特高壓輸電線路故障診斷與定位系統仿真研究

李玉敦，王大鵬，趙斌超，王　軍，王福晶

（1.國網山東省電力公司電力科學研究院，濟南　250003；2.華能淄博白楊河發電有限公司，山東　淄博　255200）

·電網技術·

特高壓輸電線路故障診斷與定位系統仿真研究

李玉敦1，王大鵬1，趙斌超1，王軍1，王福晶2

（1.國網山東省電力公司電力科學研究院，濟南250003；2.華能淄博白楊河發電有限公司，山東淄博255200）

以1 000 kV錫盟—山東特高壓輸電線路工程為例，采用PSCAD建立特高壓交流輸電線路故障仿真模型，應用輸電線路故障診斷與定位系統對仿真產生的波形進行分析得到故障位置，分析研究故障電阻、并聯電抗和串補電容對故障診斷與定位系統精度的影響。仿真結果驗證了該系統具有較高的測距精度，可適用于特高壓交流輸電系統。

交流特高壓輸電；仿真模型；故障定位

0　引言

特高壓輸電線路具有長距離、大容量、跨越范圍廣的特點，因此特高壓輸電線路在輸電方面具有明顯的優勢。隨著特高壓被納入國家大氣污染防治計劃、能源規劃“十二五”規劃，我國特高壓建設進入快速發展階段。山東作為經濟大省，錫盟—山東、榆橫—濰坊1 000 kV特高壓交流工程“外電入魯”戰略實施，特高壓成為國內外學者研究的熱點。由于特高壓輸電線路較長，因地形和環境因素的影響輸電線路經常發生故障，實時準確的故障定位對及時修復故障線路、恢復供電、減少經濟損失和提高供電可靠性具有十分重要的意義。

目前，國內外針對特高壓輸電線路的故障定位問題開展了部分研究。文獻［1］提出了一種基于高頻量衰減特性的特高壓直流輸電線路神經網絡雙端故障測距方法。文獻［2-4］分析了基于分布參數模型的故障測距的方法。文獻［5-7］研究了含串補電容的特高壓輸電線路的故障定位算法。文獻［8-9］介紹了大電網特高壓直流系統建模與仿真技術，討論了大電網最新進展及方向。

利用輸電線路自動故障診斷和故障定位系統對特高壓交流輸電故障定位進行分析。選取錫盟—山東線1 000 kV特高壓線路，根據線路的輸電線路信息建立PSCAD模型，設置仿真故障點產生對應的錄波文件來驗證系統特高壓輸電線路的故障定位系統是否準確，仿真模型考慮了故障電阻、串補電容、并聯電抗器對系統計算結果的影響。

1　輸電線路故障診斷與定位系統

本研究采用文獻［10］提出的高壓輸電線路故障診斷與定位系統對特高壓交流輸電系統進行故障測距分析。該系統包括故障診斷、故障定位、故障通報、歷史查詢、短信通知、故障可視化6個模塊。通過實時監測EMS采集的保護、重合閘、開關狀態，當保護、重合閘、開關狀態發生動作時系統通過與故障信息系統的接口，實時調用相關保護或錄波文件將其存儲于該系統的SQL數據庫中，自動選取特高壓輸電線路模型和算法進行故障診斷和故障定位計算，并將計算結果存入該系統的SQL數據庫中，分析結果實時發布給調度人員通過短信發送給聯系人來實現特高壓故障實時診斷和定位的目的。

該系統采用雙端電壓匹配法為依據計算故障點位置，算法中充分考慮了串補電容和并聯電抗的影響。可自動匹配長線模型來描述特高壓線路，線路參數包括串聯電阻、并聯導納，對所有參數的正序（負序）、零序值進行分析計算。故障位置確定后利用故障點的電流電壓判斷故障類型，同時根據故障點的電壓和從線路流入故障點電流計算出各種故障類型下故障阻抗。

系統中的故障定位模塊支持IEEE comtrade標準錄波文件的存儲和分析。故障信息多元化，包括故障距離、故障類型、故障阻抗信息等；故障波形圖界面圖形包括電壓、電流、無功功率、有功功率，支持放大功能。整個系統可以自動計算出特高壓輸電線路的故障位置、故障類型并實時通告給操作人員。

