基于广义量测的地区电网T接线路故障测距系统

， ， ， ， ， ， ，

(1. 国网山东省电力公司烟台供电公司， 山东 烟台 264001; 2. 山东大学 电网智能化调度与控制教育部重点实验室， 山东 济南 250061)

近年来，伴随社会经济快速发展，用电需求与日俱增，特别在夏季用电高峰时段，电网负荷往往接近于满载， 如何快速恢复供电， 保障系统供电的持续性， 对电网运检人员提出了新的挑战， 因此， 实现故障快速定位，为电网运行调控人员及时安排运检人员进行故障抢修赢得宝贵时间，对地区电网的安全可靠供电具有重要意义[1-3]。

电网故障定位主要采用阻抗法和行波法[4-7]。阻抗法具有实现简单、经济可靠等特点，在电力系统中得到广泛应用。近些年随着电网规模的迅速扩大，其供电半径也日益增大，T接线路在110 kV等级以下的电网中广泛存在，传统的阻抗法在T节点附近存在测距死区[8]，无法实现精确定位，给电网巡检人员带来很大困难。而行波法因其具有应用范围广、实用性强、定位准确等特点在电力系统故障测距中得到广泛应用。

再者，考虑到传统电流互感器的工作原理与电气特性，在已有线路中加装电流互感器存在诸多困难，且传统电流与电压传感器易受饱和影响，安装、维护复杂[9-10]。以上诸多不利因素对110 kV电网故障测距的实施造成了极大障碍，因此，有必要寻求新型的测量方式，实现安全有效的架空输电线路电流监测，并将其运用到线路故障定位中。

综上， 针对110 kV地区电网中T接线路的故障测距问题， 本文中将基于广义量测的行波法引入110 kV电网T接线路故障测距中， 研究开发了一种便于安装维护的无接触式电压、电流行波感应装置， 利用该装置采集行波信号， 替代传统的、 需要接入运行线路的电压或电流互感器， 通过电磁场感应原理采集输电线路的暂态电流信息， 并利用该信息进行行波测距； 然后， 据此构建一种基于广义量测的110 kV城市电网故障测距系统， 以期实现故障的精确定位。

1 行波采集方法与装置

1.1 架空线路周围电场与电压关系分析

通过电磁感应原理，可以获取输电线路的电压和电流信号[11-12]，从而构成无接触式的广义量测中的分布式采样终端。以电压信号为例，利用等效电荷法计算三相架空线路周围的电场强度[13]，以三角形排列的输电线路为例，在与三相导线垂直的平面内建立坐标系统，如图1所示。

图1中，A、B、C三相导线坐标可标记为(Xk,Yk)，k=A、 B、 C，检测点P位于(x,y)处。设：地面电位为0；A、 B、 C三相导线的电位分别为uA、uB、uC;单位长度线路中等效电荷分别为τA、τB、τC， 则

P—检测点；Ex、Ey—电场强度的水平和垂直分量；A、 B、 C—三相导线图1 三角形排列三相导线与检测点坐标系统

(1)

式中λ为各导线的自电位系数及互电位系数，可由镜像法求得。

三相导线在测量点处产生的电场强度可以分为垂直分量和水平分量，分别表示为

Ey=(LALBLC)(τAτBτC)T，

(2)

Ex=(HAHBHC)(τAτBτC)T，

(3)

式中：

k=A, B, C；ε0为空气的介电常数。

根据式(1)—(3)，电场强度与电压的关系可以概括为

(4)

以单相故障为例，故障相电压为0，利用式(4)可以得到非故障相电压。

综上，结合故障边界条件，可以利用电场数据反推得到电压波形。

1.2 无接触式电压电流行波采集装置

由于城市110 kV等级电网接线比较复杂， 传统信号采集装置如电压互感器(PT)、 电流互感器(CT)等均需要线路停电进行安装[14-15]， 给电网正常运行带来了困难。针对该问题， 本文中提出以场检测原理为基础的无接触式电压、电流行波采集装置。 由于故障时杆塔处的电磁场会发生突变， 因此通过无接触式行波采集装置可以采集行波突变信号， 并将其传送至远方的测距分析装置。 该装置装设于输电线路下方的杆塔处， 与线路并无直接接触， 如图2所示。

