基于保护信息的变电站行波测距可靠性提升

武占国 乔宇峰 李慧勇 徐晓春 黄 涛

基于保护信息的变电站行波测距可靠性提升

武占国1乔宇峰1李慧勇2徐晓春3黄 涛3

（1. 内蒙古电力（集团）有限责任公司，呼和浩特 010020； 2. 内蒙古电力（集团）有限责任公司乌兰察布电业局，内蒙古 乌兰察布 012000； 3. 南京南瑞继保工程技术有限公司，南京 211102）

行波测距具有精度高、受系统运行方式影响小等优点，但是独立的行波测距易受噪声干扰、可靠性不足；传统交流线路保护技术成熟、抗扰能力强、可靠性非常高，因而利用保护信息来提高行波测距可靠性是比较可行的技术路线。本文基于保护行波测距一体化技术，分析独立行波测距存在的主要问题及保护与行波测距信息交互技术；结合保护相关信息，从测距启动、同步模量选择、测距结果甄别三个方面提出了提升变电站行波测距可靠性的详细技术方案，并搭建了软硬件测试平台，试验结果验证了所提方案的有效性。

行波测距；线路保护；一体化；信息交互；可靠性

0 引言

输电线路发生故障时，准确的故障测距有助于快速定位故障点，及时排除隐患，提高供电可靠性。传统阻抗测距法受过渡电阻、分布电容等因素影响，测距精度难以满足要求[1]；利用故障时暂态行波的传播规律构成的行波测距[2]能够克服传统阻抗测距法的缺点，测距精度可达到500m以内[3]，为输电线路的精确故障定位提供了有效手段。由于行波测距利用了故障时产生的高频暂态分量，不可避免地会受到噪声影响[4-5]。当噪声干扰较大时，容易造成行波测距频繁启动甚至测距结果错误，严重影响行波测距的实用性。

为了提高行波测距的抗扰能力，广大学者对行波特征提取方法进行了大量的研究工作，提出了基于整合移动平均自回归模型的波头识别算法[6]、基于数学形态学的滤波算法[7]、基于变分模态分解（variational mode decomposition, VMD）算法和S变换的故障行波提取法[8]等。这些方法在实际工程中的应用效果还有待考察。从已有文献来看，若想从波形上将噪声与暂态行波完全区分是非常困难的。因此近年来一些学者提出将传统工频保护与行波测距进行融合，研制了保护与行波测距一体化装置[9-10]，为保护与行波测距的信息交互和深度融合创造了有利条件。

本文基于保护行波测距一体化技术，分析独立行波测距存在的主要问题及保护与行波测距信息交互技术，进而研究利用多重保护信息提升变电站行波测距可靠性的技术方案。

1 保护行波测距一体化技术

1.1 保护行波测距一体化架构

保护行波测距一体化技术是指在传统输电线路保护装置的软硬件平台上集成行波测距功能。目前国内主流厂家[9]采用的一体化技术方案如下：

1）共用电流互感器（current transformer, CT）二次回路。行波测距共用原有保护的CT回路，不增加额外的CT资源，不改变变电站二次回路接线，降低CT二次负载。

2）增加行波数字信号处理器（digital signal processor, DSP）插件。在原有保护装置的空置槽上增加行波测距用DSP插件，用于行波的采集、存储和分析，实现保护与行波测距的独立运行。

3）共用站间通信通道。借助原有保护纵联通道硬件设施，利用保护通信帧的备用字段实现两侧行波测距信息的交换，不增加通道建设投资。

保护与行波测距一体化装置架构如图1所示。相比于独立行波测距[10]，采用保护与行波测距一体化技术不仅可以降低系统复杂度、减少投资成本，而且有利于保护信息、行波测距信息的相互融合，为提升行波测距的可靠性提供有效途径。

1.2 独立行波测距存在的主要问题

影响行波测距结果的因素众多，除了行波波速、行波色散、线路长度等带来的参数误差外，工程实现过程中还存在以下问题：

图1 保护与行波测距一体化装置架构

1）测距启动

何时启动测距是工程上行波测距需要解决的首要问题，包含两层含义：一是故障或扰动发生时，行波测距要可靠启动完成测距，不能出现漏测的情况；二是无故障或扰动时，行波测距要可靠不启动，不能出现误测的情况。

