改造錄波系統提高故障定位精度的實用方法研究

劉　明，鞏俊強

(深圳供電局有限公司，廣東 深圳　518000)

改造錄波系統提高故障定位精度的實用方法研究

劉明，鞏俊強

(深圳供電局有限公司，廣東 深圳518000)

摘要：提出了一種基于電壓行波測距理論改造故障錄波系統，提高故障測距精度的實用方法。該方法在原有的故障錄波屏柜中加入二次零序電壓行波采集單元，接收行波傳感器的行波信號，利用保信網絡將行波信息上送調度端；測距主站接收調度端保信主站轉發的行波信息及故障簡報，并對故障信息進行計算、顯示及存儲，可以達到精確故障定位。工程應用表明該方法實施簡單，提高了故障錄波系統的實用性能，在節約測距設備方面有明顯優勢。

關鍵詞：行波測距;錄波系統;電壓行波;保信主站

0引言

輸電線路是電力系統的重要組成部分，承擔著傳送電能的重要任務。輸電線路工作環境比較惡劣，是電力系統中較容易發生故障的環節，快速、準確的故障定位對于提高供電質量、減少停電損失、尋找故障薄弱點、提高系統運行可靠性具有重要意義。

1故障測距技術

1.1　故障測距方法

根據采用的線路模型、測量設備不同，故障測距的原理和方法主要可以分為阻抗法、故障分析法、行波法3類[1-10]。

阻抗法利用線路長度與阻抗成正比的關系，用線路故障時測量到的電壓和電流量計算故障回路的阻抗，根據故障時線路阻抗與正常運行時線路阻抗的比值，求取故障位置。阻抗法原理簡單，在故障測距技術發展初期得到廣泛應用。

故障分析法利用故障時記錄的電壓電流量，對故障線路進行分析計算，求得故障點到設備安裝處的距離。

行波法是利用波傳播理論進行輸電線路的故障測距，使用輸電線路分布參數模型，對線路故障后測量到的暫態行波信號進行分析計算，確定故障發生位置。

1.2　國內故障測距應用簡介

線路保護及故障錄波裝置主要采用單端故障分析法，成本低、測距可靠性較高，但在高阻接地情況下存在較大誤差。

行波測距裝置在500 kV以上線路及部分重要220 kV線路得到應用，測距精度較高，但成本高、測距可靠性一般。某電網公司對2013年年末至2014年年初的行波故障測距情況進行調查，安裝了行波測距裝置的500 kV線路總計86跳，其中有測距結果的僅有42次。

1.3　二次電壓行波測距技術

相對于電流行波法，電壓行波法在構建基于整個電網的故障測距有明顯優勢，但是電壓行波在國內的應用并不多，理由是部分學者認為電壓互感器不能很好地傳變行波信號。國內對互感器的分析大多是沿用互感器在工頻狀況下的分析方法,沒有考慮互感器內部的雜散電容,在此基礎上得出電壓互感器不能傳變暫態高頻信號,互感器二次信號難以直接用于行波保護與行波定位。研究及實驗表明，電壓互感器的線圈波過程包含靜電感應、電磁感應和自由振動過程，能準確地傳輸行波波頭信號和極性[11]，利用電壓互感器的二次信號實現電壓行波測距在技術上是可行的。

2改造錄波系統提高故障定位精度的技術方案

2.1　整體方案設計

故障分析法與行波測距法各有優劣，兩者能很好地形成互補，若能將兩者結合起來，則對整個電網的故障定位水平的提升是十分有利的。

故障錄波系統由微機型故障錄波裝置、調度數據網、保護及故障錄波信息主站構成。隨著電網技術的發展，110 kV及以上電壓等級變電站對故障記錄的要求也越來越高，故障錄波系統的運行維護技術已十分成熟。

充分考慮了電力系統運行及管理現狀，提出了1套改造錄波系統提高故障定位精度的解決方案。改造錄波系統提高故障定位精度整體設計方案示意圖參見圖1。

整個方案由電壓行波采集裝置、故障錄波裝置、保信主站、測距主站組成。通過在原有故障錄波屏柜內加入一套電壓行波采集單元，行波采集單元與故障錄波裝置共用母線二次零序電壓，借用保信系統多余的IP地址上調度數據網，通過調度端保信主站硬件設備，將信息傳至調度端測距主站。