图2 行波信号采集装置示意图

图2中行波采集装置带有无线通讯装置以及全球定位的同步时钟装置，整套装置由太阳能电池板以及附带的电池进行供电，具有简单、经济、抗干扰能力强等特点，能适应野外恶劣的作业环境。无线通讯设备将采集到的电压、电流行波信号传送至主站的行波信号分析装置，综合研判故障发生的精确位置。该装置有如下特点：

1)安装、 维护方便， 通过场检测方式采集信号， 无需接入电力系统一次侧， 避免了传统PT、 CT等设备安装对电网运行造成的影响， 日常维护也非常方便；

2)具有极强的适应性，适用于架空线路、地下电缆及架空线路与地下电缆混合等各种复杂的线路模式；

3)实现电流、电压行波信号的双采集，能够为故障测距提供最全面、准确、高精度的信号支持；

4)采用低功耗与灵活的供电方式，对于野外等偏远的环境，该装置自带的太阳能板即可满足其日常运行的耗电需求，对于城市地下线路等，则可就地取电，易于实现。

2 基于广义量测的故障测距系统

2.1 T接线路测距系统架构

本文中基于无接触式的行波信号采集装置，通过将双端测距原理应用至三端行波故障测距进行分析[8,16-17]，可较准确地进行T接线故障点的定位，再依托数据通信系统，构成了基于广义量测的110 kV城市电网T接线路故障测距系统。 该测距系统内置分布式的全球定位系统(global positioning system， GPS)，使全系统故障数据的时标能够统一，进一步提高故障测距精度与可靠性。该系统组成如图3所示。

图3 行波故障测距系统

该电网故障测距系统由3层网络结构构成，分别为分布式采样终端、通信网络以及综合分析研判中心。分布式采样终端通过采集故障行波信息，经通信网络层上传至服务器，综合分析中心通过将各采样终端上传的信息进行分析，实现复杂城市电网的T接线路故障测距。分析中心由3部分构成：通信前置机负责完成规约转换，将数据发送至服务器；服务器通过内置T接线路故障测距算法处理和分析数据，并提供与数据采集与监控系统(SCADA)的数据通道接口；工作站负责用户界面的图形处理与展示功能。测距系统的各层结构在电网中的分布如图4所示。

图4 行波故障测距系统的分布构成

各分布式采样终端主要布置在线路的首末端、T接点的杆塔处以及杆塔与电缆连接处，负责线路故障时的行波信号采集。各采样终端采用GPS统一授时，保证了数据的高度可靠性。采用通用分组无线服务技术(GPRS)通讯网络，具有传输速率高(115 kB/s)、支持IP协议、资源利用率高、成本低廉等特点。

2.2 故障测距实现方式与功能分析

110 kV城市电网T接线路故障测距主要由故障支路判别以及故障位置计算2个部分实现，如图5所示。故障支路判别以所有上传带时标的数据终端确定故障区域，按照时间排序检测各故障初始行波监测点，结合故障区域网络拓扑分析，即可判定故障所在支路。故障位置计算以故障支路两端时标为基准，结合故障支路线路参数，利用双端行波故障测距理论，即可计算故障点位置。

图5 110 kV线路T接结构图

由图5可知，若K1和K22点处至线路C点处的电气距离相等，当K1点处发生故障，运用传统故障分析法进行线路故障测距面临困难，这是由于K1和K22点至线路始端的电气距离相等，故障分析法无法判断故障发生在何处支路，因此为运检人员及时发现故障并进行抢修带来了困难，而行波测距法则完全不受电气支路分支的影响。若线路C、D之间K1处发生单相接地故障，故障行波会从K1处传送至如图所示的M、N、C、D、A、B各端，通过判断行波的初始波头抵达的线路T接点以及首末端位置，可得知行波传送至C、D两端的时间要短于M、N、A、B端点，故可以判定故障发生在C、D之间的支路；再依据C、D两端数据与双端行波测距理论即可算出K1点处故障的实际位置。同理，若在K2处故障，行波传送至A、C两端的时间最短，故可判定故障发生在A、C之间，再以此为基础运用双端故障测距即可判断出故障的实际位置。

