梁凤强, 孙永波， 陈平, 李京， 张真

(1.山东理工大学 电气与电子工程学院, 山东 淄博 255049； 2.烟台港股份有限公司，山东 烟台 264000)

一种基于区段判别的混合线路组合行波定位方法

梁凤强1, 孙永波2， 陈平1, 李京1， 张真1

(1.山东理工大学 电气与电子工程学院, 山东 淄博 255049； 2.烟台港股份有限公司，山东 烟台 264000)

为了提高传统组合行波测距方法的测距精度，分析了混合输电线路故障后故障行波的传播过程以及发生折射、反射的情况，并提出一种基于区段判别的混合线路组合行波定位方法。首先利用故障初始行波到达线路两侧的时间差来判定故障区段，由单端法给出准确的测距结果，然后通过线路两端采集到的时间由单端原理给出准确的测距结果，消除了双端法受线路给定长度误差以及同步时钟误差问题的影响，不需要对第二次到达母线侧的故障行波进行假设计算，简化了传统的组合行波测距方法，提高了传统组合行波测距法的测距精度。PSCAD仿真表明，所提出的高压混合输电线路组合行波测距方法是可行的，与传统组合行波测距方法相比，测距精度明显提高。

高压；混合输电线路；故障行波；故障点反射波；故障测距

0 引 言

随着城市现代化建设进程的加快，可以利用的土地资源日益紧缩，占用大量土地资源的架空线输电网络成为阻碍城市现代化进程的主要因素之一。而与架空线相比，利用电缆线路输电具有输电容量以及输电可靠性较高、节省空间以及美化市容等优点，在现代电网输电中应用广泛，从单一的架空线输电逐步发展为电缆与架空线混合输电线路[1-3]。当线路出现故障时，能够快速准确地找到故障发生的位置,不仅能够缩短人工巡线的时间，而且也减少了用电量较大的用户的经济损失。随着电缆—架空线混合输电线路的推广，快速找到故障点对于保证混合输电线路的输电可靠性具有重大意义。

目前，国内外学者针对如何定位混合输电线路故障点位置已经提出许多方法，按照测距原理的不同，大致可以区分为阻抗法和行波法。由于受故障类型以及过渡电阻等条件的限制，从而使得阻抗法的测距精度难以提高[4-7]。行波法则不受以上问题的制约，因而在混合输电线路故障测距中得到广泛的应用[8-13]。文献[14]提出一种基于双端原理的高压混合输电线路故障测距方法，虽然采用基于GPS技术的电力系统同步时钟进行时间同步，使时钟误差始终不超过1 μs，但该误差会带来150 m的理论误差，还由于受线路给定长度误差的影响，使得测距误差增大。针对此类问题，文献[15]提出了一种高压架空线—电缆混合线路组合行波故障测距方法，消除了同步时钟误差以及线路给定长度误差，但此方法需要假定第二次到达母线侧行波浪涌是故障点反射波还是电缆与架空线的连接点反射波，进行两次计算后，再通过所得结果推算出行波初始浪涌到达母线两侧的时间差，从而与实测的时间差进行对比来确定测距结果，测距原理比较复杂，比较容易出现第二次到达母线侧波形误判的情况，影响测距精度。

为了解决上述问题，本文提出一种基于区段判别的混合线路组合行波定位方法，消除了同步时钟误差以及线路给定长度误差，不需要对第二次到达母线侧的故障行波进行假设计算，降低了第二次到达母线侧故障行波出现误判的几率，使得故障测距的准确性和可靠性得以提高。

1 混合线路故障行波的折射和反射过程

图1 混合线路故障后行波折、反射示意图

如图1所示，高压混合输电线路的两端母线侧分别用M和N来表示，电缆与架空线的连接点用P表示，电缆输电段的长度用LC表示，架空线输电段的长度用LO来表示，电缆输电段和架空线输电段的中点分别用A和B来表示，行波在电缆和架空线中的传播速度分别用vC和vO分别表示，故障点的位置用F来表示，故障点到母线M侧和N侧的距离分别用LMF和LNF来表示，tMi和tNi(i=1,2)分别表示母线M与N端接收到第i个波形的绝对时刻。

