基于主动脉冲的MMC_HVDC单极接地故障测距

2017年1月第32卷第1期电工技术学报TＲANSACTIONS OF CHINA ELECTＲOTECHNICAL SOCIETYVol.32No.1Jan．2017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。

收稿日期2015-11-27改稿日期2016-10-10基于主动脉冲的MMC-HVDC 单极接地故障测距王帅毕天姝贾科（新能源电力系统国家重点实验室（华北电力大学）北京102206）摘要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-HVDC ）故障恢复至关重要。

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-HVDC 单极接地故障测距方法。

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-HVDC 主动式脉冲故障测距的流程。

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测距方法能够对MMC-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确度。

关键词：模块化多电平柔性直流输电故障测距主动式脉冲二分递推奇异值分解中图分类号：TM77Single Terminal Fault Location for MMC-HVDC TransmissionLine Using Active PulseWang ShuaiBi TianshuJia Ke（State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Ｒenewable Energy SourcesNorth China Electric Power UniversityBeijing 102206China ）AbstractFault location technology plays an important role in fault recovery of modular multilevel converter highvoltage direct current （MMC-HVDC ）system．Active pulse generation principle based on submodule control is proposed by analyzing the characteristics of MMC submodule．And then a single terminal fault location method using active pulse is proposed in this paper．Meanwhile dichotomizing recursion singular value decomposition （SVD ）is used to detect the accurate arrival time of active pulse．In order to reduce the impact of the active pulse traveling speed on fault location ，active pulse method is utilized to detect the travelling speed of the active pulse．The proposed active pulse method does not require additional equipment and the method is not influenced by transition resistance．Fault location can be repeated since the pulse can be sent repeatedly．The simulation results show that the proposed method can locate the grounding point of MMC-HVDC and the reliability and accuracy are improved．Keywords ：Modular multilevel converter HVDC ，fault location ，active pulse ，dichotomizing recursion singular value decomposition第32卷第1期王帅等基于主动脉冲的MMC-HVDC单极接地故障测距0引言近年来，模块化多电平柔性直流输电技术（Modular Multilevel Converter HVDC，MMC-HVDC）［1，2］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］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］通过检测故障行波到达测距装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］，但是当采用Mallat快速算法或者小波基选取不当时，小波变换在各尺度上对时间点的标定不一致，存在偏移［11-13］。

针对被动式行波测距方法不能重复测距的缺点，结合MMC-HVDC子模块控制特性，本文提出基于子模块控制的MMC主动式脉冲产生原理，进而通过检测脉冲发出时间和反射脉冲到达监测点的时间，提出适用于MMC-HVDC的主动式脉冲单端行波测距方法，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（Singular Value Decomposition，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，最后给出MMC-HVDC主动式脉冲故障测距的流程。

仿真结果表明单端主动式脉冲测距方法能对MMC-HVDC线路的单极接地故障进行准确定位。

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。

直流线路A点发生单极永久接地故障后，MMC-HVDC的小电流接地方式使得其控制系统仍能继续运行，直流线路电压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）v2（1）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。

图1主动式脉冲测距原理Fig.1Fault location principle using active pulse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基于子模块控制的MMC主动式脉冲产生方法2.1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提。

MMC-HVDC采用模块化多电平设计，如图2所示。

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。

图2MMC换流器结构Fig.2Topology of MMC converter31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（2）式中，np 为上桥臂投入状态的子模块数量；nn为相应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n p +nn=N（3）因此直流电压可表示为Udc =NUc（4）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IGBT VT1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USM =UcT1导通，T2关断USM =0T1关断，T2{导通（5）图3子模块工作状态Fig.3Work states of SM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4子模块脉冲产生方法Fig.4Active pulse produced by SM产生脉冲的子模块的电压为USM=Uct≤t1或t≥t20t1＜t＜t{2（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。