Exact Solutions of the Harry-Dym Equation

The aim of this paper is to generate exact travelling wave solutions of the Harry-Dym equation through the methods of Adomian decomposition, He＇s variational iteration, direct integration, and power series. We show that the two later methods are more successful than the two former to obtain more solutions of the equation.

适应波达时刻不确定性及较低采样率的新能源送出线路就地暂态量主保护判据

不对称接地故障占所有线路故障的90%以上,接地距离保护在应对此类故障方面发挥了不可替代的作用。随着新能源高比例渗透,各种传统单端工频量保护性能显著下降已成为共识。基于故障分量线模和零模波速差的保护判据理论上仅需利用到故障初始行波到达时刻信息,是一种原理简单可靠的单端量快速保护判据,已经在直流电网中成功实践。但在尝试将这类保护应用于交流电网时发现,受波头前陡较缓而难以精确定位波到时刻、依赖高采样率等诸多不利因素影响,存在过大的模糊判别区,除了特长线路外,对绝大部分线路几乎没有应用可行性。波到时刻的精准辨识是一个复杂的非线性问题,利用人工智能的方法进行辨识是一条可行的解决思路,对此,该文提出一种新的单端暂态量主保护判据。首先,分析波达时刻与波形关系,并指出这种关系能够采用机器学习来映射;其次,引入高斯过程回归(Gaussian process regression,GPR),在对初始行波数据进行预处理得到样本集后,输入GPR预测模型进行训练;然后,依据模型评估指标得到最优训练模型以输出高可信性的线-零模波达时差,据此实现了基于行波模量传输时间差的保护判据;最后,在利用PSCAD仿真验证所提保护判据有效性和普适性的基础上,进一步利用现场实测数据对判据进行测试,验证其实用性。该文工作为新能源交流系统下单端暂态量保护的性能提升提供新的解决思路。

太赫兹折叠波导慢波电路及功率合成技术

针对太赫兹频段行波管输出功率较小的瓶颈以及对紧凑型设计的明确需求,提出一种管内功率合成的0.34 THz折叠波导行波管结构。首先,对太赫兹折叠波导慢波结构的高频特性进行了研究,通过仿真计算得到了其色散特性和耦合阻抗,0.34 THz处归一化相速度为0.248,耦合阻抗为0.46Ω;其次,提出了用于管内功率合成的3 dB定向耦合器结构设计,分析表明,其在0.31~0.368 THz范围内,幅度平衡度在±0.19 dB以内,隔离度优于24 dB;最后,完成了基于3 dB定向耦合器管内功率合成的折叠波导行波管基本结构设计并构建了仿真模型,仿真结果表明,最大输出功率为9.16 W,增益为26.6 dB,3 dB带宽达到21 GHz。作为对比,单个折叠波导行波管输出功率为6.18 W,故管内合成的折叠波导行波管的输出功率是单个行波管输出功率的1.48倍;此外,与采用常规外置功率合成结构的双行波管组件设计相比,管内功率合成折叠波导行波管的横向尺寸至少缩减了56.5%。

具有方向判别能力的输电线路故障识别办法

在电力系统中,针对模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的高压直流输电技术目前已经被广泛应用。在一般情况下,MMC-HVDC输电线路通常采用以ABB或SIEMENS技术为核心的行波保护原理来完成主保护,其通过对单端电压、电流行波的变化量或变化率进行检测从而识别故障,因其不具备故障方向识别能力,在发生区外故障的情况时可能会导致误动。同时,为了获取较为明显的行波突变,实际工程中多选择在线路出口安装平波电抗器,这进一步提升了建设成本。据此,提出了一种具有方向判别能力且无需平波电抗器提供边界的MMC-HVDC输电线路纵联行波方向保护原理。分析了MMC-HVDC输电线路行波折射、反射特性,基于行波的瞬时功率提出了故障方向识别判据及故障极识别判据;对±500 kV直流输电系统进行了PSCAD/EMTDC软件建模和仿真。根据所建模型计算出不同故障条件下各参数变化情况,并将计算结果与理论结果和试验数据对比分析。模拟结果表明:所提出保护方法具有方向的判别能力,且不依赖平波电抗器提供边界特性,该保护方法在各因素(如不同故障位置、不同故障电阻及不同故障类型等)的影响下均可可靠地动作。

