基于電子式電壓互感器的行波測距技術*

束洪春， 劉　鑫， 張青瑞

(昆明理工大學 a. 電力工程學院， b. 現代農業工程學院， 昆明 650500)

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基于電子式電壓互感器的行波測距技術*

束洪春a， 劉鑫a， 張青瑞b

(昆明理工大學 a. 電力工程學院， b. 現代農業工程學院， 昆明 650500)

為解決行波測距裝置在數字化變電站實際應用中存在的問題，分析了電子式電壓互感器的暫態行波信號傳變特性.通過分析EVT模擬等值電路建立其傳遞函數，利用仿真模型分析EVT的頻率特性，考察電子式電壓互感器的一、二次電壓行波的相似程度，優化EVT參數使其更適用于行波保護，并討論不同采樣電阻對行波測距精度的影響.結果表明：一定參數下的EVT能夠滿足行波保護的信號傳變要求，EVT的采樣電阻取值對行波測距精度影響較大，采樣電阻越大，單端測距的誤差越大.

電子式互感器； 行波保護； 電容分壓器； 等值電路； 頻率特性； 采樣電阻； 小波變換； 單端測距

近年來，隨著我國智能電網建設進程不斷加快，數字化變電站已成為現代化電網發展的新趨勢之一.數字化變電站最突出的特點便是新型電子式互感器的應用，它可以有效避免常規互感器出現的一些問題，如準確度低、易飽和、暫態特性差及易受電磁干擾等弊端.電子式互感器采樣信號經過合并單元處理，經光纖傳輸至后臺機，避免了電磁干擾的影響，提高了信號傳輸的準確性和可靠性[1].電子式互感器分為電子式電流互感器和電子式電壓互感器(EVT)，其中電子式電壓互感器通常采用光學原理或電阻、電容分壓，避免使用大型電感元件，這樣極大減少了鐵磁諧振的幾率.

行波保護具有動作速度快、不受系統振蕩和CT飽和影響等優點，行波測距理論自提出以來已得到了廣泛的研究.傳統電壓互感器由于其高頻信號的傳變特性較差，電壓行波無法直接用于保護；而傳統電流互感器的高頻傳變特性較好，因此我國并網運行的行波測距裝置大多數采用的是電流行波[2-4].隨著電子式電壓互感器在智能化變電站中的廣泛應用，基于電壓行波的故障測距技術有了實現的先決條件.國內外學者對基于電子式互感器的行波保護技術的可行性與實用性進行了大量研究，文獻[5]研究了電容式電壓互感器的等效電路建模，分析了諧波特性，但未能對行波傳變特性做出論述；文獻[6]在一定程度上分析了電容分壓型電子互感器的暫態傳變特性，但其側重于滯留電荷的特性分析；文獻[7]研究了電壓互感器傳變特性對行波波頭辨識的影響，但未對影響因子提出分析.以上研究未能得到影響電容分壓型電子互感器行波傳變特性的關鍵參數.

單端行波保護的關鍵在于故障后行波波頭的特征識別，其對保護裝置的數據處理要求很高，通常要求500 kHZ以上的采樣頻率，但目前對電容分壓型電子互感器的高頻傳變特性研究很少.本文從電容分壓型電子互感器的高頻等效數學模型入手，得到EVT傳遞函數，并通過分析傳遞函數的頻幅特性得出電壓行波在EVT二次側輸出會有一定震蕩的結論.通過EMTP/PSCAD仿真分析了EVT中采樣電阻對單端行波測距精度的影響，得到適用于單端行波保護的EVT參數，為行波測距技術在數字化變電站的實用化提供一定的理論基礎.

1　EVT整體等效電路

電容分壓型EVT的原理是電容分壓器原理[8]，如圖1所示，C1、C2分別為電容分壓器的高、低壓臂電容，U1為被測一次電壓，U2為分壓器低壓臂的電壓.根據電路理論可得

(1)

式中，K=C1/(C1+C2)，為分壓器的分壓比.只要適當選擇C1和C2的容量即可得到所需要的分壓比.

圖1　電容分壓器原理Fig.1　Principle for capacitive voltage divider

實際應用中的電容分壓器通常采用如圖2所示的等效電路，其中，R為采樣電阻.此時輸入電壓U1和輸出電壓U2的關系式為

(2)

圖2　電容分壓器等效電路Fig.2　Equivalent circuit for capacitive voltage divider

式(2)經拉式變換得

(3)

整理后得

(4)

若R值足夠小，(C1+C2)s?1/R，則可對式(4)進行簡化，得到

(5)

式(5)表明，輸出電壓U2和輸入電壓U1的微分成正比，U2主要取決于采樣電阻R和高壓電容C1，受低壓電容影響較小.為了得到與高壓側電壓呈線性變化的二次電壓信號，需要加入積分電路對U1進行處理[8].

