特高壓直流輸電線路故障定位系統(tǒng)的方案設計

張廣怡，劉 暢，王旭彤

（1.鄭州電力高等專科學校，河南 鄭州 450000；2.國網(wǎng)河南省電力公司檢修公司，河南 鄭州 450000；3.河南城建學院，河南 平頂山 467000）

0 引 言

目前，我國電網(wǎng)進入特高壓直流輸電發(fā)展的高速時期。西電東送、南北互供以及全國聯(lián)網(wǎng)是我國電網(wǎng)發(fā)展的總方針，也是21世紀國家能源工業(yè)建設的基本戰(zhàn)略目標[1]。在一系列國家戰(zhàn)略的實施中，UHVDC憑借優(yōu)越的發(fā)展前景與經(jīng)濟效能，在超遠距離電力輸送中發(fā)揮了重要作用。

特高壓直流輸電線路由于電壓等級高和輸送距離遠，要穿越大量的山地、丘陵，甚至海洋和湖泊等復雜環(huán)境。因此，輸電線路容易受到自然環(huán)境因素干擾，如雷擊、滑坡以及雪災，進而導致較高的故障發(fā)生率[2]。UHVDC是智能電網(wǎng)的骨干網(wǎng)架，線路輸送功率遠超其他等級輸電線路，發(fā)生故障后容易在送電端產(chǎn)生大量的剩余負荷，同時在受端產(chǎn)生大量的功率缺額。這不僅嚴重影響直流輸電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，而且如果線路為交直混聯(lián)系統(tǒng)，那么在直流線路閉鎖后，大容量功率將瞬間轉移到與之并行的交流通道，導致發(fā)電機群功角失穩(wěn)與局部電網(wǎng)電壓驟降引起閉鎖，同時大容量直流潮流將轉移到并列的交流通道，造成交流線路過載，最終兩側系統(tǒng)發(fā)生功角失穩(wěn)，嚴重威脅電力系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定運行[3]。

基于以上UHVDC的種種故障特點，如果能夠快速準確地定位故障，做到早發(fā)現(xiàn)早清除，將有助于有效保障輸電線路安全穩(wěn)定運行，減少輸電線路故障帶來的經(jīng)濟損失[4]。準確的故障測距系統(tǒng)還可以減輕電網(wǎng)維護人員的勞作強度，提高故障停電的恢復供電速度，保障電網(wǎng)的安全運行。因此，對特高壓輸電線路（UHVDC）的故障測距方法進行研究有著重要的現(xiàn)實意義和使用價值。

1 系統(tǒng)平臺架構設計

如圖1所示，特高壓直流輸電故障定位系統(tǒng)硬件由故障定位器、在線監(jiān)測終端、遠程通信信箱、安全接入平臺以及客戶定位系統(tǒng)終端設備構成。

1.1 故障定位器

該裝置主要由行波信號發(fā)生器TWSG（Traveling Wave Signal Generator）和行波信號采集裝置TWSC（Traveling Wave Signal Collector）兩部分構成。當特高壓直流輸電線路發(fā)生故障并在引發(fā)斷路器動作后，TWSG定向對故障線路發(fā)出特定的行波信號，由集成、分析以及判斷功能為一體的采集裝置收集行波信號后，進行故障判別與分析。

圖1 系統(tǒng)整體設計

故障定位器的內部結構如圖2所示。主機采用DSP（Digital Signal Processing）控制器、數(shù)字合成信號發(fā)生器以及功率放大器提供輸出行波信號。

圖2 故障定位器內部結構圖

1.2 在線監(jiān)測終端

在線監(jiān)測終端主要包括核心處理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)發(fā)送模塊以及數(shù)據(jù)庫服務器等，系統(tǒng)原理如圖3所示。

圖3 在線監(jiān)測終端原理框圖

1.3 遠程通信信箱

遠程通信信箱是一種分布式信息處理單元，可以以最小化的消耗進行通信處理。它的結構與分布式計算機的通信類似，可以按照不同的等級來實施。它與其他技術最重要的區(qū)別在于結構的可擴展性。它的通信協(xié)議采用TCP協(xié)議，在硬件層有著強大的拓展能力，可以實現(xiàn)偵聽、信道格式化程序、字處理、數(shù)據(jù)錄入、數(shù)據(jù)收集以及程序計算等功能，大大節(jié)省了數(shù)據(jù)處理、轉運以及分析計算的成本。

1.4 安全接入平臺

平臺依據(jù)規(guī)范要求，采用YD/T 2406—2017《互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心和互聯(lián)網(wǎng)接入服務信息安全管理系統(tǒng)及接口通信標準》。網(wǎng)絡安全系統(tǒng)采用防火墻和VPN技術管理手段，定向分析流量、業(yè)務監(jiān)控、安全審計以及操作行為分析等功能，主要防范DDoS攻擊和網(wǎng)絡入侵檢測等，同時保障數(shù)據(jù)的存儲與傳輸安全。

1.5 客戶端定位系統(tǒng)

系統(tǒng)軟件采用Microsoft Visual Studio作為開發(fā)平臺，采用C++語言編寫人機交互界面，通過調用動態(tài)鏈接庫PComm32.dll文件，利用Ethernet通信方式傳輸信息。客戶端定位系統(tǒng)安裝在變電站主機上，界面如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)界面圖

2 系統(tǒng)平臺功能設計

基于故障定位器、在線監(jiān)測終端、遠程通信信箱以及安全接口等硬件，開發(fā)故障定位系統(tǒng)平臺。平臺安裝于直流站內的計算機主機，可實現(xiàn)對國家電網(wǎng)所有特高壓線路的故障定位。特高壓直流線路故障定位系統(tǒng)平臺具有下列功能。

