高压直流输电线路故障定位

第40卷第5期电力系统保护与控制Vol.40 No.5 2012年3月1日Power System Protection and Control Mar. 1, 2012 高压直流输电线路故障定位研究综述

宋国兵，蔡新雷，高淑萍，张健康，李德坤，索南加乐

(西安交通大学电气工程学院，陕西 西安 710049)

摘要：综述了国内外开展的直流线路故障定位的研究背景和现状。首先分析了现有直流输电线路故障定位技术的不足，指出了目前工程应用中的直流输电线路故障定位装置只采用行波原理，存在原理单一、对采样率要求高、耐过渡电阻能力差等问题。借鉴交流输电线路故障定位原理的划分方法，对直流输电线路故障定位原理进行了归类研究。将直流输电线路故障定位方法分为行波法和故障分析法，并分别分析和研究了行波法和故障分析法的优缺点，指出故障分析法在直流输电线路故障定位中的广阔应用前景。最后给出了直流输电线路故障定位研究的几点建议与设想。

关键词：直流输电线路；故障定位；行波法；故障分析法

Survey of fault location research for HVDC transmission lines

SONG Guo-bing, CAI Xin-lei, GAO Shu-ping, ZHANG Jian-kang, LI De-kun, SUONAN Jia-le

(School of Electrical Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

Abstract: The HVDC line fault location methods at home and abroad are surveyed in this paper. Firstly, the disadvantage of the existing fault location techniques of HVDC transmission line is analyzed, and it is point out that the engineering applications of fault location of HVDC transmission line are based on traveling wave principle at present. The fault location principle is relatively simple, requiring high sampling rate, and its tolerance ability of high resistance is not sufficient. Making use of the dividing method of fault location principle of AC transmission line, the fault location principle of HVDC transmission line is classified and studied. The HVDC transmission line fault location methods are divided into traveling wave method and fault analysis method. Furthermore, the advantages and disadvantages of each fault location principles of HVDC transmission line are reviewed respectively and it is pointed out that fault analysis method has broad application prospects. Finally, several important problems which need to be further studied are proposed.

This work is supported by National Natural Science Foundation of China (No. 51177128 and No. 51037005).

Key words: HVDC transmission line; fault location; traveling wave method; fault analysis method

中图分类号： TM77 文献标识码：A 文章编号： 1674-3415(2012)05-0133-05

0 引言

与交流输电相比，直流输电具有输送容量大、送电距离远、电网互联方便、功率调节容易、线路走廊窄等诸多优点，因此在远距离电能传输、非同步电网互联、分布式能源接入电网、海岛供电以及大城市中心区域电缆供电等领域具有明显优势[1-10]。

我国幅员辽阔、能源与负荷呈逆向分布，决定了高压直流输电技术在我国具有广阔的应用前景[11]。在舟山直流输电项目之后，先后建设了葛南

基金项目：国家自然科学基金项目(51177128，51037005)等直流输电工程，以及灵宝等直流背靠背联网工程。目前，在建和规划中的直流输电工程数量已渐渐可以和交流输电工程相比拟，已投运直流工程占世界直流输电容量的20%以上，我国已经成为直流输电大国[12]。

直流输电线路是直流系统故障率最高的元件，运行数据也显示我国直流输电可靠性指标偏低[13]。直流线路故障一般是遭受雷击、污秽或树枝等环境因素所造成线路绝缘水平降低而产生的对地故障和闪络。直流输电线路距离长，要跨越不同地形和气候区域，工作条件恶劣，故障概率高，故障巡线难度大，严重影响永久性故障的恢复时间。随着继电

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保护技术的发展，直流线路故障切除的时间将大大缩短，这使得线路损伤较小，只是造成局部绝缘缺陷而无明显的破坏痕迹，故障点的查找困难[1]。因此，准确可靠的故障定位技术，对于减少巡线工作量、加快故障修复速度、减小停电损失，保障电力系统的安全运行，提高系统的经济性和可靠性具有重要意义。直流输电线路故障定位技术有待大力发展和研究。

1 直流输电线路故障定位研究现状

直流输电线路与交流输电线路物理本质相同，只是能量集中频带不同。这使得交流线路的部分故障定位原理也可用于直流输电线路。然而，目前交流输电线路故障定位原理众多，而直流输电线路故障定位原理单一。目前运行中的直流输电线故障定位装置均采用行波原理。实际上，直流线路也可构造多种原理的故障定位方法，以提高故障定位的可靠性。

故障定位分为行波法和故障分析法[1]。行波法分为A、B、C、D、E和F型。其中A、C、E、F 型为单端原理，而B、D型为双端原理。故障分析法按照电气量来源可分为单端和双端；按照输电线路模型分为集中参数模型和分布参数模型；按照电气量形式可以分为频域法和时域法[14-16]。

