d型雙端和a型單端輸電線路行波故障測距的比較

d型雙端和a型單端輸電線路行波故障測距的比較

1.現(xiàn)代行波故障測距技術的發(fā)展歷程及其啟示由于能有效地測距技術的精度和范圍廣泛，深受電氣工程維護專家影響的線路故障測距技術一直為后續(xù)維護專家所關注。早在20世紀50年代,國外就研制出A、B、C、D等基本型式的行波故障測距裝置,但因存在可靠性差、構(gòu)成復雜以及價格昂貴等問題,沒有得到推廣應用。20世紀80年代,國內(nèi)外在早期A型行波故障測距原理的基礎上,提出了集保護和測距為一體的行波距離保護原理,這標志著現(xiàn)代行波故障測距(MTWFL)技術的誕生。但由于測距算法不可靠以及現(xiàn)場試驗條件的限制,行波距離保護沒有得到進一步的發(fā)展。20世紀90年代初,我國提出了利用電流暫態(tài)分量的行波故障測距技術,從而推動了現(xiàn)代行波故障測距技術的商業(yè)化發(fā)展。近幾年來,現(xiàn)代行波故障測距技術在電力系統(tǒng)中獲得了越來越廣泛的實際應用,文獻系統(tǒng)地總結(jié)了現(xiàn)代行波故障測距系統(tǒng)需要解決的關鍵技術問題。本文對現(xiàn)代D型雙端和A型單端輸電線路行波故障測距原理進行了系統(tǒng)分析和綜合評價,旨在將二者進行優(yōu)化組合,以獲得更好的測距效果。2.d型雙段波原理2.1故障初始行波浪涌到達線路兩端D型雙端行波原理利用線路內(nèi)部故障產(chǎn)生的初始行波浪涌到達線路兩端測量點時的絕對時間之差值,計算故障點到兩端測量點之間的距離?？紤]某一單相系統(tǒng),如圖1(a)所示。當線路MN內(nèi)部F點發(fā)生故障瞬間,由于故障點電壓突變而產(chǎn)生的初始行波浪涌將以接近光速的速度(具體取決于線路分布參數(shù))從故障點向線路兩端傳播。假定行波從母線到故障點的傳播方向為正方向,則故障初始行波浪涌(以電流行波為例)到達M端和N端測量點時形成各端初始行波浪涌(即第1個反向行波浪涌),分別記為i-M1和i-N,如圖1(b)、1(c)所示。設故障初始行波浪涌到達M端和N端測量點時的絕對時間分別為TM和TN,則故障距離可以表示為:{DMF=12[L+ν(TM?TN)]DNF=12[L+ν(TN?TM)](1){DΜF(xiàn)=12[L+ν(ΤΜ-ΤΝ)]DΝF=12[L+ν(ΤΝ-ΤΜ)](1)式中DMF和DNF分別為M端和N端測量點到故障點的距離;L為線路MN的長度;ν為波速度。為了準確標定故障初始行波浪涌到達故障線路兩端測量點的絕對時間,在線路兩端均需裝設行波采集系統(tǒng)。兩端行波采集系統(tǒng)中必須配備高精度和高穩(wěn)定度的實時時鐘,而且需采用內(nèi)置高精度授時系統(tǒng)(如GPS接收模塊)的電力系統(tǒng)同步時鐘實現(xiàn)精確秒同步,以使得兩端系統(tǒng)的時鐘誤差平均不超過1μs。2.2綜合評價2.2.1計及弧垂影響的實際導線長度計算D型雙端行波原理利用線路長度、波速度和故障初始行波浪涌到達故障線路兩端母線時的絕對時間之差值計算故障距離。因此,能否獲得準確的線路長度、波速度和故障初始行波浪涌到達時刻,將直接影響測距準確性。嚴格來講,無論是傳統(tǒng)的故障測距原理,還是行波故障測距原理,其測距結(jié)果表示故障點到線路末端的實際導線長度。