基于混合直流交流系统的一体化故障测距仪设计

摘 要：为解决混合直流交流输电系统中故障测距的问题，本文采用双D型行波原理，通过捕获混合直流交流输电系统内部故障引发的初始行波，对行波在系统两端到达的时间差进行测量，计算故障点到两端测量点的距离。故障测距系统包括2台故障行波采集装置、行波故障分析主站和通信网络。通过GPRS/CDMA网络传送故障行波数据至分析主站，生成双端行波故障测距结果。仿真结果显示，本文方法在发生大规模故障的情况下可识别出130个故障。在测距精度方面，本文方法的测距精度高于其他方法，为混合直流交流系统的故障定位提供了一种高效可靠的解决方案。

关键词：输电系统；故障测距仪；D型双端行波；通信网络；测距精度

中图分类号：TH 73" " " " " " " " " " " " " " " " 文献标志码：A

故障测距仪[1]是电力系统中一种重要的设备，用于快速、准确地检测电力系统中的故障位置，以便及时采取措施进行修复。在电力系统中，混合直流交流系统[2]是一种集成了直流和交流元素的复杂系统，故障的检测和定位[3]尤为关键，因为故障可能导致系统不稳定，所以影响了整个电力网络[4]的运行。

高淑萍等[5]采用小波阈值去噪和互补集合经验模态分解与希尔伯特变换相结合的混合三端直流输电线路测距策略。侯伟等[6]研究混合输电线路的故障行波传播特性，包括反射和折射特性，并建立相应的故障测距模型，模拟线路上出现不同位置的直接金属接地故障和过渡电阻接地故障的情况。

本文通过传感器采集混合直流交流系统内部发生的故障引起的初始行波信号。记录采集的行波信号数据，并储存在测距仪内，利用GPRS/CDMA通信网络，将从采集设备获取的故障行波数据传输至行波故障分析主站。主站采用D型双端行波原理，自动分析记录的行波数据，以精确识别故障并进行测距计算。主站自动处理数据，生成准确的双端行波故障测距结果。

1 混合直流交流系统原理

1.1 总体流程

混合直流交流系统总体流程如图1所示，首先，启动混合直流交流系统。首先，在初始阶段系统以直流方式运行。获取系统在运行过程中的遥控信号和远程测量数据。对读取的数据进行预处理，保证数据质量和适用性。通过分析数据，估计混合系统的收敛网络拓扑。其次，判断系统是否存在故障，如果有故障，则执行相应的处理。对系统的状态和参数进行处理，为进一步判断和估计提供准备。通过数据处理，判断直流电流是否满足条件。再次，检查系统信息是否收敛，即系统各组件的状态是否趋于稳定。如果系统信息收敛，则进入直流方式运行。系统以直流方式运行，供应直流负载和逆变器分别提供直流电力和将其转换为交流电力，以供应交流负载。在以直流方式运行的同时，估计交流系统的状态。最后，判断交流系统是否满足预定条件。如果满足条件，则结束收敛，交流状态估计完成。完成系统收敛，保证混合直流交流系统处于合适的运行状态。系统完成直流方式运行后，通过估计交流状态对混合直流交流系统进行全面监测和管理，保证混合直流交流系统正常运行。

1.2 双端行波计算

混合直流交流输电系统[7]故障测距，须结合D型双端行波原理，通过捕捉系统内部故障引发的初始行波，测算当行波到达系统两端时的时间差，以此计算故障点和两端测量点的距离。在混合直流交流系统中，这种方法能够有效地定位故障点，通过分析行波传播的时间差异，实现了高精度的故障测距，为系统的可靠性和稳定性提供了重要支持。

假设接地极线路MN发生故障产生初始行波浪涌，该行波以特定传播速V分别到达系统的一端M和另一端母线N。在测得的绝对时间tM和tN内，可以计算出行波到达故障点的时间差。基于这一信息，可以推算出故障点距离系统一端M和另一端母线N的距离，如公式（1）、公式（2）所示。