独立行波测距通过提取瞬态突变信号构成启动判据，存在门槛值难以选择的问题：门槛设置过高，对于弱故障可能无法启动；门槛设置过低，容易导致噪声环境下频繁误启动，产生大量无效测距结果。

2）测距模量选择问题

理想情况下，故障发生时，包含故障相的各线模分量会同时检测到暂态行波，采用任一线模分量均可完成行波测距。但实际故障情况往往比较复杂，导致各个线模分量中检测到的初始行波到达时刻并不严格相同，如单相故障迅速发展为多相故障、三相开关不同时合闸、多落点雷击[11]等。

由于行波传播速度接近光速，两侧波头时刻1μs的误差会造成150m的测距误差。如果各线模行波检测到的初始波头时刻不相等，而两侧行波测距采用的线模量又不一致，很容易造成较大的测距偏差甚至测距失败。因此，在双端行波测距中，应确保线路两侧模量选择的严格一致性。

3）测距校验问题

测距校验要解决的是测距结果是否可信的问题。实际行波测距可能因故障或扰动启动，也可能因噪声干扰启动；另外即使是故障启动，也可能因波头辨识错误造成测距失准。因此需要对行波测距结果的可信度进行校验。

对于独立行波测距，可供使用的测距结果有单端行波测距结果、双端行波测距结果，但是单端行波测距由于故障点反射波难以识别，可能存在较大误差，无法用作双端行波测距结果的校验。

1.3 保护与行波测距信息交互技术

独立行波测距存在上述问题的主要原因是行波测距功能单一、信息获取比较局限。而传统线路保护装置经过数十年的发展积累，功能已非常齐全，而且性能稳定可靠。通过保护信息与行波测距信息的交互融合，可以大幅提升传统变电站独立行波测距的可靠性和准确性。

针对上述独立行波测距的几个问题，基于保护与行波测距一体化架构，提出如下保护与行波测距信息交互方案：

1）将保护DSP的保护启动信号发送给行波DSP，实现行波测距启动可靠性的提升。

2）将保护DSP的保护差动选相结果发送给行波DSP，实现行波测距两侧模量选择的严格同步。

3）将保护DSP的测距结果发送给行波DSP，提升单端行波测距的准确性，同时对行波测距结果进行校核。

2 行波测距可靠性提升技术

下面从测距启动、模量同步选择、测距结果甄别三个方面详细研究利用保护信息提升变电站行波测距可靠性的具体技术方案。

2.1 行波测距可靠启动技术

行波启动具有高灵敏性的特点，保护启动具有高可靠性的特点，将两者结合可以实现行波测距启动可靠性的提升。

1）高可靠的保护启动

高可靠性的保护启动主体以反应相间电流工频变化量的过电流继电器实现，同时又配以反应全电流的零序过电流继电器互相补充。

相间电流工频变化量启动判据为

零序过电流启动判据为

通过电流变化量启动与零序过电流启动相结合，可以实现在轻微故障或扰动下可靠启动；由于采用了工频量和浮动门槛，能保证在噪声环境下不会误启动。所以保护启动既具有很高的灵敏性，同时又具有很高的安全性。但保护启动在时间上比行波启动慢，一般严重故障启动时间不超过5ms，轻微故障启动时间可能达到10ms以上。

2）高灵敏的行波启动

目前行波测距采样率普遍在1MHz以上，数据量很大，高灵敏的行波启动主要为了实现在故障发生后快速启动完成故障前后行波数据的缓存。因为保护启动时间可能较长，如果等保护启动后再进行数据缓存，需要消耗非常大的存储资源。

本方案采用小波变换提取线模行波波形奇异性特征，当任一线模行波小波变换结果超过门槛值一定点数时，行波启动完成故障前后行波数据的缓存。行波启动判据为

3）保护启动与行波启动的结合

从上面的分析可以看到，行波启动快速灵敏，用于触发行波数据的缓存，保护启动可靠安全，可用于剔除非必要的行波启动，将两者结合可实现行波启动与故障或扰动发生之间的一一对应，具体方案为：行波启动后进入15ms的闭锁期，等待保护启动信号，如果闭锁期内保护启动，则认为此次行波启动有效，进入行波测距环节；如果闭锁期内没有收到保护启动信号，则此次行波启动无效，不进行行波测距，同时开放闭锁准备下一次行波启动。行波启动与保护启动结合逻辑如图2所示。

