基于同步錄波技術(shù)的輸電線路故障定位方法

岳科宇，袁 鵬，趙洪丹，李忠國，鄭 宇

（國網(wǎng)吉林省電力有限公司遼源供電公司，吉林 遼源 136200）

1.引言

目前，故障錄波裝置只能記錄原始波形的動態(tài)數(shù)據(jù)量，不能全天候存儲穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)，僅在故障前后幾秒內(nèi)記錄原始數(shù)據(jù)，造成難以及時捕捉電網(wǎng)的低頻振蕩，對大規(guī)模、長時間故障的分析中存在顯著缺陷。不同變電站的錄波數(shù)據(jù)缺乏可比性和同步性，直接威脅了故障后的穩(wěn)定性。對此，迫切需要根據(jù)同步錄波技術(shù)，系統(tǒng)研究輸電線路故障定位。

2.多端輸電線路及單相接地故障

我國社會經(jīng)濟(jì)自從進(jìn)入21 世紀(jì)以后，呈現(xiàn)全面發(fā)展態(tài)勢，一定程度推動了電力工業(yè)的進(jìn)步。電網(wǎng)不斷擴(kuò)大規(guī)模，明顯提高了輸電容量。在電力工業(yè)可持續(xù)發(fā)展中，電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。當(dāng)高壓輸電網(wǎng)的輸電線路故障，對其準(zhǔn)確定位可提高線路故障的排查率，避免停電可能帶來的經(jīng)濟(jì)損失，增加了輸送電能設(shè)備的工作時間，保證電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行?，F(xiàn)實(shí)工作中，供電系統(tǒng)最普遍的形式是多端輸電線路，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 多端輸電線路拓?fù)?/p>

由圖1 發(fā)現(xiàn)，多端輸電線路涉及n 個母線端子，其中母線1 與n 之間的線路是主干輸電線路，分支線路是指節(jié)點(diǎn)2 到節(jié)點(diǎn)n-2，并將電能供應(yīng)給下級電網(wǎng)。多端輸電線路相較單一輸電線路，前者的分支電路錯綜復(fù)雜，無形增加了拓?fù)涞慕Y(jié)構(gòu)的復(fù)雜度，提高了故障發(fā)生率，且故障容易對更廣泛的區(qū)域造成影響。根據(jù)故障發(fā)生原理，對高壓電網(wǎng)線路故障合理區(qū)分，即瞬態(tài)故障與永久故障。局部放電體現(xiàn)出隨機(jī)和間歇特點(diǎn)，形成的電弧也較微弱，提高了定位故障的難度。雖然前期瞬態(tài)故障不會嚴(yán)重影響系統(tǒng)運(yùn)行，但若置之不理，則容易反復(fù)、多次出現(xiàn)故障，進(jìn)一步延伸故障發(fā)生區(qū)域。因此，采取科學(xué)方法對該類故障排除，避免影響高壓電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性。

高壓電網(wǎng)出現(xiàn)故障后，只有對故障位置科學(xué)定位，才能系統(tǒng)檢查線路故障。高壓電網(wǎng)輸電距離與配電網(wǎng)線路存在明顯區(qū)別，前者輸電距離遠(yuǎn)、覆蓋范圍廣泛，部分地區(qū)交通較差。只安排人員維修檢查，耗時費(fèi)力，降低了排查故障率。現(xiàn)場安裝輸電線路保護(hù)系統(tǒng)對故障線路快速定位，故障發(fā)生后快速跳閘，保證了故障檢修質(zhì)量。但是，在復(fù)雜的環(huán)境內(nèi)輸電線路保護(hù)增加了誤動的可能性。此外，通過保護(hù)動作，不能準(zhǔn)確定位故障位置。因此，精確定位高壓線路故障，有利于保證檢修質(zhì)量，控制停電時間。對當(dāng)前高壓輸電網(wǎng)的復(fù)雜程度，只有積極優(yōu)化故障定位的方式，才可以提高智能化定位故障的水平。

輸電線路單相接地故障定位技術(shù)。據(jù)統(tǒng)計，當(dāng)瞬態(tài)故障超過90%時易引起線路缺陷，但未發(fā)現(xiàn)線路外部的損壞痕跡。利用故障定位系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)故障部位。高壓線路發(fā)生故障后，隨之出現(xiàn)很多異常信號，經(jīng)獲取核心數(shù)據(jù)，憑借其與故障位置關(guān)系定位故障，節(jié)省了排查故障的時間，提高了故障檢修水平。

