石恒初， 李本瑜， 游昊， 楊遠(yuǎn)航， 徐騰飛

(1.云南電力調(diào)度控制中心, 云南 昆明 650011；2.山東山大電力技術(shù)股份有限公司, 山東 濟(jì)南 250101)

0 引 言

目前電力系統(tǒng)在國民經(jīng)濟(jì)中的地位越來越重要，隨之而來的是對(duì)電力可靠性要求越來越高。尤其是在高壓、超高壓以及長(zhǎng)距離傳輸系統(tǒng)中，故障引發(fā)的停電事件造成的經(jīng)濟(jì)損失巨大。利用行波測(cè)距裝置與故障錄波裝置保存的暫態(tài)工頻和高頻故障錄波數(shù)據(jù)進(jìn)行故障數(shù)據(jù)分析，定位故障位置和故障原因，可快速恢復(fù)供電、減少經(jīng)濟(jì)損失[1-4]?，F(xiàn)有的電力系統(tǒng)監(jiān)測(cè)設(shè)備中對(duì)工頻以及高頻信號(hào)的錄波分別是在故障錄波裝置和行波測(cè)距裝置兩種設(shè)備上實(shí)現(xiàn)的，即故障錄波裝置完成對(duì)工頻暫態(tài)故障數(shù)據(jù)的完整記錄，而行波測(cè)距裝置則實(shí)現(xiàn)對(duì)故障暫態(tài)高頻行波數(shù)據(jù)的完整記錄[5]。

本文提出一種集行波測(cè)距和故障錄波功能于一體的裝置，在單臺(tái)裝置中集成了行波測(cè)距功能和故障錄波功能，研究了一種阻抗法和行波法結(jié)合的綜合測(cè)距算法，利用獨(dú)立的采集模塊分別同步采集工頻信號(hào)和行波信號(hào)。在故障發(fā)生時(shí)，將阻抗法判斷出的故障時(shí)間在行波法測(cè)距時(shí)使用，行波法以阻抗法提供的故障時(shí)間為參考，對(duì)高頻行波錄波數(shù)據(jù)進(jìn)行行波首波頭和反射波波頭的查找和識(shí)別。最后根據(jù)阻抗測(cè)距結(jié)果和行波測(cè)距結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)籌分析給出最終測(cè)距結(jié)果。該裝置集成度高，可直接替代故障錄波監(jiān)測(cè)裝置和行波測(cè)距裝置，大幅縮減站級(jí)投入和運(yùn)維成本。

1 存在的問題

故障錄波裝置可以記錄故障前后全過程的電壓、電流及繼電保護(hù)動(dòng)作情況，并利用記錄的工頻暫態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行阻抗法測(cè)距，給出阻抗法測(cè)距結(jié)果，但普遍存在測(cè)距精度不足的問題。

阻抗法測(cè)距的基本原理為在線路參數(shù)已經(jīng)確定和運(yùn)行方式已知的情況下，當(dāng)線路某一位置發(fā)生故障時(shí)，根據(jù)測(cè)量到的電壓和電流的值計(jì)算和分析出故障回路的阻抗，將故障阻抗和單位阻抗進(jìn)行計(jì)算即可得出故障距離。阻抗法具有成本低、使用簡(jiǎn)單和測(cè)距可靠的優(yōu)點(diǎn)。阻抗測(cè)距易受傳輸線過渡電阻和對(duì)端潰入電流大小等因素影響。故障錄波監(jiān)測(cè)裝置的測(cè)距精度誤差相對(duì)較大。

行波測(cè)距裝置是電力系統(tǒng)發(fā)生故障后能夠自動(dòng)記錄高頻行波暫態(tài)數(shù)據(jù)并給出測(cè)距結(jié)果的裝置[6-7]，在故障測(cè)距的精度方面遠(yuǎn)高于故障錄波監(jiān)測(cè)裝置。行波測(cè)距裝置利用行波法進(jìn)行測(cè)距。

行波法測(cè)距的原理就是在可以確定行波傳播速度的條件下，測(cè)量或者計(jì)算出故障點(diǎn)處的行波信息或者提取到的行波信息折反射到檢測(cè)點(diǎn)所需要的傳輸時(shí)間，從而由時(shí)間和速度計(jì)算并確定故障點(diǎn)距離檢測(cè)點(diǎn)的距離[8-9]。但是行波測(cè)距裝置由于現(xiàn)場(chǎng)的開關(guān)動(dòng)作、雷擊等因素會(huì)引發(fā)裝置誤啟動(dòng)，并且真正故障發(fā)生時(shí)，往往會(huì)啟動(dòng)多次，難以區(qū)分哪個(gè)才是真正的故障文件。

