基于現(xiàn)代行波法故障測(cè)距系統(tǒng)的研究

摘要：高壓輸電線路故障的準(zhǔn)確定位，能夠縮短故障修復(fù)時(shí)間，提高供電可靠性，減少停電損失，這對(duì)于電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行都是十分重要的。本文以現(xiàn)代行波故障測(cè)距原理為理論基礎(chǔ)，對(duì)目前廣泛應(yīng)用于電力行業(yè)的XC—2000行波測(cè)距系統(tǒng)進(jìn)行研究，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)說(shuō)明行波法在實(shí)際中具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

關(guān)鍵詞：行波；故障測(cè)距；時(shí)鐘同步；系統(tǒng)；供電；原理隨著現(xiàn)代電力網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的日益增大，對(duì)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行、監(jiān)控及保護(hù)提出了更高的要求。當(dāng)輸電線路發(fā)生各種故障時(shí)，為了盡快找出故障地點(diǎn)，要組織大量的人力和物力，既費(fèi)時(shí)費(fèi)力又耗資大，況且誤差也大，延遲了送電時(shí)間，給電力系統(tǒng)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響。因此，對(duì)電力系統(tǒng)輸電線路進(jìn)行快速準(zhǔn)確的故障定位是保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的有效途徑之一。

測(cè)量電壓、電流行波在母線與故障點(diǎn)之間的傳播時(shí)間可以測(cè)量線路故障距離。由于行波的傳播速度接近光速，且不受故障點(diǎn)電阻、線路結(jié)構(gòu)及互感器變換誤差等因素的影響，因此有較高的測(cè)量精度[3]。

一、現(xiàn)代行波法故障測(cè)距原理

行波法進(jìn)行故障測(cè)距的原理早在50年代就已提出[32]，引起人們的關(guān)注。行波測(cè)距法的基礎(chǔ)是：行波在輸電線路上有固定的傳播速度（接近光速）。根據(jù)這一特點(diǎn)，測(cè)量和記錄故障點(diǎn)產(chǎn)生的行波到達(dá)母線的時(shí)間可以實(shí)現(xiàn)精確測(cè)距。行波法根據(jù)測(cè)距原理不同，可分為D型現(xiàn)代行波故障測(cè)距、A型現(xiàn)代行波故障測(cè)距、F型現(xiàn)代行波故障測(cè)距、E型現(xiàn)代行波故障測(cè)距。

在這幾類測(cè)距方法中，A型、E型和F型為單端測(cè)距，不需要線路兩端通訊；D型是雙端測(cè)距，需雙端通訊。在早期開(kāi)發(fā)的輸電線故障測(cè)距裝置中，行波法測(cè)距在測(cè)距精度和可靠性方面明顯優(yōu)于其他方法，在北美、日本和歐洲的部分國(guó)家都得到了廣泛的應(yīng)用[33，34]。1957年發(fā)表的綜述型文獻(xiàn)詳細(xì)介紹、分析、比較和評(píng)價(jià)了各種行波法故障測(cè)距，并給出了安裝在美國(guó)Bonneville的B型測(cè)距裝置1955.1～1955.10的運(yùn)行紀(jì)錄，其最大測(cè)距誤差不超過(guò)16個(gè)桿塔，最小誤差為0，平均誤差為幾個(gè)桿塔。

二、基于現(xiàn)代行波法的故障測(cè)距系統(tǒng)

（一）系統(tǒng)工作原理

1.系統(tǒng)構(gòu)成。XC—2000輸電線路行波故障測(cè)距系統(tǒng)包括行波采集與處理系統(tǒng)、行波綜合分析系統(tǒng)、遠(yuǎn)程維護(hù)系統(tǒng)以及通信網(wǎng)絡(luò)等4部分，如圖2.1所示。

行波采集與處理系統(tǒng)安裝在廠站端。它采用集中組屏式結(jié)構(gòu)，包括XC-21行波采集裝置、T-GPS電力系統(tǒng)同步時(shí)鐘以及當(dāng)?shù)靥幚頇C(jī)3部分，如圖3.2所示。XC-21行波采集裝置采用插箱式（4U/19英寸）單CPU（單片機(jī)）結(jié)構(gòu)，它包括中央處理單元、高速數(shù)據(jù)采集單元、高精度時(shí)鐘單元及電源等插件，主要負(fù)責(zé)暫態(tài)電流/電壓信號(hào)的采集、緩存以及暫態(tài)啟動(dòng)，并生成啟動(dòng)報(bào)告，其中包括暫態(tài)行波觸發(fā)時(shí)刻（精確到1μs）、觸發(fā)線路、觸發(fā)類型和暫態(tài)電流/電壓波形等信息。T-GPS電力系統(tǒng)同步時(shí)鐘內(nèi)置全球定位系統(tǒng)（GPS）信號(hào)接收模塊，它負(fù)責(zé)給XC-21提供精確秒同步脈沖信號(hào)（1PPS）及全球統(tǒng)一時(shí)間信息。[4]

