摘要：文章基于RTDS/Matlab建立起特高压输电线路仿真模型，进行故障时电压、电流量幅频特性、故障测距算法等的分析，提出了特高压同杆并架双回线的线路保护测距方案。
关键词：特高压输电线路；负序故障分量；故障测距
前言：皖电东送淮南至上海特高压交流输电示范工程中采用双回线同杆并架工程方案。同杆并架双回线由于存在线间互感，导致线路保护中阶段式距离保护在阻抗测量方面存在问题，实际应用中可采用缩短保护范围的定值整定方法。但基于单回线
测量阻抗原理的常规输电线路故障测距同样受互感的影响，特高压输电线路在故障时非常严重的暂态过程会给故障测距带来较大误差。建模仿真分析了线间互感及特高压输电线路的暂态过程对常规故障测距的影响，提出采用基于负序故障分量的分布参数双端测距原理的总体实现方案，从工程应用的角度出发测距方案采用单回线的信息，方案考虑特高压输电线路故障特征及满足故障测距原理的需要，提出基于“海明窗”级联式数字滤波器的故障测距算法，通过 RTDS/Matlab 建立皖电东送特高压输电线路仿真模型。仿真结果表明，所提出的测距方案不受同杆互感的影响、不受过渡电阻的影响，有效克服了特高压输电线路故障时暂态过程对测距算法的影响。
1 特高压输电线路保护故障测距研究现状
国内外学者对双回线测距研究取得了丰硕的成果，利用两端信息测距的算法不断得到发展，这类测距算法主要包括两种形式，分别是利用本端电压和对端电流工频量，即利用两侧电压电流工频量。特高压输电线路保护故障，主要分为环流网故障、同向网故障。环流网属于故障分量网络，通过对环流网的分析就可以搜索出故障点的位置。六序分量法及环流法基于单端或者双端数据。双端故障测距算法能够获取较多的信息量，能够有效消除故障多度阻抗、线路参数、故障类型、运行方式等的影响，但以上故障测距方法基于两回线的电压、电流等信息，不具备单回线信息的线路保护价值。该文的主要研究方法，是单回线信息的分布参数双端测距方法，能够有效消除同杆线间互感及负序不平衡的影响，其是一种负序前提下的故障分量等效网，由两端电气量迭代产生负序电压模值变化曲线，通过对两曲线交点的利用进行故障距离的求出，这种方法不需要进行两端数据同步采样。本文方案主要用于特高压输电线路故障问题的解决，在故障过程中暂态过程会对故障测距带来较大的误差。
2 分布参数双端测距原理
基于线路分布参数模型，该文提出一种双端非同步故障测距算法。该算法根据电路叠加原理，将故障后的网络等效为正常状态网络和故障分量网络的叠加。其根据电压电流的测量值进行两端不同步数据的输电线路测距，进行故障的分析，利用故障点电压相等、过渡电阻的纯阻性等测距方案，进行故障的定位，从而进行输电线路模型的确定，进行沿线电压电流状况的计算。在沿线电压电流计算过程中，其主要分为分布参数和集中参数。当线路较长时，集中参数线路模型的误差比较大，需要使用分布参数计算沿线电压电流的方法。线路可用分布参数线路模型进行描述，单条线路模型的单位长度线路阻抗表现为z=r+jωl，单位长度线路导纳表现为y=g+jωc，其中，r为电感的线电阻，Ω；ω为外加信号的角频率；l为电感电压，V；c为电容，F。在分布参数线路上，导线与对地电压的电流需要通过公式函数取得，其亦是电磁波沿线路的传播途径。假设系统与线路正负序阻抗相等，ZM1和ZN1为两侧系统阻抗，当线路故障时，线路两端电压与故障点电压相等。M与N侧数据并不同步，但并不影响其幅值，两端故障处测得的电压值相等，跟双侧数据同步与否并无关联。在实际应用中，本文提出的测距方法受到微机保护环境等的影响，有些高精度的算法无法进行大规模推广及应用，需要进行实用化简化方法的使用，进行计算量的减少，降低工程对硬件资源的需求。
受到步长及给定门槛的影响，有的方法的测距精度不高，为了获得较高的精度，需要进行大量的计算。该文使用了搜索迭代法，为了提升该算法的精确度，需要全面了解线路总长度、线路波阻抗、传播系数、工频电压电流的相量等信息，该方法具备简单性及实用性的特点，不需要进行复杂长线方程的求解，可以进行初始值的任意选择，进行故障点真实位置的找到，避免出现伪根判别问题。
