王泰凈 梁鳳強(qiáng) 李亞會(huì) 周 京 李 京

1.中國南方電網(wǎng)超高壓輸電公司廣州局 廣東 廣州 510405

2.山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 山東 淄博 255049

0 引言

目前應(yīng)用比較廣泛的高壓輸電線路測(cè)距方法主要有阻抗法和行波法［1-4］。與阻抗法相比，行波法不受過渡電阻、線路參數(shù)、互感器誤差以及故障類型等因素的影響［5-7］。并且由于行波在線路中的傳播速度較為穩(wěn)定，使得測(cè)距精度得以保證，因而在實(shí)際故障測(cè)距系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用［8-11］。但對(duì)于架空線路-海纜混合線路來講，由于這種線路結(jié)構(gòu)應(yīng)用較少，因此國內(nèi)外尚無此方面的應(yīng)用案例。針對(duì)我國第一個(gè)500kV超高壓、長距離和較大容量的跨海聯(lián)網(wǎng)工程—海南聯(lián)網(wǎng)工程，研究基于行波原理的架空線—海纜混合線路準(zhǔn)確故障測(cè)距技術(shù)，對(duì)于快速查找和修復(fù)混聯(lián)線路故障，從而提高供電可靠性，具有重要的理論和實(shí)際意義。

為了解決上述問題，本文設(shè)計(jì)了海南聯(lián)網(wǎng)混合輸電線路行波測(cè)距系統(tǒng)總體方案并分析了適用于架空線—海纜混合線路的行波測(cè)距原理，開發(fā)出適用于海南聯(lián)網(wǎng)500kV架空線—海底電纜混合輸電線路的混合線路行波測(cè)距系統(tǒng)和行波測(cè)距終端裝置。

1 海南聯(lián)網(wǎng)工程測(cè)距系統(tǒng)總體方案

海南聯(lián)網(wǎng)工程北起500kV湛江港城站，南到海南福山站，湛江港城變—徐聞高抗站全長110.227km，徐聞高抗站—南嶺海纜終端站全長14.184km、經(jīng)過31.4公里海底電纜，在林詩島終端站登陸。林詩島終端站—福山變電站全長13.468km，線路結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 海南聯(lián)網(wǎng)工程線路結(jié)構(gòu)

其中的500kV湛江港城站—南嶺海纜終端站為架空線路，南嶺海纜終端站—林詩島終端站為海纜，林詩島終端站—福山變電站為架空線路。

其總體方案是在500kV湛江港城站、徐聞高抗站和福山變電站各安裝一套站端行波采集系統(tǒng)，包括GPS同步時(shí)鐘、行波采集裝置、數(shù)據(jù)處理與遠(yuǎn)傳裝置，構(gòu)成如圖2的系統(tǒng)：

圖2 海南聯(lián)網(wǎng)工程總體方案

行波初始時(shí)刻準(zhǔn)確標(biāo)定的問題通過使用GPS精確對(duì)時(shí)保證基準(zhǔn)時(shí)間精度，通過高速數(shù)據(jù)采集完整記錄初始行波并記錄啟動(dòng)時(shí)刻，通過二進(jìn)小波變換準(zhǔn)確識(shí)別初始行波起始點(diǎn)，進(jìn)而獲得了精確的可供計(jì)算使用的行波初始時(shí)刻。

3個(gè)站之間互相構(gòu)成雙端測(cè)距系統(tǒng)，且互為備份，顯而易見，海纜故障時(shí)可靠性大大增強(qiáng)。且由于南嶺海纜終端站和林詩島終端站目前不具備安裝行波測(cè)距裝置的條件，無供電電源、TA、TV，故本方案工程實(shí)施更容易。

2 故障測(cè)距原理

2.1 雙端D型行波測(cè)距原理

對(duì)于500kV廣東湛江側(cè)到徐聞高抗站的純架空線輸電線路，本系統(tǒng)采用雙端D型行波測(cè)距原理，即利用故障初始行波到達(dá)500kV廣東湛江側(cè)和徐聞高抗站測(cè)量點(diǎn)的時(shí)間差值來給出測(cè)距結(jié)果。如圖3所示。根據(jù)故障初始行波到達(dá)線路兩端母線的時(shí)間差，可計(jì)算故障距離：

其中S表示廣東湛江側(cè)測(cè)距裝置，R表示徐聞高抗站測(cè)距裝置，XS、XR分別為故障點(diǎn)到線路兩端測(cè)量裝置的距離，為行波在架空線中的傳播速度，L為線路全長，tS和tR分別為故障初始行波到達(dá)線路兩端測(cè)距裝置的絕對(duì)時(shí)刻。

