高壓輸電網行波故障定位方法初探與比較

張永政

(國網遼陽供電公司，遼寧 遼陽 111000)

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高壓輸電網行波故障定位方法初探與比較

張永政

(國網遼陽供電公司，遼寧 遼陽 111000)

對高壓輸電線路現有的各種行波故障定位方法進行了歸納總結?，F有的測距方案可分為暫態行波定位和工頻量定位兩大類,其中暫態行波定位按分析方法可分為時域和頻域兩種，而工頻量定位按數據來源可再分為單端與雙端定位方案。簡略介紹了這些方案的算法原理,并對其特點及應用效果作了一定的評價,同時對這些方案的優缺點和應用前景進行了初步探討。

行波；暫態保護；工頻保護；現狀

1 引言

輸電網是電力系統的重要組成部分，它擔負著輸送電能的重要任務，是發電廠和終端用戶的紐帶，同時也是整個系統安全穩定運行的基礎，輸電網故障直接威脅到電力系統的安全可靠經濟運行。故障定位是輸電線路故障點查找與清除的重要依據，精確的故障定位不僅能大大減輕人工巡線的艱辛工作，縮短排除故障的時間，而且還能查出維護人員難以發現的故障，從而排除絕緣隱患，及時修復線路、恢復可靠供電。

現階段輸電網故障定位方法按照信號特征的不同主要分為兩大類，一類是利用暫態行波的方法；另一類就是利用工頻量的方法。

2 利用暫態行波的定位方法

行波定位方法利用行波在輸電線路上有較固定的傳播速度(接近光速)這一特點，通過記錄和測量線路故障時，由故障點產生的行波到達母線時間，以實現精確故障定位。行波法定位的精度在理論上不受線路類型、故障電阻及兩側系統的影響。

2.1 時域行波法

基于時域行波法的故障定位難點是對行波波頭的準確識別，特別是單端行波法難以檢測和區分故障點反射波，嚴重影響定位可靠性。起初行波檢測方法是通過比較電流行波信號是否越過設定閾值實現檢測，這種方法容易受系統運行工況和噪聲等影響，難以精確地確定電流行波波頭前沿到達的時刻。20世紀80年代末90年代初，小波理論的提出為非平穩信號的檢測帶來了突破。因為小波分量的模極大值與信號的尖銳變化點相對應，因此可以將小波分量的模極大值出現時刻確定為電流行波信號的到達時刻[1,2]。另外根據不同尺度(頻帶)下小波變換的模極大值極性，可進一步識別被測行波的相位變化，判斷其是由故障點還是對端母線反射或其他干擾脈沖等[3]，以此有效地消除噪聲提取信號。借助小波理論對行波特征的有效提取，行波故障定位的數學原理也逐漸建立和豐富。文獻[4,5]對基于小波分析的仿真數據及實測故障數據進行了定位結果對比，取得了較好的效果，但同時也指出未考慮行波傳播中的色散現象對算法可靠性的影響。

數學形態學[6]在濾波和突變信號檢測方面的優勢也被用于故障定位中來研究行波波頭的提取和識別，該方法只有簡單的加減運算和極值比較，因此具有簡單、快速等優點，且其變換后幅值衰減很小，無相移，便于硬件實現。但是在形態運算中需選擇合適的結構元素，其對運算結果具有決定性影響，要綜合考慮待分析信號、濾除信號以及保持圖形等因素。文獻[7]將故障行波經形態學濾波后，再對其進行Hilbert-Huang變換(HHT)以提高行波波頭到達時間的精度，但其依然沒有從原理上避免行波高頻成分衰減大使波頭畸變致難以提取的影響。

以上對行波波頭識別的方法研究主要體現在提高行波波頭到達時間的確定精度，在行波頻率較高時難以準確識別波頭，而導致定位失敗。同時未考慮行波波速在有損輸電線路傳播中會受頻率的影響，而對于時域信號處理技術很難準確計算對應的波速度，使其成為影響時域行波法故障定位準確度的主要因素。

