基于多算法的输电线路故障测距系统
束洪春1，司大军2，陈学允2
(1．昆明理工大学，云南省 昆明市 650051；2．哈尔滨工业大学，黑龙江 哈尔滨市 150001)
摘 要：集录波和故障测距的录波器已经在现场得到了广泛的应用，但是其自带的故障测距功能算法算法单一，往往只有单端和双端测距算法各一种，很难保证在各种情况下测距结果精确可靠，并且算法多使用厂家自定义的数据格式，不便于算法之间的通用。为了解决以上问题，作者提出了基于多算法的输电线路故障测距系统，它使用大多数录波装置都支持的IEEE COMTRADE数据格式，具有良好的通用性；它使用当前最新的测距算法，定位精度高、定位可靠，而且所用测距算法以动态链接库(DLL)编程实现，便于算法的修改与更新。
关键词：IEEE COMTRADE；故障测距；输电线路；电力系统IEEE COMTRADE BASED FAULT LOCATION SYSTEM WITH MULTI-ALGORITHMS FOR TRANSMISSION LINE
SHU Hong-chun1，SI Da-jun2，CHEN Xue-yun2
(1．Kunming University of Science and Technology，Kunming 650051，Yunnan Province，China；2．Harbin 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 double 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 difficult 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 are 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 location；Transmission line；Power system
1 引言
输电线路故障后需要快速地找到故障点并进行修复，以减少停电造成的经济损失和提高系统运行的稳定性，因此输电线路的故障定位是一个值得研究的问题。目前的故障测距方法根据所用信息性质可以分为两大类，即行波法[1,2]和阻抗法[3-8]。行波法测距原理简单，理论上测距精度较高，但对行波的采集需要专门的设备，使投资增加。阻抗法所需要的数据多 于录波装置，不需要增加硬件，所以得到了广泛的应用。
笔者在昆明供电局中调研发现，他们使用了多个厂家生产的录波器，并且大多数录波器仅提供了一个单端和一个双端测距算法。这些算法在进行故障定位时都使用厂家自己定义的数据格式，并且其测距算法也不理想，这给实现输电线路精确故障测距带来了困难。早在1991年IEEE就制定了一个COMTRADE(Common Format for Transient Data Exchange)标准，用于存储电力系统故障录波与暂态仿真的结果，以便对这些数据进行分析。1999年IEEE又对COMTRADE标准进行了修订，使之在应用中更为方便。因此，现在COMTRADE有两个版本，1991年制定的称为IEEE Std C37.11-1991，1999年制定的称为IEEE Std C37.11-1999。经过十多年的推广，COMTRADE已经在电力系统中开始应用，大多数的录波器都可以把录波数据保存为COMTRADE格式。因此笔者开发了基于多算法的输电线路故障测距系统，它使用IEEE大多数录波装置都支持的IEEE COMTRADE数据格式且具有良好的通用性，它使用当前最新的测距算法，定位可靠且精度高。
基于多算法的输电线路故障测距系统 :
2 COMTRADE数据格式
为了便于说明，本文将按IEEE Std C37.11-1999介绍COMTRADE数据格式。COMTRADE由四个文件组成，分别为：头文件、配置文件、数据文件和信息文件，这四个文件包含有不同的信息，其中配置文件和数据文件是必须的，另外两个是可选的。它们的命名规则是四个文件的文件名必须相同但扩展名不同，扩展名分别为.HRD、.CFG、.DAT和.INF。
