基于保護(hù)信息的變電站行波測距可靠性提升

武占國 喬宇峰 李慧勇 徐曉春 黃 濤

基于保護(hù)信息的變電站行波測距可靠性提升

武占國1喬宇峰1李慧勇2徐曉春3黃 濤3

（1. 內(nèi)蒙古電力（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，呼和浩特 010020； 2. 內(nèi)蒙古電力（集團(tuán)）有限責(zé)任公司烏蘭察布電業(yè)局，內(nèi)蒙古 烏蘭察布 012000； 3. 南京南瑞繼保工程技術(shù)有限公司，南京 211102）

行波測距具有精度高、受系統(tǒng)運行方式影響小等優(yōu)點，但是獨立的行波測距易受噪聲干擾、可靠性不足；傳統(tǒng)交流線路保護(hù)技術(shù)成熟、抗擾能力強、可靠性非常高，因而利用保護(hù)信息來提高行波測距可靠性是比較可行的技術(shù)路線。本文基于保護(hù)行波測距一體化技術(shù)，分析獨立行波測距存在的主要問題及保護(hù)與行波測距信息交互技術(shù)；結(jié)合保護(hù)相關(guān)信息，從測距啟動、同步模量選擇、測距結(jié)果甄別三個方面提出了提升變電站行波測距可靠性的詳細(xì)技術(shù)方案，并搭建了軟硬件測試平臺，試驗結(jié)果驗證了所提方案的有效性。

行波測距；線路保護(hù)；一體化；信息交互；可靠性

0 引言

輸電線路發(fā)生故障時，準(zhǔn)確的故障測距有助于快速定位故障點，及時排除隱患，提高供電可靠性。傳統(tǒng)阻抗測距法受過渡電阻、分布電容等因素影響，測距精度難以滿足要求[1]；利用故障時暫態(tài)行波的傳播規(guī)律構(gòu)成的行波測距[2]能夠克服傳統(tǒng)阻抗測距法的缺點，測距精度可達(dá)到500m以內(nèi)[3]，為輸電線路的精確故障定位提供了有效手段。由于行波測距利用了故障時產(chǎn)生的高頻暫態(tài)分量，不可避免地會受到噪聲影響[4-5]。當(dāng)噪聲干擾較大時，容易造成行波測距頻繁啟動甚至測距結(jié)果錯誤，嚴(yán)重影響行波測距的實用性。

為了提高行波測距的抗擾能力，廣大學(xué)者對行波特征提取方法進(jìn)行了大量的研究工作，提出了基于整合移動平均自回歸模型的波頭識別算法[6]、基于數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的濾波算法[7]、基于變分模態(tài)分解（variational mode decomposition, VMD）算法和S變換的故障行波提取法[8]等。這些方法在實際工程中的應(yīng)用效果還有待考察。從已有文獻(xiàn)來看，若想從波形上將噪聲與暫態(tài)行波完全區(qū)分是非常困難的。因此近年來一些學(xué)者提出將傳統(tǒng)工頻保護(hù)與行波測距進(jìn)行融合，研制了保護(hù)與行波測距一體化裝置[9-10]，為保護(hù)與行波測距的信息交互和深度融合創(chuàng)造了有利條件。

本文基于保護(hù)行波測距一體化技術(shù)，分析獨立行波測距存在的主要問題及保護(hù)與行波測距信息交互技術(shù)，進(jìn)而研究利用多重保護(hù)信息提升變電站行波測距可靠性的技術(shù)方案。

1 保護(hù)行波測距一體化技術(shù)

1.1 保護(hù)行波測距一體化架構(gòu)

保護(hù)行波測距一體化技術(shù)是指在傳統(tǒng)輸電線路保護(hù)裝置的軟硬件平臺上集成行波測距功能。目前國內(nèi)主流廠家[9]采用的一體化技術(shù)方案如下：

1）共用電流互感器（current transformer, CT）二次回路。行波測距共用原有保護(hù)的CT回路，不增加額外的CT資源，不改變變電站二次回路接線，降低CT二次負(fù)載。

2）增加行波數(shù)字信號處理器（digital signal processor, DSP）插件。在原有保護(hù)裝置的空置槽上增加行波測距用DSP插件，用于行波的采集、存儲和分析，實現(xiàn)保護(hù)與行波測距的獨立運行。

3）共用站間通信通道。借助原有保護(hù)縱聯(lián)通道硬件設(shè)施，利用保護(hù)通信幀的備用字段實現(xiàn)兩側(cè)行波測距信息的交換，不增加通道建設(shè)投資。

