暫態行波保護測試儀

董新洲，馮 騰，王 飛，施慎行，王 賓，羅澍忻

（清華大學 電機系 電力系統及發電設備控制和仿真國家重點實驗室，北京 100084）

0 引言

當電力系統中的線路發生故障后，由故障點的電壓突變引起的暫態故障行波與故障特征及系統結構等因素有關，其中包含了故障的類型、發生時刻、發生位置等豐富的故障信息。近年來，隨著電力系統的迅速發展，基于高頻暫態行波信息的故障檢測技術已成為當今電力系統繼電保護領域重要的新興研究方向之一［1-6］。與此同時，越來越多以行波原理為理論依據的繼電保護裝置相繼誕生，因此迫切需要一種試驗裝置對其進行測試。對于基于暫態行波故障信息的繼電保護裝置，目前常用的測試手段有3種：電力系統動態模擬、實時數字仿真器RTDS（Real Time Digital Simulator）和傳統的微機型繼電保護測試儀。

電力系統動態模擬可依據相似原理建立電力系統中各個元件的物理模型，把實際的電力系統中各個部分（包括發電機、變壓器、電力傳輸線路、負荷等）按照相似條件進行設計，最終組成一個完整的電力系統模型，并使用該模型代替實際電力系統進行各種正?；蚬收蠣顟B的試驗研究，它能夠復制電力系統中的各種運行狀態［7-8］。但由于動態模擬中采用集總參數元件進行電力傳輸線路模擬，不能真實再現實際電力系統中傳輸線路上傳播的暫態行波，因此，它不能測試基于暫態行波故障信息的繼電保護裝置。

RTDS可以對復雜的電力系統進行較為全面的實時仿真。RTDS采用數字仿真和模擬信號功率放大相結合的方法來模擬電力系統故障過程，具備了測試基于暫態行波故障信息的繼電保護裝置的基本條件［9］。但是，RTDS中的功率放大系統不能產生頻率高達數百千赫茲、幅值高達幾十安的寬頻帶大電流暫態行波信號。此外，RTDS造價高，整套裝置體積大、不便攜，且升級難度大，不便于廣泛使用。因此其也不能滿足基于暫態行波故障信息的繼電保護裝置的測試要求。

傳統的微機型繼電保護測試儀［10-13］一般僅能模擬由工頻量以及各次諧波量所組成的電力系統故障信息，因此它僅能測試基于工頻故障信息的繼電保護裝置的動作特性，并不能測試基于暫態行波故障信息的繼電保護裝置。

因此，需要研究一種能夠真實再現電力系統故障后互感器二次側全頻帶信號的測試裝置，填補國內外在該領域的空白，為行波類保護技術的研究、開發、試驗、檢測乃至工程應用奠定基礎。暫態行波保護測試儀的構想源自20世紀90年代。為了測試新研發成功的基于行波原理的測距裝置，文獻［14］研制了暫態信號發生器。該信號發生器能產生多路高頻信號，用于模擬輸電線路故障時的暫態電壓和電流行波，但該發生器無高電壓、大電流驅動能力。隨后的研究重新定位并設計了暫態行波保護測試儀的功能和軟硬件結構。文獻［15］可給行波保護裝置提供高頻、同步的多路電壓和電流試驗信號。文獻［16］可以產生寬帶高頻、大功率的暫態行波電壓、電流，用作繼電保護裝置的試驗信號源，并能夠測試被測裝置的動作性能，但輸出電流幅值有限。文獻［17］提出了暫態行波保護測試儀的初步實現方案，但未完成高頻大電流的功率放大。文獻［18-19］對暫態行波保護測試儀的軟硬件系統進行了優化。本文對暫態行波保護測試儀的技術要求進行了理論分析，實現了其完整構想，設計了測試方案并給出了實際應用。

1 暫態行波保護測試儀的技術要求

為了接近電力系統的實際情況，下文采用圖1所示的750 kV輸電線路仿真模型對暫態行波保護測試儀所需滿足的技術要求進行分析。模型中，故障發生在線路L1上，相鄰線路L2—L5用于模擬行波的折反射，采用存在一定相角差的雙電源等效系統中的其余部分。線路L1長400 km，線路 L2和 L3長320 km，線路L4和L5長380 km，雙等效電源相角差為30°?？紤]母線M處的相關電氣量。輸電線路的參數如表1所示。