3 感应式电压行波采集终端

感应式电压行波采集终端是110 kV电网T接线路故障测距系统的重要组成部分，主要负责故障测距中行波信号的捕捉与采集。由于行波信号传输速度快，因此本文中采用2 MHz的采样频率，可以灵敏地采集行波信号。各采集装置均配置有GPS，可通过无线网络上传统一时间标的故障监测数据，同时具有故障记录功能，能够自动记录冲击响应信息。该采集装置主要具有以下功能：

1)利用电磁感应原理，采用场检测方式，对电网设备与线路采用无接触方式，避免停电安装对用户造成影响；

2)只进行场强度检测，即检测信号冲击及冲击强度，并不检测故障时具体电压和电流数值，具有高度可靠性与灵敏度；

3)进行电压行波检测，可解决传统电流行波检测所面临的T接点处无法识别行波方向的问题；

4)采用2 MHz的高频采样频率，与传统量测方式的数千赫兹采样频率相比，无需额外安装行波量测装置，2 MHz采样频率可充分满足需求；

5)采集装置投运采用三相不对称安装，由于正常运行时存在稳定不对称分量，因此可以判断线路是否投运。

感应式电压行波采集装置除具有以上功能特点外，还具有如下的应用特点：

1)易安装推广。设备安装、维护不影响线路带电运行(传统PT、CT串联或并联在一次电路中，安装、维护需断电操作)；在已有的FTU、DTU等终端设备节点处，可利用现有监测终端的执行机构，更新其控制器即可。

2)冲击强度检测。只检测信号冲击强度即可实现高质量监测。

3)装置耗能低，可实现自供电。装置自带太阳能电池板，配合微型储能装置，取电便捷，耗电量少，可长时间工作于各种复杂、恶劣环境中。

4)装置成本低。无需额外增配行波的量测设备，利用已有的采集终端直接改造，即可以实现高质量检测。

4 应用分析

本文中以烟台电网为例，对本文中提出的研究方法进行应用与验证分析。烟台电网位于山东电网的东北部，通过5条500 kV线路与省网相联，网内现有110 kV及以上变电站165座，110 kV及以上输电线路288条，承担着烟台14个县市区的供电任务。

具体选取烟台电网110 kV实际线路结构中的2个T接线路点，如图6所示的T1和T2点。图中，甲站为220 kV变电站，乙站、丙站和丁站均为110 kV变电站，线路、变压器阻抗数值均为标幺值。

图6 烟台电网某条110 kV线路结构图

220 kV甲站通过110 kV出线与110 kV乙站相连，共有2个线路T接点，于T1点处通过线路4接至丙站，于T2点处通过线路5接至丁站，线路结构与参数如图6所示。

4.1 电场信号与电压信号仿真对比

以电场逆推电压信号为例，在上述线路模型中距系统甲站2 km处设置A相接地故障，故障时间段为0.02～0.08 s，故障电压波形如图7所示。

图7 实际三相故障电压波形

为验证无接触式测量的准确性，采用ANSOFT工程有限元分析中的Maxwell 2D仿真软件对线路下方电场进行仿真。

按照本文中所提出的方法对采样获得的电场数据进行反推得到结果， 如图8所示。 图中黑色散点为不同时刻采用电场数据逆推得到的故障相电压数据，曲线为电力系统计算机辅助设计软件(PSCAD)仿真得到的线路电压波形。由图可知，利用电磁感应原理的行波采集装置具备记录电压信号的能力，可进一步用于故障定位。

