基于同步錄波技術(shù)的輸電線路故障定位方法

岳科宇，袁 鵬，趙洪丹，李忠國(guó)，鄭 宇

（國(guó)網(wǎng)吉林省電力有限公司遼源供電公司，吉林 遼源 136200）

1.引言

目前，故障錄波裝置只能記錄原始波形的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)量，不能全天候存儲(chǔ)穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)，僅在故障前后幾秒內(nèi)記錄原始數(shù)據(jù)，造成難以及時(shí)捕捉電網(wǎng)的低頻振蕩，對(duì)大規(guī)模、長(zhǎng)時(shí)間故障的分析中存在顯著缺陷。不同變電站的錄波數(shù)據(jù)缺乏可比性和同步性，直接威脅了故障后的穩(wěn)定性。對(duì)此，迫切需要根據(jù)同步錄波技術(shù)，系統(tǒng)研究輸電線路故障定位。

2.多端輸電線路及單相接地故障

我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)自從進(jìn)入21 世紀(jì)以后，呈現(xiàn)全面發(fā)展態(tài)勢(shì)，一定程度推動(dòng)了電力工業(yè)的進(jìn)步。電網(wǎng)不斷擴(kuò)大規(guī)模，明顯提高了輸電容量。在電力工業(yè)可持續(xù)發(fā)展中，電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。當(dāng)高壓輸電網(wǎng)的輸電線路故障，對(duì)其準(zhǔn)確定位可提高線路故障的排查率，避免停電可能帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失，增加了輸送電能設(shè)備的工作時(shí)間，保證電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行?，F(xiàn)實(shí)工作中，供電系統(tǒng)最普遍的形式是多端輸電線路，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 多端輸電線路拓?fù)?/p>

由圖1 發(fā)現(xiàn)，多端輸電線路涉及n 個(gè)母線端子，其中母線1 與n 之間的線路是主干輸電線路，分支線路是指節(jié)點(diǎn)2 到節(jié)點(diǎn)n-2，并將電能供應(yīng)給下級(jí)電網(wǎng)。多端輸電線路相較單一輸電線路，前者的分支電路錯(cuò)綜復(fù)雜，無(wú)形增加了拓?fù)涞慕Y(jié)構(gòu)的復(fù)雜度，提高了故障發(fā)生率，且故障容易對(duì)更廣泛的區(qū)域造成影響。根據(jù)故障發(fā)生原理，對(duì)高壓電網(wǎng)線路故障合理區(qū)分，即瞬態(tài)故障與永久故障。局部放電體現(xiàn)出隨機(jī)和間歇特點(diǎn)，形成的電弧也較微弱，提高了定位故障的難度。雖然前期瞬態(tài)故障不會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)運(yùn)行，但若置之不理，則容易反復(fù)、多次出現(xiàn)故障，進(jìn)一步延伸故障發(fā)生區(qū)域。因此，采取科學(xué)方法對(duì)該類故障排除，避免影響高壓電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性。

高壓電網(wǎng)出現(xiàn)故障后，只有對(duì)故障位置科學(xué)定位，才能系統(tǒng)檢查線路故障。高壓電網(wǎng)輸電距離與配電網(wǎng)線路存在明顯區(qū)別，前者輸電距離遠(yuǎn)、覆蓋范圍廣泛，部分地區(qū)交通較差。只安排人員維修檢查，耗時(shí)費(fèi)力，降低了排查故障率?，F(xiàn)場(chǎng)安裝輸電線路保護(hù)系統(tǒng)對(duì)故障線路快速定位，故障發(fā)生后快速跳閘，保證了故障檢修質(zhì)量。但是，在復(fù)雜的環(huán)境內(nèi)輸電線路保護(hù)增加了誤動(dòng)的可能性。此外，通過(guò)保護(hù)動(dòng)作，不能準(zhǔn)確定位故障位置。因此，精確定位高壓線路故障，有利于保證檢修質(zhì)量，控制停電時(shí)間。對(duì)當(dāng)前高壓輸電網(wǎng)的復(fù)雜程度，只有積極優(yōu)化故障定位的方式，才可以提高智能化定位故障的水平。

