基于廣義量測(cè)的地區(qū)電網(wǎng)T接線路故障測(cè)距系統(tǒng)

， ， ， ， ， ， ，

(1. 國(guó)網(wǎng)山東省電力公司煙臺(tái)供電公司， 山東 煙臺(tái) 264001; 2. 山東大學(xué) 電網(wǎng)智能化調(diào)度與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山東 濟(jì)南 250061)

近年來，伴隨社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，用電需求與日俱增，特別在夏季用電高峰時(shí)段，電網(wǎng)負(fù)荷往往接近于滿載， 如何快速恢復(fù)供電， 保障系統(tǒng)供電的持續(xù)性， 對(duì)電網(wǎng)運(yùn)檢人員提出了新的挑戰(zhàn)， 因此， 實(shí)現(xiàn)故障快速定位，為電網(wǎng)運(yùn)行調(diào)控人員及時(shí)安排運(yùn)檢人員進(jìn)行故障搶修贏得寶貴時(shí)間，對(duì)地區(qū)電網(wǎng)的安全可靠供電具有重要意義[1-3]。

電網(wǎng)故障定位主要采用阻抗法和行波法[4-7]。阻抗法具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)可靠等特點(diǎn)，在電力系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。近些年隨著電網(wǎng)規(guī)模的迅速擴(kuò)大，其供電半徑也日益增大，T接線路在110 kV等級(jí)以下的電網(wǎng)中廣泛存在，傳統(tǒng)的阻抗法在T節(jié)點(diǎn)附近存在測(cè)距死區(qū)[8]，無法實(shí)現(xiàn)精確定位，給電網(wǎng)巡檢人員帶來很大困難。而行波法因其具有應(yīng)用范圍廣、實(shí)用性強(qiáng)、定位準(zhǔn)確等特點(diǎn)在電力系統(tǒng)故障測(cè)距中得到廣泛應(yīng)用。

再者，考慮到傳統(tǒng)電流互感器的工作原理與電氣特性，在已有線路中加裝電流互感器存在諸多困難，且傳統(tǒng)電流與電壓傳感器易受飽和影響，安裝、維護(hù)復(fù)雜[9-10]。以上諸多不利因素對(duì)110 kV電網(wǎng)故障測(cè)距的實(shí)施造成了極大障礙，因此，有必要尋求新型的測(cè)量方式，實(shí)現(xiàn)安全有效的架空輸電線路電流監(jiān)測(cè)，并將其運(yùn)用到線路故障定位中。

綜上， 針對(duì)110 kV地區(qū)電網(wǎng)中T接線路的故障測(cè)距問題， 本文中將基于廣義量測(cè)的行波法引入110 kV電網(wǎng)T接線路故障測(cè)距中， 研究開發(fā)了一種便于安裝維護(hù)的無接觸式電壓、電流行波感應(yīng)裝置， 利用該裝置采集行波信號(hào)， 替代傳統(tǒng)的、 需要接入運(yùn)行線路的電壓或電流互感器， 通過電磁場(chǎng)感應(yīng)原理采集輸電線路的暫態(tài)電流信息， 并利用該信息進(jìn)行行波測(cè)距； 然后， 據(jù)此構(gòu)建一種基于廣義量測(cè)的110 kV城市電網(wǎng)故障測(cè)距系統(tǒng)， 以期實(shí)現(xiàn)故障的精確定位。

1 行波采集方法與裝置

1.1 架空線路周圍電場(chǎng)與電壓關(guān)系分析

通過電磁感應(yīng)原理，可以獲取輸電線路的電壓和電流信號(hào)[11-12]，從而構(gòu)成無接觸式的廣義量測(cè)中的分布式采樣終端。以電壓信號(hào)為例，利用等效電荷法計(jì)算三相架空線路周圍的電場(chǎng)強(qiáng)度[13]，以三角形排列的輸電線路為例，在與三相導(dǎo)線垂直的平面內(nèi)建立坐標(biāo)系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1中，A、B、C三相導(dǎo)線坐標(biāo)可標(biāo)記為(Xk,Yk)，k=A、 B、 C，檢測(cè)點(diǎn)P位于(x,y)處。設(shè)：地面電位為0；A、 B、 C三相導(dǎo)線的電位分別為uA、uB、uC;單位長(zhǎng)度線路中等效電荷分別為τA、τB、τC， 則

