杜來會(huì) 房新棟 程 飛 張 勇 楊 昊 張培龍 王福剛 孫長(zhǎng)群

（華電福新安徽新能源有限公司）

0 引言

能源問題一直是全世界所關(guān)注的焦點(diǎn)問題，使得人類把目光投向了新能源領(lǐng)域，包括風(fēng)能、太陽能等。隨著國(guó)家大力支持新能源的政策，中國(guó)風(fēng)電技術(shù)快速發(fā)展，越來越多的風(fēng)電接入到電力系統(tǒng)中，由于風(fēng)電場(chǎng)集電線路特殊的運(yùn)行模式，風(fēng)電場(chǎng)的隨機(jī)、波動(dòng)特性、故障測(cè)距等一系列問題給傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)經(jīng)濟(jì)調(diào)度帶來了新的問題挑戰(zhàn)。就故障測(cè)距而言，由于目前電力系統(tǒng)采用的故障測(cè)距多為阻抗法測(cè)距，而風(fēng)電場(chǎng)集電線路構(gòu)成較為復(fù)雜：一、線路中存在較多風(fēng)機(jī)；二、由于線路走廊的問題，大部分集電線路采用電纜架空混架構(gòu)成，因此傳統(tǒng)的阻抗法在風(fēng)電場(chǎng)集電線路中測(cè)距經(jīng)常定位存在較大偏差，依據(jù)傳統(tǒng)測(cè)距方法，風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)維人員難以快速、精確查找故障點(diǎn)，無法排除現(xiàn)場(chǎng)故障，會(huì)導(dǎo)致風(fēng)電場(chǎng)被迫停運(yùn)，更有甚者引發(fā)風(fēng)電場(chǎng)脫網(wǎng)現(xiàn)象，因此一種有效的風(fēng)電場(chǎng)故障測(cè)距手段顯得極為重要。近年來隨著小波變換和希爾伯特黃變換等一系列數(shù)據(jù)處理方法的成熟應(yīng)用，行波法故障測(cè)距開始逐漸為大眾所接受。

文中以行波法測(cè)距為背景，詳細(xì)介紹了行波傳輸理論和行波法定位的優(yōu)勢(shì)。描述了完整的故障采集、監(jiān)測(cè)、計(jì)算、反饋系統(tǒng)，通過大量的仿真實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)的掛網(wǎng)實(shí)驗(yàn)證明了此系統(tǒng)的穩(wěn)定系和優(yōu)越性。

1 行波法測(cè)距

行波法于20世紀(jì)40年代提出，經(jīng)過大量學(xué)者的研究和實(shí)踐利用，結(jié)合現(xiàn)行的小波包變化和高精度采樣的GPS技術(shù)，目前已可成熟應(yīng)用于輸電線路故障定位?，F(xiàn)代行波測(cè)距法只要有單端法、重合閘法、廣域行波信息網(wǎng)絡(luò)法、雙端法。以下分別從四個(gè)方面介紹行波法測(cè)距在風(fēng)電場(chǎng)集電線路中的應(yīng)用。

1.1 單端法測(cè)距

單端法測(cè)距主要是采用入射波和反射波進(jìn)行故障測(cè)距，其故障測(cè)距原理如圖1所示，故障測(cè)距公式如式（1）所示，主要利用故障點(diǎn)第一次到達(dá)設(shè)備的時(shí)刻和監(jiān)測(cè)到故障點(diǎn)變電站反射波來進(jìn)行故障的精確定位：

圖1 單端法測(cè)距

單端法測(cè)距相對(duì)較為簡(jiǎn)單，只需要一臺(tái)設(shè)備對(duì)線路進(jìn)行監(jiān)測(cè)即可，但是由于單端法測(cè)距針對(duì)于故障距離變電站較近時(shí)可能存在波頭難以提取、線路存在多故障點(diǎn)時(shí)無法精確定位等問題，因此單端法故障定位采用的較少。

1.2 重合閘法測(cè)距

重合閘法故障測(cè)距有多種測(cè)距方式，以下只以一種為例對(duì)重合閘法故障測(cè)距進(jìn)行說明，重合閘法測(cè)距是指在發(fā)生故障后，站內(nèi)進(jìn)行重合站動(dòng)作，在永久性故障時(shí)站內(nèi)發(fā)出的行波遇到永久性故障點(diǎn)在變電站與故障點(diǎn)之間來回折反射，其測(cè)距原理如圖2所示，測(cè)距公式如式（2）、式（3）所示：

