新型輸電線路故障綜合定位系統(tǒng)研究

國網(wǎng)寧夏電力有限公司吳忠供電公司 楊長安 馬陸陽 薛雅琪

在國家電力繁榮的同時，高壓線路在我國電網(wǎng)中的重要性也在增加。1982年，中國電網(wǎng)開通了平武線，標(biāo)志著我國500kV高壓輸電系統(tǒng)的建設(shè)開始。在二十多年的建設(shè)發(fā)展中，平武線已成為我國電力系統(tǒng)的重要組成部分，我國的各個電網(wǎng)目前構(gòu)成了一個高壓輸電網(wǎng)，承載電網(wǎng)為500kV。電力線路故障對電網(wǎng)安全穩(wěn)定的影響越來越大，并且輸電線路的電壓和輸電能力逐漸增加，對電網(wǎng)運行的安全性和穩(wěn)定性以及壽命產(chǎn)生了越來越大的影響。因此，準(zhǔn)確確定輸電線路故障點不僅有助于減少維修頻率和時間，提高供電可靠性，而且對國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展也有著重要的作用，可以提高整個電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行水平。

1 新型綜合故障定位系統(tǒng)的基本組成

行波定位和穩(wěn)態(tài)量定位是綜合定位系統(tǒng)的重要組成部分，因此，為了能夠準(zhǔn)確有效地對其輸電線路的故障處進(jìn)行定位，可以對其進(jìn)行組合和整理。通過顯示從原始波長到線路末端的時間來比較線條波的位置，并通過計算對行波的位置進(jìn)行確定，這就是行波定位的方法。在當(dāng)前的發(fā)展中，CVT被廣泛用作220kV及以上高壓和超高壓輸電線路的電壓元件。因此，在時代的發(fā)展中，人們普遍認(rèn)為，高頻CVT傳輸特性的差異不足以滿足傳輸路徑上波信號的要求。一般來說，有必要添加特殊傳感器，以測量電壓沿線的波頭。但在實際的雙極波定位方法中，主要關(guān)注的是線路波頭的識別，而不需要精確傳輸從線路到電壓的各種波信號。進(jìn)一步的仿真分析和現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)表明，雖然不能將CVT中的行波信號在高壓線路中進(jìn)行精確地傳輸，但實際上當(dāng)電壓波到達(dá)在線路端頭時，它們在CVT的第二側(cè)產(chǎn)生高頻振蕩信號，利用該特性可以準(zhǔn)確檢測電壓波頭。所以，在確定線波的程序中，傳統(tǒng)電壓互感器二次側(cè)的暫態(tài)波信號是最常用的行波檢測機(jī)器，能夠在不增加傳感器的情況下進(jìn)行頭波檢測。此外，由于電源極的數(shù)量和電信號少，只需要測量變電站的基線電壓，因此需要一組變電斷設(shè)施，從而減輕了人員對其裝置的操作。

根據(jù)序電壓比的雙極定位方法主要用于行波的雙端穩(wěn)態(tài)量定位，通過數(shù)據(jù)傳輸通道和行波定位是獲取橫向穩(wěn)態(tài)量參數(shù)的常用方法。穩(wěn)態(tài)量定位可以補償行波在發(fā)生故障、連續(xù)性中斷等情況下的定位不足。使用穩(wěn)態(tài)量定位結(jié)果還可以幫助計算行波的位置，并有助于獲得更可靠、更準(zhǔn)確的原行波頭，為了防止其他可能導(dǎo)致波頭識別出現(xiàn)誤差的高頻干擾，必須提高故障定位精度。另外，為了適應(yīng)現(xiàn)場運行的需要，在現(xiàn)場只能提供線路一端數(shù)據(jù)的情況下，增加了一端的穩(wěn)定定向量，從而對故障定位的需要進(jìn)行滿足。

