考慮線路參數(shù)變化的同塔雙回交流線路雙端測(cè)距技術(shù)研究

國(guó)網(wǎng)陜西西咸新區(qū)供電公司 張智鵬

同塔雙回交流輸電所需的線路走廊較窄，輸電容量較大，且有時(shí)存在輸電距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)，交流線路是同塔雙回交流系統(tǒng)的重要組成部分，其線路長(zhǎng)、電壓等級(jí)高，大部分線路環(huán)境惡劣，極易引發(fā)斷路或者短路故障[1-2]。同塔雙回交流線路在電網(wǎng)輸送中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，考慮線路參數(shù)變化[3]，通過(guò)對(duì)同塔雙回交流線路的糾正節(jié)點(diǎn)測(cè)距具有重要意義，相關(guān)的同塔雙回交流線路故障檢測(cè)技術(shù)研究受到人們的極大關(guān)注。

近年來(lái)，已有相關(guān)學(xué)者對(duì)同塔雙回線路做出了研究，文獻(xiàn)[4]提出局部同塔雙回直流線路故障行波傳播特性，并針對(duì)特性研究行波保護(hù)的影響，通過(guò)對(duì)分界點(diǎn)不同線路側(cè)向雙回塔線路分界點(diǎn)各側(cè)段的耦合特點(diǎn)，結(jié)合分界點(diǎn)各側(cè)線段的相模變換，得到了不同線路段入射分界點(diǎn)各電壓模量行波的交叉折射系數(shù)。在此基礎(chǔ)上，檢測(cè)局部同塔雙線不同線路的路段單極接地故障時(shí)，各電壓模量行波交叉折射。

文獻(xiàn)[5]提出基于ATP-EMTP的交直流同塔多回輸電線路耐雷性能分析?；贏TP-EMTP，建立了±800kV/500kV交直流輸電線路的架空輸電線路仿真模型。分析了不同接地電阻和不同桿塔高度下的反擊耐雷性能，并與分別建立的±800kV直流輸電線路和500kV交流輸電線路進(jìn)行比較，計(jì)算了同塔交直流組合多塔輸電線路的跳閘率。雖然上述研究取得一定進(jìn)展，但是進(jìn)行同塔雙回交流線路雙端測(cè)距的模糊度較大，且準(zhǔn)確性較低，精度較差。針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出基于線路參數(shù)變化特征分析的同塔雙回交流線路雙端測(cè)距技術(shù)。最后進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)分析，展示了本方法在提高同塔雙回交流線路雙端測(cè)距和故障檢測(cè)能力方面的優(yōu)越性能。

1 同塔雙回交流線路雙端測(cè)距的信號(hào)模型及線路參數(shù)采樣

1.1 測(cè)距校準(zhǔn)故障信號(hào)采集模型構(gòu)建

為實(shí)現(xiàn)對(duì)同塔雙回交流線路雙端測(cè)距優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)對(duì)同塔雙回交流線路的故障診斷，構(gòu)建同塔雙回交流線路雙端測(cè)距的輸電線路分布參數(shù)模型，具體如圖1所示。

在圖1中，若U1、I1時(shí)，沿線路dx處的電流電壓U、I為：

式中：j為單位長(zhǎng)度阻抗；R為線路dx處的電阻。為精確測(cè)量故障距離，首先需獲取故障信號(hào)，可采用精密傳感裝置進(jìn)行線路故障節(jié)點(diǎn)的距離和方位信息采集，從而獲取故障信號(hào)。其中，同塔雙回交流線路的故障測(cè)距負(fù)載功率為：

式中：λ為線路的傳播常數(shù)。為獲取線路故障節(jié)點(diǎn)的距離和方位信息，采用方位信息自動(dòng)估算方法，計(jì)算傳感分布場(chǎng)行列式，得到雙回交流線路中心波達(dá)角θi。其同塔雙回交流線路雙端測(cè)距的傳感分布場(chǎng)行列式表達(dá)式為：

