脉冲注入法用于直流输电系统接地极线路故障测距

张怿宁，郝洪民，李京，，李录照

（1.中国南方电网超高压输电公司检修试验中心，广东广州 510663；2.山东理工大学智能电网研究中心，山东淄博 255000；3.山东科汇电力自动化股份有限公司，山东淄博 255087）

脉冲注入法用于直流输电系统接地极线路故障测距

张怿宁1，郝洪民2，李京2，3，李录照3

（1.中国南方电网超高压输电公司检修试验中心，广东广州 510663；2.山东理工大学智能电网研究中心，山东淄博 255000；3.山东科汇电力自动化股份有限公司，山东淄博 255087）

分析了直流输电系统在双极运行方式下，外部注入脉冲信号在接地极线路上的传播过程，提出一种利用注入脉冲信号的直流输电系统接地极线路故障测距方法。该方法通过周期性地从接地极线路始端注入脉冲信号探测线路是否发生故障，在判断线路发生故障后，通过改变注入脉冲信号的宽度和脉冲极性探测故障点位置，最后以取平均值的方式得到故障测距结果。以PSCAD/EMTDC为仿真平台，搭建了直流输电系统在双极运行方式下的接地线路故障测距仿真模型，并借助MATLAB对仿真波形数据进行分析，仿真结果表明该方法是可行的。

高压直流输电；接地极线路；脉冲注入法；故障测距

高压直流输电以其独特的优势，在我国得到了快速的发展。高压直流输电系统广泛应用双极两端中性点接地运行方式，其接地系统主要由接地极、接地极线路和导流系统等几部分构成[1]，其中接地极线路的主要作用是为直流电流提供通路。可见，接地极线路故障必然会影响整个直流输电系统的正常运行[2]。

适用于直流输电系统接地极线路的故障测距方法主要可分为3大类：阻抗法、行波法和录波数据分析法。阻抗法需要在换流站利用外加电源向接地极线路注入一定频率的交流信号，并通过实时测量接地极线路首端电压相量和电流相量的比值（阻抗）获得故障点位置。这种方法的基本思想来源于交流输电线路的阻抗测距方法[3]，因而测距精度受线路参数、故障类型和过渡电阻等因素的影响较大。行波法通过检测暂态行波在接地极线路上的传播时间获得故障点位置[4-7]，具体分为A型单端行波法、C型单端行波法（脉冲信号注入法）和D型双端行波法。行波法最早用于交流线路（包括架空线和电缆）的故障探测[8-10]，其主要特点是测距精度高、适应性强。录波数据分析法利用换流站常规录波器记录到的接地极线路故障数据构造测距函数，进而求解获得故障距离[11-12]。

本文针对双极运行方式下的直流输电系统，将脉冲信号注入法用于接地极线路故障测距，其主要特点在于脉冲信号宽度和极性是可变的。

1 注入脉冲信号传播过程

如图1所示，在直流输电系统中性母线处注入脉冲信号，该脉冲信号将沿接地极线路向接地极方向传播。当接地极线路中存在故障时，故障点F处形成波阻抗不匹配点，注入脉冲在该点将会产生发射和透射，其中反射波向中性母线M端传播，并在到达M端时再次发生反射；透射波向接地极N端传播，到达N端时也会发生反射。

图1 注入脉冲信号在直流接地极线路上的传播示意图Fig.1 Propagation diagram of the injected pulse signal on a grounding electrode line

如果接地极线路不存在故障，则注入脉冲将在到达接地极N端时发生反射。

2 脉冲信号注入法测距原理

脉冲信号注入法属于单端测距法，它通过周期性从直流接地极线路中性母线端注入一个脉冲信号，根据脉冲信号由发射端到故障点之间往返一次的时间来探测接地极线路故障距离。

2.1 故障检测

在直流输电系统中性母线M端安装脉冲信号发生装置。在接地极线路正常运行（无故障）状态下，脉冲信号发生装置在设定的时刻周期性地向接地极线路注入脉冲宽度为t1的单极性脉冲信号，如图2所示。该脉冲信号为正向行波信号，经过接地极N端反射回来的信号为反向行波信号。

