第一章 绪论

1.1 研究背景与意义

随着我国社会经济的不断发展，“西电东送”战略得到了全面推进，直流输电以其良好的经济效益和独特的技术优势在这一过程中扮演了重要角色[1-3]。直流输电容量占送端和受端电力系统容量的比值不断攀升，预计到 2020 年我国将建成直流输电工程 50余项。单项直流输电工程额定容量总体上也呈现逐渐增大的趋势，我国第一项直流输电工程舟山直流双极额定容量为 100MW，新近投入运行的糯扎渡直流输电工程双极额定容量已经达到 5000MW。大容量的直流输电系统一旦发生故障闭锁将给两端交流系统带来强烈冲击，若故障得不到及时清除甚至可能引发多回直流相继闭锁，进而导致大面积停电事故[4-8]。输电线路故障是直流输电系统最常见的故障类型之一，约占全部直流输电系统故障的 50%。然而，工程统计表明，直流线路保护的正确动作率只有 50%左右，有近一半的直流线路故障由控制系统动作闭锁直流输电系统，引起不必要的直流停运[9-10]。科研工作者和工程运行人员进行了大量的直流线路保护优化与设计工作，但是直流线路保护不正确动作情况仍然时有发生，给整个电网的安全稳定运行带来不利影响。直流线路故障分析是直流线路继电保护研究的基础。目前，直流线路故障分析主要基于数值仿真方法进行[11-15]。利用 EMTDC、RTDS 等数值仿真软件，对给定条件下的直流线路故障进行仿真计算，从故障电气量的仿真曲线中分析提取故障电气特征。数值仿真能够得到详细、准确的故障电气量曲线。然而，当采用数值仿真方法研究故障电气量的变化特性时，只能基于反复试验的研究模式，通过设定不同的自变量进行穷举计算。数值仿真不可避免地存在计算量和数据量过于庞大的问题，并且使得故障电气量的一般变化规律以及行波色散、控制系统等的作用机理和效果淹没于海量的数值仿真之中。

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1.2 研究现状及存在的问题

直流线路故障分析最初采用解析方法和模拟的暂态网路分析仪（Transient NetworkAnalyzer, TNA）进行。随着电子计算机技术的发展，数值仿真方法以精确、方便、直观等优势逐渐成为直流线路故障分析的主要手段。直流输电系统包含各种集中参数和分布参数元件，集中参数元件包括电阻、电感和电容等，分布参数元件包括直流输电线路、接地极线路等。根据集中参数元件和分布参数元件的模型不同，数值仿真方法主要包括网格法和贝瑞隆法[38-39]。网格法用一定长度和波阻抗的分布参数线段来近似等值集中参数的储能元件电感和电容，将直流输电系统转化为一个只包括分布参数线段、电阻元件和电源的网络。在此基础上，根据故障行波沿直流线路的传播特性，计算故障行波在每个节点的折反射系数，将每一时刻节点上的各次折反射行波进行叠加得到该节点的故障电气量波形[40-42]。贝瑞隆法从 20 世纪 60 年代开始出现。与网格法恰好相反，其用一个集中参数的二端口网络近似等值分布参数线路，将储能元件电感和电容等值为电阻性的计算电路，直流输电系统转化为一个只包括电阻元件和电源元件的网络[43]。求解这一电阻性网络即可得到节点故障电气量的波形。由于直流线路故障后，最为关心的是实际故障电气量的变化特征，具体行波传输过程和各次行波分量并不重要，因此贝瑞隆法在直流线路故障分析中得到了广泛采用。

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第二章 直流输电系统线路故障解析建模

2.1 引言

仿真法是当前直流输电系统故障分析的主要方法，常用的直流输电数值仿真软件有EMTDC、EMTP、RTDS 等。经过近 50 年的发展，这些仿真软件已经具备了成熟的模型和算法，作为一种测试和验证工具，它们具有卓越的性能。然而，当利用数值仿真进行开创性研究时却遇到了诸多困难，因为数值仿真主要基于反复试验的研究模式，对于不同的系统结构、故障条件等需要逐一进行仿真，不可避免地存在信息灾的问题。解析法由于具有明确的表达式，能够深入地分析故障电气量的结构组分、变化规律、参数灵敏性等，具有更高的分析效率并且所得结论更加可靠。因此，研究直流输电系统线路故障的解析模型以及解析分析方法具有重要意义。解析模型是解析分析方法的基础，国内外学者进行了大量的直流输电系统故障解析模型研究。由于输电线路的频变参数特性、直流控制的强非线性、相连交流系统动态行为的复杂性等，得到精确的直流输电系统解析模型几乎是不可能的，必须根据研究问题需要对直流输电系统进行一定假设。然而，目前为止尚无直流输电系统线路故障解析模型的相关报道，已有的直流输电系统解析模型也不适于直流线路故障研究。综上所述，研究直流输电线路故障解析模型既具有开拓性也具有必要性。本章将在分析直流输电系统线路故障暂态过程的基础上，推导单极直流输电系统和双极直流输电系统线路故障的解析模型，提出直流输电系统线路故障解析模型的分析方法，为直流输电系统线路故障解析和线路保护解析分析奠定基础。

