雷 明，秦 琴，陳玉林，王國(guó)江，張欣宜

（1.國(guó)網(wǎng)陜西省電力公司，陜西 西安 710048；2.南京南瑞繼保電氣公司，江蘇 南京 211106；3.國(guó)網(wǎng)陜西省電力公司西安供電公司，陜西 西安 710032）

0 引言

傳統(tǒng)輸電線路的故障測(cè)距主要有阻抗法和行波法［1］。阻抗測(cè)距方法容易受到系統(tǒng)運(yùn)行方式、過(guò)渡電阻、衰減直流分量、參數(shù)誤差和互感器傳變誤差的影響，難以實(shí)現(xiàn)精確的故障測(cè)距，但測(cè)距可靠性較高［2］。行波測(cè)距方法具有測(cè)距精度高的優(yōu)點(diǎn)，但存在起動(dòng)和測(cè)距不可靠的問(wèn)題［3-4］。因此，有必要將兩類測(cè)距方法進(jìn)行綜合利用，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)［5-7］。由架空線路和電纜線路組成的混合線路在城市配電網(wǎng)與跨海輸電工程中常有應(yīng)用，由于混接線路參數(shù)不均勻，導(dǎo)致傳統(tǒng)的故障測(cè)距方法和重合閘方法難以直接適用，須進(jìn)行改進(jìn)。文獻(xiàn)［8］提出了一種基于分布參數(shù)模型的混合線路故障測(cè)距新算法，該方法易受到TV／TA 傳變誤差的影響。文獻(xiàn)［9］和［10］采用雙端行波法進(jìn)行混接線路的故障區(qū)段識(shí)別，并采用單端行波測(cè)距法進(jìn)行故障定點(diǎn)，如何準(zhǔn)確可靠識(shí)別混接線路的故障點(diǎn)反射波頭是本方法的一大難點(diǎn)。文獻(xiàn)［11］提出基于分布參數(shù)推導(dǎo)線路電壓分布進(jìn)行故障測(cè)距，并基于故障測(cè)距結(jié)果進(jìn)行重合閘控制，該方法不需要兩側(cè)時(shí)間同步，但其測(cè)距精度有待工程驗(yàn)證，同時(shí)該方法還可能面臨偽根問(wèn)題。為綜合滿足混接線路的繼電保護(hù)、故障測(cè)距和自適應(yīng)重合閘需求，提出一種適合混接線路的線路保護(hù)行波測(cè)距一體化裝置，該裝置借助差動(dòng)保護(hù)的縱聯(lián)通道實(shí)現(xiàn)快速的行波測(cè)距信息交換，實(shí)時(shí)的雙端行波測(cè)距和故障區(qū)段判斷，滿足混接線路自適應(yīng)重合閘的需求。

1 混接線路的測(cè)距和重合閘問(wèn)題

架空線路與電纜組成的混接線路存在工頻參數(shù)和行波參數(shù)不均勻問(wèn)題，相對(duì)于架空線路，電纜部分工頻參數(shù)存在單位電抗值較小、電容值較大現(xiàn)象，且其行波參數(shù)存在波阻抗較小等現(xiàn)象。此外，電纜絕緣介質(zhì)決定了電纜中的行波波速較低，通常為架空線行波波速的1／2～2／3。

工頻參數(shù)的不均勻?qū)€路差動(dòng)保護(hù)影響不大，但對(duì)基于阻抗法的故障測(cè)距有顯著的影響。混接線路情況下，雙端阻抗測(cè)距方法使用的平均線路阻抗與各段的實(shí)際線路阻抗存在差異，從而引起測(cè)距誤差。

行波參數(shù)的不均勻?qū)е略诩芸站€與電纜的交界面會(huì)存在行波折返射問(wèn)題，使得行波初始波頭陡度降低，故障點(diǎn)反射波頭不易識(shí)別。另外，各段線路的行波波速不同，使得行波測(cè)距不能直接使用傳統(tǒng)的單端、雙端行波測(cè)距方法，而是需要根據(jù)實(shí)際的混接線路參數(shù)進(jìn)行分段處理。

