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        集成行波測距功能的高壓輸電線路保護(hù)裝置的技術(shù)探討

        2021-11-19 08:55:16薛明軍韓志勇陳福鋒胡俊彥
        四川電力技術(shù) 2021年5期
        關(guān)鍵詞:時(shí)標(biāo)雙端行波

        鄒 磊,薛明軍,龍 琳,韓志勇,王 勝,陳福鋒,張 祥,胡俊彥

        (1.國電南京自動(dòng)化股份有限公司,江蘇 南京 211100;2.南京國電南自電網(wǎng)自動(dòng)化有限公司,江蘇 南京 211100;3.國網(wǎng)北京市電力公司,北京 100124)

        0 引 言

        目前,絕大多數(shù)變電站輸電線路故障測距主要依賴于線路保護(hù)裝置和故障錄波器裝置的測距功能模塊。比較典型的測距原理包括單端測距和雙端測距。單端測距一般采用阻抗法,利用測量故障回路正序阻抗的電抗分量與線路全長的電抗分量進(jìn)行比較。雙端測距則是構(gòu)建序網(wǎng)絡(luò)圖,通過計(jì)算兩側(cè)到故障點(diǎn)的電壓建立方程來計(jì)算故障距離。上述兩種工頻量測距原理對于輸電線路的高阻故障、弱饋運(yùn)行方式及帶互感的同桿雙回線路方式下發(fā)生復(fù)雜的跨線故障均不適用,測距精度也會(huì)受影響。這也是現(xiàn)有工頻量測距原理的一個(gè)瓶頸。

        目前,基于行波的測距原理已經(jīng)日趨成熟。行波測距具有不受過渡電阻、CT飽和、零序互感、運(yùn)行方式、系統(tǒng)振蕩影響的優(yōu)勢,可以精確定位線路故障點(diǎn),大大減少巡線的工作量,縮短故障修復(fù)時(shí)間,提高供電可靠性,且已經(jīng)有非常成熟的行波測距裝置進(jìn)入了工程應(yīng)用。當(dāng)前變電站中每條輸電線路除了配置線路保護(hù)裝置以外,還需額外配置一套行波測距裝置,當(dāng)變電站的出線較多時(shí),則需要配置多套行波測距裝置;但是采取單獨(dú)配置行波測距裝置的模式浪費(fèi)了變電站的占地面積。如果將行波測距功能集成到輸電線路保護(hù)裝置中,以上的問題就迎刃而解,每條線路無需配置額外的行波測距裝置即可實(shí)現(xiàn)故障的精確定位。

        下面以集成行波測距功能的高壓線路保護(hù)裝置為目標(biāo),提出了裝置的整體硬件架構(gòu)方案和行波測距功能的總體實(shí)現(xiàn)方案,將行波測距功能與保護(hù)功能的完美融合,為提高輸電線路保護(hù)裝置的測距性能提供了技術(shù)保證。

        1 集成行波測距功能的理念

        以現(xiàn)有高壓輸電線路保護(hù)裝置為藍(lán)本,將行波測距功能集成到高壓輸電線路保護(hù)裝置中去,目標(biāo)為:行波測距功能與保護(hù)功能相對獨(dú)立,行波測距功能宜單獨(dú)配置插件,實(shí)現(xiàn)該功能的即插即用,行波測距軟硬件不影響任何保護(hù)功能;行波測距功能異常后應(yīng)有相應(yīng)的告警報(bào)文,并驅(qū)動(dòng)裝置的告警接點(diǎn)。

        集成行波測距功能的高壓輸電線路保護(hù)裝置,如應(yīng)用到現(xiàn)場或現(xiàn)場改造更換時(shí),為了保持現(xiàn)有用戶的使用習(xí)慣,其二次回路與常規(guī)的輸電線路保護(hù)裝置的二次回路應(yīng)完全一致。特別是行波測距所用的二次側(cè)信號應(yīng)與線路保護(hù)功能共用,即一次系統(tǒng)無需為行波測距功能單獨(dú)配置PT/CT二次回路。

        為了保證高頻行波信號的可靠獲取,互感器需要采用寬頻帶,同時(shí)還需要保證暫態(tài)特性對保護(hù)沒有影響。利用現(xiàn)有保護(hù)裝置上的保護(hù)互感器來獲取行波,具有簡單、易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn),不需要額外投資。

        目前行波測距主要采用單端測距和雙端測距兩種原理,由于單端測距原理不可靠,因此不采用;雙端行波測距則需要專用通道。高壓輸電線路保護(hù)裝置都配置有與對側(cè)線路保護(hù)進(jìn)行通信的獨(dú)立光纖通道,因此集成裝置的行波站間通信可直接借助線路保護(hù)現(xiàn)有的光纖通道,不用另設(shè)通道。同時(shí)行波站間通信功能不會(huì)影響到線路保護(hù)的站間通信功能。

