基于多算法的輸電線路故障測(cè)距系統(tǒng)

1、基于多算法的輸電線路故障測(cè)距系統(tǒng)    關(guān)鍵字：系統(tǒng) 采用 傳統(tǒng) 交流 電壓 控制 直流 發(fā)電機(jī) 換流器 控制策略     基于多算法的輸電線路故障測(cè)距系統(tǒng)束洪春1，司大軍2，陳學(xué)允2(1昆明理工大學(xué)，云南省 昆明市 650051；2哈爾濱工業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱市 150001)摘 要：集錄波和故障測(cè)距的錄波器已經(jīng)在現(xiàn)場(chǎng)得到了廣泛的應(yīng)用，但是其自帶的故障測(cè)距功能算法算法單一，往往只有單端和雙端測(cè)距算法各一種，很難保證在各種情況下測(cè)距結(jié)果精確可靠，并且算法多使用廠家自定義的數(shù)據(jù)格式，不便于算法之間的通用。為了解決以

2、上問(wèn)題，作者提出了基于多算法的輸電線路故障測(cè)距系統(tǒng)，它使用大多數(shù)錄波裝置都支持的IEEE COMTRADE數(shù)據(jù)格式，具有良好的通用性；它使用當(dāng)前最新的測(cè)距算法，定位精度高、定位可靠，而且所用測(cè)距算法以動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)(DLL)編程實(shí)現(xiàn)，便于算法的修改與更新。關(guān)鍵詞：IEEE COMTRADE；故障測(cè)距；輸電線路；電力系統(tǒng)IEEE COMTRADE BASED FAULT LOCATION SYSTEM WITH MULTI-ALGORITHMS FOR TRANSMISSION LINESHU Hong-chun1，SI Da-jun2，CHEN Xue-yun2(1Kunming Universi

3、ty of Science and Technology，Kunming 650051，Yunnan Province，China；2Harbin Institute of Technology，Harbin150001，Heilongjiang Province，China)ABSTRACT: Waveform recorders integrating waveform record and fault location are widely used on site, but only a single terminal fault location algorithm and a do

4、uble terminal fault location algorithm are included in the recorder, so it is difficult to ensure that the fault location results are accurate and credible under any condition. Furthermore, because the data formats used in the algorithms are defined by the manufacturers respectively, so it is diffic

5、ult to use them alternately among the algorithms. To solve above mentioned problems a multi-algorithm based fault location system for transmission line is put forward in which the data format of IEEE COMTRADE supported by most waveform recorders is used and the up-to-date fault location algorithms a

6、re integrated, therefore this system is versatile and its location results are reliable and accurate. In addition, the applied fault location algorithms are programmed by dynamic link library (DLL) technology, so the algorithms are convenient to be modified and updated.KEY WORDS: IEEE COMTRADE；Fault

7、 location；Transmission line；Power system1 引言輸電線路故障后需要快速地找到故障點(diǎn)并進(jìn)行修復(fù)，以減少停電造成的經(jīng)濟(jì)損失和提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，因此輸電線路的故障定位是一個(gè)值得研究的問(wèn)題。目前的故障測(cè)距方法根據(jù)所用信息性質(zhì)可以分為兩大類，即行波法1,2和阻抗法3-8。行波法測(cè)距原理簡(jiǎn)單，理論上測(cè)距精度較高，但對(duì)行波的采集需要專門的設(shè)備，使投資增加。阻抗法所需要的數(shù)據(jù)多來(lái)自于錄波裝置，不需要增加硬件，所以得到了廣泛的應(yīng)用。筆者在昆明供電局中調(diào)研發(fā)現(xiàn)，他們使用了多個(gè)廠家生產(chǎn)的錄波器，并且大多數(shù)錄波器僅提供了一個(gè)單端和一個(gè)雙端測(cè)距算法。這些算法在進(jìn)行故障定位時(shí)都

