孔德志，楊遠航，盧佳，石恒初，游昊，趙明，陳璟，張哲銘

（1.云南電力調(diào)度控制中心，昆明 650011；2. 云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，昆明 650217）

0 前言

開展線路故障分析，如故障雙端測距、保護動作行為分析等，往往需要綜合利用線路兩側(cè)故障錄波信息且要求必須是基于“同一時刻”下采樣數(shù)據(jù)[1-4]。但線路兩側(cè)故障錄波屬非同源故障錄波，由于兩側(cè)裝置對時差異、啟動時刻不同步等因素，其錄波數(shù)據(jù)采樣往往互相不同步，給后續(xù)故障分析帶來阻礙。

目前解決非同源錄波數(shù)據(jù)同步的方法主要有自帶時標對齊法和判斷故障起始時刻對齊法。自帶時標對齊法受制于時鐘同步精度[5-8]等外部因素，可靠性差，且由于不同故障錄波裝置感受到故障電流大小不同，裝置啟動時刻往往有較大差異，很難滿足工程應(yīng)用需要[9-12]。判斷故障起始時刻對齊法基于不同故障裝置“同一時刻”感受到故障的特點進行數(shù)據(jù)同步，具有自主、靈活的優(yōu)點，更適合實際運用，但實際故障起始時刻通常伴隨復(fù)雜電磁暫態(tài)過程，錄波采樣容易出現(xiàn)較大離散偏差，僅依據(jù)故障起始時刻識別可能出現(xiàn)較大誤差。以1 kHz采樣率的錄波數(shù)據(jù)為例，僅1個采樣點的判斷誤差，兩側(cè)數(shù)據(jù)將產(chǎn)生18°相角的偏離，對后續(xù)故障分析產(chǎn)生嚴重影響。

為此，本文提出一種綜合利用故障起始時刻和線路兩側(cè)電壓電流相位關(guān)系的同步方法。以故障分量出現(xiàn)時刻判別出故障起始時刻，作為初始數(shù)據(jù)同步時刻，再利用電壓電流間的相位關(guān)系對初始數(shù)據(jù)同步時刻進行修正，提高同步準確性。

1 初始同步

故障分量僅在故障狀態(tài)下出現(xiàn)，故障分量出現(xiàn)時刻即為故障起始時刻。

1.1 故障分量提取

根據(jù)疊加原理，故障后電氣量可視為故障分量與正常負荷分量的疊加，如圖1所示。

圖1 疊加原理示意圖

故障點F可視為疊加了一個反向的故障前電壓Uf[0]，圖1（a）所示故障狀態(tài)可以當(dāng)作是圖1（b）、圖1（c）所示狀態(tài)的疊加，圖中，Um、Un、Im、In分別為線路M、N兩側(cè)各自實際錄波測量量，Uml、Unl、Iml、Inl分別為線路M、N兩側(cè)正常負荷分量，Umg、Ung、Img、Ing分別為線路M、N兩側(cè)故障分量，即可求出故障分量：

1.2 故障起始時刻定位

提取故障分量后，根據(jù)故障分量出現(xiàn)時刻即可定位出故障起始時刻，并作為初選數(shù)據(jù)同步時刻。

以某線路A相接地故障后，M側(cè)線路故障錄波及提取故障分量如圖2所示。

圖中，T0時刻故障分量開始出現(xiàn)，此時刻即故障起始時刻。

同理，對N側(cè)故障錄波識別出T0時刻，以此時刻作為數(shù)據(jù)同步時刻，可實現(xiàn)兩側(cè)故障錄波數(shù)據(jù)同步。同步后，故障零序電流錄波如圖3所示。

圖3 同步后線路兩側(cè)故障零序電流

從同步后故障錄波還可以看出，故障時刻零序分量采樣值過小以及諧波影響等因素，可能使得兩側(cè)故障錄波對故障起始時刻的判別出現(xiàn)偏差，這說明，僅利用故障分量出現(xiàn)時刻并不能十分精確的判斷出故障起始時刻，無法將非同源錄波數(shù)據(jù)精確同步。

2 利用電壓電流相位特征精確同步

下文將分別對故障前、中、后三個不同階段相位特征及校正方法進行敘述。

2.1 基于故障前錄波相位特征的校正方法

故障前的錄波為正常運行方式下電壓、電流，滿足以下關(guān)系特征：

2.1.1 電壓相位關(guān)系

設(shè)線路有功潮流為P，線路兩側(cè)電壓相位為δ，線路兩側(cè)電壓幅值分別為UM、UN，線路正序阻抗為Z1，則可求取線路兩側(cè)電壓相位差δ為：

