一种集行波与录波功能的综合故障分析系统

石恒初， 李本瑜， 游昊， 杨远航， 徐腾飞

(1.云南电力调度控制中心, 云南 昆明 650011；2.山东山大电力技术股份有限公司, 山东 济南 250101)

0 引 言

目前电力系统在国民经济中的地位越来越重要，随之而来的是对电力可靠性要求越来越高。尤其是在高压、超高压以及长距离传输系统中，故障引发的停电事件造成的经济损失巨大。利用行波测距装置与故障录波装置保存的暂态工频和高频故障录波数据进行故障数据分析，定位故障位置和故障原因，可快速恢复供电、减少经济损失[1-4]。现有的电力系统监测设备中对工频以及高频信号的录波分别是在故障录波装置和行波测距装置两种设备上实现的，即故障录波装置完成对工频暂态故障数据的完整记录，而行波测距装置则实现对故障暂态高频行波数据的完整记录[5]。

本文提出一种集行波测距和故障录波功能于一体的装置，在单台装置中集成了行波测距功能和故障录波功能，研究了一种阻抗法和行波法结合的综合测距算法，利用独立的采集模块分别同步采集工频信号和行波信号。在故障发生时，将阻抗法判断出的故障时间在行波法测距时使用，行波法以阻抗法提供的故障时间为参考，对高频行波录波数据进行行波首波头和反射波波头的查找和识别。最后根据阻抗测距结果和行波测距结果进行统筹分析给出最终测距结果。该装置集成度高，可直接替代故障录波监测装置和行波测距装置，大幅缩减站级投入和运维成本。

1 存在的问题

故障录波装置可以记录故障前后全过程的电压、电流及继电保护动作情况，并利用记录的工频暂态数据进行阻抗法测距，给出阻抗法测距结果，但普遍存在测距精度不足的问题。

阻抗法测距的基本原理为在线路参数已经确定和运行方式已知的情况下，当线路某一位置发生故障时，根据测量到的电压和电流的值计算和分析出故障回路的阻抗，将故障阻抗和单位阻抗进行计算即可得出故障距离。阻抗法具有成本低、使用简单和测距可靠的优点。阻抗测距易受传输线过渡电阻和对端溃入电流大小等因素影响。故障录波监测装置的测距精度误差相对较大。

行波测距装置是电力系统发生故障后能够自动记录高频行波暂态数据并给出测距结果的装置[6-7]，在故障测距的精度方面远高于故障录波监测装置。行波测距装置利用行波法进行测距。

行波法测距的原理就是在可以确定行波传播速度的条件下，测量或者计算出故障点处的行波信息或者提取到的行波信息折反射到检测点所需要的传输时间，从而由时间和速度计算并确定故障点距离检测点的距离[8-9]。但是行波测距装置由于现场的开关动作、雷击等因素会引发装置误启动，并且真正故障发生时，往往会启动多次，难以区分哪个才是真正的故障文件。

为了解决录波装置和行波装置在测距方面存在的问题，研究了一种结合阻抗法和行波法的综合测距算法。当输电线路发生故障后，工频启动量会触发录波记录软件模块进行工频电压、工频电流数据和高频电流数据的录波记录操作，得到工频录波文件以及高频录波文件。然后阻抗法通过对工频录波文件中的电压和电流量进行计算得到阻抗测距结果，行波法以阻抗法提供的故障线路及故障时刻为参考，通过对高频录波文件中的电流量进行计算，得到行波法测距结果。最后通过对阻抗测距结果及行波测距结果的综合分析得到行波综合测距结果，构成一种新型的电网综合故障分析系统。

2 电网综合故障分析系统技术方案

2.1 系统硬件方案

如图1所示，系统主要由以下几部分组成：人机显示单元、CPU管理单元、模拟量采集单元、开入信号采集单元和对时单元。

图1 装置框图

2.2 模拟量采集单元

模拟量采集单元主要功能为采集工频量和行波量。电气信号经过特殊设计的隔离变送器，分别转换为工频量和行波量，再经过采集板和控制板进行模拟信号的采样和处理。

2.3 开入信号采集单元

录波开关量采集板主要功能为开入信号的光电转换采集，220 V/110 V/24 V开入信号经过电平转换和光耦隔离后转换为5 V开入信号，控制板通过数据总线完成对5 V开入信号的采集和处理。

2.4 控制单元

控制单元主要完成模拟量和开关量的采集，将结果通过底板 SGMII 网口送给管理板，B码输入输出，对时模块输入接口，联动信号网络接入口。控制单元由FPGA实现主要控制功能。

2.5 管理单元

管理单元主要功能为前端采集数据的汇总处理与显示单元的远传通信，分别完成工频量和行波量故障的判断、存储和测距等，并将处理好的数据打包上传。

2.6 显示单元

显示单元主要功能是实时显示、数据分析和故障文件的现场分析等，通过网口与管理单元通信进行数据交互，再通过LVDS信号控制液晶屏显示。

3 综合测距算法方案

3.1 双端测距

在故障线路两侧分别安装设备，用以监测到达两个监测点的初始行波，从而进行双端行波测距，如图2所示。M点和N点是分别装有设备的监测点，故障发生在M点和N点之间的C点处。

图2 行波测距定位模型

由故障点C产生的初始行波以速度v沿输电线路向两端传输，到达两侧的时刻分别记为tM、tN，

(1)

则故障点到两端监测点的距离分别为：

LM=[L+v·(tM-tN)]/2

(2)

LN=[L-v·(tM-tN)]/2

(3)

