本文是一篇工程硕士论文，本文通过深入分析行波理论基础，研究了故障行波在线路中的传播特性和行波法故障定位影响因素的作用机理，基于此提出了改进后的行波测距方法。
1绪论
1.1课题研究背景及意义
随着社会经济的快速发展，人们对电力需求日益增长，而我国能源分布与用电负荷中心呈逆向分布，这就需要大量建设可以远距离、大容量输送电能的高压直流输电线路[1]。与交流输电相比，直流输电具有许多优异特性。例如，同等电能输送容量情况下，直流输电工程中运行成本远低于交流输电工程，且输送距离越远，经济效益越好；直流输电系统可以实现对有功功率和无功功率的独立控制，同时可以实现潮流反转，具有灵活的控制性；交流输电系统中存在换相失败、功角稳定以及无功补偿等问题，这些因素都极大影响了电网的安全稳定运行，而直流输电系统中则不存在这些问题[1-4]。直流输电系统的可控性以及在远距离大容量传输电能时所具有的巨大优势，使得直流输电系统当前被广泛运用在电网中。
直流输电线路是直流输电系统的重要组成部分，承担着输送电能的重任，关乎着电力系统运行安全。但由于直流输电线路跨越区域非常大，沿线环境复杂，在运行过程中时常会发生故障。有关数据表明，直流输电系统发生的故障50%以上来自于输电线路，尤其是我国东南沿海地区受恶劣天气影响，直流输电线路故障频发[5]。事实上，绝大部分情况下直流输电线上的故障以瞬时性故障为主，但如若故障没有得到及时处理，则会变成永久性故障。而一旦产生永久性故障时，必将对直流输电系统造成巨大的冲击，造成停电事故，严重危害电网安全。所以，快速、精确定位直流输电线路上的故障位置并及时对其检查排除，对维护电力系统安全和稳定有着十分重要的意义[6-8]。
1.2国内外研究现状
目前，直流输电线路的故障定位多以描述线路电气特征量的分布参数方程为基础，从空间、时间、频率三个方面进行分析，主要分为故障分析法、行波法和固有频率法[11]。近些年来，随着大数据以及人工智能技术的广泛应用，利用神经网络、专家系统、模糊理论等智能算法的故障测距方法也逐渐发展起来，但这些方法尚处于研究阶段，少数运用于实际工程中[12]。下列分别对以上四种故障测距方法进行简单介绍，并总结了相关方法的国内外研究成果。
（1）故障分析法
故障分析法原理是根据故障后线路上测得的电压电流信息与线路已知参数来建立关系方程，然后通过对其进行求解来计算故障点位置。根据测得的电气量源端口不同，故障分析法可以分为单端分析法和双端分析法。其中，单端分析法主要有阻抗法、电压法和解方程法[13-15]。阻抗法是通过单端测得的故障电气量来求取故障回路阻抗，然后根据线路长度和阻抗的关系对故障距离进行求解。解方程法原理同阻抗法一致，都是利用单端故障电气量和系统参数间的关系来建立测距方程，然后解方程得到故障距离。电压法是通过计算沿线分布电压，根据电压的分布特征，寻找电压的极值点即为故障点。双端分析法可分为两端电流两端电压法和两端电流一端电压法，它与单端分析法的区别在于，由于利用两端测得的电压电流信息进行测距方程构建，可以在原理上完全消除过渡电阻的影响，但对两端数据要求高度同步[16]。随着国内外学者不断深入研究，一些关于故障分析法的改进算法相继被提出。文献[17]根据故障点的电压相等原理，在基于分布参数模型的基础上利用线路两端的电气量分别计算沿线电压的分布，从而确定故障点位置，计算便捷。文献[18]提出将故障分量微分方程与故障状态时微分方程联立，从而求解故障距离。文献[19]构造了一个故障距离的判别函数式，通过计算该函数的最小值点来计算故障位置。文献[20]基于故障点的过渡电阻方差最小的原则，通过计算沿线过渡电阻最小值来确定故障位置。
2故障行波传播特性的研究
2.1行波的基本理论
2.1.1故障行波的产生
直流输电线路发生故障时，故障点将会出现突变电压，该突变电压在故障点处将产生向输电线路两端传播的电压暂态行波和电流暂态行波。该故障过程可以看作是正常负荷状态分量和故障状态分量的叠加，图1（a）为线路故障图，图1（b）是图1（c）与图1（d）的叠加，与图1（a）等效，图1（c）为正常负荷状态分量，图1（d）是故障状态分量。鉴于正常负荷状态对行波故障定位没有影响，我们仅分析故障状态分量的情况。图1（d）中，故障状态分量作用时两侧交流系统电源电动势可等效为零，故障点处产生一个与正常负荷状态时大小相等方向相反的电动势，由此电动势激励产生了向线路两端传播的故障电压和故障电流暂态行波，通过提取分析这些暂态行波，我们能得到大量的故障信息。
2.2相模变换
