錢(qián) 海，賈松江，李治兵，石志堅(jiān)

（1.遼寧省電力有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110006；2.北京博電新力電氣股份有限公司，北京100083）

0 引言

輸電線路行波測(cè)距技術(shù)因其不受故障類型、過(guò)渡電阻、電力系統(tǒng)運(yùn)行方式等因素的影響，可實(shí)現(xiàn)線路故障的精確定位，從而被廣泛推廣于工程應(yīng)用中。特別是雙端測(cè)距法，利用故障行波傳到線路兩側(cè)的第一波頭時(shí)間信息，并借助通信通道實(shí)現(xiàn)故障的準(zhǔn)確定位[1-3]，具有簡(jiǎn)單、可靠、精度高等優(yōu)點(diǎn)。迄今為止，對(duì)行波測(cè)距原理的分析[4-6]和行波測(cè)距裝置的檢驗(yàn)主要集中在數(shù)字仿真驗(yàn)證和簡(jiǎn)單的啟動(dòng)性測(cè)試這兩個(gè)方面。而實(shí)際上，電網(wǎng)會(huì)時(shí)時(shí)刻刻遭受各種干擾，運(yùn)行數(shù)據(jù)也千變?nèi)f化。理想的數(shù)字仿真和電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行還有一定的差異[7-8]?；跉v史故障波形的行波測(cè)距裝置檢驗(yàn)方法是把電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行的歷史故障行波波形作為測(cè)試波形，將其轉(zhuǎn)換成模擬行波電流，并借助高精度GPS 同步技術(shù)[9]，將模擬電流輸入待測(cè)線路兩側(cè)的行波測(cè)距裝置；故障測(cè)距系統(tǒng)主站根據(jù)線路兩側(cè)采集到的行波波形和時(shí)間信息計(jì)算測(cè)距結(jié)果；將測(cè)距結(jié)果與測(cè)試電流預(yù)設(shè)的故障點(diǎn)距離對(duì)比，以此來(lái)檢驗(yàn)行波測(cè)距裝置的運(yùn)行狀態(tài)和測(cè)距精度?；跉v史故障波形的行波測(cè)距裝置檢驗(yàn)方法更具有實(shí)際意義。

1 雙端測(cè)距原理

雙端測(cè)距原理是利用故障初始行波到達(dá)線路兩端的時(shí)間差計(jì)算故障距離，原理示意圖如圖1。

故障點(diǎn)距M 端距離表達(dá)式為

XM=[(TM-TN)V+L]/2

圖1 雙端測(cè)距原理圖Fig.1 Schematic of double-ended fault location

其中：XM為故障距離，即線路M 端至故障點(diǎn)Ki的距離；TM、TN為初始故障行波分別到達(dá)M 端和N端的時(shí)刻；V為行波在線路上傳播的波速；L為線路總長(zhǎng)。

由于雙端測(cè)距法只需要捕捉故障行波的第一個(gè)波頭，所以其具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：1）相對(duì)其他行波測(cè)距法而言，對(duì)故障電流的采樣要求低；2）只需記錄故障發(fā)生后幾毫秒以內(nèi)的波形，可以節(jié)省大量的存儲(chǔ)空間；3）對(duì)故障電流工頻分量和暫態(tài)分量的分離和提取易行，在對(duì)波形進(jìn)行小波變換后，可以迅速提取故障發(fā)生的時(shí)間信息；4）不需要考慮母線對(duì)行波的反射、故障點(diǎn)對(duì)行波的透射、波形過(guò)度衰減等因素的影響；5）能夠單獨(dú)使用。

隨著相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展成熟，雙端測(cè)距法已經(jīng)在實(shí)際工程中得到廣泛應(yīng)用，并積累了大量的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

2 利用故障波形對(duì)行波測(cè)距裝置的檢驗(yàn)