直流线路的故障定位与交流线路又有所不同，使得交流线路故障定位原理只有部分适用于直流线路。主要表现在：直流线路一般较长，具有明显的分布参数特性，因此应采用分布参数模型以保证故障定位精度。直流线路主要传输低频能量，线路故障后无稳定的工频量，基于工频量的频域法故障定位原理不再适用于直流线路。

综上所述，直流输电线路与交流输电线路物理本质并无区别；直流线路故障定位应采用分布参数模型；直流线路故障定位不能采用基于工频量的频域法，一般应在时域中进行。具体可采用的方法有：利用单端和两端量的行波法；基于分布参数模型的单端和两端量的故障分析法。

下面对直流输电线路故障定位研究现状进行分析。

1.1直流输电线路行波故障定位

行波故障定位最早用于交流线路[1]。早期行波法故障定位诞生于20世纪40年代末，由于暂态行波的传播速度比较稳定(接近光速)，检测故障线路上暂态行波在母线与故障点之间的传播时间可以测量故障距离。行波法测距的可靠性和精度在理论上不受线路类型、故障电阻及两侧系统的影响。交流线路行波故障定位存在一些问题：故障行波产生的不确定性(有些故障初相角下没有行波产生)、线路两端非线性组件的动态延时、故障点反射波与对端母线反射波的识别、行波信号的提取、故障初始行波及反射波到达时刻的标定、超高速的采样频率、参数的频变效应和波速度的确定等[14-16]。

目前，直流线路保护和故障定位均采用行波原理[17-20]。与交流线路行波故障定位相比，直流输电线路行波故障定位有以下优势：1）直流电压不会每周期过零，不受故障初相角的影响，且暂态行波能量丰富，波头更容易识别；2）直流系统母线结构变化小，且母线一般只有一条出线，无需区分故障点传播的行波和各母线的反射波和透射波，因此不会受其他线路影响。

基于以上优点，在直流工程中长期以来人们已经接受行波故障定位作为直流输电线路故障定位的唯一方法。目前，运行中的直流输电线故障定位装置均采用行波原理。如西门子、ABB、中科院行波测距装置等。目前应用的直流输电线路行波故障测距基本原理分为A、D两种型式[1]，其中A型为单端原理，D型为双端原理。目前，在实际应用中往往将D型原理作为主要测距原理，而将A型原理作为辅助测距原理。

早在1985年文献[21]就提出利用连续两个反射波头之间的时间差进行单端电气量的直流输电线路故障定位，在能够区分对端反射波和故障点反射波的情况下，该方法具有较高的定位精度。1993年文献[22]给出了一种借助于GPS同步时钟、利用两端电气量的行波故障定位方法，在两侧系统都能够启动的情况下该方法具有较高的可靠性。文献[23]将单端行波定位法与双端行波定位法结合，给出了综合故障定位方法，以提高故障定位的可靠性。文献[24-25]研制了单端、双端行波故障定位系统，并用于直流输电线路，现场运行经验表明，行波用于直流输电线路测距误差一般不超过3 km。文献[25]还指出由于直流线路边界以及行波传播畸变的影响，单端行波测距原理难以自动给出正确的故障测距结果。而双端行波测距原理不受这些因素的影响，可以给出正确的故障测距结果。在实际应用中，应将双端原理作为一种主要测距原理，而将单端原理作为一种辅助测距原理。

由于小波变换具有良好的表征局部信号的能力，且去噪能力较强，可用于识别行波波头。文献[26-27]研究了基于小波变换的直流输电线路故障定位原理。文献[28-31]根据故障暂态信号的奇异点中包含着信号的信息，利用小波变换的模极大值刻画

宋国兵，等高压直流输电线路故障定位研究综述 - 135 -

出故障行波信号的奇异点和奇异性，给出了基于小波模极大值的直流输电线路双端D型行波故障定位方法，以提高定位精度，并分别用于单极和双极直流输电系统。与文献[21]的思想相同，文献[32]将相关分析用于单端行波故障定位的波头识别，试图提高故障定位的自动化水平。文献[33-36]将新的数学工具和分析方法——红绿色彩模式检测、数学形态学理论以及模式识别的思想用于行波故障定位的波头识别之中，以提高故障定位的精度。

众所周知，行波故障定位是依靠识别波头、标定波头起始时刻来实现故障定位的。波头的识别与标定工作，对人员素质有较高要求、难以实现自动化。当存在过渡电阻、行波波头幅值受到限制时，波头的起始点便更难准确标定，严重影响定位的精度和可靠性。随着过渡电阻的继续增大，行波故障定位法就会由于没有启动而无法定位故障，该现象在南方电网的直流运行中多次出现 [23,37]。文献[37]还指出直流线路首末端故障时行波测距会出现死区，且双端故障测距的准确性和可靠性依赖于GPS 准确对时和正常的通信。另外，由于电磁波接近光速传播，1 μs即对应300 m误差，为了准确标定波头起始时刻、提高定位精度，必须采用高采样率设备。