式中：ai與aj分別為輸電線路分布參數(shù)模型中不同位置的平衡負(fù)荷系數(shù)。其中，連續(xù)孔徑m≥2，考慮同塔雙回交流線路故障節(jié)點(diǎn)的特征矢量，構(gòu)建測(cè)距校準(zhǔn)故障信號(hào)采集模型，其表達(dá)式為：

式中：si為故障節(jié)點(diǎn)分布的二次諧波信號(hào)；n（t）為干擾源，在多次回波下進(jìn)行雙回交流線路的回波探測(cè)，根據(jù)回波分布，進(jìn)行同塔雙回交流線路雙端測(cè)距和自動(dòng)校準(zhǔn)，構(gòu)建測(cè)距校準(zhǔn)故障信號(hào)采集模型，在此基礎(chǔ)上，采樣及融合處理線路參數(shù)。

1.2 線路參數(shù)采樣及融合處理

依據(jù)所構(gòu)建的測(cè)距校準(zhǔn)故障信號(hào)采集模型，根據(jù)故障信號(hào)采集模型對(duì)采集的距離信息采用空間波束集成方法進(jìn)行線路參數(shù)結(jié)構(gòu)重組，提取同塔雙回交流線路雙端測(cè)距信息的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)信息特征，構(gòu)建線路參數(shù)分布結(jié)構(gòu)模型：

式中：y(t)為同塔雙回交流線路傳播常數(shù)，y(t)T為同塔雙回交流線路傳播常數(shù)轉(zhuǎn)置，對(duì)參數(shù)分布結(jié)構(gòu)模型中的M個(gè)陣元，提取線路參數(shù)的統(tǒng)計(jì)特征量，并根據(jù)提取結(jié)果構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的同塔雙回交流線路雙端測(cè)距線路參數(shù)融合模型。其中，線路參數(shù)的統(tǒng)計(jì)特征量提取公式為：

式中：b（θi）為正序分量，為檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)特征量是否符合參數(shù)融合模型的融合規(guī)則，需分析線路參數(shù)的融合性特征，本文將采用回波檢測(cè)方法，線路參數(shù)的融合性特征分量，其表達(dá)式為：

根據(jù)線路故障參數(shù)融合方法，進(jìn)行線路雙端測(cè)距的參數(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)和模糊控制。采用有限特征分解方法，進(jìn)行線路故障節(jié)點(diǎn)的模糊探測(cè)，對(duì)同塔雙回交流線路雙端測(cè)距信息進(jìn)行多重尺度分解，同塔雙回交流線路雙端測(cè)距的包絡(luò)幅值為gi，回波探測(cè)的二階矩形式：

式中：σ2n為噪聲方差，IM為回波探測(cè)M節(jié)點(diǎn)處的電流，δ（y,k）為δ函數(shù)，t為探測(cè)所需時(shí)間，k為探測(cè)基礎(chǔ)層。對(duì)同塔雙回交流線路雙端測(cè)距的線路參數(shù)融合處理，構(gòu)建同塔雙回交流線路雙端測(cè)距的信道傳輸模型，結(jié)合自動(dòng)測(cè)量方法進(jìn)行線路參數(shù)特征融合模型表示為：

式中：Ps為相位差。進(jìn)行同塔雙回交流線路雙端測(cè)距的模糊估計(jì)和特征建模，提高同塔雙回交流線路雙端測(cè)距的準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)同塔雙回交流線路參數(shù)采樣和融合處理。

2 線路故障測(cè)距優(yōu)化

2.1 線路參數(shù)變化下雙端測(cè)距的自動(dòng)校準(zhǔn)