        集成行波測距功能的輸電線路保護(hù),將保護(hù)功能與行波測距功能相互融合,在提升了行波測距可靠性的基礎(chǔ)上,也利用行波測距功能校驗(yàn)了保護(hù)功能的正確性。

        2 裝置的總體設(shè)計(jì)思路

        2.1 總體架構(gòu)

        裝置設(shè)計(jì)的整體思路是:在現(xiàn)有高壓輸電線路保護(hù)裝置的基礎(chǔ)之上集成行波測距功能,集成裝置的整體硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

        圖1 集成行波測距裝置的總體架構(gòu)

        現(xiàn)有高壓輸電線路保護(hù)裝置的架構(gòu)為雙中央處理器(central processing unit,CPU)模式。主CPU負(fù)責(zé)故障處理、邏輯運(yùn)算和跳閘流程,而從CPU僅負(fù)責(zé)啟動(dòng)判斷,用于開放IO板的跳閘繼電器的負(fù)電源。同時(shí)還配置了一塊人機(jī)對話微控制單元(micro control unit,MCU),主要用于液晶面板顯示和監(jiān)控后臺的信息交互。三者通過裝置內(nèi)部的高級數(shù)據(jù)鏈路控制(high level data link control,HDLC)總線的方式進(jìn)行通信。集成裝置在現(xiàn)有模件和架構(gòu)都不變化的基礎(chǔ)之上增加了一塊超高速行波CPU板。行波CPU板主要負(fù)責(zé)捕獲初始行波浪涌到達(dá)本側(cè)的絕對時(shí)刻。行波CPU通過裝置母板的內(nèi)部總線與保護(hù)主CPU進(jìn)行信息的交互,同時(shí)保護(hù)主CPU還將保護(hù)的啟動(dòng)信號通過母板以開入的方式傳遞給行波CPU。

        現(xiàn)有的行波測距裝置的設(shè)計(jì)架構(gòu)為行波CPU板與工控機(jī)的組合模式。行波CPU的核心是負(fù)責(zé)捕捉故障波頭絕對時(shí)刻,工控機(jī)則負(fù)責(zé)獲取兩側(cè)行波波頭絕對時(shí)刻并完成行波測距算法。對于集成裝置來說,保護(hù)主CPU能夠通過裝置內(nèi)部總線獲取故障到達(dá)本側(cè)的波頭時(shí)刻,同時(shí)還可以通過光纖通道交換兩端所記錄的初始行波到達(dá)時(shí)間。因此集成裝置保護(hù)主CPU則可以扮演工控機(jī)的角色,來完成最后的雙端行波測距算法。

        2.2 行波CPU插件及接口設(shè)計(jì)

        行波CPU的工作回路如圖2所示。行波測距的互感器采集模擬量信號進(jìn)入行波CPU后分為2路:一路為帶通濾波器,主要提取頻帶為3~10 kHz左右的高頻信號,用作行波CPU啟動(dòng)用;一路為低通濾波器,其截止頻率為300 kHz,經(jīng)高速采樣回路用于故障高頻信號波頭的提取。

        圖2 行波CPU工作回路

        行波CPU設(shè)置啟動(dòng)回路的目的是緩解行波CPU的工作壓力,同保護(hù)的啟動(dòng)目的一樣,只有當(dāng)行波CPU啟動(dòng)之后,才投入小波變換算法捕捉波頭的相應(yīng)算法。硬件啟動(dòng)門檻設(shè)計(jì)主要考慮在故障時(shí)候有足夠的啟動(dòng)靈敏度,而在外接干擾產(chǎn)生白噪聲的情況下不誤啟動(dòng)。

        行波CPU正常運(yùn)行時(shí)候,兩個(gè)回路并行工作,高速采樣回路實(shí)時(shí)采樣,采樣頻率為1 MHz,并將8 ms之前的歷史值進(jìn)行緩存,循環(huán)更新;當(dāng)檢測到硬件啟動(dòng)回路滿足啟動(dòng)后,將啟動(dòng)之前8 ms的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行保存,并繼續(xù)緩存啟動(dòng)之后8 ms的采樣數(shù)據(jù);當(dāng)緩存滿足之后,對啟動(dòng)前后64 μs共128點(diǎn)的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行小波變換,以確定故障波頭的絕對時(shí)標(biāo)。

