智能电网中常用测距技术的分析研究

丁中奎

(合肥众诚热电有限公司， 安徽　合肥　230022)



智能电网中常用测距技术的分析研究

丁中奎

(合肥众诚热电有限公司， 安徽合肥230022)

摘要：文章对智能电网中常用的三种故障测距技术的基本原理及优缺点进行了分析和比较，研究表明：工频测距技术原理简单，对测距装置的硬件要求不高，但受过渡电阻等因素的影响较大，测距精度不高；单端行波测距技术原理简单，理论测距精度较高，但故障点反射波难以识别，影响测距精度，且测距装置的硬件要求较高；基于GPS精确时间信息的双端行波测距技术，测距原理简单、完备，测距结果精度高，但对测距装置的硬件要求较高。随着安徽智能电网建设的逐步深入，双端行波测距技术的硬件条件已经具备，所以建议广泛采用双端行波测距技术，以提高输电线路故障测距的精度，为安徽电网的安全运行提供重要技术支撑。

关键词：输电线路；测距；工频测距；单端行波测距；双端行波测距

0引言

精确的故障定位是智能电网应具备的重要功能之一，高压输电线路是电力系统骨干网架的重要组成部分，输电线路的安全可靠运行是保证电网安全的重要支撑。随着经济社会的发展，安徽电网中高压输电线路的总输电长度逐年增加，输电线路的运行维护工作量逐年加大。线路故障后必须及时找出故障点并消除故障，再恢复供电。受安徽地区地理条件的影响，高压线路途中可能要翻越山区，森林覆盖的地区，巡线难度大，再考虑到线路故障经常发生在气候条件恶劣情况下，故障后寻找故障点更加困难；而在城区，输电线路故障后，受交通堵塞，各种建筑物障碍等因素的影响，线路故障后寻找故障点也需较长时间才能完成，精确的故障测距定位，可以准确定位故障地点，对输电线路故障后及时发现故障点，缩短停电时间，加快恢复供电和降低电网安全运行风险具有重要意义。

故障测距一直以来是国内外学者的研究热点之一，取得了丰富的研究成果。目前在电力系统中广泛应用的测距方法可以分为两大类，一类是基于故障后工频电气量的测距方法[1～4]，一类是基于故障后的故障行波构成的行波测距方法，而行波测距又可分为单端行波测距[5～8]和双端行波测距[9]。下文将对这三种常用测距方法分别进行分析和研究。

1基于工频信息的故障测距技术

1.1工频故障测距技术的基本原理

工频故障测距技术是指根据输电线路故障后工频故障电压和故障电流来计算故障距离的一种方法。工频故障测距是早期输电线路故障测距的基本方法。它的基本思想是：由于输电线路单位距离的正序阻抗是确定的，所以只要测量出故障正序阻抗，即可计算出故障距离：

l=Zm/Z1

(1)

如图1所示的一个220kV输电系统，线路1长度为400km，线路2和线路3长度为320km，线路4和线路5长度为380km，电源S1的容量为35000MVA，电源S2的容量为40000MVA，输电线路参数如表1所示，本文将以此输电系统为研究模型。

表1　220kV输电线路参数

图1　220kV输电线路系统

输电线路1发生故障后，保护R1测量阻抗为：

(2)

根据式(2)可得故障距离为：

(3)

1.2工频故障测距技术的优缺点分析

由公式(3)可知，工频测距的精确度主要受过渡电阻和两侧故障电流的初相角等因素的影响。影响测距结果最主要的因素是过渡电阻的大小，若过渡电阻Rf为零，则故障测距的距离即为实际故障距离，若过渡电阻不为零，则会产生测距误差，显然过渡电阻越大，误差越大。现有的研究结果表明，输电线路相间故障时，过渡电阻主要是电弧电阻，一般为几十欧姆，而单相接地短路时，过渡电阻可能高达几百欧姆。可见，基于单端工频电气量的故障测距技术，在原理上就存在误差。为了提高测距精度，有些学者提出了基于双端工频电气量的故障测距技术[10,11]，即根据线路两端的故障后电压和电流构成测距算法，该方法可以在原理上消除过渡电阻对测距精度的影响，但由于需要故障线路两侧的电压和电流数据，对输电线路的通讯通道要求较高，所以该方法在电力系统中并未获得广泛实际应用。

基于单端工频电气量的故障测距技术主要优点是原理简单，可以在现有的微机线路保护装置中添加一个测距程序模块即可方便实现，不需单独硬件装置；缺点是测距精度不够理想，误差较大，考虑到电流互感器和电压互感器的传变误差等因素的影响，最大测距误差可能在10%以上。

2单端行波故障测距技术

2.1单端行波故障测距的基本原理

根据叠加原理，故障后的电力系统可以等效为故障前正常运行网络和故障附加网络的叠加。如图2所示，图2(a)是发生了故障的电力系统，图2(b)是图2(a)的等效电路，而图2(b)可以表示为正常运行网络图2(c)和故障附加网络图2(d)的叠加。图中-uf(t)是故障附加网络中的附加电压源。

a)线路MN在F点发生故障；b)等效电路；c)正常运行网络；d)故障附加网络图2　叠加原理

在故障附加网络中，附加电压源的数值等于故障点故障前电压。正是在这个附加电压源的作用下，电压源将自己的能量沿着输电线路传递，在导线电感中建立磁场，在分布电容中建立电场，电压波和电流波沿导线向线路两端传播。

