可控串补线路行波故障定位方法研究

【摘要】分析了可控串补装置对输电线路行波测距法的影响，研究了故障电流行波通过可控串补装置的暂态过程。研究结果表明：可控串补装置在容抗调节状态下，电感支路的反向充电对故障初始波头有平滑作用，降低了初始波头的幅值，延迟了初始波头到达时刻，从而影响了行波故障测距的精度。为此提出了利用可控串补装置对端站数据的故障测距方法，避免了可控串补装置对测距的影响，通过仿真及实际数据验证了所提方法的有效性。

【关键词】可控串补装置；输电线路；行波故障测距

1.引言

可控串联电容补偿装置（下文简称为可控串补装置）可用于提高长距离输电线路的输送能力、增加稳定裕度等，从电网发展趋势来看，输电线路可控串补装置将会得到越来越广泛的应用。输电线路故障测距主要用于短路点的定位[1-2]，其原理大致可分为2类：阻抗法和行波法。由于可控串补装置在阻抗特性上相当于改变了线路的电气长度，特别是MOV的非线性特性又严重影响了阻抗法的计算[3]，从实际运行经验看，可控串补线路的阻抗法测距结果在部分情况下误差可达数十公里，因此，可控串补线路采用行波测距法更为适合。

如文献[4-10]所述，以往的研究认为，可控串补装置整体上作为电容串联在线路上，不会对暂态行波的通过造成影响，不会影响到行波测距装置的工作。但从测距装置在伊敏—冯屯线路上的实际运行经验看，基于暂态量的行波故障测距算法仍然受到了影响，在部分情况下，测距误差明显扩大。

2.可控串补装置及输电线路行波测距基本原理

2.1 输电线路行波测距基本原理

目前，实际应用较多的输电线路行波测距法是双端法，其利用故障产生的行波信号，通过计算第1个故障行波波头到达线路两端的时间差来计算故障位置，工作原理如图1所示，其计算公式为：

式中：l1、l2分别为故障点到两端的距离；t1、t2分别为行波到达线路两端的时间；L为线路全长。由于双端行波测距法只需要识别故障初始波头，因此，双端测距法原理上具有简单可靠的特点，工程中考虑到互感器的暂态响应特性，主要采用暂态电流行波的双端行波来进行测距。

2.2 可控串补装置基本原理及工作模式

可控串补装置的基本结构是Vithay-athil等于1986年提出的，原理电路如图2（a）所示，实际运行中，装置由多组基本补偿器串联在一起构成，基本控制思想是通过调节电感支路（TCR支路）来部分补偿电容的大小，以提供一个连续可变的电容，主要用于电力系统降低输电线路从送端到受端间总的等效串联阻抗，即改变输电线路传输特性中的X。

可控串补装置的基本工作模式包括以下4种：

1）晶闸管闭锁模式。该模式下，TCR支路闭锁，可控串补装置与固定串补没有区别。

2）容抗调节模式。当可控串补装置触发角αcrt

3）TCR旁路模式。这时，电感L处于全接入状态，相当于L与C并联构成LC回路。

4）感抗调节模式。该模式下线路的谐波较大，对晶闸管也提出较高的要求，伊冯线路上所装的可控串补装置不会工作在此状态下。

由工作模式可知，当可控串补装置工作在晶闸管闭锁或TCR旁路状态时，整体上相当于一个大电容，阻止电压突变，但不影响电流突变，不会对行波故障测距装置（主要依靠故障电流行波测距）的工作造成影响。因此，本文重点分析当可控串补装置处于容抗调节状态对行波故障测距的影响。

3.可控串补装置对行波测距的影响

3.1 故障电流通过可控串补装置的暂态过程分析

由可控串补装置的工作原理可知，故障电流通过可控串补装置的暂态过程包括：

1）故障电流到达可控串补装置，MOV尚未导通前的暂态过程。该过程时长与MOV定值设置及故障电流幅值相关，约为1～3ms，此过程中MOV未导通，可控串补装置相当于一组串联的LC回路，如图3所示。

