数学形态学用于高压直流输电线路行波保护的探讨

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第３ ４卷 第 ５期 ２ ０ 年３ １ ０６ 月 日
继 电器
ＲＥＬ Ｙ
Ｖｏ ． ４ Ｎ ． １３ ｏ ５
Ｍａ ． ， ０ ６ ｒ １ ２ ０
５ 探讨
李学鹏 全 玉生 ， 徐 马彦伟 杨俊 伟 ， 黄 ， ，
要对直流输电的主保护——行波保护的性能和原理 做 更进 一步 的分析 与研 究 。 数学形态学 （ ａ ｅ ａｃｌ ｏ ｈｌ ｙ 是 以集 Ｍ ｔ ｍ ｔａ ｍ ｒ ｏ ｇ ） ｈ ｉ ｐ ｏ 合论 和积分几何学为基础发展起来的一门对物体形 态处理 的学 科 ， 其主要 内容 是设计 一 整套 的变换
特征或基本结构 。不 同的数学形态变换具有不同的 性能 ， 选择合适的形态变换可以具有消噪， 提取信 号 突变量等功能。相对傅里叶和小波变换等积分运算 而言 ， 数学形态学是一种非线性的分析方法 ， 其对信
号特征的提取完全是在时域 中进行 ， 而 是把信号 变换到频域空间处理 ， 因此处理后 的信号不存 在相 位移和幅度衰减等问题 ， 且其主要是加减运算和
（ 运算） 概念和算法 ， 以描述 图像 （ 、 用 信号 ） 的局部
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控制极的控制来快速地 限制 和消除故障 电流 ； 另一 方面， 由于定电流调节器的作用 ， 故障电流 与交流线 路相 比要小的多。因此 ， 对直流线路故障的检测 ， 不 能依靠故障电流大小来 判别 ， 而需要 通过电流或 电 压的暂态分量来识别。 行波保护正是应用了故障后线路传播的行波作 为保护信息 ， 这既避免 了工频保护易受电流和电压 调节器 的影响 ， 又可利用行波 的快 速性构成极快 速 保护。正是基于这一原 因， 高压直流线路在全世 界 范围内都把行波保护作为线路的主保护。 ②相 比于交流输 电 ， Ｈ Ｄ 在 Ｖ Ｃ输 电系统 中， 由 于直流线路结构简单 ， 两端换流站波阻抗非常大 ， 折 射率几 乎为零 ， 反射率几乎 为 １ 当线路 内部故 障 ， 时， 故障行波几乎只在整流器 和逆变器之 间来 回反 射， 这一特性对行波保护具有优势； 直流线路区外故 障时， 由于换流器和平波电抗器的作用 ， 折射到行波 检测装置 （ 安装在平波电抗器侧 ） 的行波 ， 无论是幅 值还 是波 头 的陡度都 大 大地 减小 了。 ③相 比于交流系统 ， 行波保护在直流系统 中具 有更 明显 的优 越性 。首 先 ， 交流 系统 中 ， 果 在 电 在 如
后， 保护必须在几毫秒内快速可靠动作 ， 而一般的工 频保护由于动作延迟较大 ， 很难满足直流输 电线路 保护 的要求 ， 因此如何提 高直流输电线路运行 的安
全性 和可 靠性 已成 为迫 切需 要解决 的问题 。输 电线
路发生故 障时会 产生向两侧 以接近光速 传播的 电 压、 电流行波 ， 而行波信号 中存在丰富的故障信息， 有效地提取这些故障信息可 以构成超高速的行波保 护， 以满足直流输电线路保护的要求 ， 因此行波保护 以其高速性在 国际上一直作为直流输电线路的主保 护。但是 目 前从统 计资料来看 ， 直流输 电线路故障 仍然是造成系统停运的主要 原因之一¨ ， 因此有必
１ 直流线路行波特点及 其保护关键技术
１１ 直流线路故障行 波特征 ． 直流输 电线路 由于其结构简单 ， 几乎没有分支， 因此 故障行 波 的传播 与 交流 线路 有所 不 同 。直流 输
电线路发生故障后 ， 故障行波传播除 了具有行波 其
的一般特点外还有其 自身 的特点 ， 主要表现在 以下 几个 方面 ： ①赢流系统发生故 障时 ， 一方面 ， 可以利用桥阀
取极值运算 ， 不涉及乘 除运算 ， 与传统的处理方法相 比实时性好 、 速度快 、 时延小。因此数学形态学的出 现为基于暂态信号 的行 波保 护提供 了新的分析手 段， 为行波保护开辟了新的方向。 本文首先介绍 ｒ 数学形态学 的基本概念 ， 在此 基础上 ， 引出两种新的信号波形形态处理技术 ， 并分 别 应用 于 行 波 信 号 的 消 噪 和 行 波 信 号 突 变点 的 提 取 。文 中的信号数据均来 自于电力系统暂态仿真软 件 Ｐ Ｃ Ｄ Ｅ Ｔ Ｃ建立的一个舣桥 １ ＳＡ ／Ｍ Ｄ ２脉动直流系 统， 系统参数参考了天广直 流输 电中直流系统的相 关参数 。其 中仿真线路采用移频线路模 型， 线路全 长 ４０ｋ 采样率 为 １０ｋ ｚ 算例 中取 故 障前 后 ８ ｍ， ０ Ｈ ， ７０个数据点进行形体运算 。 ０
的行 波保 护方法在 高压直流线路行波保护 中具有 良好的应 用前景 。
关键 词 ：ＨＶ Ｃ； 行波保护 ； 数 学形 态学； 输 电线路 Ｄ 中图分类 号 ：Ｔ ７ Ｍ７ ３ 文献标 识码 ：Ａ 文章编号 ：１０ －８ ７ ２ ０ ）５０ ０ －５ ０ ３４ ９ （０ ６ ０ －０５０
０ 引言
直流输电具有传输功率大 、 线路造价低 、 控制性 能好等优点 ， 在远距离 、 大功率输电中占有越来越重 要的地位 ， 世界发达国家都把其作为大容量 、 远距离 送 电和异 步联 网 的主要 手段 。近 年来直 流输 电在 我 国也发挥着越来越重 要的作用 ， 国 自建成 ± ０ 我 ５０ ｋ Ｖ葛上直流工程和天广直流工程后 ， 随着三峡工程 的完成 ， 为配合三峡电力外送又分别建成了三常和 江城直流输电工程。直流输 电工程输送容量较大， 线路 一旦 发生 故 障若 不 及 时 采取 措 施 ， 势必 威 胁 到 整个 系统的安全运行 ， 因此要求直流线路发生故障
（． １ 华北电力大学 ， 北京 １２ ０ ０ ２６； ２ 中国南方 电网超 高压输 电公 司天生桥局 ， 州 贵 阳 ５ ２０ ） ． 贵 ６ ４ ０
摘要 ：首先分析 了高压直流输 电线路行波传播特点及行 波保护 中的两个关键 问题即行波 滤波和波头捕 获 。 继 而详 细介绍 了数学形态 学滤波技 术和 形态 学梯 度技 术 ， 并把 它们成 功地应 用 于直流输 电线路 暂 态行 波 滤波 和故障行波波头的捕获 ． ．仿真结 果表 明， 形态滤波技 术对于行波信号 中的 白噪 声尤其是 对于正 负相 间的脉 冲 噪声有很好 的滤波能力 ； 经形态学梯度 变换后 的暂态故障行波 中的 突变分量 易于检 测 ， 这种基 于数 学形 态学