但巡線時往往將測距結(jié)果當作地理上的水平距離并以此作為查找故障和計算測距誤差的依據(jù),而并不考慮線路弧垂的影響。同樣,線路全長也是以水平距離的形式預先給定。當線路較長時,計及弧垂影響后的實際導線長度與導線水平長度相差較大。比較理想的做法是利用線路設計數(shù)據(jù)計算出不同溫度條件下沿線各檔距內(nèi)的實際導線長度,進而獲得實際線路導線的總長度(用于D型雙端測距),并最終將故障測距結(jié)果換算為故障所在“檔”或桿塔號。故障暫態(tài)行波具有從低頻到高頻的連續(xù)頻譜,其中不同頻率分量的傳播速度是不相同的。行波分量的頻率越低,其傳播速度越慢;行波分量的頻率越高,其傳播速度也越快,并且越趨于一致(接近光速)。隨著電壓等級的不同,輸電線路暫態(tài)行波中高頻分量的傳播速度大約在光速的97%～99%范圍內(nèi)變化,具體可以利用線路結(jié)構(gòu)參數(shù)進行計算,也可以實際測量。為了獲得準確的測距結(jié)果,故障初始行波浪涌的到達時刻應定義為其中能夠到達測量點的最高頻率分量的到達時刻。從時域來看,故障初始行波浪涌的到達時刻就是其波頭起始點所對應的時刻,該時刻的測量誤差取決于采樣頻率和授時系統(tǒng)的時間誤差。采樣頻率越高,對故障初始行波波頭起始位置的標定誤差越小;授時系統(tǒng)的時間誤差越小,對故障初始行波波頭起始時刻的標定誤差越小。由于暫態(tài)行波中的高頻分量在傳播過程中隨傳播距離的增加會發(fā)生較大程度的衰減,因而當采用固定的波速度時,到達線路兩端的故障初始波頭時間差越大(即故障點越靠近線路某一端),其測量誤差也越大。目前,現(xiàn)代行波故障測距系統(tǒng)廣泛采用全球定位系統(tǒng)(GPS)作為授時系統(tǒng)。研究發(fā)現(xiàn),GPS接收機普遍存在輸出信號瞬時不穩(wěn)定、衛(wèi)星失鎖以及時鐘跳變等問題,因而其輸出的時間信息和秒脈沖信號(1PPS)不能直接利用,必須附加高穩(wěn)定度時鐘,并且需要消除偏差超過某一限定范圍的時間同步信號。2.2.2自動測距可靠性分析D型雙端行波原理不需要檢測來自故障點和系統(tǒng)中其它波阻抗不連續(xù)點的反射波,并且能夠自動給出故障測距結(jié)果,因而具有很高的自動測距可靠性,這也是這種原理最為優(yōu)越之處。2.2.3果單獨使用D型雙端行波原理由于需要通道及時間同步設施,因而如果單獨使用,則相對于單端行波故障測距原理來說,其投資較大。但如果能夠和線路縱聯(lián)保護配套使用,甚至將其作為線路縱聯(lián)保護的輔助功能,則可以大大提高性能價格比。2.2.4適應性D型雙端行波原理具有廣泛的適應性,即適用于各種交流輸電線路和直流輸電線路,并適用于不同的母線結(jié)構(gòu)和故障類型。3.單段a型流的原理3.1故障初始行波浪涌誤操作的方法學分析A型單端行波原理利用線路故障后在線路一端(本端)測量點提取的第1個正向行波浪涌與其在故障點反射波之間的時延計算本端測量點到故障點之間的距離,或者利用線路故障后在本端測量點提取的第1個反向行波浪涌與經(jīng)過故障點透射過來的故障初始行波浪涌在對端母線反射波之間的時延計算對端母線到故障點之間的距離。在圖1(a)所示的系統(tǒng)中,當故障初始行波浪涌到達故障線路兩端母線時將產(chǎn)生反射和透射現(xiàn)象,如圖2(a)所示。假定M端為測量端,且行波從本端母線到故障點的傳播方向為正方向。