基于PMU的 500kV 線路故障定位方法

關(guān)鍵詞：PMU； 500kV 輸電線路；故障定位；同步相量測(cè)量；行波算法；阻抗算法中圖分類號(hào)：TM75 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2025）16-0009-04DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.16.002

PMU-basedFaultLocationMethodfor 500kV TransmissionLines

HONG Lei （State Grid Fujian Electric Power Co.，Ltd.，Uhv Branch，F(xiàn)uzhou 35OoO1， China）

Abstract： [Purposes] To address the technical challenges of traditional 500kV line fault location methods，such as insuficient accuracy and high sensitivity to transition resistance，and to improve fault location accuracy and response speed. [Methods] PMU synchronous phasor measurement technology was adopted to obtain high-precision phasor data from both ends of the line through GPS clock synchronization. A fusion location algorithm combining traveling wave propagation theory and impedance calculation was designed，and the algorithm performance was verified through PSCAD/EMTDC simulation. [Findings] The simulation results show that the fusion algorithm controls errors within 0.68% ，with a response time of 11 ms，achieving a 35% accuracy improvement over traditional methods while demonstrating robust performance across various fault types.[Conclusions] This method effectively mitigates issues such as transition resistance effects and line parameter inaccuracies，achievesmillisecond-level fault location， and provides technical support for rapid grid fault recovery and smart grid development.

Keywords： PMU; 500kV transmission line; fault location; synchronous phasor measurement; traveling wavealgorithm;impedancealgorithm

0 引言

500kV 超高壓輸電線路在電力系統(tǒng)中承擔(dān)著遠(yuǎn)距離傳輸電能的重要任務(wù)，其安全穩(wěn)定運(yùn)行直接影響電網(wǎng)供電可靠性。傳統(tǒng)故障定位方法基于單端測(cè)量數(shù)據(jù)，受線路參數(shù)誤差和過渡電阻等因素制約，定位精度難以滿足現(xiàn)代電網(wǎng)快速恢復(fù)要求。近年來研究人員在故障定位技術(shù)方面展開了大量工作。梁玩添分析了 500kV 輸電線路故障定位技術(shù)；鄔蓉蓉等提出基于集成學(xué)習(xí)的雷擊故障識(shí)別方法；付雨研究了基于行波的雷擊故障定位方法。隨著研究的不斷深入，相關(guān)人員發(fā)現(xiàn)相量測(cè)量單元（PhasorMeasurementUnit，PMU）技術(shù)可以依靠GPS授時(shí)實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)同步測(cè)量，從而提供高精度的相量信息，為解決傳統(tǒng)故障定位方法的局限性開辟了新途徑。該技術(shù)在提升故障定位準(zhǔn)確性的同時(shí)，可以適應(yīng)復(fù)雜的電網(wǎng)運(yùn)行環(huán)境，為電力系統(tǒng)智能化發(fā)展奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

1 500kV 線路故障定位技術(shù)和PMU應(yīng)用基礎(chǔ)

1.1 500kV 線路故障定位技術(shù)的發(fā)展

超高壓輸電線路故障定位技術(shù)歷經(jīng)從單端測(cè)距到雙端測(cè)距、從基于基波量到基于暫態(tài)量的演進(jìn)過程。傳統(tǒng)阻抗法原理簡(jiǎn)單但受線路參數(shù)不準(zhǔn)確和過渡電阻影響較大，而行波法定位精度較高卻對(duì)信號(hào)采樣頻率要求極其嚴(yán)格，這導(dǎo)致在復(fù)雜電磁環(huán)境下易出現(xiàn)波頭識(shí)別錯(cuò)誤問題。隨著電力系統(tǒng)規(guī)模不斷擴(kuò)大和互聯(lián)程度日益加深， 500kV 輸電線路承載著越來越重要的電能傳輸任務(wù)，其故障定位精度直接關(guān)系到電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行和供電可靠性水平。因此，迫切需要一種更加先進(jìn)、可靠的故障定位技術(shù)，來滿足現(xiàn)代電力系統(tǒng)運(yùn)行管理的實(shí)際需求。

