一种应用于线路保护装置的嵌入式行波测距方法

（长园深瑞继保自动化有限公司，广东 深圳 518000）

0 引言

常规测距技术基于阻抗法原理，受过渡电阻、系统运行方式、线路分布电容、采样传变误差和电流互感器饱和等因素影响，其测距精度普遍不高。与之相比，行波测距技术能够不受上述因素的影响，具有较高的测距精度。但目前变电站内运行的集中式行波测距装置存在较多的缺点，如双端行波测距装置需配置专用的光纤通信通道，行波波形无法结合故障波形进行分析，区内高阻故障时行波启动灵敏度不足，行波测距无法与区内故障关联，双端行波测距装置2 个变电站本对侧需配置同一个厂家设备，容易导致垄断格局等。

本文提出一种新的嵌入式行波测距方案，将行波测距模块化，并以独立插件的方式集成到线路间隔保护装置中，完成本线路间隔的行波测距功能。线路间隔保护装置集成行波测距模块后，光纤纵差线路保护模块与行波测距模块数据共享，综合线路保护故障数据与行波测距数据，提高了行波测距可靠性与测距精度，并可实现故障波形及行波测距回放分析。嵌入式行波测距模块复用线路间隔的二次交流回路，复用线路间隔的光纤通道，不增加额外二次回路投资，同时可取消变电站集中式行波测距装置及其一二次回路设备投资。

1 目前集中式行波测距装置存在的缺点

线路间隔保护装置基于阻抗法测距原理，测距精度普遍不高，且线路保护装置采样率一般为1.2 kHz，因此常规阻抗法测距技术难以进一步提升测距精度。

与之相比，基于行波原理的行波测距技术具有极高的测距精度，且适用性更广。目前，一般要求500 kV 线路、超过50 km 的220 kV 线路应装设行波测距装置。该行波测距装置为变电站内集中式装置，独立组屏，实现站内各线路间隔的测距功能。线路间隔需配有专门用于行波测距的电流互感器绕组及其二次回路电缆。

但目前现场运行的集中式行波测距装置存在较问题，具体如下：

（1）行波测距技术启动原理存在缺陷。

不同于继电保护装置的故障启动原理，行波测距技术启动原理存在缺陷，其启动无法区分区内外故障，经过渡电阻故障时行波测距装置启动灵敏度不足，且部分行波测距装置需要整定启动定值，给整定人员带来较大干扰。

由于行波测距技术启动原理存在缺陷，可能导致继电保护装置已经跳闸了但是行波测距装置还未启动测距；或是一次系统无故障，行波测距装置误发测距启动信号，导致行波测距装置不能与继电保护装置共同组建故障分析数据。

（2）现有的集中式行波测距装置无法进行故障分析。

继电保护装置可基于故障录波进行故障分析及再现。但集中式行波测距装置当前并未按照统一录波格式进行故障录入存储及上送，波形不能完整包含所有故障信息，不利于故障测距动作的故障分析及再现。

（3）集中式行波测距装置模式可能导致垄断格局。

目前集中式行波测距装置采用按站配置的模式，由于各厂家双端行波测距所采用的原理及技术并不兼容，变电站线路本对侧均需配置同一个厂家的集中式行波测距装置，容易导致集中式行波测距装置被一个厂家垄断的局面。

（4）集中式行波测距需配置专用装置。

集中式行波测距装置需配置专用的电流互感器绕组、敷设专用的二次电缆，双端行波测距还需配置专用的光纤通信装置。

可见，常规阻抗法测距技术存在测距精度普遍不高的缺点，但具有故障启动灵敏度高、故障选择性高、可靠性高等优势，且具备故障分析、再现功能。集中式行波测距装置测距精度高，但受限于行波测距启动灵敏度不足，不具备故障分析功能，需配置行波测距专用装置等，导致集中式行波测距装置现场应用时存在较多缺点。

综上所述，常规阻抗法测距技术与集中式行波测距技术均存在明显的优缺点，采用其中任意一种均不能消除其自身缺点。

本文研究内容即是将上述2 种测距技术进行融合，将集中式行波测距装置按间隔拆分为嵌入式行波测距模块，并将该模块以独立插件的方式集成到线路间隔保护装置中，线路保护模块与行波测距模块互相独立，但共享数据。行波测距模块使用线路保护模块的故障启动灵敏度来解决行波测距启动灵敏度不足的问题，使用线路保护模块的故障录波再现行波测距的故障分析过程。线路保护模块利用行波测距模块的测距精度来提高线路保护装置的测距精度。

