基于暫態電流的高壓輸電線的故障檢測

單金燦，王愛玉，胡亞超，趙峰印（山東科技大學電氣與自動化工程學院，山東青島，66590）

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基于暫態電流的高壓輸電線的故障檢測

單金燦1，王愛玉2，胡亞超3，趙峰印4
（山東科技大學電氣與自動化工程學院，山東青島，266590）

摘要：針對高壓輸電線故障存在檢修困難、故障點定位誤差較大和易受外部因素影響等問題，本文根據行波傳輸理論以故障電流行波為測量對象，提出一種基于暫態電流的高壓輸電線路單端故障測距算法。現以某區電網高壓輸電線路故障為例，利用MATLAB構建仿真模型進行仿真。由仿真結果可以看出：所采用的故障測距算法不僅計算簡單，而且測距精度較高。

關鍵詞：故障測距；小波變換；測距誤差；仿真分析

0　引言

隨著我國電網規模的日益擴大，高壓輸電線路越來越多。高壓輸電線路是輸電系統的命脈，對電力系統的安全穩定運行具有重要作用。由于高壓輸電線路分布范圍比較廣，所以高壓輸電線路故障巡檢十分困難，且難以分析故障特點。因此，良好的故障點定位算法既保證了電網的安全穩定運行，又節約了故障處理時間。

故障測距方法按照測距原理可分為阻抗法、故障分析法和行波法。阻抗法是根據測量故障電壓與電流量來確定線路故障點，此方法比較簡單，但精度較低。故障分析法與阻抗法一樣，雖然方法簡單經濟，精度卻不高。行波法是依據故障行波在輸電線路中傳播來實現故障測距的，其精度不受線路故障電阻的影響。

本文通過分析暫態電流行波，把小波變換方法應用到行波測距中，提出了基于暫態電流的單端故障測距算法。

1　暫態電流行波分析

在電力系統中，輸電線路發生故障時在故障點會產生暫態行波，如圖1所示，其沿著輸電線路從故障點向線路兩端傳播。

圖1　暫態行波沿輸電線的傳播示意圖

在分析故障行波傳播過程時，可以將輸電線路進行等效，其參數等效電路如圖2所示。

圖2　輸電線參數的等值電路

若輸電線路為無損線路，則由此可得到如下波動方程組：

由波動方程組可解得線路M端和N端的故障電流行波解析表達式為：

2　小波變換

由于檢測到的信號是奇異的，所以小波變換十分合適分析這類信號。設表示故障電流行波（或），為基小波函數，為伸縮因子，b為平移因子。

二進小波變換具有平移不變性，因此本文采用Daubechies （dbN） 小波系為基小波，進行小波變換。

3　故障測距算法

在電力系統中，由于故障點產生的行波沿著線路向線路兩端運動，所以輸電線路故障測距精度容易受到暫態行波傳播波速的影響。根據小波的奇異性原理，利用小波變換實現對暫態電流行波的分析，并通過檢測故障行波到達測量端的時刻，來實現單端故障測距，如圖3所示。

圖3　單端故障測距原理示意圖

圖4　高壓輸電線的仿真模型圖

由圖3所示，可以列出如下方程組：

解方程組得：

由測距公式可以看出:故障點距M端的距離與行波傳播波速無關，從而避免了行波的傳播波速影響故障測距。同時，該方法不需要同步GPS時鐘，減少了設備，降低了投資成本。

4　仿真分析

為了驗證本文所提出的測距算法，本文以在0.01s時刻發生A相接地故障為例。接地電阻設置為4，采樣頻率為1MHz，并利用MATLAB構建模型進行仿真分析，其仿真模型圖如圖4所示。

表1　仿真輸電線路單位參數

圖5　電流行波的線模分量

圖6　電流行波線模分量的4層小波分解

圖7　模極大值點序列

由上圖可以看出模極大值點所在的采樣序列分別為：10051、10112、10094。由于故障時刻等于信號對應奇異點的采樣序列除以采樣頻率，所以、、

。

由測距公式（3-2）可求出故障點位置：

相對誤差為：

同理可求得高壓輸電線路發生不同類型故障時的仿真測距結果及其相對誤差，如表2所示。由表2可以看出，本文采用的故障測距算法具有較高的定位精度。

5　總結

本文分析了高壓輸電線路故障暫態電流行波，通過分析行波在線路中的傳輸過程，提出了不受波速影響的單端行波測距算法。利用MATLAB構建模型仿真分析，并對電流行波的線模分量進行多尺度小波分解，從而根據行波波頭到達母線測量點的時刻及測距公式，求出故障點位置。由仿真結果可以看出：本文所采用的故障測距算法不僅提高了測距精度，而且減少了投資成本。

參考文獻

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The Fault Location of High Voltage Transmission Line Based on Transient Current

Shan Jincan1，Wang Aiyu2，Hu Yachao3，Zhao Fengyin4
（College of Electrical Engineering and Automation，Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266590，China）

Abstract：According to the theory of travelling wave transmission，this article puts forward the singleended fault location algorithm of high voltage transmission based on transient current，which isn’t affected by the line wave velocity.The method mainly aims at the problems that the faults of high voltage transmission line are difficultly inspected by the artificial and affected easily by natural factors， whose error is bigger in positioning the fault point.This article takes the high voltage transmission line fault of a district power grid for example to build a simulation model for simulation and analysis by MATLAB. The algorithm of fault location adopted by the article is effective and able to improve the precision of ranging by the results of simulation and analysis.

Keywords：fault location；wavelet transform；range error；simulation and analysis

作者簡介

單金燦（1991-），男，山東人，碩士研究生，主要從事電力系統及其自動化等方面的研究。

王愛玉（1988-），男，山東人，碩士研究生，主要從事電力傳動及其控制系統、電力系統及其自動化等方面的研究。

表2　不同位置發生不同類型故障時的仿真測距結果