图2 接地极线路无故障时注入单极性脉冲信号的传播示意图Fig.2 Propagation diagram of the injected uni-polar pulse signal when the grounding electrode line is in normal state

设注入脉冲信号的发射时刻为tM1，反射波到达测量点M的时刻为tM2，两者之间的时间间隔为Δt，即Δt=tM2-tM1。注入脉冲信号从发射端到反射点之间的距离可以表示为

式中：v为暂态行波在接地极线路中的传播速度。

在接地极线路正常运行情况下，测量端总是经过相同的时间间隔接收到脉冲反射信号，根据式（1）获得的距离对应于接地极线路的全长。

当测量端接收到脉冲反射信号的时间间隔不同于正常情况时，表明反射波不是来自于接地极线路末端的接地极，而是来自于线路上的其它某个位置（即故障点），如图3所示。

图3 接地极线路故障时注入单极性脉冲信号的传播示意图（正常脉冲宽度）Fig.3 Propagation diagram of the injected uni-polar pulse signal when the grounding electrode line is in fault state（under normal pulse width）

可见，通过检测测量端接收到脉冲反射信号滞后于发射信号的时间间隔是否发生变化，即可检测接地极线路是否发生故障。

2.2 故障定位

当检测到接地极线路发生故障时，根据式（1）获得的距离对应于测量端到故障点之间的距离，可以认为是初步的故障测距结果。进一步，通过改变脉冲信号宽度（依次为t1和t1）以及脉冲信号极性（双极性）来探测故障距离，如图4所示。

图4 改变脉冲宽度和极性时的故障测距示意图Fig.4 Fault location diagram in case the pulse width and polarity are changed

2.3 给定最终测距结果

采用上述故障探测方法，可以得到4次故障定位结果。当然，也可以根据实际情况，选择更多的脉冲宽度来探测故障点位置。理论上，每次探测获得的结果应该是相同的。

在实际应用中，考虑到干扰等因素的影响，某次探测结果可能是不正确的。为此，可从所有结果中选取最为接近（偏差在设定的范围内）的几组数据取平均值作为最终测距结果，这就提高了故障测距可靠性。

3 发射脉冲信号的选择

利用脉冲信号注入法对直流接地极线路进行故障测距时，为了提高测距可靠性，必须对发射脉冲信号做出合适选择，主要包括脉冲类型和脉冲宽度的选择。

3.1 脉冲类型

脉冲信号是指在短时间内存在一定幅值的突变后迅速回到其初始状态的波形信号。矩形脉冲因为其信号上升迅速，且可以迅速回到其初始状态，在进行故障测距时，波形不易失真，容易判断反射波波动点，因而在故障位置的判定时容易获得更准确的故障距离。本文选择以单极性和双极性矩形脉冲为例进行测距仿真分析，为直流接地极线路基于脉冲注入信号的故障测距奠定基础。

3.2 脉冲宽度

在选择脉冲时，如果仅从减小测量盲区的角度考虑，发射脉冲宽度越小则越有利于减小测量盲区，但宽度越窄的脉冲信号中含有高频分量越多，信号在直流接地极线路中的传播损耗就越大，可测量的线路长度也就越短，而且信号识别可靠性也随之降低。综合考虑减小测量盲区和提高测距可靠性，本文选择脉冲信号的初始宽度为2n微秒（n为正整数），并且可以二进递减，以达到最佳测距效果。

4 仿真分析

4.1 仿真建模

本文利用电磁暂态分析软件PSCAD建立双极运行方式下的高压直流输电系统仿真模型，如图5所示。其中AC1、AC2为500 kV交流电源，T1、T2为变压器，HB1、HB2为换流桥，D为直流输电线路，C和H构成谐波滤波器。X1、X2为2根平行的架空线路（长度相同），代表接地极线路，其首端并联后连接直流系统中性点，同时带有接地电容；末端并联后经接地电阻R入地。故障点F设在接地极线路X1上，用于故障探测的脉冲信号由一可控脉冲电源产生，并从接地极线路首端（测量端）注入。