图2 行波启动与保护启动结合逻辑

2.2 行波测距两侧模量选择同步技术

保护DSP中的差动保护模块采集了对侧的工频电流模拟量，利用两侧信息可以选出故障相，由于两侧使用的模拟量和计算方法均相同，必然能保证两侧选相结果的一致性。利用保护DSP的差动选相结果可实现行波测距两侧模量选择的严格同步。

1）保护DSP差动选相

具体方案如下：

（1）保护启动30ms内，如果差动保护动作且动作相少于三相，则以动作相作为选相结果；如果三相均动作，则以差流最大相作为选相结果。

（2）保护启动30ms内，如果差动保护不动作且三相最大差流达到设定门槛，则以差流最大的相作为选相结果。

（3）如果差动保护不动作且三相最大差流低于设定门槛，则清空选相结果。

2）行波DSP模量同步选择

保护DSP将差动选相结果传给行波DSP，行波DSP根据差动选相结果选择相应的线模量：

（1）如果差动选相结果为单相，则按照A、B、C、A的循环顺序选择差动选相结果的后一相与差动选相结果所构成的线模分量作为测距模量。

（2）如果差动选相结果为两相，则选择对应的线模分量作为测距模量。

（3）如果差动选相结果为空，则选择小波变换模极大值最大的线模分量作为测距模量。

差动选相与行波测距模量选择对应关系见表1。

表1 模量选择方法

2.3 行波测距结果甄别技术

采用上述行波可靠启动技术、模量选择同步技术后，可以保证行波测距数据选择的准确性，但要实现行波测距还需要提取行波波头时刻，当波头时刻识别不准确时，行波测距结果仍可能出现较大偏差，因此需要对行波测距结果进行甄别。

目前线路保护装置配备了完备的单端阻抗法测距、双端阻抗法测距，可以为行波测距提供参考，进一步提高行波测距结果的准确性。

1）单端行波测距故障点反射波识别

单端行波测距不需要同步对时，也不需要线路长度参数，如果能够准确提取初始行波及故障点反射波时刻，单端行波测距相比双端行波测距理论上具有更高的精度。实际工程中受到故障位置、相邻线路母线反射波的影响，要准确识别故障点反射波非常困难。

但是如果其他测距方法已经初步计算出测距结果，则可利用该测距结果圈定故障点反射波的搜索范围，从而提高故障点反射波识别的成功率。具体方法如下：

2）保护测距与行波测距校核

如果保护DSP有有效的双端阻抗法测距结果传给行波DSP，则行波DSP利用该测距结果对行波测距结果进行校验，当满足式（5）所示关系时，认为行波测距结果有效，否则认为行波测距结果无效。

通过保护测距对行波测距进行校核，可以剔除偏差较大的无效行波测距结果，提高行波测距对故障定位的指导作用。

3 试验验证

为了验证上述行波测距可靠性提升方案的正确性，通过在现有输电线路保护装置上增加行波DSP插件，完成保护与行波测距一体化架构的软硬件开发，保护与行波测距一体化装置背板如图3所示。

首先测试噪声干扰下装置行波启动的动作行为，某一时刻从图3中交流采样插件注入噪声信号，从装置中读取行波电流模拟量及行波启动、保护启动信号，试验结果如图4所示。从图4中看到，噪声干扰注入时，式（3）中的行波启动判据快速动作并保持15ms，等待保护启动确认，但高可靠的保护启动判据不满足启动条件，不触发行波测距，避免了无效测距结果的产生，15ms后行波启动返回，进入下一轮启动周期。

图3 保护与行波测距一体化装置背板

图4 噪声干扰下行波启动试验结果

为了测试故障情况下行波测距的效果，基于PSCAD/EMTDC平台搭建了图5所示的仿真模型，其中，线路采用依频特性模型，能够很好地模拟行波传播特性。线路长度60km，阻抗参数为：1= 2.06W、1=25.13W、0=17.47W、0=69.39W。

图5 仿真模型

模拟线路上距M侧20km处的F点发生A相接地故障，3ms后转为A、B两相接地故障。将仿真得到的波形通过行波专用测试仪从图3中交流采样插件输入。

M侧装置的行波电流波形、行波启动、保护启动试验结果如图6所示。从图6中看到，A相故障点行波初次到达M侧时，M侧保护与行波测距一体化装置检测到暂态行波突变，行波测距迅速启动，而且在15ms的闭锁期内，保护也可靠启动，图2所示逻辑满足可靠触发行波测距的要求。

