直流輸電線路故障點的定位方法

趙彥平，薛宇箭

（山西省電力公司超（特）高壓輸變電分公司，山西 太原 030031）

1 引言

高壓直流輸電線路擔負著電能傳輸?shù)姆敝厝蝿?wù)，由于直流輸電線路跨越的地區(qū)地形復(fù)雜，各地區(qū)的氣象條件又變化極大，在惡劣的氣象環(huán)境中，高壓直流輸電線路將是電力系統(tǒng)中比較容易發(fā)生故障的設(shè)備之一。當高壓直流輸電線路上發(fā)生故障后，如果能夠及時、準確地找到故障點，不僅對修復(fù)線路和保證可靠供電十分有利，而且對保證整個電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定和經(jīng)濟運行都有十分重要的意義。因此，高壓直流輸電線路的故障定位方法的研究和應(yīng)用，對提高電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性具有極其重要的意義。

目前，線路故障點定位的方法可以分成以下幾類：①根據(jù)使用電氣量的位置可分為單端法和雙端法；②根據(jù)對故障數(shù)據(jù)的分析方式可分為頻域法和時域法；③根據(jù)采用的模型類型可分為集中參數(shù)模型法和分布參數(shù)模型法；④根據(jù)算法的內(nèi)容可分為阻抗模型法和行波定位法。其中，阻抗模型法易受線路參數(shù)的精確度、過渡電阻、線路分布電容、線路結(jié)構(gòu)的對稱性、電壓和電流互感器的變換誤差等因素的影響，定位精度難以提高；目前使用廣泛的是行波定位法[1～2]。

行波故障測距的基本原理是利用比較故障時線路產(chǎn)生的暫態(tài)行波波頭到達不同測量點的時刻，和已知不同測量點間的線路長度，來計算行波在線路上的波速和故障點距離測量點的距離。

由于暫態(tài)行波波頭傳播速度快，要采樣得到行波波頭及其對應(yīng)的時刻，具有一定的難度，所以對于突變量小、變化平緩的電壓、電流行波，還存在行波波頭檢測困難的難題。

為了克服行波定位法的不足，借助于全球定位系統(tǒng)GPS的同步時鐘的參照時標，本文提出了一種利用多點采樣數(shù)據(jù)的波形特征來計算故障行波在直流輸電線路上傳播延時時間的方法，進而用于計算故障點在直流輸電線路上的位置。

2 計算故障行波在線路上傳播時間的方法

如果在一條直流輸電線路的首端、末端和線路上某個結(jié)點處安裝3個測量單元分別為C1、C2和C3，當直流輸電線路上發(fā)生了短路接地故障時，測量單元C1、測量單元C2和測量單元C3在設(shè)定的時長t內(nèi)，同時測得的電壓數(shù)據(jù)分別為fV1（τ）、fV2（τ）、fV3（τ），τ綴[0，t]，此時分別將各測量單元的數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控單元，在監(jiān)控單元內(nèi)，以測量單元C1和測量單元C2為例，定義任意兩測量單元間的相似度函數(shù)，見式（1）。

在時間段[0，t]內(nèi)，令R12-MAX為E12（x）中的最大值，R12-MAX對應(yīng)的xMAX（R12）值乘以采樣間隔時間即為故障行波在測量單元C1和測量單元C2之間的傳播延時時間△T12，即擾動行波在電網(wǎng)的C1點和C2點之間傳播延時時間，由式（2）計算可得。

式中：fS：采樣頻率。

3 確定故障點位置的定位方法

在圖1所示的直流系統(tǒng)中，假設(shè)在線路首端、末端和線路上安裝的測量單元分別為C1、C2、C3，各測點間已知的線路長度分別為L1和L2。在距離C2測量單元長度為Lx處發(fā)生了接地故障，0.1s后故障自動切除。

圖1 直流系統(tǒng)簡圖

當故障發(fā)生后，故障點處的故障電壓行波向線路四周快速傳播，在3個測量單元處都會測量得到電壓波形相似的電壓行波。在測量單元C1、C2、C3分別同時測量一段時間的電壓數(shù)據(jù)后，將各測點的電壓數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)控單元，在監(jiān)控單元中利用式（1）、式（2），便可計算故障行波通過測點 C2與 C1的時差 △T21，以及故障行波通過測點C2與C3時的時差△T23。

