基于線路錄波全量數據的雙端故障測距原理及算法

楊遠航，陳璟，解良，石恒初，游昊，趙明，李銀銀，楊橋偉

（云南電力調度控制中心，昆明 650011）

0 前言

阻抗測距法因簡單、實用，已被廣泛應用于各種故障測距中，但受過渡電阻影響，傳統阻抗法無法取得很高的測距精度。目前，關于阻抗測距的研究主要分為兩類，一是對傳統阻抗測距法進行修正[1-7]；二是同時利用阻抗和行波進行組合測距[8-10]。

文獻[2]提出了一種基于預測相移技術改良的阻抗測距方法，通過計算故障相移帶來的額外電抗率修正測距結果；文獻[3]基于金屬性短路故障阻抗的純電阻特性構造關于故障距離的方程求解，從而消除非同步角的影響，但不適用于非金屬短路故障；文獻[4-7]均是在過渡電阻的純電阻性質上提出改進的阻抗測距方法，然而存在計算量大且計算過程復雜等問題；文獻[8-10]在以阻抗測距為基礎的故障錄波器中加入單端行波測距方法，采用“阻抗+行波”進行綜合測距，可實現暫穩態測距方法的優勢互補，但對行波信息依賴度高，僅在行波裝置運行可靠且數據可獲取[11-13]的情況下才能及時得到測距結果，且上述研究均未徹底消除過渡電阻對測距精度的影響。

本文提出了一種基于雙端同步故障錄波的測距方法，通過聯立線路兩側關于故障電壓、電流、故障距離與故障點殘壓物理關系，消除故障點殘壓對測距結果的影響，從原理上實現測距結果不受過渡電阻影響。

1 基于雙端錄波的線路故障測距原理

輸電線路阻抗與長度成正比，輸電線路發生故障時，線路兩端的電壓電流與故障距離呈線性關系。以圖1所示的雙端輸電系統為例，線路上k點發生A相經過渡阻抗接地短路（即ZA=0，ZB=ZC=∞，短路點k的位置被放大以便標注電壓、電流的正方向和相量符號），兩側母線電壓測量相電壓為短路點相電壓與線路上該相壓降之和，線路上該相壓降則是該相上的正序、負序和零序壓降之和。

圖1 雙端系統圖

考慮到線路正序阻抗與負序阻抗相等，則M側保護故障A相測量相電壓U.AM表達式為：

在任何短路故障類型下，對故障相或非故障相保護安裝處測量相電壓的計算，式(3)都是適用的，短路故障類型的不同體現在和的變化上。以圖1中非故障B相為例，M側保護非故障B相測量相電壓表達式為：

式中，LN表示故障k點到N側廠站的距離，可知線路全長L=LM+LN。相減可得：

可求得故障k點到M側廠站距離LM為：

則故障k點距N側廠站距離為LN=L-LM。

從推導過程可知，式(8)可作為短路故障發生時線路故障距離計算的一般公式，適用于任何短路故障類型，短路故障類型的不同體現在和的變化上，當發生兩相不接地短路或三相對稱短路時，故障相無零序電流，

在實際運用中，式(8)中的電壓、電流量可通過雙側廠站錄波裝置或保護裝置獲取，零序補償系數K、線路單位正序阻抗Z1及線路長度L均屬于線路參數，利用式(8)可計算得到故障測距結果LM，同時，可以看出，在式(8)的推導過程中，故障點電壓因相減而被消去，克服了傳統阻抗測距法的缺陷，測距結果不受故障點處過渡電阻產生的壓降影響，同時無需考慮補償算法相關問題，簡單實用且結果可靠。

2 基于雙端錄波的線路故障測距實現

本文所提出的基于雙端錄波的線路故障測距包含以下步驟，測距流程圖如圖2所示。

1）零序電流補償系數K計算，K=(Z0-Z1)/3Z1；

2）故障電壓、電流采樣通道選取；

選取參與計算的線路兩側電壓、電流錄波采樣數據，電壓、電流錄波采樣瞬時值通道的選取與故障類型相關。實際應用中，選擇故障特征最明顯的故障相電壓及電流，如表1所示。

表1 通道選取與故障類型的對應關系

3）計算點選取，在故障區間內選取計算點，確保雙側計算點時間同步；

4）自產零相電流采樣瞬時值計算，根據步驟2)所得故障電壓、電流瞬時值，根據式(9)計算零相電流采樣瞬時值；

5）故障電壓、電流、自產零相電流相量計算；

基于確定的計算點，采用傅氏算法計算得到該點時刻M側和N側故障相電壓、故障相電流、零相電流的相量如表2所示。

表2 雙側故障電壓、電流、自產零相電流

6）中間復數相量H計算，根據式(10)計算中間相量H；

式中，PT及CT分別表示電壓及電流互感器變比，用于將雙側錄波數據二次值轉換為一次值。

7）雙端測距結果LM輸出；

由式(8)可知，在通過步驟6)計算得到中間相量H的情況下，通過式(11)可計算得到測距結果LM。

式中Im為取虛部運算，｜｜為取模值計算。

8）雙端測距結果LM輸出穩定，為獲取更為準確的雙端測距結果，可在故障區間選取多個計算點，經過多次計算LM停留在某一值附近時即可輸出最終的測距結果。

3 算例驗證與分析

將本文所提基于雙端錄波的線路故障測距方法應用于實踐，根據試驗數據繪制各次故障下各種測距方法誤差曲線如圖3所示。

圖2 雙端錄波測距算法流程圖

圖3 雙端錄波測距與其他測距結果相對誤差對比

可以看出：

1）在各種故障情況下均可從現有的保護及錄波裝置獲取測距結果，但其測距誤差離散度較大，在某些故障情況下測距誤差甚至高達數十公里，測距結果準確度低，無法滿足工程實際需要；

2）從所得行波測距結果來看，單端行波測距可信度仍然較低，在某些情況下其測距誤差甚至大于保護裝置測距誤差，雙端行波測距結果的準確性則相對較高，但行波測距成功率受通信情況及兩端設備可靠性等因素影響，可靠性不高；

3）從各次故障情況下雙端錄波測距情況來看，測距準確度與雙端行波測距精度接近，明顯優于保護、錄波裝置及單端行波裝置測距，但相對于雙端行波測距，本文所提方法僅需兩側故障錄波數據，因此能穩定可靠地提供測距結果，無需額外的設備投資及維護費用，兼具實用性和經濟性。

4 結束語

綜上所述，提出了一種基于雙端同步錄波的線路故障測距方法，該方法具有以下特點：

1）通過聯立線路兩側關于故障電壓、電流、故障距離與故障點殘壓物理關系，消除了故障點殘壓對測距結果的影響，從原理上實現測距結果不受過渡電阻影響；

2）經工程實踐證明，在各類故障情況下，所提方法測距精度水平與雙端行波測距接近，但僅需從現有錄波、保護裝置提供的錄波數據即可進行雙端測距，工程適用性及經濟性更強。