基于歷史故障波形的行波測距裝置檢驗方法

錢 海，賈松江，李治兵，石志堅

（1.遼寧省電力有限公司，遼寧 沈陽 110006；2.北京博電新力電氣股份有限公司，北京100083）

0 引言

輸電線路行波測距技術(shù)因其不受故障類型、過渡電阻、電力系統(tǒng)運(yùn)行方式等因素的影響，可實現(xiàn)線路故障的精確定位，從而被廣泛推廣于工程應(yīng)用中。特別是雙端測距法，利用故障行波傳到線路兩側(cè)的第一波頭時間信息，并借助通信通道實現(xiàn)故障的準(zhǔn)確定位[1-3]，具有簡單、可靠、精度高等優(yōu)點。迄今為止，對行波測距原理的分析[4-6]和行波測距裝置的檢驗主要集中在數(shù)字仿真驗證和簡單的啟動性測試這兩個方面。而實際上，電網(wǎng)會時時刻刻遭受各種干擾，運(yùn)行數(shù)據(jù)也千變?nèi)f化。理想的數(shù)字仿真和電網(wǎng)實際運(yùn)行還有一定的差異[7-8]。基于歷史故障波形的行波測距裝置檢驗方法是把電網(wǎng)實際運(yùn)行的歷史故障行波波形作為測試波形，將其轉(zhuǎn)換成模擬行波電流，并借助高精度GPS 同步技術(shù)[9]，將模擬電流輸入待測線路兩側(cè)的行波測距裝置；故障測距系統(tǒng)主站根據(jù)線路兩側(cè)采集到的行波波形和時間信息計算測距結(jié)果；將測距結(jié)果與測試電流預(yù)設(shè)的故障點距離對比，以此來檢驗行波測距裝置的運(yùn)行狀態(tài)和測距精度。基于歷史故障波形的行波測距裝置檢驗方法更具有實際意義。

1 雙端測距原理

雙端測距原理是利用故障初始行波到達(dá)線路兩端的時間差計算故障距離，原理示意圖如圖1。

故障點距M 端距離表達(dá)式為

XM=[(TM-TN)V+L]/2

圖1 雙端測距原理圖Fig.1 Schematic of double-ended fault location

其中：XM為故障距離，即線路M 端至故障點Ki的距離；TM、TN為初始故障行波分別到達(dá)M 端和N端的時刻；V為行波在線路上傳播的波速；L為線路總長。

由于雙端測距法只需要捕捉故障行波的第一個波頭，所以其具有以下幾個優(yōu)點：1）相對其他行波測距法而言，對故障電流的采樣要求低；2）只需記錄故障發(fā)生后幾毫秒以內(nèi)的波形，可以節(jié)省大量的存儲空間；3）對故障電流工頻分量和暫態(tài)分量的分離和提取易行，在對波形進(jìn)行小波變換后，可以迅速提取故障發(fā)生的時間信息；4）不需要考慮母線對行波的反射、故障點對行波的透射、波形過度衰減等因素的影響；5）能夠單獨(dú)使用。

隨著相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展成熟，雙端測距法已經(jīng)在實際工程中得到廣泛應(yīng)用，并積累了大量的實踐經(jīng)驗。

2 利用故障波形對行波測距裝置的檢驗

利用故障波形對行波測距裝置的檢驗是通過GPS 同步觸發(fā)的方式向待測線路兩側(cè)的行波故障測距裝置輸入歷史故障行波模擬電流，模擬故障點行波電流向線路兩側(cè)傳播的過程；故障測距系統(tǒng)主站根據(jù)線路兩側(cè)采集到的行波波形和時間信息計算測距結(jié)果；將測距結(jié)果與歷史故障距離對比，以此來檢驗行波測距裝置的運(yùn)行狀態(tài)和測距精度。其原理示意如圖2。

利用故障波形對行波測距裝置檢驗的原理是依據(jù)雙端測距法進(jìn)行的。由于行波測距裝置的錄波波形格式是各生產(chǎn)廠家自定義的私有錄波格式，所以檢驗的關(guān)鍵點一就在于將不同格式的歷史故障行波波形的格式轉(zhuǎn)換成高頻電流源可以識別并轉(zhuǎn)換成模擬電流信號輸出的通用格式，即電力系統(tǒng)中常用的暫態(tài)數(shù)據(jù)存儲格式——Comtrade 格式，如此還可以對安裝于同一線路不同型號行波測距裝置進(jìn)行檢驗；為模擬故障點行波向線路兩側(cè)傳播的同時性，檢驗的關(guān)鍵點二就在于借助高精度GPS 同步技術(shù)，觸發(fā)雙端的檢驗儀同時輸出歷史故障行波電流。