        行波CPU插件通過內(nèi)部總線與保護(hù)主CPU進(jìn)行通信,兩者交互的數(shù)據(jù)如圖3所示。其中行波CPU為客戶端,主CPU為服務(wù)器端,每次數(shù)據(jù)處理過程結(jié)束后,行波CPU主動(dòng)上送數(shù)據(jù)。

        圖3 保護(hù)主CPU與行波CPU信息交互

        1)心跳報(bào)文:保護(hù)主CPU通過心跳報(bào)文監(jiān)視行波CPU的運(yùn)行工況,實(shí)時(shí)獲取行波CPU的工作狀態(tài),當(dāng)行波CPU處于異常狀態(tài)時(shí)則會(huì)觸發(fā)相應(yīng)的告警事件和告警節(jié)點(diǎn)。

        2)絕對時(shí)標(biāo):當(dāng)行波CPU啟動(dòng)并捕捉到故障的絕對時(shí)刻之后,立即將絕對時(shí)間以時(shí)標(biāo)的幀格式發(fā)送給保護(hù)主CPU;保護(hù)主CPU獲取到絕對時(shí)標(biāo)報(bào)文之后會(huì)給行波CPU回應(yīng)一幀確認(rèn)信息。

        3)錄波數(shù)據(jù):為了便于故障分析,行波CPU會(huì)記錄故障前后8 ms的故障數(shù)據(jù),并將其記錄的原始數(shù)據(jù)及小波變換值以分幀的方式傳送給保護(hù)CPU,保護(hù)CPU再傳送到人機(jī)對話MCU生成標(biāo)準(zhǔn)的Comtrade格式錄波文件。

        由于故障時(shí),考慮到主CPU需要投入更多資源進(jìn)行故障處理流程,因此將主CPU與行波CPU通信任務(wù)維持在一個(gè)中級優(yōu)先級的水平。

        2.3 雙端行波測距算法設(shè)計(jì)

        雙端行波測距需要檢測故障點(diǎn)初始行波到達(dá)兩端的準(zhǔn)確時(shí)間,同時(shí)還需要兩側(cè)進(jìn)行故障初始行波到達(dá)絕對時(shí)刻的信息交互。目前的超高壓輸電線路保護(hù)裝置均配置了光纖通道,通過光纖通道與對側(cè)線路保護(hù)裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換來構(gòu)建全線速動(dòng)的主保護(hù)功能,而主CPU則可以通過光纖通道來完成兩側(cè)故障到達(dá)絕對時(shí)刻的傳遞。行波CPU與保護(hù)CPU兩者間則通過集成裝置的母板上設(shè)置的HSB總線來進(jìn)行信息的傳遞,如圖4所示。

        圖4 線路兩側(cè)保護(hù)CPU與行波CPU交互

        行波測距需要準(zhǔn)確捕捉故障到達(dá)的絕對時(shí)刻,該時(shí)刻的準(zhǔn)確性對測距計(jì)算的準(zhǔn)確性影響很大,因此需要對行波CPU進(jìn)行精確對時(shí)。對時(shí)精度須達(dá)到1 μs(假定行波波速度等于光速,則1 μs對應(yīng)的測距誤差為150 m),行波CPU支持電B碼對時(shí)。

        本側(cè)時(shí)標(biāo)的獲?。盒胁–PU自身滿足啟動(dòng)之后進(jìn)行故障波頭的絕對時(shí)刻提取,當(dāng)感受到主CPU的啟動(dòng)信號之后,通過總線將該時(shí)標(biāo)傳遞給主CPU。

        對側(cè)時(shí)標(biāo)的獲取:通過主CPU的光縱通道獲取對側(cè)傳遞的絕對時(shí)標(biāo)。

        行波CPU上送時(shí)標(biāo)和本/對側(cè)傳遞時(shí)標(biāo)的格式均取標(biāo)準(zhǔn)協(xié)調(diào)世界時(shí)(coordinated universal time,UTC)格式。UTC時(shí)標(biāo)分為2個(gè)4字節(jié)傳遞,前面4個(gè)字節(jié)表示為年月日時(shí)分秒,后面4個(gè)字節(jié)表示為微秒。

        當(dāng)線路上發(fā)生故障后,行波CPU與保護(hù)CPU均會(huì)啟動(dòng)。保護(hù)CPU啟動(dòng)開放出口繼電器的負(fù)電源,只有保護(hù)CPU動(dòng)作后,才將行波CPU的測距結(jié)果以事件的方式上送到保護(hù)裝置液晶面板。當(dāng)線路CPU通過HSB總線和光纖通道分別獲取到本側(cè)、對側(cè)時(shí)標(biāo)之后則進(jìn)入雙端行波測距流程。