線路有功功率總是由電壓相位超前一側(cè)流向電壓相位滯后一側(cè)。根據(jù)求取電壓相角差，可對初選同步時刻進行校正。

2.1.2 電流相位關(guān)系

正常運行工況下，線路電流I包含兩部分：線路電容電流IC和負荷電流IL。其中，電容電流IC由線路兩側(cè)經(jīng)線路流入大地，分別計為ICM和ICN，負荷電流IL由線路一側(cè)流向另一側(cè)，如圖4 所示，線路電流相量關(guān)系如圖5所示。

圖4 線路電流示意圖

圖5 線路電流相量關(guān)系

可求取線路兩側(cè)電流相位差φ為：

通常，線路每百公里電容電流可按表1所示典型值選取。

表1 線路每百公里電容電流典型值

根據(jù)求取電流相角差，可對初選同步時刻進行校正。

2.2 零、負序電流相位特征校正方法

根據(jù)故障分量原理，負序和零序電源存在于故障點處，如圖6所示。

圖6 故障分量電壓分布

從故障點往線路兩側(cè)看，線路M側(cè)負序綜合阻抗角∠ZM2和零序綜合阻抗∠ZM0分別與線路N側(cè)負序綜合阻抗角∠ZN2和零序綜合阻抗∠ZN0近似相等，因此，線路兩側(cè)零序iM0、iN0和負序電流iM2、iN2相位近似相等，根據(jù)這一特征可對初選同步時刻進行校正。

需要注意，該特征適用于不對稱短路，若使用零序電流，則只適用于不對稱接地短路。

2.3 零、負序電流相位特征進行同步

圖7 非全相運行時的零、負序網(wǎng)絡(luò)

線路兩側(cè)斷路器單相或兩相跳開后重合閘動作前，線路處于非全相運行狀態(tài)，期間，零、負序網(wǎng)絡(luò)如圖7所示。線路中存在縱向流動的零、負序電流，該電流從非全相運行線路的一端流入，從另一端流出，兩側(cè)電流相位相差180°，利用這一相位特征，可對初選同步時刻進行校正。

需要注意，該特征僅適用于使用單相或綜合重合閘的線路，且故障前線路處于非空載狀態(tài)。

3 方法驗證

以某線路A相接地短路故障為例，實現(xiàn)兩側(cè)故障錄波同步。線路配置光纖差動保護功能，兩側(cè)保護裝置通過光纖通信實現(xiàn)線路兩側(cè)電流采樣高精度同步，可使用保護裝置記錄的差動電流Id_bh來校驗本文所述方法的同步精度，即記錄同步后的線路兩側(cè)故障錄波計算的差動電流Id_tb，觀察Id_bh與Id_tb的偏差，偏差越小則同步精度越高。

線路兩側(cè)錄波故障相電壓、電流和零序電流錄波如圖8所示，由線路保護裝置記錄的差動電流Id_bh=4.73 A（二次值）。

圖8 線路兩側(cè)故障相電壓、電流和零序電流錄波

根據(jù)零序電流出現(xiàn)時刻對兩側(cè)錄波進行初始同步，同步結(jié)果如圖9所示。

圖9 兩側(cè)故障相電流錄波初始同步結(jié)果

基于同步后故障錄波，計算差動電流為：

差動電流偏差：

根據(jù)故障期間，線路兩側(cè)零序電流相位一致的特征進行同步修正，修正后同步結(jié)果如圖10所示。

圖10 兩側(cè)錄波修正后同步

基于同步后故障錄波，計算差動電流為：

差動電流偏差：

對比兩次同步結(jié)果可以看出，基于故障分量出現(xiàn)時刻可以實現(xiàn)線路兩側(cè)故障錄波的基本同步，借助于線路兩側(cè)電氣量的相位特征，可進一步提高同步精度。

4 結(jié)束語

本文提出一種綜合利用故障分量出現(xiàn)時刻和線路兩側(cè)電氣量相位信息進行兩側(cè)錄波數(shù)據(jù)同步的方法。該方法首先通過判斷故障分量出現(xiàn)位置獲取故障起始時刻，根據(jù)故障起始時刻實現(xiàn)兩側(cè)錄波初始同步，再結(jié)合兩側(cè)電氣量特定的相位特征對初始同步結(jié)果進行補償，進一步提高同步精度。實際故障錄波同步案例驗證了本文所提方法的有效性。