基于主动脉冲的MMC_HVDC单极接地故障测距

电工技术学报

TＲANSACTIONSOFCHINAELECTＲOTECHNICALSOCIETY

Vol.32Jan．No.12017

HVDC基于主动脉冲的MMC-单极接地故障测距

王

帅

毕天姝

贾

科

北京

102206）

（新能源电力系统国家重点实验室（华北电力大学）

摘要

HVDC）故障恢复至关重准确可靠的故障测距技术对模块化多电平柔性直流输电系统（MMC-

要。通过分析MMC子模块控制特性，提出基于子模块控制的MMC主动式脉冲产生原理，进而通过检HVDC单极接地故障测距测脉冲发出时间和反射脉冲到达监测点的时间，提出基于主动式脉冲的MMC-方法。针对脉冲到达时刻的精确检测问题，采用基于二分递推奇异值分解（SVD）的脉冲到达时刻检测HVDC主动式脉冲故障测距方法；进一步利用主动式脉冲方法进行在线波速的测定，最后给出了MMC-的流程。该主动式脉冲单端测距方法利用换流器子模块产生脉冲，不需要额外增加设备，并且不受过渡电阻影响，可多次进行测量，提高了故障检测的准确度和可靠性。仿真结果表明单端主动式脉冲HVDC线路的单极接地故障进行准确定位，提高了单端测距的可靠性和准测距方法能够对MMC-确度。

关键词：模块化多电平柔性直流输电中图分类号：TM77

故障测距

主动式脉冲

二分递推奇异值分解

SingleTerminalFaultLocationforMMC-HVDCTransmission

LineUsingActivePulse

WangShuai

BiTianshu

JiaKe

China）

（StateKeyLaboratoryofAlternateElectricalPowerSystemwithＲenewableEnergySources

NorthChinaElectricPowerUniversity

Abstract

Beijing102206

Faultlocationtechnologyplaysanimportantroleinfaultrecoveryofmodularmultilevelconverterhigh

voltagedirectcurrent（MMC-HVDC）system．ActivepulsegenerationprinciplebasedonsubmodulecontrolisproposedbyanalyzingthecharacteristicsofMMCsubmodule．Andthenasingleterminalfaultlocationmethodusingactivepulseisproposedinthispaper．Meanwhiledichotomizingrecursionsingularvaluedecomposition（SVD）isusedtodetecttheaccuratearrivaltimeofactivepulse．Inordertoreducetheimpactoftheactivepulsetravelingspeedonfaultlocation，activepulsemethodisutilizedtodetectthetravellingspeedoftheactivepulse．Theproposedactivepulsemethoddoesnotrequireadditionalequipmentandthemethodisnotinfluencedbytransitionresistance．Faultlocationcanberepeatedsincethepulsecanbesentrepeatedly．ThesimulationresultsshowthattheproposedmethodcanlocatethegroundingpointofMMC-HVDCandthereliabilityandaccuracyareimproved．

Keywords：ModularmultilevelconverterHVDC，faultlocation，activepulse，dichotomizingrecursionsingularvaluedecomposition

国家重点基础研究发展计划（973计划）（2012CB215206）和高等学校学科创新引智计划（B08013）资助项目。

11-27改稿日期2016-10-10收稿日期2015-

第32卷第1期王帅等HVDC单极接地故障测距基于主动脉冲的MMC-

13

0引言

近年来，模块化多电平柔性直流输电技术

线路电压Udc不变，只是接地极电压变为0，非接地极电压升高为原来的2倍。此时，由任意一端MMC换流器发出电压脉冲，电压脉冲以波速v向线路传播，在故障点A反射后再传播到换流器。通过检测脉冲发出时间和反射脉冲到达检测点的时间，可得出故障距离l为

l=

（t2－t1）v

2

（1）

2］

（ModularMultilevelConverterHVDC，MMC-HVDC）［1，

由于控制灵活、损耗小而得到广泛关注。故障测距是MMC-HVDC故障后恢复运行的关键环节。MMC-HVDC直流线路发生单极永久故障后，需要依靠故障测距技术精确定位接地点，从而及时修复线路，恢复系统正常运行。

