基于邻近线路行波监测的故障定位方法研究_赵海龙.pdf

492023 年 2 月/February 2023nvironmental Adaptability&ReliabilityE环境适应性和可靠性摘要：以输电线路分布式监测技术为基础，将双端行波定位的应用范围从本线路延申至同电压等级的相邻线路，以拓展双端定位的途径。首先，分析了行波信号在相邻及同塔多回线路之间串入式传播的衰变规律，提出以串入式行波信号进行双端定位的方法，指明了其应用条件；其次，在某地区电网选取典型输电线路进行实例验证，分析比对了串入式行波双端定位的误差。结果表明，在串入途径选取合适时，串入式行波的定位方法仍具有较高的定位精度。关键词：分布式监测；故障定位；串入式行波；定位误差中图分类号：TM852 文献标识码：A 文章编号：1004-7204(2023)02-0049-07基于邻近线路行波监测的故障定位方法研究Research on Traveling Wave Fault Location Method Based on Series Transmission of Adjacent Lines赵海龙1,2，刘伦3，刘宏欣3（1.海南电网有限责任公司电力科学研究院，海口 570311；2.热带智能电网实验室，海口 570311）3.武汉三相电力科技有限公司，武汉 430074）ZHAO Hai-long1,2,LIU Lun3,LIU Hong-xin3(1.Electric Power Research Institute of Hainan Power Grid Limited Liability Company,Haikou 570311;2.Key Laboratory of Physical and Chemical Analysis for Electric Power of Hainan Province,Haikou 570311;3.Wuhan Sunshine Power Science&Technology Co.,Ltd.,Wuhan 430074)A b s t r a c t：Based on the distributed monitoring technology of transmission lines,the application range of double terminal traveling wave location is extended to the adjacent lines with the same voltage level,so as to expand the path of double terminal traveling wave location.Firstly,the decay law of traveling wave signal in series transmission between adjacent lines and common-tower transmission lines is analyzed,and the method of double terminal location based on series traveling wave signals is proposed,and its application conditions are pointed out in this paper.Secondly,the typical transmission lines are selected in a certain area power grid for example verification,and the error of double terminal location based on series traveling wave is analyzed and compared.The results show that the location method of the series traveling wave still has a high accuracy when the series approach is selected properly.K e y w o r d s：distributed monitoring;fault location;series traveling wave;location error引言分布式监测技术由于其较高的定位精度和可靠性，成为近年来输电线路故障诊断的主要手段之一 1,2。分布式监测以相对密集的终端安装方式，将长距离输电线路基金项目：海南电网有限责任公司科技项目，项目编号：073000KK52200007。区间化，以获取离故障点更近、衰变更小的行波数据，来提高定位精度和故障辨识的准确率 3,4。相比传统的行波测距，分布式监测系统精度更高，但需要在故障点两侧就近监测，定位途径较单一。50环境技术/Environmental Technology环境适应性和可靠性nvironmental Adaptability&ReliabilityE从整个输电网的角度来看，行波信号的传播是广域的，因此有学者提出基于整个输电网的行波定位网络算法 5-7。长沙理工大学曾祥君提出了基于网络的故障行波定位算法，根据电网中故障行波到达各变电站的精确时间和行波传输的最短路径进行综合定位计算 8；在后续研究中，李泽文等人提出基于广域电网初始行波极性与到达时间信息的广域行波保护系统 9；邓丰等人提出了一种故障区段界定方法，可预先确定初始行波传输路径，无需复杂解环、初始行波与最短路径匹配，不受故障点位置与网络结构的影响，再融合处理全网波形数据得到故障精确位置 1 0；哈尔滨工业大学张广斌等人提出利用同一变电站内故障线路和健全线路上观测到的故障主导波头的到达时差来定位故障，此方法无需依赖对端通信和双侧时钟同步 1 1。