行波测距模块可按照线路间隔灵活配置，并复用该线路间隔的二次交流回路及光纤通道，线路间隔无需新增用于行波测距的电流互感器绕组及二次回路电缆，可提高行波测距功能在整站的覆盖率，同时减少变电站装置投资。

2 嵌入式行波测距模块复用技术方案

2.1 嵌入式行波测距模块硬件方案

如图1 所示，线路保护装置中，3 号插件为嵌入式的独立行波测距模块，以独立插件方式集成到常规线路保护装置中，作为线路保护装置的选配插件，可灵活投退。

线路保护与行波测距模块相互独立、互不影响，若选配行波测距插件，线路发生区内故障时，装置测距结果为阻抗法测距综合行波测距；若不选配行波测距插件，与原传统线路保护功能硬件配置一致，线路发生区内故障时，装置测距结果为阻抗法测距。

2.2 嵌入式行波测距模块交流采样复用方案

图2 给出了选配的嵌入式行波测距模块复用原线路保护装置的交流插件。行波测距模块复用线路保护的三相电流插件通道，无需配置行波测距专用电流互感器，无需敷设行波测距专用二次电缆。

图2 装置采样方案

图2 中，各相电流经交流插件传变后，在装置总线板上分别输出2 路信号，一路信号接入原保护模块，一路信号接入行波测距模块。保护模块所需电流工频信号与行波测距模块所需电流行波高频信号分别独立接入，互不影响。

线路保护模块采样处理仍维持原状，二次电流电压经交流插件传变后，进行低通滤波处理，滤除高次谐波及噪声，再进行1.2 kHz 的AD 采样，进入保护模块采样处理。

行波测距插件采用高速采样电路，并使用高吞吐速率、低功耗、差分双ADC 采样芯片。该器件内置2 个ADC，每个ADC 之前均配有一个低噪声、宽带宽采样保持电路，可处理高达110 MHz的输入频率。行波测距插件电流行波采样使用2 MHz 的输入频率，可识别出分辨率为500 ns 的行波波头数据，高度还原行波原始数据。

行波测距采样模块复用原线路保护的交流插件的三相电流通道，电流行波经交流插件传变后进入行波测距插件，进行2 MHz 的高速行波数据采样，转化为高精度行波数字信号后，再进入行波测距模块计算处理。行波采样高速电路具有低噪声降噪效果，能综合利用保护模块数据，配合软件算法降噪处理，提取精准行波波头数据。

2.3 嵌入式行波测距模块光纤通道复用方案

图3 给出了行波测距模块复用光纤纵差保护模块的光纤通信通道，实现本对侧行波数据交互。

图3 光纤通信方案

光纤纵差线路保护集成嵌入式行波测距模块时，行波测距模块通过内部总线与光纤纵差保护模块进行差动故障数据及行波数据的交互，并复用光纤纵差线路保护的光纤通道传输行波数据。原光纤一帧数据增加2 个字节来传输行波测距数据，不影响原差动保护模块光纤帧数据的正常传输。

3 嵌入式行波测距模块测距功能实现方案

3.1 双端行波测距原理介绍

如图4 所示，t 时刻故障点F 发生接地故障时，行波从F 点向M 和N 两侧传播，到达M 侧时间为t1，到达N 侧时间为t2。则故障测距L1和L2分别为：

图4 双端行波测距

式中：L 为线路全长；v 为行波传播速度。

双端行波测距基于两侧校时同步系统，只需分别计算出两侧行波到达时刻t1和t2，即可计算出故障点位置。

3.2 嵌入式行波测距模块综合测距实现方案

嵌入式行波测距模块测距功能实现如图5 所示。当线路发生故障时，启动行波测距模块，行波测距模块依据同步行波数据计算出行波波头时刻t1和t2，并复用线路保护装置的光纤通道进行行波数据交互，同时综合线路区内故障数据，计算出实际故障点位置。