以图3所示220kV输电网为例，若线路MN在F1处发生故障，则故障行波从故障点向线路两侧传播，以母线M处电流故障行波为研究对象，t1为初始电流故障行波到达母线M处的时刻，iM1在母线M处会产生反射波iM2，而iM2在故障点处产生反射波iF1,t3为故障点反射波iF1到达母线M处的时刻。若能精确的捕捉到t1、t2这两个时刻，即可精确计算故障距离。

图3　220kV输电网络图

图4　F1点发生故障时故障行波网格图

(4)

其中v是电流故障行波在输电线路的传播速度，在忽略电阻和电导的情况下，

(5)

其中L0、C0分别为输电线路的单位长度电感和电容。

2.2单端行波故障测距的优缺点分析

单端行波测距原理简单，不受输电线路故障过渡电阻影响。行波的波速度取决于输电线路的实际参数，可以通过计算或实测的方法得到，所以只要能准确的捕捉到故障初始行波和故障点的反射波到达母线的时刻，即可精确确定故障距离。理论上行波测距的精度取决于测距装置硬件采样的频率，若采样率为1MHz,则理论误差为300m，且测距误差与输电线路实际长度无关，220kV输电线路的设计距离一般为100～300km，以100km算，则误差只有0.3%，精度远远高于工频测距精度。

行波测距的困难在于能否准确识别故障点的反射电流行波iF1。如图4所示，故障初始行波iM1在母线M处会产生折射波，行进到母线L后又会产生反射波iL1，该反射波也会在t2时刻到达母线M,而在输电线路N端也会有故障行波经过故障点折射后，在t4时刻iN2行进到母线M，如何有效识别故障点的反射行波iM1,防止故障行波iN2和iN1的干扰，是单端行波测距的关键技术。由于行波的瞬态特性，捕捉和识别故障点反射行波具有一定的困难，国内外众多学者为此也进行了大量的研究，但测距结果还是由于其它母线的折反射波的影响而达不到理论的精度。为此，一些学者提出了双端行波测距，从根本上解决这一问题。

3双端行波故障测距技术

3.1双端行波故障测距的基本原理[12]

双端行波测距是根据故障初始行波到达故障线路两侧的时间差异来计算故障距离。以图3所示输电线路MN中F1处发生故障为例，t1为初始电流故障行波iM1到达母线M处时刻，t2为初始电流故障行波iN到达母线N处时刻，则以母线M为参考点的故障距离为：

(6)

式(6)中L为输电线路MN的总长度，v为行波的波速度。

3.2双端行波故障测距的电磁暂态仿真分析[13]

本文在电磁暂态仿真软件中建立图3所示的仿真系统，进行双端行波测距的仿真研究，下文以图3中线路1上A相接地短路为例，阐述双端行波测距的算法。

图5(a)和(b)分别为线路1上距离M侧100km处A相故障后M侧和N侧的三相故障电流，图6是线路两侧相应的A相初始行波波头的局部放大图，t1为M侧初始行波达到母线处的时刻，t2为N侧初始行波达到母线处的时刻，在本例中t1和t2分别为0.342ms和1.026ms。根据公式(6)可得故障距离为99.9992km， 而实际的故障距离为100km，所以双端行波测距差在理论上精确度很高。

图5　A相故障时三相电流图

图6　M侧和N侧A相电流初始行波

3.3双端行波故障测距的优缺点分析

双端行波测距原理简单，只需要捕捉到故障初始行波到达输电线路两端的时刻即可精确计算故障距离。由于不需要捕捉故障点的反射波，所以从原理上解决了单端行波测距技术由于故障线路对端母线和背侧母线折反射波的干扰而影响测距精度的问题。

但双端测距技术需要使用GPS同步时钟(GPS同步时钟可提供误差不超过1微秒的时间同步精度)，两端时间同步的精度直接决定了测距的精度。且双端行波测距需要在被测线路两端装设测距装置，用于记录故障后的初始电流行波。

考虑到目前电网中故障测距技术一般是集成于故障录波器装置之中，而所有220kV及以上变电站中都安装有故障录波器，同时也都配置了GPS对时设备，所以不存在由于采用双端测距技术而增加设备和投资的问题。实际的220kV及以上电网已经完全具备了采用行波双端测距的硬件技术条件。

4故障测距在安徽电网的实际应用情况分析

220kV及以上输电线路保护都具备故障测距功能，且都采用工频测距技术，下文将以RCS931为例分析工频测距技术的实际测距性能，而单端行波故障测距技术在一般集成在故障录波器装置中，以WDGL系列故障录波器为例，分析单端行波测距技术的实际应用效果。

