基于电子式电压互感器的行波测距技术*

束洪春， 刘　鑫， 张青瑞

(昆明理工大学 a. 电力工程学院， b. 现代农业工程学院， 昆明 650500)



基于电子式电压互感器的行波测距技术*

束洪春a， 刘鑫a， 张青瑞b

(昆明理工大学 a. 电力工程学院， b. 现代农业工程学院， 昆明 650500)

为解决行波测距装置在数字化变电站实际应用中存在的问题，分析了电子式电压互感器的暂态行波信号传变特性.通过分析EVT模拟等值电路建立其传递函数，利用仿真模型分析EVT的频率特性，考察电子式电压互感器的一、二次电压行波的相似程度，优化EVT参数使其更适用于行波保护，并讨论不同采样电阻对行波测距精度的影响.结果表明：一定参数下的EVT能够满足行波保护的信号传变要求，EVT的采样电阻取值对行波测距精度影响较大，采样电阻越大，单端测距的误差越大.

电子式互感器； 行波保护； 电容分压器； 等值电路； 频率特性； 采样电阻； 小波变换； 单端测距

近年来，随着我国智能电网建设进程不断加快，数字化变电站已成为现代化电网发展的新趋势之一.数字化变电站最突出的特点便是新型电子式互感器的应用，它可以有效避免常规互感器出现的一些问题，如准确度低、易饱和、暂态特性差及易受电磁干扰等弊端.电子式互感器采样信号经过合并单元处理，经光纤传输至后台机，避免了电磁干扰的影响，提高了信号传输的准确性和可靠性[1].电子式互感器分为电子式电流互感器和电子式电压互感器(EVT)，其中电子式电压互感器通常采用光学原理或电阻、电容分压，避免使用大型电感元件，这样极大减少了铁磁谐振的几率.

行波保护具有动作速度快、不受系统振荡和CT饱和影响等优点，行波测距理论自提出以来已得到了广泛的研究.传统电压互感器由于其高频信号的传变特性较差，电压行波无法直接用于保护；而传统电流互感器的高频传变特性较好，因此我国并网运行的行波测距装置大多数采用的是电流行波[2-4].随着电子式电压互感器在智能化变电站中的广泛应用，基于电压行波的故障测距技术有了实现的先决条件.国内外学者对基于电子式互感器的行波保护技术的可行性与实用性进行了大量研究，文献[5]研究了电容式电压互感器的等效电路建模，分析了谐波特性，但未能对行波传变特性做出论述；文献[6]在一定程度上分析了电容分压型电子互感器的暂态传变特性，但其侧重于滞留电荷的特性分析；文献[7]研究了电压互感器传变特性对行波波头辨识的影响，但未对影响因子提出分析.以上研究未能得到影响电容分压型电子互感器行波传变特性的关键参数.

单端行波保护的关键在于故障后行波波头的特征识别，其对保护装置的数据处理要求很高，通常要求500 kHZ以上的采样频率，但目前对电容分压型电子互感器的高频传变特性研究很少.本文从电容分压型电子互感器的高频等效数学模型入手，得到EVT传递函数，并通过分析传递函数的频幅特性得出电压行波在EVT二次侧输出会有一定震荡的结论.通过EMTP/PSCAD仿真分析了EVT中采样电阻对单端行波测距精度的影响，得到适用于单端行波保护的EVT参数，为行波测距技术在数字化变电站的实用化提供一定的理论基础.

1　EVT整体等效电路

电容分压型EVT的原理是电容分压器原理[8]，如图1所示，C1、C2分别为电容分压器的高、低压臂电容，U1为被测一次电压，U2为分压器低压臂的电压.根据电路理论可得

(1)

式中，K=C1/(C1+C2)，为分压器的分压比.只要适当选择C1和C2的容量即可得到所需要的分压比.

图1　电容分压器原理Fig.1　Principle for capacitive voltage divider

实际应用中的电容分压器通常采用如图2所示的等效电路，其中，R为采样电阻.此时输入电压U1和输出电压U2的关系式为

(2)

图2　电容分压器等效电路Fig.2　Equivalent circuit for capacitive voltage divider

式(2)经拉式变换得

(3)

整理后得

(4)

若R值足够小，(C1+C2)s≪1/R，则可对式(4)进行简化，得到

(5)

式(5)表明，输出电压U2和输入电压U1的微分成正比，U2主要取决于采样电阻R和高压电容C1，受低压电容影响较小.为了得到与高压侧电压呈线性变化的二次电压信号，需要加入积分电路对U1进行处理[8].

