關于輸電線路的故障測距方法的探討

【摘要】本文通過實踐并結合相關資料，根據高壓輸電線路各測距算法采用的原理，進行了分析、對比和討論，并在此基礎上總結得出了行波法中仍需解決的問題和可能的解決辦法以及各種測距算法的優點和存在的問題。

【關鍵詞】輸電線路；故障測距；行波法；故障分析法

1.引言

電能在現代社會中越來越重要，其安全運行與國民經濟發展與人們生活息息相關，而高壓輸電線路的準確故障測距是從技術上保證電網安全、穩定和經濟運行的重要措施之一，具有巨大的社會經濟效益。輸電線路故障測距按采用的線路模型、測距原理、被測量與測量設備等的不同有多種分類方法。根據測距原理分為故障分析法和行波法；根據測距所需的信息來源分為單端法、雙端法和多端法；按采用的線路模型分為集中參數模型、考慮分布電容的模型和分布參數模型等。

2.故障分析法

故障分析法[1]根據系統在運行方式確定和線路參數己知的條件下，輸電線路故障時測量裝置處的電壓和電流是故障距離的函數，利用故障錄波記錄的故障數據建立電壓、電流回路方程，通過分析計算得出故障距離。

2.1 利用單端數據的故障分析法

利用單端數據的故障分析法包括阻抗法、電壓法和解方程法。阻抗法是利用故障時在線路一端測到的電壓、電流計算出故障回路的阻抗，其與測量點到故障點的距離成正比從而求出故障距離。電壓法根據輸電線路上發生故障時，故障點處的電壓有最小值，通過計算各故障相電壓的沿線分布，找出故障相電壓的最低點實現故障測距。據此又提出計算正序故障分量、負序和零序分量的電壓沿故障線分布，找出電壓的最高點實現故障測距。對比兩種方法后者更為簡單。解方程法是根據輸電線路參數和系統模型，利用測距點的電壓、電流，用解方程的方法直接求出故障點的距離。解方程法包括解復數方程和解微分方程，前者在頻域內求解后者在時域內求解。

2.2 利用雙端數據的故障分析法

利用雙端數據的故障分析法可分為利用兩端電流或兩端電流、一端電壓的方法；利用兩端電壓和電流的方法；解微分方程的方法。以上方法可分別建立在三種輸電線路模型上，且又可分為需要兩端數據同步或不同步兩種。

2.3 影響故障分析法測距精度的因素

1）線路參數的測量問題。故障分析法中輸電線路參數計算方法都是在多種假設條件下進行的，很難保證與現場實際情況一致。高壓輸電線路的參數還受沿線地質、氣候、大地電阻率分布不均等因素的影響，甚至線路長度也是隨季節變化的，這是造成測距誤差的一個重要原因。

2）工頻電氣量的采集問題。由于算法中電流、電壓采用工頻電氣量，而在故障暫態過程電流、電壓包含非周期分量、工頻量和各次諧波分量，因此在故障測距前必須對所采集的數據進行數字濾波。

3）采樣數據的同步性問題。兩端同步的雙端法為采用簡單精確的同步算法，首先必需解決線路兩端的同步采樣問題。傳統的時鐘同步方法難以滿足要求。利用GPS傳遞的精確時間信號為實現雙端量高精度故障測距奠定了堅實基礎。但需要增加GPS接收裝置等硬件設備，造價高昂，同時實際測距還有賴于GPS的可靠運行。另外，現場中的硬件對采集的信息仍具有一定的時延，因此兩端很難做到真正意義上的數據同步，故在應用上有一定的局限性。

單端法硬件要求簡單，具有投資少，實現容易等優點。但是這種方法除單端供電線路外，僅使用本側信息不能消除對側系統阻抗變化和故障點過渡電阻的影響，會給測距結果帶來較大的誤差，甚至失效。雙端法由于使用了雙端信息，因此不必引入對端系統參數，在原理上完全不受故障過渡電阻大小、性質和雙端系統阻抗的影響，從原理上保證了測距的精度。但其在數據同步和偽根判別等方面尚有進一步改進之處。

3.行波法

行波法是根據行波傳輸理論實現的測距方法。如圖1，當輸電線路發生故障時，會產生沿線傳輸的故障行波，在故障點和其它阻抗不連續點發生折、反射，利用故障行波的傳輸時間計算故障距離。

