輸電線路保護(hù)與行波測(cè)距一體化裝置關(guān)鍵技術(shù)研究

湯向華 施雄杰 唐天笑 施鐳 沈佳男 ?；?/p>

（1.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司南通市海門區(qū)供電分公司 2.南京南瑞繼保電氣有限公司）

0 引言

通常輸電線路故障一般使用故障分析測(cè)距方法（阻抗法）和行波測(cè)距方法進(jìn)行故障測(cè)距，傳統(tǒng)的故障分析測(cè)距方法基于穩(wěn)態(tài)量和阻抗原理，容易受到過渡電阻、衰減直流分量、線路參數(shù)誤差和信號(hào)測(cè)量誤差的影響，其中單端測(cè)距方法還容易受到系統(tǒng)運(yùn)行方式的影響，因此，很難實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的故障定位。行波測(cè)距法是一種利用電壓行波或電流進(jìn)行故障定位的新方法，它可有效克服傳統(tǒng)測(cè)距方法的缺陷，具有不受CT飽和影響、不受系統(tǒng)振蕩影響、不受長(zhǎng)線分布電容影響等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用。

1 輸電線路保護(hù)行波測(cè)距一體化裝置的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

輸電線路繼電保護(hù)行波測(cè)距一體化裝置需要同時(shí)具備線路保護(hù)、行波測(cè)距的軟硬件技術(shù)，并需將兩者有機(jī)結(jié)合到同一個(gè)裝置內(nèi)[1]。線路保護(hù)行波測(cè)距一體化裝置不僅應(yīng)符合當(dāng)前線路保護(hù)有關(guān)功能和性能要求，還應(yīng)符合行波測(cè)距有關(guān)規(guī)范的功能要求。結(jié)合行波測(cè)距的標(biāo)準(zhǔn)，該裝置的主要功能和性能要求為：

①行波采集和存儲(chǔ)；②行波保存為COMTRADE文件；③自動(dòng)單端、雙端行波測(cè)距計(jì)算；④線路兩側(cè)行波的波頭時(shí)間交換；⑤行波測(cè)距事件記錄、檢索；⑥按IEC61850行波測(cè)距模型進(jìn)行建模和通信，具有完善的自我描述功能；⑦直接連接到信號(hào)保護(hù)主站系統(tǒng)，發(fā)送到主站的信息主要包含測(cè)距結(jié)果、自檢信息、參數(shù)設(shè)置、啟動(dòng)記錄等；⑧具備3個(gè)及以上獨(dú)立的10M或100M以太網(wǎng)接口，支持調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)和專用通道通信；⑨對(duì)于300km以下的線路，測(cè)距誤差不應(yīng)超過500m；對(duì)于300km以上的線路，測(cè)距誤差不得超過1000m。⑩應(yīng)具備打印接口，方便測(cè)距報(bào)告、參數(shù)等打印。

2 輸電線路保護(hù)行波測(cè)距一體化裝置關(guān)鍵技術(shù)

2.1 行波信號(hào)獲取技術(shù)

2.1.1 行波信號(hào)傳變技術(shù)

目前常規(guī)的輸電線路保護(hù)裝置和錄波裝置通常是按較大的過載倍數(shù)（如50倍額定電流）設(shè)計(jì)交流電流信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍，而有效的行波信號(hào)的幅度通常在4倍范圍以內(nèi)。如果直接利用裝置原有的互感器提供行波信號(hào)，則行波信號(hào)的輸出幅度會(huì)很小，該小信號(hào)直接經(jīng)裝置背板傳輸?shù)讲蓸覦SP插件時(shí)，很容易受到背板噪聲的影響，且因信號(hào)幅度小而難以與采樣回路的輸入范圍匹配，導(dǎo)致行波信號(hào)的信噪比、分辨率都較低，會(huì)嚴(yán)重影響到行波測(cè)距的精度[2]。

如果不利用原有的互感器插件，而是在輸電線路配套裝置中增設(shè)專用的行波互感器插件，則裝置的外部接線需要改變，會(huì)增加CT二次回路的復(fù)雜性和負(fù)載，工程適用性和可靠性會(huì)大大降低。因此，需要研究在輸電線路配套裝置中方便、可靠、有效地增加電流行波信號(hào)采集的方法。要在常規(guī)輸電線路配套裝置中增加電流行波信號(hào)采集模塊，需滿足若干技術(shù)要求，包括：

