海南聯(lián)網(wǎng)混合輸電線路行波故障測距系統(tǒng)

王泰凈 梁鳳強 李亞會 周 京 李 京

1.中國南方電網(wǎng)超高壓輸電公司廣州局 廣東 廣州 510405

2.山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 山東 淄博 255049

0 引言

目前應(yīng)用比較廣泛的高壓輸電線路測距方法主要有阻抗法和行波法［1-4］。與阻抗法相比，行波法不受過渡電阻、線路參數(shù)、互感器誤差以及故障類型等因素的影響［5-7］。并且由于行波在線路中的傳播速度較為穩(wěn)定，使得測距精度得以保證，因而在實際故障測距系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用［8-11］。但對于架空線路-海纜混合線路來講，由于這種線路結(jié)構(gòu)應(yīng)用較少，因此國內(nèi)外尚無此方面的應(yīng)用案例。針對我國第一個500kV超高壓、長距離和較大容量的跨海聯(lián)網(wǎng)工程—海南聯(lián)網(wǎng)工程，研究基于行波原理的架空線—海纜混合線路準確故障測距技術(shù)，對于快速查找和修復(fù)混聯(lián)線路故障，從而提高供電可靠性，具有重要的理論和實際意義。

為了解決上述問題，本文設(shè)計了海南聯(lián)網(wǎng)混合輸電線路行波測距系統(tǒng)總體方案并分析了適用于架空線—海纜混合線路的行波測距原理，開發(fā)出適用于海南聯(lián)網(wǎng)500kV架空線—海底電纜混合輸電線路的混合線路行波測距系統(tǒng)和行波測距終端裝置。

1 海南聯(lián)網(wǎng)工程測距系統(tǒng)總體方案

海南聯(lián)網(wǎng)工程北起500kV湛江港城站，南到海南福山站，湛江港城變—徐聞高抗站全長110.227km，徐聞高抗站—南嶺海纜終端站全長14.184km、經(jīng)過31.4公里海底電纜，在林詩島終端站登陸。林詩島終端站—福山變電站全長13.468km，線路結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 海南聯(lián)網(wǎng)工程線路結(jié)構(gòu)

其中的500kV湛江港城站—南嶺海纜終端站為架空線路，南嶺海纜終端站—林詩島終端站為海纜，林詩島終端站—福山變電站為架空線路。

其總體方案是在500kV湛江港城站、徐聞高抗站和福山變電站各安裝一套站端行波采集系統(tǒng)，包括GPS同步時鐘、行波采集裝置、數(shù)據(jù)處理與遠傳裝置，構(gòu)成如圖2的系統(tǒng)：

圖2 海南聯(lián)網(wǎng)工程總體方案

行波初始時刻準確標定的問題通過使用GPS精確對時保證基準時間精度，通過高速數(shù)據(jù)采集完整記錄初始行波并記錄啟動時刻，通過二進小波變換準確識別初始行波起始點，進而獲得了精確的可供計算使用的行波初始時刻。

3個站之間互相構(gòu)成雙端測距系統(tǒng)，且互為備份，顯而易見，海纜故障時可靠性大大增強。且由于南嶺海纜終端站和林詩島終端站目前不具備安裝行波測距裝置的條件，無供電電源、TA、TV，故本方案工程實施更容易。

2 故障測距原理

2.1 雙端D型行波測距原理

對于500kV廣東湛江側(cè)到徐聞高抗站的純架空線輸電線路，本系統(tǒng)采用雙端D型行波測距原理，即利用故障初始行波到達500kV廣東湛江側(cè)和徐聞高抗站測量點的時間差值來給出測距結(jié)果。如圖3所示。根據(jù)故障初始行波到達線路兩端母線的時間差，可計算故障距離：

其中S表示廣東湛江側(cè)測距裝置，R表示徐聞高抗站測距裝置，XS、XR分別為故障點到線路兩端測量裝置的距離，為行波在架空線中的傳播速度，L為線路全長，tS和tR分別為故障初始行波到達線路兩端測距裝置的絕對時刻。

圖3 雙端測距原理示意圖

2.2 基于時間中點的雙端測距方法

而對于徐聞高抗站到500kV福山變電站的架空線—海底電纜—架空線3段混合輸電線路，本系統(tǒng)采用時間中點法來實現(xiàn)故障測距。如圖4所示，以故障點F位于線路RQ段為例，線路RQ表示徐聞高抗站到南嶺海纜終端站的架空線路，線路QP表示南嶺海纜終端站到林詩島終端站的海底電纜線路，線路PN表示林詩島終端站到500kV福山變電站側(cè)的架空線路，LRF表示故障點F到R端的距離。