DMF=[v0（tM-tN）+l] （1）

DNF=[v0（tN-tM）+l] （2）

式中：DMF和DNF为M端和N端到故障点的距离；l为接地极线路MN的长度；V0为初始速度。

从公式（1）、公式（2）中可知，实现D型双端行波需要获取准确的行波浪涌数据，并确定适当的行波速度。同时采取措施提高行波信号tM的采集频率，保证线路两端数据采集的同步性，并解决极址处故障行波采集装置的电源供应问题。

处理电缆反馈的故障波前，采用基于混合普罗尼分析的信号分解，提取可识别故障信号特征的参数。当电缆反馈的信号x（n）输入时，指数分量的线性组合如公式（3）所示。

（3）

式中：M为命令或信号的分量数量；n为信号采样的总数；Sm和Zmp的参数定义如公式（4）、公式（5）所示。

Sm=Vmeiθ （4）

Zm=egmj2πijt （5）

式中：、VmSm、gm和fm分别为信号x（n）的第m个指数成分的振幅、相位角、阻尼因子和频率；Zm为指数成分的角频率；j为虚数单位；i为复数中的虚部；f为周期性事件频率；θ为信号在某一时刻相对于参考点的相位位置。每个指数成分的这4个参数可以按照采样间隔的顺序，在数据的状态空间中依次生成。

2 一体化故障测距仪总体架构

2.1 系统结构

基于混合直流交流系统的一体化故障测距仪[8]的整体结构如图2所示。系统总体架构如下。

2.1.1 故障行波采集装置

安装在混合直流交流系统的关键节点，例如接地极线路的换流站和极址处。采用防雨、防潮、防尘的耐腐蚀材料制成机箱，内部配置专门设计的小型电流互感器。通过GPS进行时钟同步，以保证采集装置之间的数据同步性。

2.1.2 行波故障分析主站

安装在系统的关键位置，可以集中安装在与换流站一侧的采集装置相连的站内，也可以独立安装在其他位置。负责接收通过通信网络传输的故障行波数据。利用D型双端行波原理自动分析记录行波数据，实现故障识别和测距计算。

2.1.3 通信网络

使用GPRS/CDMA通信网络，保证能够数据高效传输。将故障行波数据从故障行波采集装置传送至行波故障分析主站。

2.1.4 电源系统

采用太阳能光伏电池模块为故障行波采集装置提供工作电源，保证系统的可持续运行。在极址处的采集装置使用防雨、防潮和防尘的机箱，保证电源系统的稳定性。

该一体化故障测距仪利用集成故障行波采集、数据传输、分析和测距计算等功能，对混合直流交流系统故障进行高效、自动化地检测。

2.2 设计流程

系统的设计流程如图3所示。在一体化故障测距仪中，硬件和软件都需要初始化，以保证系统处于可运行状态。系统正常开启，准备接受输入信号并进行处理。系统通过检测输入信号中的异常或检查系统自身的状态进行故障判断。如果存在故障，系统就将进入故障处理分支。之后，系统可能产生高频脉冲信号，这是一种测距信号，用于对故障测距进行特殊处理。系统中有1个计算器控制单元，用于对接收到的信号进行处理和计算，这个阶段可能涉及距离计算或其他相关的处理。系统判断当前任务是否结束，判断是否完成距离测量或故障定位任务。如果判断任务结束，系统就将进入结束阶段。任务结束后，系统可能还需要进行反射波计算，以获取更多关于故障位置或测距的信息。

在该流程中，关键步骤是故障判断和高频脉冲产生，用于引发并处理故障测距的相关计算和操作。计算器控制单元负责对信号进行处理和计算，最终判断是否完成任务。如果任务结束，系统就将进行反射波计算，以获取额外的信息。在一体化故障测距仪中，这个设计流程可以检测电力系统中的故障。

3 测试结果分析

为验证系统准确性，本文使用ATPEMTP和Matlab7.0仿真软件建立了10 kV配电电缆系统模型。在仿真试验中，以单相接地故障为目标进行比较，电缆的电气参数设置为20.5 mΩ/km，并假设故障发生在第一条10 km的电缆上。将本文所设计的方法与自适应RLS滤波的电缆故障定位算法以及基于双端故障参数测距方法的故障定位算法进行了对比。