综上，现有的直流输电线路故障定位原理单一、仅依赖于行波法、对采样率要求高、高阻情况下无法实现故障定位、可靠性差。另外，存在波头识别和起始时刻标定问题，需要人员介入、难以实现自动化。

1.2直流输电线路故障分析法故障定位

故障分析法是根据系统有关参数和测量得到的电压、电流，通过分析计算，求出故障点的距离[1]。故障分析法简单易行，可借助现有的故障录波器达到测距的目的。直流线路故障分析法也可分为单端量法和双端量法。单端量法只使用本侧信息，实现起来比较方便，但一般很难消除对侧系统及故障点过渡电阻的影响。双端量法从原理上不存在过渡电阻和对侧系统的问题，但必须借助通信技术获取对侧的数据信息，存在数据同步、计算量大等问题。故障分析法对采样率要求低，可靠性较高，但易受线路参数的精确度影响、定位精度相对于行波原理较差。

相比较而言，故障分析法中基于分布参数模型的时域法用于直流输电线路故障定位具有明显的优势。该方法从瞬时到稳态的故障全过程数据都能够用来定位故障，直接用采样点进行测距无需时域——频域转换，所需数据窗短等优点，成为故障定位的发展趋势。此外，继电保护和断路器动作越来越快，能够利用的故障数据窗也越来越短，这一发展趋势也迫使故障定位向着分布参数模型的时域法方向发展。

借鉴交流输电线路故障定位中基于分布参数模型的时域法，同时考虑直流输电线路特有的问题，国内学者开展了大量的研究。文献[38-39]提出了一种直流输电线路双端时域故障定位方法。它将贝瑞隆模型用于计算直流线路沿线电压分布，根据故障点处时时相等构造时域故障定位方程，实现精确故障定位。文献[40]提出了一种直流线路时域单端故障定位原理，它利用故障电流由整流侧提供的基本思想，在分布参数模型下计算沿线电压分布和电流分布，并根据故障点的边界条件实现故障定位。文献[41]在文献[38-39]的基础上，在输电线路参数不准确情况下，将遗传算法用于故障定位以提高定位精度。

综上，时域方法可用故障后任一段暂态数据实现故障定位，而不仅仅限于行波波头。该方法所需采样率低，可直接利用换流站录波数据实现故障定位、对采样率要求低、可靠性高，具有一定的实用价值。但是该方法需要计算精确的线路参数，当线路参数存在一定误差或频变特性明显时，会影响故障定位的精度。同时，虽然此种故障定位原理性能上较稳定，无死区，但故障定位精度一般没有行波原理高。

2 直流输电线路故障定位研究的建议与设想

由上文分析可知，由于直流输电线路与交流输电线路并无本质区别，只是能量集中频带不同。理论上，交流线路的部分故障定位原理也适用于直流线路。直流系统故障暂态过程中含有大量的特征频率信号，可研究基于特征频率的故障定位原理。基于时域微分方程的故障定位方法，原理上不受非周期分量和各次谐波影响，可研究适用于直流输电线路的时域故障定位原理。另外，可研究直流线路故障定位中线路参数不精确及其频变特性问题、故障电弧特性问题的解决措施。充分利用直流输电线路故障特征，可构建多种故障定位原理，从而提高直流线路故障定位的可靠性和准确性。

3 结语

本文对直流输电线路故障定位原理进行了较全面的综述。在总结国内外的研究与实践的基础上，对故障定位原理进行了归类研究，指出现有的直流输电线路故障定位存在原理单一、采样率高、可靠性不高等问题，提出了开展直流输电线路故障定位

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研究的几点建议与设想，并探讨了进一步的研究方向。

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Engineering Society Summer Meeting，2000，IEEE，V ol

2：1009-1014．

收稿日期：2011-04-12； 修回日期：2011-05-31

作者简介：

黄柳强（1984-），男，博士研究生，主要研究方向为电力系统运行与控制； E-mail：huanglqiang@https://www.360docs.net/doc/385721093.html, 郭剑波（1960-），男，硕士，教授级高级工程师，博士生导师，从事电力系统运行与规划、电网可靠性和FACTS技术等领域的研究工作；

卜广全（1962-），男，硕士，教授级高级工程师，从事电力系统运行与规划的研究工作。

（上接第137页 continued from page 137）

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LI Hong-bo. Research on theory of fault location and

software development for HVDC lines[D]. Tianjin:

Tianjin University, 2009.

收稿日期：2011-04-25； 修回日期：2011-09-09

作者简介：

宋国兵（1972-），男，博士，副教授，硕士生导师，主要研究方向为电力系统继电保护；E-mail：song.gb@mail.xjtu. https://www.360docs.net/doc/385721093.html,

蔡新雷（1986-），男，硕士研究生，主要研究方向为电力系统继电保护；

高淑萍（1970-），女，博士研究生，讲师，主要研究方向为电力系统继电保护。