一种利用暂态电流行波的输电线路故障测距

摘　要　提出了一种利用暂态电流行波的输电线路故障测距新方法。以同母线上任一“有限长”非故障线路作为参考线路，通过比较由故障线路暂态电流与该参考线路暂态电流形成的反向行波浪涌和对应的正向行波浪涌的极性，识别来自故障方向的行波浪涌，消除了来自参考线路的暂态行波浪涌的影响。EMTP仿真表明这种方法是可行的。
关键词　电力系统　暂态行波　输电线路　故障测距　EMTP
分类号　TM 773　TM 855

A NOVEL METHOD FOR FAULT LOCAIION OF TRANSMISSION LINES USING FAULT
TRANSIENT CURRENT TRAVELLING WAVES

Chen Ping, Xu Bingyin
(Kehui Electric Co. Ltd., 255031, Zibo, China)
Ge Yaozhong
(Xi'an Jiaotong University, 710049, Xi'an, China)
Wang Qian
(Dongbao Electronic Device Co. Ltd., 255311, Zibo, China)

Abstract　A novel method for fault LOCAIION of transmission lines, using fault induced transient current travelling waves, is presented. The arbitrary sound line with "finite length" is selected as a reference line, and the directional (forward and backward) travelling waves are constructed using the transient currents of the fault line and the reference line. The surges coming from the fault are identified by comparing the polarity of the backward surge, which is formed by the travelling wave of the transient current of the fault line and the travelling wave in the reference line, against the polarity of the corresponding forward surge. The effect of surges that come from the reference line is avoided. The feasibility of the novel method is proved by EMTP simulation.
Keywords　power systems；transient travelling waves；transmission line；fault LOCAIION；EMTP

0　引言
　　近年来，由于微电子技术和通信技术的迅速发展，行波测距方法被赋予了新的生命力。基于全球定位系统(GPS)同步技术的纯双端行波故障测距装置(D型)已经在加拿大500 kV输电系统运行多年^［1］，该装置利用了故障产生的暂态电压行波信息。以文献［2～7］为基础而研制成功的XC—11输电线路行波故障测距装置基于暂态电流行波，且同时采用了A，D，E三种测距原理。理论分析和现场运行经验表明，故障距离定位精度可达到一个杆塔之内(误差小于1 km)。为了进一步提高行波测距的可靠性和精度，文献［8～10］将小波理论成功地应用于行波故障检测领域。
　　单端量行波故障测距的基本原理是利用测量点感受到的由故障初始行波浪涌经测量端母线反射后所形成的第1个正向行波浪涌与来自故障方向的第2个反向行波浪涌之间的时延计算故障距离，其中正向与反向行波分别是测量点暂态电压与电流关于波阻抗的线性组合。但由于以下原因，目前国内只采用电流行波进行故障测距：①暂态电压信号不易获取；②波阻抗不易准确获得；③当母线上出线较多时，暂态电压信号比较弱，而暂态电流信号却很强。
　　本文以同母线上任一“有限长”非故障线路作参考线路，通过比较由故障线路暂态电流与该参考线路暂态电流形成的反向行波浪涌与其对应的正向行波浪涌的极性，识别来自故障方向的行波浪涌，消除来自参考线路远端母线反射波及各种扰动的影响。
1　利用暂态电流行波的单端测距基本原理
　　线路故障后，由于故障点电压的突变将同时产生向着故障线路两侧以接近光速的速度传播的暂态行波，形成第1个反向行波浪涌。当行波浪涌到达测量端母线时，由于阻抗不连续将同时产生反射和透射，其中的反射波形成第1个正向行波浪涌，它到达故障点后将再次产生反射，从而形成第2个反向行波浪涌。设测量端感受到的第1个正向行波浪涌为，对应的故障点反射波为，如图1所示，则有如下的行波关系：

其中　K_F为行波在故障点的反射系数；τ为行波在本端母线与故障点之间的传播时间。

.

图1　测量端的方向行波
Fig.1　Directional travelling waves at relay point

可见，只要测得时延2τ即可计算出故障距离：
　　　　　　　　　　　　L=vτ　　　　　　　(2)
其中　L为故障距离；v为波速度。
　　在测量端直接感受到的并不是方向行波，而是实际的暂态电压和暂态电流，它们分别是正向行波与反向行波合成的结果。可通过测量点暂态电压与暂态电流关于波阻抗的线性组合来提取出方向行波：

其中　u⁺(t)与所选参考方向相同；u^-(t)与所选参考方向相反。
　　得到方向行波后即可通过文献［2］提出的匹配滤波器法和第2个反向行波浪涌识别法实现故障测距。目前国内、外一些实际运行的装置只利用了电流行波进行故障测距，在这种情况下仍然可以构造方向行波，但需要利用同母线上非故障线路的暂态电流。假定测量点母线结构如图2所示，其中各线路电流正方向均为母线指向线路。

图2　母线接线示意图
Fig.2　Schematic diagram of bus connections

选取某一非故障线路Mn为参考线路，当该线路相对于故障线路MF为“无限长”时，根据彼德逊法则^［11］，测量点的暂态电压可表示为：
　　　　　　　　　　　　　u_M(t)=Z_Mni_Mn(t)　　　　(4)
其中　Z_Mn和i_Mn分别为参考线路Mn的波阻抗和暂态电流。
　　联立式（3）、式（4）可得测量点故障线路的方向行波为：
　　　　　　　　　　　　
其中　Z_MF和i_MF分别为故障线路MF的波阻抗和暂态电流。
　　一般情况下，同母线上各线路分布参数差别不大，可以近似认为相同，则式（5）变为：
　　　　　　　　　　　　
　　为消除波阻抗Z_C的影响，可提取方向行波：
　　　　　　　　　　　　
　　式(7)所构成的方向行波具有方向电压行波的性质，它与实际的方向电压行波相差常数Z_C /2。根据式（6），还可以提取出具有方向电流行波性质的方向行波：
　　　　　　　　　　　　
　　它与实际的方向电流行波相差常数1/2。
2　来自故障方向行波浪涌的识别
　　当所选参考线路不满足“无限长”的假定时，在一定条件下，由式（7）或式（8）形成的方向行波中，第2个反向行波浪涌不是真正来自故障方向，而是由来自参考线路的暂态行波浪涌引起的虚构反向行波浪涌。

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