輸電線路單相接地故障定位技術(shù)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)瞬態(tài)故障超過(guò)90%時(shí)易引起線路缺陷，但未發(fā)現(xiàn)線路外部的損壞痕跡。利用故障定位系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)故障部位。高壓線路發(fā)生故障后，隨之出現(xiàn)很多異常信號(hào)，經(jīng)獲取核心數(shù)據(jù)，憑借其與故障位置關(guān)系定位故障，節(jié)省了排查故障的時(shí)間，提高了故障檢修水平。

3.輸電線路故障同步錄波監(jiān)測(cè)技術(shù)

3.1 同步守時(shí)技術(shù)

目前根據(jù)全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)或北斗系統(tǒng)應(yīng)用同步采樣技術(shù)，如GPS。當(dāng)獲取同步信號(hào)后，模擬量經(jīng)變換與調(diào)制實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換，此時(shí)GPS 將觸發(fā)信號(hào)提供給模數(shù)轉(zhuǎn)換設(shè)備，由CPLD處理后，獲得同步觸發(fā)脈沖信號(hào)。當(dāng)所有裝置的轉(zhuǎn)換觸發(fā)脈沖，實(shí)現(xiàn)同步采樣操作后，故障數(shù)據(jù)通過(guò)GPS 得到準(zhǔn)確標(biāo)簽，形成同步相角數(shù)據(jù)。對(duì)系統(tǒng)的守時(shí)功能提出要求。為實(shí)現(xiàn)這個(gè)要求，系統(tǒng)選擇精度較高的恒溫晶振，作時(shí)間跟蹤源。

3.2 高精確度測(cè)距技術(shù)

單端測(cè)距：故障錄波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵功能之一是測(cè)距。在無(wú)法獲得端數(shù)據(jù)的情況下，單端測(cè)距是對(duì)故障進(jìn)行定位的主要方法。但其精度易被非周期衰減直流分量、故障點(diǎn)過(guò)渡電阻等要素干擾。計(jì)算單端測(cè)距時(shí)不只采取濾除非周期衰減直流分量，還要系統(tǒng)把握過(guò)濾電阻，科學(xué)應(yīng)用補(bǔ)償技術(shù)降低分布電容的干擾，提高單端測(cè)距的精確度。

雙端測(cè)距：雙端測(cè)距結(jié)合對(duì)端數(shù)據(jù)完全消除過(guò)渡電阻的干擾。根據(jù)單端測(cè)距的特點(diǎn)，無(wú)法對(duì)故障電流提前預(yù)知，故采取極分化簡(jiǎn)方式計(jì)算單端測(cè)距，綜合運(yùn)用故障位置的零序電流。假設(shè)故障位置與安裝裝置形成相同的零序電流相位，則雙端測(cè)距通過(guò)處理未知量消除過(guò)渡電阻造成的干擾。

4.多變電站輸電線路同步錄波技術(shù)故障定位

4.1 錄波數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)

以典型錄波器聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)為例，變電站1 與變電站2 的F 點(diǎn)出現(xiàn)了故障，同步登記兩個(gè)變電站的故障數(shù)據(jù)，利用錄波器聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)向主站傳輸錄波數(shù)據(jù)，兩變電站同步傳輸錄波數(shù)據(jù)，對(duì)變電站錄波數(shù)據(jù)進(jìn)行自主關(guān)聯(lián)。

錄波聯(lián)網(wǎng)時(shí)間差異。輸電線路出現(xiàn)故障后，錄波數(shù)據(jù)緊密聯(lián)系著故障模擬數(shù)據(jù)、開(kāi)關(guān)操作信號(hào)、故障出現(xiàn)時(shí)間。基于對(duì)時(shí)差異的出現(xiàn)，直接威脅了錄波數(shù)據(jù)時(shí)間的準(zhǔn)確性，主站采取統(tǒng)一的對(duì)時(shí)方法，主要避免發(fā)生時(shí)間差錯(cuò)。

