基于多算法的輸電線路故障測距系統(tǒng)

1、基于多算法的輸電線路故障測距系統(tǒng)    關鍵字：系統(tǒng) 采用 傳統(tǒng) 交流 電壓 控制 直流 發(fā)電機 換流器 控制策略     基于多算法的輸電線路故障測距系統(tǒng)束洪春1，司大軍2，陳學允2(1昆明理工大學，云南省 昆明市 650051；2哈爾濱工業(yè)大學，黑龍江 哈爾濱市 150001)摘 要：集錄波和故障測距的錄波器已經(jīng)在現(xiàn)場得到了廣泛的應用，但是其自帶的故障測距功能算法算法單一，往往只有單端和雙端測距算法各一種，很難保證在各種情況下測距結果精確可靠，并且算法多使用廠家自定義的數(shù)據(jù)格式，不便于算法之間的通用。為了解決以

2、上問題，作者提出了基于多算法的輸電線路故障測距系統(tǒng)，它使用大多數(shù)錄波裝置都支持的IEEE COMTRADE數(shù)據(jù)格式，具有良好的通用性；它使用當前最新的測距算法，定位精度高、定位可靠，而且所用測距算法以動態(tài)鏈接庫(DLL)編程實現(xiàn)，便于算法的修改與更新。關鍵詞：IEEE COMTRADE；故障測距；輸電線路；電力系統(tǒng)IEEE COMTRADE BASED FAULT LOCATION SYSTEM WITH MULTI-ALGORITHMS FOR TRANSMISSION LINESHU Hong-chun1，SI Da-jun2，CHEN Xue-yun2(1Kunming Universi

3、ty of Science and Technology，Kunming 650051，Yunnan Province，China；2Harbin Institute of Technology，Harbin150001，Heilongjiang Province，China)ABSTRACT: Waveform recorders integrating waveform record and fault location are widely used on site, but only a single terminal fault location algorithm and a do

4、uble terminal fault location algorithm are included in the recorder, so it is difficult to ensure that the fault location results are accurate and credible under any condition. Furthermore, because the data formats used in the algorithms are defined by the manufacturers respectively, so it is diffic

5、ult to use them alternately among the algorithms. To solve above mentioned problems a multi-algorithm based fault location system for transmission line is put forward in which the data format of IEEE COMTRADE supported by most waveform recorders is used and the up-to-date fault location algorithms a

6、re integrated, therefore this system is versatile and its location results are reliable and accurate. In addition, the applied fault location algorithms are programmed by dynamic link library (DLL) technology, so the algorithms are convenient to be modified and updated.KEY WORDS: IEEE COMTRADE；Fault

7、 location；Transmission line；Power system1 引言輸電線路故障后需要快速地找到故障點并進行修復，以減少停電造成的經(jīng)濟損失和提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，因此輸電線路的故障定位是一個值得研究的問題。目前的故障測距方法根據(jù)所用信息性質(zhì)可以分為兩大類，即行波法1,2和阻抗法3-8。行波法測距原理簡單，理論上測距精度較高，但對行波的采集需要專門的設備，使投資增加。阻抗法所需要的數(shù)據(jù)多來自于錄波裝置，不需要增加硬件，所以得到了廣泛的應用。筆者在昆明供電局中調(diào)研發(fā)現(xiàn)，他們使用了多個廠家生產(chǎn)的錄波器，并且大多數(shù)錄波器僅提供了一個單端和一個雙端測距算法。這些算法在進行故障定位時都

8、使用廠家自己定義的數(shù)據(jù)格式，并且其測距算法也不理想，這給實現(xiàn)輸電線路精確故障測距帶來了困難。早在1991年IEEE就制定了一個COMTRADE(Common Format for Transient Data Exchange)標準，用于存儲電力系統(tǒng)故障錄波與暫態(tài)仿真的結果，以便對這些數(shù)據(jù)進行分析。1999年IEEE又對COMTRADE標準進行了修訂，使之在應用中更為方便。因此，現(xiàn)在COMTRADE有兩個版本，1991年制定的稱為IEEE Std C37.11-1991，1999年制定的稱為IEEE Std C37.11-1999。經(jīng)過十多年的推廣，COMTRADE已經(jīng)在電力系統(tǒng)中開始應用，大

