特高压输电线路故障诊断与定位系统仿真研究

李玉敦，王大鹏，赵斌超，王　军，王福晶

（1.国网山东省电力公司电力科学研究院，济南　250003；2.华能淄博白杨河发电有限公司，山东　淄博　255200）

·电网技术·

特高压输电线路故障诊断与定位系统仿真研究

李玉敦1，王大鹏1，赵斌超1，王军1，王福晶2

（1.国网山东省电力公司电力科学研究院，济南250003；2.华能淄博白杨河发电有限公司，山东淄博255200）

以1 000 kV锡盟—山东特高压输电线路工程为例，采用PSCAD建立特高压交流输电线路故障仿真模型，应用输电线路故障诊断与定位系统对仿真产生的波形进行分析得到故障位置，分析研究故障电阻、并联电抗和串补电容对故障诊断与定位系统精度的影响。仿真结果验证了该系统具有较高的测距精度，可适用于特高压交流输电系统。

交流特高压输电；仿真模型；故障定位

0　引言

特高压输电线路具有长距离、大容量、跨越范围广的特点，因此特高压输电线路在输电方面具有明显的优势。随着特高压被纳入国家大气污染防治计划、能源规划“十二五”规划，我国特高压建设进入快速发展阶段。山东作为经济大省，锡盟—山东、榆横—潍坊1 000 kV特高压交流工程“外电入鲁”战略实施，特高压成为国内外学者研究的热点。由于特高压输电线路较长，因地形和环境因素的影响输电线路经常发生故障，实时准确的故障定位对及时修复故障线路、恢复供电、减少经济损失和提高供电可靠性具有十分重要的意义。

目前，国内外针对特高压输电线路的故障定位问题开展了部分研究。文献［1］提出了一种基于高频量衰减特性的特高压直流输电线路神经网络双端故障测距方法。文献［2-4］分析了基于分布参数模型的故障测距的方法。文献［5-7］研究了含串补电容的特高压输电线路的故障定位算法。文献［8-9］介绍了大电网特高压直流系统建模与仿真技术，讨论了大电网最新进展及方向。

利用输电线路自动故障诊断和故障定位系统对特高压交流输电故障定位进行分析。选取锡盟—山东线1 000 kV特高压线路，根据线路的输电线路信息建立PSCAD模型，设置仿真故障点产生对应的录波文件来验证系统特高压输电线路的故障定位系统是否准确，仿真模型考虑了故障电阻、串补电容、并联电抗器对系统计算结果的影响。

1　输电线路故障诊断与定位系统

本研究采用文献［10］提出的高压输电线路故障诊断与定位系统对特高压交流输电系统进行故障测距分析。该系统包括故障诊断、故障定位、故障通报、历史查询、短信通知、故障可视化6个模块。通过实时监测EMS采集的保护、重合闸、开关状态，当保护、重合闸、开关状态发生动作时系统通过与故障信息系统的接口，实时调用相关保护或录波文件将其存储于该系统的SQL数据库中，自动选取特高压输电线路模型和算法进行故障诊断和故障定位计算，并将计算结果存入该系统的SQL数据库中，分析结果实时发布给调度人员通过短信发送给联系人来实现特高压故障实时诊断和定位的目的。

该系统采用双端电压匹配法为依据计算故障点位置，算法中充分考虑了串补电容和并联电抗的影响。可自动匹配长线模型来描述特高压线路，线路参数包括串联电阻、并联导纳，对所有参数的正序（负序）、零序值进行分析计算。故障位置确定后利用故障点的电流电压判断故障类型，同时根据故障点的电压和从线路流入故障点电流计算出各种故障类型下故障阻抗。

系统中的故障定位模块支持IEEE comtrade标准录波文件的存储和分析。故障信息多元化，包括故障距离、故障类型、故障阻抗信息等；故障波形图界面图形包括电压、电流、无功功率、有功功率，支持放大功能。整个系统可以自动计算出特高压输电线路的故障位置、故障类型并实时通告给操作人员。