8、使用廠家自己定義的數(shù)據(jù)格式，并且其測(cè)距算法也不理想，這給實(shí)現(xiàn)輸電線路精確故障測(cè)距帶來(lái)了困難。早在1991年IEEE就制定了一個(gè)COMTRADE(Common Format for Transient Data Exchange)標(biāo)準(zhǔn)，用于存儲(chǔ)電力系統(tǒng)故障錄波與暫態(tài)仿真的結(jié)果，以便對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。1999年IEEE又對(duì)COMTRADE標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了修訂，使之在應(yīng)用中更為方便。因此，現(xiàn)在COMTRADE有兩個(gè)版本，1991年制定的稱為IEEE Std C37.11-1991，1999年制定的稱為IEEE Std C37.11-1999。經(jīng)過(guò)十多年的推廣，COMTRADE已經(jīng)在電力系統(tǒng)中開始應(yīng)用，大

9、多數(shù)的錄波器都可以把錄波數(shù)據(jù)保存為COMTRADE格式。因此筆者開發(fā)了基于多算法的輸電線路故障測(cè)距系統(tǒng)，它使用IEEE大多數(shù)錄波裝置都支持的IEEE COMTRADE數(shù)據(jù)格式且具有良好的通用性，它使用當(dāng)前最新的測(cè)距算法，定位可靠且精度高。   2 COMTRADE數(shù)據(jù)格式為了便于說(shuō)明，本文將按IEEE Std C37.11-1999介紹COMTRADE數(shù)據(jù)格式。COMTRADE由四個(gè)文件組成，分別為：頭文件、配置文件、數(shù)據(jù)文件和信息文件，這四個(gè)文件包含有不同的信息，其中配置文件和數(shù)據(jù)文件是必須的，另外兩個(gè)是可選的。它們的命名規(guī)則是四個(gè)文件的文件名必須相同但擴(kuò)展名不

10、同，擴(kuò)展名分別為.HRD、.CFG、.DAT和.INF。(1)頭文件頭文件是一個(gè)文本文件，是可選的，可以用任何的字處理軟件形成。它包含與所記錄數(shù)據(jù)相關(guān)的任何信息，便于用戶打印和瀏覽。它對(duì)讀取數(shù)據(jù)作用不大，無(wú)故障測(cè)距無(wú)關(guān)，本文從略，詳細(xì)說(shuō)明請(qǐng)參見(jiàn)IEEE COMTRADE標(biāo)準(zhǔn)9。(2)配置文件配置文件為文本文件，由計(jì)算機(jī)軟件讀取，因此它必須以指定的格式存儲(chǔ)。配置文件由若干行組成，每行以回車/換行結(jié)束，用逗號(hào)分隔一行中的各個(gè)字段，字段可以為空，但逗號(hào)不能省略。它包含有助于計(jì)算機(jī)識(shí)別數(shù)據(jù)文件(.DAT)必要的信息：1)變電站名稱，錄波設(shè)置標(biāo)識(shí)，COMTRADE標(biāo)準(zhǔn)修訂年(版本)；2)通道數(shù)目和類型；

11、論文基于多算法的輸電線路故障測(cè)距系統(tǒng)來(lái)自 3)模擬量采樣通道信息。它主要包括通道編號(hào)、通道名稱、相別、被監(jiān)視元件名稱、單位、通道增益、通道偏移量、采樣的最大與最小值等；4)開關(guān)量采樣通道信息。它包括通道編號(hào)、通道名稱、相別、被監(jiān)視元件名稱、正常情況下通道的狀態(tài)等；5)線路額定頻率；6)采樣頻率信息。保存數(shù)據(jù)文件中采樣數(shù)據(jù)使用采樣頻率的個(gè)數(shù)和在各個(gè)采樣率下的采樣數(shù)目；7)第一個(gè)采樣點(diǎn)的時(shí)間以及故障觸發(fā)時(shí)間；8)數(shù)據(jù)文件類型。用來(lái)表示數(shù)據(jù)文件是文本格式還是二進(jìn)制格式；9)時(shí)間標(biāo)記因子(Time stamp multiplication factor)。它用于長(zhǎng)時(shí)間記錄的數(shù)據(jù)文件。IEEE Std

