直流输电系统金属回线行波故障测距方案设计

1、 直流输电系统金属回线行波故障测距方案设计 目 录摘要IAbstractII第1章 绪 论11.1 课题研究背景11.2 课题研究现状31.3 本文所做的工作及意义4第2章 直流输电线路单端行波测距原理52.1 直流输电线路行波传播过程52.1.1 直流输电线路故障过程52.1.2 直流输电线路故障暂态行波传播特点52.2 单端行波测距原理72.3 行波故障测距的关键技术问题92.3.1 故障分量的提取92.3.2 模变换102.3.3 正反向行波的分离122.3.4 行波浪涌到达时刻的确定132.4 小结13第3章 直流输电系统金属回线故障分析及仿真153.1引言153.2直流输电系统单极金

2、属回线运行方式下线路接地故障现象分析153.2.1 极 1 线路 A 点发生接地故障时的现象153.2.2 极 2 线路 B 点发生接地故障时的现象163.3 仿真环境173.4 故障仿真173.4.1 极 1 线路 A 点发生接地故障173.4.2 极 2 线路 B 点发生接地故障193.5 小结20第4章 直流输电系统金属回线行波故障测距方案设计214.1引言214.2 故障测距系统的总体设计214.3故障测距装置的外接电路224.4 行波故障测距装置234.4.1 故障测距装置原理234.4.2 信号调理电路244.4.3 故障行波数据采集系统254.4.4 GPS同步时钟模块264.5

3、本章小结28第5章 结 论29致 谢30参考文献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直流输电系统金属回线行波故障测距方案设计 摘要：在急速发展的今天，中国地域辽阔、环境问题严重，直流输电非常适合中

9、国的发展。近几年，直流输电在我国得到发展迅速。在直流输电电网中，采用金属回线接线方式具有很大的优点。然而，直流输电系统金属回线发生故障，由于其接线方式的存在一定的特殊性，与其它的接线方式下的输电线路发生故障存在着很大的区别，而且在直流金属回线的故障保护和测距装置仍存在可靠性不高、勿动等问题。利用故障点暂态行波信号可实现故障准确可靠测距，但其直流输电系统金属回线故障测距中的应用研究不够深入与全面。本文提出的利用暂态行波的直流输电系统金属回线故障方案，测距精度较高，并可以推广应用到继电保护装置上，在生活中得以应用。关键词:直流输电系统；金属回线；行波；故障测距；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 绪 论1.1 课题研究背景从直流输电开始，电能应用在生活中，随后，直流输电又经历了一些巨大的变革1：汞弧阀换流时期与晶闸管换流时期，尤其是在1980s年代以后，在电能应用上一些高科技技术得到飞速发展的机会，使电能的应用范围更加广泛。在中国，改革开放以来，我国经济进入了快速发展时期，工业化、城镇化、市场化、国际化的快速发

15、展，拉动重工业和电力工业以超过前20年平均发展速度的高速不断增长，而且发展的趋势还在继续，此时，电力工业对于输电的可靠性有了新的要求。有资料显示，随着中国的经济快速发展，用电量大大增加，速度惊人。在国内，其中水电资源的80%在西部，而能源需求的2/3集中在东部沿海，为优化配置能源资源，中国正在实施发展“一特三大”战略2。直流输电系统根据其结构可分为两大类：第一种是两端直流输电系统，第二种是多端直流输电系统。其中第一种输电系统由一个逆变站和一个整流站构成，它的结构与交流系统一样，都是只有两个端口，如今，世界上已投入运行的的直流输电系统大部分是两端直流输电系统，其中，两端换流站的中性点均与接地极系

16、统连接的方式是最常见且最典型的系统，如图1-1。 图1-1 直流输电系统示意图在直流输电系统中，采用双极两端且中性点都接地的运行方式时，当某一极出现故障需要停运时，则需转换为单极运行方式，根据接线方式的不同单极运行方式可分为三种：单极金属回线运行方式、单极大地回线运行方式和单极双导线并联大地回线运行方式。直流输电系统中当故障极仅换流站设备出现故障需要检修，而故障极的直流输电线路完好，可作为非故障端输电回路使用时，需要转换为单极双导线与大地回线并联的方式运行3。而且，单极金属回线运行方式和单极双导线并联大地回线运行方式的示意图分别如图1-2(a)和图1-2(b)所示。单极大地回线运行方式下，直流