3.輸電線路故障同步錄波監(jiān)測技術(shù)

3.1 同步守時技術(shù)

目前根據(jù)全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)或北斗系統(tǒng)應(yīng)用同步采樣技術(shù)，如GPS。當(dāng)獲取同步信號后，模擬量經(jīng)變換與調(diào)制實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換，此時GPS 將觸發(fā)信號提供給模數(shù)轉(zhuǎn)換設(shè)備，由CPLD處理后，獲得同步觸發(fā)脈沖信號。當(dāng)所有裝置的轉(zhuǎn)換觸發(fā)脈沖，實(shí)現(xiàn)同步采樣操作后，故障數(shù)據(jù)通過GPS 得到準(zhǔn)確標(biāo)簽，形成同步相角數(shù)據(jù)。對系統(tǒng)的守時功能提出要求。為實(shí)現(xiàn)這個要求，系統(tǒng)選擇精度較高的恒溫晶振，作時間跟蹤源。

3.2 高精確度測距技術(shù)

單端測距：故障錄波監(jiān)測系統(tǒng)的關(guān)鍵功能之一是測距。在無法獲得端數(shù)據(jù)的情況下，單端測距是對故障進(jìn)行定位的主要方法。但其精度易被非周期衰減直流分量、故障點(diǎn)過渡電阻等要素干擾。計算單端測距時不只采取濾除非周期衰減直流分量，還要系統(tǒng)把握過濾電阻，科學(xué)應(yīng)用補(bǔ)償技術(shù)降低分布電容的干擾，提高單端測距的精確度。

雙端測距：雙端測距結(jié)合對端數(shù)據(jù)完全消除過渡電阻的干擾。根據(jù)單端測距的特點(diǎn)，無法對故障電流提前預(yù)知，故采取極分化簡方式計算單端測距，綜合運(yùn)用故障位置的零序電流。假設(shè)故障位置與安裝裝置形成相同的零序電流相位，則雙端測距通過處理未知量消除過渡電阻造成的干擾。

4.多變電站輸電線路同步錄波技術(shù)故障定位

4.1 錄波數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)

以典型錄波器聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)為例，變電站1 與變電站2 的F 點(diǎn)出現(xiàn)了故障，同步登記兩個變電站的故障數(shù)據(jù)，利用錄波器聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)向主站傳輸錄波數(shù)據(jù)，兩變電站同步傳輸錄波數(shù)據(jù)，對變電站錄波數(shù)據(jù)進(jìn)行自主關(guān)聯(lián)。

錄波聯(lián)網(wǎng)時間差異。輸電線路出現(xiàn)故障后，錄波數(shù)據(jù)緊密聯(lián)系著故障模擬數(shù)據(jù)、開關(guān)操作信號、故障出現(xiàn)時間?；趯r差異的出現(xiàn)，直接威脅了錄波數(shù)據(jù)時間的準(zhǔn)確性，主站采取統(tǒng)一的對時方法，主要避免發(fā)生時間差錯。

各錄波數(shù)據(jù)與主站時鐘間的偏差各不相同，其有可能是數(shù)小時，也可能是數(shù)天。錄波主站之于各錄波器來講并非具有統(tǒng)一的時鐘，為了對錄波數(shù)據(jù)自主聯(lián)系，以合理方法檢測各個錄波設(shè)備時間與主站時鐘差。鄰近變電站在數(shù)據(jù)網(wǎng)通信中合理運(yùn)用調(diào)度數(shù)據(jù)與主站數(shù)據(jù)，其中分布在各變電站的錄波器對主站進(jìn)行時間檢測。

錄波器時間修正方法。錄波器之間的時間差不相同，沒有任何規(guī)律，但主站時鐘體現(xiàn)出唯一性。如果基于主站分別獲取錄波器的時間偏差，則故障發(fā)生后，利用時間偏差校準(zhǔn)錄波器形成的故障時間，根據(jù)時間與各錄波數(shù)據(jù)聯(lián)系。主站獲取各錄波器時間偏差的原理與過程：選擇TA1 時間，通過主站模塊對時鐘報文進(jìn)行采集，向錄波器傳送；選擇TB1 時間，錄波器獲取時鐘報文請求，利用響應(yīng)時間△tB，在TB2 時間內(nèi)向主站傳輸報文；錄波器將響應(yīng)文件傳輸至主站采集模塊，對接收時間的偏差計算。