計算出故障行波通過相鄰測點間的時差后，再根據(jù)測點間已知的線路長度，可以計算故障行波在相鄰兩測點間線路上的波速，如果故障點在線路上某相鄰兩測點之間，則該兩測點間相鄰線路上計算的波速將非常大，見式（3）：

即通過式（3），比較相鄰兩測點間計算的波速大小，如果計?算的波速較大，說明故障點在該兩相鄰測點間的線路上，相反，計算的波速較小的線路上則不含故障點。

當在三個測量單元之間確定了包含故障點的線路區(qū)域后，則不含故障點的線路上波速見式（4）：

根據(jù)上式（4），便可計算故障電壓行波在不包含故障點的直流線路上的波速，結(jié)合包含故障點的兩相鄰測點間已知的線路長度，便可計算故障點距離測點的距離。

參照圖1所示系統(tǒng)，假設(shè)故障點發(fā)生在測點C1與C2之間，通過上述（1）式至（2）式，便可計算故障行波通過相鄰測點間的時差，結(jié)合測點間已知的線路長度，便可計算相鄰測點間線路上的波速，根據(jù)計算的波速大小，便可確定故障點所在的區(qū)間，通過（4）式計算的非故障線路上故障行波的波速，則在包含故障點的線路區(qū)間上，故障點距離測點C2的長度Lx可由如下（5）式計算可得。

4 仿真建模和仿真實驗分析

為了驗證上述方法的計算效果，利用PSCAD仿真軟件，參照圖1所示直流輸電系統(tǒng)，建立了仿真模型。在仿真實驗?zāi)Ｐ椭?，線路模型采用分布參數(shù)模型，電源電壓、線路長度參數(shù)和負載等效的電阻Eload、電感Lload參數(shù)見表1。

表1 電源電壓、線路長度和負載等效參數(shù)

分布參數(shù)的線路模型選用PSCAD仿真軟件系統(tǒng)默認的線路參數(shù)。

故障點設(shè)定在測點C1與C2之間，距離C2測點150 km的地方，故障持續(xù)時間為0.1 s，設(shè)計總共發(fā)生兩次故障，第一次故障發(fā)生在1 s的時刻，第二次的故障時間發(fā)生在1.4 s的時刻，在故障期間各測點的電壓波形見圖2。

選擇分析采樣頻率fS=2 MHz，在圖3的仿真數(shù)據(jù)中選擇一段時長的數(shù)據(jù)，利用式（1）計算出的測點C1與C2間測量電壓行波相似度函數(shù)R12見圖4；測點C2與C3間測量電壓行波相似度函數(shù)R23見圖5。

圖2 故障期間各測點的電壓波形

圖3 圖2曲線的局部放大圖

圖4 C1與C2間電壓行波相似度函數(shù)

圖5 C2與C3間電壓行波相似度函數(shù)

根據(jù)圖4和圖5，結(jié)合式（2）計算出的各測點間的時差和測點間計算出的波速見表2。

表2 計算的測點間時差和波速

從表2可以看出，利用測點間的已知線路長度和計算出的行波時差，計算出的測點C1與C2間的波速Vb12明顯比C2與C3間的波速Vb23大很多，可以判定故障點的區(qū)間在測點C1與C2間的線路上。

以C2與C3間的波速Vb23為故障行波在線路上的波速，利用式（5）計算出的故障點距離C2的距離是153.5 km，比仿真模型中使用的線路長度150 km多了3.5 km，計算誤差是2.3%，可見計算結(jié)果還是比較準確的。

5 結(jié)論

為了實現(xiàn)直流輸電線路上故障點的快速定位，本文提出了一種利用多測點數(shù)據(jù)波形相似特征確定線路上故障點的定位方法，理論分析和仿真實驗結(jié)果驗證了該方法的正確性，該方法具有采樣頻率較低，不用必須采樣得到故障時電壓突變量最大值的時刻，避免了漏檢問題，為實現(xiàn)直流輸電線路上的故障點的快速定位，提供了一種新方法。

[1]馬超然.輸電線路行波故障定位技術(shù)發(fā)展及展望.繼電器[J]，2007，35（24）：11-20.

[2]劉森，李揚.興安直流“5.5”雙極相繼閉鎖事件及保護動作行為分析.電力建設(shè)[J]，2009，30（4）:52-55.