董新洲，羅澍忻，施慎行，王 賓，王世勇，崔 柳，王 珺，任 立，姜 博，許 飛，鄔捷龍，劉 峰，粟小華，張言蒼，郭效軍，蘭金波，錢國明

（1.清華大學(xué) 電機(jī)系 電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備控制和仿真國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084；2.國網(wǎng)陜西省電力公司，陜西 西安 710048；3.國家電網(wǎng)公司西北分部，陜西 西安 710048；4.國電南京自動化股份有限公司，江蘇 南京 210032）

0 引言

超/特高壓輸電系統(tǒng)的發(fā)展，對于繼電保護(hù)動作速度的要求越來越高，傳統(tǒng)的基于工頻量的繼電保護(hù)原理難以滿足其要求。行波保護(hù)原理由于其快速動作的特性，且不受線路分布電容電流、電流互感器飽和的影響，在超/特高壓輸電線路上有廣泛的應(yīng)用前景。

早在20世紀(jì)70年代，基于行波原理的保護(hù)技術(shù)包括行波距離保護(hù)[1]、行波差動保護(hù)[2]、行波縱聯(lián)方向保護(hù)[3-5]等就已經(jīng)被提出，且在國內(nèi)外有相應(yīng)的保護(hù)裝置投入現(xiàn)場試運(yùn)行。但由于當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平限制，保護(hù)裝置的整體可靠性較差，在現(xiàn)場運(yùn)行中出現(xiàn)了誤動的情況[6]，最終以失敗告終。

近年來，隨著高速數(shù)據(jù)采集技術(shù)、小波變換技術(shù)和GPS技術(shù)的成熟和應(yīng)用，利用行波故障信息構(gòu)造故障測距和繼電保護(hù)的研究再次掀起高潮[7-8]。特別地，伴隨著基于電流行波的輸電線路故障測距技術(shù)獲得大面積成功應(yīng)用，研究者把目光聚焦到具有優(yōu)良性能的行波保護(hù)研究上來。由于對于可靠性和快速性的要求不同，目前的行波故障測距技術(shù)只采用電流行波，但這對于構(gòu)造高可靠性的行波保護(hù)是不夠的，電壓行波信息不可或缺。

行波距離保護(hù)由于線路對端母線和相鄰線路反射波的影響，故障點(diǎn)反射行波的可靠識別是一個(gè)難題。而且對于距離保護(hù)算法，測距誤差的存在使得行波距離保護(hù)無法保護(hù)線路全長。行波差動保護(hù)利用線路本端與對端的電壓、電流信息構(gòu)成保護(hù)算法，線路兩端的數(shù)據(jù)需要同步，通信數(shù)據(jù)量較大，對線路通道的要求較高。且電壓行波受到電容式電壓互感器 CVT（Capacitor Voltage Transformer）特性的限制，難以獲得滿意的保護(hù)特性。

行波縱聯(lián)方向保護(hù)技術(shù)由于其只利用本端的電壓、電流信息構(gòu)成故障方向判據(jù)，只需線路通道傳遞故障方向信息，對通道的要求較低，具有較高的實(shí)用性。但是，由于CVT的特性限制，電壓行波的高頻分量無法有效地獲取，使得行波縱聯(lián)方向保護(hù)技術(shù)亦無法真正實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場應(yīng)用。

極化電流行波方向繼電器（PCTDR）[9]基于行波在不同頻帶下的極性一致性特點(diǎn)[10]，采用電流行波作為動作量、電壓行波的低頻分量作為極化量，構(gòu)造出方向保護(hù)元件。該繼電器在實(shí)驗(yàn)室測試中取得了較好的動作性能，且在考慮線路并聯(lián)電抗器和串補(bǔ)電容器的情況下都能可靠動作[11-12]。2012年，基于極化電流行波方向繼電器的行波方向比較式縱聯(lián)保護(hù)在國網(wǎng)西北750 kV輸電線路上成功投運(yùn)。