线路保护模块与行波测距模块内部数据交互流程如图6 所示。图中，线路保护启动元件作为行波测距模块启动的条件，行波测距不再使用单独的启动判据，可充分利用线路保护启动的灵敏度，解决了行波测距在高阻故障时无法启动以及在无故障时误启动的问题。同时，行波测距模块可根据启动时刻准确进行行波数据波头时刻的搜索计算，避免非故障期间的扰动造成行波数据错误计算。本线路保护区外故障时不开放行波测距，区内故障时开放行波测距，保证行波测距结果的可靠性。区内故障时，综合线路保护阻抗法测距与行波测距结果，校验修正后输出最终的故障测距信息。

图5 嵌入式行波测距方案

图6 嵌入式行波测距数据交互方案

行波测距模块依靠自身GPS 校时同步模块实现两侧双端行波测距数据同步，同步精度可达到校时系统精度，一般优于1 μs。当外部校时系统失去时，仍然可以借助线路保护装置的光纤乒乓同步系统，实现高精度的单端行波测距。两侧光纤纵差线路保护同步误差小于50 μs，考虑保护模块与行波测距模块数据交互时间误差及光纤通道延时误差，单端行波测距可借助保护模块的同步误差，实现两侧单端测距同步误差在200 μs内，同时利用保护模块的故障数据辅助计算，可降低单端行波测距计算第二个波头时间的难度。

4 仿真验证

4.1 行波波形验证

使用RTDS（实时数字仿真系统）进行仿真，仿真模型如图7 所示，线路全长为200 km，采样率为2 MHz，模拟220 kV 输电线路各种类型故障，并使用行波测试仪对线路保护集成行波测距一体化设备进行故障波形回放。

图8（a）为距离M 侧30 km 处BG 区内故障启动时，M 侧电流波形的模变换结果。图8（b）为图8（a）波形的小波变换结果。小波变换后，由于算法原因波头时刻会滞后原始波头一段时间窗。

图9（a）为图8（a）故障波形的回放后，一体化装置生成的波形模变换结果。图9（b）为图9（a）波形的小波变换结果。回放波形绝对时间与仿真波形绝对时间不存在关系。

通过图9（a）和图8（a）的对比，以及图9（b）和图8（b）的对比，可以看出：集成嵌入式行波测距模块的一体化线路保护设备在回放波形后，装置生成的故障波形与原始仿真波一致；故障起始时刻，第一个行波波头特征显著；行波测距模块通过保护模块的启动条件，可准确识别第一个行波波头，准确定位第一个行波波头的到达时刻。

图7 仿真系统

4.2 线路保护动作及行波测距动作验证

通过仿真系统，测试线路区内外各个故障点故障，观察嵌入式行波测距模块的测距动作信息，详见表1。

表1 中，位置为负数代表故障在M 侧反方向。通过表1 中动作行为可以看出，集成嵌入式行波测距模块的一体化线路保护设备在区内故障时，保护正确动作，行波测距正确动作，行波测距精度优于300 m；区外故障时，保护正确不动作，行波测距正确不动作。

图8 仿真波形

图9 回放波形

表1 一体化设备动作行为

集成嵌入式行波测距模块的一体化线路保护设备，同时满足继电保护技术要求和行波测距技术要求；另外，解决了区内外故障时行波测距启动可靠性和灵敏度问题，并且行波测距动作信息与保护动作故障信息直接关联，可实现行波数据的故障分析及再现。

依据本文方案，由长园深瑞继保自动化有限公司研发生产的集成嵌入式行波测距模块的500 kV 光纤纵差线路保护一体化设备已在变电站挂网运行。

5 结语

本文提出一种新的嵌入式行波测距方案，嵌入式行波测距模块以独立的选配插件方式集成到线路保护装置中，该一体化设备既具备完整线路保护功能，满足继电保护技术要求，同时具备完整行波测距功能，满足行波测距技术要求，且两者互相独立，互不影响。

该嵌入式行波测距模块功能，可根据线路间隔灵活配置。该模块复用原线路间隔的交流回路，复用原线路间隔的光纤通道，无需配置专用的行波测距电流互感器及二次电缆，无需配置专用的行波测距光纤通信设备，可减少变电站设备投资，优化变电站二次方案设计。

综上所述，本文提出的嵌入式行波测距方案，具备较高的实用性和经济推广价值。