P—檢測(cè)點(diǎn)；Ex、Ey—電場(chǎng)強(qiáng)度的水平和垂直分量；A、 B、 C—三相導(dǎo)線圖1 三角形排列三相導(dǎo)線與檢測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)系統(tǒng)

(1)

式中λ為各導(dǎo)線的自電位系數(shù)及互電位系數(shù)，可由鏡像法求得。

三相導(dǎo)線在測(cè)量點(diǎn)處產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度可以分為垂直分量和水平分量，分別表示為

Ey=(LALBLC)(τAτBτC)T，

(2)

Ex=(HAHBHC)(τAτBτC)T，

(3)

式中：

k=A, B, C；ε0為空氣的介電常數(shù)。

根據(jù)式(1)—(3)，電場(chǎng)強(qiáng)度與電壓的關(guān)系可以概括為

(4)

以單相故障為例，故障相電壓為0，利用式(4)可以得到非故障相電壓。

綜上，結(jié)合故障邊界條件，可以利用電場(chǎng)數(shù)據(jù)反推得到電壓波形。

1.2 無接觸式電壓電流行波采集裝置

由于城市110 kV等級(jí)電網(wǎng)接線比較復(fù)雜， 傳統(tǒng)信號(hào)采集裝置如電壓互感器(PT)、 電流互感器(CT)等均需要線路停電進(jìn)行安裝[14-15]， 給電網(wǎng)正常運(yùn)行帶來了困難。針對(duì)該問題， 本文中提出以場(chǎng)檢測(cè)原理為基礎(chǔ)的無接觸式電壓、電流行波采集裝置。 由于故障時(shí)桿塔處的電磁場(chǎng)會(huì)發(fā)生突變， 因此通過無接觸式行波采集裝置可以采集行波突變信號(hào)， 并將其傳送至遠(yuǎn)方的測(cè)距分析裝置。 該裝置裝設(shè)于輸電線路下方的桿塔處， 與線路并無直接接觸， 如圖2所示。

圖2 行波信號(hào)采集裝置示意圖

圖2中行波采集裝置帶有無線通訊裝置以及全球定位的同步時(shí)鐘裝置，整套裝置由太陽(yáng)能電池板以及附帶的電池進(jìn)行供電，具有簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，能適應(yīng)野外惡劣的作業(yè)環(huán)境。無線通訊設(shè)備將采集到的電壓、電流行波信號(hào)傳送至主站的行波信號(hào)分析裝置，綜合研判故障發(fā)生的精確位置。該裝置有如下特點(diǎn)：

1)安裝、 維護(hù)方便， 通過場(chǎng)檢測(cè)方式采集信號(hào)， 無需接入電力系統(tǒng)一次側(cè)， 避免了傳統(tǒng)PT、 CT等設(shè)備安裝對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行造成的影響， 日常維護(hù)也非常方便；

2)具有極強(qiáng)的適應(yīng)性，適用于架空線路、地下電纜及架空線路與地下電纜混合等各種復(fù)雜的線路模式；

3)實(shí)現(xiàn)電流、電壓行波信號(hào)的雙采集，能夠?yàn)楣收蠝y(cè)距提供最全面、準(zhǔn)確、高精度的信號(hào)支持；

4)采用低功耗與靈活的供電方式，對(duì)于野外等偏遠(yuǎn)的環(huán)境，該裝置自帶的太陽(yáng)能板即可滿足其日常運(yùn)行的耗電需求，對(duì)于城市地下線路等，則可就地取電，易于實(shí)現(xiàn)。

