Modern travelling wave-based fault location principle and its application to actual fault analysis-type D principle

Chen Ping1, Ge Yao-zhong1, Xu Bing-yin2, Li Jing2

(1. Xi'an Jiaotong University, Xi'an 710049, China)
(2. Kehui Electric Co Ltd, Zibo 255031, China)

??? Abstract: A rising time always exists in the wavefront of an actual transient travelling wave appearing on a transmission line. This makes it difficult to be tagged for the arrival time of the fault induced initial surges at both ends of one transmission line, resulting in unavoidable location error in the existing double-ended travelling wave based fault location methods. Based on the analyses of Type D double-ended modern travelling wave based fault location principle and its accuracy, the compensated Type D fault location algorithm is presented in this paper, which compensates the location error with the relative time difference between the absolute time corresponding to the start point of the fault caused initial surge and the detected arrival time of the fault caused initial surge by the fault locator at each end of the measured line. The actual fault analyses show that the Type D principle possesses very high reliability, and its absolute location error does not exceed 1 km.?
??? Key words: transmission lines; modern travelling wave based fault location (MTWFL); GPS; Type D principle;current transient

0? 引言
??? 輸電線路行波故障測距技術因具有測距精度高和適用范圍廣等優點，一直為繼電保護專業人員所關注[1]。早在20世紀50年代，國外就研制出A、B、C、D等4種基本型式的行波故障測距裝置，但因存在可靠性差、構成復雜以及價格昂貴等問題，終究沒有得到推廣應用。
??? 20世紀90年代初，在A型早期行波故障測距原理的基礎上，我國提出了利用電流暫態故障分量的A型現代行波故障測距原理、算法和實現方案[2,3]，從而推動了現代行波故障測距(MTWFL)的發展[4]。另一方面，全球定位系統在電力系統中的應用[5]，為現代電力系統同步時鐘的研制創造了條件[6]，進而使得D型現代行波故障測距原理得到發展。
??? 1995年，國內研制出利用電流暫態分量的輸電線路現代行波故障測距裝置，它集成了A、D、E等3種現代行波故障測距原理，其平均絕對測距誤差在400m以內[7]。2000年，國內又推出功能更為強大的現代行波故障測距系統，其絕對測距誤差可達200m以內[8]。
??? 近年來，國內學者開始將現代A型行波故障測距原理用于繼電保護，并提出了基于小波變換的測距式行波距離保護原理[9,10]。實測故障分析表明[11]，現代A型行波故障測距原理具有很高的測距精度，但測距算法的可靠性還有待于進一步提高。
??? 本文在分析D型雙端現代行波故障測距原理及其準確性的基礎上提出了帶補償量的雙端行波故障測距算法，并將其用于實際故障產生的電流暫態波形分析。

1 D型現代行波故障測距基本原理
??? D型現代行波故障測距原理為利用故障暫態行波的雙端測距原理，它利用線路內部故障產生的初始行波浪涌到達線路兩端測量點時的絕對時間之差值計算故障點到兩端測量點之間的距離。
??? 設線路MN故障產生的初始行波浪涌以相同的傳播速度v到達M端和N端母線的絕對時間分別為TM和TN，則M端和N端母線到故障點的距離可以表示為：
?
式中：L為線路MN的長度。
??? 為了準確標定故障初始行波浪涌到達兩端母線的時刻，線路兩端必須配備高精度和高穩定度的實時時鐘，而且兩端時鐘必須保持精確同步。另外，實時對線路兩端的電氣量進行同步高速采集，并且對故障暫態波形進行存儲和處理也是十分必要的。
??? D型早期行波故障測距裝置采用載波方式實現線路兩端測距裝置的時間同步，因而難以獲得較高的測距精度。D型現代行波故障測距原理采用內置全球定位系統(GPS)接收模塊的電力系統同步時鐘實現精確秒同步，這使得線路兩端的時間同步誤差平均不超過1μs，而由此產生的絕對測距誤差不超過150m。

2 D型現代行波故障測距原理的準確性分析
??? D型現代行波故障測距原理利用線路長度、波速度和故障初始行波浪涌到達故障線路兩端母線時的絕對時間之差值計算故障距離。因此，能否獲得準確的線路長度、波速度和故障初始行波浪涌到達時刻，將直接影響測距準確性。
??? 嚴格來講，無論是傳統的故障測距原理，還是行波故障測距原理，其測距結果表示故障點到線路末端的實際導線長度。但巡線時往往將測距結果當作地理上的水平距離并以此作為查找故障和計算測距誤差的依據，而并不考慮線路弧垂的影響。同樣，線路全長也是以水平距離的形式預先給定。當線路較長時，計及弧垂影響后的實際導線長度與導線水平長度相差較大。D型行波故障測距原理需要利用線路全長，因而其測距誤差往往比其它不需線路全長的行波故障測距原理(如A型原理)的測距誤差要大。比較理想的做法是利用線路設計數據計算出不同溫度條件下沿線各檔距內的實際導線長度，進而獲得實際線路導線的總長度(用于D型測距)，并最終將故障測距結果換算為故障所在檔距或桿塔號。
??? 故障暫態行波具有從低頻到高頻的連續頻譜，其中不同頻率分量的傳播速度是不相同的。行波分量的頻率越低，其傳播速度越慢；行波分量的頻率越高，其傳播速度也越快，并且越趨于一致(接近光速)。隨著電壓等級的不同，輸電線路暫態行波中高頻分量的傳播速度大約在光速的97%～99%范圍內變化，具體可以利用線路結構參數進行計算，也可以實際測量。
??? 為了獲得準確的測距結果，故障初始行波浪涌的到達時刻應定義為其中能夠到達測量點的最高頻率分量的到達時刻。從時域來看，故障初始行波浪涌的到達時刻就是其波頭起始點所對應的時刻，該時刻的測量誤差取決于采樣頻率和GPS對時誤差。采樣頻率越高，對故障初始行波波頭起始位置的標定誤差越小；GPS對時誤差越小，對故障初始行波波頭起始時刻的標定誤差越小。由于暫態行波中的高頻分量在傳播過程中隨傳播距離的增加會發生較大程度的衰減，因而當采用固定的波速度時，到達線路兩端的故障初始波頭時間差越大(即故障點越靠近線路某一端)，其測量誤差也越大。研究發現，GPS接收機普遍存在輸出信號瞬時不穩定、衛星失鎖以及時鐘跳變等問題[12]，因而其輸出的時間信息和秒脈沖信號(1PPS)不能直接利用，必須附加高穩定度守時鐘，并且需要消除偏差超過某一限定范圍的時間同步信號。
??? 當綜合考慮以上因素時，D型現代行波故障測距原理的準確性將略低于A型現代行波故障測距原理的準確性，但測距誤差一般不會超過1km，這一點也已經被實測故障分析所證明。

