新型輸電線路故障綜合定位系統研究

國網寧夏電力有限公司吳忠供電公司 楊長安 馬陸陽 薛雅琪

在國家電力繁榮的同時，高壓線路在我國電網中的重要性也在增加。1982年，中國電網開通了平武線，標志著我國500kV高壓輸電系統的建設開始。在二十多年的建設發展中，平武線已成為我國電力系統的重要組成部分，我國的各個電網目前構成了一個高壓輸電網，承載電網為500kV。電力線路故障對電網安全穩定的影響越來越大，并且輸電線路的電壓和輸電能力逐漸增加，對電網運行的安全性和穩定性以及壽命產生了越來越大的影響。因此，準確確定輸電線路故障點不僅有助于減少維修頻率和時間，提高供電可靠性，而且對國民經濟的發展也有著重要的作用，可以提高整個電力系統的安全穩定運行水平。

1 新型綜合故障定位系統的基本組成

行波定位和穩態量定位是綜合定位系統的重要組成部分，因此，為了能夠準確有效地對其輸電線路的故障處進行定位，可以對其進行組合和整理。通過顯示從原始波長到線路末端的時間來比較線條波的位置，并通過計算對行波的位置進行確定，這就是行波定位的方法。在當前的發展中，CVT被廣泛用作220kV及以上高壓和超高壓輸電線路的電壓元件。因此，在時代的發展中，人們普遍認為，高頻CVT傳輸特性的差異不足以滿足傳輸路徑上波信號的要求。一般來說，有必要添加特殊傳感器，以測量電壓沿線的波頭。但在實際的雙極波定位方法中，主要關注的是線路波頭的識別，而不需要精確傳輸從線路到電壓的各種波信號。進一步的仿真分析和現場實測數據表明，雖然不能將CVT中的行波信號在高壓線路中進行精確地傳輸，但實際上當電壓波到達在線路端頭時，它們在CVT的第二側產生高頻振蕩信號，利用該特性可以準確檢測電壓波頭。所以，在確定線波的程序中，傳統電壓互感器二次側的暫態波信號是最常用的行波檢測機器，能夠在不增加傳感器的情況下進行頭波檢測。此外，由于電源極的數量和電信號少，只需要測量變電站的基線電壓，因此需要一組變電斷設施，從而減輕了人員對其裝置的操作。

根據序電壓比的雙極定位方法主要用于行波的雙端穩態量定位，通過數據傳輸通道和行波定位是獲取橫向穩態量參數的常用方法。穩態量定位可以補償行波在發生故障、連續性中斷等情況下的定位不足。使用穩態量定位結果還可以幫助計算行波的位置，并有助于獲得更可靠、更準確的原行波頭，為了防止其他可能導致波頭識別出現誤差的高頻干擾，必須提高故障定位精度。另外，為了適應現場運行的需要，在現場只能提供線路一端數據的情況下，增加了一端的穩定定向量，從而對故障定位的需要進行滿足。

2 設備開發方案及定位系統功能特點

安裝在行波定位塊中的硬件設計是裝置硬件設計的核心。圖1所示的行波定位硬件結構是根據應用的特點和要求建造的。其中，高速數據采集板主要收集和存儲高壓線路信號的高速數據。為了實現定位的準確性，可以選擇5MHz作為采樣率。并且，在采集板正常工作狀態下，采抽樣數據將根據發射前區域的循環數據積累進行存儲，它在收到外部啟動信號后停止更新數據，并在數據區域中保存運行后數據。為記錄微波數據提供了400ms的緩沖區長度，可在啟動前后進行調整。三個400ms防風暴數據緩沖區是在高速數據收集板上創建的，以便與電網中間干擾相關的錯誤數據不會丟失。當前記錄的數據轉換中斷時，可以繼續記錄當前故障數據。當記錄數據傳輸到分析板時，該板將提供新的信號和相應記錄數據塊的序列號，當高速采樣板接收到所述數據單元時，可以更新所述數據單元。