2 設(shè)備開發(fā)方案及定位系統(tǒng)功能特點

安裝在行波定位塊中的硬件設(shè)計是裝置硬件設(shè)計的核心。圖1所示的行波定位硬件結(jié)構(gòu)是根據(jù)應(yīng)用的特點和要求建造的。其中，高速數(shù)據(jù)采集板主要收集和存儲高壓線路信號的高速數(shù)據(jù)。為了實現(xiàn)定位的準(zhǔn)確性，可以選擇5MHz作為采樣率。并且，在采集板正常工作狀態(tài)下，采抽樣數(shù)據(jù)將根據(jù)發(fā)射前區(qū)域的循環(huán)數(shù)據(jù)積累進(jìn)行存儲，它在收到外部啟動信號后停止更新數(shù)據(jù)，并在數(shù)據(jù)區(qū)域中保存運行后數(shù)據(jù)。為記錄微波數(shù)據(jù)提供了400ms的緩沖區(qū)長度，可在啟動前后進(jìn)行調(diào)整。三個400ms防風(fēng)暴數(shù)據(jù)緩沖區(qū)是在高速數(shù)據(jù)收集板上創(chuàng)建的，以便與電網(wǎng)中間干擾相關(guān)的錯誤數(shù)據(jù)不會丟失。當(dāng)前記錄的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換中斷時，可以繼續(xù)記錄當(dāng)前故障數(shù)據(jù)。當(dāng)記錄數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒治霭鍟r，該板將提供新的信號和相應(yīng)記錄數(shù)據(jù)塊的序列號，當(dāng)高速采樣板接收到所述數(shù)據(jù)單元時，可以更新所述數(shù)據(jù)單元。

圖1 行波定位單元硬件結(jié)構(gòu)

低速數(shù)據(jù)采集板主要用于線路故障診斷，當(dāng)測試規(guī)則得到滿足時，記錄的啟動信號將及時發(fā)送到高速數(shù)據(jù)采集板，從而將線波進(jìn)行啟動。低速采樣板以每周波40點的頻率進(jìn)行取樣。故障測試使用傳統(tǒng)的突變檢測方法，包括啟動不同相位的不同電壓、啟動零電壓突變量、啟動負(fù)電壓突變量、啟動零電壓穩(wěn)定啟動浮動閾值，以提高故障檢測規(guī)定的敏感性和可靠性。此外，采集板可以接受外部開關(guān)的高速啟動信號，例如線路保護(hù)器的動作信號，以補償在受到高度控制的發(fā)電機(jī)干擾時模擬的響應(yīng)性不足穩(wěn)態(tài)。同時，外部開關(guān)用作故障導(dǎo)線的選擇信號，以提高目標(biāo)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

一旦記錄波頭數(shù)據(jù)完成，分析板將通過中央接口從高速采集板讀取記錄數(shù)據(jù)，并將備份保存在硬盤中，并評估線路峰值的持續(xù)時間。測試結(jié)果將發(fā)送到主站進(jìn)行雙端定位計算。

在雙端行波定位的情況下，利用GPS的二次脈沖信號對線路兩側(cè)的定位裝置進(jìn)行同步采樣。在線路的定位設(shè)備都具有高穩(wěn)定的晶體脈沖，以秒的脈沖信號在高頻下再現(xiàn)，從而獲得受控信號的同步高速采樣。當(dāng)GPS信號在短時間內(nèi)不工作時，高穩(wěn)定的晶體振蕩還能確保GPS信號的高同步精度，能夠有效避免同步信號因GPS短時失步、調(diào)整衛(wèi)星信號、天線干擾等問題而出現(xiàn)失真情況，造成定位失敗。

3 穩(wěn)態(tài)量定位故障定位方案

兩端定位算法主要用于設(shè)備設(shè)計，由于兩端穩(wěn)態(tài)量定位算法比單極定位算法具有更高的精度，因此可將通信信道與行波定位相結(jié)合。從而，有效提高穩(wěn)定狀態(tài)故障定位的可靠性，防止因通信故障或其他問題導(dǎo)致現(xiàn)場數(shù)據(jù)丟失，導(dǎo)致雙端定位方法失效，在定位方案中，增加了單極穩(wěn)定位置的確定算法。