2）MOV导通后的暂态过程。该过程中MOV导通，阻抗逐渐降低，直至稳定状态，该过程持续时间及波形特点与MOV的非线性特性相关。

3）FSC启动后的暂态过程。此过程中，电容电感回路被旁路。

其中，暂态过程1是影响行波测距算法的关键，特别是容抗调节模式下的暂态过程。

可控串补装置工作在容抗调节模式时，在稳态工作条件下，电感支路电流iL与电容支路电流iC反向，iL通过电容C形成回路，基本上不流入线路，由于线路电流iT和iL均通过电容支路，导致∣iC∣>∣iT∣，随着TCSC容抗的增加，iC和iT的差别也加大。

在暂态情况下，由于故障电流行波通过TCSC时间极短，在初期电感支路电流iL（0+）不变，电感支路可视为一电流源，与故障前电感支路电流iL（0-）相同，故障电流通过电容达到母线。此时，可控串补偿装置电容回路两侧的电流如式（3）所示。

由电路原理可知，当故障初始波头到达串补装置时，由于电感支路的存在，阻止电感支路电流的突变，即：

电容支路电流iC，则与电容支路电压vC（t）相关，幅值上与进入可控串补装置前线路电路iT、XL、XC以及RMOV相关，即：

则故障电流通过TCSC装置后，

考虑到MOV的影响和电感支路iL（0-）与电容回路电流反向问题。因此，在到达稳定状态前，相对普通线路，安装可控串补装置的线路电流iT低于无串补装置情况下的iT，降低了初始行波波头幅值，相当于对初始波头进行了平滑，与高阻接地故障和小故障电压初相角时故障电流的情况类似。在持续时间上，电感回路对电容进行反向充电的充电周期与XL、XC大小相关，以及与故障电流行波到达时刻相关。

如前所述，可控串补装置只是在部分工作模式下才会对行波测距造成影响。并且需要指出的是，不是在所有故障条件下，可控串补装置对初始波头的平滑都会造成测距精度的降低，还受故障电流幅值大小、测距算法阈值等因素的影响。当故障为金属性短路或雷击故障情况下，由于初始波头幅值较大，即使可控串补装置导致对初始波头的平滑，也不会影响到行波测距装置的精度。

以伊敏—冯屯线路为例，冯屯变电站一侧装有可控串补装置，在历年故障统计中，行波测距装置精度都能达到1km以内，但在少数几次故障中出现了10～15km的测距误差，这表明可控串补装置的工作状态会影响测距装置的工作。同时，故障测距装置测距结果与实际巡线结果相比较，都偏向伊敏一侧，这也表明由可控串补装置造成的时延主要出现在冯屯一侧，是导致测距误差的主要因素。

3.2 可控串补线路故障电流波形特征

EMTDC仿真线路电流波形如图4所示，由图4（a）（b）对比可知，可控串补线路与普通线路相比较，在故障电流初始阶段，故障电流受可控串补装置的影响，初始故障电流行波波头相对平滑。

伊冯可控串补线路的实际故障录波波形如图5所示，图5（b）为安装有可控串补装置的冯屯变电站录波波形，图5（a）为线路对端伊敏站录波数据，两侧分支接线、CT变比基本一致，波形特征与仿真结果基本一致，故障初始波头幅值降低，相对平滑。定量化的EMTDC仿真结果如表1所示。

注：1）TCSC（可控串补）线路与普通线路故障仿真模型相同，参照伊冯串补工程[11]；2）采用小波变换模极大值作为幅值衡量标准，分析小波为Bd导数型小波。

从EMTDC仿真结果看，可控串补线路与普通线路相比较，初始波头的小波变换模极大值幅值平均降低34%左右，且降低程度与过渡电阻相关性较小，而与可控串补装置相关。

4.适用于可控串补线路的输电线路行波测距方法

如前所述，由于可控串补装置在容抗调节状态下，多级串联的可调LC回路会造成故障电流行波到达可控串补一侧母线的时延，对于故障测距而言，可以采取以下2个途径进行修正：

1）直接修正法，计算可控串补装置导致的延迟程度，在计算中予以修正。

2）间接修正法，考虑故障电流行波达到另一侧母线的时刻不受可控串补装置的影响，利用线路对端数据进行单端测距予以修正。

由于可控串补装置控制主要基于电压量计算，因此，在实际工程实施中需要增加额外硬件接线，并且如前所述，可控串补装置是通过对幅值的影响从而影响到时延，量化计算较难，因此，本文研究中采用间接修正法进行修正。

