特高壓輸電線路故障診斷與定位系統(tǒng)仿真研究

李玉敦，王大鵬，趙斌超，王　軍，王福晶

（1.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，濟(jì)南　250003；2.華能淄博白楊河發(fā)電有限公司，山東　淄博　255200）

·電網(wǎng)技術(shù)·

特高壓輸電線路故障診斷與定位系統(tǒng)仿真研究

李玉敦1，王大鵬1，趙斌超1，王軍1，王福晶2

（1.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，濟(jì)南250003；2.華能淄博白楊河發(fā)電有限公司，山東淄博255200）

以1 000 kV錫盟—山東特高壓輸電線路工程為例，采用PSCAD建立特高壓交流輸電線路故障仿真模型，應(yīng)用輸電線路故障診斷與定位系統(tǒng)對(duì)仿真產(chǎn)生的波形進(jìn)行分析得到故障位置，分析研究故障電阻、并聯(lián)電抗和串補(bǔ)電容對(duì)故障診斷與定位系統(tǒng)精度的影響。仿真結(jié)果驗(yàn)證了該系統(tǒng)具有較高的測(cè)距精度，可適用于特高壓交流輸電系統(tǒng)。

交流特高壓輸電；仿真模型；故障定位

0　引言

特高壓輸電線路具有長(zhǎng)距離、大容量、跨越范圍廣的特點(diǎn)，因此特高壓輸電線路在輸電方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。隨著特高壓被納入國(guó)家大氣污染防治計(jì)劃、能源規(guī)劃“十二五”規(guī)劃，我國(guó)特高壓建設(shè)進(jìn)入快速發(fā)展階段。山東作為經(jīng)濟(jì)大省，錫盟—山東、榆橫—濰坊1 000 kV特高壓交流工程“外電入魯”戰(zhàn)略實(shí)施，特高壓成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)。由于特高壓輸電線路較長(zhǎng)，因地形和環(huán)境因素的影響輸電線路經(jīng)常發(fā)生故障，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的故障定位對(duì)及時(shí)修復(fù)故障線路、恢復(fù)供電、減少經(jīng)濟(jì)損失和提高供電可靠性具有十分重要的意義。

目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)特高壓輸電線路的故障定位問(wèn)題開(kāi)展了部分研究。文獻(xiàn)［1］提出了一種基于高頻量衰減特性的特高壓直流輸電線路神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)雙端故障測(cè)距方法。文獻(xiàn)［2-4］分析了基于分布參數(shù)模型的故障測(cè)距的方法。文獻(xiàn)［5-7］研究了含串補(bǔ)電容的特高壓輸電線路的故障定位算法。文獻(xiàn)［8-9］介紹了大電網(wǎng)特高壓直流系統(tǒng)建模與仿真技術(shù)，討論了大電網(wǎng)最新進(jìn)展及方向。

利用輸電線路自動(dòng)故障診斷和故障定位系統(tǒng)對(duì)特高壓交流輸電故障定位進(jìn)行分析。選取錫盟—山東線1 000 kV特高壓線路，根據(jù)線路的輸電線路信息建立PSCAD模型，設(shè)置仿真故障點(diǎn)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的錄波文件來(lái)驗(yàn)證系統(tǒng)特高壓輸電線路的故障定位系統(tǒng)是否準(zhǔn)確，仿真模型考慮了故障電阻、串補(bǔ)電容、并聯(lián)電抗器對(duì)系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果的影響。

1　輸電線路故障診斷與定位系統(tǒng)