傳輸延時：

時間偏差：

基于錄波器迅速實(shí)現(xiàn)響應(yīng)，通常在微秒級，我們直接忽略△tB，使得TB1=TB2=TB，代入上式得到：

通過調(diào)整，變電站1 的錄波器采集的故障時間為：

錄波器基于巡檢周期的干擾，形成不同的響應(yīng)時間，它并非完全精確，不能借該時間調(diào)整結(jié)果同步各錄波數(shù)據(jù)。因此，有必要采取能達(dá)到錄波器同步目標(biāo)的方法。

4.2 數(shù)據(jù)同步

線路故障發(fā)生位置，線路兩側(cè)變電站內(nèi)和鄰近變電站的錄波器全部開始工作。由于變電站有不同的錄波器，各個變電站錄波器共同為錄波數(shù)據(jù)提供了重要來源。

4.2.1 相同變電站同步錄波數(shù)據(jù)

若變電站有不同的電壓等級或存在較多間隔，則對錄波器平均配置。變電站涉及母線、線路與主變一次設(shè)備，積極連接了錄波器與線路，各間隔對公共信號的母線電壓實(shí)現(xiàn)采集。若主變錄波器單獨(dú)存在，則公共信號代表主變各側(cè)電壓與各側(cè)母線電壓。不同錄波器借助這部分公共信號同步處理數(shù)據(jù)，具體方法如下：結(jié)合變電站安裝錄波器的情況，對與各錄波器數(shù)據(jù)對應(yīng)的公共信號及時獲??；面對故障前后公共信號正弦波存在的角差，憑借全周波傅立葉實(shí)現(xiàn)變換獲取數(shù)據(jù)，對各個錄波器暫未同步的時間科學(xué)計算；結(jié)合時間無法同步的現(xiàn)象，同步處理其它非公共信號數(shù)據(jù)。

4.2.2 不同變電站錄波數(shù)據(jù)同步

故障出現(xiàn)后，對錄波主站傳輸關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)文件時，電氣量數(shù)據(jù)不只出現(xiàn)在線路L1 兩側(cè)，還形成于線路L2-L4 的兩側(cè)。同一變電站同步傳輸了數(shù)據(jù)，線路L1 和L2 兩側(cè)數(shù)據(jù)形成無法同步的時間。當(dāng)線路L2 形成不同步時間后，直接同步站1 和站2 的錄波數(shù)據(jù)。單回新路L3 故障，利用位于線路L1 兩側(cè)的電氣量，獲取站1 與站2 的不同步時間t12。單回線路故障，線路兩側(cè)的錄波器數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)迂回連通，以非故障線路獲取路障線路兩側(cè)錄波數(shù)據(jù)的不同步時間。

非故障線路數(shù)據(jù)同步法：根據(jù)非故障線路集中參數(shù)模型，對m 側(cè)電壓電流設(shè)計列向量，即側(cè)電壓電流列向量為其中向量的轉(zhuǎn)置通過T 代表。

圖2 輸電線路集中參數(shù)模型

假設(shè)輸電線路對地導(dǎo)納矩陣為Y。由圖2 可知，結(jié)合對工頻量，假設(shè)線路兩側(cè)形成不同步角δ，則有：

把上述兩側(cè)列向量轉(zhuǎn)置為行向量，由于Y 是對稱陣，則有：

假設(shè)故障發(fā)生后m、n 側(cè)電壓電流列向量分別是Umf、Imf、Unf、Inf，由于該線路無故障，則公式（6）成立，可以得到：

由推導(dǎo)公式（7）可知，求取不同步時間不會對線路參數(shù)、故障類型等造成依賴。

故障線路數(shù)據(jù)同步法：關(guān)于故障線路，無法基于式（7）得到線路兩側(cè)錄波數(shù)據(jù)的不同步時間，但式（7）始終具有意義。在現(xiàn)實(shí)工作中，輸電線路三相對地導(dǎo)納參數(shù)存在相等關(guān)系，忽略了互導(dǎo)納，則對角陣數(shù)矩陣Y，得到完全相等的對角線元素。

4.3 自動建立錄波聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)