3 适用于特高压线路测距的滤波算法研究
由于特高压输电线路输电距离较长，同时线路分布电感和分布电容较大，使得电压、电流的传送呈现出明显的波特性，从而导致故障电压与电流信号中存在着较多的暂态噪声。暂态噪声的频率分量及各频率分量的参数对电力系统滤波算法的性能有很大影响，完整准确地认识特高压输电线路的暂态过程是研究快速、准确滤波算法的基础。
3.1 特高压输电线暂态过程的频谱分析 为获取皖电东送特高压输电线路故障时的暂态特性，本文以淮南-上海特高压交流输电工程线路为原型，采用 RTDS建立数学模型，模拟各种故障类型的单相及多相故障，对故障电压电流波形进行频谱分析，分析结果如图 1~图3。
图 1 皖南侧空冲时电流频谱图
图 2FD13 三相故障时皖南侧电流频谱图
图 3 FD13 两相短路故障，B 相电压频谱图
本文对皖电东送特高压输电线路各段分布进行了故障模拟及故障电流的频谱分析，得出主要结论如下：线路空冲时，会产生低频的 1.7 次谐波及高频的 5~6 次谐波，随着合闸角不同占有的分量不同，合闸后不同时段占有的分量不同。合闸角越大，谐波占有的分量越大，合闸后 30~50 ms 比合闸 0~20 ms 谐波占有的分量大。末端故障时，电压、电流中均含有 3~4 次谐波及 5~6 次谐波，多相故障谐波比单相故障严重，电压中占的谐波比电流中谐波严重。衰减直流分量：衰减时间常>110 ms。
3.2 滤波算法的研究
常用的傅里叶算法虽然有很强的滤除谐波分量的能力，但算法本身并不能滤除衰减的直流分量。为了克服衰减的非周期分量的影响，国内外学者对傅里叶算法提出了一些改进措施，常见的改进傅里叶算法有差分法和并联补偿法等。差分全周傅氏算法幅频响应如图4
图 4 差分全周傅氏算法的幅频特性图
分量和所有的整次谐波，但是对非整次谐波的抑制能力较弱。傅氏算法的窗函数均为矩形窗，实际应用的窗口函数还有巴特利特窗，汉宁窗，海明窗等，相对于矩形窗而言，其他的窗口函数存在以下特点：比矩形窗具有更大的主旁瓣幅度比值，使滤波器幅频特性波动减少，阻带的衰耗增大。本文提出采用海明窗的傅氏算法。海明窗函数为
数字滤波中，如采用较长的数据窗获取较好的滤波效果，考虑保护动作及开关动作时间，采用海明窗 3/2 周傅氏算法。海明 3/2 周傅氏算法可以滤掉 7/3，2.732，3，11/3，13/3，5，17/3，…次谐波，时间响应为 30 ms。
结束语
本文针对皖电东送特高压交流线路保护测距功能的问题，提出了一种适用于特高压同杆双回线故障测距实用化的方案和算法，该测距算法不受邻线互感的影响，基于故障分量的负序量可消除正常的不平衡负序，针对特高压输电线路故障时电压电流的特征及频谱，提出了基于海明窗的级联式滤波算法，采用分布参数法可有效减小特高压长线电容电流的影响。从实用化角度出发，方案仅需要单回线信息，为能在继电保护装置实现，对运算参数进行了优化和简化。
进行了 RTDS/Matlab 建模及仿真，并且仿真数据采用保护装置实际采样的数据，仿真结果表明：单回线的接地故障测距结果不受过渡电阻的影响，不受邻线互感的影响，对相间故障不受故障类型、故障位置、故障初始角的影响。
参考文献：
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[2] 索南加乐，刘文涛，陈勇.基于 R-L 模型误差的自适应距离保护[J].电力系统自动化，2006，30（22）：66-72.
作者简介：
王江波身份证号码：13013219880127XXXX
论文作者:王江波
论文发表刊物:《电力设备》2018年第4期
论文发表时间:2018/6/19
标签：故障论文; 线路论文; 算法论文; 电压论文; 电流论文; 谐波论文; 特高压论文; 《电力设备》2018年第4期论文;