摘要：高壓輸電線路故障的準確定位，能夠縮短故障修復時間，提高供電可靠性，減少停電損失，這對于電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定和經濟運行都是十分重要的。本文以現(xiàn)代行波故障測距原理為理論基礎，對目前廣泛應用于電力行業(yè)的XC—2000行波測距系統(tǒng)進行研究，并通過實驗說明行波法在實際中具有顯著的經濟效益和社會效益。

關鍵詞：行波；故障測距；時鐘同步；系統(tǒng)；供電；原理隨著現(xiàn)代電力網絡規(guī)模的日益增大，對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行、監(jiān)控及保護提出了更高的要求。當輸電線路發(fā)生各種故障時，為了盡快找出故障地點，要組織大量的人力和物力，既費時費力又耗資大，況且誤差也大，延遲了送電時間，給電力系統(tǒng)帶來巨大的經濟損失和社會影響。因此，對電力系統(tǒng)輸電線路進行快速準確的故障定位是保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的有效途徑之一。

測量電壓、電流行波在母線與故障點之間的傳播時間可以測量線路故障距離。由于行波的傳播速度接近光速，且不受故障點電阻、線路結構及互感器變換誤差等因素的影響，因此有較高的測量精度[3]。

一、現(xiàn)代行波法故障測距原理

行波法進行故障測距的原理早在50年代就已提出[32]，引起人們的關注。行波測距法的基礎是：行波在輸電線路上有固定的傳播速度（接近光速）。根據這一特點，測量和記錄故障點產生的行波到達母線的時間可以實現(xiàn)精確測距。行波法根據測距原理不同，可分為D型現(xiàn)代行波故障測距、A型現(xiàn)代行波故障測距、F型現(xiàn)代行波故障測距、E型現(xiàn)代行波故障測距。

在這幾類測距方法中，A型、E型和F型為單端測距，不需要線路兩端通訊；D型是雙端測距，需雙端通訊。在早期開發(fā)的輸電線故障測距裝置中，行波法測距在測距精度和可靠性方面明顯優(yōu)于其他方法，在北美、日本和歐洲的部分國家都得到了廣泛的應用[33，34]。1957年發(fā)表的綜述型文獻詳細介紹、分析、比較和評價了各種行波法故障測距，并給出了安裝在美國Bonneville的B型測距裝置1955.1～1955.10的運行紀錄，其最大測距誤差不超過16個桿塔，最小誤差為0，平均誤差為幾個桿塔。

二、基于現(xiàn)代行波法的故障測距系統(tǒng)

（一）系統(tǒng)工作原理

1.系統(tǒng)構成。XC—2000輸電線路行波故障測距系統(tǒng)包括行波采集與處理系統(tǒng)、行波綜合分析系統(tǒng)、遠程維護系統(tǒng)以及通信網絡等4部分，如圖2.1所示。

行波采集與處理系統(tǒng)安裝在廠站端。它采用集中組屏式結構，包括XC-21行波采集裝置、T-GPS電力系統(tǒng)同步時鐘以及當地處理機3部分，如圖3.2所示。XC-21行波采集裝置采用插箱式（4U/19英寸）單CPU（單片機）結構，它包括中央處理單元、高速數據采集單元、高精度時鐘單元及電源等插件，主要負責暫態(tài)電流/電壓信號的采集、緩存以及暫態(tài)啟動，并生成啟動報告，其中包括暫態(tài)行波觸發(fā)時刻（精確到1μs）、觸發(fā)線路、觸發(fā)類型和暫態(tài)電流/電壓波形等信息。T-GPS電力系統(tǒng)同步時鐘內置全球定位系統(tǒng)（GPS）信號接收模塊，它負責給XC-21提供精確秒同步脈沖信號（1PPS）及全球統(tǒng)一時間信息。[4]

2.系統(tǒng)工作原理。在正常運行過程中，XC—21行波采集裝置內的硬件邏輯控制回路對各通道信號按設定的采樣順序和采樣頻率自動進行高速采樣（每個通道的采樣頻率為1MHz）和AD轉換，并將AD轉換結果自動高速寫入當前循環(huán)存儲器（CRAM）中。為了提高系統(tǒng)對相繼暫態(tài)過程的監(jiān)測能力，設置了2套可以相互切換的循環(huán)存儲器，且兩者共用一套讀寫邏輯[43～46]。圖2.1XC-2000行波故障測距系統(tǒng)

當系統(tǒng)所監(jiān)視的任一路暫態(tài)信號瞬時超過設定的硬件門檻值時，高速數據采集單元中模擬比較回路的輸出信號（觸發(fā)信號）將立即凍結高精度時鐘的當前時間信息（微秒級），并激活中央處理單元插件中的采集控制定時電路，經過一定時間（約幾毫秒）后高速數據采集電路自動停止工作，并同時向CPU發(fā)出一外部中斷信號。CPU在暫態(tài)觸發(fā)外部中斷服務程序中讀取本次觸發(fā)的時間信息后釋放高精度時鐘，并對觸發(fā)初始時段的暫態(tài)數據進行處理，以判斷本次觸發(fā)是否有效并確定觸發(fā)線路。如果本次觸發(fā)有效，則置啟動標志。當CPU在主循環(huán)中檢測到啟動標志后即進入故障處理程序，在故障處理程序中將觸發(fā)后系統(tǒng)所記錄的所有暫態(tài)數據以及部分觸發(fā)前的數據轉存到系統(tǒng)存儲區(qū)，進而形成包含暫態(tài)波形數據在內的啟動報告，然后通過串行口向當地處理機發(fā)出主動上報信號。[5]