圖2 雙端測距檢驗原理圖Fig.2 Schematic of double-ended fault location testing

3 歷史故障數(shù)據(jù)的處理

目前國內(nèi)電力系統(tǒng)對于超（特）高壓輸電線路要求裝設(shè)兩套同類型的保護(hù)裝置，一套運(yùn)行，一套備用，以確保輸電線路的可靠性、安全性和穩(wěn)定性。行波測距裝置也屬于這一范疇，因此線路兩端也會裝設(shè)兩套不同廠家生產(chǎn)的行波測距裝置，互為彌補(bǔ)、互為備用。而不同廠家的行波測距裝置故障錄波波形都是以其私有格式記錄下來的，為方便現(xiàn)場檢驗時對不同型號行波測距裝置的檢驗，有必要開發(fā)相應(yīng)的轉(zhuǎn)格式軟件，將各種格式的波形文件轉(zhuǎn)換成一種電力系統(tǒng)通用的暫態(tài)數(shù)據(jù)存儲格式——Comtrade格式。作為標(biāo)準(zhǔn)，它包含了標(biāo)題文件、配置文件、數(shù)據(jù)文件、信息文件，其中配置文件詮釋了數(shù)據(jù)文件中諸如采樣速率、通道數(shù)量、頻率、通道信息等項；數(shù)據(jù)文件則記錄了每個采樣所有輸入通道的值。

國內(nèi)廠家記錄波形的錄波波形記錄方式雖然各有不同，但均含有時間信息，采樣率信息，信號幅值信息等參數(shù)，需要對這些信息進(jìn)行有效的提取。

3.1 時間信息提取

將各廠家波形文件私有格式中的時間信息提取出來，單端的波形信號保留全部時間信息，雙端波形信號選取觸發(fā)時間早的信號起始端時間為故障起始時間，觸發(fā)時間晚的波形前段根據(jù)需要疊加直流或工頻正弦信號波形。做到兩端信號起始點均從幅值0 開始，這樣可以消除由于起始點幅值過高對測距裝置造成誤觸發(fā)的現(xiàn)象。

3.2 采樣率信息的提取

將各廠家波形文件私有格式中的采樣率信息進(jìn)行提取，并根據(jù)高頻行波信號源的輸出頻率與采樣率信息進(jìn)行計算得到比例參數(shù)，用于信號數(shù)據(jù)的插值計算。

3.3 信號幅值信息的提取

將各廠家波形文件私有格式中的信號幅值信息提取出來。

線性插值是數(shù)學(xué)、計算機(jī)圖形學(xué)等領(lǐng)域廣泛使用的一種插值方法。假設(shè)我們已知坐標(biāo)(x0,y0)與(x1,y1)，要得到[x0,x1]區(qū)間內(nèi)某一位置x在直線上的值。根據(jù)圖3 中所示，我們得到

（y-y0）(x1-x0)=(y1-y0)(x-x0)

圖3 插值算法圖Fig.3 Diagram of interpolation algorith m

假設(shè)方程兩邊的值為α，那么這個值就是插值系數(shù)—從x0到x的距離與從x0到x1距離的比值。由于x值已知，所以可以從公式得到α的值

α=(x-x0)/(x1-x0)

同樣，

α=(y-y0)/(y1-y0)

這樣，在代數(shù)上就可以表示成為

y= (1-α)y0+αy1

或者

y=y0+α(y1-y0)

這樣通過α就可以直接得到y(tǒng)。實際上，即使x不在x0到x1之間并且α也不是介于0 到1 之間，這個公式也是成立的。在這種情況下，這種方法叫作線性外插。已知y求x的過程與以上過程相同，只是x與y要進(jìn)行交換。

針對仿真波形、故障錄波波形與高速行波信號發(fā)生裝置設(shè)定的速率具有一定的不統(tǒng)一性，我們參考EMTP 電力系統(tǒng)暫態(tài)仿真數(shù)據(jù)記錄的采樣率及故障錄波裝置采樣率一般只有幾百kHz 到1 MHz，而高速電流源的回放采樣率可以達(dá)到6.25 MHz 甚至更高，因此我們采用線性插值的方法，將測試用的數(shù)據(jù)文件的采樣率通過線性插值算法調(diào)整為與高速行波信號源相同的波形數(shù)據(jù)。使用線性插值算法，具有計算簡便，速度快，波形與原始波形畸變小等特點。