圖2 重合閘法測(cè)距

重合閘法故障測(cè)距是基于單端測(cè)距原理上的一種延伸測(cè)距方法，通過驗(yàn)證已知距離Xb，來推算Xm。但是由于重合閘測(cè)距的方法行波是從變電站發(fā)出，因此稍稍異于單端測(cè)距法，主要針對(duì)重合閘失敗的測(cè)距方法，此方法在重合閘成功時(shí)沒辦法成功測(cè)距，故障點(diǎn)消失時(shí)，變電站行波無法進(jìn)行折反射。因此也極少采用此類方法進(jìn)行故障測(cè)距。

1.3 廣域行波信息網(wǎng)絡(luò)法

廣域行波信息發(fā)測(cè)距是指利用網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行故障測(cè)距，其故障測(cè)距原理如圖3所示，是指采用跨變電站進(jìn)行折反射的行波進(jìn)行故障的精確定位。

圖3 廣域行波信息網(wǎng)絡(luò)測(cè)距

由于廣域行波信息網(wǎng)絡(luò)法測(cè)距是沿用其他線路終端進(jìn)行測(cè)距，而中間跨越變電站，由于行波在傳輸?shù)倪^程中受到變電站影響，因此此類測(cè)距方案測(cè)距精度較差。

1.4 雙端法測(cè)距

如圖4所示，在線路中固定位置安裝行波監(jiān)測(cè)終端，m、n為行波監(jiān)測(cè)終端，當(dāng)線路發(fā)生故障時(shí)，行波到達(dá)終端m的時(shí)刻為t1、行波到達(dá)終端n的時(shí)刻為t2，由于終端m、n的之間的距離L已知，Xm為故障點(diǎn)距離設(shè)備m的距離，Xn為故障點(diǎn)距離設(shè)備n的距離，Δt為t1、t2時(shí)間差，結(jié)合高精度GPS時(shí)間差可對(duì)線路進(jìn)行故障精確定位，可準(zhǔn)確高效的計(jì)算出故障點(diǎn)距離設(shè)備兩邊的距離。距離測(cè)算如式（4）～式（6）所示，在兩設(shè)備（m和n）之間的距離L固定的情況下，對(duì)行波法故障測(cè)距精度產(chǎn)生影響的因素為終端監(jiān)測(cè)的時(shí)間差Δt和行波在風(fēng)電場(chǎng)集電線路中傳播的速度v，用高精度GPS對(duì)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)集電線路故障精確定位。

圖4 雙端法測(cè)距過程

雙端法行波測(cè)距由于操作簡(jiǎn)單，受外界影響因素較小，因此基于行波電流的雙端法成為主流的故障測(cè)距方案，本文主要圍繞雙端法電流行波故障測(cè)距進(jìn)行風(fēng)電場(chǎng)集電線路故障精確定位。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總結(jié)構(gòu)

根據(jù)以上測(cè)距公式和監(jiān)測(cè)信號(hào)方法，設(shè)計(jì)了一套雙端法行波測(cè)距，系統(tǒng)總結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)總結(jié)構(gòu)示意圖

提出了一種風(fēng)電場(chǎng)集電線路雙端法行波測(cè)距，由于風(fēng)電場(chǎng)環(huán)境特殊，提前做好合理的安裝方案。當(dāng)設(shè)備采集到風(fēng)電場(chǎng)集電線路上的信號(hào)時(shí)，先給傳感器，傳感器經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換給單片機(jī)，此時(shí)單片機(jī)會(huì)對(duì)信號(hào)進(jìn)行低通濾波和高通濾波：低頻信號(hào)為工頻信號(hào)，利用工頻判定線路是否跳閘，若為誤報(bào)則直接判定，輸出為無用信號(hào)，若為跳閘則繼續(xù)進(jìn)行故障自動(dòng)診斷，則繼續(xù)讀取行波進(jìn)行故障判定；高頻信號(hào)為行波信號(hào)，結(jié)合工頻信號(hào)為跳閘信號(hào)，采用式（7）～式（9）算法進(jìn)行故障的波形處理，采用式（10）、式（11）進(jìn)行故障的自動(dòng)診斷測(cè)距，最終反饋故障情況信息給用戶客戶端。

2.2 系統(tǒng)組裝

風(fēng)電場(chǎng)故障監(jiān)測(cè)終端包括STM32系統(tǒng)、電壓傳感器、電流傳感器、4G通訊模塊、7V備用電源、面板采用太陽能電池板，可在線路風(fēng)能不足的情況下實(shí)現(xiàn)設(shè)備的太陽能取電，針對(duì)不同大小的線徑采用不同的線夾進(jìn)行固定，線夾可以保證設(shè)備不會(huì)出現(xiàn)舞動(dòng)的情況，也無傷于導(dǎo)線。具體外觀如圖6所示。

