蔣彪，徐軍，楊波，袁仁彪，劉長(zhǎng)發(fā)，吳朝奎

(中國(guó)南方電網(wǎng)超高壓輸電公司貴陽(yáng)局，貴陽(yáng) 550003)

雙端裝置免精確對(duì)時(shí)的雙端行波故障測(cè)距

蔣彪，徐軍，楊波，袁仁彪，劉長(zhǎng)發(fā)，吳朝奎

(中國(guó)南方電網(wǎng)超高壓輸電公司貴陽(yáng)局，貴陽(yáng) 550003)

提出一種不需要GPS給雙端裝置精確對(duì)時(shí)的雙端行波故障測(cè)距方法。在保護(hù)啟動(dòng)后、跳閘出口前從線路一端保護(hù)安裝電流二次回路注入一個(gè)特征脈沖信號(hào)，若故障點(diǎn)消失，此特征脈沖信號(hào)將從線路一端直接傳送到線路另一端；若故障點(diǎn)依然存在，則此特征脈沖信號(hào)從故障點(diǎn)透射傳送到線路另一端。記下特征脈沖信號(hào)到達(dá)另一端的時(shí)刻，根據(jù)線路總長(zhǎng)和行波波速可以計(jì)算出從一端傳到另一端所用時(shí)間，據(jù)此確定故障時(shí)兩端時(shí)鐘的精確時(shí)刻差，將一端時(shí)鐘補(bǔ)償兩端的精確時(shí)刻差，從而給兩端裝置進(jìn)行精確對(duì)時(shí)。該方法能準(zhǔn)確定位瞬時(shí)性故障和永久性故障，可靠性高。

雙端行波測(cè)距；不同步；特征脈沖

0 前言

行波故障測(cè)距可以分為單端行波測(cè)距和雙端行波測(cè)距[1]。單端行波測(cè)距不需要對(duì)側(cè)的行波信號(hào)，測(cè)距比較方便，正確識(shí)別第二個(gè)波頭是實(shí)現(xiàn)單端行波測(cè)距的關(guān)鍵，但由于第二個(gè)波頭往往是難以識(shí)別的，這也是單端行波測(cè)距可靠性低、實(shí)際應(yīng)用效果不佳的原因所在；雙端行波故障測(cè)距的關(guān)鍵技術(shù)是使用了全球定位系統(tǒng) (GPS)給兩端裝置進(jìn)行精確對(duì)時(shí)，使裝置記錄故障行波到達(dá)時(shí)間的精度在1 μs以內(nèi)[2]。

如果沒(méi)有GPS的精確對(duì)時(shí)，雙端行波測(cè)距隨之失去意義[3]。本文針對(duì)雙端時(shí)刻不同步的行波故障測(cè)距系統(tǒng)，通過(guò)在保護(hù)啟動(dòng)后、跳閘出口前從線路一端保護(hù)安裝處注入一個(gè)特征脈沖信號(hào)。在錄波波形中，極易找到特征明顯的特征脈沖的波頭，從而確定兩端時(shí)鐘的時(shí)刻之差，彌補(bǔ)雙端時(shí)刻不同步的缺陷。根據(jù)線路總長(zhǎng)和行波波速可以計(jì)算出從一端傳到另一端所用時(shí)間，據(jù)此便確定了兩端時(shí)鐘的時(shí)刻差。再根據(jù)故障行波首波頭到達(dá)兩端的時(shí)刻計(jì)算出故障距離。本方法不需要使用全球定位系統(tǒng) (GPS)給兩端裝置進(jìn)行精確對(duì)時(shí)，能準(zhǔn)確定位瞬時(shí)性故障和永久性故障，現(xiàn)場(chǎng)易于實(shí)現(xiàn)。

1 傳統(tǒng)雙端行波故障測(cè)距

如圖1所示在輸電系統(tǒng)中，輸電線路MN全長(zhǎng)為L(zhǎng)。雙端測(cè)距裝置都安裝了GPS進(jìn)行精確對(duì)時(shí)。如果線路F點(diǎn)處發(fā)生故障，記下M端錄波波形中故障行波首波頭到達(dá)時(shí)刻為tM；記下N端錄波波形中故障行波首波頭到達(dá)時(shí)刻為tN。設(shè)行波波速度為v，則得到雙端行波測(cè)距公式為：

