電力系統(tǒng)行波測距方法探究

李玥樺，李 雄，趙 偉

(1. 三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002；2. 國網(wǎng)枝江市供電公司，湖北 枝江 443200)

作為電力系統(tǒng)傳輸電能的重要路徑，高壓線路一般建設(shè)在高山、森林、溝壑等荒涼地帶，周邊環(huán)境嚴酷，故障易發(fā)。尤其是惡劣天氣環(huán)境，如雨雪、雷暴等極端天氣情況下，高壓線路常常會發(fā)生故障，并且人工定位故障較為困難，耗時耗力，也會導(dǎo)致大面積停電，造成巨大的經(jīng)濟損失。

精準地定位故障點，快速修復(fù)永久和瞬時故障，以保證電網(wǎng)的穩(wěn)定和安全運行，維護電網(wǎng)的經(jīng)濟效益，對電力系統(tǒng)意義重大[1-2]。

1 行波測距系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

20世紀中葉，行波法就已經(jīng)運用在故障定位中了，目前的行波測距方法可以分為兩類：(1)運用于一條單獨的輸電線路中的方法有單端法、雙端法和三端法[3-4]；(2)基于廣域行波信息的網(wǎng)絡(luò)測距法，第一類中單端法分類有A、C、E、F四種，雙端法分類有B、D 兩種。

單端測距分析：高壓線路故障的發(fā)生通常會對電網(wǎng)造成一定的擾動，通過測量擾動行波波頭往返于擾動點和母線之間一次所需的時間再乘以該行波的速度，就可以計算出擾動點距離該母線的距離。雙端測距計算方法是測量擾動行波波頭到達母線兩端時間差，再乘以波速，根據(jù)原有的線路長度，就可以計算出擾動點距離兩端線路的具體距離。當前的故障定位中，主要還是采用雙端測距，單端測距多起輔助作用。含通信接口的行波測距系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 含通信接口的行波測距系統(tǒng)示意圖

圖1中，接口1可以將變電站A、B、C所測得的行波測距數(shù)據(jù)傳送至主站，接口2可以交換主站AB，主站BC，主站AC之間的行波測距數(shù)據(jù)，接口3可用于變電站與監(jiān)控系統(tǒng)之間的信息交換，并將實時運行狀況和測控信息上報至變電站。計算擾動點的任務(wù)主要由主站執(zhí)行，它利用各個變電站上傳的數(shù)據(jù)，并采用行波測距方法，確定擾動點的位置距離。

主站采用的行波測距計算方法可分為：基于波形識別來測量距離的單端法；根據(jù)擾動波形到達線路兩端的時間差值來測量距離的雙端法；主站利用各變電站上傳的行波信息進行測距的網(wǎng)絡(luò)行波測距法[5-7]。如果變電站設(shè)置有行波分析子站，則可以采用單端法和雙端法。

2 當代行波測距方法

2.1 單端法

故障時，由于初始行波浪涌來源不可能相同，因此測距原理可分為四型：分別是A型、C型、E型和F型。若初始行波浪涌產(chǎn)生于故障點，則稱之為A型；C型是根據(jù)脈沖反射，探測脈沖到達故障點，并反射回測距裝置的時間原理來測量距離。E型利用的是線路發(fā)生故障自動重合閘產(chǎn)生的暫態(tài)行波，其在故障點和測距裝置之間的傳播來確定；F型應(yīng)用的是故障發(fā)生時，斷路器跳閘將會產(chǎn)生暫態(tài)行波，利用此行波可以測量距離。如故障發(fā)生在輸電線路中，多應(yīng)用A型、C型和F型。無論采用重合閘的暫態(tài)行波還是采用斷路器跳閘暫態(tài)行波，其計算方法均是該波形的行駛速度與在兩點之間的運行時間的乘積，因此以A型為例，來介紹行波測距的原理和計算方法。

單端測距法中的A型行波法根據(jù)測距裝置所識別到的不同行波可分為三類。(1)標準模式：計算故障電流在測量點的時間與在故障點的反射時間差值，再乘以波速，得到故障距離；(2)擴展模式：計算故障電流經(jīng)過測量點的時間，與故障電流流經(jīng)對端母線并反射，再經(jīng)過故障點然后透射至測量點的時間差值，再乘以波速，可得故障距離；(3)綜合模式：與標準模式和拓展模式采用第1個反向行波浪涌不同的是，此種模式采用故障電流的第2個反向浪涌，以此確定故障距離。