2.2　電壓行波采集單元

電壓行波采集單元主要完成行波波頭的辨識以及對外通信。為了使該方案在工程應用中得到推廣，設計了一款低成本的行波采集單元。

這發生的一切是真的嗎？我驚呆了，不可思議地望著血泊中的男子，他還在不停地抽搐，兩只瞪大的眼睛死死地盯著我，像是想喊救命，而我已經完全嚇傻了，只是呆呆地看著他，一步也挪動不了。

圖1　改造錄波系統提高故障定位精度整體設計方案

110 kV及以上電壓等級輸電線路普遍采用中性點直接接地的運行方式，在線路發生單相接地及兩相接地短路時，會產生明顯的零序電壓行波；由于系統參數不完全對稱、各相故障發生時刻不完全一致，線路發生兩相短路及在三相短路時，也會產生瞬時性的零序行波信號。

為了精簡結構，方便改造，電壓行波測距單元僅接入母線的二次零序電壓信號，可實現對母線上所有線路行波信號的監測。

行波測距的核心在于行波波頭的獲取，國內電流行波法采用高速采樣、記錄并通過小波變換等算法識別波頭，硬件成本比較高，不適合行波測距的大規模應用推廣。

考慮到行波波頭信號為一個瞬時性的上升沿或下降沿，設計研發了圖2所示的零序電壓行波識別電路。該電路由通過微分電路、電平比較及保持電路以及邏輯門實現暫態故障信息的初步識別，FPGA對初步辨識信號進行深入處理，區分出正常信息及故障信息，接受GPS模塊對時信息，對每個故障信息打上時間戳，將暫態信息辨識結果傳送至數據處理模塊進行進一步分析。為防止由于電磁干擾等因素造成故障測距裝置頻繁起動，電路內部進行相應的濾波及抗干擾處理。該硬件設計實現簡單，避免了大量的AD轉換、存儲、計算工作。

2.3　故障錄波裝置

故障錄波裝置具備標準的103規約或IEC61850接入功能，通過調度數據網將故障簡報及錄波數據上傳至保護和故障信息管理主站。因各站錄波裝置廠家及型號不一，考慮項目改造的可行性，將行波測距采集單元安裝在站內的其中一臺錄波裝置屏柜內，共用母線零序電壓信號，不對錄波裝置內部的軟硬件細節進行改造。

圖2　零序電壓行波識別原理圖

2.4　保信主站

保信主站的主要功能包括：存儲及查詢站端保護裝置和故障錄波器的動作事件、告警信息、定值和錄波文件。采用借保信通道方式，通過在保信主站運行行波通訊模塊，將各電壓行波單元上傳的數據轉發到行波測距主站，由行波測距主站對行波數據進行統一處理。

2.5　測距主站

1)功能

測距主站包含定值設置、數據處理及存儲、信息查詢、變電站拓撲圖編輯、電壓行波采集單元狀態監控等功能。

測距主站接受保信主站轉發故障錄波器測距結果，將故障簡報中判為區內故障的測距結果給予顯示；接受保信主站轉發的行波信息，通過網絡化故障測距算法計算行波測距結果，對結果進行存儲、篩選及顯示。

2)測距算法

輸電線路發生故障后，行波將沿著線路向整個電網傳播，其中，行波第一個波頭在電網中傳播最為強烈。由于故障行波第一波頭到達各節點的時間對應故障行波第一波頭由故障點向各節點傳輸的最短路徑, 因此在復雜網絡中, 根據最短路徑的唯一性, 總能通過尋找故障行波第一波頭傳輸的最短路徑，將復雜網絡轉化為簡單網絡(不含環路和多回線路)。

最短路徑是圖論研究中的經典算法問題，所設計的測距主站選取Dijkstra算法作為最短路徑算法，同時，采用加權系數法對故障定位結果進行處理，減少隨機干擾造成的誤差。