圖1 雙端行波故障測(cè)距原理圖

故障點(diǎn)到M端距離為：

故障點(diǎn)到N端距離為：

傳統(tǒng)的雙端行波故障測(cè)距方法，以其首波頭精確時(shí)刻容易標(biāo)定，可靠性高的優(yōu)點(diǎn)在實(shí)際工程中得到了廣泛應(yīng)用。但其亦存在不可回避的缺點(diǎn)：需要在線路兩端安裝依靠GPS精確對(duì)時(shí)的測(cè)距裝置，時(shí)間是否同步及通信配合是否合理對(duì)測(cè)距影響極大[4]，如果兩端時(shí)間稍不同步 (如誤差在10 μs以上)，或者通信配合稍出差池，測(cè)距結(jié)果將失去意義。

2 雙端行波故障測(cè)距

如圖2所示的輸電系統(tǒng)中，輸電線路MN全長(zhǎng)為L(zhǎng)。雙端測(cè)距裝置沒(méi)有安裝GPS進(jìn)行精確對(duì)時(shí)。對(duì)于這樣雙端時(shí)刻不同步的行波故障測(cè)距系統(tǒng)，如果線路F點(diǎn)處發(fā)生故障后，線路兩端保護(hù)裝置會(huì)都會(huì)啟動(dòng)，在保護(hù)啟動(dòng)后、跳閘出口前立即在線路一端 (如M端)保護(hù)安裝處附近注入一個(gè)特征脈沖信號(hào)，考慮從一次回路注入特征脈沖比較困難，故從二次回路注入特征脈沖，再考慮電流不會(huì)突變，即從電流互感器的二次回路注入。工程中可以在串聯(lián)到保護(hù)裝置里的二次電流回路上注入特征脈沖，通過(guò)一個(gè)繼電器控制何時(shí)注入脈沖，注入什么樣的特征脈沖。此特征脈沖信號(hào)將通過(guò)互感器感應(yīng)到一次回路，再?gòu)木€路M端傳送到線路另一端N端。若此時(shí)故障點(diǎn)消失，此特征脈沖信號(hào)將直接從線路M端傳送到線路另一端N；若此時(shí)故障點(diǎn)依然存在，則此特征脈沖信號(hào)從故障點(diǎn)透射傳送到線路另一端N。

圖2 不需要雙端裝置精確對(duì)時(shí)雙端行波故障測(cè)距

根據(jù)兩端行波測(cè)距裝置的錄波波形，極易標(biāo)定兩端故障行波首波頭的到達(dá)時(shí)刻。特征信號(hào)為連續(xù)時(shí)間間隔相等的五次次脈沖信號(hào)，由于特征脈沖信號(hào)強(qiáng)、特征明顯，和故障行波在線路兩端、故障點(diǎn)的折反射行波區(qū)別極大，亦極易標(biāo)定兩端特征脈沖信號(hào)的到達(dá)時(shí)刻。不妨設(shè)記下M端錄波波形中故障行波首波頭到達(dá)時(shí)刻和特征脈沖到達(dá)時(shí)刻分別為tM、tM1(即為特征脈沖發(fā)射時(shí)刻)；記下N端錄波波形中故障行波首波頭到達(dá)時(shí)刻和特征脈沖到達(dá)時(shí)刻分別為tN、tN1。

根據(jù)故障行波首波頭和特征脈沖到達(dá)M、N兩端時(shí)刻差計(jì)算故障距離。若設(shè)M、N兩端時(shí)鐘本身時(shí)間之差為△t。則故障點(diǎn)到M端距離為：

所以

故障點(diǎn)到N端距離為：

其中△t為M、N兩端時(shí)鐘本身時(shí)間之差；L為線路全長(zhǎng)，v為行波的傳播速度。

3 仿真驗(yàn)證

建立500 kV輸電系統(tǒng)的PSCAD仿真模型如圖2所示。其線路參數(shù)如下：線路全長(zhǎng)L=150 km。輸電線路距離M端70 km發(fā)生接地故障，過(guò)渡電阻為50 Ω，取行波波速度為經(jīng)驗(yàn)值v=293 km/ms。圖3(a)為輸電線路M端電流故障行波波形；圖3(b)輸電線路N端電流故障行波波形。圖中分別標(biāo)定了故障行波的首波頭時(shí)刻和特征脈沖時(shí)刻。