其具體步驟如下：

1）確定混合線路RN的結(jié)構(gòu)參數(shù)，包括各段線路長度以及行波在海纜和架空線的實際波速度v1、v2。

2）根據(jù)已知的線路結(jié)構(gòu)參數(shù)確定混合線路的時間中點T0（行波信號從該點傳播到混合線路兩端的時間相等）以及行波在T0Q段海底電纜、QR段架空線、T0P段海底電纜以及PN段架空線中運動的時間 t1、t2、t3和 t4。

3）確定故障搜索方向。設(shè)在線路R端和N端檢測到的行波波頭到達時間分別為TR、TN，定義時間參量 Δt=TR-TN。 以向 R 端搜索為例，若 Δt／2＜t1，則故障點在 T0Q 段海底電纜內(nèi)，若 Δt／2＞t1，繼續(xù)向前搜索，然后判斷Δt／2與t1+t2的關(guān)系，判斷出t1＜Δt／2＜t1+t2，從而初步確定出故障發(fā)生在QR段架空線中。

4）確定故障點。 計算出參量 Δt’=Δt／2-t1，進而求出行波從Q點開始以波速v2在QR段架空線中運動Δt’時間到達故障點F。故障點距離R端的距離可以由式 LRF=（t2-Δt’）×v2給出。

圖4 混合線路結(jié)構(gòu)圖

3 行波測距終端裝置

3.1 行波測距終端裝置的結(jié)構(gòu)

行波測距終端裝置采用2U，19英寸標準金屬機箱。前面板包括電源、運行、時間同步、觸發(fā)、通信、數(shù)據(jù)6個指示燈。后面板是插箱式插板，共有9塊，分別為POWER插板、STANDBY插板、COMM.插 板 、TIME SYNC. 插 板 、DIGITAL I／O 插 板 和ANALOG INPUT 插板 （包括 AI1／AI2／AI3／AI4 插板）。

3.2 基本工作原理

行波測距終端裝置構(gòu)成原理框如圖5所示。它包括中央處理單元 （CPU，central processing unit）、模擬信號輸入電路、高速數(shù)據(jù)采集單元（DAU，data acquisition unit）、高精度時鐘與同步信號接收電路、通信接口、開關(guān)量（DO，digital output）輸出電路、開關(guān)量（DI，digital input）輸入電路、人機接口電路和開關(guān)電源等幾個基本組成部分。

圖5 行波測距終端裝置的構(gòu)成原理框圖

1）中央處理單元

中央處理單元（CPU）是行波測距終端裝置的核心單元，其主要功能是讀取、處理來自高速數(shù)據(jù)采集單元的暫態(tài)行波數(shù)據(jù)，緩存行波記錄并根據(jù)選定的通信規(guī)約將行波記錄上傳至行波分析主站。CPU還協(xié)調(diào)整個裝置的工作，完成時間同步、整定配置參數(shù)管理、運行狀態(tài)指示、裝置觸發(fā)與故障報警等功能。

2）模擬信號輸入電路

模擬信號輸入電路完成電流、電壓輸入信號的轉(zhuǎn)換、濾波、放大等功能，將來自電流、電壓互感器的暫態(tài)行波信號調(diào)理成滿足A／D轉(zhuǎn)換輸入要求的小信號。

3）高速數(shù)據(jù)采集單元

為使行波測距分辨率達到200m，暫態(tài)行波信號采樣頻率不應(yīng)低于1MHz，而采用常規(guī)的由微處理器（MCU）直接控制的A／D轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)采集技術(shù)難以滿足要求。行波測距終端裝置采用獨立于MCU的硬件數(shù)據(jù)采集電路，實現(xiàn)了暫態(tài)行波信號高速記錄。

4）高精度時鐘與時間同步信號接收電路

高精度時鐘電路產(chǎn)生精度達μs級的時間信號，送給高速數(shù)據(jù)采集單元，供其精確標定觸發(fā)時刻。

時間同步信號輸入有IRIG-B與1PPS兩種方式。

采用IRIG-B同步方式時，同步信號接收電路接收并解碼IRIG-B格式的時間同步信號，形成1PPS秒同步脈沖與時間信息（精確到秒）。1PPS脈沖用于同步高精度時鐘電路，消除走時誤差。時間信息用于同步中央處理單元時鐘的對時。

采用1PPS同步方式時，同步信號接收電路直接接收1PPS秒同步脈沖，用于同步高精度時鐘電路。時間信息通過時間信息輸入接口（TIME SYNC.，RS-485 接口）輸入。