17、输电系统中，直流输电线路完好无损，而且非故障极两端的设备也完好，线路两端的接地极系统也是完好无损的；线路故障极其两端的设备及其直流输电线路退出工作进行检修，单极大地回线运行方式示意图如图1-2(c)。（a）直流输电系统单极金属回线运行方式（b）直流输电系统单极双导线并联大地回线运行方式（c）直流输电系统单极大地回线运行方式图1-2直流输电系统的单极运行方式示意图直流输电系统中，常用的有单极大地回线方式以及单极双导线并联大地回线运行方式和单极金属回线方式，它们可以保证一极因检查等工作停止运行时，另一极仍然可以以正常的方式运行，从而降低对整个系统的影响。但若直流输电系统长期以单极大地回线方式运行时

18、，产生的直流磁通将对变压器造成很大的影响。在实际生产应用中，需要考虑直流输电系统安全运行的稳定性，因此，发展直流输电线路金属回线运行方式下故障测距技术显得十分有意义4。1.2 课题研究现状在国内外直流输电系统中，已经有大量人员利用行波原理进行故障测距，尤其是在直流接地极线路故障的应用中日趋成熟5。目前，应用于直流接地极线路故障测距的主要方法有电流差分法、时域脉冲法和行波法。但是，由于在国内已经运行的接地极线路的故障保护以及故障测距装置存在很多问题，如：可靠性，易勿动等，因而，研究接地极线路在故障发生时进行快速、并且准确无误的测距对于整个输电系统的可靠与安全运行的提高来说，有着非比寻常的意义,而

19、且有很大的实际用处。当短路故障发生在直流输电线路上时，在该线路的故障点处会产生故障暂态行波，并且该故障暂态行波会向线路的两端进行传播，故障暂态行波在故障发生点以及母线之间进行反射和透射现象，当波到达测量端母线时，会产生一定的突变，可以利用行波的这一原理构成接地极线路的故障测距。同时由于直流接地极线路结构简单、行波的传输受母线结构变化的影响较小，所以利用行波法进行直流接地极线路的故障测距更加具有优势。行波测距技术可简单分为两大类：双端、单端测距技术。对于现代双端行波故障测距技术，它的实现需要双端通信时间的精确同步和专用的通信通道，因而造价不菲且测距精度受同步技术的影响，其测距结果并不完全可信，这

20、些问题制约了双端行波测距技术在线路故障测距方面的应用。相对而言，单端行波测距技术，它的测距结果的实时性更强，准确性更高。因此，研究利用单端行波故障定位技术进行直流接地极线路的故障测距更具实用性6。直流接地极输电系统中，单极金属回线方式因其接线方式的特殊性，有着特殊的优点，单极金属回线方式的线路接地故障的研究状况还不是非常成熟，有待于做进一步的探究。 1.3 本文所做的工作及意义本文主要进行直流输电系统在金属回线运行方式下行波故障测距研究，为更好的实现直流输电系统在金属回线运行方式下行波故障测距，主要做了以下几方面的工作：（1）详细分析直流输电系统单端行波测距原理，讲述了直流输电线路行波传播过程

21、，单端行波测距原理，以及行波故障测距的关键技术问题。（2）在对直流输电系统在金属回线运行方式下线路故障特性分析的基础上，针对直流输电系统在金属回线运行方式下行波测距理论进行了分析，根据直流输电系统金属回线运行方式下线路故障暂态行波的传播特性，分析了直流输电系统在金属回线运行方式下行波测距基本原理。（3）以PSCAD为平台建立高压直流输电系统仿真模型，针对高压直流输电系统在金属回线运行方式下线路可能出现的故障进行故障设置与仿真，对直流线路故障初始模量进行仿真验证，设计出利用暂态行波的直流输电系统金属回线故障测距系统方案。本文通过分析直流输电系统在金属回线运行方式下线路故障时的特征，利用直流输电系