利用故障波形對(duì)行波測(cè)距裝置的檢驗(yàn)是通過(guò)GPS 同步觸發(fā)的方式向待測(cè)線路兩側(cè)的行波故障測(cè)距裝置輸入歷史故障行波模擬電流，模擬故障點(diǎn)行波電流向線路兩側(cè)傳播的過(guò)程；故障測(cè)距系統(tǒng)主站根據(jù)線路兩側(cè)采集到的行波波形和時(shí)間信息計(jì)算測(cè)距結(jié)果；將測(cè)距結(jié)果與歷史故障距離對(duì)比，以此來(lái)檢驗(yàn)行波測(cè)距裝置的運(yùn)行狀態(tài)和測(cè)距精度。其原理示意如圖2。

利用故障波形對(duì)行波測(cè)距裝置檢驗(yàn)的原理是依據(jù)雙端測(cè)距法進(jìn)行的。由于行波測(cè)距裝置的錄波波形格式是各生產(chǎn)廠家自定義的私有錄波格式，所以檢驗(yàn)的關(guān)鍵點(diǎn)一就在于將不同格式的歷史故障行波波形的格式轉(zhuǎn)換成高頻電流源可以識(shí)別并轉(zhuǎn)換成模擬電流信號(hào)輸出的通用格式，即電力系統(tǒng)中常用的暫態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式——Comtrade 格式，如此還可以對(duì)安裝于同一線路不同型號(hào)行波測(cè)距裝置進(jìn)行檢驗(yàn)；為模擬故障點(diǎn)行波向線路兩側(cè)傳播的同時(shí)性，檢驗(yàn)的關(guān)鍵點(diǎn)二就在于借助高精度GPS 同步技術(shù)，觸發(fā)雙端的檢驗(yàn)儀同時(shí)輸出歷史故障行波電流。

圖2 雙端測(cè)距檢驗(yàn)原理圖Fig.2 Schematic of double-ended fault location testing

3 歷史故障數(shù)據(jù)的處理

目前國(guó)內(nèi)電力系統(tǒng)對(duì)于超（特）高壓輸電線路要求裝設(shè)兩套同類型的保護(hù)裝置，一套運(yùn)行，一套備用，以確保輸電線路的可靠性、安全性和穩(wěn)定性。行波測(cè)距裝置也屬于這一范疇，因此線路兩端也會(huì)裝設(shè)兩套不同廠家生產(chǎn)的行波測(cè)距裝置，互為彌補(bǔ)、互為備用。而不同廠家的行波測(cè)距裝置故障錄波波形都是以其私有格式記錄下來(lái)的，為方便現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)時(shí)對(duì)不同型號(hào)行波測(cè)距裝置的檢驗(yàn)，有必要開(kāi)發(fā)相應(yīng)的轉(zhuǎn)格式軟件，將各種格式的波形文件轉(zhuǎn)換成一種電力系統(tǒng)通用的暫態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式——Comtrade格式。作為標(biāo)準(zhǔn)，它包含了標(biāo)題文件、配置文件、數(shù)據(jù)文件、信息文件，其中配置文件詮釋了數(shù)據(jù)文件中諸如采樣速率、通道數(shù)量、頻率、通道信息等項(xiàng)；數(shù)據(jù)文件則記錄了每個(gè)采樣所有輸入通道的值。

國(guó)內(nèi)廠家記錄波形的錄波波形記錄方式雖然各有不同，但均含有時(shí)間信息，采樣率信息，信號(hào)幅值信息等參數(shù)，需要對(duì)這些信息進(jìn)行有效的提取。

3.1 時(shí)間信息提取

將各廠家波形文件私有格式中的時(shí)間信息提取出來(lái)，單端的波形信號(hào)保留全部時(shí)間信息，雙端波形信號(hào)選取觸發(fā)時(shí)間早的信號(hào)起始端時(shí)間為故障起始時(shí)間，觸發(fā)時(shí)間晚的波形前段根據(jù)需要疊加直流或工頻正弦信號(hào)波形。做到兩端信號(hào)起始點(diǎn)均從幅值0 開(kāi)始，這樣可以消除由于起始點(diǎn)幅值過(guò)高對(duì)測(cè)距裝置造成誤觸發(fā)的現(xiàn)象。