随着电缆故障数量增加，3种方法在故障准确识别方面的性能如图4所示。在故障数量较低的情况下，3种方法表现出相似的故障识别能力。例如，当故障数量为20个时，3种算法都能够准确识别相同数量的故障。然而，当故障数量增加到30个时，本文方法、自适应RLS滤波方法和电缆故障定位分别识别出30个、25个和26个故障。在故障数量较多的情况下，本文方法展现出更好的故障识别能力。以故障数量160个为例，本文方法、自适应RLS滤波方法和电缆故障定位分别识别出130、120和124个故障。这表明在发生大规模故障的情况下，本文方法在故障识别方面具有更高的准确性。

各种方法在不同故障距离下的测距精度如图5所示，随着故障距离增加，各方法的测距精度逐渐降低。以故障距离从10 km～80 km为例，本文方法的测距精度由93.4%下降至73.2%，自适应RLS滤波方法由87.5%下降至60.2%，基于双端故障参数测距方法由88.2%降至56.7%。与自适应RLS滤波方法相比，本文方法的平均测距精度提高了12.17%，与基于双端故障参数测距方法相比，提高了15.25%。因此，本文所提出的方法与对比方法相比，具备更高的故障测距精度。这是由于本文的故障测距仪率先运用D型双端行波原理对故障信号进行分解，从而产生易于分析的信号形式，这有助于提升系统对故障信号的准确定位精度。

4 结论

本文提出的混合直流交流系统的一体化故障测距仪设计，在10 kV配网电缆系统的仿真试验中，验证了准确性和优越性。本文采用ATPEMTP和Matlab7.0仿真软件建立了电缆系统的仿真模型，以模拟实际运行中可能发生的单相接地故障。在故障个数较多的情况下，与对比方法相比，本文方法表现出更好的故障识别能力。当故障数量为160个时，本文方法成功识别了130个故障，而对比算法则分别识别出120和124个故障。此外，随着故障距离增加，各种方法的测距精度逐渐降低，但是本文方法在大范围故障距离下依然保持相对较高的精度。以故障距离从10 km增加到80 km为例，本文方法的平均测距精度与自适应RLS滤波方法相比，提高了12.17%，与基于双端故障参数测距方法相比，提高了15.25%。综上所述，本文提出的混合直流交流系统的一体化故障测距仪设计在故障识别和测距精度方面都表现出显著的优越性，该设计为混合直流交流输电系统的故障管理提供了可靠而高效的解决方案。

参考文献

[1]韦长算，彭振中，李君.一种基于GPS、倾斜仪及测距仪的融合打桩新模型[J].测绘通报，2020（5）：161-164.

[2]朱博，徐攀腾，张嘉新，等.混合直流输电系统交流故障穿越控制策略[J].电力电子技术，2022，56（8）：96-99.

[3]李巍巍，白欢，吴惟庆，等.基于振荡波局部放电检测的电力电缆绝缘老化状态评价与故障定位[J].电测与仪表，2021，58（9）：147-151.

[4]郭明健，高岩.基于复杂网络理论的电力网络抗毁性分析[J].复杂系统与复杂性科学，2022，19（4）：1-6.

[5]高淑萍，徐振曦，宋国兵，等.基于小波阈值去噪和CEEMD的混合三端直流输电线路故障测距[J].电力系统保护与控制，2022，50（3）：29-40.

[6]侯伟，李宁.基于混合输电线路下故障测距方法研究[J].电子器件，2022，45（3）：701-709.

[7]黄炟超，胡宪法，吴健颖，等.基于时域分段法-相量法混合建模的直流输电交流系统的谐波电流计算[J].电工电能新技术，2023，42（9）：46-54.

[8]石侃，张元，李俊，等.关于线路保护行波测距一体化装置设计与技术探析[J].农村电气化，2018（12）：70-72.