2 混合线路组合行波测距方法

2.1 故障区段的确定

分别计算当A点、P点以及B点发生故障时故障初始行波到达母线两侧的时间差来作为整定值序列，即：

(1)

(2)

(3)

式中ΔT1、ΔT2、ΔT3分别表示A点、P点以及B点发生故障时故障初始行波到达母线两侧的时间差值。

当混合输电线路发生故障时，故障行波第一次与第二次到达母线M端和N端的时间分别记为tM1、tN1和tM2、tN2。取Δt=tM1-tN1,当满足Δt<ΔT1，则判定电缆MA段发生故障并且母线M端第二次接收到的波形为故障点的反射波；当满足Δt=ΔT1，则电缆中点A处故障；当满足ΔT1<Δt<ΔT2，则判定电缆AP段发生故障且母线M端第二次接收到的波形为连接点反射波；当满足Δt=ΔT2，则判定连接点P发生故障；当满足ΔT2<Δt<ΔT3，则判定架空线PB段发生故障且母线N端第二次接收到的波形为连接点反射波；当满足Δt=ΔT3，判定架空线中点B处发生故障；若ΔT3<Δt时，判定架空线BN段发生故障且第母线N端第二次接收到的波形为故障点反射波。

2.2 给定测距结果

(1)当电缆MA段发生故障时，故障行波从故障点F传播到母线M端的时间由式(4)给出：

(4)

故障点F到母线M端的距离由单端原理给出：

LMF=vCΔt1

(5)

(2)当电缆中点A处发生故障时，故障点F到母线M端的距离为：

(6)

(3)当电缆AP段发生故障时，故障行波从故障点F传播到电缆与架空线的连接点P的时间由式(7)给出：

(7)

故障点F到母线M端的距离由单端原理给出：

LMF=LC-vCΔt2

(8)

(4)当连接点P处发生故障时，故障点F到母线M端的距离为：

LMF=LC

(9)

(5)当架空线PB段发生故障时，故障行波从故障点F传播到电缆与架空线的连接点P的时间由式(10)给出：

(10)

故障点F到母线N端的距离由单端原理给出：

LNF=LO-vOΔt3

(11)

(6)当架空线中点B处发生故障时，故障点F到母线N端的距离为：

(12)

(7)当架空线NB段发生故障时，故障点F到母线N端的时间由式(13)给出：

(13)

故障点F到母线N端的距离由单端原理给出：

LNF=vOΔt4

(14)

3 仿真验证

3.1 给定仿真模型参数

利用仿真软件PSCAD建立如图2所示220 kV混合输电线路模型，其中，母线M端和母线N端的系统电抗均为0.031 4 Ω，电缆段LC全长为18 km，架空线段LO全长为30 km，故障点F距离母线M端的距离为4 km，仿真频率采用2 MHz，仿真模型如图2所示。

图2 混合输电线路电路图

模型中架空线的参数为：架空输电线路结构采用三角形结构，如图3所示。图中，C1、C2表示架空地线，C3、C4、C5分别表示架空线A、B、C三相，架空线导线选用LGJ-300/40，直径为23.94 mm，直流电阻0.096 14 Ω/km，架空地线选用JLB20A-100，直径为14.25 mm，直流电阻0.360 6 Ω/km。