保護(hù)與行波測距一體化裝置架構(gòu)如圖1所示。相比于獨立行波測距[10]，采用保護(hù)與行波測距一體化技術(shù)不僅可以降低系統(tǒng)復(fù)雜度、減少投資成本，而且有利于保護(hù)信息、行波測距信息的相互融合，為提升行波測距的可靠性提供有效途徑。

1.2 獨立行波測距存在的主要問題

影響行波測距結(jié)果的因素眾多，除了行波波速、行波色散、線路長度等帶來的參數(shù)誤差外，工程實現(xiàn)過程中還存在以下問題：

圖1 保護(hù)與行波測距一體化裝置架構(gòu)

1）測距啟動

何時啟動測距是工程上行波測距需要解決的首要問題，包含兩層含義：一是故障或擾動發(fā)生時，行波測距要可靠啟動完成測距，不能出現(xiàn)漏測的情況；二是無故障或擾動時，行波測距要可靠不啟動，不能出現(xiàn)誤測的情況。

獨立行波測距通過提取瞬態(tài)突變信號構(gòu)成啟動判據(jù)，存在門檻值難以選擇的問題：門檻設(shè)置過高，對于弱故障可能無法啟動；門檻設(shè)置過低，容易導(dǎo)致噪聲環(huán)境下頻繁誤啟動，產(chǎn)生大量無效測距結(jié)果。

2）測距模量選擇問題

理想情況下，故障發(fā)生時，包含故障相的各線模分量會同時檢測到暫態(tài)行波，采用任一線模分量均可完成行波測距。但實際故障情況往往比較復(fù)雜，導(dǎo)致各個線模分量中檢測到的初始行波到達(dá)時刻并不嚴(yán)格相同，如單相故障迅速發(fā)展為多相故障、三相開關(guān)不同時合閘、多落點雷擊[11]等。

由于行波傳播速度接近光速，兩側(cè)波頭時刻1μs的誤差會造成150m的測距誤差。如果各線模行波檢測到的初始波頭時刻不相等，而兩側(cè)行波測距采用的線模量又不一致，很容易造成較大的測距偏差甚至測距失敗。因此，在雙端行波測距中，應(yīng)確保線路兩側(cè)模量選擇的嚴(yán)格一致性。

3）測距校驗問題

測距校驗要解決的是測距結(jié)果是否可信的問題。實際行波測距可能因故障或擾動啟動，也可能因噪聲干擾啟動；另外即使是故障啟動，也可能因波頭辨識錯誤造成測距失準(zhǔn)。因此需要對行波測距結(jié)果的可信度進(jìn)行校驗。

對于獨立行波測距，可供使用的測距結(jié)果有單端行波測距結(jié)果、雙端行波測距結(jié)果，但是單端行波測距由于故障點反射波難以識別，可能存在較大誤差，無法用作雙端行波測距結(jié)果的校驗。

1.3 保護(hù)與行波測距信息交互技術(shù)

獨立行波測距存在上述問題的主要原因是行波測距功能單一、信息獲取比較局限。而傳統(tǒng)線路保護(hù)裝置經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展積累，功能已非常齊全，而且性能穩(wěn)定可靠。通過保護(hù)信息與行波測距信息的交互融合，可以大幅提升傳統(tǒng)變電站獨立行波測距的可靠性和準(zhǔn)確性。

針對上述獨立行波測距的幾個問題，基于保護(hù)與行波測距一體化架構(gòu)，提出如下保護(hù)與行波測距信息交互方案：

1）將保護(hù)DSP的保護(hù)啟動信號發(fā)送給行波DSP，實現(xiàn)行波測距啟動可靠性的提升。

2）將保護(hù)DSP的保護(hù)差動選相結(jié)果發(fā)送給行波DSP，實現(xiàn)行波測距兩側(cè)模量選擇的嚴(yán)格同步。

3）將保護(hù)DSP的測距結(jié)果發(fā)送給行波DSP，提升單端行波測距的準(zhǔn)確性，同時對行波測距結(jié)果進(jìn)行校核。

2 行波測距可靠性提升技術(shù)

下面從測距啟動、模量同步選擇、測距結(jié)果甄別三個方面詳細(xì)研究利用保護(hù)信息提升變電站行波測距可靠性的具體技術(shù)方案。

2.1 行波測距可靠啟動技術(shù)

