直流输电线路故障点的定位方法

2011-10-18赵彦平薛宇箭

科学之友 2011年11期

赵彦平，薛宇箭

（山西省电力公司超（特）高压输变电分公司，山西太原 030031）

1 引言

高压直流输电线路担负着电能传输的繁重任务，由于直流输电线路跨越的地区地形复杂，各地区的气象条件又变化极大，在恶劣的气象环境中，高压直流输电线路将是电力系统中比较容易发生故障的设备之一。当高压直流输电线路上发生故障后，如果能够及时、准确地找到故障点，不仅对修复线路和保证可靠供电十分有利，而且对保证整个电力系统的安全稳定和经济运行都有十分重要的意义。因此，高压直流输电线路的故障定位方法的研究和应用，对提高电网的安全稳定性具有极其重要的意义。

目前，线路故障点定位的方法可以分成以下几类：①根据使用电气量的位置可分为单端法和双端法；②根据对故障数据的分析方式可分为频域法和时域法；③根据采用的模型类型可分为集中参数模型法和分布参数模型法；④根据算法的内容可分为阻抗模型法和行波定位法。其中，阻抗模型法易受线路参数的精确度、过渡电阻、线路分布电容、线路结构的对称性、电压和电流互感器的变换误差等因素的影响，定位精度难以提高；目前使用广泛的是行波定位法[1～2]。

行波故障测距的基本原理是利用比较故障时线路产生的暂态行波波头到达不同测量点的时刻，和已知不同测量点间的线路长度，来计算行波在线路上的波速和故障点距离测量点的距离。

由于暂态行波波头传播速度快，要采样得到行波波头及其对应的时刻，具有一定的难度，所以对于突变量小、变化平缓的电压、电流行波，还存在行波波头检测困难的难题。

为了克服行波定位法的不足，借助于全球定位系统GPS的同步时钟的参照时标，本文提出了一种利用多点采样数据的波形特征来计算故障行波在直流输电线路上传播延时时间的方法，进而用于计算故障点在直流输电线路上的位置。

2 计算故障行波在线路上传播时间的方法

如果在一条直流输电线路的首端、末端和线路上某个结点处安装3个测量单元分别为C1、C2和C3，当直流输电线路上发生了短路接地故障时，测量单元C1、测量单元C2和测量单元C3在设定的时长t内，同时测得的电压数据分别为fV1（τ）、fV2（τ）、fV3（τ），τ缀[0，t]，此时分别将各测量单元的数据发送到监控单元，在监控单元内，以测量单元C1和测量单元C2为例，定义任意两测量单元间的相似度函数，见式（1）。

在时间段[0，t]内，令R12-MAX为E12（x）中的最大值，R12-MAX对应的xMAX（R12）值乘以采样间隔时间即为故障行波在测量单元C1和测量单元C2之间的传播延时时间△T12，即扰动行波在电网的C1点和C2点之间传播延时时间，由式（2）计算可得。

式中：fS：采样频率。

3 确定故障点位置的定位方法

在图1所示的直流系统中，假设在线路首端、末端和线路上安装的测量单元分别为C1、C2、C3，各测点间已知的线路长度分别为L1和L2。在距离C2测量单元长度为Lx处发生了接地故障，0.1s后故障自动切除。

图1 直流系统简图

当故障发生后，故障点处的故障电压行波向线路四周快速传播，在3个测量单元处都会测量得到电压波形相似的电压行波。在测量单元C1、C2、C3分别同时测量一段时间的电压数据后，将各测点的电压数据传送到监控单元，在监控单元中利用式（1）、式（2），便可计算故障行波通过测点 C2与 C1的时差 △T21，以及故障行波通过测点C2与C3时的时差△T23。

计算出故障行波通过相邻测点间的时差后，再根据测点间已知的线路长度，可以计算故障行波在相邻两测点间线路上的波速，如果故障点在线路上某相邻两测点之间，则该两测点间相邻线路上计算的波速将非常大，见式（3）：

即通过式（3），比较相邻两测点间计算的波速大小，如果计?算的波速较大，说明故障点在该两相邻测点间的线路上，相反，计算的波速较小的线路上则不含故障点。

当在三个测量单元之间确定了包含故障点的线路区域后，则不含故障点的线路上波速见式（4）：

根据上式（4），便可计算故障电压行波在不包含故障点的直流线路上的波速，结合包含故障点的两相邻测点间已知的线路长度，便可计算故障点距离测点的距离。

参照图1所示系统，假设故障点发生在测点C1与C2之间，通过上述（1）式至（2）式，便可计算故障行波通过相邻测点间的时差，结合测点间已知的线路长度，便可计算相邻测点间线路上的波速，根据计算的波速大小，便可确定故障点所在的区间，通过（4）式计算的非故障线路上故障行波的波速，则在包含故障点的线路区间上，故障点距离测点C2的长度Lx可由如下（5）式计算可得。