2　锡盟—山东特高压输电线路仿真模型

2.1锡盟—山东特高压输电工程介绍

锡盟—山东交流特高压输电线路全长约2× 746 km，线路起于内蒙古锡盟站，途经承德站、北京东站，止于山东济南站，其中承德站为串补站。输电线路采用8×JL/G1A-630/45钢芯铝绞线，分裂间距为400 mm；地线一根采用JLB20A-185铝包钢绞线，另一根采用OPGW-185，输电线路参数计算如表1所示。高抗，承德站串补站按线路40%串补度补偿。

表1　特高压交流输电线路参数

2.2系统仿真模型

计算分析采用PSCAD电力系统软件工具建立特高压交流工程故障仿真模型，主变、线路、高抗和串补等设备参数均采用设计参数。仿真模型中特高压输电线路采用分布式参数模型，系统等值容量按照出口断路器开断电流进行计算，建立的仿真模型如图1所示。

1 000 kV变电站主变采用单相、自耦和中性点无励磁调压方式，额定容量3 000/3 000/1 000 MVA（单相1 000/1 000/334 MVA），额定电压1 050/525/ 110 kV。主变阻抗值Uk1-2%=18%，Uk1-3%=62%，Uk2-3% =40%。

锡盟至北京东线两端配置两组840 Mvar固定高抗，北京东至济南线路两侧配置两组720 Mvar固定

图1　锡盟—山东线路仿真模型

3　系统仿真试验方案

锡盟—山东特高压输电线路的仿真主要目的是研究故障电阻、故障类型、串补电容、并联电抗等对故障定位与诊断系统算法精确度的影响。在进行仿真研究时，针对不同试验项目，选择不同线路进行测试。

对故障电阻、故障类型进行分析时，选择北京东至济南站交流特高压线路为研究对象。设置4类故障，分别为单相接地（AG、BG、CG）、两相接地（ABG、ACG、BCG）、两相相间 （AB、CA、BC）和三相相间ABC）、3种故障电阻（分别为0 Ω、10 Ω、50 Ω）、6处故障位置，设计的模型故障测量点从并联电抗器内部测量，故障设置位置如表2所示。

表2　北京至济南段故障位置设置方案

串补电容可以有效提高特高压输电线路的有功输送能力，但串补电容器的使用将使线路上的电压电流关系变得复杂化，为考虑串补电容对视在阻抗的影响，在相邻线路输电线路承德—北京东线路距北京东站0 km处，30%补偿度。带串补电容的输电线路故障位在承德—北京东设置4处故障点如表3所示。

表3　承德—北京段故障位置设置方案

4　仿真结果

如测试方案所描述，锡盟—山东输电线路无串补电容的仿真在每个模型取线路总长度0、20%、40%、60%、80%、100%处设置故障点，故障类型取10种，故障电阻设置3种，共进行180组故障仿真。

利用PSCAD模拟180种故障。利用输电线路自动故障诊断和故障定位系统文件分析PSCAD产生的波形，从而计算故障信息。为对比本文模型计算精度，同时给出了利用单端故障量计算得到的故障定位结果。锡盟—山东线仿真结果如表4所示。

表4　北京—济南段故障仿真结果统计

表4中的结果表明系统的精确度较高，偏差率基本在1%以内，双端的计算结果准确度高于单端的结算结果，以故障电阻统计的结果如表5所示。

表5显示故障电阻对计算精确度的影响不大。不同故障类型下双端测距方法和单端测距方法计算得到的测距精度如表6所示。

为了更好地检验串补电容对算法准确性的影响，在相邻线路中加入了串补电容。锡盟—山东输电线路含串补电容的仿真模型在相邻线路承德—北京段取其长度0、30%、50%、100%处设置故障点；北京—济南段的故障点设置位置不变。仿真结果如表7所示。

