一種應用于線路保護裝置的嵌入式行波測距方法

（長園深瑞繼保自動化有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引言

常規測距技術基于阻抗法原理，受過渡電阻、系統運行方式、線路分布電容、采樣傳變誤差和電流互感器飽和等因素影響，其測距精度普遍不高。與之相比，行波測距技術能夠不受上述因素的影響，具有較高的測距精度。但目前變電站內運行的集中式行波測距裝置存在較多的缺點，如雙端行波測距裝置需配置專用的光纖通信通道，行波波形無法結合故障波形進行分析，區內高阻故障時行波啟動靈敏度不足，行波測距無法與區內故障關聯，雙端行波測距裝置2 個變電站本對側需配置同一個廠家設備，容易導致壟斷格局等。

本文提出一種新的嵌入式行波測距方案，將行波測距模塊化，并以獨立插件的方式集成到線路間隔保護裝置中，完成本線路間隔的行波測距功能。線路間隔保護裝置集成行波測距模塊后，光纖縱差線路保護模塊與行波測距模塊數據共享，綜合線路保護故障數據與行波測距數據，提高了行波測距可靠性與測距精度，并可實現故障波形及行波測距回放分析。嵌入式行波測距模塊復用線路間隔的二次交流回路，復用線路間隔的光纖通道，不增加額外二次回路投資，同時可取消變電站集中式行波測距裝置及其一二次回路設備投資。

1 目前集中式行波測距裝置存在的缺點

線路間隔保護裝置基于阻抗法測距原理，測距精度普遍不高，且線路保護裝置采樣率一般為1.2 kHz，因此常規阻抗法測距技術難以進一步提升測距精度。

與之相比，基于行波原理的行波測距技術具有極高的測距精度，且適用性更廣。目前，一般要求500 kV 線路、超過50 km 的220 kV 線路應裝設行波測距裝置。該行波測距裝置為變電站內集中式裝置，獨立組屏，實現站內各線路間隔的測距功能。線路間隔需配有專門用于行波測距的電流互感器繞組及其二次回路電纜。

但目前現場運行的集中式行波測距裝置存在較問題，具體如下：

（1）行波測距技術啟動原理存在缺陷。

不同于繼電保護裝置的故障啟動原理，行波測距技術啟動原理存在缺陷，其啟動無法區分區內外故障，經過渡電阻故障時行波測距裝置啟動靈敏度不足，且部分行波測距裝置需要整定啟動定值，給整定人員帶來較大干擾。

由于行波測距技術啟動原理存在缺陷，可能導致繼電保護裝置已經跳閘了但是行波測距裝置還未啟動測距；或是一次系統無故障，行波測距裝置誤發測距啟動信號，導致行波測距裝置不能與繼電保護裝置共同組建故障分析數據。

（2）現有的集中式行波測距裝置無法進行故障分析。

繼電保護裝置可基于故障錄波進行故障分析及再現。但集中式行波測距裝置當前并未按照統一錄波格式進行故障錄入存儲及上送，波形不能完整包含所有故障信息，不利于故障測距動作的故障分析及再現。

（3）集中式行波測距裝置模式可能導致壟斷格局。

目前集中式行波測距裝置采用按站配置的模式，由于各廠家雙端行波測距所采用的原理及技術并不兼容，變電站線路本對側均需配置同一個廠家的集中式行波測距裝置，容易導致集中式行波測距裝置被一個廠家壟斷的局面。

（4）集中式行波測距需配置專用裝置。

集中式行波測距裝置需配置專用的電流互感器繞組、敷設專用的二次電纜，雙端行波測距還需配置專用的光纖通信裝置。

可見，常規阻抗法測距技術存在測距精度普遍不高的缺點，但具有故障啟動靈敏度高、故障選擇性高、可靠性高等優勢，且具備故障分析、再現功能。集中式行波測距裝置測距精度高，但受限于行波測距啟動靈敏度不足，不具備故障分析功能，需配置行波測距專用裝置等，導致集中式行波測距裝置現場應用時存在較多缺點。

綜上所述，常規阻抗法測距技術與集中式行波測距技術均存在明顯的優缺點，采用其中任意一種均不能消除其自身缺點。

本文研究內容即是將上述2 種測距技術進行融合，將集中式行波測距裝置按間隔拆分為嵌入式行波測距模塊，并將該模塊以獨立插件的方式集成到線路間隔保護裝置中，線路保護模塊與行波測距模塊互相獨立，但共享數據。行波測距模塊使用線路保護模塊的故障啟動靈敏度來解決行波測距啟動靈敏度不足的問題，使用線路保護模塊的故障錄波再現行波測距的故障分析過程。線路保護模塊利用行波測距模塊的測距精度來提高線路保護裝置的測距精度。