式中:LM、LN为故障点距离M点和N点的距离。

3.2 综合测距算法

本文根据目前行波法测距和阻抗法测距的特点及存在的问题，提出了一种综合测距算法,解决了阻抗法测距结果准确度不够和行波法测距结果易受影响的问题。算法流程如图3所示。

以双端综合测距算法为例进行说明，综合测距算法的步骤主要包括以下5步。

步骤1：工频数据采集单元实时采集线路MN两端的工频电压和工频电流数据，并判断是否启动故障录波。高频数据采集单元同工频数据采集单元一样实时采集线路MN两端的高频电流通道数据。

步骤2：工频启动量判断出故障后即刻启动工频记录软件模块进行工频电压和工频电流数据录波操作，同时触发高频记录软件模块进行高频行波电流录波操作，录波完成后MN两侧得到工频录波文件xm、xn以及高频电流录波文件ym、yn。

步骤3：通过对步骤2中记录的工频录波数据xm、xn进行启动相判断，电压和电流有效值计算，得到M端故障线路号m、M端故障时刻t0m、故障点距M端的双端阻抗测距结果Lmsz以及故障点距M端的单端阻抗测距结果Lmdz；同理，可以得到N端的故障线路号n、N端故障时刻t0n、故障点距N端的双端阻抗测距结果Lnsz以及故障点距N端的单端阻抗测距结果Lndz。

图3 综合测距算法流程图

步骤4：以步骤3中提供的故障线路号、故障时刻为参考，对步骤2中记录的与xm和xn分别对应的高频行波电流数据ym和yn进行行波法分析，得到M端行波法双端测距结果Lmsx和单端测距结果Lmdx，以及N端行波法的双端测距结果Lnsx和单端测距结果Lndx。

步骤5：对步骤3中M端得到的阻抗法测距结果Lmsz和Lmdz与步骤4中得到的M端行波法测距结果Lmsx和Lmdx进行综合分析。给出故障点距M端的综合测距结果Am，同理得到故障点距N端的综合测距结果An。

具体方法如下：设阻抗法和行波法测距的误差阈值为LEA，则

|Lmsz-Lmsx|

(4)

|Lmsz-Lmsx|≥LEA→Am=Lmsx

(5)

即如果阻抗法和行波法测距结果偏差小于阈值时，认为行波测距可靠，此时综合故障测距结果为行波法测距结果。反之，如果偏差大于阈值，认为行波测距受杂波影响结果不可靠，此时综合测距结果为阻抗法测距结果。

4 测距验证

南方电网最新标准Q/CSG 1203040—2017《故障录波器及行波测距装置技术规范》中要求：6.3.1 测距精度应不受线路参数、线路互感、电网运行方式、故障位置、故障类型、负荷电流和过渡电阻等因素的影响；线路长度在300 km以下双端测距平均误差≤500 m；线路长度在300 km以上，双端测距平均误差≤1 000 m；永久性故障测距误差≤1 000 m。按要求对一体机装置搭建试验平台并验证测距精度。

4.1 仿真试验平台搭建

仿真试验平台原理如图4所示，按以下步骤进行试验。

步骤1：准备仿真试验数据。

一般来说，仿真试验数据可通过两种方式获得：一是使用MATLAB等仿真软件仿真得到；二是通过现场实际录波波形提取相关通道得到。

步骤2：将仿真试验数据下载到SDL-7100 行波信号发生仪。

下载过程需要将安装有仿真试验平台后台软件的电脑通过网线连接SDL-7100 行波信号发生仪，通过操作界面将仿真试验数据下载到发生仪。

步骤3：连接电气线缆。

将SDL-7100 行波信号发生仪电气输出信号通过专用线缆连接至一体机装置变送单元，并检查线缆连接的可靠性。

步骤4：设置SDL-1601 故障录波及行波测距装置测距参数。

设置一体机装置相关通道启动方式为突变启动和上下限启动，设置模拟线路的线路参数，设置行波波速。

步骤5：触发仿真试验平台进行试验

通过按动SDL-7100 行波信号发生仪开始试验按钮触发试验，查看SDL-1601 故障录波及行波测距装置的记录情况及故障定位情况。

图4 仿真试验平台技术原理

4.2 仿真试验平台测试实例

将仿真试验数据下载到SDL-7100行波信号发生仪，图5为仿真试验波形图。

图5 仿真试验波形

触发仿真平台试验后，通过装置后台软件查看录波波形及故障测距结果，如图6、图7所示。装置对仿真波形进行了有效记录。

图6 录波波形图

图7 行波测距图

图7中装置距结果为单端测距结果，作为参考，精确测距结果需要连到主站进行双端测距。

4.3 实际测试结果

该综合测距系统研发成功后在国网电科院进行了试验，经测试满足各项标准的要求，并取得相关型式试验报告和注册备案证书。结果如表1所示，表明双端测距结果正确，满足标准中关于测距误差的要求。

表1 双端测距结果统计

5 结束语

本文以对阻抗法和行波法结合的综合测距算法理论研究为基础，通过分析故障录波装置以及行波测距装置自身的性能特点来寻找录波及行波一体机装置的研制方案。结合电网中已建成或待建的中高压变电站，采取理论与实践相结合的路线开展研究工作，通过硬件设计和软件设计实现研究方案，通过现场数据回放、计算机数据仿真等不断改善模型和策略。最后，提出一种集行波测距与故障录波功能于一体的电网综合故障分析系统。测试结果证明，该系统解决了故障录波和行波测距装置存在的不足，且可以减少站级投资。目前该系统已成功应用于云南电网的220 kV木乃河变等多个变电站，使用效果良好，具有较高的实用和推广价值。