RTDS行波线路模型用于输电线路故障测距的研究

魏威¹黄涌¹曾祥君²

行波故障定位装置时间精度

1引言
　　RTDS是由加拿大曼尼托巴HVDC研究中心开发的专门用于实时研究电力系统的电磁暂态仿真器，广泛应用于北美、欧洲、巴西、日本、韩国等地区和国家。我国自20世纪90年代初由原南自院引进以来，已有十多个单位先后引进该设备，提高了我国电力系统在实时仿真方面的水平。与其它离线仿真软件相比，RTDS的主要优势在于实时性和带被测试设备闭环运行的能力。国内外的RTDS应用主要集中在继电保护、无功控制器等二次设备的闭环试验，以及对串联电容、高压直流系统的控制系统等仿真研究上。笔者在分析RTDS的行波线路模型的基础上，试图利用RTDS仿真各种输电线路故障，来测试输电线路的全球卫星定位系统（GPS）行波故障定位装置。
　　传统的输电线路故障定位方法主要是阻抗法，它利用以差分或微分形式表示的电压平衡方程来求解故障点。近年来，利用将行波原理、小波理论和GPS相结合来进行故障定位的研究开始受到重视^［1，2］。行波故障定位能从原理上克服阻抗法易受对侧系统运行阻抗、负荷电流、系统运行方式等因素影响的缺点，使得测距精度得以提高^［3］。然而，由于该装置的行波定位原理不同于阻抗法和高精度的GPS，以致普通的动模试验难以满足功能测试的目的；将装置直接装到实际电网上进行试验是不现实的，特别是高压或超高压网上，因为短期内难以接受多次不同故障的考验，而且还涉及电网安全、经济、管理等方面。因此，利用RTDS模拟电网及输电线路的各种故障，对故障定位装置进行试验，不失为一种较好的方法。
2输电线路GPS行波故障定位的原理
　　GPS的主要作用是导航和定位，可对任一测点提供非常准确的时间信号和经纬度。行波故障定位即是利用线路故障点电压、电流突然变化所产生的行波到达两端的时差来确定故障点的位置。输电线路GPS行波故障定位装置（以下简称定位装置）利用高精度GPS的精确计时，根据线路的各种故障，包括雷击闪络、断线、碰线、高阻接地、污闪等复杂故障产生的行波到达线路两端的时差Δt来进行故障测距。若线路长度L已知，行波速度v接近光速，一般为2．98×10⁵km／s，故障点离M、N两端的距离分别为：

另外一种算法是单端定位算法，假设由故障点产生的、运动到达检测母线的初始行波波头和经母线反射回故障点、再由故障点反射到检测母线的第二个行波波头的时间差为Δt，则故障距离X_L可由下式决定：
X_L＝vΔt/2(3)　
　由于第二个行波分量可能很微弱而导致检测失败，因此，本文的研究主要是针对双端定位的研究。
3RTDS及其行波线路模型^［4，5］
　　基于数字信号处理器（DSP）和并行计算的RTDS的硬件可以使其计算速度达到实时输出的要求。RTDS的基本组成部分为组（RACK）。多个RACK之间通过总线相联，RACK的数量表示可仿真的系统规模。目前在韩国已有26个RACK相连的系统在运行。每个RACK包括18个TPC卡（或12个3PC卡，其DSP总数与18个TPC卡相同，速度更快，功能更强），每个TPC卡含有2个DSP，1个或多个DSP可仿真电力系统的1个基本元件（如母线、线路、开关、电压互感器、电流互感器、发电机、励磁等），RTDS通过这些基本元件构成系统。被构成的系统通过运行于其上层工作站的电力系统计算机辅助设计（PSCAD）软件完成系统构成、运行监控、分析结果等工作。RTDS的核心软件为EMTDC，它可以进行直流研究的电磁暂态计算程序，运行于RTDS仿真器中。RTDS通过以太网与工作站相连。在工作站上，可以通过PSCAD对RTDS实现各种操作。
　　RTDS的主要应用方面有：①HVDC动态行为研究，②电磁暂态行为研究，③控制系统研究，④继电器研究。
在RTDS中，输电线路有2种模型：行波模型和PI模型。行波模型基于分布参数且与频率相关，在仿真计算中是最常用的。PI模型基于集中参数，应用于较短的线路。对于长线来说，行波模型更为精确。行波模型的输入有2种方式：输入几何参数（即线路的杆塔和线路的设计数据，如塔高、线径、导线分裂数等）；输入测量或计算参数(如每km的电阻、电抗等)。
　　行波的基本性质由传播常数γ决定，γ只与线路的参数和频率有关，而与线路的电压和电流无关。由于高压架空输电线的电导G接近于0且电阻R《ωL，故

传播常数的实部β表示行波振幅衰减的特性，称为行波的衰减常数。行波每前进1个单位长度，其振幅都要减小到原振幅的1/e^s。传播常数的虚部α表示行波相位变化的特性,称为行波的相位常数。α的数值代表沿着行波的传播方向相距1个单位长度的前方处行波在相位上滞后的弧度数。当R＝0和G＝0时，可以认为行波振幅衰减是由于线路上的功率引起的。而行波沿线路的相位变动主要是由于线路上存在电感和电容的缘故。
行波的相位相差为2π的两点的距离称为波长λ
　　
架空线路的行波传播速度接近于光速。当f＝50Hz时，λ≈6000km。电缆线路的相位常数较架空线路的大，传播速度一般为光速的1/4。
4测试模型及接线
　　将华中电网简化等值为一个500kV线路环网，研究模型如图1所示。图中粗线代表变电站的500kV母线，细线代表500kV线路。线路两端的网络根据实际网络作相应等值。线路参数以及线路上的PT、CT、高抗、断路器等元件，均输入实际结构参数（图中未标），线路的运行参数（即有功、无功、电压等），也参考实际运行方式输入。
图1中导线型号均为LGJQ－4×300。
　　取故障线路为葛凤线，故障种类包括短路、断线、雷击等。故障时A、B两点CT、PT二次侧的信号作为研究的主要对象，同时还可以研究葛双、双玉等线路的电流、电压波形，以考核输电线路GPS行波故障定位装置的可靠性和安全性等。
　　电流互感器、电压互感器二次侧的信号用高速采样分析仪采集，用于检验RTDS的D/A转换后的波形的时间精度和考核故障定位装置精度。
　
5测试内容
　　根据RTDS的功能和定位装置的测试要求，可以设计以下试验：
　　(1)雷击试验　在F点设1个电压源，时间短，幅值较高，相当于以1个高频脉冲来模拟雷击，电压源由时序器控制，根据行波到达点A、B的时差进行故障定位。时序器是RTDS的1个功能模块，可以控制事件发生的次序和时刻。
　　(2)断线试[1][2]下一页