如图6所示，输电线路短路故障后，向线路两侧（M、N端）传输，在正常情况下经过t1、t2到达线路两侧，由于可控串补装置导致的Δt，测距装置实际测量到N端母线时间为t2+Δt，从而导致了测距误差。对于可控串补线路而言（线路两侧均有多条分支接线），多数情况下，故障电流行波中能够识别出故障点反射波和母线反射波，其中故障点反射波只与本侧母线分支接线及故障点过渡电阻相关，而与线路对侧母线、设备无关，即不受可控串补装置的影响。

如图6所示，故障后产生的故障电流行波经t1时间到达M端母线，经时间反射回故障点，再经回到母线，故障电流行波在此过程中完全不受可控串补装置的影响，因此，可以采用M端数据进行单端测距避免可控串补装置的影响。单端测距公式[12]如下：

式中：l1为故障距离；L为线路全长；TM1、TM2分别故障初始波头和故障点反射波到达测量端母线时刻；为对端母线反射波到达时刻；v为行波传播速度。

单端行波法在实际应用中存在的主要问题是暂态行波中存在多种类型反射波头，确定故障点反射波或母线反射波难度较大。考虑到伊敏—冯屯线路上安装从的行波测距装置已经能够提供线路两端数据，并提供初步的测距结果，因此，在基于双端测距结果的基础上，结合历史数据，确定单端测距时窗可以解决以往单端行波法反射波头识别的困难，同时又避免了TCSC装置对测距的影响。具体算法流程如下：

1）利用可控串补线路双端数据进行初步故障定位，根据双端测距结果、装置参数及以往历史数据可得一故障范围，算法流程如图7所示。

2）利用该故障范围确定一时间窗口，在此时间窗口内基于故障点反射波头进行单端故障定位，如图8所示。实际运行经验表明，在反射波头识别正确的情况下，单端测距可以达到与双端测距基本相当的测距精度。

以下以伊冯线为例进行说明，2011年8月5日伊敏—冯屯乙线C相故障，巡线距离为261.49km，双端故障测距结果为275.49km，测距误差达14km，故障电流原始波形如图9（a）所示，小波变换波形如图9（b）所示，每采样点间隔1.6ms。

由图9可知，故障电流原始波形经小波变换后，根据反射波极性及幅值可识别出故障点反射波和母线反射波。其中，伊敏侧故障初始波头时刻t0=22061ms（采样点13788）；故障点反射波时刻t1=23826ms（采样点14891）；波速度初步确定为2.95×108m/s，l1=（t1-t0）×v/2=260337.5m；即故障点距离伊敏侧260.337km，采用单端测距法校验后，测距误差由14km减少为0.16km。

5.结语

1）安装有可控串补装置的输电线路发生故障后，由于可控串补装置影响了暂态电流行波的传输，对故障电流行波的初始波头进行了平滑，在故障电流本身幅值较小的情况下，会造成一定程度的时延，从而影响到测距精度。

2）可控串补装置的不同工作模式对行波测距精度造成的影响不尽相同。以伊敏—冯屯线路为例：当可控串补装置处于晶闸管闭锁模式，TCR支路模式下，就不会对行波测距造成影响；容抗调节模式下，可控串补装置才会对行波波头到达时间造成影响。

3）针对可控串补装置对基于暂态量的行波故障方法造成的影响，本文提出通过以下方法解决：在故障定位算法方面，研究中提出了单端法与双端法相结合的串补线路故障定位修正方法。通过双端法初步确定时间窗口，在此时间窗口内，利用单端行波法进行二次测距计算。实际数据验证表明，该方法测距精度在多数情况下可以达到现有普通线路测距精度的水平。

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