表5　北京—济南故障电阻仿真结果统计

表6　北京—济南故障类型仿真结果统计

表7　承德—北京段含串补电容线路仿真统计

由表7看出，设计系统特高压输电线路的算法时充分考虑了串补电容的影响，计算结果满意度较高，吻合实际特高压输电线路的故障诊断和故障定位的要求。

仿真结果表明，特高压输电线路故障定位与故障诊断系统精度控制在1%以内达到要求，故障类型全部判断准确。考虑故障电阻、并联电抗、线路参数、串补电容在内的系统计算精确度也达到要求。特高压输电线路双端算法依据线路两端的电压测量值进行分析计算，利用稳态分量并采用电压匹配法来求解准确的故障位置，克服了基于相量故障定位的弊端，准确度高，来自双端的数据不需要同步采样，引入同步相角差和故障定位可以同时解决。

5　结语

特高压输电线路故障诊断和故障定位系统能够对特高压输电线路的故障实现准确定位，特别是采用双端自动匹配算法提高了系统定位的精确性。该系统能够准确地判断出故障类型和故障位置，并且通过仿真验证了系统的准确性，为特高压输电线路的检修提供了有效的帮助。

［1］陈仕龙，谢佳伟，毕贵红，等.一种特高压直流输电线路神经网络双端故障测距新方法［J］.电工技术学报，2015，30（4）：257-264.

［2］刘伟，陈皓.基于分布参数模型的混合线路故障测距新算法［J］.电力系统保护与控制，2009，37（24）：76-80，132.

［3］索南加乐，吴亚萍，宋国兵，等.基于分布参数的同杆双回线单线故障准确测距原理［J］.中国电机工程学报，2003，23（5）：39-43.

［4］刘建.特高压长距离交流输电线路分布参数计算及线路模型的建立［J］.电力学报，2011，26（2）：95-98.

［5］T.S.Sidhu，M.Khederzadeh.Series compensated line protection enhancement by modified relaying Schemes.IEEE Transactions on Power Delivery［J］.2006，21（3）：1 191-1 198.

［6］R.Eugeniusz，J.Izykowski，P.Pierz，et al.High Voltage Series Compensated Transmission Line Evaluation of New Distance Protection［C］.International Conference on ICHVE，2010.

［7］M.M.Saha，B.Kasztenny，E.Rosolowski.First Zone Algorithm for Protection of Series Compensated Lines.IEEE Transactions on Power Delivery［J］.2010，16（2）：200-207.

［8］易辉，熊幼京.1 000 kV交流特高压输电线路运行特性分析［J］.电网技术，2006，30（15）：1-7.

［9］舒印彪.1 000 kV交流特高压输电技术的研究与应用［J］.电网技术，2005，29（19）：1-6.

［10］王连成，刘琳.输电线路自动故障诊断和故障定位实时发布系统［J］.山东电力技术，2015，42（1）：16-19，24.

Simulation Study of UHV AC System Based on PSCAD

LI Yudun1，WANG Dapeng1，ZHAO Binchao1，WANG Jun1，WANG Fujing2
（1.State Grid Shandong Electric Power Research Institute，Jinan 250003，China；2.Huaneng Zibo Baiyanghe Power Generation Co.，Ltd.，Zibo 255200，China）

Taking the 1 000 kV Xilingol-Shandong power transmission project for example，the simulation model for UHV AC system is established with PSCAD.The fault location corresponding to the fault wave generated by PSCAD is obtained by using the fault diagnosis and location system（FDLS）.The influence of fault resistance，shunt reactor and series compensated on FDLS are analyzed.The simulation results showed that the FDLS has high accuracy and robustness，and can adapt to UHV AC transmission system.

ultra-high voltage（UHV）transmission；simulation model；fault location

TM711

A

1007－9904（2016）07－0001－03

2016-03-15

李玉敦（1985），男，工程师，从事电力系统继电保护技术方面的研究；

王大鹏（1970），女，教授级高级工程师，从事电力系统保护与控制等工作。