- 頭條作者特稿｜電磁時間反轉——電力線路故障測距新理論2019-07-30 作者：張希鵬、邰能靈 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語上海交通大學電子信息與電氣工程學院的研究人員張希鵬、邰能靈等，在2019年第3期《電工技術學報》上撰文（論文標題為“基于WEMTR的柔性直流輸電線路故障測距”），提出了基于小波技術的電磁時間反轉（WEMTR）理論的柔性直流輸電線路故障測距原理。理論證明,該方法不受過渡電阻和故障類型的影響。在PSCAD/EMTDC搭建了基于模塊化多電平換流站的高壓直流輸電系統進行仿真驗證,輸電線路采用相域頻變分布參數模型。結果表明,不需要高采樣率,該方法可以得到精確的故障測距結果。
研究背景
多電平柔性直流輸電系統因其輸出諧波少、輸出電壓高、模塊化程度高等特點得到了較好發展。輸電線路作為直流輸電的橋梁，若其發生故障，不僅影響輸電，還會造成系統（尤其是投資成本高的換流站）的停運，嚴重時可能造成換流站設備的損壞。因此，對于輸電線路的故障的快速準確的故障定位尤為重要。
目前，直流輸電線路的故障測距方法主要基于行波原理和基于暫態量反演原理。行波測距法理論完備，但受到采樣裝置和波頭識別技術的制約，一般行波法采樣頻率都達到500kHz以上。基于暫態量反演的測距方式主要利用故障點處過渡電阻的純阻性和故障處電壓全線最低的特性，但該方法容易受到線路故障后，交流側注入電流的影響；同時，貝杰龍線路模型適用于單頻系統的仿真與潮流計算，采用貝杰龍線路模型進行暫態量計算與實際線路相差較大。
論文所解決的問題及意義
為了降低采樣率、脫離波頭識別技術的制約，同時能夠在頻變參數的線路中進行計算，本文提出了電磁時間反轉理論的直流輸電線路故障測距新原理，該方法是結合了行波法和暫態量反演法優勢的“折中”方法。
EMTR方法起源于空間中閃電位置的定位，運用了電磁場（麥克斯韋方程組）的基本原理。線路的故障本質上也是變化的電磁場在介質中的傳播，本文將EMTR方法引入到電力系統故障測距領域，并理論證明了其在分布式參數線路中應用的可行性，并以柔性直流輸電線路為例進行了仿真說明。
論文方法及創新點
第一步：測距裝置記錄下線路兩側各極故障電流，分別計算兩側故障電流1模分量。
第二步，利用小波函數分解1模電流分量，提取對應于故障電流的突變點的信號的高頻部分。
第三步，將提取的有用的暫態量信號進行時間反轉，信號的時間反轉如圖1所示，s(t-t1)時間反轉后為s[T-(t-t1)]。
圖1 信號的時間反轉
第四步，建立無損鏡像線路，即圖2中線路的分布式參數電阻、電導、電感、電容為0、0、-L、-C。將時間反轉后的電流信號作為電流源串聯在無損鏡像線路兩側。
第五步，在線路上任意一點lZ假想金屬性故障，計算假想故障電流。計算無損鏡像線路中每一點的假想故障電流有效值，假想故障電流有效值最大值處即為實際故障點處。第四步和第五步可如圖2所示。
圖2 計算無損鏡像線路中的假想金屬性故障電流
結論
本文提出了結合小波的電磁時間反轉的直流輸電線路測距新原理。理論推導和仿真結果表明，在使用無損鏡像線路中計算反轉電流時，測距結果精確且計算簡便；在采用了小波變換濾波后，消除了交流側注入電流的影響；該方法不受過渡電阻、故障類型的影響；采樣頻率越高，測距精度越高，且當采樣頻率為50kHz時能夠滿足測距精度要求，降低了測距裝置成本。
引用本文
張希鵬, 邰能靈, 鄭曉冬, 黃文燾, 孫凱華. 基于WEMTR的柔性直流輸電線路故障測距[J]. 電工技術學報, 2019, 34(3): 589-598. Zhang Xipeng, Tai Nengling, Zheng Xiaodong, Huang Wentao, Sun Kaihua. Fault Location in VSC-HVDC Transmission Lines Based on WEMTR. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(3): 589-598.
團隊介紹
張希鵬
上海交通大學，博士研究生，主要研究方向：基于電磁時間反轉的電力線路故障測距新理論。
邰能靈
上海交通大學，電氣工程系系主任，教授、博導。教育部新世紀優秀人才，上海市曙光學者，上海市高校優秀青年教師，海軍重大裝備技術保障專家組成員。發表SCI/EI論文240余篇。近幾年，主持負責多項國家自然科學基金、十一五國家科技支撐計劃、國家重大專項子項。
黃文燾
上海交通大學，副教授。從事于新能源應用、保護與控制研究，主要研究方向為分布式新能源、微電網并網控制與保護，大數據與新能源，以及電動汽車并網控制與運行優化。
鄭曉冬
上海交通大學，副教授，主要研究方向為電力系統繼電保護、柔性直流輸配電保護、分布式能源接入保護、分布式儲能保護控制。
