双端装置免精确对时的双端行波故障测距

蒋彪，徐军，杨波，袁仁彪，刘长发，吴朝奎

(中国南方电网超高压输电公司贵阳局，贵阳 550003)

双端装置免精确对时的双端行波故障测距

蒋彪，徐军，杨波，袁仁彪，刘长发，吴朝奎

(中国南方电网超高压输电公司贵阳局，贵阳 550003)

提出一种不需要GPS给双端装置精确对时的双端行波故障测距方法。在保护启动后、跳闸出口前从线路一端保护安装电流二次回路注入一个特征脉冲信号，若故障点消失，此特征脉冲信号将从线路一端直接传送到线路另一端；若故障点依然存在，则此特征脉冲信号从故障点透射传送到线路另一端。记下特征脉冲信号到达另一端的时刻，根据线路总长和行波波速可以计算出从一端传到另一端所用时间，据此确定故障时两端时钟的精确时刻差，将一端时钟补偿两端的精确时刻差，从而给两端装置进行精确对时。该方法能准确定位瞬时性故障和永久性故障，可靠性高。

双端行波测距；不同步；特征脉冲

0 前言

行波故障测距可以分为单端行波测距和双端行波测距[1]。单端行波测距不需要对侧的行波信号，测距比较方便，正确识别第二个波头是实现单端行波测距的关键，但由于第二个波头往往是难以识别的，这也是单端行波测距可靠性低、实际应用效果不佳的原因所在；双端行波故障测距的关键技术是使用了全球定位系统 (GPS)给两端装置进行精确对时，使装置记录故障行波到达时间的精度在1 μs以内[2]。

如果没有GPS的精确对时，双端行波测距随之失去意义[3]。本文针对双端时刻不同步的行波故障测距系统，通过在保护启动后、跳闸出口前从线路一端保护安装处注入一个特征脉冲信号。在录波波形中，极易找到特征明显的特征脉冲的波头，从而确定两端时钟的时刻之差，弥补双端时刻不同步的缺陷。根据线路总长和行波波速可以计算出从一端传到另一端所用时间，据此便确定了两端时钟的时刻差。再根据故障行波首波头到达两端的时刻计算出故障距离。本方法不需要使用全球定位系统 (GPS)给两端装置进行精确对时，能准确定位瞬时性故障和永久性故障，现场易于实现。

1 传统双端行波故障测距

如图1所示在输电系统中，输电线路MN全长为L。双端测距装置都安装了GPS进行精确对时。如果线路F点处发生故障，记下M端录波波形中故障行波首波头到达时刻为tM；记下N端录波波形中故障行波首波头到达时刻为tN。设行波波速度为v，则得到双端行波测距公式为：

图1 双端行波故障测距原理图

故障点到M端距离为：

故障点到N端距离为：

传统的双端行波故障测距方法，以其首波头精确时刻容易标定，可靠性高的优点在实际工程中得到了广泛应用。但其亦存在不可回避的缺点：需要在线路两端安装依靠GPS精确对时的测距装置，时间是否同步及通信配合是否合理对测距影响极大[4]，如果两端时间稍不同步 (如误差在10 μs以上)，或者通信配合稍出差池，测距结果将失去意义。

2 双端行波故障测距

如图2所示的输电系统中，输电线路MN全长为L。双端测距装置没有安装GPS进行精确对时。对于这样双端时刻不同步的行波故障测距系统，如果线路F点处发生故障后，线路两端保护装置会都会启动，在保护启动后、跳闸出口前立即在线路一端 (如M端)保护安装处附近注入一个特征脉冲信号，考虑从一次回路注入特征脉冲比较困难，故从二次回路注入特征脉冲，再考虑电流不会突变，即从电流互感器的二次回路注入。工程中可以在串联到保护装置里的二次电流回路上注入特征脉冲，通过一个继电器控制何时注入脉冲，注入什么样的特征脉冲。此特征脉冲信号将通过互感器感应到一次回路，再从线路M端传送到线路另一端N端。若此时故障点消失，此特征脉冲信号将直接从线路M端传送到线路另一端N；若此时故障点依然存在，则此特征脉冲信号从故障点透射传送到线路另一端N。

图2 不需要双端装置精确对时双端行波故障测距

根据两端行波测距装置的录波波形，极易标定两端故障行波首波头的到达时刻。特征信号为连续时间间隔相等的五次次脉冲信号，由于特征脉冲信号强、特征明显，和故障行波在线路两端、故障点的折反射行波区别极大，亦极易标定两端特征脉冲信号的到达时刻。不妨设记下M端录波波形中故障行波首波头到达时刻和特征脉冲到达时刻分别为tM、tM1(即为特征脉冲发射时刻)；记下N端录波波形中故障行波首波头到达时刻和特征脉冲到达时刻分别为tN、tN1。

根据故障行波首波头和特征脉冲到达M、N两端时刻差计算故障距离。若设M、N两端时钟本身时间之差为△t。则故障点到M端距离为：

所以

故障点到N端距离为：

其中△t为M、N两端时钟本身时间之差；L为线路全长，v为行波的传播速度。

3 仿真验证

建立500 kV输电系统的PSCAD仿真模型如图2所示。其线路参数如下：线路全长L=150 km。输电线路距离M端70 km发生接地故障，过渡电阻为50 Ω，取行波波速度为经验值v=293 km/ms。图3(a)为输电线路M端电流故障行波波形；图3(b)输电线路N端电流故障行波波形。图中分别标定了故障行波的首波头时刻和特征脉冲时刻。

图3 M、N端故障电流行波波形及其时刻标定

从图中可以看出，M端首波头到达时刻和特征脉冲到达时刻为分别为 tM=0.498 ms，tM1= 1.491 ms；N端录波波形中首波头到达时刻和特征脉冲到达时刻为分别为 tN=0.769 ms，tN1= 2.242 ms。

根据首波头和特征脉冲到达M、N两端时刻差计算故障距离。根据公式 (4)计算得到两端时钟的时刻差为：

代入公式 (5)、(8)：

计算故障点到M端距为：

故障点到N端距离为为：

为了验证本测距方法可靠性，现对不同故障距离进行遍历结果可见本测距方法不受故障距离、过渡电阻的影响，测距精度高。

4 结束语

本文针对双端时刻不同步的行波故障测距系统进行分析，通过在保护启动后、跳闸出口前从线路一端保护安装处注入一个特征脉冲信号来确定两端系统的精确时差。再根据故障行波首波头到达两端的时刻计算出故障距离。本文提出的双端行波测距不需要使用全球定位系统 (GPS)给两端装置进行精确对时，能准确定位瞬时性故障和永久性故障，现场易于实现。

[1] 葛耀中.新型继电保护和故障测距的原理与技术 [M].西安：西安交通大学出版社，2007.

[2] 尹晓光，宋琳琳，尤志，等.与波速无关的输电线路双端行波故障测距研究 [J].电力系统保护与控制，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，刘海波.输电线路双端行波故障测距新算法的仿真研究 [J].承德石油高等专科学校学报，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

蒋彪 (1988)，男，硕士，工程师，中国南方电网超高压输电公司贵阳局，从事电力系统保护控制、故障测距工作 (email)651859288＠qq.com。

徐军 (1976)，男，中国南方电网超高压输电公司贵阳局，从事电力系统直流系统控制、保护研究。

杨波 (1979)，男，硕士，中国南方电网超高压输电公司贵阳局，从事电力系统继电保护研究。