一種基于區(qū)段判別的混合線路組合行波定位方法

梁鳳強(qiáng), 孫永波， 陳平, 李京， 張真

(1.山東理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院, 山東 淄博 255049； 2.煙臺港股份有限公司，山東 煙臺 264000)

一種基于區(qū)段判別的混合線路組合行波定位方法

梁鳳強(qiáng)1, 孫永波2， 陳平1, 李京1， 張真1

(1.山東理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院, 山東 淄博 255049； 2.煙臺港股份有限公司，山東 煙臺 264000)

為了提高傳統(tǒng)組合行波測距方法的測距精度，分析了混合輸電線路故障后故障行波的傳播過程以及發(fā)生折射、反射的情況，并提出一種基于區(qū)段判別的混合線路組合行波定位方法。首先利用故障初始行波到達(dá)線路兩側(cè)的時(shí)間差來判定故障區(qū)段，由單端法給出準(zhǔn)確的測距結(jié)果，然后通過線路兩端采集到的時(shí)間由單端原理給出準(zhǔn)確的測距結(jié)果，消除了雙端法受線路給定長度誤差以及同步時(shí)鐘誤差問題的影響，不需要對第二次到達(dá)母線側(cè)的故障行波進(jìn)行假設(shè)計(jì)算，簡化了傳統(tǒng)的組合行波測距方法，提高了傳統(tǒng)組合行波測距法的測距精度。PSCAD仿真表明，所提出的高壓混合輸電線路組合行波測距方法是可行的，與傳統(tǒng)組合行波測距方法相比，測距精度明顯提高。

高壓；混合輸電線路；故障行波；故障點(diǎn)反射波；故障測距

0 引 言

隨著城市現(xiàn)代化建設(shè)進(jìn)程的加快，可以利用的土地資源日益緊縮，占用大量土地資源的架空線輸電網(wǎng)絡(luò)成為阻礙城市現(xiàn)代化進(jìn)程的主要因素之一。而與架空線相比，利用電纜線路輸電具有輸電容量以及輸電可靠性較高、節(jié)省空間以及美化市容等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代電網(wǎng)輸電中應(yīng)用廣泛，從單一的架空線輸電逐步發(fā)展為電纜與架空線混合輸電線路[1-3]。當(dāng)線路出現(xiàn)故障時(shí)，能夠快速準(zhǔn)確地找到故障發(fā)生的位置,不僅能夠縮短人工巡線的時(shí)間，而且也減少了用電量較大的用戶的經(jīng)濟(jì)損失。隨著電纜—架空線混合輸電線路的推廣，快速找到故障點(diǎn)對于保證混合輸電線路的輸電可靠性具有重大意義。

目前，國內(nèi)外學(xué)者針對如何定位混合輸電線路故障點(diǎn)位置已經(jīng)提出許多方法，按照測距原理的不同，大致可以區(qū)分為阻抗法和行波法。由于受故障類型以及過渡電阻等條件的限制，從而使得阻抗法的測距精度難以提高[4-7]。行波法則不受以上問題的制約，因而在混合輸電線路故障測距中得到廣泛的應(yīng)用[8-13]。文獻(xiàn)[14]提出一種基于雙端原理的高壓混合輸電線路故障測距方法，雖然采用基于GPS技術(shù)的電力系統(tǒng)同步時(shí)鐘進(jìn)行時(shí)間同步，使時(shí)鐘誤差始終不超過1 μs，但該誤差會(huì)帶來150 m的理論誤差，還由于受線路給定長度誤差的影響，使得測距誤差增大。針對此類問題，文獻(xiàn)[15]提出了一種高壓架空線—電纜混合線路組合行波故障測距方法，消除了同步時(shí)鐘誤差以及線路給定長度誤差，但此方法需要假定第二次到達(dá)母線側(cè)行波浪涌是故障點(diǎn)反射波還是電纜與架空線的連接點(diǎn)反射波，進(jìn)行兩次計(jì)算后，再通過所得結(jié)果推算出行波初始浪涌到達(dá)母線兩側(cè)的時(shí)間差，從而與實(shí)測的時(shí)間差進(jìn)行對比來確定測距結(jié)果，測距原理比較復(fù)雜，比較容易出現(xiàn)第二次到達(dá)母線側(cè)波形誤判的情況，影響測距精度。

為了解決上述問題，本文提出一種基于區(qū)段判別的混合線路組合行波定位方法，消除了同步時(shí)鐘誤差以及線路給定長度誤差，不需要對第二次到達(dá)母線側(cè)的故障行波進(jìn)行假設(shè)計(jì)算，降低了第二次到達(dá)母線側(cè)故障行波出現(xiàn)誤判的幾率，使得故障測距的準(zhǔn)確性和可靠性得以提高。