圖1 750 kV輸電線路系統Fig.1 750 kV transmission system

表1 750 kV輸電線路參數Table 1 Parameters of 750 kV transmission line

1.1 頻率要求

由于實際的測試裝置只能輸出有限頻帶的信號，因此需要研究暫態行波保護測試儀應達到多高的輸出頻率才能保證行波信號的不失真。

當電力系統中的線路發生故障時，根據疊加原理，故障后的網絡可等效為故障前正常運行的負荷網絡和故障分量網絡的疊加，如圖2所示。對于故障分量網絡，可將其視為將整個系統中的電勢取0，而在故障點處加一電壓，該電壓與線路正常運行時該處的電壓大小相等、方向相反。由于此電壓的影響，將會出現由故障點向線路兩端傳播的行波。

圖2 故障后的網絡分解Fig.2 Decomposition of faulty network

由于故障行波實際是由故障分量網絡中的附加電源產生的故障初始行波及其后續折反射波疊加而成，在故障附加電源初相角不為0°時，故障初始行波及其后續的折反射波都會出現突變的波頭，使故障行波為一全頻帶的信號。

考慮圖1模型中線路L1距M側100 km處發生故障電壓初相角為90°的A相金屬性短路故障，選取該次故障后故障相的電流波形進行頻譜分析。圖3為其100 Hz以上頻率的頻譜分析結果。

圖3 電流故障行波的頻譜分析Fig.3 Spectral analysis for traveling wave of fault current

從圖3中可以看出，故障行波在理論上雖然是一個全頻帶的信號，但其能量主要集中在100kHz以下。

由于暫態行波保護測試儀再現的是互感器二次側信號，因此在分析其輸出頻率要求時，應考慮電力互感器的傳變特性。通過對電力互感器寬頻帶響應模型的分析可知，電流互感器在100 kHz以上的頻率段幅值衰減較大，在10dB以上；電容式電壓互感器在1 kHz以上頻帶的頻率響應出現多處的帶通和帶阻特性，幅頻響應總體上呈現衰減特征［20］。因此，暫態行波保護測試儀的最高輸出頻率達到100 kHz以上，可以滿足絕大多數情況下的要求。

綜上所述，為了使暫態行波保護測試儀能夠真實再現暫態行波故障信息的特征，應使其輸出的最高頻率達到100 kHz以上。同時，電力系統中的三相電壓、三相電流、零序電壓以及零序電流是同步模擬信號，這就要求暫態行波保護測試儀實現多路電壓、電流信號的同步輸出。

1.2 幅值要求

當電力系統處于正常運行狀態時，電壓互感器的額定二次側相電壓為57.7 V。當故障發生后，電壓一般會跌落或基本不變，并不會明顯增大。但對于中性點非有效接地系統，當其發生單相接地故障時，故障相電壓跌落，非故障相電壓有效值上升為100 V。因此，為了能夠與電力系統現場信號相符，暫態行波保護測試儀輸出的穩態電壓有效值應能達到100 V。

當故障發生后，故障暫態過程中會產生較高的電壓，表2給出了不同故障情況下的最高暫態電壓值與故障前穩態電壓幅值的比pu，其中θ為故障時刻故障點的電壓相角，即故障電壓初相角。

表2 不同故障情況下的暫態最高電壓Table 2 Highest transient voltages of different faults

從表2中可以看出，故障后的最高暫態電壓可達故障前電壓幅值的1.8倍以上。但當線路較短時，多次折反射波會產生疊加，使暫態電壓升高至故障前電壓幅值的2倍以上。但考慮絕大部分情況，為保證電壓故障行波的完整性，暫態行波保護測試儀能保證輸出幅值高達故障前電壓幅值2倍的暫態電壓信號即可，因此瞬時電壓幅值應能達到170 V。

當電力系統處于正常運行狀態時，電流互感器的額定二次電流為1 A或5 A；當電力系統發生故障時，故障相電流將急劇增大，一般認為故障相電流可達正常運行時的10倍以上，即10 A或50 A。因此，暫態行波保護測試儀輸出的穩態電流有效值應能達到50 A。