本研究采用文獻(xiàn)［10］提出的高壓輸電線路故障診斷與定位系統(tǒng)對(duì)特高壓交流輸電系統(tǒng)進(jìn)行故障測(cè)距分析。該系統(tǒng)包括故障診斷、故障定位、故障通報(bào)、歷史查詢(xún)、短信通知、故障可視化6個(gè)模塊。通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)EMS采集的保護(hù)、重合閘、開(kāi)關(guān)狀態(tài)，當(dāng)保護(hù)、重合閘、開(kāi)關(guān)狀態(tài)發(fā)生動(dòng)作時(shí)系統(tǒng)通過(guò)與故障信息系統(tǒng)的接口，實(shí)時(shí)調(diào)用相關(guān)保護(hù)或錄波文件將其存儲(chǔ)于該系統(tǒng)的SQL數(shù)據(jù)庫(kù)中，自動(dòng)選取特高壓輸電線路模型和算法進(jìn)行故障診斷和故障定位計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果存入該系統(tǒng)的SQL數(shù)據(jù)庫(kù)中，分析結(jié)果實(shí)時(shí)發(fā)布給調(diào)度人員通過(guò)短信發(fā)送給聯(lián)系人來(lái)實(shí)現(xiàn)特高壓故障實(shí)時(shí)診斷和定位的目的。

該系統(tǒng)采用雙端電壓匹配法為依據(jù)計(jì)算故障點(diǎn)位置，算法中充分考慮了串補(bǔ)電容和并聯(lián)電抗的影響。可自動(dòng)匹配長(zhǎng)線模型來(lái)描述特高壓線路，線路參數(shù)包括串聯(lián)電阻、并聯(lián)導(dǎo)納，對(duì)所有參數(shù)的正序（負(fù)序）、零序值進(jìn)行分析計(jì)算。故障位置確定后利用故障點(diǎn)的電流電壓判斷故障類(lèi)型，同時(shí)根據(jù)故障點(diǎn)的電壓和從線路流入故障點(diǎn)電流計(jì)算出各種故障類(lèi)型下故障阻抗。

系統(tǒng)中的故障定位模塊支持IEEE comtrade標(biāo)準(zhǔn)錄波文件的存儲(chǔ)和分析。故障信息多元化，包括故障距離、故障類(lèi)型、故障阻抗信息等；故障波形圖界面圖形包括電壓、電流、無(wú)功功率、有功功率，支持放大功能。整個(gè)系統(tǒng)可以自動(dòng)計(jì)算出特高壓輸電線路的故障位置、故障類(lèi)型并實(shí)時(shí)通告給操作人員。

2　錫盟—山東特高壓輸電線路仿真模型

2.1錫盟—山東特高壓輸電工程介紹

錫盟—山東交流特高壓輸電線路全長(zhǎng)約2× 746 km，線路起于內(nèi)蒙古錫盟站，途經(jīng)承德站、北京東站，止于山東濟(jì)南站，其中承德站為串補(bǔ)站。輸電線路采用8×JL/G1A-630/45鋼芯鋁絞線，分裂間距為400 mm；地線一根采用JLB20A-185鋁包鋼絞線，另一根采用OPGW-185，輸電線路參數(shù)計(jì)算如表1所示。高抗，承德站串補(bǔ)站按線路40%串補(bǔ)度補(bǔ)償。

表1　特高壓交流輸電線路參數(shù)

2.2系統(tǒng)仿真模型

計(jì)算分析采用PSCAD電力系統(tǒng)軟件工具建立特高壓交流工程故障仿真模型，主變、線路、高抗和串補(bǔ)等設(shè)備參數(shù)均采用設(shè)計(jì)參數(shù)。仿真模型中特高壓輸電線路采用分布式參數(shù)模型，系統(tǒng)等值容量按照出口斷路器開(kāi)斷電流進(jìn)行計(jì)算，建立的仿真模型如圖1所示。

1 000 kV變電站主變采用單相、自耦和中性點(diǎn)無(wú)勵(lì)磁調(diào)壓方式，額定容量3 000/3 000/1 000 MVA（單相1 000/1 000/334 MVA），額定電壓1 050/525/ 110 kV。主變阻抗值Uk1-2%=18%，Uk1-3%=62%，Uk2-3% =40%。

錫盟至北京東線兩端配置兩組840 Mvar固定高抗，北京東至濟(jì)南線路兩側(cè)配置兩組720 Mvar固定

圖1　錫盟—山東線路仿真模型

3　系統(tǒng)仿真試驗(yàn)方案

錫盟—山東特高壓輸電線路的仿真主要目的是研究故障電阻、故障類(lèi)型、串補(bǔ)電容、并聯(lián)電抗等對(duì)故障定位與診斷系統(tǒng)算法精確度的影響。在進(jìn)行仿真研究時(shí)，針對(duì)不同試驗(yàn)項(xiàng)目，選擇不同線路進(jìn)行測(cè)試。