到目前為止，對于兩端穩(wěn)態(tài)量的定位方法，國內(nèi)外已經(jīng)發(fā)展了一系列不同的原理，根據(jù)其對端部同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的不同要求，提出了端部穩(wěn)定同步算法的方法論和同步端可以分為兩類，主要由同步算法和非同步算法組成，第一種要求兩個部分的數(shù)據(jù)都同步進(jìn)行采集，在這種情況下，硬件應(yīng)用更復(fù)雜，不合適。因此，行波定位主要在新的綜合故障定位系統(tǒng)中采用雙端定位方法進(jìn)行，采樣與全球定位系統(tǒng)同步。因此，可以采用同步雙極點定位方法來定位雙極點穩(wěn)定狀態(tài)，然而，由于新的綜合故障定位系統(tǒng)采用電壓行波定位，只能提供電壓信息，不滿足穩(wěn)定量位置的適用要求。因而，應(yīng)使用穩(wěn)態(tài)量定位方法，并結(jié)合常規(guī)故障波形記錄裝置，從而對必要的電壓和電流故障數(shù)據(jù)進(jìn)行有效獲取。由于在波形記錄裝置中要檢測的信號數(shù)量相對較大，因此在線路行波兩端之間同步采樣相對困難。此外，通常采用全球定位系統(tǒng)方法進(jìn)行的采樣和同步，除其他外，可能會出現(xiàn)GPS短時失步、衛(wèi)星信號調(diào)整、天線干擾等原因，導(dǎo)致同步時鐘信號失真，從而出現(xiàn)定位精度下降的情況。根據(jù)對其原因進(jìn)行分析，得出在穩(wěn)態(tài)量故障定位方案中，不同步的雙斷定位算法已被用于提高穩(wěn)態(tài)量定位的可靠性和充分性。

有多種不同類型的異步算法，當(dāng)使用不同的模型時，可以分為基于中心參數(shù)模型的異步算法和基于分布參數(shù)模型的異步算法。超高壓輸電線路傳輸距離長，分布電容大，在使用集中標(biāo)準(zhǔn)模型的情況下，定位精度低較難滿足在高強(qiáng)度接地故障情況下的工程應(yīng)用要求。為此，基于分布參數(shù)模型，提出了一種兩端異步定位的方法。應(yīng)當(dāng)指出，目前基于分布參數(shù)模型的雙端定位方法是基于理想的基線模型，其理論精度較高。然而，在工程應(yīng)用中，電流、電壓測量誤差、穩(wěn)態(tài)計算誤差和線路參數(shù)誤差等都會影響定位算法的精度。目前由于該算法對GPS坐標(biāo)相對不敏感，因此在上面問題存在的情況下，有必要從實際應(yīng)用的角度分析當(dāng)前兩端定位算法的定位性能，以創(chuàng)建滿足應(yīng)用要求的實用定位方法。

對于單側(cè)故障定位算法的應(yīng)用，主要問題是側(cè)向阻力對定位精度的不確定性。由于大多數(shù)輸電線路故障發(fā)生都是單相接地故障，系統(tǒng)中的零鏈網(wǎng)絡(luò)相對穩(wěn)定，因此可以預(yù)先獲得側(cè)面線路零電阻參數(shù)。因此在穩(wěn)態(tài)定位方案中，針對單相接地故障，提出了一種基于零階網(wǎng)絡(luò)的故障定位方法。對于短路，為了消除交叉接地電路時對接地電路的影響，對于故障定位計算，應(yīng)使用故障電流和電壓差進(jìn)行相應(yīng)計算。在開發(fā)新的故障定位系統(tǒng)的過程中，將把穩(wěn)態(tài)量定位將作為一個特設(shè)軟件單元集成到系統(tǒng)中。除了需要故障定位軟件模塊外，軟件本身的開發(fā)還應(yīng)包括故障檢測支持模塊、選擇步驟和穩(wěn)定性條件的計算。