行波啟動具有高靈敏性的特點，保護(hù)啟動具有高可靠性的特點，將兩者結(jié)合可以實現(xiàn)行波測距啟動可靠性的提升。

1）高可靠的保護(hù)啟動

高可靠性的保護(hù)啟動主體以反應(yīng)相間電流工頻變化量的過電流繼電器實現(xiàn)，同時又配以反應(yīng)全電流的零序過電流繼電器互相補充。

相間電流工頻變化量啟動判據(jù)為

零序過電流啟動判據(jù)為

通過電流變化量啟動與零序過電流啟動相結(jié)合，可以實現(xiàn)在輕微故障或擾動下可靠啟動；由于采用了工頻量和浮動門檻，能保證在噪聲環(huán)境下不會誤啟動。所以保護(hù)啟動既具有很高的靈敏性，同時又具有很高的安全性。但保護(hù)啟動在時間上比行波啟動慢，一般嚴(yán)重故障啟動時間不超過5ms，輕微故障啟動時間可能達(dá)到10ms以上。

2）高靈敏的行波啟動

目前行波測距采樣率普遍在1MHz以上，數(shù)據(jù)量很大，高靈敏的行波啟動主要為了實現(xiàn)在故障發(fā)生后快速啟動完成故障前后行波數(shù)據(jù)的緩存。因為保護(hù)啟動時間可能較長，如果等保護(hù)啟動后再進(jìn)行數(shù)據(jù)緩存，需要消耗非常大的存儲資源。

本方案采用小波變換提取線模行波波形奇異性特征，當(dāng)任一線模行波小波變換結(jié)果超過門檻值一定點數(shù)時，行波啟動完成故障前后行波數(shù)據(jù)的緩存。行波啟動判據(jù)為

3）保護(hù)啟動與行波啟動的結(jié)合

從上面的分析可以看到，行波啟動快速靈敏，用于觸發(fā)行波數(shù)據(jù)的緩存，保護(hù)啟動可靠安全，可用于剔除非必要的行波啟動，將兩者結(jié)合可實現(xiàn)行波啟動與故障或擾動發(fā)生之間的一一對應(yīng)，具體方案為：行波啟動后進(jìn)入15ms的閉鎖期，等待保護(hù)啟動信號，如果閉鎖期內(nèi)保護(hù)啟動，則認(rèn)為此次行波啟動有效，進(jìn)入行波測距環(huán)節(jié)；如果閉鎖期內(nèi)沒有收到保護(hù)啟動信號，則此次行波啟動無效，不進(jìn)行行波測距，同時開放閉鎖準(zhǔn)備下一次行波啟動。行波啟動與保護(hù)啟動結(jié)合邏輯如圖2所示。

圖2 行波啟動與保護(hù)啟動結(jié)合邏輯

2.2 行波測距兩側(cè)模量選擇同步技術(shù)

保護(hù)DSP中的差動保護(hù)模塊采集了對側(cè)的工頻電流模擬量，利用兩側(cè)信息可以選出故障相，由于兩側(cè)使用的模擬量和計算方法均相同，必然能保證兩側(cè)選相結(jié)果的一致性。利用保護(hù)DSP的差動選相結(jié)果可實現(xiàn)行波測距兩側(cè)模量選擇的嚴(yán)格同步。

1）保護(hù)DSP差動選相

具體方案如下：

（1）保護(hù)啟動30ms內(nèi)，如果差動保護(hù)動作且動作相少于三相，則以動作相作為選相結(jié)果；如果三相均動作，則以差流最大相作為選相結(jié)果。

（2）保護(hù)啟動30ms內(nèi)，如果差動保護(hù)不動作且三相最大差流達(dá)到設(shè)定門檻，則以差流最大的相作為選相結(jié)果。

（3）如果差動保護(hù)不動作且三相最大差流低于設(shè)定門檻，則清空選相結(jié)果。

2）行波DSP模量同步選擇

保護(hù)DSP將差動選相結(jié)果傳給行波DSP，行波DSP根據(jù)差動選相結(jié)果選擇相應(yīng)的線模量：

（1）如果差動選相結(jié)果為單相，則按照A、B、C、A的循環(huán)順序選擇差動選相結(jié)果的后一相與差動選相結(jié)果所構(gòu)成的線模分量作為測距模量。

（2）如果差動選相結(jié)果為兩相，則選擇對應(yīng)的線模分量作為測距模量。

（3）如果差動選相結(jié)果為空，則選擇小波變換模極大值最大的線模分量作為測距模量。

差動選相與行波測距模量選擇對應(yīng)關(guān)系見表1。

表1 模量選擇方法

2.3 行波測距結(jié)果甄別技術(shù)