考慮較為嚴重的故障情況，如在出口處發生故障電壓初相角為90°的三相金屬性短路故障，此時的三相電流波形如圖4所示。此時，故障后的暫態電流最高可達故障前電流幅值的20.629倍。為保證電流故障行波的完整性，暫態行波保護測試儀應能輸出幅值高達故障前電流幅值20倍的暫態電流信號，因此瞬時電流幅值應能達到150 A。

圖4 嚴重故障時的三相電流波形Fig.4 Three-phase current waveforms during serious fault

綜上所述，為了使暫態行波保護測試儀能夠真實再現暫態行波故障信息的特征，其輸出的穩態電壓有效值應能達到100 V，瞬時電壓幅值應能達到170 V；穩態電流有效值應能達到50 A，瞬時電流幅值應能達到150 A。

2 暫態行波保護測試儀的實現方案

暫態行波保護測試儀［14-19］的工作原理是多路高精度高速數模轉換和寬頻率功率放大，其具體的工作流程包括以下幾個方面。

（1）故障數據準備：故障數據既可以是電力系統的現場錄波數據，也可以是電力系統仿真軟件計算生成的仿真數據。

（2）數模轉換：把準備好的故障數據不失真地轉換成模擬電壓小信號。

（3）功率放大：將模擬電壓小信號經電壓功率放大器和電流功率放大器分別放大成電力系統互感器二次側的高電壓和大電流信號。

（4）開關輸入量檢測：暫態行波保護測試儀以開關量的形式將被測裝置的動作行為讀入，并能判斷繼電保護裝置的動作性能，自動形成測試報告。

暫態行波保護測試儀由暫態信號發生器、行波大電流功率放大器和行波高電壓功率放大器三部分組成，其硬件系統整體結構如圖5所示。

圖5 暫態行波保護測試儀硬件系統Fig.5 Hardware system of test platform for protection equipments based on transient traveling wave

暫態信號發生器部分可分為嵌入式計算機（上位機）、數模轉換模塊和開關量檢測回路3個部分。嵌入式計算機可以運行暫態行波保護測試儀專用的上位機軟件，將利用電磁暫態程序（EMTP）計算出的電力系統暫態故障仿真數據或者故障錄波裝置記錄的故障錄波數據經格式轉換后傳送到數模轉換模塊，并接收開關量檢測回路反饋的被測裝置動作情況，進行分析后形成測試報告。數模轉換模塊由數字信號處理器（DSP）及其外圍電路、高精度高速數模轉換電路和前置功率放大部分組成。DSP接收到上位機傳送的數據信息和開始試驗的命令后，將電力系統故障數據輸出至數模轉換電路，并通過前置功率放大后生成故障模擬電壓小信號。開關量檢測回路可記錄被測裝置的動作信息，并向上位機反饋。上位機與DSP通過串口進行數據通信。

功率放大系統采用超大規模集成電路技術將暫態信號發生器輸出的電壓小信號放大為高電壓、大電流信號，真實再現電力系統二次側的信號。功率放大系統分為行波高電壓功率放大器和行波大電流功率放大器2種。功率放大系統由前置放大電路、功率放大電路和過電壓過電流保護電路組成。功率放大系統采用多路冗余并行輸出技術來保證可靠性，同時采用負反饋電路來保證精度要求。

圖6為輸入暫態行波保護測試儀的故障仿真數據波形和暫態行波保護測試儀輸出信號的錄波器錄波數據波形，二者波形十分相近。由于錄波裝置的采樣頻率限制及其信號采集電路的傳變特性不理想，二者略有不同。錄波波形可清晰地反映初始行波和后續的各次折反射波，與仿真數據一致，驗證了本文實現方案的正確性和有效性。

3 測試影響因素分析

下面對圖2中的故障分量網絡進行分析。對于均勻換位的無損線路，在不考慮頻變參數的情況下，使用Karenbauer變換矩陣對三相線路進行相模變換，以實現三相之間的解耦。變換矩陣S及其逆矩陣S-1如下：

對于系統側，模域的電壓、電流初始行波有如下關系：

其中，u0為故障點的零模電壓初始行波；uα和uβ為故障點的線模電壓初始行波；i0為故障點流向一端母線的零模電流初始行波；iα和iβ為故障點流向一端母線的線模電流初始行波；Z0和Z1分別為零模和線模波阻抗。

