基于線路錄波全量數(shù)據(jù)的雙端故障測距原理及算法

楊遠(yuǎn)航，陳璟，解良，石恒初，游昊，趙明，李銀銀，楊橋偉

（云南電力調(diào)度控制中心，昆明 650011）

0 前言

阻抗測距法因簡單、實(shí)用，已被廣泛應(yīng)用于各種故障測距中，但受過渡電阻影響，傳統(tǒng)阻抗法無法取得很高的測距精度。目前，關(guān)于阻抗測距的研究主要分為兩類，一是對傳統(tǒng)阻抗測距法進(jìn)行修正[1-7]；二是同時(shí)利用阻抗和行波進(jìn)行組合測距[8-10]。

文獻(xiàn)[2]提出了一種基于預(yù)測相移技術(shù)改良的阻抗測距方法，通過計(jì)算故障相移帶來的額外電抗率修正測距結(jié)果；文獻(xiàn)[3]基于金屬性短路故障阻抗的純電阻特性構(gòu)造關(guān)于故障距離的方程求解，從而消除非同步角的影響，但不適用于非金屬短路故障；文獻(xiàn)[4-7]均是在過渡電阻的純電阻性質(zhì)上提出改進(jìn)的阻抗測距方法，然而存在計(jì)算量大且計(jì)算過程復(fù)雜等問題；文獻(xiàn)[8-10]在以阻抗測距為基礎(chǔ)的故障錄波器中加入單端行波測距方法，采用“阻抗+行波”進(jìn)行綜合測距，可實(shí)現(xiàn)暫穩(wěn)態(tài)測距方法的優(yōu)勢互補(bǔ)，但對行波信息依賴度高，僅在行波裝置運(yùn)行可靠且數(shù)據(jù)可獲取[11-13]的情況下才能及時(shí)得到測距結(jié)果，且上述研究均未徹底消除過渡電阻對測距精度的影響。

本文提出了一種基于雙端同步故障錄波的測距方法，通過聯(lián)立線路兩側(cè)關(guān)于故障電壓、電流、故障距離與故障點(diǎn)殘壓物理關(guān)系，消除故障點(diǎn)殘壓對測距結(jié)果的影響，從原理上實(shí)現(xiàn)測距結(jié)果不受過渡電阻影響。

1 基于雙端錄波的線路故障測距原理

輸電線路阻抗與長度成正比，輸電線路發(fā)生故障時(shí)，線路兩端的電壓電流與故障距離呈線性關(guān)系。以圖1所示的雙端輸電系統(tǒng)為例，線路上k點(diǎn)發(fā)生A相經(jīng)過渡阻抗接地短路（即ZA=0，ZB=ZC=∞，短路點(diǎn)k的位置被放大以便標(biāo)注電壓、電流的正方向和相量符號），兩側(cè)母線電壓測量相電壓為短路點(diǎn)相電壓與線路上該相壓降之和，線路上該相壓降則是該相上的正序、負(fù)序和零序壓降之和。

圖1 雙端系統(tǒng)圖

考慮到線路正序阻抗與負(fù)序阻抗相等，則M側(cè)保護(hù)故障A相測量相電壓U.AM表達(dá)式為：

在任何短路故障類型下，對故障相或非故障相保護(hù)安裝處測量相電壓的計(jì)算，式(3)都是適用的，短路故障類型的不同體現(xiàn)在和的變化上。以圖1中非故障B相為例，M側(cè)保護(hù)非故障B相測量相電壓表達(dá)式為：

式中，LN表示故障k點(diǎn)到N側(cè)廠站的距離，可知線路全長L=LM+LN。相減可得：

可求得故障k點(diǎn)到M側(cè)廠站距離LM為：

則故障k點(diǎn)距N側(cè)廠站距離為LN=L-LM。

從推導(dǎo)過程可知，式(8)可作為短路故障發(fā)生時(shí)線路故障距離計(jì)算的一般公式，適用于任何短路故障類型，短路故障類型的不同體現(xiàn)在和的變化上，當(dāng)發(fā)生兩相不接地短路或三相對稱短路時(shí)，故障相無零序電流，

在實(shí)際運(yùn)用中，式(8)中的電壓、電流量可通過雙側(cè)廠站錄波裝置或保護(hù)裝置獲取，零序補(bǔ)償系數(shù)K、線路單位正序阻抗Z1及線路長度L均屬于線路參數(shù)，利用式(8)可計(jì)算得到故障測距結(jié)果LM，同時(shí)，可以看出，在式(8)的推導(dǎo)過程中，故障點(diǎn)電壓因相減而被消去，克服了傳統(tǒng)阻抗測距法的缺陷，測距結(jié)果不受故障點(diǎn)處過渡電阻產(chǎn)生的壓降影響，同時(shí)無需考慮補(bǔ)償算法相關(guān)問題，簡單實(shí)用且結(jié)果可靠。