圖3 雙端測(cè)距原理示意圖

2.2 基于時(shí)間中點(diǎn)的雙端測(cè)距方法

而對(duì)于徐聞高抗站到500kV福山變電站的架空線—海底電纜—架空線3段混合輸電線路，本系統(tǒng)采用時(shí)間中點(diǎn)法來實(shí)現(xiàn)故障測(cè)距。如圖4所示，以故障點(diǎn)F位于線路RQ段為例，線路RQ表示徐聞高抗站到南嶺海纜終端站的架空線路，線路QP表示南嶺海纜終端站到林詩島終端站的海底電纜線路，線路PN表示林詩島終端站到500kV福山變電站側(cè)的架空線路，LRF表示故障點(diǎn)F到R端的距離。

其具體步驟如下：

1）確定混合線路RN的結(jié)構(gòu)參數(shù)，包括各段線路長度以及行波在海纜和架空線的實(shí)際波速度v1、v2。

2）根據(jù)已知的線路結(jié)構(gòu)參數(shù)確定混合線路的時(shí)間中點(diǎn)T0（行波信號(hào)從該點(diǎn)傳播到混合線路兩端的時(shí)間相等）以及行波在T0Q段海底電纜、QR段架空線、T0P段海底電纜以及PN段架空線中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間 t1、t2、t3和 t4。

3）確定故障搜索方向。設(shè)在線路R端和N端檢測(cè)到的行波波頭到達(dá)時(shí)間分別為TR、TN，定義時(shí)間參量 Δt=TR-TN。 以向 R 端搜索為例，若 Δt／2＜t1，則故障點(diǎn)在 T0Q 段海底電纜內(nèi)，若 Δt／2＞t1，繼續(xù)向前搜索，然后判斷Δt／2與t1+t2的關(guān)系，判斷出t1＜Δt／2＜t1+t2，從而初步確定出故障發(fā)生在QR段架空線中。

4）確定故障點(diǎn)。 計(jì)算出參量 Δt’=Δt／2-t1，進(jìn)而求出行波從Q點(diǎn)開始以波速v2在QR段架空線中運(yùn)動(dòng)Δt’時(shí)間到達(dá)故障點(diǎn)F。故障點(diǎn)距離R端的距離可以由式 LRF=（t2-Δt’）×v2給出。

圖4 混合線路結(jié)構(gòu)圖

3 行波測(cè)距終端裝置

3.1 行波測(cè)距終端裝置的結(jié)構(gòu)

行波測(cè)距終端裝置采用2U，19英寸標(biāo)準(zhǔn)金屬機(jī)箱。前面板包括電源、運(yùn)行、時(shí)間同步、觸發(fā)、通信、數(shù)據(jù)6個(gè)指示燈。后面板是插箱式插板，共有9塊，分別為POWER插板、STANDBY插板、COMM.插 板 、TIME SYNC. 插 板 、DIGITAL I／O 插 板 和ANALOG INPUT 插板 （包括 AI1／AI2／AI3／AI4 插板）。

3.2 基本工作原理

行波測(cè)距終端裝置構(gòu)成原理框如圖5所示。它包括中央處理單元 （CPU，central processing unit）、模擬信號(hào)輸入電路、高速數(shù)據(jù)采集單元（DAU，data acquisition unit）、高精度時(shí)鐘與同步信號(hào)接收電路、通信接口、開關(guān)量（DO，digital output）輸出電路、開關(guān)量（DI，digital input）輸入電路、人機(jī)接口電路和開關(guān)電源等幾個(gè)基本組成部分。

圖5 行波測(cè)距終端裝置的構(gòu)成原理框圖

1）中央處理單元

中央處理單元（CPU）是行波測(cè)距終端裝置的核心單元，其主要功能是讀取、處理來自高速數(shù)據(jù)采集單元的暫態(tài)行波數(shù)據(jù)，緩存行波記錄并根據(jù)選定的通信規(guī)約將行波記錄上傳至行波分析主站。CPU還協(xié)調(diào)整個(gè)裝置的工作，完成時(shí)間同步、整定配置參數(shù)管理、運(yùn)行狀態(tài)指示、裝置觸發(fā)與故障報(bào)警等功能。

2）模擬信號(hào)輸入電路

模擬信號(hào)輸入電路完成電流、電壓輸入信號(hào)的轉(zhuǎn)換、濾波、放大等功能，將來自電流、電壓互感器的暫態(tài)行波信號(hào)調(diào)理成滿足A／D轉(zhuǎn)換輸入要求的小信號(hào)。