故障初始行波浪涌(以電流行波為例)到達M端時形成本端第1個反向行波浪涌,記為i-1(t)。該行波浪涌在M端母線的反射波形成本端第1個正向行波浪涌,記為i+1(t),它將向故障點方向傳播。行波浪涌i+1(t)到達故障點時將發(fā)生反射和透射,其中故障點反射波返回M端時表現(xiàn)為反向行波浪涌,記為i-FR(t)。故障初始行波浪涌在N端(對端)母線的反射波到達故障點時也將發(fā)生反射和透射,其中故障點透射波將向M端方向傳播,它到達該端測量點時表現(xiàn)為反向行波浪涌,記為i-NR(t)。線路故障后,從M端提取的正向和反向電流暫態(tài)行波波形如圖2(b)所示。設行波浪涌i+1(t)和i-FR(t)之間的時間延遲為Δt,它顯然等于故障暫態(tài)行波在測量點與故障點之間往返一次的傳播時間,因而測量點到故障點之間的距離可以表示為:DMF=12νΔt(2)DΜF(xiàn)=12νΔt(2)式中ν為波速度。設行波浪涌i-1(t)和i-NR(t)之間的時間延遲為Δt′,它顯然等于故障暫態(tài)行波在故障點與對端母線之間往返一次的傳播時間,因而對端母線到故障點之間的距離可以表示為:DNF=12νΔt′(3)DΝF=12νΔt′(3)以上分析表明,在線路測量點能否正確識別來自不同方向的行波浪涌,是實現(xiàn)A型單端行波原理的關鍵。3.2綜合評價3.2.1測量誤差分析A型單端行波原理利用故障暫態(tài)行波在故障點與任一端母線之間的傳播速度和傳播時間計算故障距離。因此,能否獲得準確的波速度和行波傳播時間,將直接影響測距準確性,其中波速度的影響已經(jīng)在第1.2節(jié)進行了分析。為了獲得準確的測距結(jié)果,行波傳播時間應定義為能夠到達測量點的最高頻率分量的傳播時間。這樣,在時域中兩個行波浪涌之間的時間延遲可以定義為二者波頭起始點之間的時間間隔。該時間間隔的測量誤差取決于采樣頻率,即采樣頻率越高,測量誤差越小。由于暫態(tài)行波中的高頻分量在傳播過程中會發(fā)生較大程度的衰減,因而當采用固定的波速度時,行波測距所測量的兩個波頭之間的時間間隔越長,其測量誤差也越大。顯然,無論故障點的位置如何,采用綜合模式下的A型單端行波原理始終可以獲得最佳的準確性。由于A型單端行波原理不受線路長度和授時系統(tǒng)時間誤差的影響,因而能夠提供比D型雙端行波原理更為準確的測距結(jié)果。3.2.2故障方向的轉(zhuǎn)換波和對端汽車反射波測距算法的發(fā)展A型單端行波原理的可靠性主要表現(xiàn)在兩個方面,一是故障點反射波和對端母線反射波的可靠識別,二是來自故障方向的行波浪涌與干擾信號的可靠識別。故障點反射波和對端母線反射波的性質(zhì)主要取決于兩端母線的接線方式。當母線上除故障線路外無其它出線時,故障初始行波浪涌在母線的反射波會在幾個微秒內(nèi)發(fā)生極性翻轉(zhuǎn),從而給故障點反射波和對端母線反射波的檢測和識別造成困難。在一般情況下,故障點反射波和對端母線反射波都能夠到達線路一端的測量點,因而標準模式和擴展模式下A型單端行波原理的測距結(jié)果之和應近似等于線路全長。據(jù)此可以對故障點反射波和對端母線反射波進行進一步確認,并對故障測距結(jié)果的正確性進行驗證,從而提高測距可靠性。從實測波形來看,通過人工波形分析,一般都能夠可靠地區(qū)分故障點反射波和對端母線反射波,但目前還沒有一種實時測距算法能夠在任何情況下可靠區(qū)分故障點反射波和對端母線反射波。