基于历史故障波形的行波测距装置检验方法

第41卷 第16期 电力系统保护与控制 Vol.41 No.16 2013年8月16日 Power System Protection and Control Aug.16, 2013

基于历史故障波形的行波测距装置检验方法

钱 海1，贾松江1，李治兵2，石志坚2

（1.辽宁省电力有限公司，辽宁 沈阳 110006；2.北京博电新力电气股份有限公司，北京100083）

摘要：为了检验行波测距装置的运行状态，并提高检验的准确性，针对双端测距的校验，提出了基于历史故障波形的行波测距装置检验方法。利用行波测距装置记录的历史故障行波作为测试波形，加载到高频行波信号源并以GPS同步的方式输入被测线路两端的行波测距装置。利用该方法得到的测距结果与历史故障测距结果进行了对比分析。现场测试结果表明，基于历史故障波形的行波测距装置检验方法是有效和实用的。该方法能准确检验行波测距装置的运行状态，继而保障了输电线路安全稳定地运行。

关键词：行波测距装置；装置检验；历史故障波形

Inspection of traveling wave fault location equipment based on the historical fault waveforms

QIAN Hai1, JIA Song-jiang1, LI Zhi-bing2, SHI Zhi-jian2

(1. Liaoning Electric Power Company Limited, Shenyang 110006, China;

2. Ponovo Power Company Limited, Beijing 100083, China)

Abstract: In order to test the operation state of travelling wave fault location equipment and improve the inspection accuracy, a method of inspection for double-ended fault location based on historical fault waveforms is proposed. This method uses the historical fault waveforms which were recorded by the travelling wave fault location equipments as the testing waveforms, loads them on HF travelling wave source, and inputs the testing waveforms into both sides of the traveling wave fault location equipment by the GPS synchronous devices. The master station of the fault location system calculates the ranging results, and compares them with the historical fault distance of testing waveforms. The site test results verify the effectiveness and practicality of this method. This method can accurately inspect the operation state of the traveling wave fault location equipment, thus protects the operation transmission lines operating safely and steadily.

Key words: traveling wave fault location device; inspection of equipment; historical fault waveforms 中图分类号： TM774 文献标识码：A 文章编号： 1674-3415(2013)16-0139-05

0 引言

输电线路行波测距技术因其不受故障类型、过渡电阻、电力系统运行方式等因素的影响，可实现线路故障的精确定位，从而被广泛推广于工程应用中。特别是双端测距法，利用故障行波传到线路两侧的第一波头时间信息，并借助通信通道实现故障的准确定位[1-3]，具有简单、可靠、精度高等优点。迄今为止，对行波测距原理的分析[4-6]和行波测距装置的检验主要集中在数字仿真验证和简单的启动性测试这两个方面。而实际上，电网会时时刻刻遭受各种干扰，运行数据也千变万化。理想的数字仿真和电网实际运行还有一定的差异[7-8]。基于历史故障波形的行波测距装置检验方法是把电网实际运行的

历史故障行波波形作为测试波形，将其转换成模拟行波电流，并借助高精度GPS同步技术[9]，将模拟电流输入待测线路两侧的行波测距装置；故障测距系统主站根据线路两侧采集到的行波波形和时间信息计算测距结果；将测距结果与测试电流预设的故障点距离对比，以此来检验行波测距装置的运行状态和测距精度。基于历史故障波形的行波测距装置检验方法更具有实际意义。

1 双端测距原理

双端测距原理是利用故障初始行波到达线路两端的时间差计算故障距离，原理示意图如图1。

故障点距M端距离表达式为

XM=[(TM-TN)V+L]/2

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图1 双端测距原理图

Fig. 1 Schematic of double-ended fault location

其中：XM为故障距离，即线路M端至故障点Ki的距离；TM、TN为初始故障行波分别到达M端和N端的时刻；V为行波在线路上传播的波速；L为线路总长。

由于双端测距法只需要捕捉故障行波的第一个波头，所以其具有以下几个优点：1）相对其他行波测距法而言，对故障电流的采样要求低；2）只需记录故障发生后几毫秒以内的波形，可以节省大量的存储空间；3）对故障电流工频分量和暂态分量的分离和提取易行，在对波形进行小波变换后，可以迅速提取故障发生的时间信息；4）不需要考虑母线对行波的反射、故障点对行波的透射、波形过度衰减等因素的影响；5）能够单独使用。

