输电线路故障GPS行波定位装置实验测试研究_图文


第 22 卷第 8 期 2002 年 8 月
文章编号:0258-8013(2002)08-0031-04

中国电机工程学报 Proceedings of the CSEE

Vol.22 No.8 Aug. 2002 ? 2002 Chin. Soc. for Elec.Eng.

输电线路故障 GPS 行波定位装置实验测试研究 
 曾祥君 1, 尹项根 2, 林福昌 2, 张 哲 2, 陈德树 2
(1.长沙电力学院 电力系,湖南 长沙 410077; 2. 华中科技大学电气与电子工程学院,湖北 武汉 430074)

EXPERIMENTATION FOR THE GPS AND TRAVELING-WAVE BASED FAULT LOCATOR OF TRANSMISSION LINE
ZENG Xiang-jun1, YIN Xiang-gen2, LIN Fu-chang2, ZHANG Zhe2, CHEN De-shu2 (1.Department of Electric Power, Changsha University of Electric Power , Changsha 410077, China;
2. College of Electrical & Electronic Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)

ABSTRACT: Fault locator of transmission line with traveling-wave is difficult to be tested in laboratory. Traveling-waves caused by light striking are simulated by the experiment of high voltage impulse in a cable, and fault traveling-waves are simulated by Real Time Digital Simulator (RTDS). High-voltage enduring is also tested, and the error of fault-location caused by the difference of fault locators of two terminals is examined. The experimentation is suit to test the traveling-wave sensor based fault locators.

KEY WORDS: fault location; traveling wave; High-voltage experimentation ; Real Time Digital Simulation (RTDS)

摘要:输电线路故障行波定位装置难以在实验室得到校验。 文中提出了采用高压冲击实验测试雷电行波及利用实时数 字仿真器 RTDS 测试各种故障行波的实验测试方法,并进行 了定位装置的耐压测试,校验了因两端定位装置的硬件不一 致而产生的定位误差。该方法适合于测试基于行波传感器的 故障定位装置。

关键词:故障定位; 行波; 高压实验测试;实时数字仿真 器(RTDS)

中图分类号:TM711
1 引言

文献标识码:A

模拟电力系统暂态行波传输过程较为困难,通 常采用的动模实验满足不了对行波定位装置测试的 要求[1]。国内外研究人员为了验证行波定位原理及 测试故障行波定位装置的精度,提出了多种实验测 试方法如:
(1) 巴西在运行的线路上进行接地故障实验[2], 但该实验风险大、费用高;

(2) 在专用的实验线路上进行故障实验[3],但该 实验所需人员多、设备多、费用也较高。
(3) 仿真模拟实验,以专用的暂态信号发生器, 把 EMTP 仿真结果或现场录波数据存入 RAM,进 行高速回放,模拟实际系统运行,以验证行波故障 定位原理[4]。但该方法需要解决大容量 RAM 存储 器、高速D/A转换及高频高精度的放大电路等难题。 据知,国内外还没有提出一种全面的可在实验室里 进行的行波定位装置检验方法。
本文针对行波定位装置[5~9],提出了一些在实验 室即可进行的检验方法并进行了装置的耐压实验, 校验了因两端定位装置硬件不一致产生的定位误差。
2 高压冲击实验测试
2.1  实验条件  实际雷电现象较复杂,难以用实验准确模拟。
本文采用高压冲击实验近似地模拟理想条件下的雷 击,把高压冲击信号加于输电线路,测试行波传输 特性。由于采用实物模拟,所以高频响应特性与实 际电力系统差别不大,且该方法还能测试装置的电 磁兼容性能。
如不考虑行波传输的色散特性,则行波的波速 一定,行波故障定位误差只与行波波头到达时刻测 量的精度有关而与实验线路长度无关。因此,在冲 击实验过程中,采用一定长度的电缆测试就能测量 行波定位装置的绝对误差,校验因两端定位装置的 硬件不一致而产生的定位误差。本实验采用 3km 电 缆测试,实验接线如图 1、2 所示,CVT 及结合滤

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中国电机工程学报

第 22 卷

波器采用与现场运行一致的实际设备,行波传感器 套在 CVT 的地线上[5~7],冲击信号如图 3 所示。

220V

硅堆

T

铜球放电间隙 56?
0.53?F

水阻 被试品 (电缆)

0.256?F
图 1 小冲击信号发生器电路 Fig.1 Circuit for impulse signal generating.