圖1 行波定位單元硬件結構

低速數據采集板主要用于線路故障診斷，當測試規則得到滿足時，記錄的啟動信號將及時發送到高速數據采集板，從而將線波進行啟動。低速采樣板以每周波40點的頻率進行取樣。故障測試使用傳統的突變檢測方法，包括啟動不同相位的不同電壓、啟動零電壓突變量、啟動負電壓突變量、啟動零電壓穩定啟動浮動閾值，以提高故障檢測規定的敏感性和可靠性。此外，采集板可以接受外部開關的高速啟動信號，例如線路保護器的動作信號，以補償在受到高度控制的發電機干擾時模擬的響應性不足穩態。同時，外部開關用作故障導線的選擇信號，以提高目標結果的準確性。

一旦記錄波頭數據完成，分析板將通過中央接口從高速采集板讀取記錄數據，并將備份保存在硬盤中，并評估線路峰值的持續時間。測試結果將發送到主站進行雙端定位計算。

在雙端行波定位的情況下，利用GPS的二次脈沖信號對線路兩側的定位裝置進行同步采樣。在線路的定位設備都具有高穩定的晶體脈沖，以秒的脈沖信號在高頻下再現，從而獲得受控信號的同步高速采樣。當GPS信號在短時間內不工作時，高穩定的晶體振蕩還能確保GPS信號的高同步精度，能夠有效避免同步信號因GPS短時失步、調整衛星信號、天線干擾等問題而出現失真情況，造成定位失敗。

3 穩態量定位故障定位方案

兩端定位算法主要用于設備設計，由于兩端穩態量定位算法比單極定位算法具有更高的精度，因此可將通信信道與行波定位相結合。從而，有效提高穩定狀態故障定位的可靠性，防止因通信故障或其他問題導致現場數據丟失，導致雙端定位方法失效，在定位方案中，增加了單極穩定位置的確定算法。

到目前為止，對于兩端穩態量的定位方法，國內外已經發展了一系列不同的原理，根據其對端部同步數據采集系統的不同要求，提出了端部穩定同步算法的方法論和同步端可以分為兩類，主要由同步算法和非同步算法組成，第一種要求兩個部分的數據都同步進行采集，在這種情況下，硬件應用更復雜，不合適。因此，行波定位主要在新的綜合故障定位系統中采用雙端定位方法進行，采樣與全球定位系統同步。因此，可以采用同步雙極點定位方法來定位雙極點穩定狀態，然而，由于新的綜合故障定位系統采用電壓行波定位，只能提供電壓信息，不滿足穩定量位置的適用要求。因而，應使用穩態量定位方法，并結合常規故障波形記錄裝置，從而對必要的電壓和電流故障數據進行有效獲取。由于在波形記錄裝置中要檢測的信號數量相對較大，因此在線路行波兩端之間同步采樣相對困難。此外，通常采用全球定位系統方法進行的采樣和同步，除其他外，可能會出現GPS短時失步、衛星信號調整、天線干擾等原因，導致同步時鐘信號失真，從而出現定位精度下降的情況。根據對其原因進行分析，得出在穩態量故障定位方案中，不同步的雙斷定位算法已被用于提高穩態量定位的可靠性和充分性。

有多種不同類型的異步算法，當使用不同的模型時，可以分為基于中心參數模型的異步算法和基于分布參數模型的異步算法。超高壓輸電線路傳輸距離長，分布電容大，在使用集中標準模型的情況下，定位精度低較難滿足在高強度接地故障情況下的工程應用要求。為此，基于分布參數模型，提出了一種兩端異步定位的方法。應當指出，目前基于分布參數模型的雙端定位方法是基于理想的基線模型，其理論精度較高。然而，在工程應用中，電流、電壓測量誤差、穩態計算誤差和線路參數誤差等都會影響定位算法的精度。目前由于該算法對GPS坐標相對不敏感，因此在上面問題存在的情況下，有必要從實際應用的角度分析當前兩端定位算法的定位性能，以創建滿足應用要求的實用定位方法。