各錄波數(shù)據(jù)與主站時(shí)鐘間的偏差各不相同，其有可能是數(shù)小時(shí)，也可能是數(shù)天。錄波主站之于各錄波器來(lái)講并非具有統(tǒng)一的時(shí)鐘，為了對(duì)錄波數(shù)據(jù)自主聯(lián)系，以合理方法檢測(cè)各個(gè)錄波設(shè)備時(shí)間與主站時(shí)鐘差。鄰近變電站在數(shù)據(jù)網(wǎng)通信中合理運(yùn)用調(diào)度數(shù)據(jù)與主站數(shù)據(jù)，其中分布在各變電站的錄波器對(duì)主站進(jìn)行時(shí)間檢測(cè)。

錄波器時(shí)間修正方法。錄波器之間的時(shí)間差不相同，沒(méi)有任何規(guī)律，但主站時(shí)鐘體現(xiàn)出唯一性。如果基于主站分別獲取錄波器的時(shí)間偏差，則故障發(fā)生后，利用時(shí)間偏差校準(zhǔn)錄波器形成的故障時(shí)間，根據(jù)時(shí)間與各錄波數(shù)據(jù)聯(lián)系。主站獲取各錄波器時(shí)間偏差的原理與過(guò)程：選擇TA1 時(shí)間，通過(guò)主站模塊對(duì)時(shí)鐘報(bào)文進(jìn)行采集，向錄波器傳送；選擇TB1 時(shí)間，錄波器獲取時(shí)鐘報(bào)文請(qǐng)求，利用響應(yīng)時(shí)間△tB，在TB2 時(shí)間內(nèi)向主站傳輸報(bào)文；錄波器將響應(yīng)文件傳輸至主站采集模塊，對(duì)接收時(shí)間的偏差計(jì)算。

傳輸延時(shí)：

時(shí)間偏差：

基于錄波器迅速實(shí)現(xiàn)響應(yīng)，通常在微秒級(jí)，我們直接忽略△tB，使得TB1=TB2=TB，代入上式得到：

通過(guò)調(diào)整，變電站1 的錄波器采集的故障時(shí)間為：

錄波器基于巡檢周期的干擾，形成不同的響應(yīng)時(shí)間，它并非完全精確，不能借該時(shí)間調(diào)整結(jié)果同步各錄波數(shù)據(jù)。因此，有必要采取能達(dá)到錄波器同步目標(biāo)的方法。

4.2 數(shù)據(jù)同步

線路故障發(fā)生位置，線路兩側(cè)變電站內(nèi)和鄰近變電站的錄波器全部開(kāi)始工作。由于變電站有不同的錄波器，各個(gè)變電站錄波器共同為錄波數(shù)據(jù)提供了重要來(lái)源。

4.2.1 相同變電站同步錄波數(shù)據(jù)

若變電站有不同的電壓等級(jí)或存在較多間隔，則對(duì)錄波器平均配置。變電站涉及母線、線路與主變一次設(shè)備，積極連接了錄波器與線路，各間隔對(duì)公共信號(hào)的母線電壓實(shí)現(xiàn)采集。若主變錄波器單獨(dú)存在，則公共信號(hào)代表主變各側(cè)電壓與各側(cè)母線電壓。不同錄波器借助這部分公共信號(hào)同步處理數(shù)據(jù)，具體方法如下：結(jié)合變電站安裝錄波器的情況，對(duì)與各錄波器數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的公共信號(hào)及時(shí)獲??；面對(duì)故障前后公共信號(hào)正弦波存在的角差，憑借全周波傅立葉實(shí)現(xiàn)變換獲取數(shù)據(jù)，對(duì)各個(gè)錄波器暫未同步的時(shí)間科學(xué)計(jì)算；結(jié)合時(shí)間無(wú)法同步的現(xiàn)象，同步處理其它非公共信號(hào)數(shù)據(jù)。

