現(xiàn)代行波故障測距原理及其在實測故障分析中的應(yīng)用(二)—D型原

現(xiàn)代行波故障測距原理及其在實測故障分析中的應(yīng)用(二)—D型原理

輸電線路上的實際暫態(tài)行波波頭總是存在一定的上升時間，這使得故障初始行波浪涌到達線路兩端測量點的時刻難以被準確標定，從而導致現(xiàn)有的雙端行波故障測距方法存在不可避免的測距誤差。本文在分析D型雙端現(xiàn)代行波故障測距原理及其準確性的基礎(chǔ)上提出了帶補償量的D型雙端行波故障測距算法，該算法利用故障初始行波浪涌波頭起始點所對應(yīng)的絕對時刻與測距裝置直接檢測到該行波浪涌到達時絕對時刻之間的相對時間差來對測距誤差進行補償。實測故障分析表明，D型現(xiàn)代行波故障測距原理具有很高的可靠性，其絕對測距誤差不超過1 km。
??? 關(guān)鍵詞：輸電線路；現(xiàn)代行波故障測距；GPS；D型原理；電流暫態(tài)

Modern travelling wave-based fault location principle and its application to actual fault analysis-type D principle

Chen Ping¹, Ge Yao-zhong¹, Xu Bing-yin², Li Jing²

(1. Xi'an Jiaotong University, Xi'an 710049, China)
(2. Kehui Electric Co Ltd, Zibo 255031, China)

??? Abstract: A rising time always exists in the wavefront of an actual transient travelling wave appearing on a transmission line. This makes it difficult to be tagged for the arrival time of the fault induced initial surges at both ends of one transmission line, resulting in unavoidable location error in the existing double-ended travelling wave based fault location methods. Based on the analyses of Type D double-ended modern travelling wave based fault location principle and its accuracy, the compensated Type D fault location algorithm is presented in this paper, which compensates the location error with the relative time difference between the absolute time corresponding to the start point of the fault caused initial surge and the detected arrival time of the fault caused initial surge by the fault locator at each end of the measured line. The actual fault analyses show that the Type D principle possesses very high reliability, and its absolute location error does not exceed 1 km.?
??? Key words: transmission lines; modern travelling wave based fault location (MTWFL); GPS; Type D principle;current transient

0? 引言
??? 輸電線路行波故障測距技術(shù)因具有測距精度高和適用范圍廣等優(yōu)點，一直為繼電保護專業(yè)人員所關(guān)注^[1]。早在20世紀50年代，國外就研制出A、B、C、D等4種基本型式的行波故障測距裝置，但因存在可靠性差、構(gòu)成復雜以及價格昂貴等問題，終究沒有得到推廣應(yīng)用。
??? 20世紀90年代初，在A型早期行波故障測距原理的基礎(chǔ)上，我國提出了利用電流暫態(tài)故障分量的A型現(xiàn)代行波故障測距原理、算法和實現(xiàn)方案^[2,3]，從而推動了現(xiàn)代行波故障測距(MTWFL)的發(fā)展^[4]。另一方面，全球定位系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用^[5]，為現(xiàn)代電力系統(tǒng)同步時鐘的研制創(chuàng)造了條件^[6]，進而使得D型現(xiàn)代行波故障測距原理得到發(fā)展。
??? 1995年，國內(nèi)研制出利用電流暫態(tài)分量的輸電線路現(xiàn)代行波故障測距裝置，它集成了A、D、E等3種現(xiàn)代行波故障測距原理，其平均絕對測距誤差在400m以內(nèi)^[7]。2000年，國內(nèi)又推出功能更為強大的現(xiàn)代行波故障測距系統(tǒng)，其絕對測距誤差可達200m以內(nèi)^[8]。
??? 近年來，國內(nèi)學者開始將現(xiàn)代A型行波故障測距原理用于繼電保護，并提出了基于小波變換的測距式行波距離保護原理^[9,10]。實測故障分析表明^[11]，現(xiàn)代A型行波故障測距原理具有很高的測距精度，但測距算法的可靠性還有待于進一步提高。
??? 本文在分析D型雙端現(xiàn)代行波故障測距原理及其準確性的基礎(chǔ)上提出了帶補償量的雙端行波故障測距算法，并將其用于實際故障產(chǎn)生的電流暫態(tài)波形分析。