2.系統(tǒng)工作原理。在正常運(yùn)行過(guò)程中，XC—21行波采集裝置內(nèi)的硬件邏輯控制回路對(duì)各通道信號(hào)按設(shè)定的采樣順序和采樣頻率自動(dòng)進(jìn)行高速采樣（每個(gè)通道的采樣頻率為1MHz）和AD轉(zhuǎn)換，并將AD轉(zhuǎn)換結(jié)果自動(dòng)高速寫入當(dāng)前循環(huán)存儲(chǔ)器（CRAM）中。為了提高系統(tǒng)對(duì)相繼暫態(tài)過(guò)程的監(jiān)測(cè)能力，設(shè)置了2套可以相互切換的循環(huán)存儲(chǔ)器，且兩者共用一套讀寫邏輯[43～46]。圖2.1XC-2000行波故障測(cè)距系統(tǒng)

當(dāng)系統(tǒng)所監(jiān)視的任一路暫態(tài)信號(hào)瞬時(shí)超過(guò)設(shè)定的硬件門檻值時(shí)，高速數(shù)據(jù)采集單元中模擬比較回路的輸出信號(hào)（觸發(fā)信號(hào)）將立即凍結(jié)高精度時(shí)鐘的當(dāng)前時(shí)間信息（微秒級(jí)），并激活中央處理單元插件中的采集控制定時(shí)電路，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間（約幾毫秒）后高速數(shù)據(jù)采集電路自動(dòng)停止工作，并同時(shí)向CPU發(fā)出一外部中斷信號(hào)。CPU在暫態(tài)觸發(fā)外部中斷服務(wù)程序中讀取本次觸發(fā)的時(shí)間信息后釋放高精度時(shí)鐘，并對(duì)觸發(fā)初始時(shí)段的暫態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以判斷本次觸發(fā)是否有效并確定觸發(fā)線路。如果本次觸發(fā)有效，則置啟動(dòng)標(biāo)志。當(dāng)CPU在主循環(huán)中檢測(cè)到啟動(dòng)標(biāo)志后即進(jìn)入故障處理程序，在故障處理程序中將觸發(fā)后系統(tǒng)所記錄的所有暫態(tài)數(shù)據(jù)以及部分觸發(fā)前的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到系統(tǒng)存儲(chǔ)區(qū)，進(jìn)而形成包含暫態(tài)波形數(shù)據(jù)在內(nèi)的啟動(dòng)報(bào)告，然后通過(guò)串行口向當(dāng)?shù)靥幚頇C(jī)發(fā)出主動(dòng)上報(bào)信號(hào)。[5]

在XC—21行波采集裝置中，由于采用獨(dú)特的軟、硬件設(shè)計(jì)，使得高速數(shù)據(jù)采集過(guò)程不受CPU的干預(yù)，從而解決了高速采集與CPU低速處理之間的矛盾。當(dāng)?shù)靥幚頇C(jī)接收到來(lái)自XC—21中央處理單元的主動(dòng)上報(bào)信號(hào)后進(jìn)入故障處理程序。[6]

系統(tǒng)在故障處理程序中讀取XC—21中央處理單元中的暫態(tài)啟動(dòng)報(bào)告，并通過(guò)公共電話網(wǎng)與線路對(duì)端所在變電所內(nèi)的行波采集與處理系統(tǒng)交換啟動(dòng)數(shù)據(jù)，進(jìn)而自動(dòng)顯示行波故障測(cè)距結(jié)果，包括故障發(fā)生時(shí)間、故障線路名稱、故障類型、故障距離等信息，然后向值班人員發(fā)出告警信號(hào)，并向行波綜合分析系統(tǒng)報(bào)告。當(dāng)?shù)靥幚頇C(jī)還能夠接收通過(guò)鍵盤輸入以及通過(guò)行波綜合分析系統(tǒng)下發(fā)的、由故障線路對(duì)端的行波采集與處理系統(tǒng)所記錄的故障暫態(tài)觸發(fā)時(shí)間，并自動(dòng)計(jì)算和顯示雙端行波故障測(cè)距結(jié)果。