MMC-HVDC系统的故障测距可借鉴直流输电系统的测距方法。直流输电系统的故障测距方法主要有故障分析法和被动式行波测距法。故障分析法

［3，4］

式中，t1为主动式脉冲通过监测点的时刻；t2为脉冲反射波通过监测点的时刻；v为脉冲行波的传播速度。

利用

直流线路模型和参数，结合故障后的电压、电流等电气量列写方程，计算故障距离，其测距精度易受故障电阻、线路参数等因素影响。

被动式行波测距

［5-7］

图1

Fig.1

主动式脉冲测距原理

通过检测故障行波到达测距装

Faultlocationprincipleusingactivepulse

置的时间来计算故障距离，理论上不受线路参数、故障初始时刻的影响。然而，故障行波易受随机性干扰和随机误差的影响，同时，故障行波因在线路中发生折射和反射而迅速衰减，无法多次测量，影响了行波测距的精度。

影响被动式行波测距精度的另一项因素是行波到达时刻的检测。文献大多采用小波极大值理论来确定行波到达时刻

［8-10］

本文提出的主动式脉冲测距方法有3个关键问题：①MMC主动式脉冲产生原理；②脉冲到达时刻的精确检测；③主动脉冲传播速度的确定。下面依次进行论述。

2

2.1

基于子模块控制的MMC主动式脉冲产生

方法

主动式脉冲产生原理及控制方法

MMC-HVDC模块可控性是其产生主动式脉冲的前

，但是当采用Mallat快速算法或者

［11-13］

小波基选取不当时，小波变换在各尺度上对时间点的标定不一致，存在偏移

。

针对被动式行波测距方法不能重复测距的缺点，HVDC子模块控制特性，本文提出基于子结合MMC-模块控制的MMC主动式脉冲产生原理，进而通过检测脉冲发出时间和反射脉冲到达监测点的时间，提出HVDC的主动式脉冲单端行波测距方法，适用于MMC-可进行多次测距。针对脉冲到达时刻的精确检测问题，采用基于二分递推奇异值分解（SingularValueDecomposition，SVD）的脉冲到达时刻检测方法；进一步利用主动式脉冲方法进行在线波速的测定，最后给HVDC主动式脉冲故障测距的流程。仿真结出MMC-HVDC线果表明单端主动式脉冲测距方法能对MMC-路的单极接地故障进行准确定位。

HVDC采用模块化多电平设计，如图2所提。MMC-示。MMC桥臂由子模块组成，直流线路的电压Udc由子模块中的电容电压Uc来维持，控制系统通过控制子模块的工作状态来维持直流电压恒定。

1MMC-HVDC主动脉冲单极接地测距方法

MMC-HVDC主动式脉冲测距方法基于本文提出的

MMC主动式脉冲产生原理。测距原理如图1所示。直HVDC的流线路A点发生单极永久接地故障后，MMC-小电流接地方式使得其控制系统仍能继续运行，直流

图2Fig.2

MMC换流器结构TopologyofMMCconverter

14电工技术学报2017年1月

设每个桥臂中的子模块数量为N，构成N+1电平的MMC，则直流电压Udc可表示为

Udc=npUc+nnUc=（np+nn）Uc

下桥臂投入状态的子模块数量。

在MMC的控制中，上桥臂处于导通状态的子模块数量和下桥臂处于导通状态的子模块数量互补，即

np+nn=N

因此直流电压可表示为

Udc=NUc

（4）

图4Fig.4

子模块脉冲产生方法ActivepulseproducedbySM

（2）

式中，np为上桥臂投入状态的子模块数量；nn为相应

（3）

处于工作状态的子模块有投入和旁路两种工作状态，如图3所示。控制IGBTVT1和VT2的开通和关断可切换子模块的工作状态。投入状态如图3a所示，此时VT1导通VT2关断，电流流过子模块电容，子模块输出电压为电容电压Uc。旁路状态如图3b所示，此时VT1关断VT2导通，电流不流过子模块电容，子模块输出电压为0，即子模块输出电压USM为