3）高速數(shù)據(jù)采集單元

為使行波測(cè)距分辨率達(dá)到200m，暫態(tài)行波信號(hào)采樣頻率不應(yīng)低于1MHz，而采用常規(guī)的由微處理器（MCU）直接控制的A／D轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)采集技術(shù)難以滿足要求。行波測(cè)距終端裝置采用獨(dú)立于MCU的硬件數(shù)據(jù)采集電路，實(shí)現(xiàn)了暫態(tài)行波信號(hào)高速記錄。

4）高精度時(shí)鐘與時(shí)間同步信號(hào)接收電路

高精度時(shí)鐘電路產(chǎn)生精度達(dá)μs級(jí)的時(shí)間信號(hào)，送給高速數(shù)據(jù)采集單元，供其精確標(biāo)定觸發(fā)時(shí)刻。

時(shí)間同步信號(hào)輸入有IRIG-B與1PPS兩種方式。

采用IRIG-B同步方式時(shí)，同步信號(hào)接收電路接收并解碼IRIG-B格式的時(shí)間同步信號(hào)，形成1PPS秒同步脈沖與時(shí)間信息（精確到秒）。1PPS脈沖用于同步高精度時(shí)鐘電路，消除走時(shí)誤差。時(shí)間信息用于同步中央處理單元時(shí)鐘的對(duì)時(shí)。

采用1PPS同步方式時(shí)，同步信號(hào)接收電路直接接收1PPS秒同步脈沖，用于同步高精度時(shí)鐘電路。時(shí)間信息通過時(shí)間信息輸入接口（TIME SYNC.，RS-485 接口）輸入。

5）通信接口

包括兩個(gè)RS-232接口（COM1和COM2）和一個(gè)以太網(wǎng)接口。以太網(wǎng)接口用于以網(wǎng)絡(luò)通信的形式上傳行波記錄。兩個(gè)RS-232接口均可外接調(diào)制解調(diào)器（MODEM），以電話撥號(hào)的形式上傳行波記錄。一個(gè)RS-232接口支持以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)串行通信的形式上傳行波記錄，另一個(gè)RS-232接口用于裝置整定配置與維護(hù)通信。

6）開關(guān)量輸出電路

包括兩對(duì)光電隔離的空接點(diǎn)輸出，分別用于裝置啟動(dòng)與自檢異常報(bào)警。接點(diǎn)輸出可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用要求送至變電站監(jiān)控系統(tǒng)或故障信息管理系統(tǒng)。

7）開關(guān)量輸入電路

包括一對(duì)光電隔離的空接點(diǎn)輸入，用于裝置接外部的開關(guān)量信號(hào)輸入，可以是保護(hù)裝置的動(dòng)作信號(hào)或斷路器的動(dòng)作信號(hào)等開關(guān)量信號(hào)輸入。

8）人機(jī)接口電路

產(chǎn)生裝置運(yùn)行狀態(tài)指示信號(hào)，包括啟動(dòng)（觸發(fā)）指示、時(shí)間同步信號(hào)正常指示、裝置異常指示、通信指示等。

9）開關(guān)電源

接入110V或220V交／直流輸入，產(chǎn)生裝置內(nèi)部電路使用的直流電源。

4 行波故障測(cè)距系統(tǒng)分析軟件

4.1 運(yùn)行環(huán)境

1）分析軟件運(yùn)行的硬件環(huán)境

X86系列Pentium II 366以上的臺(tái)式機(jī)或筆記本

2）分析軟件運(yùn)行的軟件環(huán)境

（1）1Windows 95／98；

（2）Windows NT 4.0；

（3）Windows 2000 Profession；

（4）Windows XP；

（5）Windows 7。

3）系統(tǒng)的外部連接

在分析軟件啟動(dòng)之前，首先需要建立計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備的連接。分析軟件需要與前置故障檢測(cè)裝置通過串口建立連接，連接線纜為普通的串行通訊線，可以僅使用最基本的信號(hào)線：地線—5；接收信號(hào)線—2；發(fā)送信號(hào)線—3。

4.2 主要功能

行波故障測(cè)距系統(tǒng)行波分析軟件是Windows程序，主要完成：

1）自動(dòng)或人工遠(yuǎn)程提取廠站端行波采集與處理系統(tǒng)的暫態(tài)啟動(dòng)報(bào)告，并永久保存；

2）自動(dòng)進(jìn)行雙端行波故障測(cè)距；

3）架空線路-電纜混合線路測(cè)距；

4）桿塔定位；

5）提供人工波形分析功能以便對(duì)單端和雙端行波故障測(cè)距結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證和校正；