基于磁环边界压降特征的直流配电网快速方向元件

快速准确判别故障方向对直流配电网故障的快速定位和隔离具有重要意义。本文在线路两侧配置磁环作为线路边界,在此基础上从行波传播的角度推导了正、反方向故障下第二个行波到达前边界元件的电压表达式,分析了正、反方向故障时边界元件的电压差异,提出了基于边界元件电压信息的故障方向判别方法。判别方法不受换流器类型和故障类型的影响,对多分支线结构都能适用。PSCAD仿真验证了该方法能够快速准确判别故障方向,并具有较强的耐过渡电阻能力。

故障因素变量对行波传输特性影响的仿真分析

为保证行波故障测距法测距精度与可靠性,需要分析故障因素变量对行波传输特性产生的影响。以小波变换理论为工具,利用Matlab/Simulink仿真平台搭建双边供电模型,选取过渡电阻与电源初相角为故障因素变量,通过改变其在仿真模型中的参数设定,分析不同参数值下发生单相故障后故障相电压行波及其小波变换波形。结果表明,行波的传输具有稳定性,虽波形易受影响但并不影响行波首波头抵达测量端的时刻。

超高速直流输电线路保护方向元件

为提高直流输电线路单端暂态量保护的可靠性与灵敏度,提出了一种基于故障行波能量的超高速直流输电线路故障方向元件,该元件基于不同故障方向时故障前行波与反行波能量之间大小的差异有效判别故障方向。利用由RTDS与现场控制保护装置的闭环测试系统,对该方向元件性能进行了测试。测试结果表明,该方向元件适用于不同电压等级输电工程,在直流输电工程不同运行方式下,均可以超高速正确判别故障方向,且不受故障位置、过渡电阻的影响,可以有效提高单端暂态量保护性能,并可构成纵联方向保护。

利用线路暂态行波功率方向的分布式母线保护

为避免电流互感器(TA)暂态饱和问题,提出了一种新型的分布式母线保护:基于小波变换识别各线路的暂态行波功率方向,然后比较所有线路的暂态行波功率方向来判别母线区内外故障。该母线保护可以利用已有的输电线行波方向保护而不需专用的母线保护设备,可以利用小波算法解决分布式结构中的同步问题,因而比常规分布式母线保护更易于实现和节省投资。理论分析和EMTP仿真试验表明:该母线保护动作快速可靠,基本不受故障类型、故障过渡电阻、故障距离和故障初始角的影响。

±800kV直流输电线路雷击点与闪络点不一致时的行波测距

分析了特高压直流输电线路雷击点与闪络点不一致时电压行波的传播特点。在雷击侧,由雷电流注入所引起的电压行波先到达保护安装处,而由故障引起的电压行波后到达,所检测到的电压行波起始阶段呈现出雷击未故障特征;在闪络侧,由故障引起的电压行波先到达,而由雷电流注入所引起的电压行波后到达,所检测到的电压行波起始阶段呈现故障的特征。因此,利用线路两端检测到的电压行波线模首波头幅值进行比较来识别雷击侧和闪络侧,再应用双端行波测距方法对雷击点进行定位,继而根据雷击侧电压行波首波头和故障点反射波头的时间差进一步确定闪络点的位置。仿真结果表明该方法有效。