产生脉冲的子模块的电压为

USM=

{Uc0

t≤t1或t≥t2t1＜t＜t2

（6）

MMC换流器向直流线路产生主动式脉冲原理如图5所示。图5中，由一相桥臂的子模块在投入状态

（5）

中切出一小段时间，此相桥臂的电压会在短时间出现一个电压跌落，此电压跌落会沿着线路传播，相当于向线路发出一个低压脉冲。

{USM=UcUSM=0

T1导通，T2关断T1关断，T2导通

图3Fig.3

子模块工作状态WorkstatesofSM

直流电压直接由子模块数量决定，因此减少或增加子模块导通的数量，使得投入状态的子模块数量大于N或者小于N，就可以使直流电压增加或减小。这时在短时间内恢复子模块的正常控制，则实质上会产生一个向上或向下的电压脉冲。如果脉冲的持续时间非常短，控制系统中积分环节的存在使得脉冲产生的过程对控制系统的影响非常小。因而可以在不破坏正常功率传输的情况下人为的制造电压脉冲。

子模块脉冲产生方法如图4所示，子模块正处于导通状态，在t1时刻，改变VT1、VT2的触发状态，使子模块的电压从Uc变为0。在t2时刻，再次改变VT1、VT2的触发状态，使子模块的电压从0变为Uc。如果t1到t2的时间比较短，则可以产生一个向下的电压脉冲。

图5Fig.5

MMC产生主动式脉冲原理ActivepulseproducedbyMMC

主动式脉冲的陡度和持续时间都可以通过控制子模块切入/切出进行调节。脉冲的陡度主要由脉冲下降时间Td和脉冲幅值Upulse决定，其中Td设置为最小的控制间隔（控制系统最小控制周期），而脉冲幅值Upulse可通过控制切出子模块数量Npulse来决定。若要在直流线路产生幅值为Upulse的脉冲，则根据三相桥臂电容并联特性，Npulse应为6NUpulse/（Udc+4Upulse），脉冲持续时间Tpulse可通过控制子模块切出后旁路时间长短来调整。

对于脉宽调制（PMW）的MMC，各子模块工作状态由载波和调制波共同决定，因此首先要检测产生脉

第32卷第1期王帅等HVDC单极接地故障测距基于主动脉冲的MMC-

15

冲的桥臂的子模块工作状态，从处于导通状态的子模块中选出Npulse个子模块来产生主动式脉冲。由于在脉冲持续时间Tpulse内子模块工作状态可能改变，所以应随时监测子模块状态，替换符合要求的子模块。而对于最近电平逼近调制（NLM）的MMC，只需在脉冲持续时间Tpulse内，使产生脉冲的桥臂的导通子模块总数量为np+nn－Npulse即可。

短，采集环节可能由于采样率低而检测不到脉冲信号。实际应用时可根据MMC控制特性和采集系统参数来确定。本文算例中设定Tpulse=0.1ms。

3主动式脉冲到达时间检测

本文提出的主动式脉冲单端测距原理基于行波传

播原理，脉冲到达时间点的精确检测十分重要。本文采用二分递推SVD

［14，15］

2.2适用于测距的主动式脉冲参数选取

应用主动式脉冲实现故障测距需要选取合适的脉

进行脉冲到达时间检测。二分

递推SVD具有类似小波变换的多分辨分解特性，并且由于各分解层是简单的线性叠加，故而不同分解层上对波头时刻的检测结果不发生偏移，可实现波头到达时刻的精确测量。

HVDC直流线路电压信号序列U=设MMC-［u（1），u（2），…，u（N）］，为检测信号的突变点，构建电压信号序列的重构吸引子矩阵（Hankel矩阵）并进行奇异值分解处理后可得