22、统在金属回线运行方式下行波测距原理实现故障测距，仿真分析进一步验证了理论分析的正确性和设计测距方案的可行性，为实时的直流输电系统在金属回线运行方式下线路故障测距提供理论基础7。第2章 直流输电线路单端行波测距原理在故障的发生过程和行波传播时，本章在对直流输电线路上故障特点进行深入分析的基础上，阐述了直流输电线路上实现单端行波测距的关键问题，并分析了影响行波相关法获得应用的关键问题。2.1 直流输电线路行波传播过程2.1.1 直流输电线路故障过程 当短路故障发生在直流输电线路上时，会在线路阻抗上放电，沿着该条线路电场和磁场所储存的能量进行相互转换，形成了故障电流行波以及相应的电压行波，在直流输电

23、线路故障初始阶段，故障行波以接近光速（大约2.95km/ms）飞快地向线路两端传播，并在故障点和线路两端之间来回进行反射和透射（大约2.95km/ms）8；很快的随着故障进入暂态阶段直流输电系统的控制系统开始发挥作用，整流站与逆变站两侧的触发角增大从而限制了故障电流的大小；最终两端换流站的电流分别减小到各自控制系统的整定值，直流输电系统重新进入稳态阶段。由于直流输电系统阀控制系统的作用，直流输电线路故障暂态维持时间非常短，系统很快就会建立起新的稳态，并且电压、电流的幅值与变化率均发生了变化，因而传统的继电保护原理便在直流输电系统中不再适用，但对于行波测距法来说故障初期的暂态行波中已包含了足够的

24、故障点信息，其幅值和相位受到直流系统的阀控制系统的影响并不大，利用这些信息完全可以实现直流输电线路上的行波故障测距9。2.1.2 直流输电线路故障暂态行波传播特点 （1）行波的定义在均匀无损传输线上的任一点的电压与电流的瞬时值，可由其波动方程表示为： （2-1）利用边界条件可得到，可求得式（2-1）的达朗贝尔解：（2-2）令 （2-3）可得 （2-4） （2-5）式中，为单位长度的阻抗，为单位长度的导纳，为特性阻抗或波阻抗，称为传播常数。可看为一随时间增加向增加方向运动的衰减波，通常将这种波称为正向电压行波；可看作是随着时间增加沿着减小的方向运动的衰减波，通常把它叫做反向电压行波。（2）行波的

25、传播根据导线单位长度的上电场能与单位长度上的磁场能恒相等的规律，行波在波阻抗不连续点会发生行波的折射以及反射现象。如下图2-1所示，线路与连接，结点为点，与在单位长度的电感与单位长度的对地电容并不相同，因此，当入射电压波到达波阻抗不连续点点时必然要发生电压、电流的变化，反射的电压波自结点沿着线路返回传播，折射的电压波则自点沿线路继续向前进行传播。固然，此折射的电压波以表示。A图2-1 行波在结点A的折、反射通过一系列的分析，可以求出反射的电压波 以及折射的电压波 。 对于线路： （2-6） 对于线路： （2-7） 在结点A处故于是得：由上述公式综合可得：电压波折射系数： （2-8）电流波折射系

26、数： （2-9）电压波反射系数： （2-10）电流波反射系数： （2-11）2.2 单端行波测距原理论述单端行波测距原理，是利用线路发生故障时所产生的暂态行波量在线路上的传播实现测距1。如下图2-2（a）所示，分别表示直流输电线路的两端，表示故障点位置，测量点在处，规定行波从端母线到点的传播方向为正方向。图2-2 单端行波测距原理图（b）行波网格图（a）直流输电线路MFNDNFDMFFNM整流侧逆变侧如图2-2（b），在行波网格图中所见，当故障在线路上发生后，在线路点所产生的故障暂态行波向该条线路两端同时进行传播，首先到达在测量点的是反向行波，此时可以记作，并在该时刻计时，标记为，当到了测量端

27、的母线后，又经过反射形成了第一个正向行波，标记为，再向故障点这一方向传播，并再一次向测量端进行反射，此时形成了反向行波，标记为，时间标记为，通过这样的分析，故障距离可表示为： （2-12）式中：波速度表示为。当线路故障发生时，该线路上故障点所产生的暂态行波既向测量点传播，又同时向该线路的端进行传播，行波到达端之后发生了一次反射，此时形成了反向行波，表示为，时间表示为，因此故障距离也可表示为： （2-13）第一个反向行波浪涌是挺容易识别的，但是第二个反向行波浪涌或许可能是，也或许可能是。所以，对第二个反向行波的性质的识别以及对故障时刻的准确提取问题是单端行波测距法的关键问题。2.3 行波故障测距