2.1 基于行波原理的故障定位

行波算法基于行波原理，即計算故障行波波頭或故障反射波波頭到達測量點的時間，乘以理論行波波速，從而得到故障距離。主流的行波測距法有6種，但限于測距精度和應用條件，目前最廣泛采用的行波測距法是A型與D型。A型屬于單端法，D型屬于雙端法，圖5為暫態(tài)故障行波傳播網(wǎng)格。

2.1.1 單端行波測距原理

以A型為例說明理論原理，如圖5所示。

圖5 故障暫態(tài)行波傳播網(wǎng)格圖

設測量端位于母線M上，行波的傳播方向從直流母線指向故障點，設為正方向。當故障行波首次達到M端測量點時，記為時間t1；當行波經(jīng)故障點折射后第二次到達測量點時，記為時間t2。兩個時刻之差為Δt，波速為v，則故障點和測量端的間距用DMF表示：

記行波首次到達測量端M點的時刻為t3，由被N端受點反射至M端的故障行波首次到達M端測量點的時刻t4，兩者之差即為Δt'，則故障點和N端測量點的間距用DNF表示：

以上即為A型行波測距法的基本理論原理。由推導可見，誤差的精確性主要取決于是否能夠精確采集與測算來自不同線路不同方向的故障行波反射次數(shù)，是A行測距法的難點。

2.1.2 雙端行波測距原理

基于圖5，介紹D型行波測距法的理論原理。行波發(fā)生器產(chǎn)生的行波正向設定為由直流母線指向故障點。設故障行波首次達到測量端M點的行程時間為TM，首次達到測量端N點的行程時間為TN，則故障點與線路中兩個采集點的距離DMF和DNF可以分別表示為：

其中，L為線路長度，v為波速。

2.2 基于故障數(shù)據(jù)庫的故障預判

調查統(tǒng)計特高壓直流線路故障現(xiàn)象和原因，包括發(fā)生頻次、位置以及故障錄波數(shù)據(jù)等。選取以前故障多發(fā)地的1～2個特高壓直流輸電系統(tǒng)節(jié)點，包括換流閥、橋臂電抗器、直流電纜（或架空線）以及換流變壓器等一次設備的型號、結構以及參數(shù)，統(tǒng)計分析特高壓直流線路參數(shù)等。

以某個特高壓直流輸電系統(tǒng)為對象建立模型，采用疊加原理分析單極直流線路故障和雙極直流線路故障機理，分析故障前后各種電氣量的變化、故障后行波傳播特性、行波能量衰減特性、行波折反射規(guī)律以及行波模量的波速變化特性。通過研究故障類型和故障位置等關鍵特征信息，針對故障特征的影響和其影響規(guī)律建立故障數(shù)據(jù)庫。系統(tǒng)的服務器數(shù)據(jù)庫基于SQL Server開發(fā)，數(shù)據(jù)實時上傳云端儲存并備份。系統(tǒng)從已建立的數(shù)據(jù)庫中讀取故障數(shù)據(jù)的特征閾值與采樣數(shù)值波動范圍進行故障類型判別。故障類別有單相接地短路、相間短路、兩相接地短路以及三相短路等。

2.3 提供工具清單

系統(tǒng)平臺在初步判斷出故障類型和故障位置后，自動生成并提供工具清單。系統(tǒng)平臺具有編制完善的工具清單庫，用于輸電線路維護、日檢、定檢以及故障處理等，并記錄所需的所有設備信息，如名稱、類別、功能、供應商、適用電壓等級以及數(shù)量等。實際應用中，需依據(jù)實際需求進行篩選，生成特定故障類型所需的工具清單。

2.4 專家?guī)鞂＜以茣\

對于一般故障，運維檢修人員可以進行處理。對于較難解決的故障，可組織專家云會診。

平臺具有專家APP，因此電力行業(yè)專家登錄APP即可參與會診。會診結果可由平臺自動生成，而調度中心參考轉接會診結果生成操作票等工作票。

2.5 故障記錄及查詢

故障定位系統(tǒng)在運行過程中會產(chǎn)生大量的故障數(shù)據(jù)和相應的維護記錄。系統(tǒng)平臺提供故障檔案查詢功能，以幫助系統(tǒng)后期定位故障，縮短定位和故障類型判斷時間。故障查詢功能界面如圖6所示。

圖6 故障查詢功能圖

2.6 動態(tài)監(jiān)測

為了實時監(jiān)測特高壓直流輸電線路故障情況，掌握系統(tǒng)運行工況，判斷故障類型，記錄故障前后參數(shù)值，系統(tǒng)平臺提供動態(tài)監(jiān)測功能。系統(tǒng)主要監(jiān)測特高壓直流輸電線路電壓值和電流值，實時動態(tài)接收并發(fā)出故障定位行波。

3 結 論

本文針對特高壓直流輸電線路故障發(fā)生時故障定位困難、不精確以及不及時等問題，設計了一種適用于特高壓直流輸電線路的故障定位系統(tǒng)方案。該系統(tǒng)方案采用行波測距法進行故障定位，以Microsoft Visual Studio作為開發(fā)平臺，利用C++語言編寫人機交互界面，并對系統(tǒng)平臺功能方案進行了設計，實現(xiàn)了特高壓直流輸電線路故障點的快速定位和類型識別，有效提高了特高壓直流輸電線路運行的可靠性與穩(wěn)定性。