U=U1+U2

（7）

冲参数，其中脉冲陡度和持续时间是影响测距效果的关键参数。确定脉冲陡度和持续时间主要考虑两个方面的因素：①产生的脉冲及其反射波易于检测；②产生的脉冲不会给MMC控制系统和设备带来危害，同时也不会给电网带来过大的扰动。

1）主动式脉冲陡度的确定。

脉冲的陡度由脉冲幅值Upulse和下降时间Td决定，对于测距来说，Td越小、Upulse越大，越容易准确检测出脉冲到达时间，然而又必须保证产生的脉冲不对系统造成不良影响。

对于Td，主动式脉冲在线路中传播时，脉冲的波头会因为色散效应产生畸变，使得波头斜率变缓，Td变大，同时，采集环节对阶跃信号会产生延时，也会导致采集到的脉冲信号的Td变大，不利于脉冲到达时间的检测。因此，用于测距的脉冲下降时间应尽可能小。本文设置Td为最小的控制间隔，这样在脉冲反射波到达时，可以减少色散效应和采集环节等因素对波头检测的影响，正确检测到脉冲到达时间。

而Upulse的设置应考虑直流线路电压。Upulse应大于直流线路电压的正常波动和谐波，以便在直流电压信号中准确地检测出主动式脉冲及其反射波。同时UpulseHVDC系统的控制和设备带不应太大，以免给MMC-来太大影响。Upulse的确定也应考虑线路衰减作用，线路长度越长，线路对主动脉冲幅值的衰减作用越大，应该相应地增加Upulse。综合考虑，线路长度较短时，建议主动式脉冲的幅值为直流线路电压的10%～15%；线路长度较长时，建议主动式脉冲的幅值为直HVDC流线路电压的15%～20%。本文算例中MMC-系统电压等级为±200kV，线路长度200km，设置主动式脉冲幅值为20kV。

2）主动式脉冲持续时间的确定。

若脉冲持续时间Tpulse太长，则一方面可能导致MMC控制系统响应主动式脉冲带来的电压跌落；另一方面故障距离较短时，故障点反射的脉冲首端会和换流器发出的脉冲末端混合，影响波头检测。若Tpulse太

即直流电压信号U可以分解为分量信号U1和U2的线性叠加，并根据奇异值分解理论，U1和U2信号保持相位不变。同时，U1对应较大的奇异值σ1，反映了电压信号U的总体变化情况，U2对应较小的奇异值σ2，反映了电压信号U的细节变化情况。

电压信号的突变点体现在细节变化中，信号U2

的模极大值点即信号的突变点，反映了脉冲波头的到达时刻。电压信号的近似分量U2可以继续分解成近似分量和细节分量，形成如图6所示的二分递推奇异值分解。由图可见，信号的二分递推奇异值分解可以对信号进行逐层的细节分量和近似分量的分离，并且每层信号不发生相位偏移，都可以用来对行波信号的到达时间进行精确定位。

图6Fig.6

二分递推奇异值分解示意图DichotomizingrecursionSVD

设正极接地后正极电压信号为up（t），对其进行三层二分递推奇异值分解后得

up（t）=upA3（t）+upD3（t）+upD2（t）+upD1（t）（8）式中，upD1（t）、upD2（t）、upD3（t）分别为正极电压信号的第一、二、三层细节分量；upA3（t）为正极电压信号的近似分量。

16电工技术学报2017年1月

第一层细节分量upD1（t）往往受噪声影响比较大，由于每层信号对奇异点检测的时间不发生偏移，因此可选用upD2（t）或upD3（t）来检测主动脉冲和反射脉冲到达的时间。upD2（t）或upD3（t）的奇异点对应的时间为脉冲波头的到达时间，通过极大值化处理，即可检测出脉冲波头的到达时间。