3.4 歷史故障測距結(jié)果

歷史故障行波對應(yīng)的故障測距結(jié)果，與波形進(jìn)行回放后得出的測距結(jié)果相比較，將作為判斷行波故障測距系統(tǒng)測距精度的重要參考。

4 高頻行波信號源的設(shè)計與實現(xiàn)

高頻行波信號源可根據(jù)提供仿真的信號，通過軟件的控制，將信號文件轉(zhuǎn)換成真實的故障行波信號。所以也就要求高頻行波信號源具有頻率高，幅值大，輸出測試信號波形光滑無毛刺等技術(shù)特點。

通過多年的線性放大器開發(fā)經(jīng)驗，采用DSP+FPGA 的高速數(shù)字控制系統(tǒng)，通過高速的DSP處理器，對控制軟件傳遞的數(shù)據(jù)和命令進(jìn)行高速的解析和分配，并通過FPGA 并行傳遞給每個通道，大大節(jié)省了數(shù)據(jù)在接口傳輸中的時間；采用并行的方式控制多個通道，避免了不同通道間的干擾和延遲，加快了通道間的信號響應(yīng)速度，降低了通道間同步性的時間延遲現(xiàn)象；配合高速DA 實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速轉(zhuǎn)換輸出，從而大大提高和改善了高速行波信號發(fā)生裝置暫態(tài)響應(yīng)速度和幅頻特性；采用高速低溫漂線性運(yùn)算放大器為核心元件構(gòu)成的高速功率放大器具有高可靠性、輸出波形光滑真實的特點，沒有開關(guān)放大器容易產(chǎn)生的高次諧波，輸出波形無毛刺、無電磁污染，是真實準(zhǔn)確的小電流波形；不同電流通道間完全獨(dú)立控制，裝置輸出信號帶寬范圍廣，響應(yīng)速度快，可以滿足現(xiàn)場測試的要求。

5 現(xiàn)場測試結(jié)果及存在的不足

為了驗證本文提出的行波測距裝置檢驗方法，筆者進(jìn)行了多條線路的實地測試。圖4、圖5 分別為某一線路M 端高頻電流源輸出的電流波形和行波測距裝置的錄波波形，圖6、圖7 分別為線路N端高頻電流源輸出的電流波形和行波測距裝置的錄波波形。其中A、B、C 為三相電流。

由圖可見，行波測距裝置A、B、C 三相的錄波波形與高頻電流源輸出的行波波形從幅值和波形上均保持一致，證明了被測線路的雙端行波測距裝置運(yùn)行正常，可以正常觸發(fā)并記錄故障行波。

圖4 M 端電流源輸出波形Fig.4 Output waveform of M side

圖5 M 端測距裝置錄波波形Fig.5 Recorded waveform of M side

圖6 N 端電流源輸出波形Fig.6 Output waveform of N side

圖7 N 端測距裝置錄波波形Fig.7 Recorded waveform of N side

表1 為部分線路現(xiàn)場測試時，測距系統(tǒng)主站自動獲取的測距結(jié)果記錄。由表可見，檢驗的測距結(jié)果與歷史故障測距結(jié)果誤差在500 m 以內(nèi)，證明了被測線路的行波測距系統(tǒng)有可靠的測距精度。

由于歷史故障數(shù)據(jù)是基于線路上真實發(fā)生過的故障而獲得的，因此其歷史故障類型、故障點等都是有限的，對于未發(fā)生過故障的線路難以獲得檢驗用的歷史故障數(shù)據(jù)。但是，對于同一線路類型、同一故障類型的典型歷史故障波形是否具有測試通用性，有待在以后的研究中驗證。

表1 現(xiàn)場測試結(jié)果Table 1 Results of field test

6 結(jié)論

基于歷史故障波形的行波測距裝置檢驗方法是有效和實用的，它為檢驗行波測距裝置的運(yùn)行狀態(tài)和測距精度提供了可靠有效的解決方案，比數(shù)字仿真驗證更具實踐意義。該方法能準(zhǔn)確檢驗行波測距裝置的運(yùn)行狀態(tài)，繼而保障了輸電線路安全穩(wěn)定地運(yùn)行。

本方法已申請國家發(fā)明專利，申請?zhí)枺?01210447940.6，發(fā)明創(chuàng)造名稱：一種行波測距系統(tǒng)校驗方法。

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