架空線路的重合閘可有效消除瞬時(shí)性故障，大大提高輸配電可靠性。但電纜故障通常為永久性故障，因此對(duì)于電纜故障不應(yīng)進(jìn)行重合閘。混接線路的正確重合閘依賴于正確區(qū)分故障所在區(qū)段。基于阻抗法測(cè)距的分析結(jié)果很難保證故障區(qū)段識(shí)別的可靠性。本文采用改進(jìn)的行波方法進(jìn)行故障測(cè)距，可以提升混接線路故障測(cè)距準(zhǔn)確性，提高重合閘可靠性。

2 適用于混接線路的一體化裝置研制

線路保護(hù)行波測(cè)距一體化裝置可實(shí)現(xiàn)輸電線路繼電保護(hù)功能、行波測(cè)距功能和綜合重合閘功能，可以提高裝置的集成度、方便現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維、提高雙端行波測(cè)距覆蓋率、提高故障測(cè)距精度、適應(yīng)混接線路的重合閘需求。一體化裝置的軟硬件融合關(guān)鍵技術(shù)包含以下4 個(gè)方面：

1）共用TA 二次回路技術(shù)。

一體化裝置須采用同時(shí)滿足保護(hù)功能所需的寬量程范圍、行波測(cè)距所需的寬頻帶能力，因此，一體化裝置需要采用具有寬線性范圍、寬頻率范圍的電流互感器，其信號(hào)輸出分為兩路：一路供保護(hù)功能使用，另一路供行波測(cè)距使用?；诒炯夹g(shù)，繼電保護(hù)和行波測(cè)距可共用TA 二次回路，可簡(jiǎn)化TA 二回路布置，降低TA 二次回路負(fù)載。

2）共用站間縱聯(lián)通道技術(shù)。

雙端行波測(cè)距需要進(jìn)行站間行波信息的交換，一體化裝置借用已具備的保護(hù)縱聯(lián)通道及其空余帶寬進(jìn)行行波信息的傳輸。具體而言，是利用保護(hù)通信幀的備用字段實(shí)現(xiàn)行波信息傳輸。為使用有限的備用字段傳輸較長(zhǎng)的行波信息，一體化裝置采用分幀傳輸技術(shù)。在發(fā)送側(cè)，行波模塊將行波信息幀分為多幀發(fā)送，在接收側(cè)由行波模塊對(duì)收到的多幀信息進(jìn)行拼接還原。保護(hù)通信模塊無(wú)須解讀行波信息字段的語(yǔ)義，從而達(dá)到透明傳輸?shù)哪康?，且不影響保護(hù)通信的可靠性。

保護(hù)的站間通信頻次為1 200 Hz，即每0.833 ms交換一次數(shù)據(jù)。一個(gè)完整的行波信息幀包含幀頭（1B）、幀總數(shù)和幀序號(hào)（1B）、故障波頭時(shí)刻對(duì)應(yīng)的世紀(jì)秒（4B）、微秒（4B）、納秒（2B）、故障相別（1B）和對(duì)時(shí)狀態(tài)（1B）、校驗(yàn)碼（1B）?；? 字節(jié)的保護(hù)通信幀備用字段，經(jīng)4 個(gè)周期即可完成一幀行波數(shù)據(jù)的發(fā)送。若保護(hù)通信幀的備用字段有8 個(gè)字節(jié)，則2 個(gè)周期即可完成一次行波信息交互。

