新型行波故障測(cè)距裝置在智能變電站中的應(yīng)用

王道熠

摘 要：智能變電站是建設(shè)智能電網(wǎng)的重要組成部分，由于現(xiàn)有書店線路行波測(cè)距裝置應(yīng)用到智能變電站中存在行波故障信息提起等嚴(yán)重問(wèn)題，通過(guò)應(yīng)用新型行波故障測(cè)距裝置，解決電子式互感器中提取行波故障信息的難題，有利于促進(jìn)智能電站管理水平的提升。本文簡(jiǎn)單探討新型行波故障測(cè)距裝置在智能變電站中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：智能變電站；新型行波故障測(cè)距裝置；行波故障

中圖分類號(hào)： O434.19 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

一.引言

隨著IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的提出和智能電子設(shè)備的采用，使得智能變電站的建設(shè)成為現(xiàn)實(shí)。目前我國(guó)正在大力推進(jìn)智能變電站的建設(shè)，智能變電站已成為管理、應(yīng)用的重點(diǎn)研究對(duì)象。在智能變電站中，由于設(shè)備運(yùn)行方式和常規(guī)變電站不同，原有設(shè)備無(wú)法正常工作，需要進(jìn)行改進(jìn)。輸電線路行波測(cè)距裝置就存在類似的問(wèn)題。

二．智能變電站故障測(cè)距系統(tǒng)概述

1.智能電網(wǎng)故障測(cè)距系統(tǒng)構(gòu)成。

智能電網(wǎng)故障測(cè)距系統(tǒng)的構(gòu)成與現(xiàn)有測(cè)距系統(tǒng)類似，由變電站內(nèi)的測(cè)距終端裝置及測(cè)距主站構(gòu)成。測(cè)距終端裝置負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集、發(fā)送，測(cè)距主站完成計(jì)算、信息發(fā)布等功能。測(cè)距主站可以就地配置也可配置在遠(yuǎn)方，配置遠(yuǎn)方主站更有利于后期維護(hù)與管理。測(cè)距終端裝置和測(cè)距主站均就地配置時(shí)，一般統(tǒng)稱為測(cè)距裝置。

2.智能變電站故障測(cè)距裝置

為了符合智能變電站各項(xiàng)技術(shù)要求，智能變電站故障測(cè)距裝置必須做出較大改動(dòng)，與傳統(tǒng)變電站故障測(cè)距裝置的區(qū)別見(jiàn)（圖1，圖中ＭＭＳ為多媒體短信服務(wù)，ＧＯＯＳＥ為通用面向?qū)ο蟮淖冸娬臼录?，體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

（1）數(shù)據(jù)的就地采集；

（2）裝置的ＩＥＣ６１８５０標(biāo)準(zhǔn)通信；

（3）算法程序改進(jìn)，主要體現(xiàn)在增加阻抗法測(cè)距及過(guò)渡電阻估算等功能。

3. 行波法故障測(cè)距的原理及分類

近年來(lái)，全國(guó)電網(wǎng)逐漸升級(jí)換代，變電站容量不斷增大，作為各變電站間能量傳輸?shù)耐ǖ?，高壓輸電線路在電力系統(tǒng)中地位顯得越來(lái)越重要，高壓輸電線路的可靠性相對(duì)整個(gè)電網(wǎng)的安全運(yùn)行也具有越來(lái)越重要的作用。隨著電壓等級(jí)從超高壓到特高壓不斷發(fā)展，電力系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)安全運(yùn)行的要求越來(lái)越高，輸電線路發(fā)生故障后的影響也將會(huì)越來(lái)越大，對(duì)線路修復(fù)的準(zhǔn)確性和快速性也提出了更高的要求。準(zhǔn)確快速的故障測(cè)距可有效幫助修復(fù)線路，保證線路可靠供電，從而保證整個(gè)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，最大程度降低線路故障對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)造成的威脅，以及對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和人民生活帶來(lái)的綜合損失。