随着相关技术的不断发展成熟，双端测距法已经在实际工程中得到广泛应用，并积累了大量的实践经验。

2 利用故障波形对行波测距装置的检验

利用故障波形对行波测距装置的检验是通过GPS同步触发的方式向待测线路两侧的行波故障测距装置输入历史故障行波模拟电流，模拟故障点行波电流向线路两侧传播的过程；故障测距系统主站根据线路两侧采集到的行波波形和时间信息计算测距结果；将测距结果与历史故障距离对比，以此来检验行波测距装置的运行状态和测距精度。其原理示意如图2。

利用故障波形对行波测距装置检验的原理是依据双端测距法进行的。由于行波测距装置的录波波形格式是各生产厂家自定义的私有录波格式，所以检验的关键点一就在于将不同格式的历史故障行波波形的格式转换成高频电流源可以识别并转换成模拟电流信号输出的通用格式，即电力系统中常用的暂态数据存储格式——Comtrade格式，如此还可以对安装于同一线路不同型号行波测距装置进行检验；为模拟故障点行波向线路两侧传播的同时性，检验的关键点二就在于借助高精度GPS同步技术，触发双端的检验仪同时输出历史故障行波电流。

图2 双端测距检验原理图

Fig. 2 Schematic of double-ended fault location testing

3 历史故障数据的处理

目前国内电力系统对于超（特）高压输电线路要求装设两套同类型的保护装置，一套运行，一套备用，以确保输电线路的可靠性、安全性和稳定性。行波测距装置也属于这一范畴，因此线路两端也会装设两套不同厂家生产的行波测距装置，互为弥补、互为备用。而不同厂家的行波测距装置故障录波波形都是以其私有格式记录下来的，为方便现场检验时对不同型号行波测距装置的检验，有必要开发相应的转格式软件，将各种格式的波形文件转换成一种电力系统通用的暂态数据存储格式——Comtrade格式。作为标准，它包含了标题文件、配置文件、数据文件、信息文件，其中配置文件诠释了数据文件中诸如采样速率、通道数量、频率、通道信息等项；数据文件则记录了每个采样所有输入通道的值。国内厂家记录波形的录波波形记录方式虽然各有不同，但均含有时间信息，采样率信息，信号幅值信息等参数，需要对这些信息进行有效的提取。3.1时间信息提取

将各厂家波形文件私有格式中的时间信息提取出来，单端的波形信号保留全部时间信息，双端波形信号选取触发时间早的信号起始端时间为故障起始时间，触发时间晚的波形前段根据需要叠加直流或工频正弦信号波形。做到两端信号起始点均从幅值0开始，这样可以消除由于起始点幅值过高对测距装置造成误触发的现象。 3.2采样率信息的提取

将各厂家波形文件私有格式中的采样率信息进行提取，并根据高频行波信号源的输出频率与采样率信息进行计算得到比例参数，用于信号数据的插值计算。

钱 海，等 基于历史故障波形的行波测距装置检验方法 - 141 -

3.3信号幅值信息的提取

将各厂家波形文件私有格式中的信号幅值信息提取出来。

线性插值是数学、计算机图形学等领域广泛使用的一种插值方法。假设我们已知坐标(x0,y0)与(x1,y1)，要得到[x0,x1]区间内某一位置x在直线上的值。根据图3中所示，我们得到

（y-y0）(x1-x0)=(y1-y0)(x-x0)

图3 插值算法图

Fig. 3 Diagram of interpolation algorithm

假设方程两边的值为α，那么这个值就是插值系数—从x0到x的距离与从x0到x1距离的比值。由于x值已知，所以可以从公式得到α的值

α=(x-x0)/(x1-x0)

同样，

α=(y-y0)/(y1-y0)

这样，在代数上就可以表示成为

y = (1-α)y0 + αy1

或者

y = y0 + α(y1 - y0)