1 D型現(xiàn)代行波故障測距基本原理
??? D型現(xiàn)代行波故障測距原理為利用故障暫態(tài)行波的雙端測距原理，它利用線路內(nèi)部故障產(chǎn)生的初始行波浪涌到達線路兩端測量點時的絕對時間之差值計算故障點到兩端測量點之間的距離。
??? 設(shè)線路MN故障產(chǎn)生的初始行波浪涌以相同的傳播速度v到達M端和N端母線的絕對時間分別為T_M和T_N，則M端和N端母線到故障點的距離可以表示為：
?
式中：L為線路MN的長度。
??? 為了準確標定故障初始行波浪涌到達兩端母線的時刻，線路兩端必須配備高精度和高穩(wěn)定度的實時時鐘，而且兩端時鐘必須保持精確同步。另外，實時對線路兩端的電氣量進行同步高速采集，并且對故障暫態(tài)波形進行存儲和處理也是十分必要的。
??? D型早期行波故障測距裝置采用載波方式實現(xiàn)線路兩端測距裝置的時間同步，因而難以獲得較高的測距精度。D型現(xiàn)代行波故障測距原理采用內(nèi)置全球定位系統(tǒng)(GPS)接收模塊的電力系統(tǒng)同步時鐘實現(xiàn)精確秒同步，這使得線路兩端的時間同步誤差平均不超過1μs，而由此產(chǎn)生的絕對測距誤差不超過150m。

2 D型現(xiàn)代行波故障測距原理的準確性分析
??? D型現(xiàn)代行波故障測距原理利用線路長度、波速度和故障初始行波浪涌到達故障線路兩端母線時的絕對時間之差值計算故障距離。因此，能否獲得準確的線路長度、波速度和故障初始行波浪涌到達時刻，將直接影響測距準確性。
??? 嚴格來講，無論是傳統(tǒng)的故障測距原理，還是行波故障測距原理，其測距結(jié)果表示故障點到線路末端的實際導線長度。但巡線時往往將測距結(jié)果當作地理上的水平距離并以此作為查找故障和計算測距誤差的依據(jù)，而并不考慮線路弧垂的影響。同樣，線路全長也是以水平距離的形式預先給定。當線路較長時，計及弧垂影響后的實際導線長度與導線水平長度相差較大。D型行波故障測距原理需要利用線路全長，因而其測距誤差往往比其它不需線路全長的行波故障測距原理(如A型原理)的測距誤差要大。比較理想的做法是利用線路設(shè)計數(shù)據(jù)計算出不同溫度條件下沿線各檔距內(nèi)的實際導線長度，進而獲得實際線路導線的總長度(用于D型測距)，并最終將故障測距結(jié)果換算為故障所在檔距或桿塔號。
??? 故障暫態(tài)行波具有從低頻到高頻的連續(xù)頻譜，其中不同頻率分量的傳播速度是不相同的。行波分量的頻率越低，其傳播速度越慢；行波分量的頻率越高，其傳播速度也越快，并且越趨于一致(接近光速)。隨著電壓等級的不同，輸電線路暫態(tài)行波中高頻分量的傳播速度大約在光速的97%～99%范圍內(nèi)變化，具體可以利用線路結(jié)構(gòu)參數(shù)進行計算，也可以實際測量。
??? 為了獲得準確的測距結(jié)果，故障初始行波浪涌的到達時刻應(yīng)定義為其中能夠到達測量點的最高頻率分量的到達時刻。從時域來看，故障初始行波浪涌的到達時刻就是其波頭起始點所對應(yīng)的時刻，該時刻的測量誤差取決于采樣頻率和GPS對時誤差。采樣頻率越高，對故障初始行波波頭起始位置的標定誤差越小；GPS對時誤差越小，對故障初始行波波頭起始時刻的標定誤差越小。由于暫態(tài)行波中的高頻分量在傳播過程中隨傳播距離的增加會發(fā)生較大程度的衰減，因而當采用固定的波速度時，到達線路兩端的故障初始波頭時間差越大(即故障點越靠近線路某一端)，其測量誤差也越大。研究發(fā)現(xiàn)，GPS接收機普遍存在輸出信號瞬時不穩(wěn)定、衛(wèi)星失鎖以及時鐘跳變等問題^[12]，因而其輸出的時間信息和秒脈沖信號(1PPS)不能直接利用，必須附加高穩(wěn)定度守時鐘，并且需要消除偏差超過某一限定范圍的時間同步信號。
??? 當綜合考慮以上因素時，D型現(xiàn)代行波故障測距原理的準確性將略低于A型現(xiàn)代行波故障測距原理的準確性，但測距誤差一般不會超過1km，這一點也已經(jīng)被實測故障分析所證明。