1 混合線路故障行波的折射和反射過程

圖1 混合線路故障后行波折、反射示意圖

如圖1所示，高壓混合輸電線路的兩端母線側(cè)分別用M和N來表示，電纜與架空線的連接點(diǎn)用P表示，電纜輸電段的長度用LC表示，架空線輸電段的長度用LO來表示，電纜輸電段和架空線輸電段的中點(diǎn)分別用A和B來表示，行波在電纜和架空線中的傳播速度分別用vC和vO分別表示，故障點(diǎn)的位置用F來表示，故障點(diǎn)到母線M側(cè)和N側(cè)的距離分別用LMF和LNF來表示，tMi和tNi(i=1,2)分別表示母線M與N端接收到第i個(gè)波形的絕對時(shí)刻。

2 混合線路組合行波測距方法

2.1 故障區(qū)段的確定

分別計(jì)算當(dāng)A點(diǎn)、P點(diǎn)以及B點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)故障初始行波到達(dá)母線兩側(cè)的時(shí)間差來作為整定值序列，即：

(1)

(2)

(3)

式中ΔT1、ΔT2、ΔT3分別表示A點(diǎn)、P點(diǎn)以及B點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)故障初始行波到達(dá)母線兩側(cè)的時(shí)間差值。

當(dāng)混合輸電線路發(fā)生故障時(shí)，故障行波第一次與第二次到達(dá)母線M端和N端的時(shí)間分別記為tM1、tN1和tM2、tN2。取Δt=tM1-tN1,當(dāng)滿足Δt<ΔT1，則判定電纜MA段發(fā)生故障并且母線M端第二次接收到的波形為故障點(diǎn)的反射波；當(dāng)滿足Δt=ΔT1，則電纜中點(diǎn)A處故障；當(dāng)滿足ΔT1<Δt<ΔT2，則判定電纜AP段發(fā)生故障且母線M端第二次接收到的波形為連接點(diǎn)反射波；當(dāng)滿足Δt=ΔT2，則判定連接點(diǎn)P發(fā)生故障；當(dāng)滿足ΔT2<Δt<ΔT3，則判定架空線PB段發(fā)生故障且母線N端第二次接收到的波形為連接點(diǎn)反射波；當(dāng)滿足Δt=ΔT3，判定架空線中點(diǎn)B處發(fā)生故障；若ΔT3<Δt時(shí)，判定架空線BN段發(fā)生故障且第母線N端第二次接收到的波形為故障點(diǎn)反射波。

2.2 給定測距結(jié)果

(1)當(dāng)電纜MA段發(fā)生故障時(shí)，故障行波從故障點(diǎn)F傳播到母線M端的時(shí)間由式(4)給出：

(4)

故障點(diǎn)F到母線M端的距離由單端原理給出：

LMF=vCΔt1

(5)

(2)當(dāng)電纜中點(diǎn)A處發(fā)生故障時(shí)，故障點(diǎn)F到母線M端的距離為：

(6)

(3)當(dāng)電纜AP段發(fā)生故障時(shí)，故障行波從故障點(diǎn)F傳播到電纜與架空線的連接點(diǎn)P的時(shí)間由式(7)給出：

(7)

故障點(diǎn)F到母線M端的距離由單端原理給出：

LMF=LC-vCΔt2

(8)

(4)當(dāng)連接點(diǎn)P處發(fā)生故障時(shí)，故障點(diǎn)F到母線M端的距離為：

LMF=LC

(9)

(5)當(dāng)架空線PB段發(fā)生故障時(shí)，故障行波從故障點(diǎn)F傳播到電纜與架空線的連接點(diǎn)P的時(shí)間由式(10)給出：

(10)

故障點(diǎn)F到母線N端的距離由單端原理給出：

LNF=LO-vOΔt3

(11)

(6)當(dāng)架空線中點(diǎn)B處發(fā)生故障時(shí)，故障點(diǎn)F到母線N端的距離為：

(12)

(7)當(dāng)架空線NB段發(fā)生故障時(shí)，故障點(diǎn)F到母線N端的時(shí)間由式(13)給出：

(13)

故障點(diǎn)F到母線N端的距離由單端原理給出：

LNF=vOΔt4

(14)

3 仿真驗(yàn)證

3.1 給定仿真模型參數(shù)

利用仿真軟件PSCAD建立如圖2所示220 kV混合輸電線路模型，其中，母線M端和母線N端的系統(tǒng)電抗均為0.031 4 Ω，電纜段LC全長為18 km，架空線段LO全長為30 km，故障點(diǎn)F距離母線M端的距離為4 km，仿真頻率采用2 MHz，仿真模型如圖2所示。

圖2 混合輸電線路電路圖

模型中架空線的參數(shù)為：架空輸電線路結(jié)構(gòu)采用三角形結(jié)構(gòu)，如圖3所示。圖中，C1、C2表示架空地線，C3、C4、C5分別表示架空線A、B、C三相，架空線導(dǎo)線選用LGJ-300/40，直徑為23.94 mm，直流電阻0.096 14 Ω/km，架空地線選用JLB20A-100，直徑為14.25 mm，直流電阻0.360 6 Ω/km。