對于故障側，圖7可表示所有的線路故障類型：對于單相接地故障，以A相接地為例，可將Rb和Rc設為無窮大，Ra與 Rg的和設為故障電阻；其他各個類型的故障可通過改變4個電阻的取值實現。

圖7 故障電阻網絡Fig.7 Resistor network of fault

故障點處應滿足如下邊界條件：

其中，uaf、ubf、ucf為正常運行時故障點的三相電壓，若故障發生于時刻 t0，則 uxf=Axsin（ωt+θx）ε（t-t0）（x=a，b，c；Ax為正常運行時故障點的 x相電壓幅值，ωt0+θx為 x 相故障電壓初相角，ε（t）為單位階躍函數）；ua、ub、uc為故障點的三相電壓初始行波；ia、ib、ic為故障點流向一端母線的三相電流初始行波；R為故障電阻網絡矩陣。

相域的電壓、電流可通過前文所述的相模變換矩陣轉換為模域的電壓、電流：

可解出模域的電壓、電流初始行波為：

當線路電壓等級和線路參數確定時，Z與Ax均為定值，故障初始行波受故障電阻網絡矩陣R和電壓初相角的影響，而故障類型和故障過渡電阻直接影響R。由于故障行波會在母線、故障點等波阻抗不連續處發生折反射，后續的折反射波會受到故障位置、線路長度以及母線結構的影響。

綜上所述，在設計測試方案時應全面考慮線路自身特性、故障類型、故障位置、故障過渡電阻、故障電壓初相角以及母線結構。

4 暫態行波保護測試儀的實際應用

目前，暫態行波保護測試儀已成功應用于清華大學、中國電科院、許昌開普實驗室和南網廣東中調等多家單位的行波測試中。測試對象涵蓋各類基于行波原理的故障檢測裝置，包括輸電線路行波故障測距裝置［21-22］、配電線路單相接地行波保護裝置［23］、配電線路單相接地行波選線裝置［24-25］等。

下面以高壓輸電線路行波方向比較式縱聯保護裝置［2］的測試為例，介紹暫態行波保護測試儀的實際應用情況。

行波方向比較式縱聯保護技術基于極化電流行波方向繼電器［1］構成，該方向繼電器采用電壓行波低頻分量的極性和電流行波高頻分量的極性構成極性比較式方向保護。對于正向和反向故障，保護安裝處所測量到的電壓、電流初始行波極性特征不同。正向故障時，電壓初始行波與電流初始行波的極性相反；反向故障時，二者的極性相同。線路兩端通過通信通道構成縱聯方向保護，當線路兩端都判斷為正向故障時，判定為線路區內故障，兩端保護裝置發出跳閘信號。

使用暫態行波保護測試儀進行裝置的功能測試。測試示意圖如圖8所示，具體測試步驟如下：

a.在電磁暫態仿真軟件EMTP中建立仿真測試模型并進行不同故障及非故障情況的仿真；

b.將EMTP生成的仿真測試數據轉換成暫態行波保護測試儀可使用的測試文件格式；

c.播放故障數據，暫態信號發生器輸出的模擬電壓小信號通過電流功率放大器放大后模擬電流互感器二次側的電流輸出，通過電壓功率放大器放大后模擬電容式電壓互感器二次側的電壓輸出。

圖8 行波保護裝置測試示意圖Fig.8 Test of protection equipments based on traveling wave

測試系統模型如圖9所示，模型在圖1的基礎上考慮了避雷器、電流互感器、電容式電壓互感器和二次控制電纜等可能對行波產生影響的電力系統設備。

圖9 行波保護裝置測試仿真模型Fig.9 Simulation test model of protection equipments based on traveling wave

由于被測裝置的核心算法是根據故障后電壓和電流初始行波的極性比較構成判據，因此在初始行波波頭不明顯的情況下，裝置的靈敏性將降低，并可能出現拒動的情況。前文分析表明，影響故障后行波波頭幅值的因素主要包括故障類型、故障位置、故障過渡電阻、故障電壓初相角等。測試針對上述4個因素對保護裝置進行了大量的測試，測試中的一些典型情況如表3所示。

從表3中可以看出，暫態行波保護測試儀可針對各種不同類型的故障情況對被測裝置進行測試，并能發現被測裝置存在的不足，如當故障初相角過小時，行波波頭幅值較小，不易被被測裝置檢測到，引起裝置拒動。