一般情況下，可利用模擬積分電路來實現積分功能，為減少積分器對信號處理的影響，本文采用了反饋型有源積分電路.EVT的整體等效模型如圖3所示，圖中，Rf為反饋電阻，C為積分電容，有源積分器的傳遞函數為

(6)

圖3　EVT整體等效電路Fig.3　Overall equivalent circuit for EVT

2　EVT頻率特性

根據第1節分析可知EVT整體電路的傳遞函數為

(7)

其幅頻特性表示為

(8)

相頻特性表示為

Δθ=90°-arctan[ωR(C1+C2)]+

180°-arctan(ωRfC)

(9)

則可計算得到EVT的上、下限頻率為

(10)

故障時產生的行波信號其能量主要分布在10～100 kHz的頻帶范圍內，而用于高壓遠距離的行波保護裝置其采樣頻率要求在1～10 MHz的范圍才能具有良好的精確性[9].根據式(10)分析可知，EVT的傳變帶寬與電容和電阻的參數有關，在選取適當的分壓電容與采樣電阻時，可滿足行波保護的要求.文獻[10]討論了220 kV電容分壓型EVT的參數優化方案，但EVT對故障行波的傳變特性并不理想，根據式(10)推算，可適當減少分壓電容C1、C2及采樣電阻R的值，使EVT的傳變帶寬達到兆赫茲級別.本文在選取文獻[10]所給出的EVT參數基礎上，選擇較小的取樣電阻值作為實驗仿真參數，具體參數如表1所示.

表1　EVT參數Tab.1　Parameters for EVT

在EMTP/PSCAD中建立EVT模型，得到EVT的幅頻響應與相頻響應特性曲線如圖4所示.

圖4　EVT頻率特性曲線Fig.4　Frequency characteristic curve for EVT

由圖4可見，該參數下的EVT輸出端電壓信號在1 MHz以下具有良好的幅頻響應特性，在0～1 MHz頻率區間內對信號的傳變特性響應較好，滿足行波保護采樣頻率的要求.

3　EVT行波傳變特性仿真與分析

在EMTP/PSCAD中搭建一條典型220 kV雙端供電網絡，其結構如圖5所示，線路全長100 km，線路距M端40.8 km處發生三相短路接地故障，故障初相角為90°，過渡電阻為100 Ω，采樣頻率為1 MHz.輸電線路在M端裝有行波錄波裝置，可測量到故障電壓行波.

在EMTP/PSCAD中搭建EVT模型，將M端測量得到的故障電壓數據作為EVT一次側電壓，可得到EVT二次側電壓波形.以B相電壓為例，EVT一、二次側電壓行波分別如圖6、7所示.

圖5　典型雙端供電網絡Fig.5　Typical double-end power supply network

圖6　EVT一次側電壓行波Fig.6　Primary voltage traveling wave for EVT

圖7　EVT二次側電壓行波Fig.7　Secondary voltage traveling wave for EVT

通過可決系數r考察圖6與圖7故障波形的相似度(可決系數表示兩組曲線的相似程度[11])，其表達式為

(11)

(12)

(13)

r越接近1，兩個曲線的相似度越高，表明EVT模型對波形的影響越小.利用MATLAB對故障數據進行統計計算，得到r=0.93，說明EVT仿真模型一、二次側的電壓數據相似度較高，所搭建的EVT模型對電壓行波傳變的影響較小.但通過對比一、二次側電壓行波可看出，EVT二次側電壓行波幅值略有衰減，在實際現場中，EVT受外部環境及自身技術特點影響，波形衰減雖然不可避免，但其幅值可通過參數優化控制在較小的范圍，對行波傳變中的波形突變影響較小.

4　采樣電阻對行波測距精度的影響

行波保護具有原理簡單、系統運行方式對其影響較小等特點，能夠實現較高精度的故障定位[12].行波定位法自1948年提出以來得到了國內外的廣泛研究.行波保護是以行波傳輸理論為基礎的故障定位技術，輸電線路發生故障時，會有故障行波產生，故障行波在故障點和其它阻抗不連續點會產生折射和反射，利用其傳輸時間可計算出故障位置[13].經過數十年的研究與發展，行波測距方法分為四種類型，A型原理為故障行波經輸電線路傳至母線后發生反射，反射波到達故障點再次發生反射后將第二次到達母線，通過行波兩次到達母線的時間差計算故障距離；B、C型原理為利用脈沖或信號發生器人為施加高頻或直流信號，根據雷達原理進行故障定位；D型是根據故障時產生的行波信號到達輸電線路兩端母線的時間差來進行故障定位[14].目前，A、D型行波測距技術無論在理論基礎還是實際應用中都較為成熟，但A型行波保護具有不需通信通道和實時數據同步等優點，因此，本文以A型行波測距方法為基礎，研究EVT參數對測距精度的影響.