在上述構(gòu)建同塔雙回交流線路雙端測(cè)距自動(dòng)校準(zhǔn)的線路參數(shù)采樣模型，并采用精密傳感裝置進(jìn)行線路故障節(jié)點(diǎn)的距離和方位信息等參數(shù)分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行線路參數(shù)變化下雙端測(cè)距的自動(dòng)校準(zhǔn)，提取同塔雙回交流線路雙端測(cè)距信息的相關(guān)性特征量，在線路參數(shù)變化的情況下進(jìn)行故障節(jié)點(diǎn)的差異性特征分析和提取，采用同塔雙回交流線路雙端測(cè)距算法進(jìn)行距離參數(shù)估計(jì)，距離參數(shù)滿足Snell（斯涅爾）定律，即：

式中：Cα為同塔雙回交流線路故障節(jié)點(diǎn)掃描的波速；Cβ為回波反射的速率；Cγ為精密傳感裝置測(cè)量的精度；α為入射角；β為回波反射角；γ為故障測(cè)距回波探測(cè)的折射角。計(jì)算第i個(gè)目標(biāo)特征衰減量，得到故障測(cè)距回波探測(cè)的傳播衰減為：

設(shè)計(jì)準(zhǔn)確有效的同塔雙回交流線路雙端測(cè)距算法，采用精密傳感裝置進(jìn)行故障節(jié)點(diǎn)的距離參數(shù)的優(yōu)化估計(jì)。對(duì)應(yīng)某一值，波速false 取對(duì)應(yīng)額定轉(zhuǎn)矩值，其中額定轉(zhuǎn)矩是對(duì)精密傳感裝置的負(fù)載能力進(jìn)行分析的主要參量，精密傳感裝置進(jìn)行故障節(jié)點(diǎn)聚類估計(jì)的位移和相位參數(shù)分別為：

式中：π為線路參數(shù)無(wú)限不循環(huán)數(shù)值；N為線路參數(shù)總量；kb為線路平滑濾波值；fb為非線性映射；c為精密傳感裝置基本層。在線路參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化下，采用最小均方根誤差估計(jì)方法進(jìn)行精密傳感裝置的輸出收斂性控制，得到Δφ=φa-φb，Δφ表示故障節(jié)點(diǎn)的雙端測(cè)距的自動(dòng)校準(zhǔn)估計(jì)。根據(jù)上述分析，完成線路參數(shù)變化下雙端測(cè)距的自動(dòng)校準(zhǔn)和測(cè)距，然后自適應(yīng)估算線路故障節(jié)點(diǎn)距離。

2.2 線路故障節(jié)點(diǎn)距離的自適應(yīng)估算

在線路參數(shù)變化下雙端測(cè)距自動(dòng)校準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行故障節(jié)點(diǎn)的差異性特征分析和提取，采用線路參數(shù)融合方法進(jìn)行同塔雙回交流線路雙端測(cè)距的自動(dòng)校準(zhǔn)，分析同塔雙回交流線路雙端測(cè)距模型。采用波達(dá)方向估計(jì)方法，估計(jì)多個(gè)同塔雙回交流線路雙端測(cè)距的源回波反射系數(shù)：

同塔雙回交流線路雙端測(cè)距的透射系數(shù)為：

式中，θ1為故障測(cè)距回波探測(cè)的入射角；θ2為線路雙端測(cè)距的節(jié)點(diǎn)分布折射角；ρ1和ρ2均為兩介質(zhì)的特性阻抗；c1、c2均為精密傳感裝置對(duì)應(yīng)基本層。在分布式陣元中，同塔雙回交流線路雙端測(cè)距的線路參數(shù)分布模型滿足I=E/St。E為能量；S為面積；t為時(shí)間。采用線路參數(shù)融合方法進(jìn)行同塔雙回交流線路雙端測(cè)距的自動(dòng)校準(zhǔn)，當(dāng)折射率sinθ1=c1/c2，構(gòu)建線路參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化的動(dòng)態(tài)特征分布模型，表示為：

式中：Δ為模塊誤差，根據(jù)上述分析，得到同塔雙回交流線路雙端測(cè)距的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