本文首先簡要介紹了極化電流行波方向繼電器和基于該繼電器的行波方向比較式縱聯(lián)保護(hù)原理和裝置，然后介紹了保護(hù)裝置在西北電網(wǎng)750 kV線路上的應(yīng)用情況，并對裝置在掛網(wǎng)試運(yùn)行期間發(fā)生的一起區(qū)外故障進(jìn)行了分析。分析結(jié)果表明，該行波保護(hù)裝置能夠可靠地識別并正確判斷故障方向，保護(hù)原理的正確性和裝置的可靠性得到了驗(yàn)證。該保護(hù)技術(shù)的成功運(yùn)行，從原理和技術(shù)2個(gè)層面證明了行波保護(hù)是可行、可用的超/特高壓線路保護(hù)方案，對于解決超/特高壓輸電線路保護(hù)特殊問題具有特別重要的價(jià)值。

1 行波方向比較式縱聯(lián)保護(hù)原理

本文所實(shí)現(xiàn)的行波方向比較式縱聯(lián)保護(hù)技術(shù)基于極化電流行波方向繼電器構(gòu)成，該方向繼電器采用電壓行波低頻分量的極性和電流行波高頻分量的極性構(gòu)成極性比較式方向保護(hù)。

當(dāng)輸電線路發(fā)生故障時(shí)，線路上將產(chǎn)生故障行波并向兩端傳播。對于正向和反向故障，保護(hù)安裝處所測量到的電壓、電流初始行波極性特征不同。正向故障時(shí)，電壓初始行波與電流初始行波的極性相反；反向故障時(shí)，二者的極性相同[3，13]，如下式所示。

上式中，對于三相系統(tǒng)，采用凱倫貝爾變換對三相電壓、電流進(jìn)行解耦，如式（1）、（2）所示。

其中，ua、ub、uc和 ia、ib、ic分別為三相電壓和電流；uα、uβ、uγ和 iα、iβ、iγ分別為 α、β、γ 線模分量的電壓和電流。

對于電壓、電流各個(gè)線模分量進(jìn)行小波變換，并取電壓低頻尺度和電流高頻尺度下的初始模極大值，故障方向判據(jù)如式（3）所示。

其中，MIα、MIβ、MIγ為各線模電流的初始模極大值；MUα、MUβ、MUγ為各線模電壓的初始模極大值。

當(dāng)存在任一線模電壓與線模電流的極性相反時(shí)，判斷為正向故障；反之則判斷為反向故障。線路兩端通過通信通道構(gòu)成縱聯(lián)方向保護(hù)，當(dāng)線路兩端都判斷為正向故障時(shí)，判定為線路區(qū)內(nèi)故障，兩端保護(hù)裝置發(fā)出跳閘信號。

2 保護(hù)裝置

基于該縱聯(lián)保護(hù)技術(shù)所研制的行波保護(hù)裝置總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。該保護(hù)裝置由4個(gè)子模塊組成：電壓/電流變換模塊，行波保護(hù)板模塊，工頻保護(hù)板模塊和監(jiān)控板模塊。電壓/電流變換模塊把互感器二次側(cè)的大電壓、大電流變換為小信號，由行波數(shù)據(jù)采集回路將電壓、電流數(shù)據(jù)采樣為數(shù)字量，行波保護(hù)板和工頻保護(hù)板進(jìn)行保護(hù)算法邏輯的判斷，最終發(fā)出跳閘或者告警信號。監(jiān)控板負(fù)責(zé)裝置的界面顯示、人機(jī)接口、后臺通信等功能。裝置的具體實(shí)現(xiàn)方案在文獻(xiàn)[14]中已有詳細(xì)敘述，本文不再贅述。

圖1 基于極化電流行波方向繼電器的行波方向比較式縱聯(lián)保護(hù)裝置總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Overall structure of PCTDR-based directional comparison pilot protection