3.2 采樣率信息的提取

將各廠家波形文件私有格式中的采樣率信息進(jìn)行提取，并根據(jù)高頻行波信號(hào)源的輸出頻率與采樣率信息進(jìn)行計(jì)算得到比例參數(shù)，用于信號(hào)數(shù)據(jù)的插值計(jì)算。

3.3 信號(hào)幅值信息的提取

將各廠家波形文件私有格式中的信號(hào)幅值信息提取出來(lái)。

線性插值是數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等領(lǐng)域廣泛使用的一種插值方法。假設(shè)我們已知坐標(biāo)(x0,y0)與(x1,y1)，要得到[x0,x1]區(qū)間內(nèi)某一位置x在直線上的值。根據(jù)圖3 中所示，我們得到

（y-y0）(x1-x0)=(y1-y0)(x-x0)

圖3 插值算法圖Fig.3 Diagram of interpolation algorith m

假設(shè)方程兩邊的值為α，那么這個(gè)值就是插值系數(shù)—從x0到x的距離與從x0到x1距離的比值。由于x值已知，所以可以從公式得到α的值

α=(x-x0)/(x1-x0)

同樣，

α=(y-y0)/(y1-y0)

這樣，在代數(shù)上就可以表示成為

y= (1-α)y0+αy1

或者

y=y0+α(y1-y0)

這樣通過(guò)α就可以直接得到y(tǒng)。實(shí)際上，即使x不在x0到x1之間并且α也不是介于0 到1 之間，這個(gè)公式也是成立的。在這種情況下，這種方法叫作線性外插。已知y求x的過(guò)程與以上過(guò)程相同，只是x與y要進(jìn)行交換。

針對(duì)仿真波形、故障錄波波形與高速行波信號(hào)發(fā)生裝置設(shè)定的速率具有一定的不統(tǒng)一性，我們參考EMTP 電力系統(tǒng)暫態(tài)仿真數(shù)據(jù)記錄的采樣率及故障錄波裝置采樣率一般只有幾百kHz 到1 MHz，而高速電流源的回放采樣率可以達(dá)到6.25 MHz 甚至更高，因此我們采用線性插值的方法，將測(cè)試用的數(shù)據(jù)文件的采樣率通過(guò)線性插值算法調(diào)整為與高速行波信號(hào)源相同的波形數(shù)據(jù)。使用線性插值算法，具有計(jì)算簡(jiǎn)便，速度快，波形與原始波形畸變小等特點(diǎn)。

3.4 歷史故障測(cè)距結(jié)果

歷史故障行波對(duì)應(yīng)的故障測(cè)距結(jié)果，與波形進(jìn)行回放后得出的測(cè)距結(jié)果相比較，將作為判斷行波故障測(cè)距系統(tǒng)測(cè)距精度的重要參考。

4 高頻行波信號(hào)源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

高頻行波信號(hào)源可根據(jù)提供仿真的信號(hào)，通過(guò)軟件的控制，將信號(hào)文件轉(zhuǎn)換成真實(shí)的故障行波信號(hào)。所以也就要求高頻行波信號(hào)源具有頻率高，幅值大，輸出測(cè)試信號(hào)波形光滑無(wú)毛刺等技術(shù)特點(diǎn)。