28、的关键技术问题2.3.1 故障分量的提取 当短路（接地）故障在直流输电线路上发生时，故障点的电压会发生一定的突变，该线路上将出现暂态行波过程，在线性电路的假设前提下，直流输电线路的故障过程可以通过叠加原理进行分析。在单极运行方式下，直流线路的故障，可与在接地故障发生的这一瞬间，在大地之间与故障点进行串联两个附加直流电压源、等效，两者幅值相同并且等于故障点在故障前的稳态电压，但是极性相反，同时还串联一个非线性电弧电阻，如图2-3所示，其中网络（有源）和（无源）分别表示整流端和逆变端的等效网络。对直流输电线路的初始状态进行假设，设定其故障前处于稳态，此时线路故障网络就可表示为图2-3所示的故障附加

29、网络的叠加与和图2-3所示的正常负荷网络。在双极运行方式下，直流输电线路的发生故障所产生的故障暂态行波中含有线模和零模两种彼此想独立的模分量，而且不相同的模行波分量的传播特性是不一样的，但每一种暂态行波模分量传播特性的分析方法与单极运行方式下的暂态行波传播特性分析方法相同。FMNFMNMNF整流侧逆变侧±±±±2-3 直流线路故障暂态行波的产生2.3.2 模变换 如上节所述直流输电线路上的零模分量和线模分量传播特性不同，如其传播速度与稳定性。双极直流系统的两条线路间存在耦合因而在计算故障线路沿线电压、电流分布前首先要对线路方程完成解耦计算。JPDCDCD

30、CDC图2-4 直流输电系统图2-4中所示直流输电线路上的电报方程为： （2-14）式中：；其中，分别表示端正、负极电压和电流；，分别表示直流线路的自阻、互阻、自感、互感；，分别表示极-地间电导、极-极间电导、极-地间电容、极-极间电容。利用公式（2-14）可以构造如下解耦矩阵： （2-15）通过公式（2-15），可以将公式（2-14）写成如下模量的形式： （2-16）式中：；。在公式（2-16）中，如果设，则称：，分别为1模、0模电压；，分别为1模、0模电流； ， ，； ， ，。由公式（2-16）知，解耦能够得到的模量间不存在互感的影响。2.3.3 正反向行波的分离 在经过模量变换后，对于直

31、流输电线路来说，其在频域的任一模分量的基本以及波动方程是相互独立的，因而可以作为单相线路来求解结果，因而其正、反向行波浪涌的分离方法与三相交流输电线路上的方法相同，在此不再推导赘述。图2-5正反向行波示意图在图2-2所示参考方向下，计算公式如下：直流线路中正向行波和反向行波可以分别表示为： （2-17） （2-18）式中：表示正向行波，表示反向行波，为波阻抗，为模电压列向量，为模电流列向量。2.3.4 行波浪涌到达时刻的确定 由模变换一节中分析可知，在直流输电线路上每一相行波中均含有0模（也称地模）分量和1模（也称线模）分量。这两种模分量具有不同的传播模式10。不同模式下的传播途径对在不同频率

32、下的行波的传播速度不相同，而且衰减常数也不相同，其中低频分量的传播速度小于高频分量的传播速度，而低频分量的衰减常数则大于高频分量的衰减常数，造成行波传播频散的原因就来源于此。正是由于行波传播的频散现象，使得零模行波分量与线模行波分量到达测量点的时刻是不同的。如图2-6所示，线模行波分量先于零模行波分量到达测量点，可见线模行波的传播速度大于零模行波的传播速度，且线模行波分量较零模行波分量具有更高的稳定性，衰减速度也较慢。线模地模t0图2-6 到达测量点的模域故障初始行波浪涌该行波浪涌到达时刻的定义：应将1模行波分量中的最高频分量其能够到达并且最早到达检测点的时刻定义为行波浪涌的到达时刻；在时域中

33、而言，就是1模行波浪涌起始点的对应时刻。如图2-6所示，在时域中线模与地模行波分量的波头幅值并不是突变的，而是沿着类似于指数函数的轨迹经过一定的时间才上升到峰值的，整个波头是连续且可导的，只在起始点处表现出不可导来11。但是，在实际的行波故障测距装置中，由于受干扰信号和数据采集装置所限对采集到信号首先要作模拟低通滤波与离散化处理，这使得模行波分量的波头起始点的奇异性消失，甚至有可能无法采集到该点。因而在本课题中在将故障暂态行波分离为正向、反向行波后，采用常规的设置触发门槛值的方法来检测故障初始行波浪涌的到达时刻，在故障初始行波浪涌第一次到达测量端之前反向行波信号为零值，因而将反向行波超过触发门