本文选取安徽电网50条220kV输电线路为研究对象，对其2013～2014年线路故障测距结果数据进行分析。研究结果表明无论是工频测距还是单端行波测距，在实际应用中的结果都达不到理论上的精度，工频测距误差最大为30%左右，这可能由于较大的过渡电阻等因素的影响，使得实际测距误差较大，而行波测距的结果最大误差也高达17%,应是测距装置没能准确识别故障点反射波导致误差较大，但总体上行波测距精度优于工频测距。这些实际故障测距结果表明安徽电网中故障测距技术有必要进一步改进以提高测距精度。表2给出了部分输电线路的故障测距结果实例。

表2　工频测距与单端行波测距的性能比较

5小结

本文对当前电力系统中常用的三种故障测距技术的基本原理分别给予阐述，对三种测距技术的优缺点进行了分析，并对实际电网测距结果进行了分析。分析表明：单端工频故障测距技术虽然原理简单，易于实现，但其在测距原理上就受到故障电阻等因素的影响，而使得测距结果可能出现较大误差，不应继续作为电网的主要测距方法；单端行波测距原理简单，理论上测距精度可以很高，但实际应用中由于不能准确识别故障点反射波，而使得测距结果也存在较大误差；基于精确时间信息的双端行波测距原理简单，测距精度高，不存在故障点反射波识别问题。随着智能电网建设的不断深入，目前电网中已经具备GPS精确对时功能，双端行波测距技术的应用条件已经具备，应广泛采用双端行波测距技术以提高输电线路故障测距的精度，加快线路故障的处理过程，提高电网运行的安全性。

参考文献：

[1] 黄小波,林湘宁,马晓飞,等.适用于集中参数单端测距模型的距离修正方法[J].电力系统自动化,2006(24):44- 48.

[2] 束洪春,高峰,李卫东.利用单端工频量的高压输电线路故障测距实用方法研究[J].电工技术学报,1998(05):9-15.

[3] 全玉生,杨敏中,王晓蓉,等.高压架空输电线路的故障测距方法[J].电网技术,2000(04):27-33.

[4] 胡帆,刘沛,程时杰.高压输电线路故障测距算法仿真研究[J].中国电机工程学报,1995(01) :67-72.

[5] 邓丰,曾祥君,陈楠,等.自适应网络结构的故障行波定位方法[J].电力系统自动化,2009(19):66-70.

[6] 董新洲,葛耀中,徐丙垠.利用暂态电流行波的输电线路故障测距研究[J].中国电机工程学报,1999(04) :77- 81.

[7] Spoor D, Jian Guo Zhu, Improved single-ended traveling-wavefault-location algorithm based on experience with conventional substation transducers, Power Delivery, IEEE Transactions on, 2006, 21(3): 1714-1720.

[8] Johns A T, Jamali S. Accurate fault location technique for power transmission lines. IEE Proceedings, 1990, 137(6): 395- 402.

[9] Chih-Wen Liu, Tzu-Chiao Lin, Chi-Shan Yu, Jun-Zhe Yang. A fault location technique for two-terminal multisection compound transmission lines using synchronized phasor measurements, smart grid, IEEE transactions on, 2012, 3(1): 113-121.

[10] 宋国兵,索南加乐,康小宁.不受线路参数影响的双回线双端故障定位方法[J].电力系统自动化, 2006(24) :21-26.

[11] 董新洲,葛耀中.一种使用两端电气量的高压输电线路故障测距算法[J].电力系统自动化,1995(08):47-53.

[12] 董新洲,葛耀中,徐丙垠,等.利用GPS的输电线路行波故障测距研究[J].电力系统自动化,1996(12):39- 42.

[13] 陈平,牛燕雄,徐丙垠,等.现代行波故障测距系统的研制[J].电力系统自动化,2003(12):81- 85.

[责任编辑：朱子]

Common Ranging Technology in Smart Grid

DINGZhong-kui

(HefeiZhongchengThermoelectricityLimitedCompany,Hefei230022,China)

Abstract:The paper analyzes and compares the basic principle, advantages and disadvantages of three kinds of common fault ranging technology in smart grid. Research shows that: the principle of power frequency ranging technology is simple, the hardware requirement of ranging unit is not high, but it is strongly influenced by the factors such as transition resistance and so on, and its ranging accuracy is not high; The principle of single end traveling wave ranging technology is simple, the theory ranging accuracy is higher, but it is difficult to identify the reflected wave of failure point, to influence the ranging accuracy, and the hardware requirement of ranging unit is higher; The principle of double end traveling wave ranging technology based on GPS precise time information is simple and complete, the accuracy of ranging result is high, but the hardware requirement of ranging unit is higher. With the gradual deepening of smart grid construction in Anhui, the hardware conditions of double end traveling wave ranging technology have possessed already, so the double end traveling wave ranging technology is suggested to adopt widely, in order to improve the accuracy of fault ranging of transmission lines, to provide important technical support for the safe operation of Anhui power grid.

Key words:transmission line; ranging; power frequency ranging; single end traveling wave ranging; double end traveling wave ranging

中图分类号：TM711

文献标识码：A

文章编号：1672-9706(2016)01- 0027- 06

作者简介：丁中奎(1975-)，男，工程师，主要从事热电生产、电力系统故障分析。

收稿日期：2015- 09-14