9、多數(shù)的錄波器都可以把錄波數(shù)據(jù)保存為COMTRADE格式。因此筆者開發(fā)了基于多算法的輸電線路故障測距系統(tǒng)，它使用IEEE大多數(shù)錄波裝置都支持的IEEE COMTRADE數(shù)據(jù)格式且具有良好的通用性，它使用當前最新的測距算法，定位可靠且精度高。   2 COMTRADE數(shù)據(jù)格式為了便于說明，本文將按IEEE Std C37.11-1999介紹COMTRADE數(shù)據(jù)格式。COMTRADE由四個文件組成，分別為：頭文件、配置文件、數(shù)據(jù)文件和信息文件，這四個文件包含有不同的信息，其中配置文件和數(shù)據(jù)文件是必須的，另外兩個是可選的。它們的命名規(guī)則是四個文件的文件名必須相同但擴展名不

10、同，擴展名分別為.HRD、.CFG、.DAT和.INF。(1)頭文件頭文件是一個文本文件，是可選的，可以用任何的字處理軟件形成。它包含與所記錄數(shù)據(jù)相關的任何信息，便于用戶打印和瀏覽。它對讀取數(shù)據(jù)作用不大，無故障測距無關，本文從略，詳細說明請參見IEEE COMTRADE標準9。(2)配置文件配置文件為文本文件，由計算機軟件讀取，因此它必須以指定的格式存儲。配置文件由若干行組成，每行以回車/換行結束，用逗號分隔一行中的各個字段，字段可以為空，但逗號不能省略。它包含有助于計算機識別數(shù)據(jù)文件(.DAT)必要的信息：1)變電站名稱，錄波設置標識，COMTRADE標準修訂年(版本)；2)通道數(shù)目和類型；

11、論文基于多算法的輸電線路故障測距系統(tǒng)來自 3)模擬量采樣通道信息。它主要包括通道編號、通道名稱、相別、被監(jiān)視元件名稱、單位、通道增益、通道偏移量、采樣的最大與最小值等；4)開關量采樣通道信息。它包括通道編號、通道名稱、相別、被監(jiān)視元件名稱、正常情況下通道的狀態(tài)等；5)線路額定頻率；6)采樣頻率信息。保存數(shù)據(jù)文件中采樣數(shù)據(jù)使用采樣頻率的個數(shù)和在各個采樣率下的采樣數(shù)目；7)第一個采樣點的時間以及故障觸發(fā)時間；8)數(shù)據(jù)文件類型。用來表示數(shù)據(jù)文件是文本格式還是二進制格式；9)時間標記因子(Time stamp multiplication factor)。它用于長時間記錄的數(shù)據(jù)文件。IEEE Std

12、C37.11-1991中無此字段。(3)數(shù)據(jù)文件數(shù)據(jù)文件用于保存由數(shù)字記錄設備或仿真得到的結果，其中的數(shù)據(jù)必須與配置文件中定義的格式相一致，只有這樣，計算機程序才能讀出正確的結果。數(shù)據(jù)文件有兩種格式：文本格式和二進制格式，它由配置文件中的“數(shù)據(jù)文件類型”字段確定。下面分別對兩種格式進行介紹。1)文本數(shù)據(jù)文件文本數(shù)據(jù)文件有若干行和列。其行數(shù)取決于采樣數(shù)，其列數(shù)為TT+2(TT為通道總數(shù))，另外兩列用作采樣序號和時間標記，各列排列如下：第一列為采樣序號；第二列為采樣時間標記；接下來的列為模擬通道采樣信息；再接下來的列為開關通道采樣信息；每一行為一組采樣值，每組采樣值以回車/換行符隔開。2)二進制數(shù)