图5 高压直流输电系统仿真模型Fig.5 Simulation model of HVDC transmission system

有关参数设置如下：

1）直流输电线路长度400 km；

2）接地极线路长度100 km；

3）接地极线路首端接地电容9.54 nF；

4）接地极线路末端接地电阻0.3 Ω；

5）脉冲电源幅值48 V；

6）仿真计算步长1 μs。

根据仿真计算，求得暂态行波在直流接地极线路中的传播速度为v=298 km/ms。

4.2 测距仿真

4.2.1 无故障状态

在接地极线路无故障状态下，周期性地从线路测量端注入宽度为t1=64 μs的单极性脉冲信号，记录到注入脉冲信号产生的典型暂态波形如图6所示。

图6 接地极线路无故障时注入单极性脉冲信号产生的暂态波形Fig.6 Transient waveform generated by the injected unipolar pulse signal in case the grounding electrode line is in normal state

对图6波形数据进行分析，可计算出脉冲信号发射时刻和反射波到达时刻之间的时间间隔（图中两虚线光标之间的时间间隔）为Δt=670 μs，对应的探测距离为

可见，当接地极线路处于无故障状态时，通过注入脉冲法探测到的距离对应于接地极线路全长。

4.2.2 近距离故障

在接地极线路上设置故障点距离测量端20 km，故障类型为非金属性接地故障，过渡电阻为1 Ω。在测量端注入宽度为t1=64 μs的单极性脉冲信号，记录到注入脉冲信号产生的暂态波形如图7所示。

对图7波形数据进行分析，可计算出脉冲信号发射时刻和反射波到达时刻之间的时间间隔为Δt= 133 μs。

与无故障情况相比，测量端接收到脉冲反射信号滞后于发射信号的时间间隔发生明显变化，表明线路已发生故障。初步故障测距结果为

图8给出了脉冲宽度为32 μs和16 μs时，测量端记录到注入脉冲信号产生的暂态波形，分析获得的故障距离分别为l2=19.67 km和l3=19.82 km。

图9给出了注入双极性脉冲（宽度32 μs）时，测量端记录到注入脉冲信号产生的暂态波形，分析获得的故障距离为l4=19.82 km。

图7 接地极线路20 km处故障时注入单极性脉冲信号产生的暂态波形（正常脉冲宽度）Fig.7 Transient waveform generated by the injected uni-polar pulse signal in case a fault occurs on the grounding electrode line，20 km away from the measurement point（under normal pulse width）

图8 接地极线路20 km处故障时注入单极性脉冲信号产生的暂态波形（不同脉冲宽度）Fig.8 Transient waveform generated by the injected uni-polar pulse signal in case a fault occurs on the grounding electrode line，20 km away from the measurement point（under different pulse width）

以上4次故障测距结果非常相近，可取平均值作为最终测距结果：

图9 接地极线路20 km处故障时注入双极性脉冲信号产生的暂态波形Fig.9 Transient waveform generated by injected bipolar pulse signal in case a fault occurs on the grounding electrode line，20 km away from the measurement point

4.2.3 远距离故障

在接地极线路上设置故障点距离测量端70 km，故障类型为非金属性接地故障，过渡电阻为1 Ω。在测量端注入宽度为t1=64 μs的单极性脉冲信号，记录到注入脉冲信号产生的暂态波形如图10所示。

图10 接地极线路70 km处故障时注入单极性脉冲信号产生的暂态波形（正常脉冲宽度）Fig.10 Transient waveform generated by injected unipolar pulse signal in case a fault occurred on the grounding electrode line，70 km away from the measurement point（under normal pulse width）