當(dāng)?shù)靥幚頇C(jī)中的故障測(cè)距結(jié)果和暫態(tài)波形數(shù)據(jù)以標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)的形式存放在系統(tǒng)硬盤中，并可隨時(shí)接受行波綜合分析系統(tǒng)和遠(yuǎn)程維護(hù)系統(tǒng)的查詢及調(diào)用。

三、實(shí)驗(yàn)測(cè)試及結(jié)果分析

1.實(shí)驗(yàn)?zāi)K及參數(shù)設(shè)定。設(shè)輸電線路單位參數(shù)分別如下：

正序參數(shù)：零序參數(shù)：

R1=0.0208Ω/kmR0=0.1148Ω/km

L1=0.8984mH/kmL0=2.2886mH/km

C1=0.0129μF/kmC0=0.00523μF/km

通過(guò)以上參數(shù)的設(shè)定，現(xiàn)在進(jìn)行試驗(yàn)，能測(cè)量出故障的距離。設(shè)x為測(cè)量距離；D為實(shí)際故障距離；l為輸電線路全長(zhǎng)距離；γ為相對(duì)誤差。則可得相對(duì)誤差公式為：

相對(duì)誤差γ（%）=實(shí)際故障距離-測(cè)量距離線路長(zhǎng)度×100% （3-1）

2.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及測(cè)試結(jié)果?，F(xiàn)在以220kV浠水張家灣變張路線為例，將軟件測(cè)距的結(jié)果與實(shí)際巡線的結(jié)果進(jìn)行比較。

（1）4月1日13：48分16秒220KV浠水張家灣變張路線零序Ⅰ段動(dòng)作，實(shí)際巡線發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)在離張家灣變側(cè)7.2km處。而我們用軟件分析出的距離為距張家灣側(cè)7.4km處，相差200m，如圖3.1所示。圖4.3雙端分析的故障波形圖及測(cè)距結(jié)果

（2）4月1日14：27分220kV浠水張家灣變張路線距離Ⅱ段和零序Ⅱ段動(dòng)作。實(shí)際巡線發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)在距張家灣側(cè)23.5km處。通過(guò)軟件分析得到得結(jié)果是在張家灣側(cè)23.7km處，此次結(jié)果相差為200m；

（3）4月1日14：29分220kV浠水張家灣變張路線距離Ⅱ段。實(shí)際巡線發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)在距張家灣側(cè)22.1km處。通過(guò)軟件分析得到得結(jié)果是在張家灣側(cè)22.2km處，此次結(jié)果相差為100m；。

將以上所測(cè)得結(jié)果及與實(shí)際故障發(fā)生點(diǎn)的比較，利用式（3-1）算出其間的絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差如表3.1所示

表3.1測(cè)距結(jié)果比較故障發(fā)生時(shí)間實(shí)際測(cè)距軟件分析絕對(duì)誤差相對(duì)誤差4月1日13：487.2km7.4km200m0.5602%4月1日14：2723.5km23.7km200m0.5602%4月1日14：2922.1km22.2km100m0.2801%由上述分析可見(jiàn)，該行波測(cè)距裝置具有以下優(yōu)點(diǎn)：

①精度較高，能快速和準(zhǔn)確地進(jìn)行故障定位，因此該裝置能縮短故障巡線時(shí)間和停電修復(fù)時(shí)間；

②該裝置僅采用電流行波，因而構(gòu)成簡(jiǎn)單；

③能夠同時(shí)監(jiān)測(cè)多回輸電線路，裝置利用率高；

④與阻抗法相比，能夠保證測(cè)距的準(zhǔn)確性。

該裝置一方面極大地提高了黃岡市、縣電網(wǎng)供電可靠性。另一方面，可減少因停電而產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)損失，因此具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

四、結(jié)語(yǔ)

通過(guò)本文的論述及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)可知，XC系列行波測(cè)距系統(tǒng)的改進(jìn)對(duì)現(xiàn)代行波故障測(cè)距系統(tǒng)精度的提高有幫助，為解決長(zhǎng)期以來(lái)困擾線路故障查找難的問(wèn)題發(fā)揮了一定的作用。另外，行波的傳輸速度是在光速的條件下進(jìn)行的，而實(shí)際的波速是受氣候、地質(zhì)條件等許多復(fù)雜因素的影響，因此波速的不確定性也會(huì)影響測(cè)距的可靠性，尚需加以解決。（作者單位：湖北黃岡職業(yè)技術(shù)學(xué)院）

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