12、C37.11-1991中無(wú)此字段。(3)數(shù)據(jù)文件數(shù)據(jù)文件用于保存由數(shù)字記錄設(shè)備或仿真得到的結(jié)果，其中的數(shù)據(jù)必須與配置文件中定義的格式相一致，只有這樣，計(jì)算機(jī)程序才能讀出正確的結(jié)果。數(shù)據(jù)文件有兩種格式：文本格式和二進(jìn)制格式，它由配置文件中的“數(shù)據(jù)文件類型”字段確定。下面分別對(duì)兩種格式進(jìn)行介紹。1)文本數(shù)據(jù)文件文本數(shù)據(jù)文件有若干行和列。其行數(shù)取決于采樣數(shù)，其列數(shù)為TT+2(TT為通道總數(shù))，另外兩列用作采樣序號(hào)和時(shí)間標(biāo)記，各列排列如下：第一列為采樣序號(hào)；第二列為采樣時(shí)間標(biāo)記；接下來(lái)的列為模擬通道采樣信息；再接下來(lái)的列為開關(guān)通道采樣信息；每一行為一組采樣值，每組采樣值以回車/換行符隔開。2)二進(jìn)制數(shù)

13、據(jù)文件二進(jìn)制數(shù)據(jù)文件和文本數(shù)據(jù)文件之間除了通道數(shù)據(jù)格式的不同外，其它結(jié)構(gòu)基本相同。其每組采樣值的格式為：采樣序號(hào)，采樣時(shí)間標(biāo)記，每個(gè)模擬通道數(shù)據(jù)，集中存放的開關(guān)通道數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)之間沒(méi)有分隔符，每組采樣值之間沒(méi)有回車/換行符隔開。(4)信息文件信息文件是一個(gè)文本文件，是可選的。它可以保存比配置文件更多的信息，但對(duì)讀取數(shù)據(jù)作用不大，與故障測(cè)距基本無(wú)關(guān)，本文從略，詳細(xì)說(shuō)明請(qǐng)參見(jiàn)IEEE COMTRADE標(biāo)準(zhǔn)。(注：IEEE Std C37.11-1991標(biāo)準(zhǔn)中沒(méi)有信息文件。)3 COMTRADE標(biāo)準(zhǔn)用于故障測(cè)距筆者在做昆明供電局精確故障測(cè)距項(xiàng)目中發(fā)現(xiàn)：目前從前面介紹的COMTRADE標(biāo)準(zhǔn)格式文件中可以

14、方便地獲得測(cè)距線路的電流，但是由于標(biāo)準(zhǔn)中沒(méi)有模擬通道之間的關(guān)聯(lián)信息，很難知道此線路與哪條母線相聯(lián)(一般變電站中有多條母線)，所以無(wú)法獲得線路端電壓。而現(xiàn)有的阻抗型故障測(cè)距算法都要使用到線路的電壓電流，因而直接使用COMTRADE標(biāo)準(zhǔn)格式數(shù)據(jù)進(jìn)行故障測(cè)距有一定的困難。比較可行的方法是列出所有通道，讓用戶選擇測(cè)距所需的通道，然后把所選通道的數(shù)據(jù)另行保存以滿足使用多算法測(cè)距的要求。圖1是筆者為昆明供電局開發(fā)的基于COMTRADE標(biāo)準(zhǔn)的波形分析程序，它可以查看波形并保存為如圖2所示的為故障測(cè)距所需的文件類型。4 多算法的故障測(cè)距應(yīng)用程序現(xiàn)在的故障錄波與故障測(cè)距已經(jīng)有機(jī)地結(jié)合在一起，為電力系統(tǒng)的安全、經(jīng)