該裝置在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下使用行波保護(hù)測試儀[15]進(jìn)行了大量的動模實(shí)驗(yàn)測試，并通過了電力工業(yè)電力設(shè)備及儀表質(zhì)量檢驗(yàn)測試中心的型式試驗(yàn)測試。測試內(nèi)容包括快速瞬變干擾試驗(yàn)、靜電放電干擾試驗(yàn)、射頻傳導(dǎo)騷擾試驗(yàn)、工頻磁場抗擾度試驗(yàn)、工頻抗擾度試驗(yàn)、脈沖群干擾試驗(yàn)、浪涌（沖擊）試驗(yàn)、低溫試驗(yàn)、高溫試驗(yàn)、過載能力試驗(yàn)、電源影響試驗(yàn)、絕緣電阻試驗(yàn)和介質(zhì)強(qiáng)度試驗(yàn)13項(xiàng)型式試驗(yàn)項(xiàng)目[16]。在測試中該保護(hù)裝置采樣正常、工作正常，具有良好的抗電磁干擾的特性，對于干擾能夠保證不誤動，對于故障能夠可靠動作，符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 現(xiàn)場概況

研制的行波方向比較式縱聯(lián)保護(hù)裝置于2012年7月開始在西北750 kV電網(wǎng)試運(yùn)行。系統(tǒng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)如圖2所示，保護(hù)裝置安裝在乾縣—信義Ⅰ線上，乾縣變電站共有8回進(jìn)出線，信義變電站共有4回進(jìn)出線?，F(xiàn)場屏柜裝置已穩(wěn)定運(yùn)行2.5 a，運(yùn)行期間未發(fā)生過硬件故障或軟件異常告警，沒有發(fā)生誤動或者拒動的情況，整體運(yùn)行情況良好。

圖2 750 kV系統(tǒng)Fig.2 750 kV system

3.2 故障錄波波形

2012年8月25 日，在裝置掛網(wǎng)線路區(qū)外洛川—榆橫Ⅱ線上發(fā)生了一起B(yǎng)相單相接地故障，洛川變電站的差動保護(hù)和工頻變化量距離保護(hù)動作。位于乾縣變電站的行波保護(hù)裝置判斷為正向故障，故障錄波波形見圖3。裝置電流采樣率為500 kHz，錄波長度為250 μs；電壓采樣率為20 kHz，錄波長度為故障前20 ms加上故障后1 ms數(shù)據(jù)，以便獲取電壓的故障分量。位于信義變電站的保護(hù)裝置判斷為反向故障，由于裝置的參數(shù)設(shè)置，對反向故障并不進(jìn)行故障錄波。圖3中，故障時(shí)刻為0時(shí)刻，B相電壓在故障后降低，而A、C相電壓并無明顯變化。三相電流均出現(xiàn)明顯的振蕩分量，B相電流初始行波極性與A、C兩相電流相反，符合B相單相接地故障的特征。

圖3 乾縣變電站故障錄波波形Fig.3 Fault recording waveforms of Qianxian substation

3.3 電壓波形與CVT特性分析

由于CVT特性的影響，故障電壓波形不含有高頻分量，故障后的電壓波形較為平滑。CVT的幅頻特性如圖4所示。在10 Hz～2 kHz的頻率范圍內(nèi)，CVT能夠無衰減地傳變電壓信號。但是，對于2 kHz以上的電壓頻率分量，經(jīng)過CVT到達(dá)二次側(cè)的電壓都存在一定程度的衰減，這使得電壓行波高頻分量無法應(yīng)用于行波保護(hù)中。通過在EMTP/ATP中建立CVT的等效模型[17]，仿真得出了CVT一次側(cè)和二次側(cè)的電壓波形，如圖5所示?？梢钥闯?，由于CVT特性的影響，二次側(cè)電壓波形的高頻分量消失，不存在一次側(cè)電壓中較為明顯的行波突變信號，整體波形變得較為平滑。

圖4 CVT的幅頻特性Fig.4 Amplitude-frequency characteristic of CVT

圖5 CVT一次側(cè)和二次側(cè)的電壓波形Fig.5 Voltage waveforms at primary and secondary sides of CVT

3.4 電流波形與電流互感器特性分析

從圖3中的故障電流波形可見，故障電流存在著較為明顯的衰減振蕩分量，振蕩頻率約為40 kHz，這是由于電流互感器二次側(cè)的控制電纜特性會對電流行波產(chǎn)生影響。電流互感器及其二次側(cè)控制電纜的等效模型[18]見圖6。