34、槛值的时刻作为初始行波浪涌的到达时刻。2.4 小结本章首先对直流输电线路上故障的发生过程进行了分析，并且对故障行波传播特点进行深层次的分析，在此的基础上，进一步阐述了直流输电线路上实现单端行波测距的关键问题，对第二个反向行波的性质的识别以及对故障时刻的准确提取问题是单端行波测距法的关键问题，并且分析了影响行波故障测距的关键技术问题。20第3章 直流输电系统金属回线故障分析及仿真3.1引言本文针对直流输电系统金属回线运行方式下，研究利用其故障时产生的暂态行波实现行波故障测距。分析了直流输电系统金属回线运行方式下线路故障发生情况，并在PSCAD仿真环境下进行直流输电系统金属回线行波故障测距仿真，并

35、为下一章设计利用暂态行波的直流输电系统金属回线故障测距系统方案提供支持。3.2直流输电系统单极金属回线运行方式下线路接地故障现象分析 如3-1 图所显示，设定极 1 为单极金属回线方式运行，电流正方向为顺时针方向。图3-1 单极金属回线运行方式连接线图3.2.1 极 1 线路 A 点发生接地故障时的现象 如图下图所示，当线路 A 点发生接地故障（即极1）时，故障发生后，输电系统中电流方向发生转变，在该时，为平衡电流的高速接地开关与线路接地点，经过大地构成一个闭合回路，而且相当一部分直流电流（I1）会通过该回路再流入极 2 线路，此时会有平衡式：IdLI1+I2（1）其中：I1为流经高速接地开关

36、的直流电流，I2为逆变侧极 1 测量得到的直流线路电流，IdL为整流侧极 1 测量得到的直流线路电流，电流方向如图所示。图3-2 单极金属回线方式下线路发生接地故障后电流流向示意图3.2.2 极 2 线路 B 点发生接地故障时的现象 如图下图所示，当线路 B 点发生接地故障（即极2）时，故障发生后，输电系统中电流方向发生转变，在该时，为平衡电流的高速接地开关与线路接地点，经过大地构成一个闭合回路，此时会有平衡式：IdLI1+I2（2）其中：I1为流经高速接地开关的直流电流，I2为逆变侧极 2 测量得到的直流线路电流，IdL为逆变侧极 1 测量得到的直流线路电流，电流方向如图所示。图3-3 单极

37、金属回线方式下线路发生接地故障后电流流向示意图3.3 仿真环境PSCAD(Power Systems Computer Aided Design)是电力系统领域中使用率很高的一款仿真软件，其一，它具有强大的原件库，可以方便在仿真时提供现成的原件，其二，他的仿真更接近现实，如对架空线的仿真，对长距离输电电缆的仿真等。PSCAD仿真软件对于建立电力系统仿真模型、以及模拟各种电力系统中的运行状态都能够发挥巨大的作用，目前，PSCAD仿真软件在各大高校电力实验室中有广泛应用。PSCAD还具有的巨大优势是能够为用户提供一个能与各种电力元件完全集合的仿真界面，并且该界面详细，清晰12。通过这个仿真界面，用

38、户不但可以根据电力系统的运行状况设计出逼真的仿真模型，而且可以设置详细的参数，尤其对电力系统故障时表现出的各种暂态过程能够详细仿真出来。如果需要某一个实际的模型时，但是该元件库中没有设置好的模块，我们可以采用FORTRAN语言进行编写我们所需要的模块。在仿真结果方面，PSCAD能为用户提供图表和数据信息，而且用户可以很直白的看到各种仿真数据，并且可以将PSCAD仿真数据直接传导到MATLAB软件中进行数据处理，分析，整合。通过MATLAB可以将PSCAD仿真得到的数据进行计算处理，从而进行故障波形的分析与绘图。PSCADMATLAB仿真分析流程如图3-1所示，其中的关键问题是根据PSCAD仿真