(1)头文件
头文件是一个文本文件，是可选的，可以用任何的字处理软件形成。它包含与所记录数据相关的任何信息，便于用户打印和浏览。它对读取数据作用不大，无故障测距无关，本文从略，详细说明请参见IEEE COMTRADE标准[9]。
(2)配置文件
配置文件为文本文件，由计算机软件读取，因此它必须以指定的格式存储。配置文件由若干行组成，每行以回车/换行结束，用逗号分隔一行中的各个字段，字段可以为空，但逗号不能省略。它包含有助于计算机识别数据文件(.DAT)必要的信息：
1)变电站名称，录波设置标识，COMTRADE标准修订年(版本)；
2)通道数目和类型；
论文基于多算法的输电线路故障测距系统
3)模拟量采样通道信息。它主要包括通道编号、通道名称、相别、被监视元件名称、单位、通道增益、通道偏移量、采样的最大与最小值等；
4)开关量采样通道信息。它包括通道编号、通道名称、相别、被监视元件名称、正常情况下通道的状态等；
5)线路额定频率；
6)采样频率信息。保存数据文件中采样数据使用采样频率的个数和在各个采样率下的采样数目；
7)第一个采样点的时间以及故障触发时间；
8)数据文件类型。用来表示数据文件是文本格式还是二进制格式；
9)时间标记因子(Time stamp multiplication factor)。它用于长时间记录的数据文件。IEEE Std C37.11-1991中无此字段。
(3)数据文件
数据文件用于保存由数字记录设备或仿真得到的结果，其中的数据必须与配置文件中定义的格式相一致，只有这样，计算机程序才能读出正确的结果。数据文件有两种格式：文本格式和二进制格式，它由配置文件中的“数据文件类型”字段确定。下面分别对两种格式进行介绍。
1)文本数据文件
文本数据文件有若干行和列。其行数取决于采样数，其列数为TT+2(TT为通道总数)，另外两列用作采样序号和时间标记，各列排列如下：
①第一列为采样序号；
②第二列为采样时间标记；
③接下来的列为模拟通道采样信息；
④再接下来的列为开关通道采样信息；
⑤每一行为一组采样值，每组采样值以回车/换行符隔开。
2)二进制数据文件
二进制数据文件和文本数据文件之间除了通道数据格式的不同外，其它结构基本相同。其每组采样值的格式为：采样序号，采样时间标记，每个模拟通道数据，集中存放的开关通道数据。数据之间没有分隔符，每组采样值之间没有回车/换行符隔开。
(4)信息文件
信息文件是一个文本文件，是可选的。它可以保存比配置文件更多的信息，但对读取数据作用不大，与故障测距基本无关，本文从略，详细说明请参见IEEE COMTRADE标准。(注：IEEE Std C37.11-1991标准中没有信息文件。)
3 COMTRADE标准用于故障测距
笔者在做昆明供电局精确故障测距项目中发现：目前从前面介绍的COMTRADE标准格式文件中可以方便地获得测距线路的电流，但是由于标准中没有模拟通道之间的关联信息，很难知道此线路与哪条母线相联(一般变电站中有多条母线)，所以无法获得线路端电压。而现有的阻抗型故障测距算法都要使用到线路的电压电流，因而直接使用COMTRADE标准格式数据进行故障测距有一定的困难。比较可行的方法是列出所有通道，让用户选择测距所需的通道，然后把所选通道的数据另行保存以满足使用多算法测距的要求。图1是笔者为昆明供电局开发的基于COMTRADE标准的波形分析程序，它可以查看波形并保存为如图2所示的为故障测距所需的文件类型。
4 多算法的故障测距应用程序
