基于线路录波全量数据的双端故障测距原理及算法

杨远航，陈璟，解良，石恒初，游昊，赵明，李银银，杨桥伟

（云南电力调度控制中心，昆明 650011）

0 前言

阻抗测距法因简单、实用，已被广泛应用于各种故障测距中，但受过渡电阻影响，传统阻抗法无法取得很高的测距精度。目前，关于阻抗测距的研究主要分为两类，一是对传统阻抗测距法进行修正[1-7]；二是同时利用阻抗和行波进行组合测距[8-10]。

文献[2]提出了一种基于预测相移技术改良的阻抗测距方法，通过计算故障相移带来的额外电抗率修正测距结果；文献[3]基于金属性短路故障阻抗的纯电阻特性构造关于故障距离的方程求解，从而消除非同步角的影响，但不适用于非金属短路故障；文献[4-7]均是在过渡电阻的纯电阻性质上提出改进的阻抗测距方法，然而存在计算量大且计算过程复杂等问题；文献[8-10]在以阻抗测距为基础的故障录波器中加入单端行波测距方法，采用“阻抗+行波”进行综合测距，可实现暂稳态测距方法的优势互补，但对行波信息依赖度高，仅在行波装置运行可靠且数据可获取[11-13]的情况下才能及时得到测距结果，且上述研究均未彻底消除过渡电阻对测距精度的影响。

本文提出了一种基于双端同步故障录波的测距方法，通过联立线路两侧关于故障电压、电流、故障距离与故障点残压物理关系，消除故障点残压对测距结果的影响，从原理上实现测距结果不受过渡电阻影响。

1 基于双端录波的线路故障测距原理

输电线路阻抗与长度成正比，输电线路发生故障时，线路两端的电压电流与故障距离呈线性关系。以图1所示的双端输电系统为例，线路上k点发生A相经过渡阻抗接地短路（即ZA=0，ZB=ZC=∞，短路点k的位置被放大以便标注电压、电流的正方向和相量符号），两侧母线电压测量相电压为短路点相电压与线路上该相压降之和，线路上该相压降则是该相上的正序、负序和零序压降之和。

图1 双端系统图

考虑到线路正序阻抗与负序阻抗相等，则M侧保护故障A相测量相电压U.AM表达式为：

在任何短路故障类型下，对故障相或非故障相保护安装处测量相电压的计算，式(3)都是适用的，短路故障类型的不同体现在和的变化上。以图1中非故障B相为例，M侧保护非故障B相测量相电压表达式为：

式中，LN表示故障k点到N侧厂站的距离，可知线路全长L=LM+LN。相减可得：

可求得故障k点到M侧厂站距离LM为：

则故障k点距N侧厂站距离为LN=L-LM。

从推导过程可知，式(8)可作为短路故障发生时线路故障距离计算的一般公式，适用于任何短路故障类型，短路故障类型的不同体现在和的变化上，当发生两相不接地短路或三相对称短路时，故障相无零序电流，

在实际运用中，式(8)中的电压、电流量可通过双侧厂站录波装置或保护装置获取，零序补偿系数K、线路单位正序阻抗Z1及线路长度L均属于线路参数，利用式(8)可计算得到故障测距结果LM，同时，可以看出，在式(8)的推导过程中，故障点电压因相减而被消去，克服了传统阻抗测距法的缺陷，测距结果不受故障点处过渡电阻产生的压降影响，同时无需考虑补偿算法相关问题，简单实用且结果可靠。

2 基于双端录波的线路故障测距实现

本文所提出的基于双端录波的线路故障测距包含以下步骤，测距流程图如图2所示。

1）零序电流补偿系数K计算，K=(Z0-Z1)/3Z1；

2）故障电压、电流采样通道选取；

选取参与计算的线路两侧电压、电流录波采样数据，电压、电流录波采样瞬时值通道的选取与故障类型相关。实际应用中，选择故障特征最明显的故障相电压及电流，如表1所示。

表1 通道选取与故障类型的对应关系

3）计算点选取，在故障区间内选取计算点，确保双侧计算点时间同步；

4）自产零相电流采样瞬时值计算，根据步骤2)所得故障电压、电流瞬时值，根据式(9)计算零相电流采样瞬时值；

5）故障电压、电流、自产零相电流相量计算；

基于确定的计算点，采用傅氏算法计算得到该点时刻M侧和N侧故障相电压、故障相电流、零相电流的相量如表2所示。

表2 双侧故障电压、电流、自产零相电流

6）中间复数相量H计算，根据式(10)计算中间相量H；

式中，PT及CT分别表示电压及电流互感器变比，用于将双侧录波数据二次值转换为一次值。

7）双端测距结果LM输出；

由式(8)可知，在通过步骤6)计算得到中间相量H的情况下，通过式(11)可计算得到测距结果LM。

式中Im为取虚部运算，｜｜为取模值计算。

8）双端测距结果LM输出稳定，为获取更为准确的双端测距结果，可在故障区间选取多个计算点，经过多次计算LM停留在某一值附近时即可输出最终的测距结果。

3 算例验证与分析

将本文所提基于双端录波的线路故障测距方法应用于实践，根据试验数据绘制各次故障下各种测距方法误差曲线如图3所示。

图2 双端录波测距算法流程图

图3 双端录波测距与其他测距结果相对误差对比

可以看出：

1）在各种故障情况下均可从现有的保护及录波装置获取测距结果，但其测距误差离散度较大，在某些故障情况下测距误差甚至高达数十公里，测距结果准确度低，无法满足工程实际需要；

2）从所得行波测距结果来看，单端行波测距可信度仍然较低，在某些情况下其测距误差甚至大于保护装置测距误差，双端行波测距结果的准确性则相对较高，但行波测距成功率受通信情况及两端设备可靠性等因素影响，可靠性不高；

3）从各次故障情况下双端录波测距情况来看，测距准确度与双端行波测距精度接近，明显优于保护、录波装置及单端行波装置测距，但相对于双端行波测距，本文所提方法仅需两侧故障录波数据，因此能稳定可靠地提供测距结果，无需额外的设备投资及维护费用，兼具实用性和经济性。

4 结束语

综上所述，提出了一种基于双端同步录波的线路故障测距方法，该方法具有以下特点：

1）通过联立线路两侧关于故障电压、电流、故障距离与故障点残压物理关系，消除了故障点残压对测距结果的影响，从原理上实现测距结果不受过渡电阻影响；

2）经工程实践证明，在各类故障情况下，所提方法测距精度水平与双端行波测距接近，但仅需从现有录波、保护装置提供的录波数据即可进行双端测距，工程适用性及经济性更强。