通过架空线的几何参数可推导求出行波在架空线中的传播速度为295 km/ms。

电缆的几何参数如图4所示，通过电缆的几何参数可推导求出行波在电缆中的传播速度为192 km/ms。

由公式(1)～(3)可得：ΔT1= -101.7 μs、ΔT2=-7.9 μs、ΔT3=93.75 μs。

图3 架空输电线路结构图

图4 电缆几何参数图

3.2F点故障仿真

电缆段的F点在t=0发生单相接地故障，过渡电阻为10 Ω，故障初始角为90°。混合线路两端测得的故障相电流与故障相电压行波波形如图5所示。

由仿真波形可得故障行波到达M端和N端时刻分别为tM1= 21 μs，tM2= 62 μs，tN1=175 μs，tN2= 216.5 μs,求得Δt= -154 μs，显然满足Δt<ΔT1，故判定电缆MA段发生故障,由式(4)-(5)可计算出: Δt1= 20.625 μs，LMF=3.960 km，与实际故障点的位置相比，测距误差为40 m，运用传统的组合行波测距方法得到：LMF=3.936 km，测距误差为64 m。

图5 F点故障时M端和N端的故障相电流 与故障相电压行波波形

表1给出了220 kV混合输电线路不同区段8个不同点发生故障时，应用所提出行波测距方法所得到的测距结果与误差。

表1 混合线路不同位置故障时的测距结果

从表1中的测距结果中可以分析得出，在220 kV架空线-电缆混合线路中应用本文所提出的行波测距方法测距的误差与传统的组合行波故障测距结果的误差相比，测距精度明显提高。可见本文所提出的混合输电线路组合行波测距方法可简单方便、准确可靠的定位故障点的位置,比传统的组合行波测距方法测距精度更高。

4 结束语

本文分析了220 kV架空线-电缆混合线路发生故障后行波的折射和反射过程，提出一种基于区段判别的混合线路组合行波定位方法，仿真结果表明，所提出行波测距方法可以给出准确测距结果。

本文所提方法与现有的方法相比优势在于测距结果完全由单端原理给出，消除了同步时钟误差以及线路给定长度误差，不需要对第二次到达母线侧的故障行波进行假设计算，简化了传统的组合行波测距方法，降低了第二次到达母线侧故障行波出现误判的几率，使得故障测距的准确性和可靠性得以提高。本方法实现了当高压混合输电线路发生故障时，怎样快速、准确的定位故障点，与传统的组合行波测距方法相比，测距精度明显提高，具有良好的工程应用前景。

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A Location Method for Hybrid Line Combination Traveling Wave Based on Segment Discrimination

Liang Fengqiang1, Sun Yongbo2, Chen Ping1, Li Jing1, Zhang Zhen1

(1. College of Electrical and Electronic Engineering, Shandong University of Technology, Zibo Shandong 255049, China;2. Yantai Port Co., Ltd., Yantai Shandong 264000, China)

To improve the accuracy of traditional combination traveling wave location method, this paper analyzes the propagation process of the traveling wave of fault after its occurrence on a hybrid transmission line, as well as its refraction and reflection, and proposes a location method for hybrid line combination traveling wave based on segment discrimination. Firstly, the difference between time of arrival of initial traveling wave of the fault at the two sides of the line is used to determine the fault segment, and an accurate location result is given in the single-end method. Then, accurate location result is given in the single-end principle through the time collected from both ends of the line. This approach eliminates the influence of errors from given length and from synchronization clock in the double-end method, and does not need an assumption calculation of the fault traveling wave arriving at the bus side for the second time, thus simplifying traditional combination traveling wave location method and raising its location accuracy. PSCAD simulation shows that the proposed combination traveling wave location method for high-voltage hybrid transmission lines is feasible and has a much higher location accuracy than the traditional combination traveling wave location method.

high voltage; hybrid transmission line; fault traveling wave; fault point reflection wave; fault location

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.05.021

TM764.1

A

1000-3886(2016)05-0064-04

梁凤强(1990-)，男，山东临沂人，硕士生，主要研究方向为电网故障监测与定位。 孙永波(1979-)，男，山东莱州人，主要研究方向为电力系统故障检测。

定稿日期: 2016-03-25

发明专利: 陈平，梁凤强，一种高压混合输电线路组合行波测距方法，中国发明专利，申请号为201510020969.X，2015-01-15。