為了解決錄波裝置和行波裝置在測(cè)距方面存在的問題，研究了一種結(jié)合阻抗法和行波法的綜合測(cè)距算法。當(dāng)輸電線路發(fā)生故障后，工頻啟動(dòng)量會(huì)觸發(fā)錄波記錄軟件模塊進(jìn)行工頻電壓、工頻電流數(shù)據(jù)和高頻電流數(shù)據(jù)的錄波記錄操作，得到工頻錄波文件以及高頻錄波文件。然后阻抗法通過對(duì)工頻錄波文件中的電壓和電流量進(jìn)行計(jì)算得到阻抗測(cè)距結(jié)果，行波法以阻抗法提供的故障線路及故障時(shí)刻為參考，通過對(duì)高頻錄波文件中的電流量進(jìn)行計(jì)算，得到行波法測(cè)距結(jié)果。最后通過對(duì)阻抗測(cè)距結(jié)果及行波測(cè)距結(jié)果的綜合分析得到行波綜合測(cè)距結(jié)果，構(gòu)成一種新型的電網(wǎng)綜合故障分析系統(tǒng)。

2 電網(wǎng)綜合故障分析系統(tǒng)技術(shù)方案

2.1 系統(tǒng)硬件方案

如圖1所示，系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：人機(jī)顯示單元、CPU管理單元、模擬量采集單元、開入信號(hào)采集單元和對(duì)時(shí)單元。

圖1 裝置框圖

2.2 模擬量采集單元

模擬量采集單元主要功能為采集工頻量和行波量。電氣信號(hào)經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)的隔離變送器，分別轉(zhuǎn)換為工頻量和行波量，再經(jīng)過采集板和控制板進(jìn)行模擬信號(hào)的采樣和處理。

2.3 開入信號(hào)采集單元

錄波開關(guān)量采集板主要功能為開入信號(hào)的光電轉(zhuǎn)換采集，220 V/110 V/24 V開入信號(hào)經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換和光耦隔離后轉(zhuǎn)換為5 V開入信號(hào)，控制板通過數(shù)據(jù)總線完成對(duì)5 V開入信號(hào)的采集和處理。

2.4 控制單元

控制單元主要完成模擬量和開關(guān)量的采集，將結(jié)果通過底板 SGMII 網(wǎng)口送給管理板，B碼輸入輸出，對(duì)時(shí)模塊輸入接口，聯(lián)動(dòng)信號(hào)網(wǎng)絡(luò)接入口?？刂茊卧蒄PGA實(shí)現(xiàn)主要控制功能。

2.5 管理單元

管理單元主要功能為前端采集數(shù)據(jù)的匯總處理與顯示單元的遠(yuǎn)傳通信，分別完成工頻量和行波量故障的判斷、存儲(chǔ)和測(cè)距等，并將處理好的數(shù)據(jù)打包上傳。

2.6 顯示單元

顯示單元主要功能是實(shí)時(shí)顯示、數(shù)據(jù)分析和故障文件的現(xiàn)場(chǎng)分析等，通過網(wǎng)口與管理單元通信進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，再通過LVDS信號(hào)控制液晶屏顯示。

3 綜合測(cè)距算法方案

3.1 雙端測(cè)距

在故障線路兩側(cè)分別安裝設(shè)備，用以監(jiān)測(cè)到達(dá)兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的初始行波，從而進(jìn)行雙端行波測(cè)距，如圖2所示。M點(diǎn)和N點(diǎn)是分別裝有設(shè)備的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，故障發(fā)生在M點(diǎn)和N點(diǎn)之間的C點(diǎn)處。

圖2 行波測(cè)距定位模型

由故障點(diǎn)C產(chǎn)生的初始行波以速度v沿輸電線路向兩端傳輸，到達(dá)兩側(cè)的時(shí)刻分別記為tM、tN，

(1)

則故障點(diǎn)到兩端監(jiān)測(cè)點(diǎn)的距離分別為：

LM=[L+v·(tM-tN)]/2

(2)

LN=[L-v·(tM-tN)]/2

(3)