采用上述行波可靠啟動技術(shù)、模量選擇同步技術(shù)后，可以保證行波測距數(shù)據(jù)選擇的準(zhǔn)確性，但要實現(xiàn)行波測距還需要提取行波波頭時刻，當(dāng)波頭時刻識別不準(zhǔn)確時，行波測距結(jié)果仍可能出現(xiàn)較大偏差，因此需要對行波測距結(jié)果進(jìn)行甄別。

目前線路保護(hù)裝置配備了完備的單端阻抗法測距、雙端阻抗法測距，可以為行波測距提供參考，進(jìn)一步提高行波測距結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1）單端行波測距故障點反射波識別

單端行波測距不需要同步對時，也不需要線路長度參數(shù)，如果能夠準(zhǔn)確提取初始行波及故障點反射波時刻，單端行波測距相比雙端行波測距理論上具有更高的精度。實際工程中受到故障位置、相鄰線路母線反射波的影響，要準(zhǔn)確識別故障點反射波非常困難。

但是如果其他測距方法已經(jīng)初步計算出測距結(jié)果，則可利用該測距結(jié)果圈定故障點反射波的搜索范圍，從而提高故障點反射波識別的成功率。具體方法如下：

2）保護(hù)測距與行波測距校核

如果保護(hù)DSP有有效的雙端阻抗法測距結(jié)果傳給行波DSP，則行波DSP利用該測距結(jié)果對行波測距結(jié)果進(jìn)行校驗，當(dāng)滿足式（5）所示關(guān)系時，認(rèn)為行波測距結(jié)果有效，否則認(rèn)為行波測距結(jié)果無效。

通過保護(hù)測距對行波測距進(jìn)行校核，可以剔除偏差較大的無效行波測距結(jié)果，提高行波測距對故障定位的指導(dǎo)作用。

3 試驗驗證

為了驗證上述行波測距可靠性提升方案的正確性，通過在現(xiàn)有輸電線路保護(hù)裝置上增加行波DSP插件，完成保護(hù)與行波測距一體化架構(gòu)的軟硬件開發(fā)，保護(hù)與行波測距一體化裝置背板如圖3所示。

首先測試噪聲干擾下裝置行波啟動的動作行為，某一時刻從圖3中交流采樣插件注入噪聲信號，從裝置中讀取行波電流模擬量及行波啟動、保護(hù)啟動信號，試驗結(jié)果如圖4所示。從圖4中看到，噪聲干擾注入時，式（3）中的行波啟動判據(jù)快速動作并保持15ms，等待保護(hù)啟動確認(rèn)，但高可靠的保護(hù)啟動判據(jù)不滿足啟動條件，不觸發(fā)行波測距，避免了無效測距結(jié)果的產(chǎn)生，15ms后行波啟動返回，進(jìn)入下一輪啟動周期。

圖3 保護(hù)與行波測距一體化裝置背板

圖4 噪聲干擾下行波啟動試驗結(jié)果

為了測試故障情況下行波測距的效果，基于PSCAD/EMTDC平臺搭建了圖5所示的仿真模型，其中，線路采用依頻特性模型，能夠很好地模擬行波傳播特性。線路長度60km，阻抗參數(shù)為：1= 2.06W、1=25.13W、0=17.47W、0=69.39W。

圖5 仿真模型

模擬線路上距M側(cè)20km處的F點發(fā)生A相接地故障，3ms后轉(zhuǎn)為A、B兩相接地故障。將仿真得到的波形通過行波專用測試儀從圖3中交流采樣插件輸入。

M側(cè)裝置的行波電流波形、行波啟動、保護(hù)啟動試驗結(jié)果如圖6所示。從圖6中看到，A相故障點行波初次到達(dá)M側(cè)時，M側(cè)保護(hù)與行波測距一體化裝置檢測到暫態(tài)行波突變，行波測距迅速啟動，而且在15ms的閉鎖期內(nèi)，保護(hù)也可靠啟動，圖2所示邏輯滿足可靠觸發(fā)行波測距的要求。

圖6 故障情況下行波啟動試驗結(jié)果

圖7、圖8分別為線路兩側(cè)保護(hù)行波測距一體化裝置的保護(hù)動作報告及行波測距報告。從圖7中看到，M側(cè)保護(hù)故障選相為AB，故障測距結(jié)果為21.2km，N側(cè)保護(hù)故障選相為AB，故障測距結(jié)果為39.1km。按照表1的對應(yīng)關(guān)系，從圖8中看到，兩側(cè)行波測距采用的線模量也均為AB，保證了兩側(cè)行波測距模量選擇的嚴(yán)格同步及測距結(jié)果的正確性，其中M側(cè)雙端行波測距結(jié)果為19.796km，N側(cè)雙端行波測距結(jié)果為40.204km，且保護(hù)測距結(jié)果與行波測距結(jié)果滿足式（5）的約束關(guān)系，行波測距結(jié)果判為有效。

