基于同步錄波技術的輸電線路故障定位方法

岳科宇，袁 鵬，趙洪丹，李忠國，鄭 宇

（國網吉林省電力有限公司遼源供電公司，吉林 遼源 136200）

1.引言

目前，故障錄波裝置只能記錄原始波形的動態數據量，不能全天候存儲穩態數據，僅在故障前后幾秒內記錄原始數據，造成難以及時捕捉電網的低頻振蕩，對大規模、長時間故障的分析中存在顯著缺陷。不同變電站的錄波數據缺乏可比性和同步性，直接威脅了故障后的穩定性。對此，迫切需要根據同步錄波技術，系統研究輸電線路故障定位。

2.多端輸電線路及單相接地故障

我國社會經濟自從進入21 世紀以后，呈現全面發展態勢，一定程度推動了電力工業的進步。電網不斷擴大規模，明顯提高了輸電容量。在電力工業可持續發展中，電網拓撲結構更加復雜。當高壓輸電網的輸電線路故障，對其準確定位可提高線路故障的排查率，避免停電可能帶來的經濟損失，增加了輸送電能設備的工作時間，保證電網穩定運行。現實工作中，供電系統最普遍的形式是多端輸電線路，其拓撲結構見圖1。

圖1 多端輸電線路拓撲

由圖1 發現，多端輸電線路涉及n 個母線端子，其中母線1 與n 之間的線路是主干輸電線路，分支線路是指節點2 到節點n-2，并將電能供應給下級電網。多端輸電線路相較單一輸電線路，前者的分支電路錯綜復雜，無形增加了拓撲的結構的復雜度，提高了故障發生率，且故障容易對更廣泛的區域造成影響。根據故障發生原理，對高壓電網線路故障合理區分，即瞬態故障與永久故障。局部放電體現出隨機和間歇特點，形成的電弧也較微弱，提高了定位故障的難度。雖然前期瞬態故障不會嚴重影響系統運行，但若置之不理，則容易反復、多次出現故障，進一步延伸故障發生區域。因此，采取科學方法對該類故障排除，避免影響高壓電網運行的可靠性。

高壓電網出現故障后，只有對故障位置科學定位，才能系統檢查線路故障。高壓電網輸電距離與配電網線路存在明顯區別，前者輸電距離遠、覆蓋范圍廣泛，部分地區交通較差。只安排人員維修檢查，耗時費力，降低了排查故障率。現場安裝輸電線路保護系統對故障線路快速定位，故障發生后快速跳閘，保證了故障檢修質量。但是，在復雜的環境內輸電線路保護增加了誤動的可能性。此外，通過保護動作，不能準確定位故障位置。因此，精確定位高壓線路故障，有利于保證檢修質量，控制停電時間。對當前高壓輸電網的復雜程度，只有積極優化故障定位的方式，才可以提高智能化定位故障的水平。

輸電線路單相接地故障定位技術。據統計，當瞬態故障超過90%時易引起線路缺陷，但未發現線路外部的損壞痕跡。利用故障定位系統發現故障部位。高壓線路發生故障后，隨之出現很多異常信號，經獲取核心數據，憑借其與故障位置關系定位故障，節省了排查故障的時間，提高了故障檢修水平。

3.輸電線路故障同步錄波監測技術

3.1 同步守時技術

目前根據全球衛星定位系統或北斗系統應用同步采樣技術，如GPS。當獲取同步信號后，模擬量經變換與調制實現模數轉換，此時GPS 將觸發信號提供給模數轉換設備，由CPLD處理后，獲得同步觸發脈沖信號。當所有裝置的轉換觸發脈沖，實現同步采樣操作后，故障數據通過GPS 得到準確標簽，形成同步相角數據。對系統的守時功能提出要求。為實現這個要求，系統選擇精度較高的恒溫晶振，作時間跟蹤源。

3.2 高精確度測距技術

單端測距：故障錄波監測系統的關鍵功能之一是測距。在無法獲得端數據的情況下，單端測距是對故障進行定位的主要方法。但其精度易被非周期衰減直流分量、故障點過渡電阻等要素干擾。計算單端測距時不只采取濾除非周期衰減直流分量，還要系統把握過濾電阻，科學應用補償技術降低分布電容的干擾，提高單端測距的精確度。