2.3 模拟电缆故障行波定位实验 冲击电压加于 3km 6 捆电缆连接点处的外皮和
芯线之间,两端行波传感器输出波形如图 6、7 所示, 图中两端行波极性不一致是由接入示波器时两端的 正负极性接法不一致而致。行波定位结果见表 1, 定位误差小于 40 m。误差的主要来源为:① 波速 估算的偏差;② 电缆长度偏差及传感器引线的影 响;③ 两端 GPS 之间的时间偏差;④ 传感器及启 动录波部件的延时偏差。
U/V

耦合 电容器
行波 传感器

0.4 耦合 电容器

行波

0.0

传感器

-0.4

图 2 电缆故障测试电路 Fig.2 Circuit for testing cable fault
U/kV
10

0

-10

0.0 0.2

0.4

0.6 t/ms

图 3 小冲击信号发生器产生的电压波形 Fig.3 Impulse signal waveform
2.2 耐压及电磁兼容实验 由大冲击产生的 200~1000kV 信号直接加到耦
合电容器和地之间,进行行波传感器的性能测试, 行波传感器上的输出信号如图 4 所示。当传感器一 次侧悬空时,测试大冲击产生的干扰信号如图 5 所 示。如设定启动信号电平为 1V,能可靠地躲开干扰 信号的影响。实验表明:传感器能够满足耐压及电 磁兼容的要求。

U/V 8

4

0

-4
0 4 8 12 16 20 t/?s
图 4 600kV 大冲击在行波传感器上的输出信号 Fig.4 The output signal of traveling-wave sensor with
600kV impulse signal input

0

24

6 8 t/?s

图 5 行波传感器原边悬空测量 600kV 冲击 产生的干扰信号
Fig.5 The disturbance signal caused by 600kV impulse signal

U1/V 2

0

1

-2 U2/V
2 2
0

-2

0 10 20 30 40 t/?s

图 6 距左端 1km 处输入冲击, 两端的行波波形 (1 为左端 2 为右端)
Fig.6 Waveforms in two terminals of cable with impulse signal input at 1km from left terminal (waveform 1 for the left and waveform 2 for the right)

U1/V 2

0

1

-2
U2/V
2 2
0

-2

0 10 20 30 40 t/?s

图 7 中间输入冲击, 两端的行波波形(1 为左端 2 为右端) Fig.7 Waveforms in two terminals of cable with impulse
signal input at the middle (waveform 1 for the left and waveform 2 for the right)

第8期

曾祥君等:  输电线路故障 GPS 行波定位装置实验测试研究        

33

表 1 行波定位结果 (假定行波波速为 2.0× 105 km/s)

Tab. 1 Results for fault location with traveling-wave

故障点离左 端距离/km

行波到达时刻 /?s*

左端测量

右端测量

故障点离 左端测量 距离/km

绝对误差 /km

0.0

374797.0 374811.8

0.02

0.02

0.5

669946.4 669956.0

0.54

0.04

1.0

235778.4 235783.2

1.02

0.02

1.5

669404.0 669403.8

1.52

0.02

2.0

533420.8 533415.6

2.02

0.02

2.5

496553.6 496544.0

2.46

0.04

3.0

088122.6 088107.8

2.98

0.02

*注:表中行波到达时刻为实验测试时装置记录的 GPS 高精度时 钟秒以下刻度。

葛洲坝 500kV 大江电厂

~

CVT

LGJQ-4x330/326km

凤凰山 500kV CVT

行波传感器

行波传感器

双河 500kV

汉阳 500kV

~~
双河 220kV

汉阳 220kV 凤凰山 220kV

3 RTDS 实验测试
数字仿真系统 RTDS 是为实时仿真电力系统暂 态过程而专门设计的并行计算机系统[10],如图 8 所 示。RTDS 能够模拟实际系统的运行情况,仿真采 用分析故障行波传输衰减及色散特性,能满足对行 波传输测试的要求[10,11]。但 RTDS 仿真结果的 D/A 输出步长一般大于 50?s。相对于架空线路,一个步 长的误差至少相当于故障行波传输 15km。因此, 只有考虑 D/A 转换步长,消除转换步长的影响, RTDS 实验装置才能应用于行波定位装置的测试。 但 15km 以内的近距故障仍只能由其它方法进行测 试。

