電力系統行波測距方法及其發展

陳奇

摘要：輸電線路承擔著輸電的重要任務，其可靠性決定著整個電網的安全運行。當某條線路發生故障時，快速、準確地定位故障并盡快排除故障對保證輸電線路的穩定運行至關重要。目前，輸電線路故障檢測方法主要有單端行波測距法、雙端行波測距法和多端行波測距法。

關鍵詞：電力系統;行波測距;方法;發展;分析

1行波測距綜合保護技術

1.1保護行波測距一體化體系結構

1） 共用電流互感器（CT）二次回路。行波測距共用原有受保護的CT回路，不增加額外的CT資源，不改變變電站二次回路接線，降低CT二次負荷。

2） 增加行波數字信號處理器（digitalsignalprocessor，DSP）插件。在原有保護裝置的空位上增加了行波測距DSP插件，用于采集、存儲和分析行波，實現保護和行波測距的獨立運行。

3） 共享站間通信信道。利用原有的縱聯通道保護硬件設施，利用保護通信幀的備用場，實現了兩側行波測距信息的交換，而不增加通道建設投資。與獨立行波測距相比，保護與行波測距的集成技術不僅可以降低系統復雜度和投資成本，而且有利于保護信息與行波測距信息的相互融合，為提高行波測距的可靠性提供了有效途徑。

1.2獨立行波測距存在的主要問題

1） 測距起點

什么時候開始測距是工程上行波測距要解決的首要問題，它包含兩層含義：一是當故障或干擾發生時，行波測距應可靠地開始和完成，不能出現漏測的情況;其次，在沒有故障或干擾的情況下，行波測距應可靠且不啟動，且不會發生誤測。

獨立行波測距可以通過提取瞬態突變信號形成起始判據，閾值難以選擇。如果閾值設置得太高，則可能無法啟動弱故障。如果閾值設置過低，很容易在噪聲環境中導致頻繁的誤啟動，并產生大量無效的測距結果。

2） 測距模數選擇問題

理想情況下，當故障發生時，包含故障相位的每個線性模式分量可以同時檢測到瞬態行波，并且可以使用任何線性模式分量完成行波定位。然而，實際故障往往比較復雜，導致在每個線性模式分量中檢測到的初始行波到達時間不同，如單相故障迅速發展為多相故障、三相開關在不同時間閉合、多點雷擊等。

當行波以接近光速傳播時，波頭時間兩側1μs的誤差將導致150m的距離誤差。如果各線模行波檢測到的初始波頭時間不相等，且行波測距兩側使用的線模不一致，容易造成測距偏差大，甚至測距失敗。因此，在雙端行波測距中，應確保線路兩側模量選擇的嚴格一致性。

3） 測距校準問題

測距驗證是解決測距結果是否可靠的問題。實際行波測距可能是由故障、干擾或噪聲干擾引起的。此外，即使故障開始，波頭也可能錯誤識別范圍。因此，有必要驗證行波測距結果的可信度。對于獨立行波測距，可用的測距結果包括單端行波測距結果和雙端行波測距結果。然而，單端行波測距由于難以識別故障點處的反射波，且可能存在較大誤差，因此不能作為雙端行波測距結果的驗證。

1.3保護與行波測距信息交互技術

獨立行波測距存在上述問題的主要原因是行波測距功能單一，信息采集有限。傳統線路保護裝置經過幾十年的發展和積累，功能齊全，性能穩定可靠。通過保護信息與行波測距信息的交互融合，可以大大提高傳統變電站獨立行波測距的可靠性和準確性。

針對上述獨立行波測距存在的問題，基于保護與行波測距一體化架構，提出以下保護與行波測距信息交互方案：

1） 將保護DSP的保護啟動信號發送到行波DSP，提高行波測距啟動的可靠性。2） 保護DSP的保護差動相位選擇結果發送到行波DSP，以實現行波測距兩側模數選擇的嚴格同步。3） 將保護DSP的測距結果發送到行波DSP，以提高單端行波測距的精度，并檢查行波測距結果。

2行波測距結果篩選技術

采用行波可靠發射技術，選擇模數同步技術，可以保證行波測距數據選擇的準確性，但為了實現行波測距需要提取線路擺動力矩，當波前時間識別不準確時，行波測距結果仍可能出現較大偏差，因此需要對行波測距結果進行識別。目前線路保護裝置具有完整的單端阻抗測距和雙端阻抗測距，可為行波測距提供參考，進一步提高行波測距結果的準確性。

1） 單端行波測距故障點反射波識別

單端行波測距不需要同步定時或測線長度參數。如果能夠準確提取初始行波和故障點的反射波時間，理論上單端行波測距比雙端行波測距具有更高的精度。在實際工程中，由于故障位置和相鄰母線反射波的影響，很難準確識別故障點處的反射波。

但是，如果已經初步計算了其他測距方法的測距結果，則可以利用測距結果劃定故障點反射波的搜索范圍，從而提高故障點反射波識別的成功率。具體方法如下：

（1）計算大致的故障距離lF。首先判斷兩端行波測距是否成功。如果成功，使lF等于兩端行波測距的結果;如果沒有雙端行波測距，則保護阻抗法讀取為lF。

（2）圈定故障點反射波搜索范圍T。搜索時間范圍按式（4）計算確定，即式中：t1為初始行波波頭時刻;v為行波波速;Δt為考慮阻抗法測距誤差設定的搜索時間范圍，假設誤差為2km，波速為300m/μs，則Δt可設為6.7μs。

（3）確定故障點反射波時刻。在搜索范圍T內，找到線模行波小波變換模極大值的最大值，其對應的時刻即可作為故障點反射波時刻。

2）保護測距與行波測距校核

如果保護DSP有有效的雙端阻抗法測距結果傳給行波DSP，則行波DSP利用該測距結果對行波測距結果進行校驗，當滿足式（5）所示關系時，認為行波測距結果有效，否則認為行波測距結果無效。

式中：lp為保護測距結果;lw為行波測距結果;L為線路長度。

通過保護測距對行波測距進行校核，可以剔除偏差較大的無效行波測距結果，提高行波測距對故障定位的指導作用。

3.行波測距算法的仿真驗證

3.1仿真模型環境

EMTP（Electro magnetic TransientProgram）是一種專門用于電力系統電磁暫態分析的仿真軟件。它采用梯形積分規則，以伴隨模型為動力單元，基于節點法建立計算方程，采用稀疏矩陣和LU分解法求解代數方程。瞬態電磁仿真結果更接近實際運行環境。利用小波分析對波形數據進行處理和識別，得到線路兩側故障波頭的時間，并計算故障位置。

4結論

通過本文的對比分析可以看出，多端行波測距在故障測距中具有較好的精度，而單端行波測距精度略低于雙端行波測距精度。現有的測距算法各有優缺點，都需要進一步解決。

參考文獻

[1]靳維，陸于平.基于雙端弱同步的配電網行波測距方法[J].電力自動化設備，2018，38（08）：102-109.

[2]束洪春，宋晶，田鑫萃.基于行波傳播路徑的不等長雙回線路單端行波測距[J].電力系統自動化，2018，42（17）：140-147.

[3]張科，朱永利，馬長嘯，曹雁慶，劉帥.基于優化行波波速的輸電線路行波測距新方法[J].華北電力大學學報（自然科學版），2018，45（04）：34-40.

[4]周佺楨.同塔雙回輸電線路行波故障選相及測距方法的研究[D].東南大學，2018.