图6 故障情况下行波启动试验结果

图7、图8分别为线路两侧保护行波测距一体化装置的保护动作报告及行波测距报告。从图7中看到，M侧保护故障选相为AB，故障测距结果为21.2km，N侧保护故障选相为AB，故障测距结果为39.1km。按照表1的对应关系，从图8中看到，两侧行波测距采用的线模量也均为AB，保证了两侧行波测距模量选择的严格同步及测距结果的正确性，其中M侧双端行波测距结果为19.796km，N侧双端行波测距结果为40.204km，且保护测距结果与行波测距结果满足式（5）的约束关系，行波测距结果判为有效。

图7 保护动作报告

图8 行波测距报告

需要说明的是，如果两侧装置模量选择不一致，比如M侧选择AB线模量，N侧选择BC线模量，则M侧识别的初始行波时刻为A相接地时故障点行波初次到达M侧的时刻；对于N侧，由于A相接

地时在B、C两相中感应的行波为零模分量，求取BC线模分量时会做减法把零模分量消掉，所以N侧装置将识别不到A相接地时的初始行波，而只能识别到B相接地时故障点传过来的初始行波，必然导致双端行波测距失败。

另外，故障点F对于N侧来说位于线路远端，M侧母线的反射波将先于故障点反射波到达，由于采用了依据初步测距结果圈定故障点反射波识别区域的方法，从图8（b）中可以看到这种情况下单端行波测距依然能够给出准确的测距结果。

图9 故障点反射波识别

以上仿真结果表明通过将保护信息与行波测距信息进行融合，充分发挥保护信息高可靠性的特点，能够有效提高行波测距的可靠性。

4 结论

本文针对独立行波测距存在的启动可靠性低、模量选择难以同步、测距结果无法校核等问题，基于保护与行波测距信息交互技术，提出了变电站行波测距可靠性提升方案，结论如下：

1）利用安全可靠的保护启动实现了行波启动可靠性的提升，实现了噪声干扰下行波测距可靠不启动，发生故障时行波测距能够可靠启动。

2）利用保护差动选相实现了双端行波测距两侧模量选择的严格同步，保证了多相不同时故障两侧行波测距数据选择的一致性。

3）基于保护测距结果实现了单端行波测距结果准确性的提升及行波测距结果的有效性识别，仿真试验结果验证了所提方案的有效性。

本文提出的方法在保护装置可靠运行时能够有效改善行波测距的可靠性，后续将针对保护装置出现误判或保护测距结果误差偏大等极端情况开展应对研究，进一步提升行波测距对故障定位的指导 作用。

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Reliability improvement of station traveling wave fault location based on protection information

WU Zhanguo1QIAO Yufeng1LI Huiyong2XU Xiaochun3HUANG Tao3

(1. Inner Mongolia Electric Power Co., Ltd, Hohhot 010020;2. Ulanqab Power Supply Bureau, Inner Mongolia Electric Power Co., Ltd, Ulanqab, Inner Mongolia 012000;3. NR Electric Co., Ltd, Nanjing 211102)

Traveling wave fault location (TWFL) has the advantages of high accuracy and little influence by the system operation mode, but the independent TWFL is vulnerable to noise, which leads to a bad reliability. Traditional AC line protection technology is mature and has strong anti-interference ability and high reliability. It is a feasible technical route to improve the TWFL reliability by using protection information. In this paper, based on the integration of protection and TWFL, the problems of independent TWFL and the information interaction technology between protection and TWFL are analyzed. Combined with the protection related information, detailed technical schemes to improve the reliability of station TWFL are presented, which include fault location start-up, synchronous phase selection and fault location result screening. Based on the above technologies, the software and hardware test platform are built, and the experimental results verifiy the effectiveness of the proposed schemes.

traveling wave fault location; line protection; integration; information interaction; reliability

内蒙古电力（集团）有限责任公司科技项目（DUKZZZ-YBHT-2020-JSC0406-0040）

2021-01-25

2021-02-04

武占国（1978—），男，内蒙古呼和浩特人，硕士，高级工程师，主要研究方向为电力系统自动化。