圖1 行波網格圖

3.1 行波法的分類

根據檢測行波的方式，各種行波定位方法主要分為A、B、C、D四種類型：A型是根據故障點產生的行波傳到母線和從母線反射到故障點，再由故障點反射后到達母線的時間差來定位；B、C型包括脈沖或信號發生器，故障后施加高頻或直流信號，根據雷達原理制成，其中B型是雙端法，C型是單端法；D型根據故障點產生的向兩側母線運動的行波到達兩側母線的時間差來判斷故障位置。B型和C型已得到實際應用。近年來主要是針對A型和D型進行研究，由于僅利用故障產生的行波來定位，不用附加其它設備，A型和D型定位顯示出一定的優越性。文獻[1]根據故障線路分合閘產生的暫態行波提出了E、F型故障測距方法，但易受保護動作的影響，此外對于瞬時性故障，可能線路分合閘時故障已經消除，無法找出線路故障點，不利于查找和分析線路可能存在的隱患。

另外根據故障行波的物理性質，有電壓行波法和電流行波法。根據獲取故障行波的來源又可分為單端法和雙端法。

3.2 行波法的研究現狀及技術問題

行波法主要解決好行波的獲取、波頭的識別、行波到達時刻的標定、波速的確定等問題。

3.2.1 行波的獲取

暫態行波所覆蓋的頻帶很寬，從幾千赫茲到幾百千赫茲。為了能夠在二次側觀察到線路上的暫態行波，要求電壓、電流信號變換回路有足夠快得響應速度。例如，假定行波傳輸速度等于光速，為了將測距分辨率控制在500m以內，電壓和電流暫態信號變換回路輸出信號的上升時間必須在3.3μs以內，相應變換回路的截止頻率不能低于25kHz。

因此受超高壓線路上廣泛采用的電容式電壓互感器（CVT）行波傳變特性不佳的影響，電壓行波法的應用受到了較大的限制。文獻[2]通過將電感線圈串入CVT接地導線中抽取暫態電壓行波。文獻[3]采用專用行波傳感器來耦合CVT接地線的電流間接提取故障電壓行波。常規的電流互感器（CT）可以傳變100kHz以上的暫態電流信號，因而完全能夠滿足行波測距的要求。基于電流行波的故障測距裝置已經逐步實用化。文獻[4]研究了行波測距的失效點問題，當在電壓過零點附近故障或兩相電壓相等處發生兩相短路故障時，故障產生的行波將很微弱，并且疊加在很大的工頻量信號上，再加上各種干擾，可能難以檢測的到，此時行波測距算法失效。其利用輸電線路發生故障跳閘后自動重合閘脈沖及重合時差，提出了兩種在行波測距失效點處的故障定位方法。

3.2.2 行波波頭的識別

行波波頭的識別有基于硬件和軟件兩類方法。傳統檢測波頭的方法有導數法、相關法、匹配濾波器法。這些算法使用時都受到一定條件限制，特別是對于單端行波法故障點反射波不易檢測和識別，嚴重影響了故障測距精度。文獻[2]論述了加拿大采用電壓行波利用硬件波形辨識電路辨識行波波頭。文獻[5]利用小波變換模極大值與信號奇異點對應檢測波頭。文獻[8]提出采用Hilbert-Huang變換（HHT）對故障行波信號進行檢測。兩種變換的比較如表1。可見HHT可克服小波變換存在的問題值得進一步去研究。由于采集到的行波信號往往含有大量噪聲信號，這給行波波頭的準確捕捉帶來了困難。

表1 小波變換和HHT的比較

變換方法分解類型自適應性基函數成熟度

小波變換時間-頻率受小波基函數限制，不具有需選擇合適的基函數成熟

HHT時間-瞬時頻率EMD分解從信號本身特征出發，具有。無較成熟需提高

3.2.3 行波的傳播及波速的確定

在實際輸電線路中，行波的傳播受到多種因素的影響。行波在三相輸電線路上的傳播可分為線模分量和零模分量。文獻[3]對大地電阻率、分段地線、分裂導線、過渡電阻和換位點對地模和線模行波傳播的影響進行了研究，并得出由于影響行波地模的因素太多，而線模受到的影響較小，因而把線模作為故障定位用行波比較合適。文獻[4]在其測距算法中采用線模分量進行計算。文獻[6]指出實際中從故障點來的零模行波能否到達檢測點，需要做進一步的探討。零模行波的衰減規律也尚需做進一步的研究。

