現代行波故障測距原理及其在實(shí)測故障分析中的應用(二)—D型原

Modern travelling wave-based fault location principle and its application to actual fault analysis-type D principle

Chen Ping1, Ge Yao-zhong1, Xu Bing-yin2, Li Jing2

(1. Xi'an Jiaotong University, Xi'an 710049, China)
(2. Kehui Electric Co Ltd, Zibo 255031, China)

Abstract: A rising time always exists in the wavefront of an actual transient travelling wave appearing on a transmission line. This makes it difficult to be tagged for the arrival time of the fault induced initial surges at both ends of one transmission line, resulting in unavoidable location error in the existing double-ended travelling wave based fault location methods. Based on the analyses of Type D double-ended modern travelling wave based fault location principle and its accuracy, the compensated Type D fault location algorithm is presented in this paper, which compensates the location error with the relative time difference between the absolute time corresponding to the start point of the fault caused initial surge and the detected arrival time of the fault caused initial surge by the fault locator at each end of the measured line. The actual fault analyses show that the Type D principle possesses very high reliability, and its absolute location error does not exceed 1 km.
Key words: transmission lines; modern travelling wave based fault location (MTWFL); GPS; Type D principle;current transient

0 引言
輸電線(xiàn)路行波故障測距技術(shù)因具有測距精度高和適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，一直為繼電保護專(zhuān)業(yè)人員所關(guān)注[1]。早在20世紀50年代，國外就研制出A、B、C、D等4種基本型式的行波故障測距裝置，但因存在可靠性差、構成復雜以及價(jià)格昂貴等問(wèn)題，終究沒(méi)有得到推廣應用。
20世紀90年代初，在A(yíng)型早期行波故障測距原理的基礎上，我國提出了利用電流暫態(tài)故障分量的A型現代行波故障測距原理、算法和實(shí)現方案[2,3]，從而推動(dòng)了現代行波故障測距(MTWFL)的發(fā)展[4]。另一方面，全球定位系統在電力系統中的應用[5]，為現代電力系統同步時(shí)鐘的研制創(chuàng )造了條件[6]，進(jìn)而使得D型現代行波故障測距原理得到發(fā)展。
1995年，國內研制出利用電流暫態(tài)分量的輸電線(xiàn)路現代行波故障測距裝置，它集成了A、D、E等3種現代行波故障測距原理，其平均絕對測距誤差在400m以?xún)萚7]。2000年，國內又推出功能更為強大的現代行波故障測距系統，其絕對測距誤差可達200m以?xún)萚8]。
近年來(lái)，國內學(xué)者開(kāi)始將現代A型行波故障測距原理用于繼電保護，并提出了基于小波變換的測距式行波距離保護原理[9,10]。實(shí)測故障分析表明[11]，現代A型行波故障測距原理具有很高的測距精度，但測距算法的可靠性還有待于進(jìn)一步提高。
本文在分析D型雙端現代行波故障測距原理及其準確性的基礎上提出了帶補償量的雙端行波故障測距算法，并將其用于實(shí)際故障產(chǎn)生的電流暫態(tài)波形分析。

1 D型現代行波故障測距基本原理
D型現代行波故障測距原理為利用故障暫態(tài)行波的雙端測距原理，它利用線(xiàn)路內部故障產(chǎn)生的初始行波浪涌到達線(xiàn)路兩端測量點(diǎn)時(shí)的絕對時(shí)間之差值計算故障點(diǎn)到兩端測量點(diǎn)之間的距離。
設線(xiàn)路MN故障產(chǎn)生的初始行波浪涌以相同的傳播速度v到達M端和N端母線(xiàn)的絕對時(shí)間分別為T(mén)M和TN，則M端和N端母線(xiàn)到故障點(diǎn)的距離可以表示為：

式中：L為線(xiàn)路MN的長(cháng)度。
為了準確標定故障初始行波浪涌到達兩端母線(xiàn)的時(shí)刻，線(xiàn)路兩端必須配備高精度和高穩定度的實(shí)時(shí)時(shí)鐘，而且兩端時(shí)鐘必須保持精確同步。另外，實(shí)時(shí)對線(xiàn)路兩端的電氣量進(jìn)行同步高速采集，并且對故障暫態(tài)波形進(jìn)行存儲和處理也是十分必要的。
D型早期行波故障測距裝置采用載波方式實(shí)現線(xiàn)路兩端測距裝置的時(shí)間同步，因而難以獲得較高的測距精度。D型現代行波故障測距原理采用內置全球定位系統(GPS)接收模塊的電力系統同步時(shí)鐘實(shí)現精確秒同步，這使得線(xiàn)路兩端的時(shí)間同步誤差平均不超過(guò)1μs，而由此產(chǎn)生的絕對測距誤差不超過(guò)150m。