一般情况下，可利用模拟积分电路来实现积分功能，为减少积分器对信号处理的影响，本文采用了反馈型有源积分电路.EVT的整体等效模型如图3所示，图中，Rf为反馈电阻，C为积分电容，有源积分器的传递函数为

(6)

图3　EVT整体等效电路Fig.3　Overall equivalent circuit for EVT

2　EVT频率特性

根据第1节分析可知EVT整体电路的传递函数为

(7)

其幅频特性表示为

(8)

相频特性表示为

Δθ=90°-arctan[ωR(C1+C2)]+

180°-arctan(ωRfC)

(9)

则可计算得到EVT的上、下限频率为

(10)

故障时产生的行波信号其能量主要分布在10～100 kHz的频带范围内，而用于高压远距离的行波保护装置其采样频率要求在1～10 MHz的范围才能具有良好的精确性[9].根据式(10)分析可知，EVT的传变带宽与电容和电阻的参数有关，在选取适当的分压电容与采样电阻时，可满足行波保护的要求.文献[10]讨论了220 kV电容分压型EVT的参数优化方案，但EVT对故障行波的传变特性并不理想，根据式(10)推算，可适当减少分压电容C1、C2及采样电阻R的值，使EVT的传变带宽达到兆赫兹级别.本文在选取文献[10]所给出的EVT参数基础上，选择较小的取样电阻值作为实验仿真参数，具体参数如表1所示.

表1　EVT参数Tab.1　Parameters for EVT

在EMTP/PSCAD中建立EVT模型，得到EVT的幅频响应与相频响应特性曲线如图4所示.

图4　EVT频率特性曲线Fig.4　Frequency characteristic curve for EVT

由图4可见，该参数下的EVT输出端电压信号在1 MHz以下具有良好的幅频响应特性，在0～1 MHz频率区间内对信号的传变特性响应较好，满足行波保护采样频率的要求.

3　EVT行波传变特性仿真与分析

在EMTP/PSCAD中搭建一条典型220 kV双端供电网络，其结构如图5所示，线路全长100 km，线路距M端40.8 km处发生三相短路接地故障，故障初相角为90°，过渡电阻为100 Ω，采样频率为1 MHz.输电线路在M端装有行波录波装置，可测量到故障电压行波.

在EMTP/PSCAD中搭建EVT模型，将M端测量得到的故障电压数据作为EVT一次侧电压，可得到EVT二次侧电压波形.以B相电压为例，EVT一、二次侧电压行波分别如图6、7所示.

图5　典型双端供电网络Fig.5　Typical double-end power supply network

图6　EVT一次侧电压行波Fig.6　Primary voltage traveling wave for EVT

图7　EVT二次侧电压行波Fig.7　Secondary voltage traveling wave for EVT

通过可决系数r考察图6与图7故障波形的相似度(可决系数表示两组曲线的相似程度[11])，其表达式为

(11)

(12)

(13)

r越接近1，两个曲线的相似度越高，表明EVT模型对波形的影响越小.利用MATLAB对故障数据进行统计计算，得到r=0.93，说明EVT仿真模型一、二次侧的电压数据相似度较高，所搭建的EVT模型对电压行波传变的影响较小.但通过对比一、二次侧电压行波可看出，EVT二次侧电压行波幅值略有衰减，在实际现场中，EVT受外部环境及自身技术特点影响，波形衰减虽然不可避免，但其幅值可通过参数优化控制在较小的范围，对行波传变中的波形突变影响较小.

4　采样电阻对行波测距精度的影响

行波保护具有原理简单、系统运行方式对其影响较小等特点，能够实现较高精度的故障定位[12].行波定位法自1948年提出以来得到了国内外的广泛研究.行波保护是以行波传输理论为基础的故障定位技术，输电线路发生故障时，会有故障行波产生，故障行波在故障点和其它阻抗不连续点会产生折射和反射，利用其传输时间可计算出故障位置[13].经过数十年的研究与发展，行波测距方法分为四种类型，A型原理为故障行波经输电线路传至母线后发生反射，反射波到达故障点再次发生反射后将第二次到达母线，通过行波两次到达母线的时间差计算故障距离；B、C型原理为利用脉冲或信号发生器人为施加高频或直流信号，根据雷达原理进行故障定位；D型是根据故障时产生的行波信号到达输电线路两端母线的时间差来进行故障定位[14].目前，A、D型行波测距技术无论在理论基础还是实际应用中都较为成熟，但A型行波保护具有不需通信通道和实时数据同步等优点，因此，本文以A型行波测距方法为基础，研究EVT参数对测距精度的影响.