2 基于廣義量測(cè)的故障測(cè)距系統(tǒng)

2.1 T接線路測(cè)距系統(tǒng)架構(gòu)

本文中基于無接觸式的行波信號(hào)采集裝置，通過將雙端測(cè)距原理應(yīng)用至三端行波故障測(cè)距進(jìn)行分析[8,16-17]，可較準(zhǔn)確地進(jìn)行T接線故障點(diǎn)的定位，再依托數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，構(gòu)成了基于廣義量測(cè)的110 kV城市電網(wǎng)T接線路故障測(cè)距系統(tǒng)。 該測(cè)距系統(tǒng)內(nèi)置分布式的全球定位系統(tǒng)(global positioning system， GPS)，使全系統(tǒng)故障數(shù)據(jù)的時(shí)標(biāo)能夠統(tǒng)一，進(jìn)一步提高故障測(cè)距精度與可靠性。該系統(tǒng)組成如圖3所示。

圖3 行波故障測(cè)距系統(tǒng)

該電網(wǎng)故障測(cè)距系統(tǒng)由3層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)構(gòu)成，分別為分布式采樣終端、通信網(wǎng)絡(luò)以及綜合分析研判中心。分布式采樣終端通過采集故障行波信息，經(jīng)通信網(wǎng)絡(luò)層上傳至服務(wù)器，綜合分析中心通過將各采樣終端上傳的信息進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜城市電網(wǎng)的T接線路故障測(cè)距。分析中心由3部分構(gòu)成：通信前置機(jī)負(fù)責(zé)完成規(guī)約轉(zhuǎn)換，將數(shù)據(jù)發(fā)送至服務(wù)器；服務(wù)器通過內(nèi)置T接線路故障測(cè)距算法處理和分析數(shù)據(jù)，并提供與數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)(SCADA)的數(shù)據(jù)通道接口；工作站負(fù)責(zé)用戶界面的圖形處理與展示功能。測(cè)距系統(tǒng)的各層結(jié)構(gòu)在電網(wǎng)中的分布如圖4所示。

圖4 行波故障測(cè)距系統(tǒng)的分布構(gòu)成

各分布式采樣終端主要布置在線路的首末端、T接點(diǎn)的桿塔處以及桿塔與電纜連接處，負(fù)責(zé)線路故障時(shí)的行波信號(hào)采集。各采樣終端采用GPS統(tǒng)一授時(shí)，保證了數(shù)據(jù)的高度可靠性。采用通用分組無線服務(wù)技術(shù)(GPRS)通訊網(wǎng)絡(luò)，具有傳輸速率高(115 kB/s)、支持IP協(xié)議、資源利用率高、成本低廉等特點(diǎn)。

2.2 故障測(cè)距實(shí)現(xiàn)方式與功能分析

110 kV城市電網(wǎng)T接線路故障測(cè)距主要由故障支路判別以及故障位置計(jì)算2個(gè)部分實(shí)現(xiàn)，如圖5所示。故障支路判別以所有上傳帶時(shí)標(biāo)的數(shù)據(jù)終端確定故障區(qū)域，按照時(shí)間排序檢測(cè)各故障初始行波監(jiān)測(cè)點(diǎn)，結(jié)合故障區(qū)域網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治?，即可判定故障所在支路。故障位置?jì)算以故障支路兩端時(shí)標(biāo)為基準(zhǔn)，結(jié)合故障支路線路參數(shù)，利用雙端行波故障測(cè)距理論，即可計(jì)算故障點(diǎn)位置。