2.2 頻域行波法

為了克服行波波頭識別困難的問題，有學者研究了高頻暫態行波的頻譜特征，試圖從頻域角度找出其與故障距離的關系。按照文獻[8]的論述，行波在有限長度線路的傳播受到線路兩端邊界條件的影響。當理想傳輸線上傳播的行波在線路兩端完全反射時，在頻域上表現為以諧波形式，把這一系列頻率稱為行波的固有頻率。Swift在對故障行波的頻譜進行研究后發現，在線路終端條件為理想開路或理想短路時，故障距離和行波頻譜的主成分有確定的數學關系，但其結果僅從仿真實驗得到，沒有嚴格的數學推理，在系統等效阻抗為有限值時不適用。

文獻[9]從線路的波動方程出發，從理論上推導出任意邊界條件下，線路長度和行波固有頻率的關系。該方法僅需單端電壓或電流信息，在線路參數已知的條件下，利用適當的頻譜估計方法提取行波的固有頻率(一般采用主成分)，結合邊界條件即輸電線終端連接的系統等效阻抗即可精確計算形成固有頻率的兩個反射點之間的線路長度，對故障行波固有頻率兩個反射點之間(一端為測量端母線，另一端為故障點)的線路長度就是故障距離。該方法不需通信信道和時鐘同步設備，與雙端法相比在經濟上有很大優勢，同時該方法通過提取行波固有頻率的主成分進行定位，不僅避免了時域行波法對行波波頭的識別，還可以精確計算相應的行波波速進行計算，以減小定位誤差。

該方法的代價是算法要求已知單端(測量端)的系統等效阻抗和輸電線路參數，同時，該方法實現準確定位的關鍵是對固有頻率的準確提取，前期研究在原有基于雙電源單回交流輸電線路的定位原理基礎上，經驗證了其在高壓直流輸電線路和電纜混合線中的適應性；另外考慮輸電線路中出現串聯補償裝置時，串聯電容及其氧化鋅非線性電阻(metal oxide varistor，MOV)對定位算法中頻率提取和計算折反射系數的影響；同時針對同桿雙回輸電線路構造適合單回故障和同名跨線故障的反射系數矩陣，研究不同輸電線路形式下的定位算法應用。文獻[10]對行波固有頻率在電網故障定位應用進行了研究，文中僅使用單端電流行波信號對三端電源線路進行試驗，需要先判斷故障線路，而以一端提取的行波固有頻率區別故障點和健全線路母線反射波在實際中存在困難。

3 利用工頻量的故障定位方法

工頻量法對采樣頻率的要求不高，在現有的保護裝置或者錄波器當中，完全能夠滿足其要求，具有較大的工程應用價值。工頻量法包括解方程算法和迭代測距算法，就是利用測量到的電氣量，通過對故障現象的分析并根據線路發生故障時候的故障特征構造各種原理的測距方程進行故障測距。在線路參數已經知道的前提下，線路某處發生了故障的時候，線路兩端的電壓和電流參數均為故障距離的函數，因此，工頻量法的本質是短路電壓電流計算的一種逆運算。 在我國，主要有零序電流分量相位修正法、解微分方程法、零序電流修正法和解方程法等等。其中也包括阻抗法，阻抗法的原理建立在分布參數模型基礎上，是指利用測量端測量能夠測量到的電氣量，根據已經測量到的電氣量建立電路方程，在電路理論下以單位阻抗值折算故障距離，進而實現故障測距。

利用工頻量的測距方法可分為單端測距法和雙端測距法。

3.1 利用工頻量的單端定位法

單端定位法利用輸電線路其中一側測量的電壓和電流量，并綜合故障前測量的電氣量，在一定的假設基礎上，來計算故障距離。單端定位法中運用最為廣泛的是阻抗法，其原理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，該阻抗與測量點到故障點的距離成正比從而折算出故障距離。單端定位算法較為簡單，經濟性較好，但是受到過渡阻抗、對端系統運行參數和負荷電流影響存在原理上的缺陷，定位精度難以保證，因此一般作為雙端定位算法的輔助。

