以同步相量測量為基礎(chǔ)的高壓輸電線路故障定位方法

文/朱曉鋒 岳科宇 李旭 張廣新

在實際進(jìn)行高壓輸電線路故障定位計算時，一般輸電線路參數(shù)都被作為已知量進(jìn)行計算，然而高壓輸電線路在實際運行時，受外界環(huán)境的等不確定因素影響，線路參數(shù)會發(fā)生一定的變化，從而對最終線路故障定位計算結(jié)果造成一定的影響。在近幾年廣域同步相量測量快速發(fā)展的當(dāng)下，有必要在其基礎(chǔ)之上，對高壓輸電線路故障定位方法進(jìn)行探討分析，對于保證高壓輸電線路安全具有重要的意義。

1 同步相量測量概述

同步相量測量有一個專門的測量裝置，名為“PMU”。為更好的理解“同步相量測量”概念，需要將其分解為三個詞，即“同步”、“相量”與“測量”。首先，“同步”是指時間的同步，電力系統(tǒng)要想實現(xiàn)安全平穩(wěn)運行，必須要保證發(fā)電站、變電站等電力設(shè)備能夠保持同步運轉(zhuǎn)。然而我國幅員遼闊，即使是在西安與新疆之間，都會存在時差，這種時差雖小，但電網(wǎng)作為一個整體，在進(jìn)行遠(yuǎn)距離電網(wǎng)信號傳遞時，這種微小的時差變化，也會導(dǎo)致傳遞的電網(wǎng)信號發(fā)生變化，引發(fā)電力系統(tǒng)錯誤動作，帶來嚴(yán)重的安全事故。因此需要采用時間同步技術(shù)，確保在所有電力設(shè)備內(nèi)部都能夠處于同一個時間標(biāo)準(zhǔn)下，保證電力授時一致性。其次在電工學(xué)中，相量表示正弦量大小與相位的矢量，相量的變化能夠精確描述電力系統(tǒng)運行狀態(tài)變化。最后是“測量”，PMU測量原理如下：交流信號在經(jīng)過濾波處理后，再由A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行量化，然后交由微處理器，按照算法計算出相量。根據(jù)IEEE標(biāo)準(zhǔn)1344-1995規(guī)定，將正序相量、時間標(biāo)記等裝配成報文傳送至遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)集中器。數(shù)據(jù)集中器收集來自各個PMU的信息，為全系統(tǒng)的監(jiān)視、保護和控制提供數(shù)據(jù)。

2 以同步相量測量為基礎(chǔ)的高壓輸電線路故障定位方法

2.1 故障定位原理分析

文章以為含串聯(lián)補償裝置輸電線路故障定位為例，對其定位原理進(jìn)行了如下分析：在某線路中點，裝有串聯(lián)補償裝置，裝置兩端為E點與B，并配置有相量測量裝置。假設(shè)SE區(qū)域為正常區(qū)域，BR區(qū)域為故障區(qū)域，那么根據(jù)S端電氣量，可以獲得E端的電壓與電流：

由于串聯(lián)補償裝置存在電壓降，因此會對輸電線路電壓連續(xù)性造成嚴(yán)重破壞，只能通過建模方式求解電壓降，但受串聯(lián)補償裝置控制模式靈活性較強的特征影響，致使難以確定其運行狀態(tài)，同時也很難獲取模型準(zhǔn)確參數(shù)。然而在故障發(fā)生后，串聯(lián)補償裝置前后電流不會發(fā)生變化，因此說明電流在串聯(lián)補償裝置之上處于連續(xù)的狀態(tài)。因此可得出下式：

針對與FR段，根據(jù)R端的同步相量測量值，我們可以計算F故障點的電壓與電流：

針對于FB，可得下式：

由上式可得：

針對于故障支路電流，結(jié)合（3）、（7）式可得：

因此利用雙端同步測量值，都可以借助上式將故障點電壓電流表示出來。以上主要圍繞的是單相系統(tǒng)，若是三相系統(tǒng)，可用下式表示：

在上式計算式中，m=0，1，2，表示零序、正序、負(fù)序，每一序分量，均滿足上述關(guān)系。

2.2 故障定位

在進(jìn)行故障定位時，需要先判斷相關(guān)故障區(qū)段，具體可以選擇一下兩種方式，一是先結(jié)合實際，做好故障區(qū)段判斷，然后根據(jù)判斷結(jié)果，完成故障定位，通過分步進(jìn)行，可以有效降低計算量。另一種先直接進(jìn)行如下假設(shè):即線路故障發(fā)生在線路的兩側(cè)，然后不區(qū)分先后，直接進(jìn)行兩次故障定位算法計算，在分別得到對應(yīng)結(jié)果后，再將其中偽根去除，最終得到正確的結(jié)果。一般情況下，出于對效率的考慮，在實際應(yīng)用時，通常會選擇第一種方式。在高壓輸電線路中，由于串聯(lián)補償裝置的存在，線路被分割為兩部分，在線路正常運行時，兩部分線路電壓分布均處于比較規(guī)律的狀態(tài)，整體不會發(fā)生過大改變，但在線路發(fā)生故障問題后，兩部分電壓分布將會出現(xiàn)明顯的差異，基于此，可以借助這一特點，來實現(xiàn)線路故障的判定。

根據(jù)上文假設(shè)，BR區(qū)段發(fā)生了故障，SE區(qū)段則為非故障區(qū)域，那么該區(qū)域任意一點的電壓值可用下式表示：

在（12式）中，d表示SE之上任意一點距離S端的距離，取值范圍為[0,l/2]。我們可以隨意取一些距離數(shù)值，具體為0km、90km、120km、150km，然后代入到（12）式中，可以得到S端到E端的任意電壓值。針對于BR故障區(qū)段，受故障點的存在影響，線路參數(shù)或呈現(xiàn)出不連續(xù)現(xiàn)象，因此在故障點F時，公式（12）便不再成立，后續(xù)電壓值也就沒有了參考價值。通常來說，在故障點位置處，輸電線路電壓會處于最低位置，無論故障位置在何處發(fā)生，只要存在故障點，那么電壓幅值會發(fā)生一定的規(guī)律變化，而對于非故障區(qū)段來說，分布曲線將不會發(fā)生明顯規(guī)律變化，因此只需要基于上述兩種區(qū)段，將每一段電壓幅值最大和做小之間差值計算出來，就可以實現(xiàn)故障位置準(zhǔn)確判定。

3 總結(jié)

綜上所述，在電力系統(tǒng)實際運行過程中，在利用同步相量測量的基礎(chǔ)之上，通過對高壓輸電線路故障位置進(jìn)行準(zhǔn)確的定位，更有利于故障得到及時的解除。因此在實際進(jìn)行故障定位時，需要加強對故障定位方法的研究分析，對于保障我國電力系統(tǒng)平穩(wěn)運行具有重要的意義。