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2.2 直流输电系统线路故障暂态过程

直流输电线路一般较长，具有典型的分布参数特性。线路故障后故障点电压发生突变，这一突变以行波形式沿直流输电线路在两端换流站以及故障点之间来回传输。图 2-1所示为线路故障后的行波过程示意图，其中 Rec 和 Inv 分别表示整流站和逆变站系统；f 点为故障点；网格的纵向表示故障时间，横向表示故障距离。由故障点产生的故障行波沿直流输电线路向整流站和逆变站传播，分别记为R1B 和I1B ；R1B /I1B 到达整流站/逆变站受到平波电抗器、直流滤波器等的反射，形成反射波R1F /I1F 流向故障点；R1F /I1F 到达故障点后，将同时发生反射和折射，反射波R2B /I2B 再次流向整流站/逆变站，折射波ITR1B /RTI1B 流向对端换流站。故障行波的传播过程一直持续下去，经过一段时间后，在给定时刻将有多个故障行波流过线路上的同一点，这些行波相互叠加形成了该点的故障电气量。值得注意的是，由于直流输电线路是有损线路并且线路参数具有频变特性，故障行波在传播过程中不可避免地会发生衰减和畸变，输电线路越长衰减和畸变越严重，在具体故障暂态求解过程中应当予以合适处理。

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第三章 考虑行波色散和直流控制的直流线路故障解析....28

3.1 引言........ 28

3.2 直流线路故障解析的基本原理...... 29

3.3 行波色散和直流控制的等值模型........ 32

3.4 考虑行波色散和直流控制的直流线路故障解析........ 37

3.5 直流线路故障关键影响因素的解析分析........ 44

3.6 本章小结...... 47

第四章 直流线路保护的解析分析方法........49

4.1 引言........ 49

4.2 电压变化率判据的解析分析方法........ 49

4.3 电压变化量判据的解析分析方法........ 53

4.4 电流变化量判据的解析分析方法........ 56

4.5 本章小结...... 59

第五章 基于高频采样的新型直流线路行波保护....61

5.1 引言........ 61

5.2 行波保护的灵敏性分析...... 61

5.3 基于高频采样的行波保护方案...... 64

5.4 保护动作特性分析........ 67

5.5 本章小结...... 72

第七章 基于宽频信息的直流线路故障测距研究

7.1 引言

行波测距是高压直流输电系统普遍采用的线路故障定位技术，其精确度主要取决于波头检测和行波波速的选择。随着小波理论、数学形态学等先进的奇异点检测技术的引入，波头检测得到了很大改善；然而，色散效应带来的行波变波速特性使得波速选择问题一直未得到很好的解决，造成行波测距结果精确度较低，对运行工况和故障条件的适应性差，给直流输电的故障恢复和可靠运行带来了挑战。目前行波测距装置的采样频率可达到 1MHz，能够提供 0~500kHz 的宽频故障信息。而现有测距算法所利用的频带宽度只有零到几十千赫兹，大量的宽频故障信息没有得到充分利用。另一方面，目前测距装置一般采用单一固定波速进行测距计算，实际上也只利用了频率信息中的单频量，没有准确反映由于色散效应产生的行波波速变化特性。本章在对故障行波变波速特性进行深入研究的基础上，揭示了其与宽频故障信息、故障特征之间的内在联系，提出了基于宽频故障信息的行波测距变波速处理方案，有效提高了现有测距算法的测距精度。进一步地，将该方案与模量传输时间差原理相结合，提出了新型的单端故障测距算法，由于其无需检测故障行波的第二波头，因此具有较强的实用性和可靠性。在 EMTDC 环境下，以天广直流系统为背景进行了仿真分析，相关结果验证了所提测距方法的有效性和实用性。

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结论

本文建立了直流输电系统线路故障解析模型，提出了考虑行波色散和直流控制的直流线路故障时域解析计算方法，揭示了过渡电阻等关键因素对直流线路故障暂态的影响机理。基于直流线路故障解析，提出了直流线路保护的保护特征量解析计算方法，引入可靠系数和灵敏系数等进行了直流线路保护整定与性能分析。研究了直流线路故障检测技术，提出了新型的直流线路保护方案与故障测距方案。本文的主要研究结论包括：

（1）提出了直流输电系统线路故障解析模型。将分布参数的直流输电线路用集中参数的贝瑞隆模型进行等效，可以方便地与直流端设备模型、故障端口模型等进行接口。将换流器以及交流系统用一个暂态电压源进行等效，暂态电压源的具体形式与控制作用、故障条件等密切相关。故障端口电路表示为电压源与过渡电阻的串联，其中电压源由稳态情况下的故障点电压和换流器暂态在故障点产生的电压两部分组成。所得到的直流线路故障解析模型是一个集中参数网络，可以采用经典电路理论进行网络求解。

（2）首次提出了考虑行波色散和直流控制的直流线路故障解析计算方法。基于故障行波的衰减和畸变特征研究，提出采用惯性环节对解析模型中的行波色散进行等值；基于直流控制对线路故障的响应规律研究，提出采用比例积分环节对解析模型中直流控制进行等值。行波色散和直流控制等值，在保留关键故障电气特征的基础上实现了直流线路故障电气量的时域解析。对直流线路末端短路、平波电抗器阀侧短路等典型故障情况下的故障电气量进行求解并与 PSCAD/EMTDC 仿真结果进行比对，验证了解析计算方法的有效性。

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参考文献（略）