图8 逆推结果与实际故障电压波形对比

4.2 测距结果

通过在线路4距离丙站0.7 km处发生A相接地短路，以电压行波为例进行分析。各分布式电压行波采集装置采集的初始故障行波上传时标如表1所示。

表1 各分布式电压行波采集装置采集的初始故障行波上传时标

通过采用前面所述的故障支路判别法， 可以判定故障明显发生在T1点与丙站之间。 结合故障支路参数， 故障测距系统可计算出故障距离丙站为0.697 km， 与实际的故障发生地点非常接近， 精度达到99%以上。

上述对烟台电网的测试分析表明， 基于广义量测的T接线路故障测距系统通过分布式采样终端采集的行波信息， 应用双端行波故障测距原理可以较好地实现含有T接支路的输电线路故障测距。

5 结语

本文中针对110 kV地区电网中的T接线路故障测距问题， 提出了基于广义量测的故障测距方法。 该方法利用无接触的分布式感应式电压行波采集装置采集行波信息， 基于电磁感应原理进行强度检测， 具有采样频率高、 灵敏度好、 测距精度优以及低成本、 易安装维护等特点。通过对烟台电网实际110 kV T接线路进行分析，验证了该测距系统的正确性与有效性。

此外，该系统虽然是针对110 kV电网T接线路，但是其也适用于10 kV城市配电网；因此，本文对于提高故障定位与抢修效率、及时恢复供电等具有重要的工程意义。

[1] 刘建鹏. 含分布式电源的配电网供电能力研究[D].北京: 华北电力大学, 2015.

[2] 杨扬. 杭州市电力局10千伏配电网智能巡检系统设计与实现[D].北京: 华北电力大学, 2012.

[3] 陈浩. 配电网故障定位与故障恢复的研究[D]. 天津:天津大学, 2013.

[4] 王玮, 蔡伟, 张元芳,等. 基于阻抗法的电力电缆高阻故障定位理论及试验[J]. 电网技术, 2001, 25(11):38-41.

[5] 杨凌霄, 牛惠平, 张伟,等. 基于双端阻抗法的配电网故障定位研究[J]. 工矿自动化, 2008(5):30-32.

[6] 夏璐璐. 基于行波固有频率的输电线网故障测距方法[D].成都: 西南交通大学, 2011.

[7] 曾祥君, 张小丽, 马洪江,等. 基于小波包能量谱的电网故障行波定位方法[J]. 高电压技术, 2008, 34(11):2311-2316.

[8] 周鑫，吕飞鹏，吴飞，等. 基于小波变换的T型线路故障测距新算法[J].电力系统保护与控制, 2010, 38(2):8-11,33.

[9] 黄乐，陈亦平，舒双焰.电流互感器故障所致电网事故及其处置的分析[J].南方电网技术，2011，5(4)：68-70.

[10] 张新刚，王泽忠．电流互感器铁心饱和引起二次电流畸变的补偿研究[J].中国电机工程学报，2006，26(3)：36-42.

[11] 孙波,孙同景,薛永端,等. 基于暂态信息的小电流接地故障区段定位[J]. 电力系统自动化,2008,32(3):52-55.

[12] 符磊. 感应式空心线圈传感器关键技术研究[D]. 长春：吉林大学,2013.

[13] 孙波,孙同景,徐丙垠，等. 架空线路小电流接地故障零模电压信号获取新方法[J]. 电力系统自动化,2009,33(6):58-62.

[14] 王成兵, 赵国生. 利用传统的电流互感器与电压互感器进行光纤通信的方法及装置:101132236[P]. 2008-02-27.

[15] 黄盛洁. 电流互感器、电压互感器局部放电在线监测装置: 2469463[P]. 2002-01-02.

[16] 张峰, 梁军, 车仁飞. 弱行波信号的奇异点检测方法[J]. 电力系统自动化, 2010, 34(8):92-96.

[17] 尹晓光, 宋琳琳, 尤志, 等. 与波速无关的输电线路双端行波故障测距研究[J]. 电力系统保护与控制, 2011, 39(1): 35-39.