超高速暂态方向继电器的研究

行波方向保护已研究了多年,但其本质上仍要受故障初始角、反射波等因素的影响。该文提出一种新型的方向保护核心元件——暂态方向继电器,它基于故障发生后一段时间内正向行波分量与反向行波分量间的能量大小关系来识别故障方向。该继电器的实用算法采用了适合暂态信号处理的小波技术,由小波多分辨分析来提取行波分量,并将行波分量的能量表征成小波变换谱能量(WTSE)。大量EMTP仿真试验表明:该继电器能可靠、灵敏、超高速地动作,其性能不受故障初始角、故障类型、故障距离、过渡电阻与电弧、母线接线方式的影响。以该继电器构成的超高速方向保护将具有很强的实用价值。

基于S变换的行波相位比较式方向继电器

为了提高行波保护在小初始角故障时的灵敏性与可靠性,降低行波保护的采样频率,提出基于S变换的初始行波相位比较式方向继电器。通过分析故障初始电压、电流行波之间的关系特征,定义了初始行波相位差,该相位差的大小仅由故障网络决定,与故障距离、过渡电阻、故障类型等因素无关。利用S变换提取单频率的电压、电流初始行波在时域中的幅值、相位,并计算初始行波相位差,通过比较该相位差与整定值的大小判断故障方向。PSCAD/EMTDC仿真研究中采样频率为25 kHz。大量仿真结果表明:该算法能可靠、灵敏、超高速识别正反方向故障,其性能受故障初始角、故障类型、故障距离、故障电阻的影响小。

输电线路功率型行波纵联保护新方法

为提高纵联保护的灵敏性与可靠性,提出一种行波功率型的纵联保护新算法。该算法利用彼得逊等值模型,分析线路区内、区外故障时的初始行波分布特征,给出了初始行波无功功率定义。基于S变换提取单频率的初始电压、电流行波,计算出初始行波无功功率,根据线路两端的初始行波无功功率幅值之比构成保护判据。当被保护线路区外故障时,线路近故障点端几乎测量不到初始行波无功功率,而远故障点端测量到的初始行波无功功率数值较大;被保护线路内部故障时,线路两端均存在较大的初始行波无功功率。根据线路两端测量的初始行波无功功率相对大小关系,能够明显地区分出线路内外部故障。理论分析和PSCAD/EMTDC仿真结果表明,该保护性能可靠性高、动作速度快、动作门槛值整定简单、计算量小;在小故障初始角下仍能准确识别区内外故障,且不受故障类型、故障位置、过渡电阻和母线结构等因素影响。

基于行波信息的广域后备保护故障判别新原理

提出一种利用广域行波信息进行故障判别的新原理。采集电网各节点电压,利用小波变换获取电压初始行波,计算电压初始行波能量。依据行波传播特性,越靠近故障点,电压行波能量越大。比较广域行波能量大小,电压初始行波能量最大的节点判断为故障节点。在该节点下,获取节点相关支路电流初始行波信息,得到节点各相关支路的初始行波功率方向。在确定的故障节点下,若功率方向为负,则该关联支路即为电网故障线路。通过大量仿真分析,验证了文中所提方法正确、清晰,实现简单,具有良好的应用前景。

柔性直流电网行波保护解析分析与整定计算

目前直流线路保护研究主要依赖于数值仿真,然而对于多换流站的柔性直流电网,数值仿真不仅费时费力,且难以得出有效的保护整定方法。为解决这一问题,该文首先建立了柔性直流电网故障暂态分析简化模型,针对典型故障情况,推导了故障电气量的复频域表达式,并利用拉氏反变换得到故障首行波的时域解析解。其次,基于故障解析计算结果,提出了直流线路行波保护整定及校验方法,并给出不同系统参数下保护可耐受过渡电阻能力。相比于数值仿真,解析计算在提高计算效率的同时,能够得出故障电气量的变化边界,有效避免采样不确定性的影响,还可以便捷地分析系统参数对保护性能的影响,为实际工程中相关参数的选择提供参考。