4.2.2 不同變電站錄波數(shù)據(jù)同步

故障出現(xiàn)后，對(duì)錄波主站傳輸關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)文件時(shí)，電氣量數(shù)據(jù)不只出現(xiàn)在線路L1 兩側(cè)，還形成于線路L2-L4 的兩側(cè)。同一變電站同步傳輸了數(shù)據(jù)，線路L1 和L2 兩側(cè)數(shù)據(jù)形成無(wú)法同步的時(shí)間。當(dāng)線路L2 形成不同步時(shí)間后，直接同步站1 和站2 的錄波數(shù)據(jù)。單回新路L3 故障，利用位于線路L1 兩側(cè)的電氣量，獲取站1 與站2 的不同步時(shí)間t12。單回線路故障，線路兩側(cè)的錄波器數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)迂回連通，以非故障線路獲取路障線路兩側(cè)錄波數(shù)據(jù)的不同步時(shí)間。

非故障線路數(shù)據(jù)同步法：根據(jù)非故障線路集中參數(shù)模型，對(duì)m 側(cè)電壓電流設(shè)計(jì)列向量，即側(cè)電壓電流列向量為其中向量的轉(zhuǎn)置通過(guò)T 代表。

圖2 輸電線路集中參數(shù)模型

假設(shè)輸電線路對(duì)地導(dǎo)納矩陣為Y。由圖2 可知，結(jié)合對(duì)工頻量，假設(shè)線路兩側(cè)形成不同步角δ，則有：

把上述兩側(cè)列向量轉(zhuǎn)置為行向量，由于Y 是對(duì)稱陣，則有：

假設(shè)故障發(fā)生后m、n 側(cè)電壓電流列向量分別是Umf、Imf、Unf、Inf，由于該線路無(wú)故障，則公式（6）成立，可以得到：

由推導(dǎo)公式（7）可知，求取不同步時(shí)間不會(huì)對(duì)線路參數(shù)、故障類型等造成依賴。

故障線路數(shù)據(jù)同步法：關(guān)于故障線路，無(wú)法基于式（7）得到線路兩側(cè)錄波數(shù)據(jù)的不同步時(shí)間，但式（7）始終具有意義。在現(xiàn)實(shí)工作中，輸電線路三相對(duì)地導(dǎo)納參數(shù)存在相等關(guān)系，忽略了互導(dǎo)納，則對(duì)角陣數(shù)矩陣Y，得到完全相等的對(duì)角線元素。

4.3 自動(dòng)建立錄波聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)

錄波器聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)主站利用采集模塊獲取各錄波器的運(yùn)行數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)中心及時(shí)存儲(chǔ)這部分?jǐn)?shù)據(jù)。多變電站與錄波數(shù)據(jù)有效關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化同步的目標(biāo)，在故障系統(tǒng)分析中構(gòu)建三個(gè)模塊。

4.3.1 錄波器始終在獲取模塊

主站通過(guò)周期巡檢方式逐一獲取每個(gè)錄波器的時(shí)鐘狀態(tài)，進(jìn)一步計(jì)算錄波器時(shí)間偏差Td，該時(shí)間差在短期內(nèi)不會(huì)變化。采集模塊的主要功能是對(duì)錄波器的時(shí)鐘狀態(tài)進(jìn)行問(wèn)詢和計(jì)算，錄入數(shù)據(jù)中心，便于相關(guān)人員隨時(shí)獲取時(shí)鐘狀態(tài)。