这样通过α就可以直接得到 y。实际上，即使x不在x0到x1之间并且α也不是介于0到1之间，这个公式也是成立的。在这种情况下，这种方法叫作线性外插。已知y求x的过程与以上过程相同，只是x与y要进行交换。

针对仿真波形、故障录波波形与高速行波信号发生装置设定的速率具有一定的不统一性，我们参考EMTP电力系统暂态仿真数据记录的采样率及故障录波装置采样率一般只有几百kHz到1 MHz，而高速电流源的回放采样率可以达到6.25 MHz甚至更高，因此我们采用线性插值的方法，将测试用的数据文件的采样率通过线性插值算法调整为与高速行波信号源相同的波形数据。使用线性插值算法，具有计算简便，速度快，波形与原始波形畸变小等特点。

3.4历史故障测距结果

历史故障行波对应的故障测距结果，与波形进行回放后得出的测距结果相比较，将作为判断行波

故障测距系统测距精度的重要参考。

4 高频行波信号源的设计与实现

高频行波信号源可根据提供仿真的信号，通过软件的控制，将信号文件转换成真实的故障行波信号。所以也就要求高频行波信号源具有频率高，幅值大，输出测试信号波形光滑无毛刺等技术特点。

通过多年的线性放大器开发经验，采用DSP+FPGA的高速数字控制系统，通过高速的DSP处理器，对控制软件传递的数据和命令进行高速的解析和分配，并通过FPGA并行传递给每个通道，大大节省了数据在接口传输中的时间；采用并行的方式控制多个通道，避免了不同通道间的干扰和延迟，加快了通道间的信号响应速度，降低了通道间同步性的时间延迟现象；配合高速DA实现数据的高速转换输出，从而大大提高和改善了高速行波信号发生装置暂态响应速度和幅频特性；采用高速低温漂线性运算放大器为核心元件构成的高速功率放大器具有高可靠性、输出波形光滑真实的特点，没有开关放大器容易产生的高次谐波，输出波形无毛刺、无电磁污染，是真实准确的小电流波形；不同电流通道间完全独立控制，装置输出信号带宽范围广，响应速度快，可以满足现场测试的要求。

5 现场测试结果及存在的不足

为了验证本文提出的行波测距装置检验方法，笔者进行了多条线路的实地测试。图4、图5分别为某一线路M端高频电流源输出的电流波形和行波测距装置的录波波形，图6、图7分别为线路N端高频电流源输出的电流波形和行波测距装置的录波波形。其中A、B、C为三相电流。

由图可见，行波测距装置A、B、C三相的录波波形与高频电流源输出的行波波形从幅值和波形上均保持一致，证明了被测线路的双端行波测距装置运行正常，可以正常触发并记录故障行波。

图4 M端电流源输出波形 Fig. 4 Output waveform of M side

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图5 M端测距装置录波波形

Fig. 5 Recorded waveform of M side

图6 N端电流源输出波形

Fig. 6 Output waveform of N side

图7 N端测距装置录波波形 Fig. 7 Recorded waveform of N side

表1为部分线路现场测试时，测距系统主站自动获取的测距结果记录。由表可见，检验的测距结果与历史故障测距结果误差在500 m以内，证明了被测线路的行波测距系统有可靠的测距精度。

由于历史故障数据是基于线路上真实发生过的故障而获得的，因此其历史故障类型、故障点等都是有限的，对于未发生过故障的线路难以获得检验用的历史故障数据。但是，对于同一线路类型、同

一故障类型的典型历史故障波形是否具有测试通用性，有待在以后的研究中验证。

表1 现场测试结果 Table 1 Results of field test

历史

序被测线故障 M端 N端 检验 号 路 距离/ 历史故障 历史故障 测距 误差/ km 波形编号 波形编号 结果/ km

km 1 丹上线 55.428 M001 N001 55.276 0.152 2 北田线 34.349 M002 N002 34.381 0.032 3

宽凤线

37.616

M003

N003

37.535

0.081

6 结论

基于历史故障波形的行波测距装置检验方法是有效和实用的，它为检验行波测距装置的运行状态和测距精度提供了可靠有效的解决方案，比数字仿真验证更具实践意义。该方法能准确检验行波测距装置的运行状态，继而保障了输电线路安全稳定地运行。

本方法已申请国家发明专利，申请号：201210447940.6，发明创造名称：一种行波测距系统校验方法。 参考文献

[1] 葛耀中. 新型继电保护和故障测距的原理与技术[M].