圖5 110 kV線路T接結(jié)構(gòu)圖

由圖5可知，若K1和K22點(diǎn)處至線路C點(diǎn)處的電氣距離相等，當(dāng)K1點(diǎn)處發(fā)生故障，運(yùn)用傳統(tǒng)故障分析法進(jìn)行線路故障測(cè)距面臨困難，這是由于K1和K22點(diǎn)至線路始端的電氣距離相等，故障分析法無法判斷故障發(fā)生在何處支路，因此為運(yùn)檢人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障并進(jìn)行搶修帶來了困難，而行波測(cè)距法則完全不受電氣支路分支的影響。若線路C、D之間K1處發(fā)生單相接地故障，故障行波會(huì)從K1處傳送至如圖所示的M、N、C、D、A、B各端，通過判斷行波的初始波頭抵達(dá)的線路T接點(diǎn)以及首末端位置，可得知行波傳送至C、D兩端的時(shí)間要短于M、N、A、B端點(diǎn)，故可以判定故障發(fā)生在C、D之間的支路；再依據(jù)C、D兩端數(shù)據(jù)與雙端行波測(cè)距理論即可算出K1點(diǎn)處故障的實(shí)際位置。同理，若在K2處故障，行波傳送至A、C兩端的時(shí)間最短，故可判定故障發(fā)生在A、C之間，再以此為基礎(chǔ)運(yùn)用雙端故障測(cè)距即可判斷出故障的實(shí)際位置。

3 感應(yīng)式電壓行波采集終端

感應(yīng)式電壓行波采集終端是110 kV電網(wǎng)T接線路故障測(cè)距系統(tǒng)的重要組成部分，主要負(fù)責(zé)故障測(cè)距中行波信號(hào)的捕捉與采集。由于行波信號(hào)傳輸速度快，因此本文中采用2 MHz的采樣頻率，可以靈敏地采集行波信號(hào)。各采集裝置均配置有GPS，可通過無線網(wǎng)絡(luò)上傳統(tǒng)一時(shí)間標(biāo)的故障監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，同時(shí)具有故障記錄功能，能夠自動(dòng)記錄沖擊響應(yīng)信息。該采集裝置主要具有以下功能：

1)利用電磁感應(yīng)原理，采用場(chǎng)檢測(cè)方式，對(duì)電網(wǎng)設(shè)備與線路采用無接觸方式，避免停電安裝對(duì)用戶造成影響；

2)只進(jìn)行場(chǎng)強(qiáng)度檢測(cè)，即檢測(cè)信號(hào)沖擊及沖擊強(qiáng)度，并不檢測(cè)故障時(shí)具體電壓和電流數(shù)值，具有高度可靠性與靈敏度；

3)進(jìn)行電壓行波檢測(cè)，可解決傳統(tǒng)電流行波檢測(cè)所面臨的T接點(diǎn)處無法識(shí)別行波方向的問題；

4)采用2 MHz的高頻采樣頻率，與傳統(tǒng)量測(cè)方式的數(shù)千赫茲采樣頻率相比，無需額外安裝行波量測(cè)裝置，2 MHz采樣頻率可充分滿足需求；

5)采集裝置投運(yùn)采用三相不對(duì)稱安裝，由于正常運(yùn)行時(shí)存在穩(wěn)定不對(duì)稱分量，因此可以判斷線路是否投運(yùn)。

感應(yīng)式電壓行波采集裝置除具有以上功能特點(diǎn)外，還具有如下的應(yīng)用特點(diǎn)：

1)易安裝推廣。設(shè)備安裝、維護(hù)不影響線路帶電運(yùn)行(傳統(tǒng)PT、CT串聯(lián)或并聯(lián)在一次電路中，安裝、維護(hù)需斷電操作)；在已有的FTU、DTU等終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)處，可利用現(xiàn)有監(jiān)測(cè)終端的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，更新其控制器即可。

2)沖擊強(qiáng)度檢測(cè)。只檢測(cè)信號(hào)沖擊強(qiáng)度即可實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量監(jiān)測(cè)。

3)裝置耗能低，可實(shí)現(xiàn)自供電。裝置自帶太陽(yáng)能電池板，配合微型儲(chǔ)能裝置，取電便捷，耗電量少，可長(zhǎng)時(shí)間工作于各種復(fù)雜、惡劣環(huán)境中。