圖6 電流互感器及其二次側(cè)電纜的等效電路Fig.6 Euivalent circuit of CT and its secondary-side cable

其中，Rs=R2+RC+RL；Ls=L2+LC。

該系統(tǒng)為二階系統(tǒng)，可以寫成如下標(biāo)準(zhǔn)形式：

圖中，R1、L1和 R2、L2分別為一次側(cè)和二次側(cè)的電阻、電感；Lm和Rm分別為電流互感器鐵芯的勵磁電感和損耗電阻；LC、RC分別為二次側(cè)電纜的等效電感和電阻；I1、I2分別為電流互感器一次側(cè)和二次側(cè)的電流。對于高頻的電流行波分析，需要考慮二次側(cè)對地雜散電容C2s的影響。由于二次側(cè)電纜較短，可以忽略電纜的分布電容，采用集中參數(shù)的RL線路模型。由于Lm的數(shù)值相比其他元件大得多，因此在具體計(jì)算中可以忽略Lm，而不影響計(jì)算結(jié)果的精度。根據(jù)圖6可以推出電流互感器回路的傳遞函數(shù)，如式（4）所示。

根據(jù)電流互感器的實(shí)際參數(shù)，可以得到ξ＜1。因此，電流互感器回路為二階欠阻尼系統(tǒng)。對于故障行波電流，可以看作一階躍函數(shù)I0ε（t），計(jì)算得到二次側(cè)電流的時(shí)域表達(dá)式為：

從式中可以看出，二次側(cè)電流在階躍電流的基礎(chǔ)上疊加了一衰減振蕩分量，如圖7所示。

圖7 電流互感器一次側(cè)和二次側(cè)的電流波形Fig.7 Current waveforms at primary and secondary sides of CT

3.5 故障結(jié)果分析

對于故障錄波波形進(jìn)行相模變換，并計(jì)算各個(gè)模量的小波變換及其對應(yīng)尺度的模極大值。電流取小波變換第3尺度，對應(yīng)頻率為31.25～62.5 kHz；電壓取小波變換第4尺度，對應(yīng)頻率為0.625～1.25 kHz。α模量和β模量電壓、電流及其小波變換模極大值如圖8、9所示，模極大值的數(shù)值如表1所示。可以看出，電壓和電流的初始模極大值極性相反，保護(hù)判斷為正向故障。γ模量由于幅值較小，未超過設(shè)定的閾值，不進(jìn)行方向判斷。

圖8 電壓模量及其小波變換模極大值Fig.8 Voltage modulus and its wavelet transform maximum

圖9 電流模量及其小波變換模極大值Fig.9 Current modulus and its wavelet transform maximum

表1 各模量電壓和電流計(jì)算結(jié)果Table1 Calculated results of different voltage and current moduli

4 結(jié)論

本文介紹了基于極化電流行波方向繼電器的行波方向比較式縱聯(lián)保護(hù)技術(shù)及其保護(hù)裝置在750 kV輸電線路中的應(yīng)用情況，得到以下結(jié)論。

a.該行波縱聯(lián)保護(hù)裝置在西北電網(wǎng)750 kV系統(tǒng)中掛網(wǎng)試運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了行波方向比較式縱聯(lián)保護(hù)技術(shù)在現(xiàn)場中的應(yīng)用。裝置運(yùn)行結(jié)果良好，運(yùn)行期間沒有發(fā)生誤動和拒動情況。

b.通過故障錄波波形分析CVT和電流互感器的行波傳變特性對故障電壓、電流波形的影響，CVT對電壓高頻分量有較大的衰減，電流互感器及二次側(cè)控制電纜會使電流行波產(chǎn)生衰減振蕩，但不影響初始行波的極性。

c.運(yùn)行期間保護(hù)線路區(qū)外發(fā)生一起B(yǎng)相單相接地故障，保護(hù)裝置給出了正確的動作結(jié)果，驗(yàn)證了保護(hù)原理的正確性和裝置的可靠性。