圖7 保護(hù)動作報告

圖8 行波測距報告

需要說明的是，如果兩側(cè)裝置模量選擇不一致，比如M側(cè)選擇AB線模量，N側(cè)選擇BC線模量，則M側(cè)識別的初始行波時刻為A相接地時故障點行波初次到達(dá)M側(cè)的時刻；對于N側(cè)，由于A相接

地時在B、C兩相中感應(yīng)的行波為零模分量，求取BC線模分量時會做減法把零模分量消掉，所以N側(cè)裝置將識別不到A相接地時的初始行波，而只能識別到B相接地時故障點傳過來的初始行波，必然導(dǎo)致雙端行波測距失敗。

另外，故障點F對于N側(cè)來說位于線路遠(yuǎn)端，M側(cè)母線的反射波將先于故障點反射波到達(dá)，由于采用了依據(jù)初步測距結(jié)果圈定故障點反射波識別區(qū)域的方法，從圖8（b）中可以看到這種情況下單端行波測距依然能夠給出準(zhǔn)確的測距結(jié)果。

圖9 故障點反射波識別

以上仿真結(jié)果表明通過將保護(hù)信息與行波測距信息進(jìn)行融合，充分發(fā)揮保護(hù)信息高可靠性的特點，能夠有效提高行波測距的可靠性。

4 結(jié)論

本文針對獨立行波測距存在的啟動可靠性低、模量選擇難以同步、測距結(jié)果無法校核等問題，基于保護(hù)與行波測距信息交互技術(shù)，提出了變電站行波測距可靠性提升方案，結(jié)論如下：

1）利用安全可靠的保護(hù)啟動實現(xiàn)了行波啟動可靠性的提升，實現(xiàn)了噪聲干擾下行波測距可靠不啟動，發(fā)生故障時行波測距能夠可靠啟動。

2）利用保護(hù)差動選相實現(xiàn)了雙端行波測距兩側(cè)模量選擇的嚴(yán)格同步，保證了多相不同時故障兩側(cè)行波測距數(shù)據(jù)選擇的一致性。

3）基于保護(hù)測距結(jié)果實現(xiàn)了單端行波測距結(jié)果準(zhǔn)確性的提升及行波測距結(jié)果的有效性識別，仿真試驗結(jié)果驗證了所提方案的有效性。

本文提出的方法在保護(hù)裝置可靠運行時能夠有效改善行波測距的可靠性，后續(xù)將針對保護(hù)裝置出現(xiàn)誤判或保護(hù)測距結(jié)果誤差偏大等極端情況開展應(yīng)對研究，進(jìn)一步提升行波測距對故障定位的指導(dǎo) 作用。

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Reliability improvement of station traveling wave fault location based on protection information

WU Zhanguo1QIAO Yufeng1LI Huiyong2XU Xiaochun3HUANG Tao3

(1. Inner Mongolia Electric Power Co., Ltd, Hohhot 010020;2. Ulanqab Power Supply Bureau, Inner Mongolia Electric Power Co., Ltd, Ulanqab, Inner Mongolia 012000;3. NR Electric Co., Ltd, Nanjing 211102)

Traveling wave fault location (TWFL) has the advantages of high accuracy and little influence by the system operation mode, but the independent TWFL is vulnerable to noise, which leads to a bad reliability. Traditional AC line protection technology is mature and has strong anti-interference ability and high reliability. It is a feasible technical route to improve the TWFL reliability by using protection information. In this paper, based on the integration of protection and TWFL, the problems of independent TWFL and the information interaction technology between protection and TWFL are analyzed. Combined with the protection related information, detailed technical schemes to improve the reliability of station TWFL are presented, which include fault location start-up, synchronous phase selection and fault location result screening. Based on the above technologies, the software and hardware test platform are built, and the experimental results verifiy the effectiveness of the proposed schemes.

traveling wave fault location; line protection; integration; information interaction; reliability

內(nèi)蒙古電力（集團(tuán)）有限責(zé)任公司科技項目（DUKZZZ-YBHT-2020-JSC0406-0040）

2021-01-25

2021-02-04

武占國（1978—），男，內(nèi)蒙古呼和浩特人，碩士，高級工程師，主要研究方向為電力系統(tǒng)自動化。