3實例分析

3.1　試驗分析

由于行波測距方法原理上依賴對行波信號的識別和捕捉，仿真實驗難以模擬行波信號的傳輸，所以，對行波傳感器的實驗分析采用1 000 m電纜模擬輸電線路，由行波信號發生器模擬故障點，由行波傳感器將行波信號傳送給行波信號采集裝置，計算模擬故障點測距結果。試驗方案如圖3所示。

圖3　試驗方案

行波傳感器分別安裝在線路末端、行波信號發生器側。將故障點電纜線剝開，行波信號發生器一極接芯線、一極接屏蔽線。

部分試驗結果統計分析如表1所示。

表1　試驗結果

試驗結果證明：該套行波測距裝置具有良好的行波波頭捕捉識別能力，測距精度較高。

3.2　應用實例概況

某220 kV以上電壓等級局部電網地理位置示意圖參見圖4，該電網包含一個500 kV變電站(鯤鵬)及8個220 kV變電站(鼎盛、盤古石、坪山、白楊、駿康、宏圖、交椅、靈芝)，各站的故障錄波裝置通過調度數據網與保信主站通信。

3.3　最優配置

電網中故障行波定位裝置的配置與電網結構和故障行波的傳輸路徑直接相關[12-13]。通過尋找出所有輸電線路在任意故障點處行波第一波頭傳輸的最短路徑，保證最短路徑中故障點兩側的變電站至少各安裝一臺行波采集裝置，即可完成對整個網絡輸電線路行波測距的監控。具體實現時，依次網絡中的輸電線路支路設置為故障線路，得到輸電線路兩側安裝的站點數組I1，I2，……，In和J1，J2，……，Jn，其中，n為線路數，I和J的最小公共集的并集即為整個電網需要配置行波采集裝置的最少站點。

圖4　220 kV電網子系統

所選取的220 kV子網各故障線路兩端的站點數組如表2所示。

表2　故障線路兩端的變電站數組

表2中的I和J最小公共集的并集為駿康、坪山、鯤鵬、交椅，因此，要實現該電網所有線路的行波監控，僅需對4個站進行升級改造。相對于電流行波測距，電壓行波法節約了5臺裝置，且站點越多，基于網絡的電壓行波優勢越明顯。

4結語

電力系統技術的發展對故障測距提出了更高的要求。故障分析法及行波法作為當前輸電網主流的故障測距方法，其技術特點存在互補性。對故障分析法及行波法的實際應用情況進行分析，針對電網現狀，提出了改造錄波系統提高故障測距精度的解決方案。該方案在原有故障錄波屏柜上加入一套低成本的零序電壓行波采集裝置，并借用保信通道及保信主站將行波數據及故障分析法結果上傳至行波主站，由行波主站完成故障數據處理、分析及顯示。該方案兼有故障分析法穩定性好、行波法測距精度高等優點，同時，在節約設備數目及設備成本、減少安裝維護工作量方面也有明顯優勢。

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中圖分類號：TM74

文獻標志碼：A

文章編號：1003-6954(2015)04-0062-04

作者簡介：

劉明(1984)，碩士, 工程師, 主要從事繼電保護運行維護工作；

鞏俊強(1980),碩士, 高級工程師, 主要從事電力系統繼電保護運行管理工作。

(收稿日期：2015-05-19)

Abstract：In order to solve the low fault location precision of transmission lines in high-resistance grounding faults, a method of improving fault location precision by transforming fault recorder system is proposed. The sampling unit of second zero sequence voltage traveling wave is added into the existing fault recorder cabinet to receive travelling wave signal, and the travelling wave information is sent to dispatching end by relay protection and fault information network. The main station of fault location receives traveling wave information and fault presentation which is retransmitted by the main station of relay protection and fault information in dispatching end, and then the fault information is calculated, displayed and stored by the main station of fault location, which can achieve the precise fault location. The engineering application shows that the proposed method is simple to implement and has obvious advantages in reducing fault location devices．

Key words：traveling wave fault location; fault recorder system; voltage traveling wave; main station of relay protection and fault information