2 D型現代行波故障測距原理的準確性分析
D型現代行波故障測距原理利用線(xiàn)路長(cháng)度、波速度和故障初始行波浪涌到達故障線(xiàn)路兩端母線(xiàn)時(shí)的絕對時(shí)間之差值計算故障距離。因此，能否獲得準確的線(xiàn)路長(cháng)度、波速度和故障初始行波浪涌到達時(shí)刻，將直接影響測距準確性。
嚴格來(lái)講，無(wú)論是傳統的故障測距原理，還是行波故障測距原理，其測距結果表示故障點(diǎn)到線(xiàn)路末端的實(shí)際導線(xiàn)長(cháng)度。但巡線(xiàn)時(shí)往往將測距結果當作地理上的水平距離并以此作為查找故障和計算測距誤差的依據，而并不考慮線(xiàn)路弧垂的影響。同樣，線(xiàn)路全長(cháng)也是以水平距離的形式預先給定。當線(xiàn)路較長(cháng)時(shí)，計及弧垂影響后的實(shí)際導線(xiàn)長(cháng)度與導線(xiàn)水平長(cháng)度相差較大。D型行波故障測距原理需要利用線(xiàn)路全長(cháng)，因而其測距誤差往往比其它不需線(xiàn)路全長(cháng)的行波故障測距原理(如A型原理)的測距誤差要大。比較理想的做法是利用線(xiàn)路設計數據計算出不同溫度條件下沿線(xiàn)各檔距內的實(shí)際導線(xiàn)長(cháng)度，進(jìn)而獲得實(shí)際線(xiàn)路導線(xiàn)的總長(cháng)度(用于D型測距)，并最終將故障測距結果換算為故障所在檔距或桿塔號。
故障暫態(tài)行波具有從低頻到高頻的連續頻譜，其中不同頻率分量的傳播速度是不相同的。行波分量的頻率越低，其傳播速度越慢；行波分量的頻率越高，其傳播速度也越快，并且越趨于一致(接近光速)。隨著(zhù)電壓等級的不同，輸電線(xiàn)路暫態(tài)行波中高頻分量的傳播速度大約在光速的97%～99%范圍內變化，具體可以利用線(xiàn)路結構參數進(jìn)行計算，也可以實(shí)際測量。
為了獲得準確的測距結果，故障初始行波浪涌的到達時(shí)刻應定義為其中能夠到達測量點(diǎn)的最高頻率分量的到達時(shí)刻。從時(shí)域來(lái)看，故障初始行波浪涌的到達時(shí)刻就是其波頭起始點(diǎn)所對應的時(shí)刻，該時(shí)刻的測量誤差取決于采樣頻率和GPS對時(shí)誤差。采樣頻率越高，對故障初始行波波頭起始位置的標定誤差越??；GPS對時(shí)誤差越小，對故障初始行波波頭起始時(shí)刻的標定誤差越小。由于暫態(tài)行波中的高頻分量在傳播過(guò)程中隨傳播距離的增加會(huì )發(fā)生較大程度的衰減，因而當采用固定的波速度時(shí)，到達線(xiàn)路兩端的故障初始波頭時(shí)間差越大(即故障點(diǎn)越靠近線(xiàn)路某一端)，其測量誤差也越大。研究發(fā)現，GPS接收機普遍存在輸出信號瞬時(shí)不穩定、衛星失鎖以及時(shí)鐘跳變等問(wèn)題[12]，因而其輸出的時(shí)間信息和秒脈沖信號(1PPS)不能直接利用，必須附加高穩定度守時(shí)鐘，并且需要消除偏差超過(guò)某一限定范圍的時(shí)間同步信號。
當綜合考慮以上因素時(shí)，D型現代行波故障測距原理的準確性將略低于A(yíng)型現代行波故障測距原理的準確性，但測距誤差一般不會(huì )超過(guò)1km，這一點(diǎn)也已經(jīng)被實(shí)測故障分析所證明。

3 帶補償量的D型雙端行波故障測距算法
設線(xiàn)路MN兩端測量點(diǎn)直接感受到本線(xiàn)路內部故障產(chǎn)生初始暫態(tài)信號超過(guò)某一檢測門(mén)檻值的絕對時(shí)間分別為 對應此時(shí)刻的采樣序號分別為和，兩端測量點(diǎn)的故障暫態(tài)信號中距離初始波頭起始點(diǎn)最近的采樣序號分別為和，則故障初始行波浪涌實(shí)際到達M端和N端母線(xiàn)的絕對時(shí)間(即對應波頭起始點(diǎn)的時(shí)間)TM和TN可以表示為：