行波即線路中傳播的電磁波。當(dāng)輸電線路發(fā)生故障時(shí)，故障點(diǎn)處會(huì)產(chǎn)生從基頻到很高頻率的暫態(tài)行波，暫態(tài)行波沿輸電線向兩端傳播，在線路末端母線、故障點(diǎn)等波阻抗不連續(xù)的點(diǎn)處會(huì)發(fā)生反射和折射。經(jīng)過(guò)反射和折射行波的極性會(huì)發(fā)生改變，頻率會(huì)發(fā)生突變，根據(jù)這些變化量可以測(cè)量出行波到達(dá)這些點(diǎn)的時(shí)刻。利用線路長(zhǎng)度，行波到達(dá)測(cè)量點(diǎn)的時(shí)刻以及行波傳播的速度可以計(jì)算出故障點(diǎn)所在的位置。按照檢測(cè)行波的方式，將行波測(cè)距法分為四類，A型、B型、C型和D型。

A型只在線路一端安裝測(cè)量裝置，檢測(cè)行波到達(dá)測(cè)量端的時(shí)刻。它需要檢測(cè)兩種行波。一是由故障點(diǎn)產(chǎn)生第一次傳播到測(cè)量端的行波，稱為初始行波；二是由初始行波經(jīng)測(cè)量端母線反射后到達(dá)故障點(diǎn)，再由故障點(diǎn)反射傳輸?shù)綔y(cè)量端的行波，稱為故障點(diǎn)反射波。根據(jù)這兩種波到達(dá)檢測(cè)端的時(shí)間差計(jì)算故障點(diǎn)的位置。將只在線路一端檢測(cè)數(shù)據(jù)的方法稱為單端法。

D型需要在線路兩端安裝測(cè)量裝置，檢測(cè)從故障點(diǎn)傳輸?shù)絻蓚€(gè)測(cè)量端的第一個(gè)行波。將在線路兩端檢測(cè)數(shù)據(jù)的方法稱為雙端法。B型和C型根據(jù)雷達(dá)原理制成，需要附加設(shè)備脈沖或信號(hào)發(fā)生器，在線路發(fā)生故障后，施加高頻或直流信號(hào)，然后在檢測(cè)端檢測(cè)施加信號(hào)初始波和故障點(diǎn)反射波到達(dá)各個(gè)檢測(cè)端的時(shí)刻即與A型和D型類似。

近年，提出E和F型測(cè)距方法，E和F型測(cè)距方法通過(guò)檢測(cè)故障線路分合閘時(shí)產(chǎn)生的暫態(tài)行波實(shí)現(xiàn)測(cè)距。這種方法易受保護(hù)動(dòng)作影響，對(duì)于瞬時(shí)性故障可能分合閘時(shí)故障已經(jīng)消失，無(wú)法找出故障點(diǎn)，對(duì)于線路存在的隱患不能及時(shí)查找出來(lái)。另外根據(jù)故障行波的物理性質(zhì)，有電壓行波法和電流行波法。根據(jù)獲取故障行波的方式又可分為單端法和雙端法。

三. 行波的優(yōu)越性

現(xiàn)有繼電保護(hù)設(shè)備中故障測(cè)距方式有2種：工頻阻抗計(jì)算法和行波分析計(jì)算法。兩種方法的區(qū)別在于采用的原理不同，前者采用電壓平衡方程，通過(guò)計(jì)算故障點(diǎn)與測(cè)距裝置安裝點(diǎn)之間的線路電抗，計(jì)算故障距離，后者采用測(cè)量和記錄線路發(fā)生故障時(shí)由故障點(diǎn)產(chǎn)生的行波到達(dá)母線的時(shí)間，計(jì)算出故障距離。它的基礎(chǔ)是行波在輸電線路上有固定的傳播速度(接近光速)。兩種方法的共同點(diǎn)是，根據(jù)所使用的原理中參數(shù)量，都可分為單端量算法和雙端量算法。但前者由于互感器的誤差、過(guò)渡阻抗和負(fù)荷電流等因素的影響，阻抗算法往往不能滿足對(duì)故障測(cè)距的精度要求。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)故障錄波器的測(cè)距精度要求為3％，但對(duì)500 KV較長(zhǎng)距離輸電線路，一般故障錄波器的該項(xiàng)指標(biāo)較難達(dá)到。作為行波測(cè)距法可以解決過(guò)渡電阻及線路分布參數(shù)的影響。