2　錫盟—山東特高壓輸電線路仿真模型

2.1錫盟—山東特高壓輸電工程介紹

錫盟—山東交流特高壓輸電線路全長約2× 746 km，線路起于內蒙古錫盟站，途經承德站、北京東站，止于山東濟南站，其中承德站為串補站。輸電線路采用8×JL/G1A-630/45鋼芯鋁絞線，分裂間距為400 mm；地線一根采用JLB20A-185鋁包鋼絞線，另一根采用OPGW-185，輸電線路參數計算如表1所示。高抗，承德站串補站按線路40%串補度補償。

表1　特高壓交流輸電線路參數

2.2系統仿真模型

計算分析采用PSCAD電力系統軟件工具建立特高壓交流工程故障仿真模型，主變、線路、高抗和串補等設備參數均采用設計參數。仿真模型中特高壓輸電線路采用分布式參數模型，系統等值容量按照出口斷路器開斷電流進行計算，建立的仿真模型如圖1所示。

1 000 kV變電站主變采用單相、自耦和中性點無勵磁調壓方式，額定容量3 000/3 000/1 000 MVA（單相1 000/1 000/334 MVA），額定電壓1 050/525/ 110 kV。主變阻抗值Uk1-2%=18%，Uk1-3%=62%，Uk2-3% =40%。

錫盟至北京東線兩端配置兩組840 Mvar固定高抗，北京東至濟南線路兩側配置兩組720 Mvar固定

圖1　錫盟—山東線路仿真模型

3　系統仿真試驗方案

錫盟—山東特高壓輸電線路的仿真主要目的是研究故障電阻、故障類型、串補電容、并聯電抗等對故障定位與診斷系統算法精確度的影響。在進行仿真研究時，針對不同試驗項目，選擇不同線路進行測試。

對故障電阻、故障類型進行分析時，選擇北京東至濟南站交流特高壓線路為研究對象。設置4類故障，分別為單相接地（AG、BG、CG）、兩相接地（ABG、ACG、BCG）、兩相相間 （AB、CA、BC）和三相相間ABC）、3種故障電阻（分別為0 Ω、10 Ω、50 Ω）、6處故障位置，設計的模型故障測量點從并聯電抗器內部測量，故障設置位置如表2所示。

表2　北京至濟南段故障位置設置方案

串補電容可以有效提高特高壓輸電線路的有功輸送能力，但串補電容器的使用將使線路上的電壓電流關系變得復雜化，為考慮串補電容對視在阻抗的影響，在相鄰線路輸電線路承德—北京東線路距北京東站0 km處，30%補償度。帶串補電容的輸電線路故障位在承德—北京東設置4處故障點如表3所示。

表3　承德—北京段故障位置設置方案

4　仿真結果

如測試方案所描述，錫盟—山東輸電線路無串補電容的仿真在每個模型取線路總長度0、20%、40%、60%、80%、100%處設置故障點，故障類型取10種，故障電阻設置3種，共進行180組故障仿真。

利用PSCAD模擬180種故障。利用輸電線路自動故障診斷和故障定位系統文件分析PSCAD產生的波形，從而計算故障信息。為對比本文模型計算精度，同時給出了利用單端故障量計算得到的故障定位結果。錫盟—山東線仿真結果如表4所示。

表4　北京—濟南段故障仿真結果統計

表4中的結果表明系統的精確度較高，偏差率基本在1%以內，雙端的計算結果準確度高于單端的結算結果，以故障電阻統計的結果如表5所示。

表5顯示故障電阻對計算精確度的影響不大。不同故障類型下雙端測距方法和單端測距方法計算得到的測距精度如表6所示。

為了更好地檢驗串補電容對算法準確性的影響，在相鄰線路中加入了串補電容。錫盟—山東輸電線路含串補電容的仿真模型在相鄰線路承德—北京段取其長度0、30%、50%、100%處設置故障點；北京—濟南段的故障點設置位置不變。仿真結果如表7所示。