双极直流输电系统是目前应用最广泛的直流系统，其输电线路可看作是正极负极两条输电线构成，线路之间存在电气耦合。当一条线路上发生故障时，其产生的故障电压电流将会影响相邻非故障线路的电气量，同时非故障线路上的电压电流也将反过来影响故障线路上的电气量，导致故障线路上的电压电流不具有独立性，给我们分析故障行波的传播特性带来了困难。因此，必须对线路进行解耦计算。图5为双极直流输电系统模型图。
零模分量和线模分量因其传播路径的不同，它们在输电线路中的传播特性也存在较大差异。线模分量只沿着正负极线之间构成的回路上传输，零模分量只在大地和极线之间传输。由于零模分量流经大地，受干扰因素较多，所以零模分量比较不稳定，衰减比较快；而线模分量比较稳定，抗干扰能力强，所以一般采用线模分量进行故障定位[64]。
架空直流输电线路长度一般跨越几百千米，对于这种远距离输电线路的分析我们采用分布参数模型。输电线中的参数不仅受实际环境因素影响，同时与线路中的行波频率存在联系。不同频率分量的故障行波对线路参数的影响不同，而实际线路的参数又会对行波波速产生变化，导致行波波速也随频率的变化而变化[10]。
3 基于VMD-PE的故障行波波头检测与定位 .................... 22
3.1 变分模态分解(VMD) ....................... 22
3.1.1 基本原理 .............................. 23
3.1.2VMD 与 EMD 分解效果对比 ........................... 25
4 基于行波模量传输时差的故障定位研究 ........................ 48
4.1 基于线模零模传输时差的双端故障定位算法原理 .................... 48
4.2 考虑线路弧垂和行波波速影响的改进算法 ...................... 50
5 总结与展望......................... 66
5.1 总结 .................................. 66
5.2 展望 ................................... 67
4基于行波模量传输时差的故障定位研究
4.1基于线模零模传输时差的双端故障定位算法原理
直流输电线路发生短路接地故障时产生的故障电流电压行波可分为线模量和零模量，由于二者模量之间存在传播特性的差异，所以同一故障点产生的故障行波线模分量和零模分量到达线路同一端的时间不同。利用两者模量到达线路同一检测点的传播时间差进行故障测距，可以不需要双端时钟信号保持校对同步[78-79]。如若假设在全长为L的直流输电线上有一处F点发生短路接地故障，A、B分别为线路两侧的故障行波检测点，其中检测点A记录到的故障行波线模分量波头到达时刻为TA1，零模分量波头到达时刻为TA0，检测点B记录的故障行波线模分量波头到达时刻是TB1，零模分量波头到达时刻是TB0。设故障行波零模分量波速为V0，线模分量波速为V1，则它们传播过程如图35所示。
5总结与展望
5.1总结
随着越来越多的新能源并网，由此带来的接收和消纳问题日益增多，以及我国能源分布和用电负荷中心呈逆向分布的结构，直流输电作为解决这些问题的关键技术开始迅速发展。因此，有关直流输电的故障定位问题也愈加被重视。作为直流输电系统的重要组成部分，直流输电线路承担着传输电能的重任，同时也是电网中的故障高发区段，快速准确定位输电线路中的故障位置对电网的安全稳定运行有着重要意义。本文通过深入分析行波理论基础，研究了故障行波在线路中的传播特性和行波法故障定位影响因素的作用机理，基于此提出了改进后的行波测距方法。对全文工作的总结如下：
（1）简单介绍了直流输电网的应用背景，并分析了当前直流输电线路故障定位的研究现状，针对目前行波法所存在的缺陷提出了一些意见。
（2）基于行波传输理论，研究了故障行波的产生原理以及折反射规律，通过行波波动方程的理论推导，揭示了行波衰减和变波速的变化特性，由此得出了行波幅值和波速受传播距离影响明显的结论，为下来的行波故障测距算法的改进提供理论依据。
（3）故障行波波头的检测定位是行波法定位成功与否的决定性因素，同时精准有效的波头检测定位方法可以大大提高故障测距精度。本文通过结合VMD信号分解法和排列熵值法，提出了一套新的信号奇异性检测方法。同时，为了使该检测方法具有更好的适应性，分别对VMD法和PE法中的参数进行调优以达到最佳检测效果。通过一系列仿真实验，结果表明本文所提的基于VMD-PE的波头检测方法具有良好的信号奇异性检测能力，对比其他波头检测方法，其定位准确性高、稳定性强，用于故障测距中可以大大提高测距精度。
参考文献（略）