4 行波定位與穩(wěn)態(tài)量定位的協(xié)調(diào)與相互作用

系統(tǒng)的性能將通過在新的綜合故障定位系統(tǒng)中協(xié)調(diào)與合作行波定位方法和穩(wěn)態(tài)量定位方法的特點和優(yōu)點得到提高。

4.1 更正有關(guān)錯誤啟動和錯誤信息的記錄

因為只有通過電壓信號才能判斷線路行波的啟動，可用的故障信息在某些情況下可能導(dǎo)致較低的初始波靈敏度。穩(wěn)態(tài)量定位取決于故障測量裝置，除電壓信號外，該裝置還可以通過電流信號進(jìn)行測試。在整個定位系統(tǒng)啟動時，兩個部件的協(xié)調(diào)集成可以觸發(fā)良好的靈敏度。

4.2 提升性價比

用于定位輸電線路上的行波的設(shè)備與穩(wěn)態(tài)量裝置安裝在相同的屏幕上，該定位裝置使用相同的橫向數(shù)據(jù)傳輸通道，由相同的控制機(jī)器管理，并對相關(guān)信息進(jìn)行分享。傳輸線兩端的故障檢測裝置通過調(diào)制解調(diào)器連接到電話線或?qū)Ｓ镁€。故障發(fā)生后，故障和其他問題之間的電壓能量、電壓波和頻閃量會發(fā)生變化，從而對其故障點與該側(cè)的間距進(jìn)行計算。由于故障定位計算的實時性要求不高，因此也可以使用人工電話確定故障位置。

4.3 利用穩(wěn)態(tài)量的近似定位精確測量行波

在波頭測試過程中無法確定閾值。一般來說，選擇較小的、并留下少量的儲備，能夠確保發(fā)射的可靠性。在某些情況下，當(dāng)干擾信號出現(xiàn)在所放置的波形信號旁邊時，很難識別波頭。例如，計算穩(wěn)態(tài)定量位置測得的不良點的大致位置，計算出波頭到達(dá)不同變電站的近似時間，以及從故障點反射的波長的近似區(qū)間，從而可以精確地搜索行波。利用穩(wěn)態(tài)量測量行波盲區(qū)。

傳統(tǒng)的基于穩(wěn)態(tài)誤差的安裝方法可以解決基于零點過流電壓的瞬時故障、接近零時間的轉(zhuǎn)矩階躍故障以及相應(yīng)的電壓階躍故障。

5 基于故障穩(wěn)態(tài)量的單端、雙端故障定位方法研究

單側(cè)定位方法不需要與線路終端交換數(shù)據(jù)，不需要系統(tǒng)中的通信設(shè)備，也不需要額外的少量或低成本設(shè)施，只需要利用線路一端的電量就能夠計算故障測距，因此廣泛應(yīng)用于現(xiàn)場操作。到目前為止，人們已經(jīng)根據(jù)不同的原則制定了單端故障定位算法。各種算法使用不同的計算模型和假設(shè)計算條件，在不同的故障情況下表現(xiàn)出不同的定位特性。因此，從工程應(yīng)用的角度出發(fā)，有必要對一端的不同定位算法進(jìn)行分析比較，為算法的選擇和性能的提高提供依據(jù)。

在雙端穩(wěn)態(tài)量條件下定位故障的方法是在故障發(fā)生后根據(jù)在線路兩端使用的一定體積的電氣來計算故障點的位置。由于可利用的故障信息較多，其理論定位精度遠(yuǎn)高于單端穩(wěn)態(tài)定位方法，不受系統(tǒng)運行方式、故障類型、接地電阻大小等因素的影響。然而，在實踐中，算法的定位精度可能會受到電流存在、電壓測量誤差、定容計算誤差和線路參數(shù)誤差的負(fù)面影響。并且當(dāng)前所討論的定位算法對此類誤差的敏感性分析相對較少，因此有必要從實際應(yīng)用的角度，在存在上述誤差的情況下，分析當(dāng)前兩端定位算法的定位性能，從而提出一種實用的定位方法，滿足工程應(yīng)用的需要。