此外，裝置在實際運行中，可能受到現場復雜電磁環境的干擾，如：雷擊、分合閘操作等。因此，測試中還應考慮上述干擾對被測裝置的影響。

表4為干擾測試結果。從表4中可以看出，暫態行波保護測試儀可針對雷電和操作等干擾對被測裝置進行測試。對于雷電干擾，暫態行波保護測試儀能夠分別模擬雷擊未引發故障和雷擊引發故障。對于操作干擾，暫態行波保護測試儀能夠分別模擬合閘操作和分閘操作。

表3 故障測試結果Table 3 Test results of different faults

表4 干擾測試結果Table 4 Test results of different disturbances

5 結論

本文在介紹了故障行波理論的基礎上，對暫態行波保護測試儀的頻率、幅值等方面的技術要求進行了討論與研究。為了使暫態行波保護測試儀能夠真實再現暫態行波故障信息的特征，其輸出的最高頻率應達到100 kHz以上，并實現多路電壓、電流信號的同步輸出。暫態行波保護測試儀輸出的穩態電壓有效值應能達到100 V，瞬時電壓幅值應能達到170 V；穩態電流有效值應能達到50A，瞬時電流幅值應能達到150A。

暫態行波保護測試儀的工作原理是多路高精度高速數模轉換和寬頻率功率放大，其具體的工作流程包括故障數據準備、數模轉換、功率放大和開關輸入量檢測。

影響行波原理繼電保護裝置測試的相關因素包括線路自身特性、故障類型、故障位置、故障過渡電阻、故障電壓初相角以及母線結構等，在設計測試方案時應全面考慮上述影響因素。

本文以高壓輸電線路行波方向比較式縱聯保護裝置的測試為例，驗證了暫態行波保護測試儀工作的正確性和有效性。暫態行波保護測試儀可應用于各類基于行波原理的故障檢測裝置，為此類裝置的研制、開發、試驗、檢測以及工程應用提供了有利的技術支持，填補了國內外在該領域的空白。

［1］DONG Xinzhou，GE Yaozhong，HE Jiali.Surge impedance relay［J］.IEEE Transactions on Power Delivery，2005，20（2）：1247-1256.

［2］DONG Xinzhou，LUO Shuxin，SHI Shenxing，et al.Implementation and application of practical travelling wave based directional protection in UHV transmission lines［J］.IEEE Transactions on Power Delivery，2015，31（1）：294-302.

［3］DONG Xinzhou，KONG Wei，CUI Tao.Fault classification and faulted-phase selection based on the initial current traveling wave［J］.IEEE Transactions on Power Delivery，2009，24（2）：552-559.

［4］DONG Xinzhou，WANG Jun，SHI Shenxing，et al.Traveling wave based single-phase-to-ground protection method for power distribution system［J］.CSEE Journal of Power and Energy Systems，2015，1（2）：75-82.

［5］XU Fei，DONG Xinzhou，WANG Bin，et al.Self-adapted singleended travelling wave fault location algorithm considering transfer characteristics of the secondary circuit［J］.IET Generation，Transmission&Distribution，2015，9（14）：1913-1921.

［6］DONG Xinzhou，SHI Shenxing.Identifying single-phase-to-ground fault feeder in neutral noneffectively grounded distribution system using wavelet transform［J］.IEEE Transactions on Power Delivery，2008，23（4）：1829-1837.

［7］金啟玫，楊衛國.電力系統物理模擬綜述［J］.電工技術雜志，1999（1）：9-11.JIN Qimei，YANG Weiguo.Overview of the physical simulation of power system［J］.Electrotechnical Journal，1999（1）：9-11.

［8］張蘭.電力系統動態模擬及其應用綜述［J］.湖南工程學院學報（自然科學版），2004，14（1）：20-23.ZHANG Lan.Overview of dynamic simulation of power system and its application［J］.Journal of Hunan Institute of Engineering（Natural Science Edition），2004，14（1）：20-23.

［9］MCLAREN P，KUFFEL R，WIERCKX R，et al.A real time digital simulator for testing relays［J］.IEEE Transactions on Power Delivery，1992，7（1）：207-213.