對(duì)故障電阻、故障類(lèi)型進(jìn)行分析時(shí)，選擇北京東至濟(jì)南站交流特高壓線路為研究對(duì)象。設(shè)置4類(lèi)故障，分別為單相接地（AG、BG、CG）、兩相接地（ABG、ACG、BCG）、兩相相間 （AB、CA、BC）和三相相間ABC）、3種故障電阻（分別為0 Ω、10 Ω、50 Ω）、6處故障位置，設(shè)計(jì)的模型故障測(cè)量點(diǎn)從并聯(lián)電抗器內(nèi)部測(cè)量，故障設(shè)置位置如表2所示。

表2　北京至濟(jì)南段故障位置設(shè)置方案

串補(bǔ)電容可以有效提高特高壓輸電線路的有功輸送能力，但串補(bǔ)電容器的使用將使線路上的電壓電流關(guān)系變得復(fù)雜化，為考慮串補(bǔ)電容對(duì)視在阻抗的影響，在相鄰線路輸電線路承德—北京東線路距北京東站0 km處，30%補(bǔ)償度。帶串補(bǔ)電容的輸電線路故障位在承德—北京東設(shè)置4處故障點(diǎn)如表3所示。

表3　承德—北京段故障位置設(shè)置方案

4　仿真結(jié)果

如測(cè)試方案所描述，錫盟—山東輸電線路無(wú)串補(bǔ)電容的仿真在每個(gè)模型取線路總長(zhǎng)度0、20%、40%、60%、80%、100%處設(shè)置故障點(diǎn)，故障類(lèi)型取10種，故障電阻設(shè)置3種，共進(jìn)行180組故障仿真。

利用PSCAD模擬180種故障。利用輸電線路自動(dòng)故障診斷和故障定位系統(tǒng)文件分析PSCAD產(chǎn)生的波形，從而計(jì)算故障信息。為對(duì)比本文模型計(jì)算精度，同時(shí)給出了利用單端故障量計(jì)算得到的故障定位結(jié)果。錫盟—山東線仿真結(jié)果如表4所示。

表4　北京—濟(jì)南段故障仿真結(jié)果統(tǒng)計(jì)

表4中的結(jié)果表明系統(tǒng)的精確度較高，偏差率基本在1%以?xún)?nèi)，雙端的計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確度高于單端的結(jié)算結(jié)果，以故障電阻統(tǒng)計(jì)的結(jié)果如表5所示。

表5顯示故障電阻對(duì)計(jì)算精確度的影響不大。不同故障類(lèi)型下雙端測(cè)距方法和單端測(cè)距方法計(jì)算得到的測(cè)距精度如表6所示。

為了更好地檢驗(yàn)串補(bǔ)電容對(duì)算法準(zhǔn)確性的影響，在相鄰線路中加入了串補(bǔ)電容。錫盟—山東輸電線路含串補(bǔ)電容的仿真模型在相鄰線路承德—北京段取其長(zhǎng)度0、30%、50%、100%處設(shè)置故障點(diǎn)；北京—濟(jì)南段的故障點(diǎn)設(shè)置位置不變。仿真結(jié)果如表7所示。

表5　北京—濟(jì)南故障電阻仿真結(jié)果統(tǒng)計(jì)

表6　北京—濟(jì)南故障類(lèi)型仿真結(jié)果統(tǒng)計(jì)

表7　承德—北京段含串補(bǔ)電容線路仿真統(tǒng)計(jì)

由表7看出，設(shè)計(jì)系統(tǒng)特高壓輸電線路的算法時(shí)充分考慮了串補(bǔ)電容的影響，計(jì)算結(jié)果滿(mǎn)意度較高，吻合實(shí)際特高壓輸電線路的故障診斷和故障定位的要求。

