直流輸電線路故障點的定位方法

趙彥平，薛宇箭

（山西省電力公司超（特）高壓輸變電分公司，山西 太原 030031）

1 引言

高壓直流輸電線路擔負著電能傳輸的繁重任務，由于直流輸電線路跨越的地區地形復雜，各地區的氣象條件又變化極大，在惡劣的氣象環境中，高壓直流輸電線路將是電力系統中比較容易發生故障的設備之一。當高壓直流輸電線路上發生故障后，如果能夠及時、準確地找到故障點，不僅對修復線路和保證可靠供電十分有利，而且對保證整個電力系統的安全穩定和經濟運行都有十分重要的意義。因此，高壓直流輸電線路的故障定位方法的研究和應用，對提高電網的安全穩定性具有極其重要的意義。

目前，線路故障點定位的方法可以分成以下幾類：①根據使用電氣量的位置可分為單端法和雙端法；②根據對故障數據的分析方式可分為頻域法和時域法；③根據采用的模型類型可分為集中參數模型法和分布參數模型法；④根據算法的內容可分為阻抗模型法和行波定位法。其中，阻抗模型法易受線路參數的精確度、過渡電阻、線路分布電容、線路結構的對稱性、電壓和電流互感器的變換誤差等因素的影響，定位精度難以提高；目前使用廣泛的是行波定位法[1～2]。

行波故障測距的基本原理是利用比較故障時線路產生的暫態行波波頭到達不同測量點的時刻，和已知不同測量點間的線路長度，來計算行波在線路上的波速和故障點距離測量點的距離。

由于暫態行波波頭傳播速度快，要采樣得到行波波頭及其對應的時刻，具有一定的難度，所以對于突變量小、變化平緩的電壓、電流行波，還存在行波波頭檢測困難的難題。

為了克服行波定位法的不足，借助于全球定位系統GPS的同步時鐘的參照時標，本文提出了一種利用多點采樣數據的波形特征來計算故障行波在直流輸電線路上傳播延時時間的方法，進而用于計算故障點在直流輸電線路上的位置。

2 計算故障行波在線路上傳播時間的方法

如果在一條直流輸電線路的首端、末端和線路上某個結點處安裝3個測量單元分別為C1、C2和C3，當直流輸電線路上發生了短路接地故障時，測量單元C1、測量單元C2和測量單元C3在設定的時長t內，同時測得的電壓數據分別為fV1（τ）、fV2（τ）、fV3（τ），τ綴[0，t]，此時分別將各測量單元的數據發送到監控單元，在監控單元內，以測量單元C1和測量單元C2為例，定義任意兩測量單元間的相似度函數，見式（1）。

在時間段[0，t]內，令R12-MAX為E12（x）中的最大值，R12-MAX對應的xMAX（R12）值乘以采樣間隔時間即為故障行波在測量單元C1和測量單元C2之間的傳播延時時間△T12，即擾動行波在電網的C1點和C2點之間傳播延時時間，由式（2）計算可得。

式中：fS：采樣頻率。

3 確定故障點位置的定位方法

在圖1所示的直流系統中，假設在線路首端、末端和線路上安裝的測量單元分別為C1、C2、C3，各測點間已知的線路長度分別為L1和L2。在距離C2測量單元長度為Lx處發生了接地故障，0.1s后故障自動切除。

圖1 直流系統簡圖

當故障發生后，故障點處的故障電壓行波向線路四周快速傳播，在3個測量單元處都會測量得到電壓波形相似的電壓行波。在測量單元C1、C2、C3分別同時測量一段時間的電壓數據后，將各測點的電壓數據傳送到監控單元，在監控單元中利用式（1）、式（2），便可計算故障行波通過測點 C2與 C1的時差 △T21，以及故障行波通過測點C2與C3時的時差△T23。

計算出故障行波通過相鄰測點間的時差后，再根據測點間已知的線路長度，可以計算故障行波在相鄰兩測點間線路上的波速，如果故障點在線路上某相鄰兩測點之間，則該兩測點間相鄰線路上計算的波速將非常大，見式（3）：

即通過式（3），比較相鄰兩測點間計算的波速大小，如果計?算的波速較大，說明故障點在該兩相鄰測點間的線路上，相反，計算的波速較小的線路上則不含故障點。

當在三個測量單元之間確定了包含故障點的線路區域后，則不含故障點的線路上波速見式（4）：

根據上式（4），便可計算故障電壓行波在不包含故障點的直流線路上的波速，結合包含故障點的兩相鄰測點間已知的線路長度，便可計算故障點距離測點的距離。

參照圖1所示系統，假設故障點發生在測點C1與C2之間，通過上述（1）式至（2）式，便可計算故障行波通過相鄰測點間的時差，結合測點間已知的線路長度，便可計算相鄰測點間線路上的波速，根據計算的波速大小，便可確定故障點所在的區間，通過（4）式計算的非故障線路上故障行波的波速，則在包含故障點的線路區間上，故障點距離測點C2的長度Lx可由如下（5）式計算可得。

4 仿真建模和仿真實驗分析

為了驗證上述方法的計算效果，利用PSCAD仿真軟件，參照圖1所示直流輸電系統，建立了仿真模型。在仿真實驗模型中，線路模型采用分布參數模型，電源電壓、線路長度參數和負載等效的電阻Eload、電感Lload參數見表1。

表1 電源電壓、線路長度和負載等效參數

分布參數的線路模型選用PSCAD仿真軟件系統默認的線路參數。

故障點設定在測點C1與C2之間，距離C2測點150 km的地方，故障持續時間為0.1 s，設計總共發生兩次故障，第一次故障發生在1 s的時刻，第二次的故障時間發生在1.4 s的時刻，在故障期間各測點的電壓波形見圖2。

選擇分析采樣頻率fS=2 MHz，在圖3的仿真數據中選擇一段時長的數據，利用式（1）計算出的測點C1與C2間測量電壓行波相似度函數R12見圖4；測點C2與C3間測量電壓行波相似度函數R23見圖5。

圖2 故障期間各測點的電壓波形

圖3 圖2曲線的局部放大圖

圖4 C1與C2間電壓行波相似度函數

圖5 C2與C3間電壓行波相似度函數

根據圖4和圖5，結合式（2）計算出的各測點間的時差和測點間計算出的波速見表2。

表2 計算的測點間時差和波速

從表2可以看出，利用測點間的已知線路長度和計算出的行波時差，計算出的測點C1與C2間的波速Vb12明顯比C2與C3間的波速Vb23大很多，可以判定故障點的區間在測點C1與C2間的線路上。

以C2與C3間的波速Vb23為故障行波在線路上的波速，利用式（5）計算出的故障點距離C2的距離是153.5 km，比仿真模型中使用的線路長度150 km多了3.5 km，計算誤差是2.3%，可見計算結果還是比較準確的。

5 結論

為了實現直流輸電線路上故障點的快速定位，本文提出了一種利用多測點數據波形相似特征確定線路上故障點的定位方法，理論分析和仿真實驗結果驗證了該方法的正確性，該方法具有采樣頻率較低，不用必須采樣得到故障時電壓突變量最大值的時刻，避免了漏檢問題，為實現直流輸電線路上的故障點的快速定位，提供了一種新方法。

[1]馬超然.輸電線路行波故障定位技術發展及展望.繼電器[J]，2007，35（24）：11-20.

[2]劉森，李揚.興安直流“5.5”雙極相繼閉鎖事件及保護動作行為分析.電力建設[J]，2009，30（4）:52-55.