雙端測距：雙端測距結合對端數據完全消除過渡電阻的干擾。根據單端測距的特點，無法對故障電流提前預知，故采取極分化簡方式計算單端測距，綜合運用故障位置的零序電流。假設故障位置與安裝裝置形成相同的零序電流相位，則雙端測距通過處理未知量消除過渡電阻造成的干擾。

4.多變電站輸電線路同步錄波技術故障定位

4.1 錄波數據關聯

以典型錄波器聯網系統為例，變電站1 與變電站2 的F 點出現了故障，同步登記兩個變電站的故障數據，利用錄波器聯網系統向主站傳輸錄波數據，兩變電站同步傳輸錄波數據，對變電站錄波數據進行自主關聯。

錄波聯網時間差異。輸電線路出現故障后，錄波數據緊密聯系著故障模擬數據、開關操作信號、故障出現時間。基于對時差異的出現，直接威脅了錄波數據時間的準確性，主站采取統一的對時方法，主要避免發生時間差錯。

各錄波數據與主站時鐘間的偏差各不相同，其有可能是數小時，也可能是數天。錄波主站之于各錄波器來講并非具有統一的時鐘，為了對錄波數據自主聯系，以合理方法檢測各個錄波設備時間與主站時鐘差。鄰近變電站在數據網通信中合理運用調度數據與主站數據，其中分布在各變電站的錄波器對主站進行時間檢測。

錄波器時間修正方法。錄波器之間的時間差不相同，沒有任何規律，但主站時鐘體現出唯一性。如果基于主站分別獲取錄波器的時間偏差，則故障發生后，利用時間偏差校準錄波器形成的故障時間，根據時間與各錄波數據聯系。主站獲取各錄波器時間偏差的原理與過程：選擇TA1 時間，通過主站模塊對時鐘報文進行采集，向錄波器傳送；選擇TB1 時間，錄波器獲取時鐘報文請求，利用響應時間△tB，在TB2 時間內向主站傳輸報文；錄波器將響應文件傳輸至主站采集模塊，對接收時間的偏差計算。

傳輸延時：

時間偏差：

基于錄波器迅速實現響應，通常在微秒級，我們直接忽略△tB，使得TB1=TB2=TB，代入上式得到：

通過調整，變電站1 的錄波器采集的故障時間為：

錄波器基于巡檢周期的干擾，形成不同的響應時間，它并非完全精確，不能借該時間調整結果同步各錄波數據。因此，有必要采取能達到錄波器同步目標的方法。

4.2 數據同步

線路故障發生位置，線路兩側變電站內和鄰近變電站的錄波器全部開始工作。由于變電站有不同的錄波器，各個變電站錄波器共同為錄波數據提供了重要來源。

4.2.1 相同變電站同步錄波數據

若變電站有不同的電壓等級或存在較多間隔，則對錄波器平均配置。變電站涉及母線、線路與主變一次設備，積極連接了錄波器與線路，各間隔對公共信號的母線電壓實現采集。若主變錄波器單獨存在，則公共信號代表主變各側電壓與各側母線電壓。不同錄波器借助這部分公共信號同步處理數據，具體方法如下：結合變電站安裝錄波器的情況，對與各錄波器數據對應的公共信號及時獲取；面對故障前后公共信號正弦波存在的角差，憑借全周波傅立葉實現變換獲取數據，對各個錄波器暫未同步的時間科學計算；結合時間無法同步的現象，同步處理其它非公共信號數據。

4.2.2 不同變電站錄波數據同步

故障出現后，對錄波主站傳輸關聯數據文件時，電氣量數據不只出現在線路L1 兩側，還形成于線路L2-L4 的兩側。同一變電站同步傳輸了數據，線路L1 和L2 兩側數據形成無法同步的時間。當線路L2 形成不同步時間后，直接同步站1 和站2 的錄波數據。單回新路L3 故障，利用位于線路L1 兩側的電氣量，獲取站1 與站2 的不同步時間t12。單回線路故障，線路兩側的錄波器數據實現迂回連通，以非故障線路獲取路障線路兩側錄波數據的不同步時間。