39、得到的数据在MATLAB中编写所需算法程序，从而进行波形的分析处理，最终得到故障的距离。输入量输出量PSCAD仿真数据MATLAB数据引擎MATLAB语言M文件分析处理绘图/故障距离图3-4 PSCAD/EMTDCMATLAB仿真分析流程3.4 故障仿真在所建立的高压直流输电系统中，设置高压直流输电系统可能出现的故障类型进行仿真，来验证所建模型是否正确与实用。本文主要研究的是直流输电系统在金属回线运行方式下发生故障。按照上文所讲述的极 1 线路 A 点发生接地故障和极 2 线路 B 点发生接地故障。参数设置：直流输电线路L=400km，电压等级500kV，故障距离100km，故障起始时间0.8

40、s，持续0.05s，同时，在金属回线运行方式下，接地故障设故障点过渡电阻为50。3.4.1 极 1 线路 A 点发生接地故障 首先，假设在极 1 线路 A 点发生了接地故障，如图 3-2 所示。对此，借助PSCAD 仿真系统，电压、电流波形如图3-5所示。图3-5 极1线路 A 点发生接地故障电压、电流波形 其中，对电流波形进行分析，在T1和T2点发生两次大幅度的波动，其中T1=0.800321s，T2=0.80101s，运用第2章所述的单端故障测距原理，按照公式 计算结果为101.6km（其中，v=2.95km/ms），可以看出仿真误差较大，误差为1.6km。但，对单极金属回线运行方式下A点

41、发生接地故障进行模拟验证，仿真波形显示，以及进行了分析，与上述分析结果一致,该结果得到验证。3.4.2 极 2 线路 B 点发生接地故障 设定线路 B 点发生接地故障（即极 2），故障发生后，直流系统中电流流向如图3-3 所示。借助PSCAD仿真系统，电压、电流波形如图3-6所示。 图3-6 极2线路 B 点发生接地故障电压、电流波形 其中，对电流波形进行分析，在T1和T2点发生两次大幅度的波动，其中T1=0.800322s，T2=0.80102s，运用第2章所述的单端故障测距原理，按照公式 计算结果为101.6km（其中，v=2.95km/ms）,可以看出仿真误差较大，误差为1.6km。 对

42、单极金属回线运行方式下金属回线B点接地故障模拟验证，从仿真波形看出，以及进行了分析，与上述分析结果一致,该结果得到验证。3.5 小结本章主要是讲述直流输电系统在金属回线的运行方式之下，分析了可能出现的故障，对可能出现的故障进行了仿真验证。首先，对直流输电系统单极金属回线运行方式下线路接地故障现象进行了分析，介绍了仿真环境，建立了直流接地极线路故障仿真平台；针对直流输电系统在金属回线运行方式下可能出现的故障用PSCAD进行了仿真分析，仿真结果表明了上面理论分析的正确性，为利用暂态行波实现直流输电系统在金属回线运行方式下故障的在线监测奠定了理论基础。第4章 直流输电系统金属回线行波故障测距方案设计

43、4.1引言在运行方式为金属回线时， 直流输电系统的故障测距方法，主要通过线路故障点等效附加行波源的方式，线路在平衡运行状态下进行故障测距的主要根据是外接的行波信号源提供的脉冲行波信号，脉冲行波信号在故障测距中作用重要，故障测距的可行性也与能否提供良好的脉冲行波源有着直接的关系。故障行波信号的传送速度很快，要想做到行波的成功采样，所要进行的数据捕获需要在纳秒级时间间隔上13。GPS卫星信号的普遍使用和现代电力电子技术的飞速进步，为设计故障测距的装置提供了非常好的理论基础，经过合乎情理的设计，可以得到故障行波波头的时间信息，这些可以为实现故障测距功能提供理论依据。所以，合乎情理的行波信号耦合装置，

44、可以控制的脉冲信号发生装置，精度高、速度快、可靠性好的行波信号处理单元构成了完整的故障测距系统。4.2 故障测距系统的总体设计依据直流输电系统在金属回线运行方式下故障的测距原理，耦合信号的单元、产生脉冲的单元、采集行波的单元、精度高的时钟以及微处理器是故障测距系统最重要的五大部分，如图4-1。高频耦合单元金属回线高频耦合单元可控脉冲源信号调理数据采集可控脉冲源微处理器精确时钟图4-1 在金属回线运行方式下故障测距系统的基本结构图工作原理如下：首先高频脉冲由微处理器脉冲控制发射的单元形成，通过耦合高频的单元进入线路，同时记录脉冲发射时间，注入脉冲沿金属回线传播至阻抗不匹配点发生反射，并根据金属回