13、據(jù)文件二進制數(shù)據(jù)文件和文本數(shù)據(jù)文件之間除了通道數(shù)據(jù)格式的不同外，其它結構基本相同。其每組采樣值的格式為：采樣序號，采樣時間標記，每個模擬通道數(shù)據(jù)，集中存放的開關通道數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)之間沒有分隔符，每組采樣值之間沒有回車/換行符隔開。(4)信息文件信息文件是一個文本文件，是可選的。它可以保存比配置文件更多的信息，但對讀取數(shù)據(jù)作用不大，與故障測距基本無關，本文從略，詳細說明請參見IEEE COMTRADE標準。(注：IEEE Std C37.11-1991標準中沒有信息文件。)3 COMTRADE標準用于故障測距筆者在做昆明供電局精確故障測距項目中發(fā)現(xiàn)：目前從前面介紹的COMTRADE標準格式文件中可以

14、方便地獲得測距線路的電流，但是由于標準中沒有模擬通道之間的關聯(lián)信息，很難知道此線路與哪條母線相聯(lián)(一般變電站中有多條母線)，所以無法獲得線路端電壓。而現(xiàn)有的阻抗型故障測距算法都要使用到線路的電壓電流，因而直接使用COMTRADE標準格式數(shù)據(jù)進行故障測距有一定的困難。比較可行的方法是列出所有通道，讓用戶選擇測距所需的通道，然后把所選通道的數(shù)據(jù)另行保存以滿足使用多算法測距的要求。圖1是筆者為昆明供電局開發(fā)的基于COMTRADE標準的波形分析程序，它可以查看波形并保存為如圖2所示的為故障測距所需的文件類型。4 多算法的故障測距應用程序現(xiàn)在的故障錄波與故障測距已經(jīng)有機地結合在一起，為電力系統(tǒng)的安全、經(jīng)

15、濟運行提供了有力的保證。但是，目前的故障裝置所自帶的故障測距算法往往只有單端雙端算法各一個且較為陳舊，很難實現(xiàn)精確可靠的故障定位。筆者對于故障測距的認識是：不可能有對于任何情況都可進行精確故障定位的算法，每種算法都有自己的優(yōu)點和缺點。如：工頻量測距3-6方法有定位可靠性高的優(yōu)點，但由于獲得工頻量需要較長的數(shù)據(jù)窗，有可能遇到電流互感器飽和的情況使測距失敗；時域算法7,8可以使用很短數(shù)據(jù)窗的數(shù)據(jù)實現(xiàn)故障測距，可以有效地識別并避開電流互感器的飽和；單端測距方法4,5不需要線路兩端數(shù)據(jù)的交換，因而可以廣泛地應用，但當線路末端故障或過渡電阻較大時，故障定位精度難以保證，而雙端測距方法3,6在原理上可以真

16、正實現(xiàn)精確故障測距。基于以上原因，筆者為昆明供電局開發(fā)了多算法的故障測距系統(tǒng)。系統(tǒng)中吸取了近年來輸電線路故障測距方面的多種最新算法，即對于一次故障的數(shù)據(jù)可以使用不同的故障測距方法計算故障位置，根據(jù)計算結果以及算法本身的特性，可以給出一個或幾個參考故障點，以克服一種測距方法只給出一個測距結果，當在給定位置附近找不到故障點時不得不全線查找的缺點。下面對使用的算法作簡單的介紹。   (1)電弧故障單端測距方法對于圖3所示的系統(tǒng)，設在距M端xf處發(fā)生電弧故障，故障點f兩側線路分別使用型等效模型，則式中 下標s=0,1,2表示模分量；R、L、C分別表示線路的每公里電阻、電感

17、、電容。對于A·相接地故障有當故障點的電壓電流處于電弧轉移特性的飽和段時，與之對應的電弧等值電壓源uarc(t)和內(nèi)阻Rarc可保持不變7。通過以差分代替導數(shù)的方法，過渡電阻Rarc及電弧等值電壓源uarc(n)可用電壓電流采樣值表示為式中 為故障點的電流， 。由于在高壓和超高壓輸電系統(tǒng)中，線路及系統(tǒng)的電抗遠遠大于電阻，電抗起著決定性作用，在較短時間內(nèi)本文將K看作常數(shù)。故可作以下定義為減小偶然誤差對測距精度的影響，借鑒最小 二乘法的思路,求取多個 ，并以各個 的均方差Er的平方最小為目標建立故障測距算法求解xf。亦可方便地推出兩相接地、三相接地和三相短路等故障類型的求解表達式，這里不

