基于PSCAD的110 kV输电线路故障测距研究

2020-11-11许啸天

通信电源技术 2020年14期

许啸天，田斐

（南阳理工学院智能制造学院，河南南阳 473004）

0 引言

在电子化、科技化高度发达的新时代，电能成为生活中不可或缺的一部分。与此同时，传统的电力维修和线路监测已经不能满足当下各地区用户的用电需求，也不符合当今中国发展新形势下的发展要求。所以，为了保证电网持续高效运行且紧跟时代发展步伐[1]，本文利用PSCAD软件建立了110 kV输电线路故障测距模型。仿真结果表明：双端测距法在对线路故障进行定位时更加快速、精确。

1 基于PSCAD的110 kV输电线路故障测距设计

1.1 总体设计

电源电压为110 kV，输电线路全长300 km，本次仿真的故障点在距左侧输电线路的100 km处，设置发生的故障为单相接地短路（a相），b相和c相正常。整个仿真运行时间为0.5 s，故障发生时间为0.15 s，故障持续时间为0.05 s，之后系统恢复正常运行。仿真运行的步长设置为1 μs，行波信号的采样频率设置为1 MHz。PSCAD故障仿真主模型如图1所示。

图1中，最上方为主体电路，输电线路TLine选用Bergeron模型。本文所采用的信号传递方式为无线传递，通过使用Radio Links元件实现数据信号的传递功能，将其与右下角子系统内部的信号接收连接在一起实现主电路与子系统间信号的无线传递。

右下方为电压、电流封装的子模块系统，主要作用为：第一，对线路产生的信号进行解耦处理，即通过在其内部搭建的凯伦贝尔变换公式来进行相模变换；第二，使得主体电路有条有理。子系统内部搭建图如图2所示。

在图2中，子系统内部最上方对接收到的信号进行分解，即分解成所需要的a、b、c三相电气量。这里为了叙述简便，只列出其中一张内部封装搭建结构图，即左电流子系统，其他类似。

1.2 单端测距

单端测距是指仅利用一侧电压电流的波形进行定位，即通过初始反射波在故障点F与P端多次反射过程来实现定位[2]。线路全长为L，P端为线路左端，Q端为右端，各自都装上电压、电流互感器。故障F点发生在距离P端x处。其中，由于波的反射效果，测量出两次反射时间t1、t2，但由于经过几次反射之后波形的变化更加微小，不方便分析，所以只选取最开始测量的两次反射时间作故障测距分析。计算故障距离公式如（1）所示。

1.3 双端测距

双端测距以故障所形成的初始行波抵达线路两端的时间差来得到故障点的具体位置[3]，原理模型如图3所示。

图1 PSCAD故障仿真图

图2 子系统内部搭建图

图3 双端测距原理图

其中反射波和折射波分别经过时间t1、t2到达线路P、Q端，波速为v，则故障距离x的计算按照式（2）和式（3）进行。

将式（2）、式（3）综合，得到最终故障距离x，如式（4）所示。

1.4 相模变换

输电线路三相电气量之间具有耦合关系，这将对故障测距仿真结果的准确性产生干扰[4]。所以，为了消除三相导线之间相互耦合问题的影响，运用凯伦贝尔变换矩阵具有相互独立的方程式这一特点，对其进行解耦，即相模变换。

式中，三种变量I0、Iα、Iβ分别由相电流I0、Ib、Ic通过独立方程得到的0模、α模和β模分量；U0、Uα、Uβ分别由相电压U0、Ub、Uc通过独立方程得到的0模、α模和β模分量。

实际经验表明，0模分量易受到线路电容和电感的影响，并且随着频率的升高衰减严重，会造成其波速的不稳定。但是，线模分量大体上在导体中运动，波速相对比较稳定。所以，将选取线模行波信号作为小波分析的依据。由于行波波速并不是固定不变的，在不同的输电线路中，其值也会出现一定的变化，本文以线路TLine的Bergeron模型参数得出波速大小。

1.5 小波分析

小波变换对目标信号实行局部化分析，具有优异的故障检测灵敏性。在小波变换中，将运用到其中一个功能，即采样。本文选用离散小波变换元件（Discrete Wavelet Transform）中的高频分量[5]，高频分量在信号发生突变时刻会显示出尖峰，而平缓变化时其值近似为零。运用高频信号来分析信号的突变点，并在波形图中描出故障信号突变的时间点，进而为计算故障距离提供数据依据。