通過(guò)多年的線性放大器開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，采用DSP+FPGA 的高速數(shù)字控制系統(tǒng)，通過(guò)高速的DSP處理器，對(duì)控制軟件傳遞的數(shù)據(jù)和命令進(jìn)行高速的解析和分配，并通過(guò)FPGA 并行傳遞給每個(gè)通道，大大節(jié)省了數(shù)據(jù)在接口傳輸中的時(shí)間；采用并行的方式控制多個(gè)通道，避免了不同通道間的干擾和延遲，加快了通道間的信號(hào)響應(yīng)速度，降低了通道間同步性的時(shí)間延遲現(xiàn)象；配合高速DA 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速轉(zhuǎn)換輸出，從而大大提高和改善了高速行波信號(hào)發(fā)生裝置暫態(tài)響應(yīng)速度和幅頻特性；采用高速低溫漂線性運(yùn)算放大器為核心元件構(gòu)成的高速功率放大器具有高可靠性、輸出波形光滑真實(shí)的特點(diǎn)，沒(méi)有開(kāi)關(guān)放大器容易產(chǎn)生的高次諧波，輸出波形無(wú)毛刺、無(wú)電磁污染，是真實(shí)準(zhǔn)確的小電流波形；不同電流通道間完全獨(dú)立控制，裝置輸出信號(hào)帶寬范圍廣，響應(yīng)速度快，可以滿足現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的要求。

5 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果及存在的不足

為了驗(yàn)證本文提出的行波測(cè)距裝置檢驗(yàn)方法，筆者進(jìn)行了多條線路的實(shí)地測(cè)試。圖4、圖5 分別為某一線路M 端高頻電流源輸出的電流波形和行波測(cè)距裝置的錄波波形，圖6、圖7 分別為線路N端高頻電流源輸出的電流波形和行波測(cè)距裝置的錄波波形。其中A、B、C 為三相電流。

由圖可見(jiàn)，行波測(cè)距裝置A、B、C 三相的錄波波形與高頻電流源輸出的行波波形從幅值和波形上均保持一致，證明了被測(cè)線路的雙端行波測(cè)距裝置運(yùn)行正常，可以正常觸發(fā)并記錄故障行波。

圖4 M 端電流源輸出波形Fig.4 Output waveform of M side

圖5 M 端測(cè)距裝置錄波波形Fig.5 Recorded waveform of M side

圖6 N 端電流源輸出波形Fig.6 Output waveform of N side

圖7 N 端測(cè)距裝置錄波波形Fig.7 Recorded waveform of N side

表1 為部分線路現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)，測(cè)距系統(tǒng)主站自動(dòng)獲取的測(cè)距結(jié)果記錄。由表可見(jiàn)，檢驗(yàn)的測(cè)距結(jié)果與歷史故障測(cè)距結(jié)果誤差在500 m 以內(nèi)，證明了被測(cè)線路的行波測(cè)距系統(tǒng)有可靠的測(cè)距精度。

由于歷史故障數(shù)據(jù)是基于線路上真實(shí)發(fā)生過(guò)的故障而獲得的，因此其歷史故障類型、故障點(diǎn)等都是有限的，對(duì)于未發(fā)生過(guò)故障的線路難以獲得檢驗(yàn)用的歷史故障數(shù)據(jù)。但是，對(duì)于同一線路類型、同一故障類型的典型歷史故障波形是否具有測(cè)試通用性，有待在以后的研究中驗(yàn)證。

表1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果Table 1 Results of field test

6 結(jié)論

基于歷史故障波形的行波測(cè)距裝置檢驗(yàn)方法是有效和實(shí)用的，它為檢驗(yàn)行波測(cè)距裝置的運(yùn)行狀態(tài)和測(cè)距精度提供了可靠有效的解決方案，比數(shù)字仿真驗(yàn)證更具實(shí)踐意義。該方法能準(zhǔn)確檢驗(yàn)行波測(cè)距裝置的運(yùn)行狀態(tài)，繼而保障了輸電線路安全穩(wěn)定地運(yùn)行。

本方法已申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利，申請(qǐng)?zhí)枺?01210447940.6，發(fā)明創(chuàng)造名稱：一種行波測(cè)距系統(tǒng)校驗(yàn)方法。

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