        以M和N分別表示線路兩側(cè),以M和N分別表示線路兩側(cè),雙端行波測距算法具體的測距公式為

        式中:DMF為距離M側(cè)的故障距離;TM、TN分別為M側(cè)、N側(cè)行波CPU測得的行波波頭絕對時(shí)間;L為線路全長;v1為行波波速度。

        雙端測距流程圖如圖5所示。

        圖5 集成裝置雙端行波測距流程

        3 集成裝置的性能優(yōu)化

        集成裝置將行波測距功能與保護(hù)功能兩者進(jìn)行融合,既能有效提升行波測距可靠性,同時(shí)可較大程度優(yōu)化保護(hù)性能。

        對于斷路器操作和不造成故障的雷擊,如果僅利用行波啟動(dòng)元件作為故障判別元件,將會(huì)造成行波誤啟動(dòng)和誤測距,而集成行波測距裝置通過以下兩方面來提高行波測距的可靠性。

        1)利用保護(hù)工頻量啟動(dòng)開放行波波頭提取功能。將工頻電流突變量作為另一個(gè)啟動(dòng)元件,與行波啟動(dòng)元件構(gòu)成與邏輯。行波CPU可以通過母板獲取主CPU的硬啟動(dòng)信號,只有兩個(gè)啟動(dòng)元件均啟動(dòng)之后,才投入小波變換提取故障波頭的算法。行波裝置啟動(dòng)與電流突變量啟動(dòng)相結(jié)合能可靠躲過雷電波導(dǎo)致的誤啟動(dòng)。

        2)利用工頻量保護(hù)的動(dòng)作信號開放行波測距結(jié)果輸出功能。只有保護(hù)跳閘之后,保護(hù)CPU才輸出雙端行波測距結(jié)果,否則僅是裝置內(nèi)部記錄測距結(jié)果,并根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)閱。

        利用雙端行波測距來校驗(yàn)線路保護(hù)的動(dòng)作行為,能夠精確定位故障點(diǎn),故障測距精度能夠達(dá)到1 km以內(nèi)。對于300 km以上的線路,在暫態(tài)超越不超過5%,即15 km的情況下,行波測距裕度遠(yuǎn)大于阻抗的誤差范圍,完全可以利用行波CPU對距離I段進(jìn)行暫態(tài)超越校驗(yàn)。

        4 試驗(yàn)驗(yàn)證

        按照圖6所示集成裝置雙端測試連接示意圖搭建好試驗(yàn)平臺。

        圖6 集成裝置雙端行波測距連接

        控制暫態(tài)行波保護(hù)測試儀模擬輸出故障波形,保護(hù)CPU與行波CPU檢測到故障后啟動(dòng),行波CPU對啟動(dòng)前后采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行小波變換確定波頭絕對時(shí)標(biāo)后,主動(dòng)上送波頭UTC格式時(shí)標(biāo)以及行波數(shù)據(jù),主CPU接收到本側(cè)波頭時(shí)標(biāo)后,再利用光纖通道獲取到對側(cè)波頭時(shí)標(biāo),然后根據(jù)行波波速度以及本對側(cè)絕對時(shí)標(biāo)信息,完成測距結(jié)果計(jì)算。同時(shí)集成裝置再根據(jù)保護(hù)動(dòng)作情況來完成雙端行波測距結(jié)果的輸出顯示。

        以一條220 kV線路為例,線路全長200 km,實(shí)驗(yàn)?zāi)M單相接地、相間短路、相間接地短路、三相短路等故障類型,驗(yàn)證不同故障位置、不同接地電阻情況下裝置的測距性能,為增加測距結(jié)果的準(zhǔn)確性,每種故障類型進(jìn)行3次試驗(yàn),并分別記錄測距結(jié)果,部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示,表中:相對誤差 =絕對誤差/線路全長。

        表1 仿真測試結(jié)果

        表1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,不同故障類型、不同故障位置、不同接地電阻情況下,裝置測距誤差最大值均不超過0.5 km,測試結(jié)果滿足預(yù)期精度要求。

        5 結(jié) 論

        上面提出將行波測距功能與輸電線路保護(hù)裝置融為一體,大大優(yōu)化了變電站的資源配置,提高變電站投資的經(jīng)濟(jì)效益。

        該集成裝置解決了現(xiàn)有依賴輸電線路保護(hù)裝置的工頻測距算法受諸多因素的影響而導(dǎo)致測距精度誤差較大的困難,而行波測距算法能適用于各種工況下的各種故障類型,且測距精度高。集成了行波測距的線路保護(hù)裝置可以精確定位線路故障點(diǎn),大大減少人工巡線的工作量,縮短了故障修復(fù)時(shí)間,提高供電可靠性。

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