式中:TS為采樣周期；為M端故障暫態(tài)信號中第個(gè)采樣點(diǎn)與初始波頭起始點(diǎn)之間的時(shí)間差； 為N端故障暫態(tài)信號中第個(gè)采樣點(diǎn)與初始波頭起始點(diǎn)之間的時(shí)間差。
由式(1)給出的D型現代行波故障測距算法可以改寫(xiě)為：

式(4)直接利用故障初始行波浪涌波頭起始點(diǎn)對應的絕對時(shí)刻與測距裝置直接檢測到該行波浪涌到達時(shí)絕對時(shí)刻之間的相對差值來(lái)對測距結果進(jìn)行補償，而不必具體計算故障初始行波浪涌波頭起始點(diǎn)對應的絕對時(shí)刻，這給測距算法的實(shí)時(shí)應用帶來(lái)了方便。

4 實(shí)測故障分析
4.1 普通交流線(xiàn)路
2000年6月23日17時(shí)36分17秒，廣西柳州供電局所管轄的110kV埠屯線(xiàn)(洛埠變—屯秋變)發(fā)生故障。由于屯秋變只有屯埠線(xiàn)和浮屯線(xiàn)(屯秋變—浮石變)兩回110kV線(xiàn)路(線(xiàn)路總長(cháng)度為90.6km)，為了節省投資，只對洛埠變和浮石變的線(xiàn)路進(jìn)行監視，其中埠屯線(xiàn)和浮屯線(xiàn)的電流暫態(tài)故障分量波形如圖1所示。根據D型行波測距原理獲得的故障點(diǎn)位置距洛埠變和浮石變分別為6.3km和84.2 km(顯示在兩端波形窗口上方)，實(shí)際故障點(diǎn)距洛埠變6.2km。從圖1可以看出，兩端波形較為復雜，通過(guò)單端A型原理不容易獲得可靠的故障距離。

4.2 雙回線(xiàn)路
2002年4月16日4時(shí)29分39秒，黑龍江綏化電業(yè)局所管轄的220 kV康綏甲線(xiàn)發(fā)生B相接地故障，故障線(xiàn)路兩側的電流暫態(tài)故障分量波形如圖2所示。根據D型行波測距原理獲得的故障點(diǎn)位置距綏化變和康金變分別為9.2km和55km，實(shí)際故障點(diǎn)距綏化變8.955km。

4.3 串聯(lián)補償線(xiàn)路
2002年6月3日20時(shí)21分24秒，北京供電局所管轄的、帶串聯(lián)電容補償(補償度為35％)的500kV大房雙回線(xiàn)之大房二線(xiàn)發(fā)生故障，故障線(xiàn)路兩側的電流暫態(tài)故障分量波形如圖3所示。根據D型行波測距原理獲得的故障點(diǎn)位置距大同二電廠(chǎng)和房山變分別為171.9km和116km，與實(shí)際故障點(diǎn)位置的誤差不超過(guò)400m。從圖3可以看出，兩端波形均較為復雜。

4.4 直流輸電線(xiàn)路
2002年1月18日14時(shí)38分28秒，我國第1條kV直流輸電線(xiàn)路—葛南線(xiàn)在麥元中繼站到上海南橋站之間的區段內發(fā)生故障。原先給定本區段線(xiàn)路全長(cháng)為513km，由此根據D型行波測距原理獲得的故障點(diǎn)位置距麥元側128.3km。但利用該區段線(xiàn)路兩端的故障暫態(tài)數據進(jìn)行單端A型行波測距所獲得的故障點(diǎn)位置距麥元站和南橋站分別為123.3km和381.7km。由于通過(guò)這兩種原理獲得的故障距離相差太大(為5km)，于是懷疑該區段線(xiàn)路全長(cháng)存在較大誤差。利用該區段線(xiàn)路兩端的A型測距結果進(jìn)行校正后的該區段線(xiàn)路全長(cháng)為505km，由此重新獲得的D型行波測距結果為距麥元站124.3km，距南橋站380.6km。該區段內線(xiàn)路兩端的故障暫態(tài)電流(通過(guò)專(zhuān)門(mén)研制的行波耦合器取得)如圖4所示。實(shí)際故障距離為距麥元站123.5km。

5 結語(yǔ)
本文提出了一種帶補償量的D型雙端行波故障測距算法，并將其用于實(shí)際故障產(chǎn)生的電流暫態(tài)波形分析，為現代行波故障測距技術(shù)的進(jìn)一步推廣奠定了基礎。實(shí)測故障分析表明，D型現代行波故障測距原理具有很高的可靠性。由于受線(xiàn)路長(cháng)度和GPS的影響，D型行波原理的測距誤差稍大于A(yíng)型行波原理的測距誤差，但一般不會(huì )超過(guò)1km。