基于同步录波技术的输电线路故障定位方法

岳科宇，袁 鹏，赵洪丹，李忠国，郑 宇

（国网吉林省电力有限公司辽源供电公司，吉林 辽源 136200）

1.引言

目前，故障录波装置只能记录原始波形的动态数据量，不能全天候存储稳态数据，仅在故障前后几秒内记录原始数据，造成难以及时捕捉电网的低频振荡，对大规模、长时间故障的分析中存在显著缺陷。不同变电站的录波数据缺乏可比性和同步性，直接威胁了故障后的稳定性。对此，迫切需要根据同步录波技术，系统研究输电线路故障定位。

2.多端输电线路及单相接地故障

我国社会经济自从进入21 世纪以后，呈现全面发展态势，一定程度推动了电力工业的进步。电网不断扩大规模，明显提高了输电容量。在电力工业可持续发展中，电网拓扑结构更加复杂。当高压输电网的输电线路故障，对其准确定位可提高线路故障的排查率，避免停电可能带来的经济损失，增加了输送电能设备的工作时间，保证电网稳定运行。现实工作中，供电系统最普遍的形式是多端输电线路，其拓扑结构见图1。

图1 多端输电线路拓扑

由图1 发现，多端输电线路涉及n 个母线端子，其中母线1 与n 之间的线路是主干输电线路，分支线路是指节点2 到节点n-2，并将电能供应给下级电网。多端输电线路相较单一输电线路，前者的分支电路错综复杂，无形增加了拓扑的结构的复杂度，提高了故障发生率，且故障容易对更广泛的区域造成影响。根据故障发生原理，对高压电网线路故障合理区分，即瞬态故障与永久故障。局部放电体现出随机和间歇特点，形成的电弧也较微弱，提高了定位故障的难度。虽然前期瞬态故障不会严重影响系统运行，但若置之不理，则容易反复、多次出现故障，进一步延伸故障发生区域。因此，采取科学方法对该类故障排除，避免影响高压电网运行的可靠性。

高压电网出现故障后，只有对故障位置科学定位，才能系统检查线路故障。高压电网输电距离与配电网线路存在明显区别，前者输电距离远、覆盖范围广泛，部分地区交通较差。只安排人员维修检查，耗时费力，降低了排查故障率。现场安装输电线路保护系统对故障线路快速定位，故障发生后快速跳闸，保证了故障检修质量。但是，在复杂的环境内输电线路保护增加了误动的可能性。此外，通过保护动作，不能准确定位故障位置。因此，精确定位高压线路故障，有利于保证检修质量，控制停电时间。对当前高压输电网的复杂程度，只有积极优化故障定位的方式，才可以提高智能化定位故障的水平。

输电线路单相接地故障定位技术。据统计，当瞬态故障超过90%时易引起线路缺陷，但未发现线路外部的损坏痕迹。利用故障定位系统发现故障部位。高压线路发生故障后，随之出现很多异常信号，经获取核心数据，凭借其与故障位置关系定位故障，节省了排查故障的时间，提高了故障检修水平。

3.输电线路故障同步录波监测技术

3.1 同步守时技术

目前根据全球卫星定位系统或北斗系统应用同步采样技术，如GPS。当获取同步信号后，模拟量经变换与调制实现模数转换，此时GPS 将触发信号提供给模数转换设备，由CPLD处理后，获得同步触发脉冲信号。当所有装置的转换触发脉冲，实现同步采样操作后，故障数据通过GPS 得到准确标签，形成同步相角数据。对系统的守时功能提出要求。为实现这个要求，系统选择精度较高的恒温晶振，作时间跟踪源。

3.2 高精确度测距技术

单端测距：故障录波监测系统的关键功能之一是测距。在无法获得端数据的情况下，单端测距是对故障进行定位的主要方法。但其精度易被非周期衰减直流分量、故障点过渡电阻等要素干扰。计算单端测距时不只采取滤除非周期衰减直流分量，还要系统把握过滤电阻，科学应用补偿技术降低分布电容的干扰，提高单端测距的精确度。

双端测距：双端测距结合对端数据完全消除过渡电阻的干扰。根据单端测距的特点，无法对故障电流提前预知，故采取极分化简方式计算单端测距，综合运用故障位置的零序电流。假设故障位置与安装装置形成相同的零序电流相位，则双端测距通过处理未知量消除过渡电阻造成的干扰。

4.多变电站输电线路同步录波技术故障定位

4.1 录波数据关联

以典型录波器联网系统为例，变电站1 与变电站2 的F 点出现了故障，同步登记两个变电站的故障数据，利用录波器联网系统向主站传输录波数据，两变电站同步传输录波数据，对变电站录波数据进行自主关联。

录波联网时间差异。输电线路出现故障后，录波数据紧密联系着故障模拟数据、开关操作信号、故障出现时间。基于对时差异的出现，直接威胁了录波数据时间的准确性，主站采取统一的对时方法，主要避免发生时间差错。

各录波数据与主站时钟间的偏差各不相同，其有可能是数小时，也可能是数天。录波主站之于各录波器来讲并非具有统一的时钟，为了对录波数据自主联系，以合理方法检测各个录波设备时间与主站时钟差。邻近变电站在数据网通信中合理运用调度数据与主站数据，其中分布在各变电站的录波器对主站进行时间检测。

录波器时间修正方法。录波器之间的时间差不相同，没有任何规律，但主站时钟体现出唯一性。如果基于主站分别获取录波器的时间偏差，则故障发生后，利用时间偏差校准录波器形成的故障时间，根据时间与各录波数据联系。主站获取各录波器时间偏差的原理与过程：选择TA1 时间，通过主站模块对时钟报文进行采集，向录波器传送；选择TB1 时间，录波器获取时钟报文请求，利用响应时间△tB，在TB2 时间内向主站传输报文；录波器将响应文件传输至主站采集模块，对接收时间的偏差计算。