5

5.1

仿真

MMC主动式脉冲产生

HVDC系统，在PSCAD搭建如图1所示的MMC-

直流电压等级±200kV，输送功率400MW，线路长度200km，线路模型采用J.Marti模型。以4电平SPWM调制的MMC为例说明主动式脉冲的产生过程。

系统处于正常运行状态时产生主动式脉冲的过程如图8所示。图8a为子模块的控制信号，此模块初始状态为投入状态，在1.3100～1.3101s控制信号翻转。图8b为子模块电压，在子模块控制信号翻转的时间内，子模块电压由电容电压Uc变为0，产生一个向下的电压脉冲。图8c为子模块产生脉冲时直流线路电压，子模块产生脉冲时，直流线路电压出现相应脉冲，受其他桥臂的影响脉冲形状不是方形，幅值相应减小。

4MMC-HVDC主动式脉冲单端测距流程

MMC-HVDC主动式脉冲单端测距流程如图7所

示，包括正常运行状态时的波速测定和故障后的脉冲测距。

图7

Fig.7

主动式脉冲单端测距流程

Flowchartoffaultlocationusingactivepulse

1）正常运行状态时的波速测定。

主动式脉冲的传播速度v是影响主动式脉冲测距准确度的重要因素。由于主动式脉冲方法不破坏系统正常控制功能，因此本文提出的主动式脉冲方法可以在线路正常运行中对脉冲传播速度进行测定。由于是在同一线路，有相同的线路参数和环境状况，测出的脉冲速度用于测距将会提高测距的准确度。

在线脉冲波速测量原理与脉冲测距原理类似，只是脉冲的反射点由接地点变为对端换流站。脉冲行波经过线路全长Lmn的两倍，检测脉冲触发的时间t1和反射脉冲到达的时间t2即可计算出脉冲在线路中的传播速度v。

v=

2Lmn

t2－t1

（9）

图8Fig.8

主动式电压脉冲产生过程Producingprocessofactivepulse

仿真结果证实可以通过子模块产生电压脉冲，并且脉冲产生过程不破坏系统正常控制功能，可以保持MMC-HVDC的正常运行。

单极接地故障后换流器发出主动式脉冲效果如图9所示。正极永久接地故障发生在1s时刻，在1.310s产生主动脉冲进行故障测距，主动脉冲发生10次，每次间隔0.02s。图9中第一个波头为监测点测到的由换流器产生的主动脉冲，第二个波头为故障点反射的脉冲，两波头极性相反。

2）单极接地故障后的脉冲测距。

系统检测到单极接地故障后，由控制系统产生主动脉冲，通过二分递推SVD检测脉冲发出时间t1和反射脉冲到达检测点的时间t2，结合之前测得的波速v计算出故障距离。

由于脉冲可以多次产生，因此可以进行多次故障检测，用多次检测的平均值作为最终结果。

第32卷第1期王帅等HVDC单极接地故障测距基于主动脉冲的MMC-

17

图9Fig.9

主动式脉冲及其反射波

Activepulseandthereflectedwave

MMC重复产生脉冲的结果如图10所示。图10中每个脉冲的折反射过程不相互影响，每个脉冲都可以计算出一个故障距离。

图10Fig.10

多次脉冲图

Multipleactivepulse

5.2二分递推SVD对脉冲到达时刻的检测

用二分递推SVD处理图9中主动式脉冲波形，对

其进行四层分解后的结果如图11所示。图11a为正极电压信号，图11b～图11e为正极电压信号四层SVD分解，Ud1～Ud4为四层SVD分解后的电压细节信号分量。从图中可以看出，Ud1～Ud4在脉冲及其反射波的起始点和结束点都有明显的突变。SVD每层信号对脉冲反射波到达时刻的检测结果如图12所示。图中Ud1～Ud4在反射波到达时刻均发生突变，并且每层最大的突变点位于同一时刻。

图11、图12的结果验证了用SVD对电压信号进行分解可以正确地检测到行波到达时刻，并且每层信号对到达时刻的检测不发生偏移。

第一层信号容易受噪声影响，因此对第二层细节分量进行处理，对第二层细节信号Ud2进行模极大值处理后的结果如图13所示。t1s时刻代表主动脉冲的起始时刻，t1e时刻代表主动脉冲结束时刻，它们的差值是主动式脉冲的宽度。t2s时刻代表脉冲反射波的起始时刻，t2e时刻代表脉冲反射波的结束时刻。