①要保持裝置的外部交流信號(hào)輸入接口不變，否則會(huì)導(dǎo)致CT二次回路的復(fù)雜性和負(fù)載增加，同時(shí)也不利于對(duì)現(xiàn)場(chǎng)已有裝置進(jìn)行改造；②行波信號(hào)采集回路的加入不應(yīng)影響原工頻信號(hào)采集回路的可靠性，否則會(huì)帶來安全隱患；③裝置需保持對(duì)高過載倍數(shù)的工頻電流的采集能力，從而滿足繼電保護(hù)功能的需求。同時(shí)，它具有采集相對(duì)較小振幅的電流行波信號(hào)的能力，能夠達(dá)到行波測(cè)距功能的要求。

為滿足上述要求，本項(xiàng)目的處理方案為：保持交流輸入插件的外部接口不變，內(nèi)部增加行波傳變回路，交流插件同時(shí)輸出保護(hù)信號(hào)和行波信號(hào)，并增加行波DSP負(fù)責(zé)采集行波信號(hào)。其方案示意如圖1所示。

圖1 行波信號(hào)采集總體技術(shù)方案

對(duì)于圖中的電流行波傳變回路，有兩類實(shí)現(xiàn)方案：

方案1：增加行波專用小CT（行波專用小CT與保護(hù)CT串聯(lián)）；

方案2：行波與保護(hù)共用小CT（需同時(shí)具備寬動(dòng)態(tài)范圍和寬頻特性）。

綜合考慮各種因素，方案2整體上優(yōu)于方案1，其優(yōu)點(diǎn)包括：

1）不增加小CT，原交流插件無需擴(kuò)展；

2）不進(jìn)行CT串接，CT二次回路可靠性高；

3）不進(jìn)行CT串接，不增加CT二次負(fù)載。

采用方案2時(shí)，最大的技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)是共用小CT的頻率特性。理論分析表明電磁型小CT具有高頻特性，實(shí)際測(cè)試也表明原保護(hù)CT通帶大于300kHz。采用微秒級(jí)窄脈沖電流施加到保護(hù)小CT，其原邊和副變的波形如圖2所示。

圖2 保護(hù)小CT的脈沖信號(hào)響應(yīng)

從圖2看出，保護(hù)小CT如實(shí)地實(shí)現(xiàn)了窄脈沖的信號(hào)傳變，這表明該小CT具備傳變電流行波信號(hào)的能力。因此，本項(xiàng)目使用原保護(hù)級(jí)CT，滿足保護(hù)需求，并通過高頻信號(hào)放大，提高行波信噪比。其具體實(shí)現(xiàn)方案為：

采用原保護(hù)用小CT作為公用CT，以保證可靠性和保護(hù)需求（40In動(dòng)態(tài)范圍）；②取消原CT輸出側(cè)的低通濾波回路，保證二次側(cè)信號(hào)的帶寬需求；③在保護(hù)DSP插件根據(jù)1.2kHz采樣率配置低通濾波(300Hz)；④在行波DSP插件根據(jù)1.0MHz采樣率配置低通濾波(300kHz)；⑤使用高頻運(yùn)放電路對(duì)行波信號(hào)放大，并增加限幅電路。信號(hào)放大電流采用高頻運(yùn)放，以保證高頻信號(hào)的傳輸能力。信號(hào)放大電路原理圖如圖3所示，其中通過運(yùn)放芯片的電源電壓實(shí)現(xiàn)幅度限制（10V）。

通過設(shè)置運(yùn)放電路的放大倍數(shù)，可控制行波信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍，即裝置可以反映多少倍額定電流（k×In）的行波信號(hào)。行波信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍設(shè)定需遵循如下原則：

1）能正確反映前幾個(gè)故障行波波頭（動(dòng)態(tài)范圍需夠大）；

2）具有較高的信噪比（動(dòng)態(tài)范圍需盡量?。?。

為此，進(jìn)行理論分析如下：放大電路的信號(hào)范圍為k×In，k值范圍需根據(jù)220~1000kV典型線路確定，即：Un=額定電壓，In=額定電流，Zc=線路波阻抗，故障電流初始行波與反射行波疊加值相對(duì)于額定電流的倍數(shù)為：k= 2×(Un/Zc) /In