通過(guò)上述設(shè)計(jì)，構(gòu)建同塔雙回交流線路雙端測(cè)距信道傳輸模型，為實(shí)現(xiàn)同塔雙回交流線路雙端測(cè)距優(yōu)化奠定理論基礎(chǔ)。

3 仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

為測(cè)試本文方法在實(shí)現(xiàn)同塔雙回交流線路雙端測(cè)距中的應(yīng)用性能，進(jìn)行仿真試驗(yàn)分析。試驗(yàn)算法設(shè)計(jì)采用Matlab設(shè)計(jì)，同塔雙回交流線路節(jié)點(diǎn)分布的碼元數(shù)為800，故障節(jié)點(diǎn)之間的輸出信噪比定為-12dB，對(duì)同塔雙回交流線路故障樣本信息采樣的精密傳感裝置的個(gè)數(shù)為200，根據(jù)上述仿真環(huán)境和參數(shù)設(shè)定，進(jìn)行同塔雙回交流線路雙端故障測(cè)距，得到故障測(cè)距的頻率分布和幅值如圖3所示。

根據(jù)圖3的參數(shù)采樣結(jié)果，在線路參數(shù)變化的情況下進(jìn)行故障節(jié)點(diǎn)的差異性特征分析和提取，采用線路參數(shù)融合方法進(jìn)行同塔雙回交流線路雙端測(cè)距的自動(dòng)校準(zhǔn)，得到故障節(jié)點(diǎn)測(cè)距校準(zhǔn)輸出如圖4所示。

分析圖4得知，采用本文方法進(jìn)行同塔雙回交流線路雙端測(cè)距的參數(shù)校準(zhǔn)能力較好，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)同塔雙回交流線路雙端故障節(jié)點(diǎn)距離參數(shù)的優(yōu)化估計(jì)。利用文獻(xiàn)[4]提出局部同塔雙回直流線路故障行波傳播特性方法，以及文獻(xiàn)[5]提出基于ATP-EMTP的交直流同塔多回輸電線路耐雷性能分析方法，測(cè)試估計(jì)精度，其中基準(zhǔn)值通常為1.000，對(duì)比分析不同方法的測(cè)距精度，得到對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 測(cè)距精度對(duì)比

分析表1得知，文獻(xiàn)[4]方法和文獻(xiàn)[5]方法的測(cè)距精度值較低，采用本文方法進(jìn)行同塔雙回交流線路雙端故障節(jié)點(diǎn)距離參數(shù)估計(jì)的精度較高，測(cè)距準(zhǔn)確性較好，其原因是本文方法進(jìn)行線路參數(shù)變化下雙端測(cè)距的自動(dòng)校準(zhǔn)，有效提取同塔雙回交流線路雙端測(cè)距信息的相關(guān)性特征量，在線路參數(shù)變化的情況下進(jìn)行故障節(jié)點(diǎn)的差異性特征分析和提取，采用同塔雙回交流線路雙端測(cè)距算法進(jìn)行距離參數(shù)估計(jì)，一定程度上有利于提高測(cè)距精度。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)線路參數(shù)變化下雙端測(cè)距進(jìn)行自動(dòng)校準(zhǔn)，并完成線路故障節(jié)點(diǎn)距離的自適應(yīng)估算，實(shí)現(xiàn)同塔雙回交流線路雙端測(cè)距技術(shù)。研究得知，采用本文考慮線路參數(shù)變化的同塔雙回交流線路雙端測(cè)距技術(shù)進(jìn)行同塔雙回交流線路故障節(jié)點(diǎn)測(cè)距的準(zhǔn)確性較高，收斂性較好，在實(shí)際應(yīng)用中可以進(jìn)一步推廣。在后續(xù)研究進(jìn)程中，需要充分考慮同塔雙回交流線路雙端測(cè)距的不同特征，并依據(jù)實(shí)際開(kāi)發(fā)情況進(jìn)行全新度量。