3 帶補償量的D型雙端行波故障測距算法
??? 設(shè)線路MN兩端測量點直接感受到本線路內(nèi)部故障產(chǎn)生初始暫態(tài)信號超過某一檢測門檻值的絕對時間分別為? 對應(yīng)此時刻的采樣序號分別為和，兩端測量點的故障暫態(tài)信號中距離初始波頭起始點最近的采樣序號分別為和，則故障初始行波浪涌實際到達M端和N端母線的絕對時間(即對應(yīng)波頭起始點的時間)T_M和T_N可以表示為：
?
式中:T_S為采樣周期；為M端故障暫態(tài)信號中第個采樣點與初始波頭起始點之間的時間差； 為N端故障暫態(tài)信號中第個采樣點與初始波頭起始點之間的時間差。
??? 由式(1)給出的D型現(xiàn)代行波故障測距算法可以改寫為：

??? 式(4)直接利用故障初始行波浪涌波頭起始點對應(yīng)的絕對時刻與測距裝置直接檢測到該行波浪涌到達時絕對時刻之間的相對差值來對測距結(jié)果進行補償，而不必具體計算故障初始行波浪涌波頭起始點對應(yīng)的絕對時刻，這給測距算法的實時應(yīng)用帶來了方便。

4 實測故障分析
4.1 普通交流線路
??? 2000年6月23日17時36分17秒，廣西柳州供電局所管轄的110kV埠屯線(洛埠變—屯秋變)發(fā)生故障。由于屯秋變只有屯埠線和浮屯線(屯秋變—浮石變)兩回110kV線路(線路總長度為90.6km)，為了節(jié)省投資，只對洛埠變和浮石變的線路進行監(jiān)視，其中埠屯線和浮屯線的電流暫態(tài)故障分量波形如圖1所示。根據(jù)D型行波測距原理獲得的故障點位置距洛埠變和浮石變分別為6.3km和84.2 km(顯示在兩端波形窗口上方)，實際故障點距洛埠變6.2km。從圖1可以看出，兩端波形較為復雜，通過單端A型原理不容易獲得可靠的故障距離。

4.2 雙回線路
??? 2002年4月16日4時29分39秒，黑龍江綏化電業(yè)局所管轄的220 kV康綏甲線發(fā)生B相接地故障，故障線路兩側(cè)的電流暫態(tài)故障分量波形如圖2所示。根據(jù)D型行波測距原理獲得的故障點位置距綏化變和康金變分別為9.2km和55km，實際故障點距綏化變8.955km。

4.3 串聯(lián)補償線路
??? 2002年6月3日20時21分24秒，北京供電局所管轄的、帶串聯(lián)電容補償(補償度為35％)的500kV大房雙回線之大房二線發(fā)生故障，故障線路兩側(cè)的電流暫態(tài)故障分量波形如圖3所示。根據(jù)D型行波測距原理獲得的故障點位置距大同二電廠和房山變分別為171.9km和116km，與實際故障點位置的誤差不超過400m。從圖3可以看出，兩端波形均較為復雜。

4.4 直流輸電線路
??? 2002年1月18日14時38分28秒，我國第1條kV直流輸電線路—葛南線在麥元中繼站到上海南橋站之間的區(qū)段內(nèi)發(fā)生故障。原先給定本區(qū)段線路全長為513km，由此根據(jù)D型行波測距原理獲得的故障點位置距麥元側(cè)128.3km。但利用該區(qū)段線路兩端的故障暫態(tài)數(shù)據(jù)進行單端A型行波測距所獲得的故障點位置距麥元站和南橋站分別為123.3km和381.7km。由于通過這兩種原理獲得的故障距離相差太大(為5km)，于是懷疑該區(qū)段線路全長存在較大誤差。利用該區(qū)段線路兩端的A型測距結(jié)果進行校正后的該區(qū)段線路全長為505km，由此重新獲得的D型行波測距結(jié)果為距麥元站124.3km，距南橋站380.6km。該區(qū)段內(nèi)線路兩端的故障暫態(tài)電流(通過專門研制的行波耦合器取得)如圖4所示。實際故障距離為距麥元站123.5km。