4.3.2 錄波數(shù)據(jù)自動(dòng)關(guān)聯(lián)模塊

采集系統(tǒng)定期對(duì)錄波器的錄波數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)存儲(chǔ)。對(duì)每個(gè)錄波數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)定義，得到對(duì)應(yīng)故障號(hào)，該故障號(hào)與多個(gè)故障對(duì)應(yīng)，且對(duì)同一次故障客觀反映，體現(xiàn)出關(guān)聯(lián)性。電網(wǎng)故障后，主站快速采集若干錄波器的運(yùn)行數(shù)據(jù)，科學(xué)處置后存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫(kù)，處理過(guò)程：數(shù)據(jù)中心自主取得時(shí)間偏差，對(duì)錄波數(shù)據(jù)時(shí)間合理調(diào)節(jié)；調(diào)節(jié)后檢查關(guān)聯(lián)故障數(shù)據(jù)時(shí)間的數(shù)據(jù)。若有則向該次故障賦予故障號(hào)數(shù)值；若沒(méi)有關(guān)聯(lián)其時(shí)間的故障數(shù)據(jù)，需要對(duì)其設(shè)置全新的故障號(hào)。工程師站發(fā)出關(guān)聯(lián)錄波請(qǐng)求以后，根據(jù)故障號(hào)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)讀取，同時(shí)存儲(chǔ)彼此關(guān)聯(lián)的故障，并對(duì)發(fā)生故障的時(shí)間同步存儲(chǔ)。

4.3.3 錄波數(shù)據(jù)自動(dòng)同步模塊

在數(shù)據(jù)中心分析庫(kù)內(nèi)設(shè)計(jì)自動(dòng)同步錄波數(shù)據(jù)模塊，具體對(duì)自動(dòng)關(guān)聯(lián)故障錄波模塊的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。同步過(guò)程為：根據(jù)故障號(hào)對(duì)錄波數(shù)據(jù)進(jìn)行檢索，科學(xué)配置相同線路的不同錄波數(shù)據(jù)；故障發(fā)生前后科學(xué)分析一個(gè)周波，若在變電站聯(lián)絡(luò)區(qū)域外發(fā)生了故障，則利用同步錄波數(shù)據(jù)法自行對(duì)齊數(shù)據(jù)，對(duì)不同時(shí)間準(zhǔn)確登記；若在變電站雙回聯(lián)絡(luò)線上出現(xiàn)故障，則對(duì)另一回線故障科學(xué)判斷，如不存在故障，則同步器錄波數(shù)據(jù)；若為單回線線路，則對(duì)變電站錄波數(shù)據(jù)的同步時(shí)間進(jìn)行計(jì)算，對(duì)迂回聯(lián)絡(luò)線通道查找，計(jì)算同步時(shí)間；若為單回線線路，且不存在迂回聯(lián)絡(luò)線通道，則故障前數(shù)據(jù)接近于同步。

4.4 系統(tǒng)應(yīng)用

在錄波器聯(lián)網(wǎng)主站系統(tǒng)內(nèi)引入本系統(tǒng)，添加故障關(guān)聯(lián)界面，科學(xué)排列多次故障號(hào)，每個(gè)故障涉及若干個(gè)彼此聯(lián)系的錄波數(shù)據(jù)，增加數(shù)據(jù)同步內(nèi)容，深入分析故障數(shù)據(jù)庫(kù)。

5.結(jié)語(yǔ)

輸電線路錄波數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)與同步自動(dòng)化方法首先針對(duì)各錄波器時(shí)鐘差偏大的情況，采取科學(xué)方法檢測(cè)偏差，在這個(gè)前提下，自動(dòng)關(guān)聯(lián)若干個(gè)錄波數(shù)據(jù)?？茖W(xué)應(yīng)用多個(gè)錄波器的錄波數(shù)據(jù)，無(wú)需系統(tǒng)參數(shù)，進(jìn)一步自行同步失聯(lián)的錄波數(shù)據(jù)。在錄波器聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中科學(xué)應(yīng)用該方法，提高了操作的便捷性，有利于調(diào)度人員準(zhǔn)確把握故障狀況，為分析電網(wǎng)故障提供數(shù)據(jù)支撐。