3 帶補償量的D型雙端行波故障測距算法
??? 設線路MN兩端測量點直接感受到本線路內部故障產生初始暫態信號超過某一檢測門檻值的絕對時間分別為? 對應此時刻的采樣序號分別為和，兩端測量點的故障暫態信號中距離初始波頭起始點最近的采樣序號分別為和，則故障初始行波浪涌實際到達M端和N端母線的絕對時間(即對應波頭起始點的時間)TM和TN可以表示為：
?
式中:TS為采樣周期；為M端故障暫態信號中第個采樣點與初始波頭起始點之間的時間差； 為N端故障暫態信號中第個采樣點與初始波頭起始點之間的時間差。
??? 由式(1)給出的D型現代行波故障測距算法可以改寫為：

??? 式(4)直接利用故障初始行波浪涌波頭起始點對應的絕對時刻與測距裝置直接檢測到該行波浪涌到達時絕對時刻之間的相對差值來對測距結果進行補償，而不必具體計算故障初始行波浪涌波頭起始點對應的絕對時刻，這給測距算法的實時應用帶來了方便。

4 實測故障分析
4.1 普通交流線路
??? 2000年6月23日17時36分17秒，廣西柳州供電局所管轄的110kV埠屯線(洛埠變—屯秋變)發生故障。由于屯秋變只有屯埠線和浮屯線(屯秋變—浮石變)兩回110kV線路(線路總長度為90.6km)，為了節省投資，只對洛埠變和浮石變的線路進行監視，其中埠屯線和浮屯線的電流暫態故障分量波形如圖1所示。根據D型行波測距原理獲得的故障點位置距洛埠變和浮石變分別為6.3km和84.2 km(顯示在兩端波形窗口上方)，實際故障點距洛埠變6.2km。從圖1可以看出，兩端波形較為復雜，通過單端A型原理不容易獲得可靠的故障距離。

4.2 雙回線路
??? 2002年4月16日4時29分39秒，黑龍江綏化電業局所管轄的220 kV康綏甲線發生B相接地故障，故障線路兩側的電流暫態故障分量波形如圖2所示。根據D型行波測距原理獲得的故障點位置距綏化變和康金變分別為9.2km和55km，實際故障點距綏化變8.955km。

4.3 串聯補償線路
??? 2002年6月3日20時21分24秒，北京供電局所管轄的、帶串聯電容補償(補償度為35％)的500kV大房雙回線之大房二線發生故障，故障線路兩側的電流暫態故障分量波形如圖3所示。根據D型行波測距原理獲得的故障點位置距大同二電廠和房山變分別為171.9km和116km，與實際故障點位置的誤差不超過400m。從圖3可以看出，兩端波形均較為復雜。

4.4 直流輸電線路
??? 2002年1月18日14時38分28秒，我國第1條kV直流輸電線路—葛南線在麥元中繼站到上海南橋站之間的區段內發生故障。原先給定本區段線路全長為513km，由此根據D型行波測距原理獲得的故障點位置距麥元側128.3km。但利用該區段線路兩端的故障暫態數據進行單端A型行波測距所獲得的故障點位置距麥元站和南橋站分別為123.3km和381.7km。由于通過這兩種原理獲得的故障距離相差太大(為5km)，于是懷疑該區段線路全長存在較大誤差。利用該區段線路兩端的A型測距結果進行校正后的該區段線路全長為505km，由此重新獲得的D型行波測距結果為距麥元站124.3km，距南橋站380.6km。該區段內線路兩端的故障暫態電流(通過專門研制的行波耦合器取得)如圖4所示。實際故障距離為距麥元站123.5km。

5 結語
??? 本文提出了一種帶補償量的D型雙端行波故障測距算法，并將其用于實際故障產生的電流暫態波形分析，為現代行波故障測距技術的進一步推廣奠定了基礎。實測故障分析表明，D型現代行波故障測距原理具有很高的可靠性。由于受線路長度和GPS的影響，D型行波原理的測距誤差稍大于A型行波原理的測距誤差，但一般不會超過1km。