在XC—21行波采集裝置中，由于采用獨特的軟、硬件設計，使得高速數據采集過程不受CPU的干預，從而解決了高速采集與CPU低速處理之間的矛盾。當地處理機接收到來自XC—21中央處理單元的主動上報信號后進入故障處理程序。[6]

系統(tǒng)在故障處理程序中讀取XC—21中央處理單元中的暫態(tài)啟動報告，并通過公共電話網與線路對端所在變電所內的行波采集與處理系統(tǒng)交換啟動數據，進而自動顯示行波故障測距結果，包括故障發(fā)生時間、故障線路名稱、故障類型、故障距離等信息，然后向值班人員發(fā)出告警信號，并向行波綜合分析系統(tǒng)報告。當地處理機還能夠接收通過鍵盤輸入以及通過行波綜合分析系統(tǒng)下發(fā)的、由故障線路對端的行波采集與處理系統(tǒng)所記錄的故障暫態(tài)觸發(fā)時間，并自動計算和顯示雙端行波故障測距結果。

當地處理機中的故障測距結果和暫態(tài)波形數據以標準數據庫的形式存放在系統(tǒng)硬盤中，并可隨時接受行波綜合分析系統(tǒng)和遠程維護系統(tǒng)的查詢及調用。

三、實驗測試及結果分析

1.實驗模塊及參數設定。設輸電線路單位參數分別如下：

正序參數：零序參數：

R1=0.0208Ω/kmR0=0.1148Ω/km

L1=0.8984mH/kmL0=2.2886mH/km

C1=0.0129μF/kmC0=0.00523μF/km

通過以上參數的設定，現(xiàn)在進行試驗，能測量出故障的距離。設x為測量距離；D為實際故障距離；l為輸電線路全長距離；γ為相對誤差。則可得相對誤差公式為：

相對誤差γ（%）=實際故障距離-測量距離線路長度×100% （3-1）

2.實驗內容及測試結果?，F(xiàn)在以220kV浠水張家灣變張路線為例，將軟件測距的結果與實際巡線的結果進行比較。

（1）4月1日13：48分16秒220KV浠水張家灣變張路線零序Ⅰ段動作，實際巡線發(fā)現(xiàn)故障點在離張家灣變側7.2km處。而我們用軟件分析出的距離為距張家灣側7.4km處，相差200m，如圖3.1所示。圖4.3雙端分析的故障波形圖及測距結果

（2）4月1日14：27分220kV浠水張家灣變張路線距離Ⅱ段和零序Ⅱ段動作。實際巡線發(fā)現(xiàn)故障點在距張家灣側23.5km處。通過軟件分析得到得結果是在張家灣側23.7km處，此次結果相差為200m；

（3）4月1日14：29分220kV浠水張家灣變張路線距離Ⅱ段。實際巡線發(fā)現(xiàn)故障點在距張家灣側22.1km處。通過軟件分析得到得結果是在張家灣側22.2km處，此次結果相差為100m；。

將以上所測得結果及與實際故障發(fā)生點的比較，利用式（3-1）算出其間的絕對誤差和相對誤差如表3.1所示

表3.1測距結果比較故障發(fā)生時間實際測距軟件分析絕對誤差相對誤差4月1日13：487.2km7.4km200m0.5602%4月1日14：2723.5km23.7km200m0.5602%4月1日14：2922.1km22.2km100m0.2801%由上述分析可見，該行波測距裝置具有以下優(yōu)點：

①精度較高，能快速和準確地進行故障定位，因此該裝置能縮短故障巡線時間和停電修復時間；

②該裝置僅采用電流行波，因而構成簡單；

③能夠同時監(jiān)測多回輸電線路，裝置利用率高；

④與阻抗法相比，能夠保證測距的準確性。

該裝置一方面極大地提高了黃岡市、縣電網供電可靠性。另一方面，可減少因停電而產生的經濟損失，因此具有顯著的經濟效益和社會效益。

四、結語

通過本文的論述及現(xiàn)場實驗可知，XC系列行波測距系統(tǒng)的改進對現(xiàn)代行波故障測距系統(tǒng)精度的提高有幫助，為解決長期以來困擾線路故障查找難的問題發(fā)揮了一定的作用。另外，行波的傳輸速度是在光速的條件下進行的，而實際的波速是受氣候、地質條件等許多復雜因素的影響，因此波速的不確定性也會影響測距的可靠性，尚需加以解決。（作者單位：湖北黃岡職業(yè)技術學院）

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