雙端裝置免精確對時的雙端行波故障測距

蔣彪，徐軍，楊波，袁仁彪，劉長發，吳朝奎

(中國南方電網超高壓輸電公司貴陽局，貴陽 550003)

雙端裝置免精確對時的雙端行波故障測距

蔣彪，徐軍，楊波，袁仁彪，劉長發，吳朝奎

(中國南方電網超高壓輸電公司貴陽局，貴陽 550003)

提出一種不需要GPS給雙端裝置精確對時的雙端行波故障測距方法。在保護啟動后、跳閘出口前從線路一端保護安裝電流二次回路注入一個特征脈沖信號，若故障點消失，此特征脈沖信號將從線路一端直接傳送到線路另一端；若故障點依然存在，則此特征脈沖信號從故障點透射傳送到線路另一端。記下特征脈沖信號到達另一端的時刻，根據線路總長和行波波速可以計算出從一端傳到另一端所用時間，據此確定故障時兩端時鐘的精確時刻差，將一端時鐘補償兩端的精確時刻差，從而給兩端裝置進行精確對時。該方法能準確定位瞬時性故障和永久性故障，可靠性高。

雙端行波測距；不同步；特征脈沖

0 前言

行波故障測距可以分為單端行波測距和雙端行波測距[1]。單端行波測距不需要對側的行波信號，測距比較方便，正確識別第二個波頭是實現單端行波測距的關鍵，但由于第二個波頭往往是難以識別的，這也是單端行波測距可靠性低、實際應用效果不佳的原因所在；雙端行波故障測距的關鍵技術是使用了全球定位系統 (GPS)給兩端裝置進行精確對時，使裝置記錄故障行波到達時間的精度在1 μs以內[2]。

如果沒有GPS的精確對時，雙端行波測距隨之失去意義[3]。本文針對雙端時刻不同步的行波故障測距系統，通過在保護啟動后、跳閘出口前從線路一端保護安裝處注入一個特征脈沖信號。在錄波波形中，極易找到特征明顯的特征脈沖的波頭，從而確定兩端時鐘的時刻之差，彌補雙端時刻不同步的缺陷。根據線路總長和行波波速可以計算出從一端傳到另一端所用時間，據此便確定了兩端時鐘的時刻差。再根據故障行波首波頭到達兩端的時刻計算出故障距離。本方法不需要使用全球定位系統 (GPS)給兩端裝置進行精確對時，能準確定位瞬時性故障和永久性故障，現場易于實現。

1 傳統雙端行波故障測距

如圖1所示在輸電系統中，輸電線路MN全長為L。雙端測距裝置都安裝了GPS進行精確對時。如果線路F點處發生故障，記下M端錄波波形中故障行波首波頭到達時刻為tM；記下N端錄波波形中故障行波首波頭到達時刻為tN。設行波波速度為v，則得到雙端行波測距公式為：

圖1 雙端行波故障測距原理圖

故障點到M端距離為：

故障點到N端距離為：

傳統的雙端行波故障測距方法，以其首波頭精確時刻容易標定，可靠性高的優點在實際工程中得到了廣泛應用。但其亦存在不可回避的缺點：需要在線路兩端安裝依靠GPS精確對時的測距裝置，時間是否同步及通信配合是否合理對測距影響極大[4]，如果兩端時間稍不同步 (如誤差在10 μs以上)，或者通信配合稍出差池，測距結果將失去意義。

2 雙端行波故障測距

如圖2所示的輸電系統中，輸電線路MN全長為L。雙端測距裝置沒有安裝GPS進行精確對時。對于這樣雙端時刻不同步的行波故障測距系統，如果線路F點處發生故障后，線路兩端保護裝置會都會啟動，在保護啟動后、跳閘出口前立即在線路一端 (如M端)保護安裝處附近注入一個特征脈沖信號，考慮從一次回路注入特征脈沖比較困難，故從二次回路注入特征脈沖，再考慮電流不會突變，即從電流互感器的二次回路注入。工程中可以在串聯到保護裝置里的二次電流回路上注入特征脈沖，通過一個繼電器控制何時注入脈沖，注入什么樣的特征脈沖。此特征脈沖信號將通過互感器感應到一次回路，再從線路M端傳送到線路另一端N端。若此時故障點消失，此特征脈沖信號將直接從線路M端傳送到線路另一端N；若此時故障點依然存在，則此特征脈沖信號從故障點透射傳送到線路另一端N。