阻抗法的優點是原理簡單、算法易于實現且成本低廉，但由于算法本身原理上的缺陷，故障定位精度受過渡電阻和對端系統等效阻抗等因素影響大，其中過渡電阻與發生故障的環境有關而難以預測，對端等效阻抗也與系統配置相關，隨系統運行方法時常變化。因此，實際應用中該方法的定位誤差較大。

3.2 利用工頻量的雙端定位法

雙端定位法是通過用線路兩端的電壓和電流以及必要的系統參數，經過分析化簡得到定位方程，然后運用數學方法得到故障點位置。雙端法相比于單端法從原理上可消除過渡阻抗、故障類型和系統阻抗對定位精度的影響，提高了定位精度。

雙端定位算法按照線路模型，可分為分布參數模型和集中參數模型；按照雙端采樣數據是否同步，可分為雙端不同步和同步算法。集中參數線路模型只能在線路較短情況下作為近似，不適用于高壓長距離輸電線路；分布參數線路模型雖然復雜，但是定位精度較高。雖然近年來GPS 同步裝置的發展使得雙端數據同步誤差減小，但是由于保護裝置和互感器對電流傳輸的延時性，雙端數據并沒有達到真正意義上的同步。因此，基于分布參數模型下的雙端不同步定位算法具有一定的研究意義。

4 智能定位法

智能理論的研究發展對于故障測距也存在著極其重要的意義,這幾年，對于故障測距問題不少專家學者引入智能理論來進行研究，使各種的智能理論技術 互相結合，比如神經網絡專家系統、模糊神經網絡 、模糊專家系統等都被提了出來，但是其中大多數都還處于研究階段[11]。很多相關的新興學科的研究成果也被引入到對于高壓輸電線路故障測距當中，比如小波分析法、優化法 、概率法、卡爾曼濾波技術、模式識別技術以及統計決策方法等等。但是這些研究還需要進一步探索[12]。

以上智能算法能夠很好的克服傳統定位算法中存著的缺陷，同時有很強的自適應性和學習性。由于某些理論還不夠完善，使算法還存在著局限性。但是這些算法在輸電線路故障定位中的運用指明了故障定位的研究方向，具有指導性的意義。

[1] 黃子俊，陳允平.基于小波變換模極大值的輸電線路單端故障定位[J].電力自動化設備,2005,25(2):10-14.

[2] 馬丹丹，王曉茹.基于小波模極大值的單端行波故障測距[J].電力系統保護與控制,2009,37(3):55-59.

[3] 張帆.基于單端暫態行波的接地故障測距與保護研究[D].山東大學,2008.

[4] 陳平，葛耀中，徐丙垠，等.現代行波故障測距原理及其在實測故障分析中的應用-A型原理[J].繼電器,2004,32(2):13-18.

[5] 吳大立，尹項根，張哲，等.行波測距硬件系統的研究與設計[J].繼電器,2006,34(8):20-23,44.

[6] 吳軍基，吳伊昂，賀濟峰，等.數學形態學在行波濾波中的應用[J].繼電器,2005,33(17):21-26.

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The Explroation and Comparision of the Travelling Wave Fault Location Mode of High-voltage Transmission Grid

ZHANGYong-zheng

(Liaoyang Power Supply Company of State Grid,Liaoyang 111000,China)

Existing high-voltage transmission lines for various traveling wave fault location methods are summarized.Existing ranging program can be divided into transient traveling wave positioning and power frequency positioning,which according to the analysis of transient traveling wave positioning methods can be divided into methods of time-domain and frequency-domain,and the power frequency positioning by the data source can be further divided into single-ended and double-ended positioning scheme.Article briefly describes the principle of these programs algorithms,and made certain characteristics and evaluation of its application effect,while the advantages,disadvantages and application prospects of these programs were discussed.

traveling wave;transient protection;power frequency protection;situation

1004-289X(2015)04-0103-03

TM72

B

2014-12-22

張永政(1963-)，男，本科學歷，經濟師，長期從事高壓用電檢查工作。

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