行波測距法關鍵在于故障后行波波頭的特征識別，一直以來，利用數值計算以及有效的信號處理方法來識別行波波頭信息是行波保護領域的重點.無論是單純基于頻域還是基于時域的分析方法都不足以精確地描述行波信號.隨著小波變換在電力系統中的廣泛應用[15]，有學者提出了基于小波變換的行波分析方法，利用故障小波變換模極大值法提取故障行波信息[16].對圖7中EVT二次側電壓行波信號進行小波變換，分析結果如圖8所示.

圖8　小波變換分析結果Fig.8　Analysis results of wavelet transform

通過模極大值算法能準確找到故障初始行波及故障點反射波所造成的行波奇異點，特別是初始行波奇異點，具有最大的模極大值.由圖8可知，故障初始波頭到達M端相對時刻為t1=642 μs，故障點反射波到達M端相對時刻為t2=916 μs，由線路參數計算得到波速v為2.98×105km/s，則故障距離d=v(t2-t1)/2=40.83 km，而故障距離為40.80 km，誤差為0.03 km，表明利用小波變換模極大值法處理行波信號具有可靠的測距精度.

根據EVT的數學模型分析可知，EVT傳變帶寬與電容和電阻的參數有關，在選取適當的EVT分壓電容與采樣電阻后，可滿足行波保護的要求.利用不同電容與電阻參數測得EVT二次側電壓行波信號單端測距的結果也會不同.利用小波變換模極大值方法對圖5所示輸電線路進行故障測距仿真分析，考察不同EVT采樣電阻下單端測距精度，測距結果如表2所示，其中，di為測距結果；Δd為測距誤差.

表2　故障測距結果Tab.2　Results of fault locating　km

從表2可以看出，EVT對行波信號具有良好的傳變特性，采樣電阻在500 Ω以下時，利用EVT二次側電壓信號進行故障測距具有較高的精確度.測距誤差與采樣電阻的取值有一定關系，采樣電阻值越大，單端測距誤差也越大，采樣電阻取值在故障距離較長時對測距精度影響更為顯著.

5　結　論

本文針對電容分壓型EVT的暫態傳變特性進行了深入分析，建立EVT的數學模型以及傳遞函數，得到了EVT截止頻率的數學表達式，分析了參數對EVT暫態行波傳變特性的影響，并進一步利用基于小波變換的單端測距法考察了EVT參數對行波測距精度的影響，得到如下結論：

1) 在適當的參數下，電容分壓型EVT的傳變帶寬可達到兆瓦級，仿真表明電容分壓型EVT對暫態行波信號具有良好的傳變特性.

2) 利用EVT二次側電壓信號進行故障測距具有較高的精確度.測距誤差與采樣電阻的取值有一定關系，采樣電阻值越大，單端測距誤差也越大；在故障距離較長時，采樣電阻取值對測距精度影響更為顯著.

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(責任編輯：景勇英文審校：尹淑英)

Traveling wave fault location technology based on electronic voltage transformer

SHU Hong-chuna, LIU Xina, ZHANG Qing-ruib

(a. School of Electric Power Engineering, b. Faculty of Modern Agricultural Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650500, China)

In order to solve the problem in the practical application of traveling wave fault location device for digital substation, the transient traveling wave signal transmission characteristics of electronic voltage transformer (EVT) were analyzed. Through analyzing the simulation equivalent circuit of EVT, the transfer function was established. In addition, the frequency characteristics of EVT were analyzed with a simulation model, and the similarity between primary and secondary voltage traveling wave signals of EVT was investigated. The parameters for EVT were optimized to make the EVT more suitable for traveling wave protection, and the influence of different sampling resistances on the fault location accuracy of traveling wave was discussed. The results show that EVT can satisfy the requirements in the signal transmission of traveling wave protection under certain parameters. The sampling resistance values of EVT have great influence on the accuracy of traveling wave fault location. Furthermore, the bigger the sampling resistance is, the larger the error of single-end fault locating is.

electronic transformer; traveling wave protection; capacitive divider; equivalent circuit; frequency characteristic; sampling resistance; wavelet transform; single-end fault location

2016-03-02.

國家自然科學基金資助項目(51267009).

束洪春(1961-)，男，江蘇丹陽人，教授，博士生導師，主要從事電力系統繼電保護和穩定控制等方面的研究.

10.7688/j.issn.1000-1646.2016.04.02

TM 77

A

1000-1646(2016)04-0367-06

*本文已于2016-06-28 14∶52在中國知網優先數字出版. 網絡出版地址： http：∥www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20160628.1452.006.html