西安: 西安交通大学出版社, 1996.

GE Yao-zhong. New types of protection relaying and fault location: theory and techniques[M]. Xi’an: Xi’an Jiaotong University Press, 1996.

[2] 陈平, 葛耀中, 徐丙垠, 等. 现代行波故障测距原理及

其在实测故障分析中的应用－D型原理[J]. 继电器, 2004, 32(3): 14-17, 28.

CHEN Ping, GE Yao-zhong, XU Bing-yin, et al. Modern traveling wave-based falult location principle and its applications to actual fault analysis-type D principle[J]. Relay, 2004, 32(3): 14-17, 28.

[3] 董新洲, 葛耀中, 徐丙垠. 利用暂态电流行波的输电

线路故障测距研究[J]. 中国电机工程学报, 1999, 19(4): 76-80.

DONG Xin-zhou, GE Yao-zhong, XU Bing-yin. Research of fault location based on current travelling waves[J]. Proceedings of the CSEE, 1999, 19(4): 76-80. [4] 马丹丹, 王晓茹. 基于小波模极大值的单端行波故障

测距[J]. 电力系统保护与控制, 2009, 37(3): 55-59. MA Dan-dan, WANG Xiao-ru. Single terminal methods

钱 海，等 基于历史故障波形的行波测距装置检验方法 - 143 -

of traveling wave fault location based on wavelet modulus maxima[J]. Power System Protection and Control, 2009, 37(3): 55-59.

[5] 尹晓光, 宋琳琳, 尤志, 等. 与波速无关的输电线路双

端行波故障测距研究[J]. 电力系统保护与控制, 2011, 39(1): 35-39.

YIN Xiao-guang, SONG Lin-lin, YOU Zhi, et al. Study of fault location for transmission line double terminal traveling waves unrelated to wave speed[J]. Power System Protection and Control, 2011, 39(1): 35-39. [6] 王奎鑫, 祝成, 孙佳佳, 等. 输电线路组合行波测距方

法研究[J]. 电力系统保护与控制, 2012, 40(15): 82-86. WANG Kui-xin, ZHU Cheng, SUN Jia-jia, et al. Research of combined traveling wave’s fault location method on transmission lines[J]. Power System Protection and Control, 2012, 40(15): 82-86.

[7] 邹贵彬, 高厚磊. 输电线路行波保护原理与研究现状

[J]. 继电器. 2007, 35(20): 1-6.

ZOU Gui-bin, GAO Hou-lei. Study status and theories of protection for transmission lines based on travelling wave[J]. Relay, 2007, 35(20): 1-6.

[8] 董新洲, 葛耀中, 贺家李, 等. 输电线路行波保护的现

状与展望[J]. 电力系统自动化, 2000, 24(10): 56-61.

DONG Xin-zhou, GE Yao-zhong, HE Jia-li, et al. Status and prospect for transmission lines based on travelling wave[J]. Automation of Electric Power Systems, 2000, 24(10): 56-61.

[9] 申晓留, 周长玉, 雷琼. 全球卫星定位系统(GPS)在电

力系统中的应用[J]. 现代电力, 2003, 20(6): 74-78. SHEN Xiao-liu, ZHOU Chang-yu, LEI Qiong. Application of global positioning system in the electric power system[J]. Modern Electric Power, 2003, 20(6): 74-78.

收稿日期：2012-10-31； 修回日期：2013-03-29 作者简介：

钱 海(1972-)，男，硕士，高级工程师，长期从事电力系统继电保护相关工作，并负责行波故障测距系统运行管理工作；

贾松江(1968-)，男，本科，高级工程师，长期从事电力系统继电保护相关工作；

李治兵(1968-)，男，硕士，工程师，长期从事功率电子技术研发设计工作。