5 結(jié)語
??? 本文提出了一種帶補償量的D型雙端行波故障測距算法，并將其用于實際故障產(chǎn)生的電流暫態(tài)波形分析，為現(xiàn)代行波故障測距技術(shù)的進一步推廣奠定了基礎(chǔ)。實測故障分析表明，D型現(xiàn)代行波故障測距原理具有很高的可靠性。由于受線路長度和GPS的影響，D型行波原理的測距誤差稍大于A型行波原理的測距誤差，但一般不會超過1km。

參考文獻

[1] 葛耀中(Ge Yaozhong)．新型繼電保護與故障測距原理與技術(shù)(New Types of Protective Relaying and Fault Location：Theory and Techniques)．西安：西安交通大學出版社(Xi'an: Xi'an Jiaotong University Press)，1996
[2] 徐丙垠(Xu Bingyin)．利用暫態(tài)行波的輸電線路故障測距技術(shù)：［博士學位論文］(Fault location technology of transmission lines based on travelling waves，Ph.D. Dissertation).西安：西安交通大學(Xi'an: Xi'an Jiaotong University)，1991
[3] 徐丙垠，葛耀中，朱錫貴(Xu Bingyin，Ge Yaozhong，Zhu Xigui)．利用暫態(tài)電流行波的輸電線路故障測距技術(shù)(Fault location Based on Fault Generated Current Transients).見：第五次全國繼電保護學術(shù)年會論文集(In: Proceedings of Fifth Protective Relaying Conference).北京(Beijing):1993
[4] 徐丙垠，李 京，陳 平，等(Xu Bingyin, Li Jing, Chen Ping, et al). 現(xiàn)代行波測距技術(shù)及其應(yīng)用(Modern travelling wave based fault location technology and its application).電力系統(tǒng)自動化(Automation of Electric Power Systems)，2001，25(23)
[5] Cory B J, Gale P F. Satellites for Power System Applications. Power Engineering Journal, 1993, 7(5)：201～207
[6] 徐丙垠，李桂義，李 京，等(Xu Bingyin, Li Guiyi, Li Jing, et al). 接收GPS衛(wèi)星信號的電力系統(tǒng)同步時鐘(Synchronous Clock in Power System by Receiving Signal from GPS)，電力系統(tǒng)自動化(Automation of Electric Power Systems)，1995，19(3)
[7] 陳 平，徐丙垠，李 京，等(Chen Ping， Xu Bingyin，Li Jing, et al). 現(xiàn)代行波故障測距裝置及其運行經(jīng)驗(Modern Travelling Wave Based Fault Locator and Its Operating Experience). 電力系統(tǒng)自動化(Automation of Electric Power Systems)，2003，27(6)
[8] 陳 平，徐丙垠，李 京，等(Chen Ping， Xu Bingyin，Li Jing, et al). 現(xiàn)代行波故障測距系統(tǒng)的研制(Development of Modern Travelling Wave Based Fault locating System). 電力系統(tǒng)自動化(Automation of Electric Power Systems)，2003，待刊(To be published)
[9] 葛耀中，董新洲，董杏麗(Ge Yaozhong，Dong Xinzhou，Dong Xingli)．測距式行波距離保護的研究(一)(Travelling Wave-Based Distance Protection With Fault Location：Part One)．電力系統(tǒng)自動化(Automation of Electric Power Systems)，2002，26(6)
[10] 董杏麗，葛耀中，董新洲(Dong Xingli，Ge Yaozhong，Dong Xinzhou)．測距式行波距離保護的研究(二)(Travelling Wave-Based Distance Protection With Fault Location：Part Two)．電力系統(tǒng)自動化(Automation of Electric Power Systems)，2002，26(9)
[11] 陳 平，葛耀中，徐丙垠，等(Chen Ping，Ge Yaozhong , Xu Bingyin，et al). 現(xiàn)代行波故障測距原理及其在實測故障分析中的應(yīng)用(一)(Modern Travelling Wave Based Fault location Principle and Its Applications to Actual Fault Analysis: Part I). 繼電器(Relay)，待刊(To be published)
[12] 王元虎，周東明(Wang Yuanhu, Zhou Dongming).衛(wèi)星時鐘在電網(wǎng)中應(yīng)用的若干技術(shù)問題(Some Technical Problems of Satellite Clock Applied on Power Network).中國電力(Electric Power)，1998，31(2)