單端法只在線路一端測取數(shù)據(jù)(原理見圖2)表示為

(1)

(2)

式中v1——線摸速度；v0——零摸速度；tM1——線模到達測量點M的時間；tM0——零模到達測量點M的時間；Δt——M點接收到的初始波與經(jīng)過故障F點反射后到達M點的時間差值。

圖2 單端行波測距法示意

2.2 雙端測距法

計算方法是測量擾動行波波頭到達母線兩端時間差，再乘以波速，根據(jù)原有的線路長度，就可以計算出擾動點距離兩端線路的具體距離。雙端行波法測距示意圖見圖3。圖3中，F(xiàn)點為MN之間的故障點，當故障發(fā)生時，電壓電流將由穩(wěn)定的三相正弦波產(chǎn)生畸變，并且迅速傳播至M、N點。

圖3 雙端行波法測距示意圖

以電流為例，若電流由母線流出，將此方向定義為正向，并定義故障初始波到達兩端的時間為TM、TN，故障距離可計算如下：

(3)

式中DMF——測量點M距故障點的距離；DNF——測量點N距故障點的距離；L——線路總長度；V——線路分布參數(shù)確定的行波行駛速度。

雙端行波測距主要依賴于是否能準確測定故障點的行波到達兩端測量點的時間，因此對線路兩端的時鐘精度要求較高，誤差需小于等于1 μs。

2.3 測距原理的評價

單端和雙端測距各有其優(yōu)勢和劣勢。單端測距法只需要一只測量裝置，相比于雙端測距法投資更小，但是需要該裝置同時識別正向和反向的行波，技術(shù)要求較高，有待發(fā)展，目前的實際技術(shù)無法達到該水平。雙端測距雖然需要在線路兩端安裝測量裝置，但是測量簡單，容易實現(xiàn)。因此，目前主要采用雙端測距法測量故障距離，單端測距為輔助方法。

微電網(wǎng)的加入將會導(dǎo)致配電網(wǎng)的故障定位更加復(fù)雜，保護和控制也更加困難，因此研究微電網(wǎng)對于分布式能源投入電力系統(tǒng)的發(fā)展具有重大意義。

3 行波提取及波速的確定

進行行波故障測距主要為測量第一個或者第二個反向浪涌行波到達測量點的時間，因此提取行波對行波測距十分重要。分析行波并確定波速，有利于提高測距精度。

3.1 行波信號的獲取

互感器主要分為電容式和電磁式，與普通的互感器相比，電容式無法有效傳送頻率高的信號，而傳統(tǒng)電磁式互感器可以，因此目前測控設(shè)備主要采用電磁式互感器。

隨著科技的進步面向數(shù)字化變電站的電子式互感器開始應(yīng)用而生。目前有關(guān)電子式互感器在暫態(tài)信號的測量中的研究尚不成熟，主要應(yīng)用于電流和電壓測量、計量，以及電力系統(tǒng)的保護。文獻[8]中，電子式互感器采集數(shù)據(jù)，并經(jīng)過采樣后，再基于IEC 61850標準進行傳送，設(shè)計出可應(yīng)用于行波傳送的ECT，并建立了相關(guān)的數(shù)字化系統(tǒng)模型，電子式互感器和其他電子設(shè)備可以進行操作和集成。

3.2 行波特性分析及波速的確定

暫態(tài)行波分量具有各個頻段的暫態(tài)行波分量，各個行波分量的頻率不同也決定了他們的衰減常數(shù)和行波速度也會不同。隨著線路故障的發(fā)生，必然產(chǎn)生故障相，可以將其分為線模分量和零模分量，研究發(fā)現(xiàn)線模分量較零模分量更不容易受到線路分布參數(shù)的影響，因此線模分量主要應(yīng)用于行波測距法當中。

行波波速確認的難點在于行波的頻散現(xiàn)象，在文獻[9]中，指出波速不僅由線路的分布參數(shù)決定，也受大地電阻率的影響。當前，比較常用的計算波速的方法有：根據(jù)線路常規(guī)分布參數(shù)計算；查表參考別人已經(jīng)測出的波速；自行測量線路波速；在線路發(fā)生故障時，可在線實測行波波速。如文獻[10]中已經(jīng)實測出了線路中多種頻率范圍內(nèi)的高頻分量的波速。