15、濟(jì)運(yùn)行提供了有力的保證。但是，目前的故障裝置所自帶的故障測(cè)距算法往往只有單端雙端算法各一個(gè)且較為陳舊，很難實(shí)現(xiàn)精確可靠的故障定位。筆者對(duì)于故障測(cè)距的認(rèn)識(shí)是：不可能有對(duì)于任何情況都可進(jìn)行精確故障定位的算法，每種算法都有自己的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。如：工頻量測(cè)距3-6方法有定位可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，但由于獲得工頻量需要較長(zhǎng)的數(shù)據(jù)窗，有可能遇到電流互感器飽和的情況使測(cè)距失??；時(shí)域算法7,8可以使用很短數(shù)據(jù)窗的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)故障測(cè)距，可以有效地識(shí)別并避開電流互感器的飽和；單端測(cè)距方法4,5不需要線路兩端數(shù)據(jù)的交換，因而可以廣泛地應(yīng)用，但當(dāng)線路末端故障或過(guò)渡電阻較大時(shí)，故障定位精度難以保證，而雙端測(cè)距方法3,6在原理上可以真

16、正實(shí)現(xiàn)精確故障測(cè)距?；谝陨显?，筆者為昆明供電局開發(fā)了多算法的故障測(cè)距系統(tǒng)。系統(tǒng)中吸取了近年來(lái)輸電線路故障測(cè)距方面的多種最新算法，即對(duì)于一次故障的數(shù)據(jù)可以使用不同的故障測(cè)距方法計(jì)算故障位置，根據(jù)計(jì)算結(jié)果以及算法本身的特性，可以給出一個(gè)或幾個(gè)參考故障點(diǎn)，以克服一種測(cè)距方法只給出一個(gè)測(cè)距結(jié)果，當(dāng)在給定位置附近找不到故障點(diǎn)時(shí)不得不全線查找的缺點(diǎn)。下面對(duì)使用的算法作簡(jiǎn)單的介紹。   (1)電弧故障單端測(cè)距方法對(duì)于圖3所示的系統(tǒng)，設(shè)在距M端xf處發(fā)生電弧故障，故障點(diǎn)f兩側(cè)線路分別使用型等效模型，則式中 下標(biāo)s=0,1,2表示模分量；R、L、C分別表示線路的每公里電阻、電感

17、、電容。對(duì)于A·相接地故障有當(dāng)故障點(diǎn)的電壓電流處于電弧轉(zhuǎn)移特性的飽和段時(shí)，與之對(duì)應(yīng)的電弧等值電壓源uarc(t)和內(nèi)阻Rarc可保持不變7。通過(guò)以差分代替導(dǎo)數(shù)的方法，過(guò)渡電阻Rarc及電弧等值電壓源uarc(n)可用電壓電流采樣值表示為式中 為故障點(diǎn)的電流， 。由于在高壓和超高壓輸電系統(tǒng)中，線路及系統(tǒng)的電抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電阻，電抗起著決定性作用，在較短時(shí)間內(nèi)本文將K看作常數(shù)。故可作以下定義為減小偶然誤差對(duì)測(cè)距精度的影響，借鑒最小 二乘法的思路,求取多個(gè) ，并以各個(gè) 的均方差Er的平方最小為目標(biāo)建立故障測(cè)距算法求解xf。亦可方便地推出兩相接地、三相接地和三相短路等故障類型的求解表達(dá)式，這里不

18、再贅述。(2)雙端時(shí)域測(cè)距方法設(shè)故障點(diǎn)到M端的距離為xf，則由M端的電壓電流求得故障點(diǎn)正序電壓uM,f(t,xf) 為式(10)中t為M、N兩端不同步采樣的時(shí)間差，可使用故障前的穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)求得。根據(jù)由兩端數(shù)據(jù)求得的故障點(diǎn)電壓應(yīng)該相等的原理并對(duì)式(9)與式(10)離散化構(gòu)造定位函數(shù)得由此構(gòu)造定位方程為式中 l為輸電線路的長(zhǎng)度。在0,l區(qū)間上，以一定步長(zhǎng)(如1km)變化xf，逐步搜索使Er(xf)最小，此時(shí)的xf就是故障位置。以上兩種測(cè)距方法可以推廣到雙回線路。另外在故障測(cè)距系統(tǒng)中還有工頻量的測(cè)距方法，由于篇幅所限不能一一列出。筆者對(duì)多算法的測(cè)距系統(tǒng)用軟件加以實(shí)現(xiàn)，形成了基于多算法的輸電線路故障測(cè)距