式中:LM、LN為故障點(diǎn)距離M點(diǎn)和N點(diǎn)的距離。

3.2 綜合測(cè)距算法

本文根據(jù)目前行波法測(cè)距和阻抗法測(cè)距的特點(diǎn)及存在的問題，提出了一種綜合測(cè)距算法,解決了阻抗法測(cè)距結(jié)果準(zhǔn)確度不夠和行波法測(cè)距結(jié)果易受影響的問題。算法流程如圖3所示。

以雙端綜合測(cè)距算法為例進(jìn)行說明，綜合測(cè)距算法的步驟主要包括以下5步。

步驟1：工頻數(shù)據(jù)采集單元實(shí)時(shí)采集線路MN兩端的工頻電壓和工頻電流數(shù)據(jù)，并判斷是否啟動(dòng)故障錄波。高頻數(shù)據(jù)采集單元同工頻數(shù)據(jù)采集單元一樣實(shí)時(shí)采集線路MN兩端的高頻電流通道數(shù)據(jù)。

步驟2：工頻啟動(dòng)量判斷出故障后即刻啟動(dòng)工頻記錄軟件模塊進(jìn)行工頻電壓和工頻電流數(shù)據(jù)錄波操作，同時(shí)觸發(fā)高頻記錄軟件模塊進(jìn)行高頻行波電流錄波操作，錄波完成后MN兩側(cè)得到工頻錄波文件xm、xn以及高頻電流錄波文件ym、yn。

步驟3：通過對(duì)步驟2中記錄的工頻錄波數(shù)據(jù)xm、xn進(jìn)行啟動(dòng)相判斷，電壓和電流有效值計(jì)算，得到M端故障線路號(hào)m、M端故障時(shí)刻t0m、故障點(diǎn)距M端的雙端阻抗測(cè)距結(jié)果Lmsz以及故障點(diǎn)距M端的單端阻抗測(cè)距結(jié)果Lmdz；同理，可以得到N端的故障線路號(hào)n、N端故障時(shí)刻t0n、故障點(diǎn)距N端的雙端阻抗測(cè)距結(jié)果Lnsz以及故障點(diǎn)距N端的單端阻抗測(cè)距結(jié)果Lndz。

圖3 綜合測(cè)距算法流程圖

步驟4：以步驟3中提供的故障線路號(hào)、故障時(shí)刻為參考，對(duì)步驟2中記錄的與xm和xn分別對(duì)應(yīng)的高頻行波電流數(shù)據(jù)ym和yn進(jìn)行行波法分析，得到M端行波法雙端測(cè)距結(jié)果Lmsx和單端測(cè)距結(jié)果Lmdx，以及N端行波法的雙端測(cè)距結(jié)果Lnsx和單端測(cè)距結(jié)果Lndx。

步驟5：對(duì)步驟3中M端得到的阻抗法測(cè)距結(jié)果Lmsz和Lmdz與步驟4中得到的M端行波法測(cè)距結(jié)果Lmsx和Lmdx進(jìn)行綜合分析。給出故障點(diǎn)距M端的綜合測(cè)距結(jié)果Am，同理得到故障點(diǎn)距N端的綜合測(cè)距結(jié)果An。

具體方法如下：設(shè)阻抗法和行波法測(cè)距的誤差閾值為L(zhǎng)EA，則

|Lmsz-Lmsx|

(4)

|Lmsz-Lmsx|≥LEA→Am=Lmsx

(5)

即如果阻抗法和行波法測(cè)距結(jié)果偏差小于閾值時(shí)，認(rèn)為行波測(cè)距可靠，此時(shí)綜合故障測(cè)距結(jié)果為行波法測(cè)距結(jié)果。反之，如果偏差大于閾值，認(rèn)為行波測(cè)距受雜波影響結(jié)果不可靠，此時(shí)綜合測(cè)距結(jié)果為阻抗法測(cè)距結(jié)果。

4 測(cè)距驗(yàn)證

南方電網(wǎng)最新標(biāo)準(zhǔn)Q/CSG 1203040—2017《故障錄波器及行波測(cè)距裝置技術(shù)規(guī)范》中要求：6.3.1 測(cè)距精度應(yīng)不受線路參數(shù)、線路互感、電網(wǎng)運(yùn)行方式、故障位置、故障類型、負(fù)荷電流和過渡電阻等因素的影響；線路長(zhǎng)度在300 km以下雙端測(cè)距平均誤差≤500 m；線路長(zhǎng)度在300 km以上，雙端測(cè)距平均誤差≤1 000 m；永久性故障測(cè)距誤差≤1 000 m。按要求對(duì)一體機(jī)裝置搭建試驗(yàn)平臺(tái)并驗(yàn)證測(cè)距精度。