6）變電站內(nèi)行波測(cè)距終端裝置的運(yùn)行監(jiān)視；

7）歷史故障及測(cè)距結(jié)果統(tǒng)計(jì)、查詢；

8）故障報(bào)表。

運(yùn)行行波故障測(cè)距系統(tǒng)行波分析軟件的主站PC機(jī)至少應(yīng)具有一個(gè)RS-232串口和一個(gè)網(wǎng)絡(luò)口。串口用于采用撥號(hào)網(wǎng)絡(luò)時(shí)連接Modem，網(wǎng)絡(luò)口用于連接串口服務(wù)器以支持主站和變電站裝置的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊。

4.3 桿塔定位和混合測(cè)距功能

混合線路是指在架空／電纜混合線路。

桿塔是架空輸電線路中用來支撐輸電線的支撐物。配置和測(cè)距時(shí)可逐級(jí)計(jì)算。

對(duì)于海纜線路來說，海纜線路由于在海底鋪設(shè)，沒有明確的海上指示物，故需要采用地理經(jīng)緯度來標(biāo)識(shí)海纜的路由位置，即逐段標(biāo)識(shí)電纜的位置坐標(biāo)。

桿塔定位和海纜線路測(cè)距功能實(shí)現(xiàn)時(shí)統(tǒng)一進(jìn)行配置和實(shí)現(xiàn)。

5 結(jié)束語

行波測(cè)距是目前公認(rèn)的電力線路最為精確、使用范圍最寬的故障測(cè)距技術(shù)，且已有在較低電壓等級(jí)的電纜線路和超高壓輸電線路故障測(cè)距的成功先例，行波法對(duì)于500kV超高壓架空—海纜混合線路故障測(cè)距是可行的。本文針對(duì)海南聯(lián)網(wǎng)混合輸電線路設(shè)計(jì)了行波測(cè)距系統(tǒng)總體方案，并分析了適用于架空線—海纜混合線路的行波測(cè)距方法，即雙端D型行波測(cè)距方法與時(shí)間中點(diǎn)法，并詳盡介紹了針對(duì)超高壓架空—海纜混合線路研制的混合線路行波測(cè)距系統(tǒng)系統(tǒng)和行波測(cè)距終端裝置。

下一步，可以將研制的混合線路行波測(cè)距系統(tǒng)系統(tǒng)和行波測(cè)距終端裝置掛網(wǎng)運(yùn)行，以驗(yàn)證測(cè)距系統(tǒng)成果并為推廣使用做準(zhǔn)備，為海南聯(lián)網(wǎng)工程的運(yùn)行做出貢獻(xiàn)。

［1］ Li Zewen，Yao Jianggang，Zeng Xiangjun，Deng Feng.Power grid fault traveling wave network protection scheme［J］.Electrical Power and Energy Systems，33（2011） 875-879.

［2］劉偉，陳皓.基于分布參數(shù)模型的混合線路故障測(cè)距新算法［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2009，12（24）：76-80.

［3］楊軍，伍詠紅等.基于雙端故障信息的高壓電纜—架空線混合線路故障測(cè)距方法 ［J］. 電網(wǎng)技術(shù)，2010，1（1）：209-213.

［4］鄔林勇.利用故障行波固有頻率的單端行波故障測(cè)距法［D］.成都：西南交通大學(xué)，2009.

［5］ 10 Lee H.，Mousy A M.GPS Traveling Wave Fault Locator Systems：Investigation into the Anomalous Measurements Related to Lightning Strikes.IEEE Trans on Power Delivery，2006，11（3）： 1214-1223.

［6］ T.Johns.P.Agrawal.New Approach to Power Line Protection Based on the Detection of Fault Induced High Frequency Signals.IEEE Trans on Power Delivery，2006，137（4）： 307-314.

［7］于桂音，陳平，徐丙垠等.基于行波原理的優(yōu)化組合故障測(cè)距技術(shù)［J］.繼電器，2008，36（9）： 11-15.

［8］鄒麗生.WFL2010輸電線路故障測(cè)距系統(tǒng)在李家峽水電站的應(yīng)用［J］.青海電力，2006，25（2）：22-25.

［9］張勇.WFL2010輸電線路故障測(cè)距系統(tǒng)項(xiàng)目后評(píng)價(jià)研究［D］.長春：吉林大學(xué)，2007.

［10］陳平.輸電線路現(xiàn)代行波故障測(cè)距及其應(yīng)用研究［D］.西安：西安交通大學(xué)，2003.

［11］王翔.行波測(cè)距技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.上海電力，2011，（2）：121-125.