文獻[3]研究了行波傳輸的色散特性，得出行波色散主要由地模所引起。行波傳播過程中，由于高頻分量衰減快，故行波中的有效頻率分量范圍反比于故障距離而且和故障類型有關。波速的計算取決于架空線的配置和大地電阻率的分布。

3.2.4 單端行波法

單端行波測距利用在線路一端測量到的數據計算故障距離，如圖2所示，M為測量端，l是線路長度。文獻[6]介紹了單端測距的兩種算法。

圖2 單、雙端測距示意圖

x=v1Δt/2 （1）

x=v1v0（tM2-tM1）（v1-v0） （2）

其中：v1、v0是行波線模、零模波速；Δt是初始行波與故障點反射波到達M端的時間差；

tM1、tM2是線模、零模行波到達M端的時刻。在許多場合，同一母線上接有多條出線。背側相鄰線路對端的反射波與故障點的反射波極為相似，當背側相鄰線路的長度小于檢測點到故障點的距離時，將使故障點反射波的檢測受到影響。2.2.5雙端及多端行波法

文獻[6]介紹了兩種雙端測距算法。

（3）

x=lC/（A-B+2C） （4）

其中：A=tM1-tN1、B=tM2-tN2、C=tM2-tM1；

變量含義同上。雖然算法2取消了波速的影響但仿真分析指出算法一的測距誤差更小。雙端行波法的關鍵是準確記錄下電流或電壓行波到達線路兩端的相對時間，需要專用的同步時鐘單元。隨著GPS的廣泛應用，利用接收GPS的衛星信號可以獲取精度在0.2μs以內的時間脈沖，因此GPS可作為雙端法的同步時間單元。根據雙端行波定位算法設計了故障測距裝置，給線路兩端提供統一的GPS同步時鐘和線路間高速信道。

針對雙端行波測距法中行波波速難以準確獲得，文獻[7]提出了一種不受波速影響的三端法。如圖3所示，測量端2為本端。該方法取消了波速的影響；由于只測量故障行波第1次到達測量端的絕對時刻。t1t2和t3，行波波頭突變明顯，可達到較高的測量精度；其故障距離計算式在塔桿擋距和弧垂相近情況下可以近似消除線路弧垂的影響。仿真結果表明利用該方法可使測距誤差控制在150m以內，與雙端法相比，克服了因波速數值選取的主觀性造成的近、遠端故障誤差偏大的問題，并且誤差數值整體上比雙端法偏小。該方法的難點是檢測相鄰線路對端母線測量點處波頭的到達時刻。

圖3 三端測距示意圖

隨著光電電壓、電流互感器的逐步實用化，數字化變電站已不再遙遠，故障行波定位將走向網絡化和智能化的道路。文獻[9]提出了基于電壓行波的整個輸電網的綜合故障定位思想，采用專門設計的行波傳感器捕捉母線電壓行波，每個變電站只需要裝設一套電壓行波定位系統，便可以形成故障行波記錄網絡。基于整個輸電網的故障行波定位系統具有N-1容錯能力，可以采用包含故障線路的任意兩個變電站進行故障測距，增強了測距可靠性和適應能力。國內產品普遍采用電流行波，并可以檢測多達8-9回出線，理論上也可以實現全網綜合故障定位，但無疑會增加數據分析的難度和計算量。

4.總結

行波法原理簡單，理論上不易受系統運行方式、過渡電阻、T形接線、線路分布電容的影響，測距精度高。但在實際中則受到許多工程因素的制約。母線接線方式的不確定性，相鄰并列線路的互感耦合及線路兩端的非線性元件等，使波過程的分析相當復雜，直接影響反射波的識別；輸電線路上存在著大量的干擾，其性質與故障點行波極為相似，并與故障點的反射波交織在一起，更增加了識別的難度。在實際輸電線路中，由于導線不均勻、不完全換位、輸電線沿線大地電阻率變化、線路參數隨頻率而變化及行波色散等問題，使得行波分析和研究比較困難，故障產生行波的特點不能被充分利用。盡管存在以上問題，但行波法依然是故障測距未來研究的主要方向。

參考文獻

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