5）通信接口

包括兩個RS-232接口（COM1和COM2）和一個以太網(wǎng)接口。以太網(wǎng)接口用于以網(wǎng)絡(luò)通信的形式上傳行波記錄。兩個RS-232接口均可外接調(diào)制解調(diào)器（MODEM），以電話撥號的形式上傳行波記錄。一個RS-232接口支持以點對點串行通信的形式上傳行波記錄，另一個RS-232接口用于裝置整定配置與維護通信。

6）開關(guān)量輸出電路

包括兩對光電隔離的空接點輸出，分別用于裝置啟動與自檢異常報警。接點輸出可根據(jù)現(xiàn)場應(yīng)用要求送至變電站監(jiān)控系統(tǒng)或故障信息管理系統(tǒng)。

7）開關(guān)量輸入電路

包括一對光電隔離的空接點輸入，用于裝置接外部的開關(guān)量信號輸入，可以是保護裝置的動作信號或斷路器的動作信號等開關(guān)量信號輸入。

8）人機接口電路

產(chǎn)生裝置運行狀態(tài)指示信號，包括啟動（觸發(fā)）指示、時間同步信號正常指示、裝置異常指示、通信指示等。

9）開關(guān)電源

接入110V或220V交／直流輸入，產(chǎn)生裝置內(nèi)部電路使用的直流電源。

4 行波故障測距系統(tǒng)分析軟件

4.1 運行環(huán)境

1）分析軟件運行的硬件環(huán)境

X86系列Pentium II 366以上的臺式機或筆記本

2）分析軟件運行的軟件環(huán)境

（1）1Windows 95／98；

（2）Windows NT 4.0；

（3）Windows 2000 Profession；

（4）Windows XP；

（5）Windows 7。

3）系統(tǒng)的外部連接

在分析軟件啟動之前，首先需要建立計算機與外部設(shè)備的連接。分析軟件需要與前置故障檢測裝置通過串口建立連接，連接線纜為普通的串行通訊線，可以僅使用最基本的信號線：地線—5；接收信號線—2；發(fā)送信號線—3。

4.2 主要功能

行波故障測距系統(tǒng)行波分析軟件是Windows程序，主要完成：

1）自動或人工遠程提取廠站端行波采集與處理系統(tǒng)的暫態(tài)啟動報告，并永久保存；

2）自動進行雙端行波故障測距；

3）架空線路-電纜混合線路測距；

4）桿塔定位；

5）提供人工波形分析功能以便對單端和雙端行波故障測距結(jié)果進行驗證和校正；

6）變電站內(nèi)行波測距終端裝置的運行監(jiān)視；

7）歷史故障及測距結(jié)果統(tǒng)計、查詢；

8）故障報表。

運行行波故障測距系統(tǒng)行波分析軟件的主站PC機至少應(yīng)具有一個RS-232串口和一個網(wǎng)絡(luò)口。串口用于采用撥號網(wǎng)絡(luò)時連接Modem，網(wǎng)絡(luò)口用于連接串口服務(wù)器以支持主站和變電站裝置的點對點通訊。

4.3 桿塔定位和混合測距功能

混合線路是指在架空／電纜混合線路。

桿塔是架空輸電線路中用來支撐輸電線的支撐物。配置和測距時可逐級計算。

對于海纜線路來說，海纜線路由于在海底鋪設(shè)，沒有明確的海上指示物，故需要采用地理經(jīng)緯度來標識海纜的路由位置，即逐段標識電纜的位置坐標。

桿塔定位和海纜線路測距功能實現(xiàn)時統(tǒng)一進行配置和實現(xiàn)。

5 結(jié)束語

行波測距是目前公認的電力線路最為精確、使用范圍最寬的故障測距技術(shù)，且已有在較低電壓等級的電纜線路和超高壓輸電線路故障測距的成功先例，行波法對于500kV超高壓架空—海纜混合線路故障測距是可行的。本文針對海南聯(lián)網(wǎng)混合輸電線路設(shè)計了行波測距系統(tǒng)總體方案，并分析了適用于架空線—海纜混合線路的行波測距方法，即雙端D型行波測距方法與時間中點法，并詳盡介紹了針對超高壓架空—海纜混合線路研制的混合線路行波測距系統(tǒng)系統(tǒng)和行波測距終端裝置。

下一步，可以將研制的混合線路行波測距系統(tǒng)系統(tǒng)和行波測距終端裝置掛網(wǎng)運行，以驗證測距系統(tǒng)成果并為推廣使用做準備，為海南聯(lián)網(wǎng)工程的運行做出貢獻。

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