传输延时：

时间偏差：

基于录波器迅速实现响应，通常在微秒级，我们直接忽略△tB，使得TB1=TB2=TB，代入上式得到：

通过调整，变电站1 的录波器采集的故障时间为：

录波器基于巡检周期的干扰，形成不同的响应时间，它并非完全精确，不能借该时间调整结果同步各录波数据。因此，有必要采取能达到录波器同步目标的方法。

4.2 数据同步

线路故障发生位置，线路两侧变电站内和邻近变电站的录波器全部开始工作。由于变电站有不同的录波器，各个变电站录波器共同为录波数据提供了重要来源。

4.2.1 相同变电站同步录波数据

若变电站有不同的电压等级或存在较多间隔，则对录波器平均配置。变电站涉及母线、线路与主变一次设备，积极连接了录波器与线路，各间隔对公共信号的母线电压实现采集。若主变录波器单独存在，则公共信号代表主变各侧电压与各侧母线电压。不同录波器借助这部分公共信号同步处理数据，具体方法如下：结合变电站安装录波器的情况，对与各录波器数据对应的公共信号及时获取；面对故障前后公共信号正弦波存在的角差，凭借全周波傅立叶实现变换获取数据，对各个录波器暂未同步的时间科学计算；结合时间无法同步的现象，同步处理其它非公共信号数据。

4.2.2 不同变电站录波数据同步

故障出现后，对录波主站传输关联数据文件时，电气量数据不只出现在线路L1 两侧，还形成于线路L2-L4 的两侧。同一变电站同步传输了数据，线路L1 和L2 两侧数据形成无法同步的时间。当线路L2 形成不同步时间后，直接同步站1 和站2 的录波数据。单回新路L3 故障，利用位于线路L1 两侧的电气量，获取站1 与站2 的不同步时间t12。单回线路故障，线路两侧的录波器数据实现迂回连通，以非故障线路获取路障线路两侧录波数据的不同步时间。

非故障线路数据同步法：根据非故障线路集中参数模型，对m 侧电压电流设计列向量，即侧电压电流列向量为其中向量的转置通过T 代表。

图2 输电线路集中参数模型

假设输电线路对地导纳矩阵为Y。由图2 可知，结合对工频量，假设线路两侧形成不同步角δ，则有：

把上述两侧列向量转置为行向量，由于Y 是对称阵，则有：

假设故障发生后m、n 侧电压电流列向量分别是Umf、Imf、Unf、Inf，由于该线路无故障，则公式（6）成立，可以得到：

由推导公式（7）可知，求取不同步时间不会对线路参数、故障类型等造成依赖。

故障线路数据同步法：关于故障线路，无法基于式（7）得到线路两侧录波数据的不同步时间，但式（7）始终具有意义。在现实工作中，输电线路三相对地导纳参数存在相等关系，忽略了互导纳，则对角阵数矩阵Y，得到完全相等的对角线元素。

4.3 自动建立录波联网系统

录波器联网系统主站利用采集模块获取各录波器的运行数据，在数据中心及时存储这部分数据。多变电站与录波数据有效关联，实现自动化同步的目标，在故障系统分析中构建三个模块。

4.3.1 录波器始终在获取模块

主站通过周期巡检方式逐一获取每个录波器的时钟状态，进一步计算录波器时间偏差Td，该时间差在短期内不会变化。采集模块的主要功能是对录波器的时钟状态进行问询和计算，录入数据中心，便于相关人员随时获取时钟状态。

4.3.2 录波数据自动关联模块

采集系统定期对录波器的录波数据进行采集，并在规定的时间内存储。对每个录波数据实现定义，得到对应故障号，该故障号与多个故障对应，且对同一次故障客观反映，体现出关联性。电网故障后，主站快速采集若干录波器的运行数据，科学处置后存储至数据库，处理过程：数据中心自主取得时间偏差，对录波数据时间合理调节；调节后检查关联故障数据时间的数据。若有则向该次故障赋予故障号数值；若没有关联其时间的故障数据，需要对其设置全新的故障号。工程师站发出关联录波请求以后，根据故障号对数据库读取，同时存储彼此关联的故障，并对发生故障的时间同步存储。

4.3.3 录波数据自动同步模块

在数据中心分析库内设计自动同步录波数据模块，具体对自动关联故障录波模块的相关数据进行分析。同步过程为：根据故障号对录波数据进行检索，科学配置相同线路的不同录波数据；故障发生前后科学分析一个周波，若在变电站联络区域外发生了故障，则利用同步录波数据法自行对齐数据，对不同时间准确登记；若在变电站双回联络线上出现故障，则对另一回线故障科学判断，如不存在故障，则同步器录波数据；若为单回线线路，则对变电站录波数据的同步时间进行计算，对迂回联络线通道查找，计算同步时间；若为单回线线路，且不存在迂回联络线通道，则故障前数据接近于同步。

4.4 系统应用

在录波器联网主站系统内引入本系统，添加故障关联界面，科学排列多次故障号，每个故障涉及若干个彼此联系的录波数据，增加数据同步内容，深入分析故障数据库。

5.结语

输电线路录波数据关联与同步自动化方法首先针对各录波器时钟差偏大的情况，采取科学方法检测偏差，在这个前提下，自动关联若干个录波数据。科学应用多个录波器的录波数据，无需系统参数，进一步自行同步失联的录波数据。在录波器联网系统中科学应用该方法，提高了操作的便捷性，有利于调度人员准确把握故障状况，为分析电网故障提供数据支撑。