非故障線路數據同步法：根據非故障線路集中參數模型，對m 側電壓電流設計列向量，即側電壓電流列向量為其中向量的轉置通過T 代表。

圖2 輸電線路集中參數模型

假設輸電線路對地導納矩陣為Y。由圖2 可知，結合對工頻量，假設線路兩側形成不同步角δ，則有：

把上述兩側列向量轉置為行向量，由于Y 是對稱陣，則有：

假設故障發生后m、n 側電壓電流列向量分別是Umf、Imf、Unf、Inf，由于該線路無故障，則公式（6）成立，可以得到：

由推導公式（7）可知，求取不同步時間不會對線路參數、故障類型等造成依賴。

故障線路數據同步法：關于故障線路，無法基于式（7）得到線路兩側錄波數據的不同步時間，但式（7）始終具有意義。在現實工作中，輸電線路三相對地導納參數存在相等關系，忽略了互導納，則對角陣數矩陣Y，得到完全相等的對角線元素。

4.3 自動建立錄波聯網系統

錄波器聯網系統主站利用采集模塊獲取各錄波器的運行數據，在數據中心及時存儲這部分數據。多變電站與錄波數據有效關聯，實現自動化同步的目標，在故障系統分析中構建三個模塊。

4.3.1 錄波器始終在獲取模塊

主站通過周期巡檢方式逐一獲取每個錄波器的時鐘狀態，進一步計算錄波器時間偏差Td，該時間差在短期內不會變化。采集模塊的主要功能是對錄波器的時鐘狀態進行問詢和計算，錄入數據中心，便于相關人員隨時獲取時鐘狀態。

4.3.2 錄波數據自動關聯模塊

采集系統定期對錄波器的錄波數據進行采集，并在規定的時間內存儲。對每個錄波數據實現定義，得到對應故障號，該故障號與多個故障對應，且對同一次故障客觀反映，體現出關聯性。電網故障后，主站快速采集若干錄波器的運行數據，科學處置后存儲至數據庫，處理過程：數據中心自主取得時間偏差，對錄波數據時間合理調節；調節后檢查關聯故障數據時間的數據。若有則向該次故障賦予故障號數值；若沒有關聯其時間的故障數據，需要對其設置全新的故障號。工程師站發出關聯錄波請求以后，根據故障號對數據庫讀取，同時存儲彼此關聯的故障，并對發生故障的時間同步存儲。

4.3.3 錄波數據自動同步模塊

在數據中心分析庫內設計自動同步錄波數據模塊，具體對自動關聯故障錄波模塊的相關數據進行分析。同步過程為：根據故障號對錄波數據進行檢索，科學配置相同線路的不同錄波數據；故障發生前后科學分析一個周波，若在變電站聯絡區域外發生了故障，則利用同步錄波數據法自行對齊數據，對不同時間準確登記；若在變電站雙回聯絡線上出現故障，則對另一回線故障科學判斷，如不存在故障，則同步器錄波數據；若為單回線線路，則對變電站錄波數據的同步時間進行計算，對迂回聯絡線通道查找，計算同步時間；若為單回線線路，且不存在迂回聯絡線通道，則故障前數據接近于同步。

4.4 系統應用

在錄波器聯網主站系統內引入本系統，添加故障關聯界面，科學排列多次故障號，每個故障涉及若干個彼此聯系的錄波數據，增加數據同步內容，深入分析故障數據庫。

5.結語

輸電線路錄波數據關聯與同步自動化方法首先針對各錄波器時鐘差偏大的情況，采取科學方法檢測偏差，在這個前提下，自動關聯若干個錄波數據。科學應用多個錄波器的錄波數據，無需系統參數，進一步自行同步失聯的錄波數據。在錄波器聯網系統中科學應用該方法，提高了操作的便捷性，有利于調度人員準確把握故障狀況，為分析電網故障提供數據支撐。