張廣怡，劉 暢，王旭彤

（1.鄭州電力高等?？茖W(xué)校，河南 鄭州 450000；2.國網(wǎng)河南省電力公司檢修公司，河南 鄭州 450000；3.河南城建學(xué)院，河南 平頂山 467000）

0 引 言

目前，我國電網(wǎng)進(jìn)入特高壓直流輸電發(fā)展的高速時(shí)期。西電東送、南北互供以及全國聯(lián)網(wǎng)是我國電網(wǎng)發(fā)展的總方針，也是21世紀(jì)國家能源工業(yè)建設(shè)的基本戰(zhàn)略目標(biāo)[1]。在一系列國家戰(zhàn)略的實(shí)施中，UHVDC憑借優(yōu)越的發(fā)展前景與經(jīng)濟(jì)效能，在超遠(yuǎn)距離電力輸送中發(fā)揮了重要作用。

特高壓直流輸電線路由于電壓等級(jí)高和輸送距離遠(yuǎn)，要穿越大量的山地、丘陵，甚至海洋和湖泊等復(fù)雜環(huán)境。因此，輸電線路容易受到自然環(huán)境因素干擾，如雷擊、滑坡以及雪災(zāi)，進(jìn)而導(dǎo)致較高的故障發(fā)生率[2]。UHVDC是智能電網(wǎng)的骨干網(wǎng)架，線路輸送功率遠(yuǎn)超其他等級(jí)輸電線路，發(fā)生故障后容易在送電端產(chǎn)生大量的剩余負(fù)荷，同時(shí)在受端產(chǎn)生大量的功率缺額。這不僅嚴(yán)重影響直流輸電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，而且如果線路為交直混聯(lián)系統(tǒng)，那么在直流線路閉鎖后，大容量功率將瞬間轉(zhuǎn)移到與之并行的交流通道，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)群功角失穩(wěn)與局部電網(wǎng)電壓驟降引起閉鎖，同時(shí)大容量直流潮流將轉(zhuǎn)移到并列的交流通道，造成交流線路過載，最終兩側(cè)系統(tǒng)發(fā)生功角失穩(wěn)，嚴(yán)重威脅電力系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定運(yùn)行[3]。

基于以上UHVDC的種種故障特點(diǎn)，如果能夠快速準(zhǔn)確地定位故障，做到早發(fā)現(xiàn)早清除，將有助于有效保障輸電線路安全穩(wěn)定運(yùn)行，減少輸電線路故障帶來的經(jīng)濟(jì)損失[4]。準(zhǔn)確的故障測距系統(tǒng)還可以減輕電網(wǎng)維護(hù)人員的勞作強(qiáng)度，提高故障停電的恢復(fù)供電速度，保障電網(wǎng)的安全運(yùn)行。因此，對特高壓輸電線路（UHVDC）的故障測距方法進(jìn)行研究有著重要的現(xiàn)實(shí)意義和使用價(jià)值。

1 系統(tǒng)平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖1所示，特高壓直流輸電故障定位系統(tǒng)硬件由故障定位器、在線監(jiān)測終端、遠(yuǎn)程通信信箱、安全接入平臺(tái)以及客戶定位系統(tǒng)終端設(shè)備構(gòu)成。

1.1 故障定位器

該裝置主要由行波信號(hào)發(fā)生器TWSG（Traveling Wave Signal Generator）和行波信號(hào)采集裝置TWSC（Traveling Wave Signal Collector）兩部分構(gòu)成。當(dāng)特高壓直流輸電線路發(fā)生故障并在引發(fā)斷路器動(dòng)作后，TWSG定向?qū)收暇€路發(fā)出特定的行波信號(hào)，由集成、分析以及判斷功能為一體的采集裝置收集行波信號(hào)后，進(jìn)行故障判別與分析。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

故障定位器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。主機(jī)采用DSP（Digital Signal Processing）控制器、數(shù)字合成信號(hào)發(fā)生器以及功率放大器提供輸出行波信號(hào)。

圖2 故障定位器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

1.2 在線監(jiān)測終端

在線監(jiān)測終端主要包括核心處理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)發(fā)送模塊以及數(shù)據(jù)庫服務(wù)器等，系統(tǒng)原理如圖3所示。