1.2 PMU技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

PMU作為新一代電力系統(tǒng)測(cè)量裝置，借助GPS衛(wèi)星授時(shí)達(dá)成全網(wǎng)同步相量測(cè)量，可提供幅值精度達(dá) 0.1% 且相角精度達(dá) 0.01^° 的高質(zhì)量電氣量數(shù)據(jù)，為電力系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)、穩(wěn)定分析和保護(hù)控制提供前所未有的技術(shù)支撐。PMU裝置不僅擁有毫秒級(jí)的快速響應(yīng)能力，還能夠準(zhǔn)確捕捉電力系統(tǒng)暫態(tài)過程中的關(guān)鍵信息。其在廣域測(cè)量系統(tǒng)中的大規(guī)模部署，可以讓電網(wǎng)運(yùn)行人員實(shí)時(shí)掌握系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)的電氣狀態(tài)變化情況?；赑MU的同步測(cè)量技術(shù)已在電力系統(tǒng)振蕩監(jiān)測(cè)、電壓穩(wěn)定評(píng)估及負(fù)荷預(yù)測(cè)等多個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力和實(shí)用價(jià)值。

1.3PMU應(yīng)用于 500kV 線路故障定位的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

PMU同步相量測(cè)量技術(shù)為 500kV 線路故障定位帶來了革命性改進(jìn)，在線路兩端同時(shí)安裝PMU裝置可獲取時(shí)間嚴(yán)格同步的電壓、電流相量數(shù)據(jù)，有效消除了傳統(tǒng)單端測(cè)距方法因?qū)Χ讼到y(tǒng)等值阻抗未知產(chǎn)生的計(jì)算誤差問題。同時(shí)，PMU高精度的相量測(cè)量能力結(jié)合強(qiáng)大的暫態(tài)信號(hào)捕獲功能，讓故障定位算法能同時(shí)利用基波相量信息和暫態(tài)行波信息進(jìn)行綜合分析，顯著提高定位精度和抗干擾能力。另外，PMU裝置配備的高速通信接口能實(shí)現(xiàn)故障信息的快速傳輸和處理，為 500kV 線路故障的快速隔離和系統(tǒng)恢復(fù)提供可靠技術(shù)保障，大幅縮短停電時(shí)間，降低經(jīng)濟(jì)損失[4]。

2基于PMU的 500kV 線路故障定位方法研究

2.1PMU雙端測(cè)量數(shù)據(jù)獲取與預(yù)處理

500kV 線路兩端的PMU裝置依靠GPS時(shí)鐘同步實(shí)現(xiàn)微秒級(jí)時(shí)間統(tǒng)一，確保采集的三相電壓、電流相量數(shù)據(jù)具有嚴(yán)格的時(shí)間對(duì)應(yīng)關(guān)系，為故障定位計(jì)算提供了可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。圖1詳細(xì)描述了PMU從GPS同步到相量提取的完整數(shù)據(jù)采集流程。

PMU采樣頻率通常設(shè)置為每周波50個(gè)采樣點(diǎn)，采樣數(shù)據(jù)經(jīng)過離散傅里葉變換后提取基波相量[5，其計(jì)算過程見式（1）。

圖1PMU數(shù)據(jù)采集流程

式中： 為基波相量； x（n） 為采樣序列； N 為每周波采樣點(diǎn)數(shù)； n 為采樣點(diǎn)序號(hào)。

原始測(cè)量數(shù)據(jù)包含噪聲干擾和測(cè)量誤差，需采用數(shù)字濾波技術(shù)去除高頻干擾分量。數(shù)據(jù)預(yù)處理涵蓋異常值檢測(cè)與剔除、數(shù)據(jù)完整性校驗(yàn)及通信延時(shí)補(bǔ)償?shù)拳h(huán)節(jié)，通過建立數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)估體系以確保PMU數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可信度，為提升定位精度奠定基礎(chǔ)。

2.2基于PMU的行波故障定位算法

利用PMU裝置的高頻采樣能力，捕獲故障暫態(tài)行波信號(hào)，通過小波變換等信號(hào)處理技術(shù)識(shí)別故障初始行波到達(dá)時(shí)刻。故障點(diǎn)到線路 M 端和 N 端的距離分別見式（2）和式（3）。

式中： d_y 為故障點(diǎn)到 M 端距離； d_?N 為故障點(diǎn)到 N 端距離； L 為線路總長(zhǎng)度； v 為行波傳播速度； Δt 為行波到達(dá)兩端的時(shí)間差。