图13中，t1s=1.31000s，t1e=1.31011s，t2s=1.31033s，t2e=1.31043s，可得脉冲在线路中的行进时间Δt=t2s－t1s，再根据行波的速度可计算出故障点的位置。

从图13中可以发现，无论是脉冲波还是其反射

图13Fig.13

脉冲信号SVD分解后的模极大值ModulusmaximumofactivepulseafterSVD图12Fig.12

SVD每层分量确定的反射波到达时刻ArrivaltimeofreflectedwavedetectbySVDdecompositionsignalcomponent

图11Fig.11

正极电压脉冲信号的二分递推SVD分解DichotomizingrecursionSVDofactivepulse

18电工技术学报2017年1月

波，其SVD分解后的模极大值有一个共同的特点，即脉冲起始时刻和脉冲结束时刻都对应一个模极大值，并且方向相反，而噪声信号不具备这种特征，可根据这个特点来进行对脉冲反射波的判断，排除噪声等干扰信号，增加时间点监测的可靠性。

0.1Ω、10Ω、300Ω时，误差均在一个仿真步长内（本文采样频率200kHz，一个采样间隔对应1.5km）。提高采样频率可以显著提高本方法测距的精度。本文提出的主动式脉冲单端测距方法在高阻接地时仍能很好地对故障进行测距，这是因为主动式脉冲由换流器产生，与接地电阻值无关，体现了主动式测距的优势。

5.3测距结果及分析

MMC-HVDC正常运行状态下利用主动式脉冲方法

对脉冲传播速度v进行测定，选取其中10组结果见表1。由表1中的数据可求得图1线路中平均波速为2.996816×108m/s。

表1Tab.1

组号1234Δt/ms1.3341.3341.3371.3336结论

HVDC本文提出了一种基于主动式脉冲的MMC-

主动式脉冲行波波速测定Ｒesultoftravelingwavevelocity

v/（108m/s）2.9985012.9985012.9917733.000750组号5678Δt/ms1.3361.3341.3351.335v/（108m/s）2.9940122.9985012.9962552.996255单极接地故障测距方法，结论如下：

1）利用子模块控制特性产生脉冲进行故障定位，无需增加设备，可多次产生，对故障位置进行多次测定，提高了故障检测的可靠性。

2）采用二分递推SVD进行行波到达时刻的确定，可在克服噪声干扰的情况下精确测定脉冲到达时刻。

3）主动式脉冲由换流器产生，与接地电阻值无关，因此本测距方法受过渡电阻的影响较小。

参考文献

利用表1中测得的脉冲速度平均值，结合MMC-HVDC不同故障距离进行大量仿真后选取典型测距结果见表2。

表2Tab.2

故障距离/km

故障定位结果

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Ｒesultoffaultlocation

时间差/ms0.13190.13120.13140.33270.33270.33250.66920.66900.66880.99980.99980.99991.20231.20251.20221.26711.26691.2667

故障距离测定值/km

19.7619.6619.6849.8549.8549.82100.27100.24100.21149.81149.81149.83180.15180.18180.131.861.831.80

过渡电阻/Ω

0.1

20103000.1

50103000.1

100103000.1

150103000.1

180103000.1

19010300

由表2的结果可知，故障距离在20km、50km、100km、150km、180km、190km，过渡电阻为

第32卷第1期王帅等HVDC单极接地故障测距基于主动脉冲的MMC-

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作者简介王

帅

男，1983年生，博士研究生，研究方向为柔性直流输电系

统保护技术等。

E-mail：wings_ws@126.com毕天姝

女，1973年生，博士，教授，研究方向为电力系统保护与

控制、广域同步相量测量技术及其应用等。E-mail：tsbi@ncepu.edu.cn

（编辑赫蕾）