早期行波法使用的是電壓行波，而理論和實(shí)踐證明普通的電容分壓式電壓互感器不能轉(zhuǎn)換頻率高達(dá)數(shù)百kHz的行波信號(hào)，為了獲取電壓行波則需要裝設(shè)專門的行波耦合設(shè)備，因而使得裝置構(gòu)成復(fù)雜、投資大，而且缺乏測(cè)量和記錄行波信號(hào)的技術(shù)條件，也沒(méi)有合適的數(shù)學(xué)方法來(lái)分析行波信號(hào)，因此制約了行波測(cè)距的研究和發(fā)展。WFL2010輸電線路故障測(cè)距系統(tǒng)中，采用了行波測(cè)距技術(shù)，使用的是電流行波，其優(yōu)越性主要體現(xiàn)在運(yùn)用了小波變換技術(shù)。小波分析作為數(shù)學(xué)學(xué)科的一個(gè)分支，在理論和運(yùn)用上，受到重視。由于小波變換具有良好的時(shí)、頻局部化分析能力，能對(duì)信號(hào)或圖像的微小細(xì)節(jié)進(jìn)行分析。如用小波變換對(duì)一個(gè)突變的鋸齒形波進(jìn)行分析，在每秒采樣256次的條件下，可用16個(gè)小波來(lái)表示；但若采用傅立葉變換，由于很難分析信號(hào)中間的突變部分，則需用256個(gè)正弦波才行，這就限制了它的實(shí)際應(yīng)用。因此，小波變換是利用故障暫態(tài)行波實(shí)現(xiàn)保護(hù)和故障測(cè)距的相對(duì)更為有效的分析方法。

四.新型行波故障測(cè)距裝置在智能變電站中的應(yīng)用。

1.利用行波法測(cè)距需要解決的問(wèn)題。

行波法測(cè)距的可靠性和精度在理論上不受線路類型、故障電阻及兩側(cè)系統(tǒng)的影響,但在實(shí)際中則受到許多工程因素的制約。

1)行波信號(hào)的獲取。

數(shù)字仿真表明:故障時(shí)線路上的一次電壓與電流的行波現(xiàn)象很明顯,包含豐富的故障信息,但需要通過(guò)互感器進(jìn)行測(cè)量。關(guān)鍵是如何用一種經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)單的方式從互感器二次側(cè)測(cè)量到行波信號(hào)。一般來(lái)說(shuō),電壓和電流的互感器的截止頻率要不低于 10khz,才能保證信號(hào)不過(guò)分失真。用于高壓輸電線路的電容式電壓互感器(CVT)顯然不能滿足要求。利用故障產(chǎn)生的行波的測(cè)距裝置,最好能做到與其他的線路保護(hù)(如距離保護(hù))共用測(cè)量互感器,否則難以應(yīng)用推廣。為了達(dá)到一個(gè)桿塔(小于1km)的測(cè)距精度,二次側(cè)信號(hào)上升沿時(shí)間應(yīng)該在幾個(gè)微秒之內(nèi)。實(shí)驗(yàn)研究表明,電流互感器(CT)的暫態(tài)響應(yīng)特性能滿足如此高的響應(yīng)速度。所以,行波測(cè)距裝置可以與其它保護(hù)裝置共用電流互感器,因而易于被推廣使用。

2)故障產(chǎn)生的行波信號(hào)的不確定性。

故障產(chǎn)生的行波信號(hào)的不確定性主要表現(xiàn)在三個(gè)方面:

①故障的不確定性。