作者特稿｜电磁时间反转——电力线路故障测距新理论
上海交通大学电子信息与电气工程学院的研究人员张希鹏、邰能灵等，在2019年第3期《电工技术学报》上撰文（论文标题为“基于WEMTR的柔性直流输电线路故障测距”），提出了基于小波技术的电磁时间反转（WEMTR）理论的柔性直流输电线路故障测距原理。理论证明,该方法不受过渡电阻和故障类型的影响。在PSCAD/EMTDC搭建了基于模块化多电平换流站的高压直流输电系统进行仿真验证,输电线路采用相域频变分布参数模型。结果表明,不需要高采样率,该方法可以得到精确的故障测距结果。
◢ DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.180121 ◣
多电平柔性直流输电系统因其输出谐波少、输出电压高、模块化程度高等特点得到了较好发展。输电线路作为直流输电的桥梁，若其发生故障，不仅影响输电，还会造成系统（尤其是投资成本高的换流站）的停运，严重时可能造成换流站设备的损坏。因此，对于输电线路的故障的快速准确的故障定位尤为重要。
目前，直流输电线路的故障测距方法主要基于行波原理和基于暂态量反演原理。行波测距法理论完备，但受到采样装置和波头识别技术的制约，一般行波法采样频率都达到500kHz以上。基于暂态量反演的测距方式主要利用故障点处过渡电阻的纯阻性和故障处电压全线最低的特性，但该方法容易受到线路故障后，交流侧注入电流的影响；同时，贝杰龙线路模型适用于单频系统的仿真与潮流计算，采用贝杰龙线路模型进行暂态量计算与实际线路相差较大。
为了降低采样率、脱离波头识别技术的制约，同时能够在频变参数的线路中进行计算，本文提出了电磁时间反转理论的直流输电线路故障测距新原理，该方法是结合了行波法和暂态量反演法优势的“折中”方法。
EMTR方法起源于空间中闪电位置的定位，运用了电磁场（麦克斯韦方程组）的基本原理。线路的故障本质上也是变化的电磁场在介质中的传播，本文将EMTR方法引入到电力系统故障测距领域，并理论证明了其在分布式参数线路中应用的可行性，并以柔性直流输电线路为例进行了仿真说明。
第一步：测距装置记录下线路两侧各极故障电流，分别计算两侧故障电流1模分量。
第二步，利用小波函数分解1模电流分量，提取对应于故障电流的突变点的信号的高频部分。
第三步，将提取的有用的暂态量信号进行时间反转，信号的时间反转如图1所示，s(t-t1)时间反转后为s[T-(t-t1)]。
图1 信号的时间反转
第四步，建立无损镜像线路，即图2中线路的分布式参数电阻、电导、电感、电容为0、0、-L、-C。将时间反转后的电流信号作为电流源串联在无损镜像线路两侧。
第五步，在线路上任意一点lZ假想金属性故障，计算假想故障电流。计算无损镜像线路中每一点的假想故障电流有效值，假想故障电流有效值最大值处即为实际故障点处。第四步和第五步可如图2所示。
图2 计算无损镜像线路中的假想金属性故障电流
本文提出了结合小波的电磁时间反转的直流输电线路测距新原理。理论推导和仿真结果表明，在使用无损镜像线路中计算反转电流时，测距结果精确且计算简便；在采用了小波变换滤波后，消除了交流侧注入电流的影响；该方法不受过渡电阻、故障类型的影响；采样频率越高，测距精度越高，且当采样频率为50kHz时能够满足测距精度要求，降低了测距装置成本。
张希鹏, 邰能灵, 郑晓冬, 黄文焘, 孙凯华. 基于WEMTR的柔性直流输电线路故障测距[J]. 电工技术学报, 2019, 34(3): 589-598. Zhang Xipeng, Tai Nengling, Zheng Xiaodong, Huang Wentao, Sun Kaihua. Fault Location in VSC-HVDC Transmission Lines Based on WEMTR. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(3): 589-598.
团队介绍
张希鹏
上海交通大学，博士研究生，主要研究方向：基于电磁时间反转的电力线路故障测距新理论。
邰能灵
上海交通大学，电气工程系系主任，教授、博导。教育部新世纪优秀人才，上海市曙光学者，上海市高校优秀青年教师，海军重大装备技术保障专家组成员。发表SCI/EI论文240余篇。近几年，主持负责多项国家自然科学基金、十一五国家科技支撑计划、国家重大专项子项。
黄文焘
上海交通大学，副教授。从事于新能源应用、保护与控制研究，主要研究方向为分布式新能源、微电网并网控制与保护，大数据与新能源，以及电动汽车并网控制与运行优化。
郑晓冬
上海交通大学，副教授，主要研究方向为电力系统继电保护、柔性直流输配电保护、分布式能源接入保护、分布式储能保护控制。