45、线故障测距的原理，计算线路故障点发生的位置。线路在非平衡运行状态下，故障点附加行波源产生的行波，依然可以经过耦合高频的单元进入，并且可以作为判断故障和测距的依据。4.3故障测距装置的外接电路为了达到故障测距的要求，线路故障测距装置不但要在金属回线上发射高频行波信号，并且要接收高频行波信号。为实现直流输电线路金属回线的故障测距要求，第一步要解决的问题是，金属回线和故障测距装置之间信号耦合问题。故障测距系统中的外接电路能够在高压输电线上建立非常稳定的高频通道，并且能够将故障测距装置尽可能安全的连接到直流输电系统金属回线上14。因此，这种连接既要防止其引线上的操作过电压、高电压以及雷电过电压信号对故

46、障测距装置的损害，而且要保证高频信号以尽可能大的幅值发送到金属回线上，而且要保证高频信号以尽可能最小的衰减发送到金属回线上，按照上述要求，设计故障测距装置外接电路如图4-2所示，它主要由耦合电容器、高压避雷器、耦合单元、同轴电缆和过电流防护设备等几部分组成。图4-2 故障测距装置外接电路简图 下文重点阐述组成故障测距外接电路的几部分的作用：（1）高电压避雷器在选择高压避雷器参数时，第一步要考虑的是其电容参数，通过并联电容对于高频行波信号产生的影响可以得出，如果避雷器所选择的电容参数值过大，这时，高频脉冲信号就会直接与高压避雷器连接，发生对地短路现象，这样将无法实现故障测距。通过资料分析，且考虑

47、到行波信号的频谱特点，避雷器的电容参数应该要小于50pF才可以满足要求。为了防止出现来自换流站过电压而导致的故障测距装置外接电路高电压避雷器的放电现象，需要将故障测距装置的高压避雷与接地极母线过电压避雷器装置相互协调，配合工作。（2）高压耦合电容器选择高压耦合电容器，首先要选择其具有合适的耐压性能，高压耦合电容器的电容量通常在1000100000微微法之间选择，但是，其耐压值则需要视直流输电等级的情况而定，对工频直流、高频脉冲信号分别呈现为高阻抗和低阻抗，阻止接地极引线在非平衡运行状态下的直流进入故障测距装置，造成对设备的损害。（3）耦合单元耦合单元和耦合电容器一起用来有效地实现同轴电缆和输电

48、线之间传输载波信号，需要将耦合单元接在耦合电容器的低压端和高频电缆之间，并保证故障测距设备的低压部分不受工频电压的危害，也要保证故障测距设备低压侧不受瞬时过电压的危害1。它主要由高压侧隔离变压器、低压侧隔离变压器、接地刀闸、避雷器、以及滤波器等几部分组成组成，如图4-3所示。图4-3 耦合单元4.4 行波故障测距装置4.4.1 故障测距装置原理 为了实现故障测距的目标，采用微处理器技术和采样技术，可以使直流输电线路中的故障测距更加的精确、合理，很大程度上可以减少系统因为故障形成的停电事故。因此，设计该系统的实现功能可以从下面几条要求开始：（1）装置可以同步实现线路的平衡或者非平衡状态的故障检测

49、功能。（2）采用时间信号为纳秒级，可以使采样间隔减小，波特率更加稳定，采样系统的运行水平得以提高。（3）装置所采集的大量缓冲数据，需要在一定时间间隔之内进行数据的传输和校验，故需要设计使用信号处理电路，信号传输电路和接收电路。设计该故障测距装置的原理的框图如图5-8所示。图4-4 金属回线故障测距装置原理框图本设计装置的组成包括：时钟模块、信号模块、数据采集模块、处理器模块、等。运行时，所处故障的行波信号通过线路的隔离变压器处取得，采集的信号需要首先进行滤波和调理，随后由CPLD控制模数转换器，在时钟信号的驱动之下采集数据，所采集的数据通过传输电路到内部缓存，随之进行实时值与预定值的比较，在采