基于数学形态学的线路超高速方向保护

提出了一种基于数学形态学的能在噪声背景下有效应用的超高速方向保护算法。基于形态开闭运算的滤波器可有效滤除暂态行波中的噪声干扰,在完成滤波后,通过多分辨形态梯度(Multi-resolution Morphological Gradient,MMG) 表现出电流电压行波信号的突变特征,通过瞬时功率判据可得到故障方向。建立EMTP典型500kV线路模型进行仿真, 结果表明该判据能在强噪声背景下正确判断出故障方向。

基于希尔伯特-黄变换的超高速方向保护研究

希尔伯特-黄变换(Hilber-Huang transform,HHT)是一种分析非平稳信号的有效方法。作者提出一种新的以HHT为基础的超高速方向保护方案,利用HHT来提取线路故障后的正、反向行波信息,通过对行波信号进行经验模态分解求出其高频部分(即第一个固有模态函数),然后对固有模态函数进行Hilbert变换求取幅值,并利用幅值比较的方式来判断故障的时刻和方向。该方案克服了应用小波提取暂态故障信息时受到母函数选择限制的缺点。仿真结果证明了该方案的可行性和有效性,同时表明故障距离、接地电阻和故障初始角等因素对该方案影响很小。

基于网络的电网故障行波保护方法

针对基于单条线路的行波保护不能满足电网运行要求问题,提出了一种利用电网中初始行波到达时间来实现保护的保护方法。该方法通过找出行波传输最短路径,记录最短路径中相邻变电站初始行波到达时间,判断和匹配有效行波到达时间,剔除无效时间,利用有效初始行波到达时间来判断故障线路。该保护方法综合利用了初始行波到达各变电站的时间信息,在某一继电器时间记录错误时仍能可靠动作。理论分析和仿真结果表明,该保护方法动作快、可靠性高,是一种简单有效的电网保护方法。

基于功率信息的广域行波保护新算法

为缩小故障识别范围,提高保护动作速度和可靠性,通过PSCAD/EMTDC仿真和Matlab计算研究故障行波信号在电网中的传播特性,提出了一种新型保护方法。该方法定义初始行波无功功率,分析故障时电网广域初始行波无功功率的分布特点,基于S变换提取单频率的初始电压和电流行波,计算出初始行波无功功率幅值。对保护区域内子站各关联支路进行功率比幅,选取功率幅值最大的线路作为准故障疑似线路上传至广域行波保护集中决策中心站,建立子站-关联支路功率矩阵,进一步搜索故障疑似线路,并据此结合双端功率比幅判据确定实际故障线路。仿真结果表明,该方法原理简单,易于整定,在非全相运行、潮流转移等复杂工况下均能适用。

基于波速影响的零模行波研究

超/特高压线路保护的行波差动保护在实用时由于波速不一致性的影响,会产生一定的不平衡差流。在分析零模行波随传输距离的变化规律的基础上,得出检测波速随传输距离的增加而单调降低、波头Lipschitz指数随传输距离的增加而单调增加的结论。分析了过渡电阻和故障初相位对检测波速和波头Lipschitz指数的影响,得出了上述因素对两者之间的对应关系基本没有影响的结论,为波速度的估算提供了理论基础。利用输电网的线路模型对上述行波传输规律进行了验证,证实了理论分析的正确性。

基于故障行波传输有向树的网络定位算法

为了解决输电网故障行波定位的网络数据融合及环网解环的复杂处理问题,利用故障行波传输时间与传输距离的线性关系,建立故障行波传输最短路径有向树模型,提出一种基于线性拟合原理的行波定位算法,给出实施流程,完成仿真分析。与传统的行波定位算法相比,该算法基于线性拟合原理,充分融合了输电网的全部故障信息,排除了由波速不确定性和故障行波记录时间误差造成的干扰,实现了环网自动解环。仿真分析结果验证了该方法能有效消除故障行波信号记录时间的误差干扰,具有高精确度和可靠性。