錄波器聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)主站利用采集模塊獲取各錄波器的運(yùn)行數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)中心及時存儲這部分?jǐn)?shù)據(jù)。多變電站與錄波數(shù)據(jù)有效關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)自動化同步的目標(biāo)，在故障系統(tǒng)分析中構(gòu)建三個模塊。

4.3.1 錄波器始終在獲取模塊

主站通過周期巡檢方式逐一獲取每個錄波器的時鐘狀態(tài)，進(jìn)一步計算錄波器時間偏差Td，該時間差在短期內(nèi)不會變化。采集模塊的主要功能是對錄波器的時鐘狀態(tài)進(jìn)行問詢和計算，錄入數(shù)據(jù)中心，便于相關(guān)人員隨時獲取時鐘狀態(tài)。

4.3.2 錄波數(shù)據(jù)自動關(guān)聯(lián)模塊

采集系統(tǒng)定期對錄波器的錄波數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并在規(guī)定的時間內(nèi)存儲。對每個錄波數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)定義，得到對應(yīng)故障號，該故障號與多個故障對應(yīng)，且對同一次故障客觀反映，體現(xiàn)出關(guān)聯(lián)性。電網(wǎng)故障后，主站快速采集若干錄波器的運(yùn)行數(shù)據(jù)，科學(xué)處置后存儲至數(shù)據(jù)庫，處理過程：數(shù)據(jù)中心自主取得時間偏差，對錄波數(shù)據(jù)時間合理調(diào)節(jié)；調(diào)節(jié)后檢查關(guān)聯(lián)故障數(shù)據(jù)時間的數(shù)據(jù)。若有則向該次故障賦予故障號數(shù)值；若沒有關(guān)聯(lián)其時間的故障數(shù)據(jù)，需要對其設(shè)置全新的故障號。工程師站發(fā)出關(guān)聯(lián)錄波請求以后，根據(jù)故障號對數(shù)據(jù)庫讀取，同時存儲彼此關(guān)聯(lián)的故障，并對發(fā)生故障的時間同步存儲。

4.3.3 錄波數(shù)據(jù)自動同步模塊

在數(shù)據(jù)中心分析庫內(nèi)設(shè)計自動同步錄波數(shù)據(jù)模塊，具體對自動關(guān)聯(lián)故障錄波模塊的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。同步過程為：根據(jù)故障號對錄波數(shù)據(jù)進(jìn)行檢索，科學(xué)配置相同線路的不同錄波數(shù)據(jù)；故障發(fā)生前后科學(xué)分析一個周波，若在變電站聯(lián)絡(luò)區(qū)域外發(fā)生了故障，則利用同步錄波數(shù)據(jù)法自行對齊數(shù)據(jù)，對不同時間準(zhǔn)確登記；若在變電站雙回聯(lián)絡(luò)線上出現(xiàn)故障，則對另一回線故障科學(xué)判斷，如不存在故障，則同步器錄波數(shù)據(jù)；若為單回線線路，則對變電站錄波數(shù)據(jù)的同步時間進(jìn)行計算，對迂回聯(lián)絡(luò)線通道查找，計算同步時間；若為單回線線路，且不存在迂回聯(lián)絡(luò)線通道，則故障前數(shù)據(jù)接近于同步。

4.4 系統(tǒng)應(yīng)用

在錄波器聯(lián)網(wǎng)主站系統(tǒng)內(nèi)引入本系統(tǒng)，添加故障關(guān)聯(lián)界面，科學(xué)排列多次故障號，每個故障涉及若干個彼此聯(lián)系的錄波數(shù)據(jù)，增加數(shù)據(jù)同步內(nèi)容，深入分析故障數(shù)據(jù)庫。

5.結(jié)語

輸電線路錄波數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)與同步自動化方法首先針對各錄波器時鐘差偏大的情況，采取科學(xué)方法檢測偏差，在這個前提下，自動關(guān)聯(lián)若干個錄波數(shù)據(jù)?？茖W(xué)應(yīng)用多個錄波器的錄波數(shù)據(jù)，無需系統(tǒng)參數(shù)，進(jìn)一步自行同步失聯(lián)的錄波數(shù)據(jù)。在錄波器聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中科學(xué)應(yīng)用該方法，提高了操作的便捷性，有利于調(diào)度人員準(zhǔn)確把握故障狀況，為分析電網(wǎng)故障提供數(shù)據(jù)支撐。