基于PSCAD的110 kV輸電線路故障測距研究

許嘯天，田 斐

（南陽理工學(xué)院 智能制造學(xué)院，河南 南陽 473004）

0 引 言

在電子化、科技化高度發(fā)達(dá)的新時(shí)代，電能成為生活中不可或缺的一部分。與此同時(shí)，傳統(tǒng)的電力維修和線路監(jiān)測已經(jīng)不能滿足當(dāng)下各地區(qū)用戶的用電需求，也不符合當(dāng)今中國發(fā)展新形勢下的發(fā)展要求。所以，為了保證電網(wǎng)持續(xù)高效運(yùn)行且緊跟時(shí)代發(fā)展步伐[1]，本文利用PSCAD軟件建立了110 kV輸電線路故障測距模型。仿真結(jié)果表明：雙端測距法在對線路故障進(jìn)行定位時(shí)更加快速、精確。

1 基于PSCAD的110 kV輸電線路故障測距設(shè)計(jì)

1.1 總體設(shè)計(jì)

電源電壓為110 kV，輸電線路全長300 km，本次仿真的故障點(diǎn)在距左側(cè)輸電線路的100 km處，設(shè)置發(fā)生的故障為單相接地短路（a相），b相和c相正常。整個(gè)仿真運(yùn)行時(shí)間為0.5 s，故障發(fā)生時(shí)間為0.15 s，故障持續(xù)時(shí)間為0.05 s，之后系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行。仿真運(yùn)行的步長設(shè)置為1 μs，行波信號(hào)的采樣頻率設(shè)置為1 MHz。PSCAD故障仿真主模型如圖1所示。

圖1中，最上方為主體電路，輸電線路TLine選用Bergeron模型。本文所采用的信號(hào)傳遞方式為無線傳遞，通過使用Radio Links元件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信號(hào)的傳遞功能，將其與右下角子系統(tǒng)內(nèi)部的信號(hào)接收連接在一起實(shí)現(xiàn)主電路與子系統(tǒng)間信號(hào)的無線傳遞。

右下方為電壓、電流封裝的子模塊系統(tǒng)，主要作用為：第一，對線路產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行解耦處理，即通過在其內(nèi)部搭建的凱倫貝爾變換公式來進(jìn)行相模變換；第二，使得主體電路有條有理。子系統(tǒng)內(nèi)部搭建圖如圖2所示。

在圖2中，子系統(tǒng)內(nèi)部最上方對接收到的信號(hào)進(jìn)行分解，即分解成所需要的a、b、c三相電氣量。這里為了敘述簡便，只列出其中一張內(nèi)部封裝搭建結(jié)構(gòu)圖，即左電流子系統(tǒng)，其他類似。

1.2 單端測距

單端測距是指僅利用一側(cè)電壓電流的波形進(jìn)行定位，即通過初始反射波在故障點(diǎn)F與P端多次反射過程來實(shí)現(xiàn)定位[2]。線路全長為L，P端為線路左端，Q端為右端，各自都裝上電壓、電流互感器。故障F點(diǎn)發(fā)生在距離P端x處。其中，由于波的反射效果，測量出兩次反射時(shí)間t1、t2，但由于經(jīng)過幾次反射之后波形的變化更加微小，不方便分析，所以只選取最開始測量的兩次反射時(shí)間作故障測距分析。計(jì)算故障距離公式如（1）所示。

1.3 雙端測距

雙端測距以故障所形成的初始行波抵達(dá)線路兩端的時(shí)間差來得到故障點(diǎn)的具體位置[3]，原理模型如圖3所示。

圖1 PSCAD故障仿真圖

圖2 子系統(tǒng)內(nèi)部搭建圖

圖3 雙端測距原理圖

其中反射波和折射波分別經(jīng)過時(shí)間t1、t2到達(dá)線路P、Q端，波速為v，則故障距離x的計(jì)算按照式（2）和式（3）進(jìn)行。

將式（2）、式（3）綜合，得到最終故障距離x，如式（4）所示。

1.4 相模變換

輸電線路三相電氣量之間具有耦合關(guān)系，這將對故障測距仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性產(chǎn)生干擾[4]。所以，為了消除三相導(dǎo)線之間相互耦合問題的影響，運(yùn)用凱倫貝爾變換矩陣具有相互獨(dú)立的方程式這一特點(diǎn)，對其進(jìn)行解耦，即相模變換。

式中，三種變量I0、Iα、Iβ分別由相電流I0、Ib、Ic通過獨(dú)立方程得到的0模、α模和β模分量；U0、Uα、Uβ分別由相電壓U0、Ub、Uc通過獨(dú)立方程得到的0模、α模和β模分量。

實(shí)際經(jīng)驗(yàn)表明，0模分量易受到線路電容和電感的影響，并且隨著頻率的升高衰減嚴(yán)重，會(huì)造成其波速的不穩(wěn)定。但是，線模分量大體上在導(dǎo)體中運(yùn)動(dòng)，波速相對比較穩(wěn)定。所以，將選取線模行波信號(hào)作為小波分析的依據(jù)。由于行波波速并不是固定不變的，在不同的輸電線路中，其值也會(huì)出現(xiàn)一定的變化，本文以線路TLine的Bergeron模型參數(shù)得出波速大小。

1.5 小波分析

小波變換對目標(biāo)信號(hào)實(shí)行局部化分析，具有優(yōu)異的故障檢測靈敏性。在小波變換中，將運(yùn)用到其中一個(gè)功能，即采樣。本文選用離散小波變換元件（Discrete Wavelet Transform）中的高頻分量[5]，高頻分量在信號(hào)發(fā)生突變時(shí)刻會(huì)顯示出尖峰，而平緩變化時(shí)其值近似為零。運(yùn)用高頻信號(hào)來分析信號(hào)的突變點(diǎn)，并在波形圖中描出故障信號(hào)突變的時(shí)間點(diǎn)，進(jìn)而為計(jì)算故障距離提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

2 結(jié)果分析

經(jīng)過相模變換后的故障信號(hào)需要進(jìn)一步進(jìn)行小波變換處理，并放大其信號(hào)突變位置，以便于能清晰地標(biāo)出電流、電壓信號(hào)突變點(diǎn)，即電流、電壓模極大值，從而得出最終所需要的結(jié)論。此處選用左右電壓的α模，高頻信號(hào)分量D。小波變換圖如圖4所示。

圖4 小波變換圖

其中，分別將左端電壓波形圖中第一、二次發(fā)生信號(hào)突變，即模極大值記錄下來，分別為150.347 ms、151.041 ms，并將其帶入式（1），得出單端故障測距的結(jié)果為101.5056 km。

同時(shí)，將對應(yīng)的右端電壓波形圖中第一次發(fā)生信號(hào)突變即模極大值記錄下來，為150.6905 ms，并將其帶入式（4），得出雙端故障測距的結(jié)果為99.7 km。

與左側(cè)100 km處故障設(shè)置點(diǎn)對比，可得采用單端測量誤差為1.505 6 km，而采用雙端測量誤差僅為0.3 km。所以，在實(shí)際生活中更加傾向于采用雙端故障測距法來檢測線路，以滿足實(shí)際需要。