非同源故障錄波數據同步方法

孔德志，楊遠航，盧佳，石恒初，游昊，趙明，陳璟，張哲銘

（1.云南電力調度控制中心，昆明 650011；2. 云南電網有限責任公司電力科學研究院，昆明 650217）

0 前言

開展線路故障分析，如故障雙端測距、保護動作行為分析等，往往需要綜合利用線路兩側故障錄波信息且要求必須是基于“同一時刻”下采樣數據[1-4]。但線路兩側故障錄波屬非同源故障錄波，由于兩側裝置對時差異、啟動時刻不同步等因素，其錄波數據采樣往往互相不同步，給后續故障分析帶來阻礙。

目前解決非同源錄波數據同步的方法主要有自帶時標對齊法和判斷故障起始時刻對齊法。自帶時標對齊法受制于時鐘同步精度[5-8]等外部因素，可靠性差，且由于不同故障錄波裝置感受到故障電流大小不同，裝置啟動時刻往往有較大差異，很難滿足工程應用需要[9-12]。判斷故障起始時刻對齊法基于不同故障裝置“同一時刻”感受到故障的特點進行數據同步，具有自主、靈活的優點，更適合實際運用，但實際故障起始時刻通常伴隨復雜電磁暫態過程，錄波采樣容易出現較大離散偏差，僅依據故障起始時刻識別可能出現較大誤差。以1 kHz采樣率的錄波數據為例，僅1個采樣點的判斷誤差，兩側數據將產生18°相角的偏離，對后續故障分析產生嚴重影響。

為此，本文提出一種綜合利用故障起始時刻和線路兩側電壓電流相位關系的同步方法。以故障分量出現時刻判別出故障起始時刻，作為初始數據同步時刻，再利用電壓電流間的相位關系對初始數據同步時刻進行修正，提高同步準確性。

1 初始同步

故障分量僅在故障狀態下出現，故障分量出現時刻即為故障起始時刻。

1.1 故障分量提取

根據疊加原理，故障后電氣量可視為故障分量與正常負荷分量的疊加，如圖1所示。

圖1 疊加原理示意圖

故障點F可視為疊加了一個反向的故障前電壓Uf[0]，圖1（a）所示故障狀態可以當作是圖1（b）、圖1（c）所示狀態的疊加，圖中，Um、Un、Im、In分別為線路M、N兩側各自實際錄波測量量，Uml、Unl、Iml、Inl分別為線路M、N兩側正常負荷分量，Umg、Ung、Img、Ing分別為線路M、N兩側故障分量，即可求出故障分量：

1.2 故障起始時刻定位

提取故障分量后，根據故障分量出現時刻即可定位出故障起始時刻，并作為初選數據同步時刻。

以某線路A相接地故障后，M側線路故障錄波及提取故障分量如圖2所示。

圖中，T0時刻故障分量開始出現，此時刻即故障起始時刻。

同理，對N側故障錄波識別出T0時刻，以此時刻作為數據同步時刻，可實現兩側故障錄波數據同步。同步后，故障零序電流錄波如圖3所示。

圖3 同步后線路兩側故障零序電流

從同步后故障錄波還可以看出，故障時刻零序分量采樣值過小以及諧波影響等因素，可能使得兩側故障錄波對故障起始時刻的判別出現偏差，這說明，僅利用故障分量出現時刻并不能十分精確的判斷出故障起始時刻，無法將非同源錄波數據精確同步。

2 利用電壓電流相位特征精確同步

下文將分別對故障前、中、后三個不同階段相位特征及校正方法進行敘述。

2.1 基于故障前錄波相位特征的校正方法

故障前的錄波為正常運行方式下電壓、電流，滿足以下關系特征：

2.1.1 電壓相位關系

設線路有功潮流為P，線路兩側電壓相位為δ，線路兩側電壓幅值分別為UM、UN，線路正序阻抗為Z1，則可求取線路兩側電壓相位差δ為：

線路有功功率總是由電壓相位超前一側流向電壓相位滯后一側。根據求取電壓相角差，可對初選同步時刻進行校正。

2.1.2 電流相位關系

正常運行工況下，線路電流I包含兩部分：線路電容電流IC和負荷電流IL。其中，電容電流IC由線路兩側經線路流入大地，分別計為ICM和ICN，負荷電流IL由線路一側流向另一側，如圖4 所示，線路電流相量關系如圖5所示。

圖4 線路電流示意圖

圖5 線路電流相量關系

可求取線路兩側電流相位差φ為：

通常，線路每百公里電容電流可按表1所示典型值選取。

表1 線路每百公里電容電流典型值

根據求取電流相角差，可對初選同步時刻進行校正。

2.2 零、負序電流相位特征校正方法

根據故障分量原理，負序和零序電源存在于故障點處，如圖6所示。

圖6 故障分量電壓分布

從故障點往線路兩側看，線路M側負序綜合阻抗角∠ZM2和零序綜合阻抗∠ZM0分別與線路N側負序綜合阻抗角∠ZN2和零序綜合阻抗∠ZN0近似相等，因此，線路兩側零序iM0、iN0和負序電流iM2、iN2相位近似相等，根據這一特征可對初選同步時刻進行校正。

需要注意，該特征適用于不對稱短路，若使用零序電流，則只適用于不對稱接地短路。

2.3 零、負序電流相位特征進行同步

圖7 非全相運行時的零、負序網絡

線路兩側斷路器單相或兩相跳開后重合閘動作前，線路處于非全相運行狀態，期間，零、負序網絡如圖7所示。線路中存在縱向流動的零、負序電流，該電流從非全相運行線路的一端流入，從另一端流出，兩側電流相位相差180°，利用這一相位特征，可對初選同步時刻進行校正。

需要注意，該特征僅適用于使用單相或綜合重合閘的線路，且故障前線路處于非空載狀態。

3 方法驗證

以某線路A相接地短路故障為例，實現兩側故障錄波同步。線路配置光纖差動保護功能，兩側保護裝置通過光纖通信實現線路兩側電流采樣高精度同步，可使用保護裝置記錄的差動電流Id_bh來校驗本文所述方法的同步精度，即記錄同步后的線路兩側故障錄波計算的差動電流Id_tb，觀察Id_bh與Id_tb的偏差，偏差越小則同步精度越高。

線路兩側錄波故障相電壓、電流和零序電流錄波如圖8所示，由線路保護裝置記錄的差動電流Id_bh=4.73 A（二次值）。

圖8 線路兩側故障相電壓、電流和零序電流錄波

根據零序電流出現時刻對兩側錄波進行初始同步，同步結果如圖9所示。

圖9 兩側故障相電流錄波初始同步結果

基于同步后故障錄波，計算差動電流為：

差動電流偏差：

根據故障期間，線路兩側零序電流相位一致的特征進行同步修正，修正后同步結果如圖10所示。

圖10 兩側錄波修正后同步

基于同步后故障錄波，計算差動電流為：

差動電流偏差：

對比兩次同步結果可以看出，基于故障分量出現時刻可以實現線路兩側故障錄波的基本同步，借助于線路兩側電氣量的相位特征，可進一步提高同步精度。

4 結束語

本文提出一種綜合利用故障分量出現時刻和線路兩側電氣量相位信息進行兩側錄波數據同步的方法。該方法首先通過判斷故障分量出現位置獲取故障起始時刻，根據故障起始時刻實現兩側錄波初始同步，再結合兩側電氣量特定的相位特征對初始同步結果進行補償，進一步提高同步精度。實際故障錄波同步案例驗證了本文所提方法的有效性。