圖3 在線監(jiān)測終端原理框圖

1.3 遠(yuǎn)程通信信箱

遠(yuǎn)程通信信箱是一種分布式信息處理單元，可以以最小化的消耗進(jìn)行通信處理。它的結(jié)構(gòu)與分布式計(jì)算機(jī)的通信類似，可以按照不同的等級(jí)來實(shí)施。它與其他技術(shù)最重要的區(qū)別在于結(jié)構(gòu)的可擴(kuò)展性。它的通信協(xié)議采用TCP協(xié)議，在硬件層有著強(qiáng)大的拓展能力，可以實(shí)現(xiàn)偵聽、信道格式化程序、字處理、數(shù)據(jù)錄入、數(shù)據(jù)收集以及程序計(jì)算等功能，大大節(jié)省了數(shù)據(jù)處理、轉(zhuǎn)運(yùn)以及分析計(jì)算的成本。

1.4 安全接入平臺(tái)

平臺(tái)依據(jù)規(guī)范要求，采用YD/T 2406—2017《互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心和互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)信息安全管理系統(tǒng)及接口通信標(biāo)準(zhǔn)》。網(wǎng)絡(luò)安全系統(tǒng)采用防火墻和VPN技術(shù)管理手段，定向分析流量、業(yè)務(wù)監(jiān)控、安全審計(jì)以及操作行為分析等功能，主要防范DDoS攻擊和網(wǎng)絡(luò)入侵檢測等，同時(shí)保障數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與傳輸安全。

1.5 客戶端定位系統(tǒng)

系統(tǒng)軟件采用Microsoft Visual Studio作為開發(fā)平臺(tái)，采用C++語言編寫人機(jī)交互界面，通過調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫PComm32.dll文件，利用Ethernet通信方式傳輸信息?？蛻舳硕ㄎ幌到y(tǒng)安裝在變電站主機(jī)上，界面如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)界面圖

2 系統(tǒng)平臺(tái)功能設(shè)計(jì)

基于故障定位器、在線監(jiān)測終端、遠(yuǎn)程通信信箱以及安全接口等硬件，開發(fā)故障定位系統(tǒng)平臺(tái)。平臺(tái)安裝于直流站內(nèi)的計(jì)算機(jī)主機(jī)，可實(shí)現(xiàn)對國家電網(wǎng)所有特高壓線路的故障定位。特高壓直流線路故障定位系統(tǒng)平臺(tái)具有下列功能。

2.1 基于行波原理的故障定位

行波算法基于行波原理，即計(jì)算故障行波波頭或故障反射波波頭到達(dá)測量點(diǎn)的時(shí)間，乘以理論行波波速，從而得到故障距離。主流的行波測距法有6種，但限于測距精度和應(yīng)用條件，目前最廣泛采用的行波測距法是A型與D型。A型屬于單端法，D型屬于雙端法，圖5為暫態(tài)故障行波傳播網(wǎng)格。

2.1.1 單端行波測距原理

以A型為例說明理論原理，如圖5所示。

圖5 故障暫態(tài)行波傳播網(wǎng)格圖

設(shè)測量端位于母線M上，行波的傳播方向從直流母線指向故障點(diǎn)，設(shè)為正方向。當(dāng)故障行波首次達(dá)到M端測量點(diǎn)時(shí)，記為時(shí)間t1；當(dāng)行波經(jīng)故障點(diǎn)折射后第二次到達(dá)測量點(diǎn)時(shí)，記為時(shí)間t2。兩個(gè)時(shí)刻之差為Δt，波速為v，則故障點(diǎn)和測量端的間距用DMF表示：

記行波首次到達(dá)測量端M點(diǎn)的時(shí)刻為t3，由被N端受點(diǎn)反射至M端的故障行波首次到達(dá)M端測量點(diǎn)的時(shí)刻t4，兩者之差即為Δt'，則故障點(diǎn)和N端測量點(diǎn)的間距用DNF表示：

以上即為A型行波測距法的基本理論原理。由推導(dǎo)可見，誤差的精確性主要取決于是否能夠精確采集與測算來自不同線路不同方向的故障行波反射次數(shù)，是A行測距法的難點(diǎn)。

2.1.2 雙端行波測距原理

基于圖5，介紹D型行波測距法的理論原理。行波發(fā)生器產(chǎn)生的行波正向設(shè)定為由直流母線指向故障點(diǎn)。設(shè)故障行波首次達(dá)到測量端M點(diǎn)的行程時(shí)間為TM，首次達(dá)到測量端N點(diǎn)的行程時(shí)間為TN，則故障點(diǎn)與線路中兩個(gè)采集點(diǎn)的距離DMF和DNF可以分別表示為：