综合来看，网络算法使行波定位途径得到了大幅拓展，然而，网络算法不可避免地需要设法消除线路之间电气参数差异的影响，且行波信号在长距离传播过程中衰减和畸变明显，在算法中可能引入较大波头误差而影响最终定位精度，因此，对于网路算法中的路径选择和误差修正，还有待进一步研究。随着分布式监测技术的广泛应用，很多地区电网的输电线路已配置了监测终端，监测点越来越多。长期运行的数据和经验表明，若故障线路的电气参数与同母线的相邻线路接近，则可利用相邻线路监测终端的信号进行定位；另一方面，对于同塔架设的线路，当其中一回线路发生故障时，由于电磁感应，非故障线路中同样会激发行波信号，那么在同塔区段内，可利用非故障线路的行波进行双端定位 1 2。本文研究中，将这两种邻近非故障线路的行波信号定义为串入式行波。为验证串入式行波定位的可行性，本文通过仿真研究，分析了变电站运行方式、出线回数、母线长度对串入式行波传播的影响，然后在某地区电网选取典型历史故障开展不同途径的串入式行波定位，分析了串入式行波定位的误差，归纳了基于串入式行波定位的应用条件。最后，通过在某地区电网 2 0 次历史故障的串入式定位误差统计分析，验证了串入式行波定位方式的可行性。1串入式行波传播规律的仿真研究1.1仿真模型为研究串入式行波的传播衰减规律，本文在 A T P-E M T P仿真软件中开展了研究。仿真模型考虑变电站变压器、C V T、G I S、开关等模型和进线段输电杆塔、输电线路、电晕等模型，模型中计及故障相电晕影响，通过一等效电容进行设备模拟，变压器、C V T、隔离开关、G I S 的等效电容如表 1 所示。1.2仿真结果与分析1.1.1 变电站运行方式影响 变电站运行方式仿真分析主要以单线单变、双线双变、三线双变、四线三变的运行方式进行，在一回线路上距变电站 2 0 k m处注入故障行波，在另一回线距变电站 2 0 k m处监测。故障行波电流注入幅值 1 0 k A，波头/波尾时间为 8/2 0 s，串入行波电流波形如图 1 所示。图 1 中可见，运行方式越复杂，行波串入式传播后衰减越快，站内容性设备越多，行波衰减越明显。1.1.2 变电站出线回路影响变电站按四线三变运行，当变电站出线分别为 2 5条时，串入式行波电流的仿真结果如图 2 所示。设备类型变压器CVT隔离开关GIS等效电容（pF）5 0005 000300300表 1变电站设备模型的等效电容图 1 不同运行方式下的串入式行波512023 年 2 月/February 2023nvironmental Adaptability&ReliabilityE环境适应性和可靠性图 2 中可见，出线数量越多，串入式行波幅值越低。这是由于分流效应使得串入式行波幅值降低。1.1.3 变电站母线长度影响行波在站内传输时存在不同传播路径，仿真时母线总长度设置 2 0 0 m、5 0 0 m、1 k m、4 k m四种情况，结果如图 3 所示。从图 3 中看出，母线长度对串入式行波的形态及幅值影响相对较小，但对行波到达时刻有较明显影响，图中母线长度从 2 0 0 m 4 k m变化时，波头时刻的差异已超过 1 0 s，根据行波定位理论，波头时间偏差 1 s 带来的定位误差为 1 5 0 m。但对于 1 1 0 k V、2 2 0 k V的变电站来说，当出线回路较多时母线为分段运行，而 5 0 0 k V母线为二分之三接线方式，长度相对固定，因此可认为同电压等级的变电站母线长度相差不大，对波头时刻影响较小。2基于串入式行波定位的故障案例分析串入式行波定位方式有两种，为验证两种定位方式的可行性和准确性，本文在某地区电网 2 2 0 k V输电网络中选取了典型历史故障进行分析比对。2.1同母线邻近线路串入方式根据仿真分析，行波信号经过变电站后虽存在一定衰变，但对波头时刻的影响不大，若故障线路与同母线的相邻线路电气参数相近，可将相邻线路视为故障线路的延申。故障案例 1 所在线路电压等级为 2 2 0 k V，长度为2 1.3 k m，为便于分析，画出故障线路所在的网络示意图以及配置的终端，监测终端以装设杆塔的编号表示，如图 4 所示，该线路 6 5 号杆塔配置有监测终端，故障点位于 2 1 号杆塔，图中可见，若以本线路终端来定位只能采取单端算法，而串入式行波定位方式则提供了双端定位的路径。选取相邻线路 1 在 1 9 6 号杆塔、故障线路 6 5 号杆塔所配置的终端监测到的行波数据，进行单侧串入式行波定位，查阅线路资料可知两终端相距 2 0.8 k m，基于串入图 2 不同出线数量时的串入式行波图 3 不同母线长度下的串入式行波图 4 故障案例 1 网络示意图式行波的定位结果如图 5 所示。可见，串入到相邻线路1 的行波形态与故障线路差异很小，但幅值已严重衰减，两行波波头时刻相差 2 3.6 2 8 s，软件自动计算故障点的结果为距 1 9 6 号杆塔的终端 7 4 7 8 m，根据已录入的档距资料可知故障点在 2 1 号杆塔附近 6 4 m，定位结果准确。由于故障线路及 4 条相邻线路均在故障时刻采集到了行波信号，可采取双侧串入式行波的定位方式，即不选取故障线路的行波信号进行定位。选择相邻线路 1 上52环境技术/Environmental Technology环境适应性和可靠性nvironmental Adaptability&ReliabilityE的1 9 6 号杆塔、相邻线路3 上的1 号杆塔终端监测的行波，以及相邻线路 2 上的 1 8 7 号杆塔、相邻线路 4 上的 7 7 号杆塔终端监测的行波分别进行双端行波定位，结果分别如图 6（a）、（b）所示。图 6 中监测终端均在线路端点，因此串入距离可按照故障线路的 2 1.3 k m来算，两次双端定位的结果均在 2 1 号杆塔附近，偏差分别为 1 1 8 m和1 1 4 m，结果仍然准确。另外，从图中可见串入式行波的幅值均衰减严重，但相邻线路 3 中串入式行波幅值较大，说明串入式行波