圖2 不需要雙端裝置精確對時雙端行波故障測距

根據兩端行波測距裝置的錄波波形，極易標定兩端故障行波首波頭的到達時刻。特征信號為連續時間間隔相等的五次次脈沖信號，由于特征脈沖信號強、特征明顯，和故障行波在線路兩端、故障點的折反射行波區別極大，亦極易標定兩端特征脈沖信號的到達時刻。不妨設記下M端錄波波形中故障行波首波頭到達時刻和特征脈沖到達時刻分別為tM、tM1(即為特征脈沖發射時刻)；記下N端錄波波形中故障行波首波頭到達時刻和特征脈沖到達時刻分別為tN、tN1。

根據故障行波首波頭和特征脈沖到達M、N兩端時刻差計算故障距離。若設M、N兩端時鐘本身時間之差為△t。則故障點到M端距離為：

所以

故障點到N端距離為：

其中△t為M、N兩端時鐘本身時間之差；L為線路全長，v為行波的傳播速度。

3 仿真驗證

建立500 kV輸電系統的PSCAD仿真模型如圖2所示。其線路參數如下：線路全長L=150 km。輸電線路距離M端70 km發生接地故障，過渡電阻為50 Ω，取行波波速度為經驗值v=293 km/ms。圖3(a)為輸電線路M端電流故障行波波形；圖3(b)輸電線路N端電流故障行波波形。圖中分別標定了故障行波的首波頭時刻和特征脈沖時刻。

圖3 M、N端故障電流行波波形及其時刻標定

從圖中可以看出，M端首波頭到達時刻和特征脈沖到達時刻為分別為 tM=0.498 ms，tM1= 1.491 ms；N端錄波波形中首波頭到達時刻和特征脈沖到達時刻為分別為 tN=0.769 ms，tN1= 2.242 ms。

根據首波頭和特征脈沖到達M、N兩端時刻差計算故障距離。根據公式 (4)計算得到兩端時鐘的時刻差為：

代入公式 (5)、(8)：

計算故障點到M端距為：

故障點到N端距離為為：

為了驗證本測距方法可靠性，現對不同故障距離進行遍歷結果可見本測距方法不受故障距離、過渡電阻的影響，測距精度高。

4 結束語

本文針對雙端時刻不同步的行波故障測距系統進行分析，通過在保護啟動后、跳閘出口前從線路一端保護安裝處注入一個特征脈沖信號來確定兩端系統的精確時差。再根據故障行波首波頭到達兩端的時刻計算出故障距離。本文提出的雙端行波測距不需要使用全球定位系統 (GPS)給兩端裝置進行精確對時，能準確定位瞬時性故障和永久性故障，現場易于實現。

[1] 葛耀中.新型繼電保護和故障測距的原理與技術 [M].西安：西安交通大學出版社，2007.

[2] 尹曉光，宋琳琳，尤志，等.與波速無關的輸電線路雙端行波故障測距研究 [J].電力系統保護與控制，2011，39 (1)：35-38.

[3] O.M.K.Kasun NanayakkaraLocation of DC Line Faults in Conventional HVDC Systems With Segments of Cables and O-verhead Lines Using Terminal Measurements[J].IEEE TRANSACTIONS ON POWER DELIVERY2012，1.

[4] 王升花，劉海波.輸電線路雙端行波故障測距新算法的仿真研究 [J].承德石油高等專科學校學報，2009，11 (3)：44-46.

Research on Double Terminal Travel Wave Fault Location Technology without Double Terminal Time Synchronize

JIANG Biao，XU Jun，YANG Bo，YUAN Renbiao，LIU Changfa，WU Chaokui
(Guiyang Bureau，CSG EHV Power Transmission Company，Guiyang 550003，China)

This paper raise a double terminal traveling wave fault location method for double terminal device precision time without the need for GPS.After the start，in the protection of tripping outlet from one end of the line protection installation into a characteristics of the pulse signal，if the fault disappears，the characteristics of the pulse signal will be transmitted directly from one terminal to the other terminal of the line；if the fault still exists，the characteristics of the pulse signal from the point of failure is transmitted to the other terminal of the transmission line.Note the characteristics of the pulse signal to the other terminal of the time，according to the line length and velocity can be calculated from one end to another by using the precise moment at both ends，clock difference to determine fault，the precise moment end clock compensation difference at both ends，so precise synchronous to end device.The method can accurately locate the transient faults and permanent faults，high reliability.

double terminal traveling wave fault location；not synchronous pulse；characteristic pulse

TM93

B

1006-7345(2015)05-0043-03

2015-01-18

蔣彪 (1988)，男，碩士，工程師，中國南方電網超高壓輸電公司貴陽局，從事電力系統保護控制、故障測距工作 (email)651859288＠qq.com。

徐軍 (1976)，男，中國南方電網超高壓輸電公司貴陽局，從事電力系統直流系統控制、保護研究。

楊波 (1979)，男，碩士，中國南方電網超高壓輸電公司貴陽局，從事電力系統繼電保護研究。