仿真結(jié)果表明，特高壓輸電線路故障定位與故障診斷系統(tǒng)精度控制在1%以?xún)?nèi)達(dá)到要求，故障類(lèi)型全部判斷準(zhǔn)確。考慮故障電阻、并聯(lián)電抗、線路參數(shù)、串補(bǔ)電容在內(nèi)的系統(tǒng)計(jì)算精確度也達(dá)到要求。特高壓輸電線路雙端算法依據(jù)線路兩端的電壓測(cè)量值進(jìn)行分析計(jì)算，利用穩(wěn)態(tài)分量并采用電壓匹配法來(lái)求解準(zhǔn)確的故障位置，克服了基于相量故障定位的弊端，準(zhǔn)確度高，來(lái)自雙端的數(shù)據(jù)不需要同步采樣，引入同步相角差和故障定位可以同時(shí)解決。

5　結(jié)語(yǔ)

特高壓輸電線路故障診斷和故障定位系統(tǒng)能夠?qū)μ馗邏狠旊娋€路的故障實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位，特別是采用雙端自動(dòng)匹配算法提高了系統(tǒng)定位的精確性。該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地判斷出故障類(lèi)型和故障位置，并且通過(guò)仿真驗(yàn)證了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，為特高壓輸電線路的檢修提供了有效的幫助。

［1］陳仕龍，謝佳偉，畢貴紅，等.一種特高壓直流輸電線路神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)雙端故障測(cè)距新方法［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2015，30（4）：257-264.

［2］劉偉，陳皓.基于分布參數(shù)模型的混合線路故障測(cè)距新算法［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2009，37（24）：76-80，132.

［3］索南加樂(lè)，吳亞萍，宋國(guó)兵，等.基于分布參數(shù)的同桿雙回線單線故障準(zhǔn)確測(cè)距原理［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2003，23（5）：39-43.

［4］劉建.特高壓長(zhǎng)距離交流輸電線路分布參數(shù)計(jì)算及線路模型的建立［J］.電力學(xué)報(bào)，2011，26（2）：95-98.

［5］T.S.Sidhu，M.Khederzadeh.Series compensated line protection enhancement by modified relaying Schemes.IEEE Transactions on Power Delivery［J］.2006，21（3）：1 191-1 198.

［6］R.Eugeniusz，J.Izykowski，P.Pierz，et al.High Voltage Series Compensated Transmission Line Evaluation of New Distance Protection［C］.International Conference on ICHVE，2010.

［7］M.M.Saha，B.Kasztenny，E.Rosolowski.First Zone Algorithm for Protection of Series Compensated Lines.IEEE Transactions on Power Delivery［J］.2010，16（2）：200-207.

［8］易輝，熊幼京.1 000 kV交流特高壓輸電線路運(yùn)行特性分析［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2006，30（15）：1-7.

［9］舒印彪.1 000 kV交流特高壓輸電技術(shù)的研究與應(yīng)用［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2005，29（19）：1-6.

［10］王連成，劉琳.輸電線路自動(dòng)故障診斷和故障定位實(shí)時(shí)發(fā)布系統(tǒng)［J］.山東電力技術(shù)，2015，42（1）：16-19，24.

Simulation Study of UHV AC System Based on PSCAD

LI Yudun1，WANG Dapeng1，ZHAO Binchao1，WANG Jun1，WANG Fujing2
（1.State Grid Shandong Electric Power Research Institute，Jinan 250003，China；2.Huaneng Zibo Baiyanghe Power Generation Co.，Ltd.，Zibo 255200，China）

Taking the 1 000 kV Xilingol-Shandong power transmission project for example，the simulation model for UHV AC system is established with PSCAD.The fault location corresponding to the fault wave generated by PSCAD is obtained by using the fault diagnosis and location system（FDLS）.The influence of fault resistance，shunt reactor and series compensated on FDLS are analyzed.The simulation results showed that the FDLS has high accuracy and robustness，and can adapt to UHV AC transmission system.

ultra-high voltage（UHV）transmission；simulation model；fault location

TM711

A

1007－9904（2016）07－0001－03

2016-03-15

李玉敦（1985），男，工程師，從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)技術(shù)方面的研究；

王大鵬（1970），女，教授級(jí)高級(jí)工程師，從事電力系統(tǒng)保護(hù)與控制等工作。