对图10波形数据进行分析，可计算出脉冲信号发射时刻和反射波到达时刻之间的时间间隔为Δt= 469 μs。

与无故障情况相比，测量端接收到脉冲反射信号滞后于发射信号的时间间隔发生明显变化，表明线路已发生故障。初步故障测距结果为

图11给出了脉冲宽度为32 μs和16 μs时，测量端记录到注入脉冲信号产生的暂态波形，分析获得的故障距离分别为l2=69.73 km和l3=70.03 km。

图11 接地极线路70 km处故障时注入单极性脉冲信号产生的暂态波形（不同脉冲宽度）Fig.11 Transient waveform generated by the injected uni-polar pulse signal in case a fault occurs on the grounding electrode line，70 km away from the measurement point（under different pulse widths）

图12给出了注入双极性脉冲（宽度32 μs）时，测量端记录到注入脉冲信号产生的暂态波形，分析获得的故障距离为l4=70.03 km。

图12 接地极线路70 km处故障时注入双极性脉冲信号产生的暂态波形Fig.12 Transient waveform generated by the injected bipolar pulse signal in case a fault occurs on the grounding electrode line，70 km away from the measurement point

以上4次故障测距结果非常相近，可取平均值作为最终测距结果：

4.2.4 仿真结果统计

表1中给出了直流接地极线路上6个不同地点发生非金属性接地故障时，根据注入脉冲法获得的最终测距结果。可以看出，注入脉冲法的测距误差可以达到300 m以内。

表1 仿真结果统计Tab.1 Statistics of simulation results km

5 结语

本文针对双极运行方式下的高压直流输电系统，提出一种利用脉冲注入信号的接地极线路故障测距方法，即根据测量端接收到脉冲反射信号滞后于发射信号的时间间隔发生变化，判断接地极线路发生故障，进而通过改变脉冲信号宽度和脉冲极性探测故障点位置。

直流输电系统在双极运行方式下，接地极线路故障本身产生的暂态行波信号较为微弱，难以可靠检测。而应用脉冲信号注入法在线探测接地极线路故障测距，不仅能够提高检测灵敏性，还可以通过改变脉冲宽度和脉冲极性，对故障点进行多次探测，因而大大提高了故障测距的可靠性和准确性。

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（编辑 李沈）

Fault Location of Grounding Electrode Lines of HVDC System Based on Injected Pulse Signals

ZHANG Yining1，HAO Hongmin2，LI Jing2，3，LI Luzhao3
（1.M&T Center，CSG EHV Power Transmission Company，Guangzhou 510633，Guangdong，China；2.Smart Grid Research Center，Shandong University of Technology，Zibo 255000，Shandong，China；3.Shandong Kehui Power Automation Co.，Ltd.，Zibo 255087，Shandong，China）

In this paper，the external injected pulse signal’s propagation process in the grounding electrode lines of highvoltage direct current（HVDC）transmission system in bipolar operation mode is analyzed.On this basis，a fault location method for grounding electrode lines is presented using injected pulse signals.This method is to detect line faults by injecting pulse signals at the beginning of the grounding electrode lines periodically.After the line fault is determined，the fault location is detected by changing the width and polarity of the injected pulse signal.Finally，the fault location result is obtained in the form of the average value.On the PSCAD/EMTDC simulation platform，the bipolar HVDC transmission system simulation model is built for fault location analysis of grounding electrode lines built.Using MATLAB to process the simulation waveform data，it is indicated that the proposed fault location method is feasible.

HVDC transmission；grounding electrode lines；pulse injection method；fault location

2016-04-12。

张怿宁（1973—），男，博士，教授级高级工程师，主要从事超高压交、直流输电系统自动化，故障测距，继电保护与控制的研究、仿真和检修工作；

郝洪民（1991—），男，硕士，研究方向为电网故障监测与定位；

李 京（1967—），男，硕士，工程技术应用研究员，研究方向为电网故障监测与定位。

南方电网云南金沙江中游电站送电广西直流输电工程专题研究项目（010000WS24130002）；南方电网超高压输电公司重点科技项目。

Project Supported by the Special Research Project for Power Transmission from Yunnan Jinshajing River Middle Reach Station to Guangxi Project（010000WS24130002）；Key Science and Technology Program of CSG EHV Power Transmission Company.

1674-3814（2016）12-0063-06

TM77

A