现在的故障录波与故障测距已经有机地结合在一起，为电力系统的安全、经济运行提供了有力的保证。但是，目前的故障装置所自带的故障测距算法往往只有单端双端算法各一个且较为陈旧，很难实现精确可靠的故障定位。笔者对于故障测距的认识是：不可能有对于任何情况都可进行精确故障定位的算法，每种算法都有自己的优点和缺点。如：工频量测距[3-6]方法有定位可靠性高的优点，但由于获得工频量需要较长的数据窗，有可能遇到电流互感器饱和的情况使测距失败；时域算法[7,8]可以使用很短数据窗的数据实现故障测距，可以有效地识别并避开电流互感器的饱和；单端测距方法[4,5]不需要线路两端数据的交换，因而可以广泛地应用，但当线路末端故障或过渡电阻较大时，故障定位精度难以保证，而双端测距方法[3,6]在原理上可以真正实现精确故障测距。基于以上原因，笔者为昆明供电局开发了多算法的故障测距系统。系统中吸取了近年来输电线路故障测距方面的多种最新算法，即对于一次故障的数据可以使用不同的故障测距方法计算故障位置，根据计算结果以及算法本身的特性，可以给出一个或几个参考故障点，以克服一种测距方法只给出一个测距结果，当在给定位置附近找不到故障点时不得不全线查找的缺点。下面对使用的算法作简单的介绍。
基于多算法的输电线路故障测距系统 :
(1)电弧故障单端测距方法
对于图3所示的系统，设在距M端xf处发生电弧故障，故障点f两侧线路分别使用π型等效模型，则
式中 下标s=0,1,2表示模分量；R、L、C分别表示线路的每公里电阻、电感、电容。
对于A・相接地故障有
当故障点的电压电流处于电弧转移特性的饱和段时，与之对应的电弧等值电压源uarc(t)和内阻Rarc可保持不变[7]。通过以差分代替导数的方法，过渡电阻Rarc及电弧等值电压源uarc(n)可用电压电流采样值表示为
式中 为故障点的电流， 。由于在高压和超高压输电系统中，线路及系统的电抗远远大于电阻，电抗起着决定性作用，在较短时间内本文将K看作常数。故可作以下定义
为减小偶然误差对测距精度的影响，借鉴最小 二乘法的思路,求取多个 ，并以各个 的均方差Er的平方最小为目标建立故障测距算法求解xf。
亦可方便地推出两相接地、三相接地和三相短路等故障类型的求解表达式，这里不再赘述。
(2)双端时域测距方法
设故障点到M端的距离为xf，则由M端的电压电流求得故障点正序电压uM,f(t,xf) 为
式(10)中tδ为M、N两端不同步采样的时间差，可使用故障前的稳态数据求得。根据由两端数据求得的故障点电压应该相等的原理并对式(9)与式(10)离散化构造定位函数得
由此构造定位方程为
式中 l为输电线路的长度。在[0,l]区间上，以一定步长(如1km)变化xf，逐步搜索使Er(xf)最小，此时的xf就是故障位置。
以上两种测距方法可以推广到双回线路。另外在故障测距系统中还有工频量的测距方法，由于篇幅所限不能一一列出。
笔者对多算法的测距系统用软件加以实现，形成了基于多算法的输电线路故障测距程序。它可以对单回和双回线路分别使用多种单端和双端测距方法进行故障定位，为用户提供更多的信息，并给出详细的测距结果。软件的测距界面使用Borland C++ Builder 开发，简洁明了，使用方便；测距算法使用标准C++语言在Visual C++ 环境下开发，以动态链接库(Dynamic Link Library， DLL)的方式与前台测距程序相链接，做到了前台界面与算法的分离。所以本软件可以通过添加或更新DLL以及相关数据库的方法很容易地实现算法更新，从而及时地把最新的故障测距研究成果应用到生产实践当中去。图4为本软件主界面，它完成选择线路类型、被测距线路、测距算法以及加载录波文件等操作。图5为测距算法选择，对于每种情况，都有多种算法供用户选择。图6为测距结果记录，用于记录多次的测距结果。
基于多算法的输电线路故障测距系统 :
5 结论
(1)由于IEEE COMTRADE标准中没有电流通道与电压通道的关联，所以直接使用其进行测距比较困难。因此建立了将IEEE COMTRADE文件转换为中间文件的故障测距方法；
(2)为了解决现有录波器测距算法单一的问题，提出了多算法的故障测距系统方案。
(3)本文建立的基于多算法的输电线路故障测距系统，使用了目前先进的测距算法，可以使用任何录波器保存的COMTRADE标准数据，并有良好的扩充升级能力，在昆明供电局应用效果令人满意。
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基于多算法的输电线路故障测距系统 :