考慮到 500kV 線路的分布參數(shù)特性，行波傳播速度需要根據(jù)線路參數(shù)進(jìn)行修正，具體見式（4）。

式中： L 為線路單位長(zhǎng)度電感； C 為線路單位長(zhǎng)度電容。

該算法采用多尺度行波特征提取技術(shù)，通過綜合分析不同頻段行波分量傳播特性，增強(qiáng)故障定位可靠性和抗干擾能力。

2.3基于PMU的阻抗故障定位算法

利用PMU提供的高精度同步相量信息，建立500kV 線路分布參數(shù)的數(shù)學(xué)模型，描述故障前后線路阻抗變化規(guī)律?；陔p端PMU數(shù)據(jù)的故障距離計(jì)算見式（5）。

式中： d 為故障距離； 為 M 端電壓電流相量； 為 N 端電壓電流相量； Z_c 為線路波阻抗； γ 為傳播常數(shù)；l為從M端到故障點(diǎn)的距離。

線路波阻抗和傳播常數(shù)的計(jì)算分別見式（6）和式（7）。

式中： Z 為線路單位長(zhǎng)度阻抗；Y為線路單位長(zhǎng)度導(dǎo)納。

與單端阻抗法相比，基于PMU雙端數(shù)據(jù)的阻抗定位算法能消除對(duì)端系統(tǒng)等值阻抗影響，顯著提高定位精度和穩(wěn)定性。

3PMU故障定位方法在 500kV 線路中的應(yīng)用驗(yàn)證

3.1 仿真設(shè)計(jì)

以PSCAD/EMTDC電磁暫態(tài)仿真軟件作為核心平臺(tái)來構(gòu)建 500kV 雙回輸電線路模型，該線路全長(zhǎng)達(dá)到 380km ，且導(dǎo)線型號(hào)采用 4×LGJ-400/50 分裂導(dǎo)線，桿塔結(jié)構(gòu)依據(jù)實(shí)際工程參數(shù)進(jìn)行精確建模處理，系統(tǒng)兩端分別連接等值容量為 10 000MVA 的電源系統(tǒng)。PMU裝置模型設(shè)置的采樣頻率為2500Hz ，且測(cè)量精度達(dá)到 0.1% ，通過在線路M端和 N 端各安裝一套PMU設(shè)備實(shí)現(xiàn)雙端同步測(cè)量功能。在仿真過程中，通過引入不同類型的故障擾動(dòng)來驗(yàn)證所提算法的有效性。

3.2典型故障場(chǎng)景下的定位精度測(cè)試

為全面驗(yàn)證PMU故障定位算法的有效性和可靠性，設(shè)計(jì)了涵蓋多種故障類型和工況條件的系統(tǒng)性測(cè)試方案，通過改變故障位置、過渡電阻和故障類型等關(guān)鍵參數(shù)來評(píng)估算法性能。不同故障場(chǎng)景下PMU定位算法精度測(cè)試結(jié)果見表1。

由表1可知，PMU融合定位算法在各類故障工況里具有一定的優(yōu)越性，即使在高阻接地故障和近端故障等復(fù)雜狀況下，也能保持較高定位精度。經(jīng)過對(duì)比分析可知，融合算法相較于行波法和阻抗法的定位誤差平均降低 35% ，且響應(yīng)時(shí)間可控制在 11ms ，能夠完全滿足 500kV 線路故障快速處理的工程要求，為電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了可靠的技術(shù)保障。

4結(jié)語

基于PMU的 500kV 線路故障定位方法充分發(fā)揮了同步相量測(cè)量技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，融合算法結(jié)合了行波法的快速響應(yīng)和阻抗法的高精度計(jì)算能力，在各種故障條件下均展現(xiàn)出卓越的性能。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證實(shí)了定位誤差穩(wěn)定控制在 0.68% ，且響應(yīng)速度達(dá)毫秒級(jí)別。隨著PMU設(shè)備的大規(guī)模部署，該技術(shù)將推動(dòng)電網(wǎng)智能化發(fā)展，為電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行提供技術(shù)保障。

表1不同故障場(chǎng)景下PMU定位算法精度測(cè)試結(jié)果

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