~
图 9 RTDS 仿真实验模型图 Fig.9 The model for simulation with RTDS
行波

理论 输出波形

实际 输出波形

0

12

0 65.1047

3 4 t/?s
218.79 260.42 325.5235

图 10 由 RTDS 步长产生的误差 Fig.10 The error of RTDS output signal caused by DA step
左端行波传感 器输出信号
左端尺度2

左端尺度4
右端行波传感 器输出信号

右端尺度2

右端尺度4

图 8 RTDS 实验示意图 Fig.8 The scheme for testing with RTDS
采用图 9 模型对葛凤线的各种故障进行仿真, 结果如图 10 所示,考虑步长误差的影响,距凤凰山 65.2km 处在 0 时刻发生故障,RTDS 中 EMTDC 仿 真表明:故障行波传输到凤凰山所需的时间为
218.79?s(1MHz 信号波速 2.98×105km/s),而 RTDS 实际 D/A 输出的行波波头在第 4 个步长(每步长为 65.104167?s)时刻出现。这样,RTDS 凤凰山侧实 际输出的模拟信号出现时刻为 260.42?s。同样葛洲 坝侧 RTDS 实际输出的行波波头模拟信号时刻为 911.46?s。由 RTDS 输出模拟信号进行理论计算, 得到故障点离凤凰山 65.995km。因此,由

图 11

259300

260100

260900

261700

262500

C 相行波传感器输出波形及其小波变换结果(横坐标

每单位 0.2?s)

Fig.11 The output signal of traveling-wave sensor in phase

C and its wavelet transformation
于 RTDS 模 型 输 出 步 长 的 影 响 造 成 的 误 差 为 0.795km。在校验行波故障定位装置的精度时、应 以由 RTDS 实际输出行波波头模拟信号时刻经理论 计算得到的故障点位置 65.995km 为基准。
采用 RTDS 对本课题组研制的故障行波定位装 置进行测试,测试结果如下[5,8]:
(1) 行波传感器硬件启动故障定位的误差小于 130m;
(2) 行波传感器硬件启动信号经半正交小波分 析,寻找行波波头进行故障定位,如图 11 所示,定 位误差小于 390m。

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中国电机工程学报

第 22 卷

(3) 在高阻故障条件下的电压过零时刻,有时 硬件启动会失败;但行波传感器硬件启动信号经小 波分析后进行的故障定位,均能正确启动,定位误 差小于 700m。
(4) 行波传感器硬件启动故障定位时,定位精 度高;但行波传感器硬件启动信号经小波分析后进 行的故障定位灵敏度高,能适用于电压过零时刻故 障及高阻故障的定位。
4 结论
本文提出了采用高压冲击实验及 RTDS 仿真进 行行波定位装置的测试方法,其主要适用于基于行 波传感器的定位装置的测试,仿真结果表明:
(1)高压冲击实验可以对行波定位装置进行初 步的精度测试,耐压测试,并能校正两端定位装置 的硬件不一致而产生的定位误差;
(2)RTDS 可以在一定程度上满足对电力系统 各种故障的全面测试,完成故障定位装置的全面校 验。
致谢 感受华中电力集团公司邹建明、许汉平等协助 本课题的研究。
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收稿日期:2001-09-16。 作者简介: 曾祥君(1972-),男,博士,副教授,从事微机保护与控制等方面的研 究开发工作; 尹项根(1954-),男,教授,博导,从事电力系统继电保护与控制等领 域的教学、研究工作; 林福昌(1969-),男,博士,副教授,从事高电压新技术等方面的教学、 研究工作; 张 哲(1962-),男,教授,博导,从事电力系统继电保护与控制等领 域的教学、研究工作; 陈德树(1930-),男,教授,博导,从事电力系统继电保护与安全稳定 控制等领域的教学、研究工作。
(责任编辑 喻银凤)


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