4)裝置成本低。無需額外增配行波的量測(cè)設(shè)備，利用已有的采集終端直接改造，即可以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量檢測(cè)。

4 應(yīng)用分析

本文中以煙臺(tái)電網(wǎng)為例，對(duì)本文中提出的研究方法進(jìn)行應(yīng)用與驗(yàn)證分析。煙臺(tái)電網(wǎng)位于山東電網(wǎng)的東北部，通過5條500 kV線路與省網(wǎng)相聯(lián)，網(wǎng)內(nèi)現(xiàn)有110 kV及以上變電站165座，110 kV及以上輸電線路288條，承擔(dān)著煙臺(tái)14個(gè)縣市區(qū)的供電任務(wù)。

具體選取煙臺(tái)電網(wǎng)110 kV實(shí)際線路結(jié)構(gòu)中的2個(gè)T接線路點(diǎn)，如圖6所示的T1和T2點(diǎn)。圖中，甲站為220 kV變電站，乙站、丙站和丁站均為110 kV變電站，線路、變壓器阻抗數(shù)值均為標(biāo)幺值。

圖6 煙臺(tái)電網(wǎng)某條110 kV線路結(jié)構(gòu)圖

220 kV甲站通過110 kV出線與110 kV乙站相連，共有2個(gè)線路T接點(diǎn)，于T1點(diǎn)處通過線路4接至丙站，于T2點(diǎn)處通過線路5接至丁站，線路結(jié)構(gòu)與參數(shù)如圖6所示。

4.1 電場(chǎng)信號(hào)與電壓信號(hào)仿真對(duì)比

以電場(chǎng)逆推電壓信號(hào)為例，在上述線路模型中距系統(tǒng)甲站2 km處設(shè)置A相接地故障，故障時(shí)間段為0.02～0.08 s，故障電壓波形如圖7所示。

圖7 實(shí)際三相故障電壓波形

為驗(yàn)證無接觸式測(cè)量的準(zhǔn)確性，采用ANSOFT工程有限元分析中的Maxwell 2D仿真軟件對(duì)線路下方電場(chǎng)進(jìn)行仿真。

按照本文中所提出的方法對(duì)采樣獲得的電場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行反推得到結(jié)果， 如圖8所示。 圖中黑色散點(diǎn)為不同時(shí)刻采用電場(chǎng)數(shù)據(jù)逆推得到的故障相電壓數(shù)據(jù)，曲線為電力系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件(PSCAD)仿真得到的線路電壓波形。由圖可知，利用電磁感應(yīng)原理的行波采集裝置具備記錄電壓信號(hào)的能力，可進(jìn)一步用于故障定位。

圖8 逆推結(jié)果與實(shí)際故障電壓波形對(duì)比

4.2 測(cè)距結(jié)果

通過在線路4距離丙站0.7 km處發(fā)生A相接地短路，以電壓行波為例進(jìn)行分析。各分布式電壓行波采集裝置采集的初始故障行波上傳時(shí)標(biāo)如表1所示。

表1 各分布式電壓行波采集裝置采集的初始故障行波上傳時(shí)標(biāo)

通過采用前面所述的故障支路判別法， 可以判定故障明顯發(fā)生在T1點(diǎn)與丙站之間。 結(jié)合故障支路參數(shù)， 故障測(cè)距系統(tǒng)可計(jì)算出故障距離丙站為0.697 km， 與實(shí)際的故障發(fā)生地點(diǎn)非常接近， 精度達(dá)到99%以上。

上述對(duì)煙臺(tái)電網(wǎng)的測(cè)試分析表明， 基于廣義量測(cè)的T接線路故障測(cè)距系統(tǒng)通過分布式采樣終端采集的行波信息， 應(yīng)用雙端行波故障測(cè)距原理可以較好地實(shí)現(xiàn)含有T接支路的輸電線路故障測(cè)距。