3）行波的靈敏、可靠起動(dòng)技術(shù)。

由于行波信號(hào)通常較弱，因此行波起動(dòng)通常設(shè)置得較為靈敏，但也因此容易導(dǎo)致行波誤起動(dòng)。若將起動(dòng)門檻設(shè)置得過(guò)高，則對(duì)于遠(yuǎn)距離或高阻故障，容易導(dǎo)致拒動(dòng)。因此，傳統(tǒng)的行波測(cè)距裝置難以平衡誤動(dòng)和拒動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)。一體化裝置由于含有可靠的繼電保護(hù)功能，因此可以設(shè)置較為靈敏的行波起動(dòng)判據(jù)，同時(shí)充分利用繼電保護(hù)的判別結(jié)果對(duì)行波起動(dòng)結(jié)果進(jìn)行甄別，從而實(shí)現(xiàn)行波的靈敏、可靠起動(dòng)。行波啟動(dòng)判據(jù)采用短數(shù)據(jù)窗、3 次樣條小波基提取瞬態(tài)突變信號(hào)，當(dāng)突變量達(dá)到行波啟動(dòng)門檻后，一體化裝置等待保護(hù)的啟動(dòng)或動(dòng)作信號(hào)進(jìn)行確認(rèn)。對(duì)于一般的故障，保護(hù)功能的工頻變化量判據(jù)和差動(dòng)判據(jù)的啟動(dòng)延遲，延遲時(shí)間在5 ms 以內(nèi)。考慮高阻故障情況下保護(hù)啟動(dòng)的最大滯后性，等待時(shí)長(zhǎng)可設(shè)置為15～30 ms。在等待時(shí)長(zhǎng)內(nèi)被保護(hù)確認(rèn)的行波啟動(dòng)，將被判別為有效啟動(dòng)，否則會(huì)被判別為無(wú)效啟動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)保護(hù)啟動(dòng)與行波啟動(dòng)的可靠對(duì)應(yīng)。

此外，一體化裝置采用基于大容量現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）和雙倍速率同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（Double-rate Synchronous Dynamic Random Access Memory，DDR）二級(jí)緩存技術(shù)，可以對(duì)高速行波數(shù)據(jù)在FPGA 和DDR進(jìn)行實(shí)時(shí)循環(huán)緩存，從而在密集擾動(dòng)時(shí)也能實(shí)現(xiàn)無(wú)死區(qū)記錄。其具體工作機(jī)制是：行波采樣數(shù)據(jù)持續(xù)在FPGA 的內(nèi)存中進(jìn)行環(huán)形緩存，當(dāng)行波啟動(dòng)判據(jù)動(dòng)作時(shí)，啟動(dòng)前后一段時(shí)間的數(shù)據(jù)被搬運(yùn)到DDR 進(jìn)行1024 次的環(huán)形緩存，以便有足夠的時(shí)間進(jìn)行保護(hù)啟動(dòng)確認(rèn)和行波測(cè)距分析。

4）適應(yīng)混接線路的快速故障測(cè)距方法。

保護(hù)測(cè)距通常基于阻抗法，阻抗法測(cè)距法具有魯棒性高的優(yōu)點(diǎn)，但難以直接應(yīng)用于參數(shù)不均勻的混接線路。行波測(cè)距方法精度較高，但有時(shí)存在測(cè)距不可靠的問(wèn)題，特別是單端行波測(cè)距方法。對(duì)于普通均勻輸電線路，一體化裝置可以將兩種測(cè)距方法進(jìn)行有機(jī)融合，以提高測(cè)距可靠性和精度。但對(duì)于混接輸電線路，常規(guī)阻抗法的測(cè)距結(jié)果并不可信，此時(shí)一體化裝置須采用特殊的故障測(cè)距方法適應(yīng)線路參數(shù)的不均勻問(wèn)題，并實(shí)時(shí)、快速地給出故障區(qū)段和測(cè)距結(jié)果（故障發(fā)生后500 ms 內(nèi)給出判別結(jié)果），以便為重合閘提供依據(jù)?；旖泳€路的測(cè)距方法詳見下節(jié)介紹。

3 混接線路的故障測(cè)距方法

3.1 普通均勻線路的故障測(cè)距方法

如圖1 所示，假設(shè)一條普通均勻線路發(fā)生區(qū)內(nèi)故障，故障行波在兩端母線和故障點(diǎn)之間產(chǎn)生多次折反射。設(shè)線路長(zhǎng)度為L(zhǎng)，故障點(diǎn)位置為F，距M 側(cè)長(zhǎng)度為x，行波波速為v，行波到達(dá)M 側(cè)、N 側(cè)的時(shí)間分別如圖1 所示。

圖1 普通均勻線路行波傳輸示意

根據(jù)單端行波測(cè)距原理，可根據(jù)式（1）或（2）計(jì)算出故障位置。

根據(jù)雙端行波測(cè)距原理，可以計(jì)算出故障位置為

對(duì)于普通線路，進(jìn)行多種測(cè)距方法的綜合應(yīng)用，可以提高故障測(cè)距可靠性和精度。單端行波測(cè)距方法需要用到故障點(diǎn)反射波頭時(shí)刻，而故障點(diǎn)反射波頭并不容易識(shí)別。因此，可以利用雙端行波測(cè)距結(jié)果，或者利用單端、雙端阻抗法測(cè)距結(jié)果進(jìn)行范圍限定，提高故障點(diǎn)反射波頭識(shí)別的準(zhǔn)確性。單端行波法不受線路兩側(cè)對(duì)時(shí)偏差的影響，因此若能找到正確的故障點(diǎn)反射波頭，則其測(cè)距結(jié)果較為精確。