圖6 風(fēng)電場(chǎng)集電線路故障檢監(jiān)測(cè)裝置

3 試掛網(wǎng)數(shù)據(jù)

3.1 安裝概況

本文以某風(fēng)電場(chǎng)安裝了分布式故障監(jiān)測(cè)裝置為例，本線路結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 風(fēng)電場(chǎng)集電線路故障監(jiān)測(cè)裝置安裝概況

本風(fēng)電場(chǎng)為架空電纜混架，存在12臺(tái)風(fēng)機(jī)，2條T接支線，分別位于A1、A17，風(fēng)機(jī)上網(wǎng)線為電纜，從＃1號(hào)箱變出口處到A20為電纜，根據(jù)線路特殊結(jié)構(gòu)制定了以下安裝方案，分別將風(fēng)電場(chǎng)智能監(jiān)測(cè)裝置安裝于＃1箱變、A20、A13、A4處。本線路安裝情況視現(xiàn)場(chǎng)而定，具有較高的靈活性，由于＃1－A20段電纜較長(zhǎng)故障較多，因此在此段電纜雙端都安裝了風(fēng)電場(chǎng)智能監(jiān)測(cè)裝置，此安裝方案可實(shí)現(xiàn)全線故障精確定位。

3.2 故障概況

風(fēng)電場(chǎng)智能監(jiān)測(cè)裝置在安裝后，線路于2019年7月24日線路發(fā)生跳閘，速斷保護(hù)，斷路器動(dòng)作，全線停電。風(fēng)電場(chǎng)智能監(jiān)測(cè)裝置檢測(cè)到分閘工頻后快速對(duì)線路做出故障判定：利用零序電壓法可快速判定故障區(qū)段處于＃1箱變和A20之間。故障時(shí)刻工頻電流圖如圖8所示。

圖8 故障時(shí)刻工頻電流圖

由于風(fēng)電場(chǎng)集電線路故障跳閘為雙電源模式，故障監(jiān)測(cè)設(shè)備統(tǒng)一朝向升壓站，因此，故障時(shí)故障短路電流方向相反的為故障區(qū)間，由故障時(shí)刻采集到得分閘工頻電流可知故障位于＃1箱變和A20之間。

對(duì)比如圖9所示的故障時(shí)刻行波電流圖亦可發(fā)現(xiàn)故障時(shí)刻行波電流方向相反，因此故障位于＃1箱變和A20之間，利用小波包變換求出故障時(shí)刻行波電流模極大值，此時(shí)利用模極大值可以求出故障行波達(dá)到兩設(shè)備之間的時(shí)間差Δt，利用式（1）～式（3）中關(guān)系可求出故障點(diǎn)距離＃1大號(hào)方向559m為電纜中間接頭，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維人員快速趕到此處，最終巡線結(jié)果為距離＃1大號(hào)方向559m處，實(shí)現(xiàn)快速0誤差故障定位，實(shí)現(xiàn)快速故障清除，減少線路被迫停電時(shí)間，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益。

圖9 故障時(shí)刻行波電流圖

3.3 歷史故障數(shù)據(jù)

此風(fēng)電場(chǎng)線路安裝風(fēng)電場(chǎng)故障監(jiān)測(cè)裝置后，線路發(fā)生多次跳閘，利用分布式檢測(cè)裝置對(duì)現(xiàn)場(chǎng)故障進(jìn)行故障精確定位，巡線結(jié)果與故障對(duì)比如下表所示。

表 歷史故障與巡線結(jié)果對(duì)比

利用歷史故障進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，利用分布式檢測(cè)裝置可以快速檢測(cè)故障的同時(shí)也能定位精準(zhǔn)，每次精確定位誤差小于等于300m，可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)故障的快速清除，同時(shí)無論故障處于主線、支線或者電纜任何位置，只要安裝配置得當(dāng)即可實(shí)現(xiàn)故障的精確定位。線路定位結(jié)果誤差滿足故障定位需求。

4 結(jié)束語

1）雙端法行波故障定位適用于風(fēng)電場(chǎng)集電線路故障監(jiān)測(cè)。

2）由于風(fēng)電場(chǎng)特殊的線路結(jié)構(gòu)，風(fēng)電場(chǎng)故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需合理配置安裝方案。

3）基于風(fēng)電場(chǎng)故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的行波波頭問題，采用小波包處理問題，采用行波在風(fēng)電場(chǎng)集電線路中的經(jīng)驗(yàn)傳輸波速，可實(shí)現(xiàn)誤差小于等于300m的風(fēng)電場(chǎng)線路故障精確定位。