來自故障方向的行波浪涌與干擾信號的可靠識別,也是構(gòu)造實時測距算法時所面臨的重要問題之一。檢測行波浪涌最經(jīng)典的算法是相關函數(shù)法和匹配濾波器法,但由于行波在傳播過程中其波形會發(fā)生畸變,降低了這些算法的可靠性。盡管A型單端行波原理的自動測距可靠性較差,但通過人工波形分析仍然能夠獲得可靠的測距結(jié)果。因此,A型單端行波原理仍然值得推廣,尤其是在不具備D型雙端行波測距條件的場合。3.2.3施投資及投資小A型單端行波原理由于不需要通道及時間同步設施,因而投資較小。當只利用電流暫態(tài)分量實現(xiàn)行波故障測距時,還可以很方便地監(jiān)測同母線上多回甚至全部線路,從而獲得更大的性能價格比。3.2.4適應性A型單端行波原理與D型雙端行波原理具有同樣廣泛的適應性。4.a型行波測距技術D型雙端行波原理能夠自動給出故障點位置,但其準確性受線路長度和授時系統(tǒng)的影響。當授時系統(tǒng)工作不正常時,D型行波測距結(jié)果是不可信的。A型單端行波原理上具有更高的準確性,但由于測距算法不成熟而難以自動給出正確的測距結(jié)果。多年的實際應用表明,在絕大多數(shù)情況下,利用專門的行波波形分析軟件,通過人工和計算機輔助分析線路一端記錄到的故障暫態(tài)波形,可以獲得可靠、準確的A型行波測距結(jié)果。因此,在離線狀態(tài)下,可以利用A型原理對D型原理給出的行波測距結(jié)果進行驗證和校正,從而獲得更為理想的測距效果。這就是以D型為主、A型為輔的優(yōu)化組合行波測距方案,它一般包含以下2個步驟:4.1自動傳輸d型行波測距結(jié)果初測就是利用D型雙端行波原理初步測量故障點位置。如果被監(jiān)視線路兩端的行波采集與處理系統(tǒng)之間具備通信條件,當線路發(fā)生故障后,兩端采集與處理系統(tǒng)將自動調(diào)取對方的故障啟動報告,并自動給出D型行波測距結(jié)果。也可以通過行波分析主站自動或人工調(diào)取故障線路兩端采集與處理系統(tǒng)的故障啟動報告,進而自動給出D型行波測距結(jié)果。如果不具備通信條件或者通信臨時中斷,可以在線路故障后由線路一端所在變電所通過人工撥打電話的方式詢問線路對端采集與處理系統(tǒng)記錄到的故障初始行波浪涌到達時間,進而通過本端行波采集與處理系統(tǒng)提供的離線D型行波測距組件給出測距結(jié)果。4.2d型行波測距系統(tǒng)的資以初測獲得的本端測量點(或?qū)Χ四妇€)到故障點的距離為基準,根據(jù)A型單端行波原理,借助于專用的離線行波波形分析軟件,通過人工和計算機輔助分析本端記錄到的故障暫態(tài)波形,驗證在設定的誤差范圍內(nèi)(一般不超過±1km)是否存在由故障點反射波(或?qū)Χ四妇€反射波)引起的暫態(tài)分量。如果在設定的誤差范圍內(nèi)存在由故障點反射波(或?qū)Χ四妇€反射波)引起的暫態(tài)分量,則表明D型行波測距結(jié)果是可信的,而且最終給出更為準確的A型行波測距結(jié)果。如果經(jīng)過驗證表明D型行波測距結(jié)果是不可信的,則只能單獨根據(jù)A型單端行波原理分析出故障點位置。在實際應用過程中,由于客觀條件的限制,并非同一母線上的所有線路都能夠配備D型行波測距功能。在這種情況下,一般選擇比較重要的1～2回線