3.2 混接線路的故障測(cè)距方法

對(duì)于混接線路，由于線路參數(shù)不均勻，因此雙端阻抗法的結(jié)果通常不可信。若故障落在靠近一側(cè)的連續(xù)線路上，則單端阻抗法的結(jié)果具有一定的參考價(jià)值，但其容易受到過(guò)渡電阻和對(duì)端助增電流的影響。線路參數(shù)不均勻會(huì)導(dǎo)致復(fù)雜的行波折反射，因此單端行波測(cè)距方法不適用。由于雙端行波測(cè)距法只需判別第1 個(gè)故障行波，因此容易實(shí)現(xiàn)，可靠性最高，但對(duì)于混接線路，需要基于傳統(tǒng)的雙端行波法進(jìn)行改進(jìn)，使其能適應(yīng)多段混接線路的行波波速不均勻問(wèn)題。

考慮架空線和電力電纜組成的3 段混接線路，如圖2 所示。

圖2 混接線路行波傳輸示意

設(shè)3 段線路的長(zhǎng)度分別是LA、LB和LC，對(duì)應(yīng)的行波波速分別是vA、vB和vC。設(shè)t0時(shí)刻發(fā)生短路，故障行波到達(dá)M、N 處的時(shí)刻分別為tm1和tn1。故障點(diǎn)位于不同的區(qū)段時(shí)，行波到達(dá)線路兩側(cè)的時(shí)間差td=tm1-tn1不同，故障位置與時(shí)間差對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 故障位置與時(shí)間差對(duì)應(yīng)關(guān)系

混接線路的故障測(cè)距基本步驟為：

1）根據(jù)行波到達(dá)線路兩側(cè)的時(shí)間差，確定故障所在區(qū)段；

2）推導(dǎo)行波到達(dá)該段線路兩側(cè)的時(shí)間差；

3）基于雙端行波測(cè)距原理進(jìn)行故障測(cè)距。

假設(shè)故障點(diǎn)F 位于B 段上，根據(jù)行波在A 段、C段的傳輸耗時(shí)，可推算故障初始行波到達(dá)A 段與B段連接點(diǎn)、B 段與C 段連接點(diǎn)的時(shí)刻，分別為

此時(shí)采用雙端行波測(cè)距方法可得到故障點(diǎn)F 距離M 側(cè)的距離為

當(dāng)故障點(diǎn)位于區(qū)段A 或區(qū)段C 上時(shí)，可采用類似的方法計(jì)算故障位置，不再贅述。

3.3 混接線路的自適應(yīng)重合閘方法

混接線路有自適應(yīng)重合閘的需求，即當(dāng)架空線路上發(fā)生短路故障時(shí)，需要進(jìn)行重合閘，而電力電纜上發(fā)生故障時(shí)，為避免造成電纜的二次損傷，一般不進(jìn)行重合閘。因此，準(zhǔn)確判斷故障所在區(qū)段至關(guān)重要。前述介紹的混接線路故障測(cè)距方法可為自適應(yīng)重合閘提供及時(shí)和準(zhǔn)確的故障區(qū)段信息。

混接線路繼電保護(hù)行波測(cè)距一體化裝置的行波測(cè)距模塊與差動(dòng)保護(hù)共享站間縱聯(lián)通道，裝置實(shí)時(shí)進(jìn)行故障監(jiān)測(cè)、分析計(jì)算和站間數(shù)據(jù)交換。故障發(fā)生后，裝置可以在300 ms 內(nèi)完成故障測(cè)距，給出故障區(qū)段和具體測(cè)距結(jié)果，告知繼電保護(hù)模塊是否進(jìn)行重合閘操作。裝置的測(cè)距處理過(guò)程與耗時(shí)情況如表2 所示。