5 結(jié)語(yǔ)

本文中針對(duì)110 kV地區(qū)電網(wǎng)中的T接線路故障測(cè)距問題， 提出了基于廣義量測(cè)的故障測(cè)距方法。 該方法利用無接觸的分布式感應(yīng)式電壓行波采集裝置采集行波信息， 基于電磁感應(yīng)原理進(jìn)行強(qiáng)度檢測(cè)， 具有采樣頻率高、 靈敏度好、 測(cè)距精度優(yōu)以及低成本、 易安裝維護(hù)等特點(diǎn)。通過對(duì)煙臺(tái)電網(wǎng)實(shí)際110 kV T接線路進(jìn)行分析，驗(yàn)證了該測(cè)距系統(tǒng)的正確性與有效性。

此外，該系統(tǒng)雖然是針對(duì)110 kV電網(wǎng)T接線路，但是其也適用于10 kV城市配電網(wǎng)；因此，本文對(duì)于提高故障定位與搶修效率、及時(shí)恢復(fù)供電等具有重要的工程意義。

[1] 劉建鵬. 含分布式電源的配電網(wǎng)供電能力研究[D].北京: 華北電力大學(xué), 2015.

[2] 楊揚(yáng). 杭州市電力局10千伏配電網(wǎng)智能巡檢系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].北京: 華北電力大學(xué), 2012.

[3] 陳浩. 配電網(wǎng)故障定位與故障恢復(fù)的研究[D]. 天津:天津大學(xué), 2013.

[4] 王瑋, 蔡偉, 張?jiān)?等. 基于阻抗法的電力電纜高阻故障定位理論及試驗(yàn)[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2001, 25(11):38-41.

[5] 楊凌霄, 牛惠平, 張偉,等. 基于雙端阻抗法的配電網(wǎng)故障定位研究[J]. 工礦自動(dòng)化, 2008(5):30-32.

[6] 夏璐璐. 基于行波固有頻率的輸電線網(wǎng)故障測(cè)距方法[D].成都: 西南交通大學(xué), 2011.

[7] 曾祥君, 張小麗, 馬洪江,等. 基于小波包能量譜的電網(wǎng)故障行波定位方法[J]. 高電壓技術(shù), 2008, 34(11):2311-2316.

[8] 周鑫，呂飛鵬，吳飛，等. 基于小波變換的T型線路故障測(cè)距新算法[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2010, 38(2):8-11,33.

[9] 黃樂，陳亦平，舒雙焰.電流互感器故障所致電網(wǎng)事故及其處置的分析[J].南方電網(wǎng)技術(shù)，2011，5(4)：68-70.

[10] 張新剛，王澤忠．電流互感器鐵心飽和引起二次電流畸變的補(bǔ)償研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2006，26(3)：36-42.

[11] 孫波,孫同景,薛永端,等. 基于暫態(tài)信息的小電流接地故障區(qū)段定位[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2008,32(3):52-55.

[12] 符磊. 感應(yīng)式空心線圈傳感器關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 長(zhǎng)春：吉林大學(xué),2013.

[13] 孫波,孫同景,徐丙垠，等. 架空線路小電流接地故障零模電壓信號(hào)獲取新方法[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2009,33(6):58-62.

[14] 王成兵, 趙國(guó)生. 利用傳統(tǒng)的電流互感器與電壓互感器進(jìn)行光纖通信的方法及裝置:101132236[P]. 2008-02-27.

[15] 黃盛潔. 電流互感器、電壓互感器局部放電在線監(jiān)測(cè)裝置: 2469463[P]. 2002-01-02.

[16] 張峰, 梁軍, 車仁飛. 弱行波信號(hào)的奇異點(diǎn)檢測(cè)方法[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2010, 34(8):92-96.

[17] 尹曉光, 宋琳琳, 尤志, 等. 與波速無關(guān)的輸電線路雙端行波故障測(cè)距研究[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2011, 39(1): 35-39.