其中，L為線路長度，v為波速。

2.2 基于故障數(shù)據(jù)庫的故障預(yù)判

調(diào)查統(tǒng)計(jì)特高壓直流線路故障現(xiàn)象和原因，包括發(fā)生頻次、位置以及故障錄波數(shù)據(jù)等。選取以前故障多發(fā)地的1～2個(gè)特高壓直流輸電系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)，包括換流閥、橋臂電抗器、直流電纜（或架空線）以及換流變壓器等一次設(shè)備的型號(hào)、結(jié)構(gòu)以及參數(shù)，統(tǒng)計(jì)分析特高壓直流線路參數(shù)等。

以某個(gè)特高壓直流輸電系統(tǒng)為對象建立模型，采用疊加原理分析單極直流線路故障和雙極直流線路故障機(jī)理，分析故障前后各種電氣量的變化、故障后行波傳播特性、行波能量衰減特性、行波折反射規(guī)律以及行波模量的波速變化特性。通過研究故障類型和故障位置等關(guān)鍵特征信息，針對故障特征的影響和其影響規(guī)律建立故障數(shù)據(jù)庫。系統(tǒng)的服務(wù)器數(shù)據(jù)庫基于SQL Server開發(fā)，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳云端儲(chǔ)存并備份。系統(tǒng)從已建立的數(shù)據(jù)庫中讀取故障數(shù)據(jù)的特征閾值與采樣數(shù)值波動(dòng)范圍進(jìn)行故障類型判別。故障類別有單相接地短路、相間短路、兩相接地短路以及三相短路等。

2.3 提供工具清單

系統(tǒng)平臺(tái)在初步判斷出故障類型和故障位置后，自動(dòng)生成并提供工具清單。系統(tǒng)平臺(tái)具有編制完善的工具清單庫，用于輸電線路維護(hù)、日檢、定檢以及故障處理等，并記錄所需的所有設(shè)備信息，如名稱、類別、功能、供應(yīng)商、適用電壓等級(jí)以及數(shù)量等。實(shí)際應(yīng)用中，需依據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行篩選，生成特定故障類型所需的工具清單。

2.4 專家?guī)鞂＜以茣?huì)診

對于一般故障，運(yùn)維檢修人員可以進(jìn)行處理。對于較難解決的故障，可組織專家云會(huì)診。

平臺(tái)具有專家APP，因此電力行業(yè)專家登錄APP即可參與會(huì)診。會(huì)診結(jié)果可由平臺(tái)自動(dòng)生成，而調(diào)度中心參考轉(zhuǎn)接會(huì)診結(jié)果生成操作票等工作票。

2.5 故障記錄及查詢

故障定位系統(tǒng)在運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生大量的故障數(shù)據(jù)和相應(yīng)的維護(hù)記錄。系統(tǒng)平臺(tái)提供故障檔案查詢功能，以幫助系統(tǒng)后期定位故障，縮短定位和故障類型判斷時(shí)間。故障查詢功能界面如圖6所示。

圖6 故障查詢功能圖

2.6 動(dòng)態(tài)監(jiān)測

為了實(shí)時(shí)監(jiān)測特高壓直流輸電線路故障情況，掌握系統(tǒng)運(yùn)行工況，判斷故障類型，記錄故障前后參數(shù)值，系統(tǒng)平臺(tái)提供動(dòng)態(tài)監(jiān)測功能。系統(tǒng)主要監(jiān)測特高壓直流輸電線路電壓值和電流值，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)接收并發(fā)出故障定位行波。

3 結(jié) 論

本文針對特高壓直流輸電線路故障發(fā)生時(shí)故障定位困難、不精確以及不及時(shí)等問題，設(shè)計(jì)了一種適用于特高壓直流輸電線路的故障定位系統(tǒng)方案。該系統(tǒng)方案采用行波測距法進(jìn)行故障定位，以Microsoft Visual Studio作為開發(fā)平臺(tái)，利用C++語言編寫人機(jī)交互界面，并對系統(tǒng)平臺(tái)功能方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了特高壓直流輸電線路故障點(diǎn)的快速定位和類型識(shí)別，有效提高了特高壓直流輸電線路運(yùn)行的可靠性與穩(wěn)定性。