50、样信号到达预定值之后，将会向中央处理器传输状态量信号，再次中央处理器会将某处线路在故障之前的信号和故障之后的信号从内部缓存中提取出来，进行处理之后的数据就可以进行故障的检测了。4.4.2 信号调理电路 在平衡运转情况下，一般为了更大幅度的缩小线上的噪音干扰脉冲，选择发送电压幅值较大脉冲信号，这样就可以不使脉冲信号在导线传送的过程中因线路损耗而变的不能测距。在信号采集的过程中，应当实现隔离变压器侧瞬时高频信号不失真的调整到采集数据的单元量程范围内，调理信号的电路设计主要就是为了达到这一个目的。同时，可以实现采集数据侧的与隔离变压器侧的电压模拟量的电气隔离，进而还可以防止在线的高电压进入故障测距装

51、置中的微电子模块，造成模块损坏。以上分析为基础，故障信号的设计和调理线路如下图5-9所示。前半部分的电路的作用主要是滤波的作用，为了使电压的输出不超过模数转换的最大量程，电路中使用了稳压管，并且稳压管还可以起到限幅作用，保证了输入电压的幅值，从而防止了电压对微电子模块电路的损坏。回馈电阻是电阻r和R，经过调整回馈电阻阻值额大小可用来改变电压的输出大小。加装电容C2的目的是滤波和防振，可变电容r1和电容C1的安装可以用来相移补偿。图4-5 信号调理电路4.4.3 故障行波数据采集系统 故障检测装置的主要部分是行波故障信息的采样，采样系统就是通过对故障信号采集之后进行一定的滤波和调理，然后在储存到

52、内部缓存中准备进行输出的传输，其主要部分如图4-10所示。当故障发生时，A/D转换电路通过高精度时钟信号，电压量信号经过调理电路之后转换并将数据及时储存在内部缓存之中。采样时钟的频率为10MHz，以加快转换器的处理速度，该双口RAM可以将存储和提取两个功能同时实现，在采样数据上传读取的时候，同样可以进行下一步的数据上传任务。在采样的时候还有可能不能完全合理的实时存储，在使用的CPLD其完成的告诉缓存功能完全可以保障采集信号的及时处理上传。模拟量输入数据采集CPLD数据地址总线大容量存储卡内部数据总线CPLD双口RAM高精度时钟键盘显示打印CPU数据采集层数据管理层资料分析层图4-6 故障录波系

53、统本次设计的故障录波系统，主要原理为：故障信号的电压模拟量通过模数转换器进行采样之后，数据传输到CPLD，在采样值高于预定值之后，产生检测的故障信号之后，中央处理器会接受到CPLD的启动信号，随后中央处理器将之前的信号存储到双口RAM之中，这样所采集的数据就会转移到大规模的内部缓存上，在同时接收与上传，就可以实现故障录波了。4.4.4 GPS同步时钟模块 接地极引线故障测距精确度受高精度的时钟信号的直接影响，通常采用10MHZ恒温晶振和GPS时钟信号相结合的办法，该办法可以获得精度相当高的时钟信号15。在正常工作的情况下，GPS接收机可以输出精度非常高的秒脉冲，且通常可以认为相邻两个秒脉冲之间

54、是没有累计误差的，但如果以秒等更加精确精度计，会出现较大的误差，因此在高精度时钟模块中，GPS接收机用作年、月、日、时、分、秒的时间输出，其秒单位的输出相对更加精确，可以将此用作计数器的归零触发信号。但是对于接地极引线故障测距装置来说，时钟精度要求高达ns级，通常采用10MHZ的恒温晶振与GPS时钟信号相互配合，相互补充，实时的对装置测距和校正GPS时间信息就可以有效解决这一问题，如图4-7，4-8接线图所示。秒脉冲清零秒脉冲误差晶振PPSGPS接收机天线10M晶振高精度GP S时钟CPU鉴相器计数器器CPU时间同步采样数据缓存CPLD高速A/D双口RAM大容量CF存储卡外接设备图4-7 高精度时钟模块原理图1S间隔 .计数开始重新计数图4-8 高精度时钟原理图故障测距系统利用精度较高的时钟信号来标定故障行波信号的时间，利用恒温晶振产生的信号控制A/D转换电路，A/D转换电路要触发一次，就得收到一个时钟信号，进行一次故障数据采集需要100纳秒，计算设置采集数据时