行波測距模塊可按照線路間隔靈活配置，并復用該線路間隔的二次交流回路及光纖通道，線路間隔無需新增用于行波測距的電流互感器繞組及二次回路電纜，可提高行波測距功能在整站的覆蓋率，同時減少變電站裝置投資。

2 嵌入式行波測距模塊復用技術方案

2.1 嵌入式行波測距模塊硬件方案

如圖1 所示，線路保護裝置中，3 號插件為嵌入式的獨立行波測距模塊，以獨立插件方式集成到常規線路保護裝置中，作為線路保護裝置的選配插件，可靈活投退。

線路保護與行波測距模塊相互獨立、互不影響，若選配行波測距插件，線路發生區內故障時，裝置測距結果為阻抗法測距綜合行波測距；若不選配行波測距插件，與原傳統線路保護功能硬件配置一致，線路發生區內故障時，裝置測距結果為阻抗法測距。

2.2 嵌入式行波測距模塊交流采樣復用方案

圖2 給出了選配的嵌入式行波測距模塊復用原線路保護裝置的交流插件。行波測距模塊復用線路保護的三相電流插件通道，無需配置行波測距專用電流互感器，無需敷設行波測距專用二次電纜。

圖2 裝置采樣方案

圖2 中，各相電流經交流插件傳變后，在裝置總線板上分別輸出2 路信號，一路信號接入原保護模塊，一路信號接入行波測距模塊。保護模塊所需電流工頻信號與行波測距模塊所需電流行波高頻信號分別獨立接入，互不影響。

線路保護模塊采樣處理仍維持原狀，二次電流電壓經交流插件傳變后，進行低通濾波處理，濾除高次諧波及噪聲，再進行1.2 kHz 的AD 采樣，進入保護模塊采樣處理。

行波測距插件采用高速采樣電路，并使用高吞吐速率、低功耗、差分雙ADC 采樣芯片。該器件內置2 個ADC，每個ADC 之前均配有一個低噪聲、寬帶寬采樣保持電路，可處理高達110 MHz的輸入頻率。行波測距插件電流行波采樣使用2 MHz 的輸入頻率，可識別出分辨率為500 ns 的行波波頭數據，高度還原行波原始數據。

行波測距采樣模塊復用原線路保護的交流插件的三相電流通道，電流行波經交流插件傳變后進入行波測距插件，進行2 MHz 的高速行波數據采樣，轉化為高精度行波數字信號后，再進入行波測距模塊計算處理。行波采樣高速電路具有低噪聲降噪效果，能綜合利用保護模塊數據，配合軟件算法降噪處理，提取精準行波波頭數據。

2.3 嵌入式行波測距模塊光纖通道復用方案

圖3 給出了行波測距模塊復用光纖縱差保護模塊的光纖通信通道，實現本對側行波數據交互。

圖3 光纖通信方案

光纖縱差線路保護集成嵌入式行波測距模塊時，行波測距模塊通過內部總線與光纖縱差保護模塊進行差動故障數據及行波數據的交互，并復用光纖縱差線路保護的光纖通道傳輸行波數據。原光纖一幀數據增加2 個字節來傳輸行波測距數據，不影響原差動保護模塊光纖幀數據的正常傳輸。

3 嵌入式行波測距模塊測距功能實現方案

3.1 雙端行波測距原理介紹

如圖4 所示，t 時刻故障點F 發生接地故障時，行波從F 點向M 和N 兩側傳播，到達M 側時間為t1，到達N 側時間為t2。則故障測距L1和L2分別為：

圖4 雙端行波測距

式中：L 為線路全長；v 為行波傳播速度。

雙端行波測距基于兩側校時同步系統，只需分別計算出兩側行波到達時刻t1和t2，即可計算出故障點位置。

3.2 嵌入式行波測距模塊綜合測距實現方案

嵌入式行波測距模塊測距功能實現如圖5 所示。當線路發生故障時，啟動行波測距模塊，行波測距模塊依據同步行波數據計算出行波波頭時刻t1和t2，并復用線路保護裝置的光纖通道進行行波數據交互，同時綜合線路區內故障數據，計算出實際故障點位置。