［10］KEZUNOVIC M，REN J.New test methodology for evaluating protective relay security and dependability［C］∥Power and Energy Society General Meeting-Conversion and Delivery of Electrical Energy in the 21st Century.Pittsburgh，Pennsylvania，USA：IEEE，2008：1-6.

［11］THOMAS M，PRAKASH A，NIZAMUDDIN.Modeling and testing of protection relay IED ［C］∥Power System Technology and IEEE Power India Conference.New Delhi，India：IEEE，2008：1-5.

［12］CHAFAI M，BENTARZI H，OUADI A，et al.PC based testing system for protective relay［C］∥International Conference on Power Engineering，Energy and Electrical Drives（POWERENG）.Istanbul，Turkey：IEEE，2013：939-943.

［13］HAZARIKA P，SHUBHANGA K.Development of a relay test bench and an arbitrary waveform generatorin RTAI-Linux platform［C］∥International Conference on Emerging Trends in Computing，Communication and Nanotechnology（ICE-CCN）.Tirunelveli，India：IEEE，2013：595-600.

［14］董新洲，葛耀中，徐丙垠，等.暫態信號發生器［J］.繼電器，1997，25（5）：41-43.DONG Xinzhou，GE Yaozhong，XU Bingyin，et al.Transient signal generator［J］.Relay，1997，25（5）：41-43.

［15］董新洲，余學文，劉建政.高速同步數/模轉換模板及其數據處理、控制方法：CN1271213［P］.2000-10-25.

［16］董新洲，張言蒼，余學文.暫態行波保護測試儀及其試驗方法：CN1341864［P］.2002-03-27.

［17］DONG Xinzhou，LIU J Z，YU Xuewen，et al.New relay testing platform［C］∥Seventh International Conference on Developments in Power System Protection.Amsterdam，Netherlands：IEEE，2001，54-57.

［18］劉巖.暫態行波保護測試儀的軟硬件實現與改進［D］.天津：天津大學，2004.LIU Yan.The realization and improvement of traveling waves testing platform’s hardware and software［D］.Tianjin：Tianjin University，2004.

［19］王飛.暫態行波保護測試儀的研制與試驗［D］.北京：清華大學，2012.WANG Fei.Implementation and experiments of transient travelling-wave based relay testing platform ［D］.Beijing：Tsinghua University，2012.

［20］王世勇.基于極化電流行波的方向比較式縱聯保護研究［D］.北京：清華大學，2011.WANG Shiyong.Studies on directional comparison pilot protection based on polarized current travelling wave［D］.Beijing：Tsinghua University，2011.

［21］許飛，董新洲，王賓，等.新型輸電線路單端電氣量組合故障測距方法及其試驗研究［J］.電力自動化設備，2014，34（4）：37-42.XU Fei，DONG Xinzhou，WANG Bin，et al.Combined single-end fault location method of transmission line and its experiments［J］.Electric Power Automation Equipment，2014，34（4）：37-42.

［22］劉慧海，張曉莉，姜博，等.行波故障測距裝置的檢測與評價［J］.電力系統保護與控制，2015，43（1）：145-149.LIU Huihai，ZHANG Xiaoli，JIANG Bo，etal.Testing and evaluation method of fault location equipment based on traveling wave［J］.Power System Protection and Control，2015，43（1）：145-149.

［23］王珺，董新洲，施慎行.配電線路單相接地行波保護的實現與試驗［J］.中國電機工程學報，2013，33（13）：172-178.WANG Jun，DONG Xinzhou，SHI Shenxing.Scheme and test of traveling-waves based single-phase-to-ground protection for distribution lines［J］.Proceedings of the CSEE，2013，33（13）：172-178.

［24］孔瑞忠，董新洲，畢見廣.基于電流行波的小電流接地選線裝置的試驗［J］.電力系統自動化，2006，30（5）：63-67.KONG Ruizhong，DONG Xinzhou，BI Jianguang.Test of fault line selectorbased on currenttravelingwave ［J］.Automation of Electric Power Systems，2006，30（5）：63-67.

［25］姜博，董新洲，施慎行.配電網單相接地故障選線典型方法實驗研究［J］.電力自動化設備，2015，35（11）：67-74.JIANG Bo，DONG Xinzhou，SHI Shenxing.Experimental research on typical single-phase grounding line selection methods of distribution network［J］.Electric Power Automation Equipment，2015，35（11）：67-74.