考慮典型數(shù)據(jù)：Un=220~1000kV，In=1000A~4000A，Zc=300~500Ω，則：

k的典型最小值：k=2×220kV/（300Ω×4000A）=0.367；

k的典型最大值：k=2×1000kV/（500Ω×1000A）=4.0。

因此，k可在0.367~4范圍內(nèi)取值。為使裝置適用于不同的輸電線路，可取k=4，超出k倍的信號(hào)在信號(hào)放大電路將被限幅，從而保護(hù)后面的采集回路。因此，可通過高速運(yùn)放將行波電流動(dòng)態(tài)范圍設(shè)置為0~4In。

2.1.2 行波信號(hào)高速采集技術(shù)

現(xiàn)代微電子技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)瞬態(tài)行波波形的超高速記錄。先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)分析和處理方法可用于準(zhǔn)確檢測(cè)行波脈沖的到達(dá)時(shí)間，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高[3]。為確保行波測(cè)距分辨率在500m以上，行波信號(hào)采集頻率通常不得小于500kHz。通過使用微處理器直接控制模數(shù)轉(zhuǎn)換器的傳統(tǒng)方式難以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。因此，需要設(shè)計(jì)一個(gè)高速數(shù)據(jù)采集電路單元，用硬件記錄故障電流行波信號(hào)。

本項(xiàng)目采用每通道1MHz的采樣率進(jìn)行行波信號(hào)采集，采用10M高速AD芯片，分辨率可達(dá)到14bit。采用高速FPGA控制采樣時(shí)序和數(shù)據(jù)緩存時(shí)序。

2.2 行波等效波速自校正技術(shù)

2.2.1 利用區(qū)外故障的行波波速測(cè)量方法

為提升行波測(cè)距裝置的測(cè)距精度，可以采用消除波速的測(cè)距技術(shù)方法。然而，該方法有許多缺點(diǎn)，難以付諸實(shí)踐。在客觀條件允許的情況下，可以采用波速離線與在線測(cè)量方法獲得瞬態(tài)行波的傳播速度。

輸電線路投入運(yùn)行前應(yīng)測(cè)試相關(guān)參數(shù)，此時(shí)可利用專門的儀器實(shí)測(cè)線路行波波速，稱為行波波速離線測(cè)量。但目前，線路投運(yùn)前通常不進(jìn)行此項(xiàng)測(cè)試。一旦輸電線路出現(xiàn)外部擾動(dòng)或者是故障時(shí)，將外部擾動(dòng)點(diǎn)或故障點(diǎn)設(shè)置在靠近M側(cè)，擾動(dòng)或者故障產(chǎn)生的行波首先到達(dá)線路M、N側(cè)的時(shí)刻分別為tm1、tn1，初始行波經(jīng)M、N側(cè)母線反射再次到達(dá)線路M、N側(cè)的時(shí)刻分別為tm2、tn2，則可有3個(gè)計(jì)算波速的方程：

其中vj1基于雙端行波信息，vj2和vj3基于單端行波信息，在故障行波幅度較小、母線反射較弱或線路情況較復(fù)雜的情況下，反射波頭可能難以識(shí)別，vj2和vj3可能單個(gè)或均失效。

2.2.2 利用重合閘的行波波速測(cè)量方法

除了區(qū)外故障的波速測(cè)量方法，還可利用重合閘過程進(jìn)行波速測(cè)量。線路故障跳閘后，若重合于健康線路，則線路兩側(cè)可以檢測(cè)到重合暫態(tài)過程行波，利用該行波可以進(jìn)行類似于區(qū)外故障的行波波速測(cè)量。例如，考慮圖4的重合閘過程，N側(cè)先合閘，M側(cè)后合閘。利用M側(cè)合閘波形進(jìn)行行波波速測(cè)量。

圖4 重合閘行波折反射示意圖

設(shè)合閘點(diǎn)靠近M側(cè)，該擾動(dòng)或故障產(chǎn)生的行波初次到達(dá)線路M、N側(cè)的時(shí)刻分別為tm1、tn1，初始行波經(jīng)M、N側(cè)母線反射再次到達(dá)線路M、N側(cè)的時(shí)刻分別為tm2、tn2，則可有3個(gè)計(jì)算波速的方程：