對于單側故障定位算法的應用，主要問題是側向阻力對定位精度的不確定性。由于大多數輸電線路故障發生都是單相接地故障，系統中的零鏈網絡相對穩定，因此可以預先獲得側面線路零電阻參數。因此在穩態定位方案中，針對單相接地故障，提出了一種基于零階網絡的故障定位方法。對于短路，為了消除交叉接地電路時對接地電路的影響，對于故障定位計算，應使用故障電流和電壓差進行相應計算。在開發新的故障定位系統的過程中，將把穩態量定位將作為一個特設軟件單元集成到系統中。除了需要故障定位軟件模塊外，軟件本身的開發還應包括故障檢測支持模塊、選擇步驟和穩定性條件的計算。

4 行波定位與穩態量定位的協調與相互作用

系統的性能將通過在新的綜合故障定位系統中協調與合作行波定位方法和穩態量定位方法的特點和優點得到提高。

4.1 更正有關錯誤啟動和錯誤信息的記錄

因為只有通過電壓信號才能判斷線路行波的啟動，可用的故障信息在某些情況下可能導致較低的初始波靈敏度。穩態量定位取決于故障測量裝置，除電壓信號外，該裝置還可以通過電流信號進行測試。在整個定位系統啟動時，兩個部件的協調集成可以觸發良好的靈敏度。

4.2 提升性價比

用于定位輸電線路上的行波的設備與穩態量裝置安裝在相同的屏幕上，該定位裝置使用相同的橫向數據傳輸通道，由相同的控制機器管理，并對相關信息進行分享。傳輸線兩端的故障檢測裝置通過調制解調器連接到電話線或專用線。故障發生后，故障和其他問題之間的電壓能量、電壓波和頻閃量會發生變化，從而對其故障點與該側的間距進行計算。由于故障定位計算的實時性要求不高，因此也可以使用人工電話確定故障位置。

4.3 利用穩態量的近似定位精確測量行波

在波頭測試過程中無法確定閾值。一般來說，選擇較小的、并留下少量的儲備，能夠確保發射的可靠性。在某些情況下，當干擾信號出現在所放置的波形信號旁邊時，很難識別波頭。例如，計算穩態定量位置測得的不良點的大致位置，計算出波頭到達不同變電站的近似時間，以及從故障點反射的波長的近似區間，從而可以精確地搜索行波。利用穩態量測量行波盲區。

傳統的基于穩態誤差的安裝方法可以解決基于零點過流電壓的瞬時故障、接近零時間的轉矩階躍故障以及相應的電壓階躍故障。

5 基于故障穩態量的單端、雙端故障定位方法研究

單側定位方法不需要與線路終端交換數據，不需要系統中的通信設備，也不需要額外的少量或低成本設施，只需要利用線路一端的電量就能夠計算故障測距，因此廣泛應用于現場操作。到目前為止，人們已經根據不同的原則制定了單端故障定位算法。各種算法使用不同的計算模型和假設計算條件，在不同的故障情況下表現出不同的定位特性。因此，從工程應用的角度出發，有必要對一端的不同定位算法進行分析比較，為算法的選擇和性能的提高提供依據。

在雙端穩態量條件下定位故障的方法是在故障發生后根據在線路兩端使用的一定體積的電氣來計算故障點的位置。由于可利用的故障信息較多，其理論定位精度遠高于單端穩態定位方法，不受系統運行方式、故障類型、接地電阻大小等因素的影響。然而，在實踐中，算法的定位精度可能會受到電流存在、電壓測量誤差、定容計算誤差和線路參數誤差的負面影響。并且當前所討論的定位算法對此類誤差的敏感性分析相對較少，因此有必要從實際應用的角度，在存在上述誤差的情況下，分析當前兩端定位算法的定位性能，從而提出一種實用的定位方法，滿足工程應用的需要。