圖3 M、N端故障電流行波波形及其時(shí)刻標(biāo)定

從圖中可以看出，M端首波頭到達(dá)時(shí)刻和特征脈沖到達(dá)時(shí)刻為分別為 tM=0.498 ms，tM1= 1.491 ms；N端錄波波形中首波頭到達(dá)時(shí)刻和特征脈沖到達(dá)時(shí)刻為分別為 tN=0.769 ms，tN1= 2.242 ms。

根據(jù)首波頭和特征脈沖到達(dá)M、N兩端時(shí)刻差計(jì)算故障距離。根據(jù)公式 (4)計(jì)算得到兩端時(shí)鐘的時(shí)刻差為：

代入公式 (5)、(8)：

計(jì)算故障點(diǎn)到M端距為：

故障點(diǎn)到N端距離為為：

為了驗(yàn)證本測(cè)距方法可靠性，現(xiàn)對(duì)不同故障距離進(jìn)行遍歷結(jié)果可見(jiàn)本測(cè)距方法不受故障距離、過(guò)渡電阻的影響，測(cè)距精度高。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)雙端時(shí)刻不同步的行波故障測(cè)距系統(tǒng)進(jìn)行分析，通過(guò)在保護(hù)啟動(dòng)后、跳閘出口前從線路一端保護(hù)安裝處注入一個(gè)特征脈沖信號(hào)來(lái)確定兩端系統(tǒng)的精確時(shí)差。再根據(jù)故障行波首波頭到達(dá)兩端的時(shí)刻計(jì)算出故障距離。本文提出的雙端行波測(cè)距不需要使用全球定位系統(tǒng) (GPS)給兩端裝置進(jìn)行精確對(duì)時(shí)，能準(zhǔn)確定位瞬時(shí)性故障和永久性故障，現(xiàn)場(chǎng)易于實(shí)現(xiàn)。

[1] 葛耀中.新型繼電保護(hù)和故障測(cè)距的原理與技術(shù) [M].西安：西安交通大學(xué)出版社，2007.

[2] 尹曉光，宋琳琳，尤志，等.與波速無(wú)關(guān)的輸電線路雙端行波故障測(cè)距研究 [J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2011，39 (1)：35-38.

[3] O.M.K.Kasun NanayakkaraLocation of DC Line Faults in Conventional HVDC Systems With Segments of Cables and O-verhead Lines Using Terminal Measurements[J].IEEE TRANSACTIONS ON POWER DELIVERY2012，1.

[4] 王升花，劉海波.輸電線路雙端行波故障測(cè)距新算法的仿真研究 [J].承德石油高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2009，11 (3)：44-46.

Research on Double Terminal Travel Wave Fault Location Technology without Double Terminal Time Synchronize

JIANG Biao，XU Jun，YANG Bo，YUAN Renbiao，LIU Changfa，WU Chaokui
(Guiyang Bureau，CSG EHV Power Transmission Company，Guiyang 550003，China)

This paper raise a double terminal traveling wave fault location method for double terminal device precision time without the need for GPS.After the start，in the protection of tripping outlet from one end of the line protection installation into a characteristics of the pulse signal，if the fault disappears，the characteristics of the pulse signal will be transmitted directly from one terminal to the other terminal of the line；if the fault still exists，the characteristics of the pulse signal from the point of failure is transmitted to the other terminal of the transmission line.Note the characteristics of the pulse signal to the other terminal of the time，according to the line length and velocity can be calculated from one end to another by using the precise moment at both ends，clock difference to determine fault，the precise moment end clock compensation difference at both ends，so precise synchronous to end device.The method can accurately locate the transient faults and permanent faults，high reliability.

double terminal traveling wave fault location；not synchronous pulse；characteristic pulse

TM93

B

1006-7345(2015)05-0043-03

2015-01-18

蔣彪 (1988)，男，碩士，工程師，中國(guó)南方電網(wǎng)超高壓輸電公司貴陽(yáng)局，從事電力系統(tǒng)保護(hù)控制、故障測(cè)距工作 (email)651859288＠qq.com。

徐軍 (1976)，男，中國(guó)南方電網(wǎng)超高壓輸電公司貴陽(yáng)局，從事電力系統(tǒng)直流系統(tǒng)控制、保護(hù)研究。

楊波 (1979)，男，碩士，中國(guó)南方電網(wǎng)超高壓輸電公司貴陽(yáng)局，從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)研究。