當(dāng)M側(cè)保護(hù)裝置后合閘，此時(shí)N側(cè)線路斷路器處于閉合狀態(tài)時(shí)，vj1、vj2和vj3均理論上有效；但當(dāng)合閘行波幅度較小、母線反射較弱或線路情況較復(fù)雜的情況下，反射波頭可能難以識(shí)別，vj2和vj3可能單個(gè)或均失效。

2.3 行波可靠啟動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)

線路保護(hù)行波測(cè)距一體化裝置為提高行波啟動(dòng)可靠性，并消除雷電波影響，采取了一系列措施，包括啟動(dòng)判據(jù)設(shè)置、啟動(dòng)確認(rèn)機(jī)制、雷電干擾識(shí)別技術(shù)、高速大容量數(shù)據(jù)緩存技術(shù)、測(cè)距信號(hào)選擇技術(shù)等。行波插件的FPGA對(duì)各通道AD采樣值進(jìn)行在線行波啟動(dòng)判據(jù)計(jì)算，啟動(dòng)判據(jù)可以是幅值越限、突變量越限或其他類似算法，并可采用多點(diǎn)確認(rèn)或結(jié)合多種判據(jù)的方法防止誤啟動(dòng)。FPGA還可從裝置背板總線接收手動(dòng)啟動(dòng)、聯(lián)網(wǎng)啟動(dòng)、工頻量啟動(dòng)的信號(hào)，從而可實(shí)現(xiàn)外部啟動(dòng)。

行波插件的DSP根據(jù)保護(hù)工頻量或開關(guān)量啟動(dòng)結(jié)果對(duì)行波啟動(dòng)結(jié)果進(jìn)行確認(rèn)。工頻量啟動(dòng)結(jié)果來自繼電保護(hù)功能的故障啟動(dòng)模塊，開關(guān)量來自保護(hù)判出或收到的跳閘信號(hào)。若行波啟動(dòng)得到了肯定確認(rèn)，則從繼電保護(hù)的故障相判別模塊獲得故障判相結(jié)果，并選擇對(duì)應(yīng)相的行波采集信號(hào)進(jìn)行后續(xù)的行波測(cè)距分析。否則，本次行波啟動(dòng)被判為干擾引起的啟動(dòng)，只會(huì)進(jìn)行事件記錄，不進(jìn)行波形錄波和后續(xù)的故障分析。

以上邏輯可實(shí)現(xiàn)保護(hù)啟動(dòng)錄波與行波錄波的一一對(duì)應(yīng)，減少無效的行波錄波。當(dāng)有區(qū)外故障時(shí)，此時(shí)可利用行波信號(hào)進(jìn)行行波波速測(cè)試。一體化裝置利用雷擊線路的故障行波特征識(shí)別雷擊行波；裝置配置行波啟動(dòng)判據(jù)，并利用繼電保護(hù)的啟動(dòng)或動(dòng)作信號(hào)作為行波啟動(dòng)的確認(rèn)判據(jù)；采用大規(guī)模現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA、大容量動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器DDR和兩級(jí)緩存技術(shù)實(shí)現(xiàn)故障行波的無死區(qū)記錄；根據(jù)幅度選擇線模行波信號(hào)進(jìn)行行波測(cè)距。裝置檢測(cè)三相電流行波信號(hào)，當(dāng)三相電流行波信號(hào)極性相同、幅度相近時(shí)，判為雷擊行波，否則判為故障行波；幅度相近判別門檻可選70%~90%，即最小行波幅度達(dá)到了最大行波幅度的70%~90%，即判為幅度相近。