行波测距法关键在于故障后行波波头的特征识别，一直以来，利用数值计算以及有效的信号处理方法来识别行波波头信息是行波保护领域的重点.无论是单纯基于频域还是基于时域的分析方法都不足以精确地描述行波信号.随着小波变换在电力系统中的广泛应用[15]，有学者提出了基于小波变换的行波分析方法，利用故障小波变换模极大值法提取故障行波信息[16].对图7中EVT二次侧电压行波信号进行小波变换，分析结果如图8所示.

图8　小波变换分析结果Fig.8　Analysis results of wavelet transform

通过模极大值算法能准确找到故障初始行波及故障点反射波所造成的行波奇异点，特别是初始行波奇异点，具有最大的模极大值.由图8可知，故障初始波头到达M端相对时刻为t1=642 μs，故障点反射波到达M端相对时刻为t2=916 μs，由线路参数计算得到波速v为2.98×105km/s，则故障距离d=v(t2-t1)/2=40.83 km，而故障距离为40.80 km，误差为0.03 km，表明利用小波变换模极大值法处理行波信号具有可靠的测距精度.

根据EVT的数学模型分析可知，EVT传变带宽与电容和电阻的参数有关，在选取适当的EVT分压电容与采样电阻后，可满足行波保护的要求.利用不同电容与电阻参数测得EVT二次侧电压行波信号单端测距的结果也会不同.利用小波变换模极大值方法对图5所示输电线路进行故障测距仿真分析，考察不同EVT采样电阻下单端测距精度，测距结果如表2所示，其中，di为测距结果；Δd为测距误差.

表2　故障测距结果Tab.2　Results of fault locating　km

从表2可以看出，EVT对行波信号具有良好的传变特性，采样电阻在500 Ω以下时，利用EVT二次侧电压信号进行故障测距具有较高的精确度.测距误差与采样电阻的取值有一定关系，采样电阻值越大，单端测距误差也越大，采样电阻取值在故障距离较长时对测距精度影响更为显著.

5　结　论

本文针对电容分压型EVT的暂态传变特性进行了深入分析，建立EVT的数学模型以及传递函数，得到了EVT截止频率的数学表达式，分析了参数对EVT暂态行波传变特性的影响，并进一步利用基于小波变换的单端测距法考察了EVT参数对行波测距精度的影响，得到如下结论：

1) 在适当的参数下，电容分压型EVT的传变带宽可达到兆瓦级，仿真表明电容分压型EVT对暂态行波信号具有良好的传变特性.

2) 利用EVT二次侧电压信号进行故障测距具有较高的精确度.测距误差与采样电阻的取值有一定关系，采样电阻值越大，单端测距误差也越大；在故障距离较长时，采样电阻取值对测距精度影响更为显著.

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(责任编辑：景勇英文审校：尹淑英)

Traveling wave fault location technology based on electronic voltage transformer

SHU Hong-chuna, LIU Xina, ZHANG Qing-ruib

(a. School of Electric Power Engineering, b. Faculty of Modern Agricultural Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650500, China)

In order to solve the problem in the practical application of traveling wave fault location device for digital substation, the transient traveling wave signal transmission characteristics of electronic voltage transformer (EVT) were analyzed. Through analyzing the simulation equivalent circuit of EVT, the transfer function was established. In addition, the frequency characteristics of EVT were analyzed with a simulation model, and the similarity between primary and secondary voltage traveling wave signals of EVT was investigated. The parameters for EVT were optimized to make the EVT more suitable for traveling wave protection, and the influence of different sampling resistances on the fault location accuracy of traveling wave was discussed. The results show that EVT can satisfy the requirements in the signal transmission of traveling wave protection under certain parameters. The sampling resistance values of EVT have great influence on the accuracy of traveling wave fault location. Furthermore, the bigger the sampling resistance is, the larger the error of single-end fault locating is.

electronic transformer; traveling wave protection; capacitive divider; equivalent circuit; frequency characteristic; sampling resistance; wavelet transform; single-end fault location

2016-03-02.

国家自然科学基金资助项目(51267009).

束洪春(1961-)，男，江苏丹阳人，教授，博士生导师，主要从事电力系统继电保护和稳定控制等方面的研究.

10.7688/j.issn.1000-1646.2016.04.02

TM 77

A

1000-1646(2016)04-0367-06

*本文已于2016-06-28 14∶52在中国知网优先数字出版. 网络出版地址： http：∥www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20160628.1452.006.html