4.1 仿真試驗(yàn)平臺(tái)搭建

仿真試驗(yàn)平臺(tái)原理如圖4所示，按以下步驟進(jìn)行試驗(yàn)。

步驟1：準(zhǔn)備仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

一般來說，仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)可通過兩種方式獲得：一是使用MATLAB等仿真軟件仿真得到；二是通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際錄波波形提取相關(guān)通道得到。

步驟2：將仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)下載到SDL-7100 行波信號(hào)發(fā)生儀。

下載過程需要將安裝有仿真試驗(yàn)平臺(tái)后臺(tái)軟件的電腦通過網(wǎng)線連接SDL-7100 行波信號(hào)發(fā)生儀，通過操作界面將仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)下載到發(fā)生儀。

步驟3：連接電氣線纜。

將SDL-7100 行波信號(hào)發(fā)生儀電氣輸出信號(hào)通過專用線纜連接至一體機(jī)裝置變送單元，并檢查線纜連接的可靠性。

步驟4：設(shè)置SDL-1601 故障錄波及行波測(cè)距裝置測(cè)距參數(shù)。

設(shè)置一體機(jī)裝置相關(guān)通道啟動(dòng)方式為突變啟動(dòng)和上下限啟動(dòng)，設(shè)置模擬線路的線路參數(shù)，設(shè)置行波波速。

步驟5：觸發(fā)仿真試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)

通過按動(dòng)SDL-7100 行波信號(hào)發(fā)生儀開始試驗(yàn)按鈕觸發(fā)試驗(yàn)，查看SDL-1601 故障錄波及行波測(cè)距裝置的記錄情況及故障定位情況。

圖4 仿真試驗(yàn)平臺(tái)技術(shù)原理

4.2 仿真試驗(yàn)平臺(tái)測(cè)試實(shí)例

將仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)下載到SDL-7100行波信號(hào)發(fā)生儀，圖5為仿真試驗(yàn)波形圖。

圖5 仿真試驗(yàn)波形

觸發(fā)仿真平臺(tái)試驗(yàn)后，通過裝置后臺(tái)軟件查看錄波波形及故障測(cè)距結(jié)果，如圖6、圖7所示。裝置對(duì)仿真波形進(jìn)行了有效記錄。

圖6 錄波波形圖

圖7 行波測(cè)距圖

圖7中裝置距結(jié)果為單端測(cè)距結(jié)果，作為參考，精確測(cè)距結(jié)果需要連到主站進(jìn)行雙端測(cè)距。

4.3 實(shí)際測(cè)試結(jié)果

該綜合測(cè)距系統(tǒng)研發(fā)成功后在國網(wǎng)電科院進(jìn)行了試驗(yàn)，經(jīng)測(cè)試滿足各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的要求，并取得相關(guān)型式試驗(yàn)報(bào)告和注冊(cè)備案證書。結(jié)果如表1所示，表明雙端測(cè)距結(jié)果正確，滿足標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于測(cè)距誤差的要求。

表1 雙端測(cè)距結(jié)果統(tǒng)計(jì)

5 結(jié)束語

本文以對(duì)阻抗法和行波法結(jié)合的綜合測(cè)距算法理論研究為基礎(chǔ)，通過分析故障錄波裝置以及行波測(cè)距裝置自身的性能特點(diǎn)來尋找錄波及行波一體機(jī)裝置的研制方案。結(jié)合電網(wǎng)中已建成或待建的中高壓變電站，采取理論與實(shí)踐相結(jié)合的路線開展研究工作，通過硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)研究方案，通過現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)回放、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)仿真等不斷改善模型和策略。最后，提出一種集行波測(cè)距與故障錄波功能于一體的電網(wǎng)綜合故障分析系統(tǒng)。測(cè)試結(jié)果證明，該系統(tǒng)解決了故障錄波和行波測(cè)距裝置存在的不足，且可以減少站級(jí)投資。目前該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于云南電網(wǎng)的220 kV木乃河變等多個(gè)變電站，使用效果良好，具有較高的實(shí)用和推廣價(jià)值。