表2 一體化裝置故障測(cè)距處理過(guò)程與耗時(shí) ms

由于行波測(cè)距模塊使用的站間縱聯(lián)通道實(shí)時(shí)性和可靠性高，且與繼電保護(hù)模塊集成在一體化裝置中，為混接線路的快速故障區(qū)段判別和自適應(yīng)重合閘提供了技術(shù)基礎(chǔ)。需要指出的是，行波故障測(cè)距不可避免地存在誤差，因此應(yīng)在混接線路連接點(diǎn)附近設(shè)置一定長(zhǎng)度的模糊區(qū)，故障測(cè)距結(jié)果落入此模糊區(qū)時(shí)，不應(yīng)進(jìn)行重合閘。為避免重合于電纜區(qū)段上的故障，模糊區(qū)長(zhǎng)度可留有一定裕量，按500～1 500 m 設(shè)計(jì)。

4 仿真測(cè)試

為驗(yàn)證所提出的混接線路故障測(cè)距和自適應(yīng)重合閘方法的準(zhǔn)確性，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室故障信號(hào)回放測(cè)試。利用PSCAD 對(duì)某500 kV 混接輸電線路進(jìn)行故障仿真，仿真采樣率為1 MHz。線路全長(zhǎng)53 km，由3 段組成，第1 段為3 km 的架空線，第2 段為17 km 的電力電纜，第3 段為33 km 的架空線。該混接線路的仿真參數(shù)如表3 所示。

利用行波測(cè)距校驗(yàn)儀對(duì)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行故障回放，測(cè)試一體化裝置的行波測(cè)距性能，得到各種典型故障情況下的測(cè)距結(jié)果如表4 所示。

故障波形回放測(cè)試表明，混接線路的線路保護(hù)行波測(cè)距一體化裝置可以正確定位故障區(qū)段和位置，測(cè)距誤差小于500 m，滿足混接線路自適應(yīng)重合閘需求。圖3 為本混接線路現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生的一次實(shí)際瞬時(shí)性故障的行波錄波。

表3 混接線路仿真參數(shù)

表4 混接線路故障測(cè)距結(jié)果

圖3 中iaN、ibN、icN為第1段首端三相電流，iaM、ibM、icM第3 段末端三相電流。此次故障為發(fā)生于第3段線路上（架空線），靠近第2 段線（電力電纜），故障相為B 相。由于為瞬時(shí)性故障，現(xiàn)場(chǎng)未找到明顯的故障點(diǎn)，因此故障測(cè)距誤差暫無(wú)法評(píng)估。但從以上錄波可以看出，由于電纜和架空線連接點(diǎn)波阻抗不連續(xù)，導(dǎo)致混接線路的行波波形非常復(fù)雜，雙端行波法只須檢測(cè)第1 個(gè)波頭，是較為可行的測(cè)距方法。

圖3 混接線路現(xiàn)場(chǎng)行波錄波

5 結(jié)語(yǔ)

為綜合滿足混接線路的繼電保護(hù)、故障測(cè)距和自適應(yīng)重合閘需求，提出一種適合混接線路的繼電保護(hù)行波測(cè)距一體化裝置，并針對(duì)裝置的共用TA 二次回路和站間通信通道的技術(shù)，基于保護(hù)信息和行波信息融合的靈敏可靠啟動(dòng)技術(shù)，以及適應(yīng)混接線路的快速故障測(cè)距方法和自適應(yīng)重合閘方法進(jìn)行了研究?；趯?shí)際的3 段混接線路，用仿真波形回放的方式對(duì)一體化裝置進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明，一體化裝置可以正確識(shí)別故障所在區(qū)段，測(cè)距誤差小于500 m。一體化裝置只須檢測(cè)故障首波頭，且基于保護(hù)通道進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)交換，故障測(cè)距總耗時(shí)小于300 ms，可以滿足混接線路自適應(yīng)重合閘的實(shí)時(shí)性需求，具有工程可行性和實(shí)用性。對(duì)于如何進(jìn)一步提升混接線路的故障測(cè)距精度，以減少重合閘模糊區(qū)，以及如何適應(yīng)拓?fù)涓鼮閺?fù)雜的配網(wǎng)混接線路，還有待進(jìn)一步開展研究。