19、程序。它可以對(duì)單回和雙回線路分別使用多種單端和雙端測(cè)距方法進(jìn)行故障定位，為用戶提供更多的信息，并給出詳細(xì)的測(cè)距結(jié)果。軟件的測(cè)距界面使用Borland C+ Builder 開發(fā)，簡(jiǎn)潔明了，使用方便；測(cè)距算法使用標(biāo)準(zhǔn)C+語(yǔ)言在Visual C+ 環(huán)境下開發(fā)，以動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)(Dynamic Link Library， DLL)的方式與前臺(tái)測(cè)距程序相鏈接，做到了前臺(tái)界面與算法的分離。所以本軟件可以通過(guò)添加或更新DLL以及相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)的方法很容易地實(shí)現(xiàn)算法更新，從而及時(shí)地把最新的故障測(cè)距研究成果應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)踐當(dāng)中去。圖4為本軟件主界面，它完成選擇線路類型、被測(cè)距線路、測(cè)距算法以及加載錄波文件等操作。圖5為

20、測(cè)距算法選擇，對(duì)于每種情況，都有多種算法供用戶選擇。圖6為測(cè)距結(jié)果記錄，用于記錄多次的測(cè)距結(jié)果。       5 結(jié)論(1)由于IEEE COMTRADE標(biāo)準(zhǔn)中沒(méi)有電流通道與電壓通道的關(guān)聯(lián)，所以直接使用其進(jìn)行測(cè)距比較困難。因此建立了將IEEE COMTRADE文件轉(zhuǎn)換為中間文件的故障測(cè)距方法；(2)為了解決現(xiàn)有錄波器測(cè)距算法單一的問(wèn)題，提出了多算法的故障測(cè)距系統(tǒng)方案。(3)本文建立的基于多算法的輸電線路故障測(cè)距系統(tǒng)，使用了目前先進(jìn)的測(cè)距算法，可以使用任何錄波器保存的COMTRADE標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，并有良好的擴(kuò)充升級(jí)能力，在昆明供電

21、局應(yīng)用效果令人滿意。參考文獻(xiàn)1 董新洲，葛耀中，徐丙垠(Dong Xinzhou，Ge Yaozhong，Xu Bingyin)輸電線路暫態(tài)電流行波的故障特征及其小波變換(Fault characteristic of transient current travelling wave and its analysis with wavelet transform)J電工技術(shù)學(xué)報(bào)(Transactions of China Electrotechnical Society)1999，14(1)：59-622 董新洲(Dong Xinzhou)小波理論應(yīng)用于輸電線路故障測(cè)距研究(Study of

22、 Wavelet theory applied in fault location of transmission line based on travelling waves)D西安：西安交通大學(xué)(Xian：Xian Jiao Tong University)，19963 束洪春，司大軍，葛耀中，等(Shu Hongchun，Si Dajun，Ge Yaozhong et al)利用雙端不同步數(shù)據(jù)的高壓輸電線路故障測(cè)距實(shí)用算法及其實(shí)現(xiàn)(Study on practical fault location algorithm for two-terminal HV and EHV transmi

23、ssion lines using asynchronous data at both ends)J電網(wǎng)技術(shù)(Power System Technology)，2000，24(3)：45-494 束洪春，司大軍，葛耀中，等(Shu Hongchun, Si Dajun, Ge Yaozhong et al)三角形環(huán)網(wǎng)輸電線路故障測(cè)距新算法及其實(shí)現(xiàn)(A new fault location algorithm for transmission line in triangle network using one terminal voltage and current data)J電網(wǎng)技術(shù)(Power System Technology)，2000，24(4)：34-405 束洪春，李衛(wèi)東(Shu Hongchun, Li Weidong)利用單端工頻量的高壓輸電線路故障測(cè)距實(shí)用方法研究(Study on fault location for HV transmission lines using single-terminal sample data)J電工技術(shù)學(xué)報(bào)(Transactions of China Ele