4 故障波形的構(gòu)造及計算步驟

首先通過計算獲得一組可能的故障點位置，將其中的一個位置作為初始行波七點位置，并確定行波波形。由于故障后，網(wǎng)絡(luò)的拓撲會發(fā)生變化，因此需要確定阻抗不匹配點并根據(jù)變化后的拓撲參數(shù)計算出每一個點透射和反射系數(shù)，通過迭代就可以確定故障時所產(chǎn)生的波形，具體步驟如下。

(1)確定故障后的網(wǎng)絡(luò)拓撲關(guān)系，每個母線故障點的透射系數(shù)和反射系數(shù)。假設(shè)線路波阻抗均相同，因為在同一區(qū)域電壓等級相同，因此電路分布參數(shù)也大致相同，盡管不完全一樣，但是對反射系數(shù)和投射系數(shù)的計算影響不大。

計算故障點的透射系數(shù)和反射系數(shù)比較困難，由于擾動點的波源不確定，故障點的過渡電阻也不確定，故可將該過渡電阻當作一個設(shè)定值。

過渡電阻值會對波頭在故障點所在位置投射系數(shù)和反射系數(shù)造成影響，從而影響透射波頭和反射波頭幅值。

每個單獨的波頭會相互疊加，因此疊加后的波形尤其是在波頭上，幅值可能會有很大的差異，但是每個波頭具有相同行進距離和相同的前進路徑?jīng)Q定了他們會在比較固定的位置出現(xiàn)。

(2)若入射波頭在傳播的路徑中，遇到與原來的阻抗不匹配的點時會進行反射和透射，透射次數(shù)與母線的線路個數(shù)有關(guān)。在波形構(gòu)造過程中，故障點所在位置的幅值為1的故障波波頭流向線路兩端，并且經(jīng)過故障點時會產(chǎn)生反射和透射的波頭，根據(jù)計算出的反射系數(shù)和透射系數(shù)，計算對應(yīng)的波頭經(jīng)過的距離。通過迭代，得到入射波頭所對應(yīng)的反射波頭和透射波頭。根據(jù)式(1)、式(2)，可知單端行波測距中，從測量點記錄到的第一個故障波頭起，在走過的距離大于該條有故障線路的兩倍后，將不會對線路的故障定位造成影響。經(jīng)過計算得出的第1個故障波的波頭經(jīng)過測量點時的路徑距離就是該測量點距離故障點的路徑長度，將測量點到故障點的計算距離再加上該條故障線路的兩倍長度，則可以確定行波行進的范圍。行波波頭經(jīng)過不斷在阻抗不匹配點的反射、透射，幅值會逐漸縮小，并小于最初的入射波頭。行波波頭經(jīng)過不斷地反射、折射，幅值會不斷損耗變小，當幅值越來越小，就不必再繼續(xù)迭代計算。

由判斷條件可知，在進行新一輪的計算之前要確定波頭能否有效傳遞，并且當所有波頭都滿足所列條件之一時，迭代結(jié)束。

(3)構(gòu)造波形，選用經(jīng)過測量裝置的行波波頭進行構(gòu)造。

挑選出分析計算的波形中(包括反射波頭和透射波頭)通過測量點的波頭再根據(jù)具體的時間疊加并構(gòu)造波形。

故障波形構(gòu)造算法流程如圖4所示。

圖4 故障波形構(gòu)造算法流程圖

5 結(jié)語

行波測距是一種全新的故障定位技術(shù)，其操作簡單快捷，而且測得的距離精度比傳統(tǒng)的方式高。本文歸納總結(jié)了目前主流的測距法，包括單端法、多端法，并分析了如何獲取行波信號及相應(yīng)的測量器件，如何確定行波的相關(guān)特性及波速確定方法，以及如何構(gòu)造故障波的波形和確定測量距離。

此項研究有利于精準快速地進行故障定位，方便檢修和維護，可支持電力系統(tǒng)的高效、安全地運行。行波測距技術(shù)在故障定位中應(yīng)用廣泛，測距裝置的數(shù)量也越來越多。此項測距技術(shù)可以組網(wǎng)應(yīng)用，系統(tǒng)中的故障信息可以充分利用，行波測距的精度和該方法的可靠性都被大大提高了。