通過架空線的幾何參數(shù)可推導(dǎo)求出行波在架空線中的傳播速度為295 km/ms。

電纜的幾何參數(shù)如圖4所示，通過電纜的幾何參數(shù)可推導(dǎo)求出行波在電纜中的傳播速度為192 km/ms。

由公式(1)～(3)可得：ΔT1= -101.7 μs、ΔT2=-7.9 μs、ΔT3=93.75 μs。

圖3 架空輸電線路結(jié)構(gòu)圖

圖4 電纜幾何參數(shù)圖

3.2F點(diǎn)故障仿真

電纜段的F點(diǎn)在t=0發(fā)生單相接地故障，過渡電阻為10 Ω，故障初始角為90°。混合線路兩端測得的故障相電流與故障相電壓行波波形如圖5所示。

由仿真波形可得故障行波到達(dá)M端和N端時(shí)刻分別為tM1= 21 μs，tM2= 62 μs，tN1=175 μs，tN2= 216.5 μs,求得Δt= -154 μs，顯然滿足Δt<ΔT1，故判定電纜MA段發(fā)生故障,由式(4)-(5)可計(jì)算出: Δt1= 20.625 μs，LMF=3.960 km，與實(shí)際故障點(diǎn)的位置相比，測距誤差為40 m，運(yùn)用傳統(tǒng)的組合行波測距方法得到：LMF=3.936 km，測距誤差為64 m。

圖5 F點(diǎn)故障時(shí)M端和N端的故障相電流 與故障相電壓行波波形

表1給出了220 kV混合輸電線路不同區(qū)段8個(gè)不同點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，應(yīng)用所提出行波測距方法所得到的測距結(jié)果與誤差。

表1 混合線路不同位置故障時(shí)的測距結(jié)果

從表1中的測距結(jié)果中可以分析得出，在220 kV架空線-電纜混合線路中應(yīng)用本文所提出的行波測距方法測距的誤差與傳統(tǒng)的組合行波故障測距結(jié)果的誤差相比，測距精度明顯提高?？梢姳疚乃岢龅幕旌陷旊娋€路組合行波測距方法可簡單方便、準(zhǔn)確可靠的定位故障點(diǎn)的位置,比傳統(tǒng)的組合行波測距方法測距精度更高。

4 結(jié)束語

本文分析了220 kV架空線-電纜混合線路發(fā)生故障后行波的折射和反射過程，提出一種基于區(qū)段判別的混合線路組合行波定位方法，仿真結(jié)果表明，所提出行波測距方法可以給出準(zhǔn)確測距結(jié)果。

本文所提方法與現(xiàn)有的方法相比優(yōu)勢在于測距結(jié)果完全由單端原理給出，消除了同步時(shí)鐘誤差以及線路給定長度誤差，不需要對第二次到達(dá)母線側(cè)的故障行波進(jìn)行假設(shè)計(jì)算，簡化了傳統(tǒng)的組合行波測距方法，降低了第二次到達(dá)母線側(cè)故障行波出現(xiàn)誤判的幾率，使得故障測距的準(zhǔn)確性和可靠性得以提高。本方法實(shí)現(xiàn)了當(dāng)高壓混合輸電線路發(fā)生故障時(shí)，怎樣快速、準(zhǔn)確的定位故障點(diǎn)，與傳統(tǒng)的組合行波測距方法相比，測距精度明顯提高，具有良好的工程應(yīng)用前景。

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A Location Method for Hybrid Line Combination Traveling Wave Based on Segment Discrimination

Liang Fengqiang1, Sun Yongbo2, Chen Ping1, Li Jing1, Zhang Zhen1

(1. College of Electrical and Electronic Engineering, Shandong University of Technology, Zibo Shandong 255049, China;2. Yantai Port Co., Ltd., Yantai Shandong 264000, China)

To improve the accuracy of traditional combination traveling wave location method, this paper analyzes the propagation process of the traveling wave of fault after its occurrence on a hybrid transmission line, as well as its refraction and reflection, and proposes a location method for hybrid line combination traveling wave based on segment discrimination. Firstly, the difference between time of arrival of initial traveling wave of the fault at the two sides of the line is used to determine the fault segment, and an accurate location result is given in the single-end method. Then, accurate location result is given in the single-end principle through the time collected from both ends of the line. This approach eliminates the influence of errors from given length and from synchronization clock in the double-end method, and does not need an assumption calculation of the fault traveling wave arriving at the bus side for the second time, thus simplifying traditional combination traveling wave location method and raising its location accuracy. PSCAD simulation shows that the proposed combination traveling wave location method for high-voltage hybrid transmission lines is feasible and has a much higher location accuracy than the traditional combination traveling wave location method.

high voltage; hybrid transmission line; fault traveling wave; fault point reflection wave; fault location

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.05.021

TM764.1

A

1000-3886(2016)05-0064-04

梁鳳強(qiáng)(1990-)，男，山東臨沂人，碩士生，主要研究方向?yàn)殡娋W(wǎng)故障監(jiān)測與定位。 孫永波(1979-)，男，山東萊州人，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)故障檢測。

定稿日期: 2016-03-25

發(fā)明專利: 陳平，梁鳳強(qiáng)，一種高壓混合輸電線路組合行波測距方法，中國發(fā)明專利，申請?zhí)枮?01510020969.X，2015-01-15。