表5　北京—濟南故障電阻仿真結果統計

表6　北京—濟南故障類型仿真結果統計

表7　承德—北京段含串補電容線路仿真統計

由表7看出，設計系統特高壓輸電線路的算法時充分考慮了串補電容的影響，計算結果滿意度較高，吻合實際特高壓輸電線路的故障診斷和故障定位的要求。

仿真結果表明，特高壓輸電線路故障定位與故障診斷系統精度控制在1%以內達到要求，故障類型全部判斷準確。考慮故障電阻、并聯電抗、線路參數、串補電容在內的系統計算精確度也達到要求。特高壓輸電線路雙端算法依據線路兩端的電壓測量值進行分析計算，利用穩態分量并采用電壓匹配法來求解準確的故障位置，克服了基于相量故障定位的弊端，準確度高，來自雙端的數據不需要同步采樣，引入同步相角差和故障定位可以同時解決。

5　結語

特高壓輸電線路故障診斷和故障定位系統能夠對特高壓輸電線路的故障實現準確定位，特別是采用雙端自動匹配算法提高了系統定位的精確性。該系統能夠準確地判斷出故障類型和故障位置，并且通過仿真驗證了系統的準確性，為特高壓輸電線路的檢修提供了有效的幫助。

［1］陳仕龍，謝佳偉，畢貴紅，等.一種特高壓直流輸電線路神經網絡雙端故障測距新方法［J］.電工技術學報，2015，30（4）：257-264.

［2］劉偉，陳皓.基于分布參數模型的混合線路故障測距新算法［J］.電力系統保護與控制，2009，37（24）：76-80，132.

［3］索南加樂，吳亞萍，宋國兵，等.基于分布參數的同桿雙回線單線故障準確測距原理［J］.中國電機工程學報，2003，23（5）：39-43.

［4］劉建.特高壓長距離交流輸電線路分布參數計算及線路模型的建立［J］.電力學報，2011，26（2）：95-98.

［5］T.S.Sidhu，M.Khederzadeh.Series compensated line protection enhancement by modified relaying Schemes.IEEE Transactions on Power Delivery［J］.2006，21（3）：1 191-1 198.

［6］R.Eugeniusz，J.Izykowski，P.Pierz，et al.High Voltage Series Compensated Transmission Line Evaluation of New Distance Protection［C］.International Conference on ICHVE，2010.

［7］M.M.Saha，B.Kasztenny，E.Rosolowski.First Zone Algorithm for Protection of Series Compensated Lines.IEEE Transactions on Power Delivery［J］.2010，16（2）：200-207.

［8］易輝，熊幼京.1 000 kV交流特高壓輸電線路運行特性分析［J］.電網技術，2006，30（15）：1-7.

［9］舒印彪.1 000 kV交流特高壓輸電技術的研究與應用［J］.電網技術，2005，29（19）：1-6.

［10］王連成，劉琳.輸電線路自動故障診斷和故障定位實時發布系統［J］.山東電力技術，2015，42（1）：16-19，24.

Simulation Study of UHV AC System Based on PSCAD

LI Yudun1，WANG Dapeng1，ZHAO Binchao1，WANG Jun1，WANG Fujing2
（1.State Grid Shandong Electric Power Research Institute，Jinan 250003，China；2.Huaneng Zibo Baiyanghe Power Generation Co.，Ltd.，Zibo 255200，China）

Taking the 1 000 kV Xilingol-Shandong power transmission project for example，the simulation model for UHV AC system is established with PSCAD.The fault location corresponding to the fault wave generated by PSCAD is obtained by using the fault diagnosis and location system（FDLS）.The influence of fault resistance，shunt reactor and series compensated on FDLS are analyzed.The simulation results showed that the FDLS has high accuracy and robustness，and can adapt to UHV AC transmission system.

ultra-high voltage（UHV）transmission；simulation model；fault location

TM711

A

1007－9904（2016）07－0001－03

2016-03-15

李玉敦（1985），男，工程師，從事電力系統繼電保護技術方面的研究；

王大鵬（1970），女，教授級高級工程師，從事電力系統保護與控制等工作。