18、再贅述。(2)雙端時域測距方法設故障點到M端的距離為xf，則由M端的電壓電流求得故障點正序電壓uM,f(t,xf) 為式(10)中t為M、N兩端不同步采樣的時間差，可使用故障前的穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)求得。根據(jù)由兩端數(shù)據(jù)求得的故障點電壓應該相等的原理并對式(9)與式(10)離散化構造定位函數(shù)得由此構造定位方程為式中 l為輸電線路的長度。在0,l區(qū)間上，以一定步長(如1km)變化xf，逐步搜索使Er(xf)最小，此時的xf就是故障位置。以上兩種測距方法可以推廣到雙回線路。另外在故障測距系統(tǒng)中還有工頻量的測距方法，由于篇幅所限不能一一列出。筆者對多算法的測距系統(tǒng)用軟件加以實現(xiàn)，形成了基于多算法的輸電線路故障測距

19、程序。它可以對單回和雙回線路分別使用多種單端和雙端測距方法進行故障定位，為用戶提供更多的信息，并給出詳細的測距結果。軟件的測距界面使用Borland C+ Builder 開發(fā)，簡潔明了，使用方便；測距算法使用標準C+語言在Visual C+ 環(huán)境下開發(fā)，以動態(tài)鏈接庫(Dynamic Link Library， DLL)的方式與前臺測距程序相鏈接，做到了前臺界面與算法的分離。所以本軟件可以通過添加或更新DLL以及相關數(shù)據(jù)庫的方法很容易地實現(xiàn)算法更新，從而及時地把最新的故障測距研究成果應用到生產(chǎn)實踐當中去。圖4為本軟件主界面，它完成選擇線路類型、被測距線路、測距算法以及加載錄波文件等操作。圖5為

20、測距算法選擇，對于每種情況，都有多種算法供用戶選擇。圖6為測距結果記錄，用于記錄多次的測距結果。       5 結論(1)由于IEEE COMTRADE標準中沒有電流通道與電壓通道的關聯(lián)，所以直接使用其進行測距比較困難。因此建立了將IEEE COMTRADE文件轉換為中間文件的故障測距方法；(2)為了解決現(xiàn)有錄波器測距算法單一的問題，提出了多算法的故障測距系統(tǒng)方案。(3)本文建立的基于多算法的輸電線路故障測距系統(tǒng)，使用了目前先進的測距算法，可以使用任何錄波器保存的COMTRADE標準數(shù)據(jù)，并有良好的擴充升級能力，在昆明供電

21、局應用效果令人滿意。參考文獻1 董新洲，葛耀中，徐丙垠(Dong Xinzhou，Ge Yaozhong，Xu Bingyin)輸電線路暫態(tài)電流行波的故障特征及其小波變換(Fault characteristic of transient current travelling wave and its analysis with wavelet transform)J電工技術學報(Transactions of China Electrotechnical Society)1999，14(1)：59-622 董新洲(Dong Xinzhou)小波理論應用于輸電線路故障測距研究(Study of

22、 Wavelet theory applied in fault location of transmission line based on travelling waves)D西安：西安交通大學(Xian：Xian Jiao Tong University)，19963 束洪春，司大軍，葛耀中，等(Shu Hongchun，Si Dajun，Ge Yaozhong et al)利用雙端不同步數(shù)據(jù)的高壓輸電線路故障測距實用算法及其實現(xiàn)(Study on practical fault location algorithm for two-terminal HV and EHV transmi

23、ssion lines using asynchronous data at both ends)J電網(wǎng)技術(Power System Technology)，2000，24(3)：45-494 束洪春，司大軍，葛耀中，等(Shu Hongchun, Si Dajun, Ge Yaozhong et al)三角形環(huán)網(wǎng)輸電線路故障測距新算法及其實現(xiàn)(A new fault location algorithm for transmission line in triangle network using one terminal voltage and current data)J電網(wǎng)技術(Power System Technology)，2000，24(4)：34-405 束洪春，李衛(wèi)東(Shu Hongchun, Li Weidong)利用單端工頻量的高壓輸電線路故障測距實用方法研究(Study on fault location for HV transmission lines using single-terminal sample data)J電工技術學報(Transactions of China Ele