2 基于雙端錄波的線路故障測距實(shí)現(xiàn)

本文所提出的基于雙端錄波的線路故障測距包含以下步驟，測距流程圖如圖2所示。

1）零序電流補(bǔ)償系數(shù)K計(jì)算，K=(Z0-Z1)/3Z1；

2）故障電壓、電流采樣通道選取；

選取參與計(jì)算的線路兩側(cè)電壓、電流錄波采樣數(shù)據(jù)，電壓、電流錄波采樣瞬時(shí)值通道的選取與故障類型相關(guān)。實(shí)際應(yīng)用中，選擇故障特征最明顯的故障相電壓及電流，如表1所示。

表1 通道選取與故障類型的對應(yīng)關(guān)系

3）計(jì)算點(diǎn)選取，在故障區(qū)間內(nèi)選取計(jì)算點(diǎn)，確保雙側(cè)計(jì)算點(diǎn)時(shí)間同步；

4）自產(chǎn)零相電流采樣瞬時(shí)值計(jì)算，根據(jù)步驟2)所得故障電壓、電流瞬時(shí)值，根據(jù)式(9)計(jì)算零相電流采樣瞬時(shí)值；

5）故障電壓、電流、自產(chǎn)零相電流相量計(jì)算；

基于確定的計(jì)算點(diǎn)，采用傅氏算法計(jì)算得到該點(diǎn)時(shí)刻M側(cè)和N側(cè)故障相電壓、故障相電流、零相電流的相量如表2所示。

表2 雙側(cè)故障電壓、電流、自產(chǎn)零相電流

6）中間復(fù)數(shù)相量H計(jì)算，根據(jù)式(10)計(jì)算中間相量H；

式中，PT及CT分別表示電壓及電流互感器變比，用于將雙側(cè)錄波數(shù)據(jù)二次值轉(zhuǎn)換為一次值。

7）雙端測距結(jié)果LM輸出；

由式(8)可知，在通過步驟6)計(jì)算得到中間相量H的情況下，通過式(11)可計(jì)算得到測距結(jié)果LM。

式中Im為取虛部運(yùn)算，｜｜為取模值計(jì)算。

8）雙端測距結(jié)果LM輸出穩(wěn)定，為獲取更為準(zhǔn)確的雙端測距結(jié)果，可在故障區(qū)間選取多個(gè)計(jì)算點(diǎn)，經(jīng)過多次計(jì)算LM停留在某一值附近時(shí)即可輸出最終的測距結(jié)果。

3 算例驗(yàn)證與分析

將本文所提基于雙端錄波的線路故障測距方法應(yīng)用于實(shí)踐，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制各次故障下各種測距方法誤差曲線如圖3所示。

圖2 雙端錄波測距算法流程圖

圖3 雙端錄波測距與其他測距結(jié)果相對誤差對比

可以看出：

1）在各種故障情況下均可從現(xiàn)有的保護(hù)及錄波裝置獲取測距結(jié)果，但其測距誤差離散度較大，在某些故障情況下測距誤差甚至高達(dá)數(shù)十公里，測距結(jié)果準(zhǔn)確度低，無法滿足工程實(shí)際需要；

2）從所得行波測距結(jié)果來看，單端行波測距可信度仍然較低，在某些情況下其測距誤差甚至大于保護(hù)裝置測距誤差，雙端行波測距結(jié)果的準(zhǔn)確性則相對較高，但行波測距成功率受通信情況及兩端設(shè)備可靠性等因素影響，可靠性不高；

3）從各次故障情況下雙端錄波測距情況來看，測距準(zhǔn)確度與雙端行波測距精度接近，明顯優(yōu)于保護(hù)、錄波裝置及單端行波裝置測距，但相對于雙端行波測距，本文所提方法僅需兩側(cè)故障錄波數(shù)據(jù)，因此能穩(wěn)定可靠地提供測距結(jié)果，無需額外的設(shè)備投資及維護(hù)費(fèi)用，兼具實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性。

4 結(jié)束語

綜上所述，提出了一種基于雙端同步錄波的線路故障測距方法，該方法具有以下特點(diǎn)：

1）通過聯(lián)立線路兩側(cè)關(guān)于故障電壓、電流、故障距離與故障點(diǎn)殘壓物理關(guān)系，消除了故障點(diǎn)殘壓對測距結(jié)果的影響，從原理上實(shí)現(xiàn)測距結(jié)果不受過渡電阻影響；

2）經(jīng)工程實(shí)踐證明，在各類故障情況下，所提方法測距精度水平與雙端行波測距接近，但僅需從現(xiàn)有錄波、保護(hù)裝置提供的錄波數(shù)據(jù)即可進(jìn)行雙端測距，工程適用性及經(jīng)濟(jì)性更強(qiáng)。