行波啟動(dòng)后，裝置將行波啟動(dòng)期間的數(shù)據(jù)緩存起來，并判別t1時(shí)間內(nèi)是否產(chǎn)生保護(hù)啟動(dòng)信號(hào)，或t2內(nèi)是否產(chǎn)生保護(hù)動(dòng)作信號(hào)；t1=10~40ms，t2=3~10s；若行波啟動(dòng)后有保護(hù)啟動(dòng)信號(hào)或保護(hù)動(dòng)作信號(hào)，則裝置確認(rèn)此次行波啟動(dòng)為有效啟動(dòng)，否則丟棄此次緩存的行波啟動(dòng)數(shù)據(jù)；對(duì)于有效的行波啟動(dòng)，裝置將行波緩存數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到非易失性存儲(chǔ)卡中，并進(jìn)行后續(xù)的行波分析計(jì)算；裝置可通過定值選擇行波啟動(dòng)的確認(rèn)判據(jù)。

該裝置采用大規(guī)模FPGA、大容量DDR以及兩級(jí)緩存技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了行波數(shù)據(jù)的無死區(qū)緩存。該方法是先將高速行波數(shù)據(jù)緩存在FGPA芯片中進(jìn)行連續(xù)循環(huán)緩存，即一級(jí)緩存；當(dāng)行波啟動(dòng)判據(jù)動(dòng)作后，F(xiàn)PGA在啟動(dòng)期間截取數(shù)據(jù)并將其緩存在高容量DDR中，即二級(jí)緩存；DSP依次從DDR中提取行波數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，將原始數(shù)據(jù)和分析結(jié)果傳輸?shù)紺PU，最后將其存儲(chǔ)在非易失性存儲(chǔ)卡中；大容量DDR可以實(shí)現(xiàn)足夠的行波數(shù)據(jù)緩沖，比如64~1028次，這樣在密集落雷和多次連續(xù)觸發(fā)行波啟動(dòng)的情況下，裝置還有足夠的時(shí)間進(jìn)行后續(xù)分析以及永久存儲(chǔ)行波數(shù)據(jù)。

采用以上綜合技術(shù)，可使得線路保護(hù)行波測(cè)距一體化裝置實(shí)現(xiàn)既靈敏又可靠的行波啟動(dòng)，有利于提升大過渡電阻、小短路角時(shí)的行波啟動(dòng)可靠性，可消除密集落雷引發(fā)的行波誤啟動(dòng)和行波記錄死區(qū)，避免行波測(cè)距因?yàn)橛涗浰绤^(qū)而拒動(dòng)，采用的線模行波信號(hào)可以消除雷擊行波對(duì)故障行波的干擾，從而可以提高線路保護(hù)行波測(cè)距一體化裝置的行波測(cè)距可靠性。

2.4 基于縱聯(lián)通道的行波通信技術(shù)

雙端行波測(cè)距要在站間交換行波信息。傳統(tǒng)的行波測(cè)距裝置一般使用專用撥號(hào)網(wǎng)絡(luò)或調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)信息交互，需要配置專用通信信道。由于一體化裝置具有保護(hù)功能所需的站間導(dǎo)頻信道，所以，可以借用該信道傳輸行波信息，但機(jī)制應(yīng)確保增加行波通信不會(huì)影響保護(hù)的縱向差動(dòng)通信。

所以，文中提出一種行波信息的透明幀傳輸技術(shù)。該技術(shù)利用保護(hù)通信幀的備用字段實(shí)現(xiàn)行波信息的傳輸。保護(hù)通信模塊不需要關(guān)心行波信息字段的語義，以達(dá)到透明傳輸?shù)哪康摹Ｆ浯?，?dāng)保護(hù)通信幀的備用字段長(zhǎng)度有限且行波通信幀的內(nèi)容較長(zhǎng)時(shí)，采用多幀傳輸?shù)姆椒?，即在傳輸?cè)將行波信息幀劃分為多幀進(jìn)行傳輸，并且在接收側(cè)對(duì)收到的多幀進(jìn)行拼接還原。在行波通信幀的幀頭中定義總幀號(hào)與幀號(hào)，以滿足幀傳輸和拼接的要求。

3 結(jié)束語

輸電線路由于地域分布廣，運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，為提高供電可靠性和電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行水平，在輸電線路發(fā)生短路故障時(shí)，應(yīng)能盡量測(cè)出故障位置，否則會(huì)導(dǎo)致停電損失，甚至影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。所以，為了進(jìn)一步提高行波測(cè)距的精度，為電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供全面保障，設(shè)計(jì)一種線路保護(hù)行波測(cè)距一體化裝置就顯得特別重要。