提取兩個功能同時實現(xiàn)，在采樣數(shù)據(jù)上傳讀取的時候，同樣可以進行下一步的數(shù)據(jù)上傳任務(wù)。在采樣的時候還有可能不能完全合理的實時存儲，在使用的CPLD其完成的告訴緩存功能完全可以保障采集信號的及時處理上傳。模擬量輸入數(shù)據(jù)采集CPLD數(shù)據(jù)地址總線大容量存儲卡內(nèi)部數(shù)據(jù)總線CPLD雙口RAM高精度時鐘鍵盤顯示打印CPU數(shù)據(jù)采集層數(shù)據(jù)管理層資料分析層圖4-6 故障錄波系

53、統(tǒng)本次設(shè)計的故障錄波系統(tǒng)，主要原理為：故障信號的電壓模擬量通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器進行采樣之后，數(shù)據(jù)傳輸?shù)紺PLD，在采樣值高于預(yù)定值之后，產(chǎn)生檢測的故障信號之后，中央處理器會接受到CPLD的啟動信號，隨后中央處理器將之前的信號存儲到雙口RAM之中，這樣所采集的數(shù)據(jù)就會轉(zhuǎn)移到大規(guī)模的內(nèi)部緩存上，在同時接收與上傳，就可以實現(xiàn)故障錄波了。4.4.4 GPS同步時鐘模塊 接地極引線故障測距精確度受高精度的時鐘信號的直接影響，通常采用10MHZ恒溫晶振和GPS時鐘信號相結(jié)合的辦法，該辦法可以獲得精度相當(dāng)高的時鐘信號15。在正常工作的情況下，GPS接收機可以輸出精度非常高的秒脈沖，且通?？梢哉J(rèn)為相鄰兩個秒脈沖之間

54、是沒有累計誤差的，但如果以秒等更加精確精度計，會出現(xiàn)較大的誤差，因此在高精度時鐘模塊中，GPS接收機用作年、月、日、時、分、秒的時間輸出，其秒單位的輸出相對更加精確，可以將此用作計數(shù)器的歸零觸發(fā)信號。但是對于接地極引線故障測距裝置來說，時鐘精度要求高達ns級，通常采用10MHZ的恒溫晶振與GPS時鐘信號相互配合，相互補充，實時的對裝置測距和校正GPS時間信息就可以有效解決這一問題，如圖4-7，4-8接線圖所示。秒脈沖清零秒脈沖誤差晶振PPSGPS接收機天線10M晶振高精度GP S時鐘CPU鑒相器計數(shù)器器CPU時間同步采樣數(shù)據(jù)緩存CPLD高速A/D雙口RAM大容量CF存儲卡外接設(shè)備圖4-7 高精度時鐘模塊原理圖1S間隔 .計數(shù)開始重新計數(shù)圖4-8 高精度時鐘原理圖故障測距系統(tǒng)利用精度較高的時鐘信號來標(biāo)定故障行波信號的時間，利用恒溫晶振產(chǎn)生的信號控制A/D轉(zhuǎn)換電路，A/D轉(zhuǎn)換電路要觸發(fā)一次，就得收到一個時鐘信號，進行一次故障數(shù)據(jù)采集需要100納秒，計算設(shè)置采集數(shù)據(jù)時