線路保護模塊與行波測距模塊內部數據交互流程如圖6 所示。圖中，線路保護啟動元件作為行波測距模塊啟動的條件，行波測距不再使用單獨的啟動判據，可充分利用線路保護啟動的靈敏度，解決了行波測距在高阻故障時無法啟動以及在無故障時誤啟動的問題。同時，行波測距模塊可根據啟動時刻準確進行行波數據波頭時刻的搜索計算，避免非故障期間的擾動造成行波數據錯誤計算。本線路保護區外故障時不開放行波測距，區內故障時開放行波測距，保證行波測距結果的可靠性。區內故障時，綜合線路保護阻抗法測距與行波測距結果，校驗修正后輸出最終的故障測距信息。

圖5 嵌入式行波測距方案

圖6 嵌入式行波測距數據交互方案

行波測距模塊依靠自身GPS 校時同步模塊實現兩側雙端行波測距數據同步，同步精度可達到校時系統精度，一般優于1 μs。當外部校時系統失去時，仍然可以借助線路保護裝置的光纖乒乓同步系統，實現高精度的單端行波測距。兩側光纖縱差線路保護同步誤差小于50 μs，考慮保護模塊與行波測距模塊數據交互時間誤差及光纖通道延時誤差，單端行波測距可借助保護模塊的同步誤差，實現兩側單端測距同步誤差在200 μs內，同時利用保護模塊的故障數據輔助計算，可降低單端行波測距計算第二個波頭時間的難度。

4 仿真驗證

4.1 行波波形驗證

使用RTDS（實時數字仿真系統）進行仿真，仿真模型如圖7 所示，線路全長為200 km，采樣率為2 MHz，模擬220 kV 輸電線路各種類型故障，并使用行波測試儀對線路保護集成行波測距一體化設備進行故障波形回放。

圖8（a）為距離M 側30 km 處BG 區內故障啟動時，M 側電流波形的模變換結果。圖8（b）為圖8（a）波形的小波變換結果。小波變換后，由于算法原因波頭時刻會滯后原始波頭一段時間窗。

圖9（a）為圖8（a）故障波形的回放后，一體化裝置生成的波形模變換結果。圖9（b）為圖9（a）波形的小波變換結果。回放波形絕對時間與仿真波形絕對時間不存在關系。

通過圖9（a）和圖8（a）的對比，以及圖9（b）和圖8（b）的對比，可以看出：集成嵌入式行波測距模塊的一體化線路保護設備在回放波形后，裝置生成的故障波形與原始仿真波一致；故障起始時刻，第一個行波波頭特征顯著；行波測距模塊通過保護模塊的啟動條件，可準確識別第一個行波波頭，準確定位第一個行波波頭的到達時刻。

圖7 仿真系統

4.2 線路保護動作及行波測距動作驗證

通過仿真系統，測試線路區內外各個故障點故障，觀察嵌入式行波測距模塊的測距動作信息，詳見表1。

表1 中，位置為負數代表故障在M 側反方向。通過表1 中動作行為可以看出，集成嵌入式行波測距模塊的一體化線路保護設備在區內故障時，保護正確動作，行波測距正確動作，行波測距精度優于300 m；區外故障時，保護正確不動作，行波測距正確不動作。

圖8 仿真波形

圖9 回放波形

表1 一體化設備動作行為

集成嵌入式行波測距模塊的一體化線路保護設備，同時滿足繼電保護技術要求和行波測距技術要求；另外，解決了區內外故障時行波測距啟動可靠性和靈敏度問題，并且行波測距動作信息與保護動作故障信息直接關聯，可實現行波數據的故障分析及再現。

依據本文方案，由長園深瑞繼保自動化有限公司研發生產的集成嵌入式行波測距模塊的500 kV 光纖縱差線路保護一體化設備已在變電站掛網運行。

5 結語

本文提出一種新的嵌入式行波測距方案，嵌入式行波測距模塊以獨立的選配插件方式集成到線路保護裝置中，該一體化設備既具備完整線路保護功能，滿足繼電保護技術要求，同時具備完整行波測距功能，滿足行波測距技術要求，且兩者互相獨立，互不影響。

該嵌入式行波測距模塊功能，可根據線路間隔靈活配置。該模塊復用原線路間隔的交流回路，復用原線路間隔的光纖通道，無需配置專用的行波測距電流互感器及二次電纜，無需配置專用的行波測距光纖通信設備，可減少變電站設備投資，優化變電站二次方案設計。

綜上所述，本文提出的嵌入式行波測距方案，具備較高的實用性和經濟推廣價值。