高壓直流輸電線路故障測(cè)距研究

羅高亮，仇攀

（青海萬(wàn)立建設(shè)有限公司，青海 西寧市 810001）

高壓直流輸電線路故障問(wèn)題發(fā)生概率較高，為延長(zhǎng)線路運(yùn)行期間的全生命周期，需要細(xì)致分析引發(fā)高壓直流輸電線路故障問(wèn)題的原因，結(jié)合此原因制定出專項(xiàng)可行的技術(shù)防控對(duì)策，確保高壓直流輸電線路運(yùn)行期間的安全性及平穩(wěn)性，確保與實(shí)際要求相符。

1 高壓直流輸電線路故障測(cè)距原理

由于高壓直流輸電線路運(yùn)行環(huán)境極為復(fù)雜，在實(shí)際運(yùn)行期間的故障發(fā)生概率更高。經(jīng)過(guò)實(shí)際調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，高壓直流輸電線路故障問(wèn)題主要體現(xiàn)在雷擊、污穢、樹枝傾倒等方面。

在高壓直流輸電線路保護(hù)裝置檢測(cè)到故障后會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)，達(dá)到預(yù)期定值，各項(xiàng)控制系統(tǒng)發(fā)出故障重啟命令。測(cè)距設(shè)施需要在故障發(fā)生后與重啟過(guò)程中的這段時(shí)間進(jìn)行故障定位，為高壓直流輸電線路故障的解決節(jié)省時(shí)間并奠定堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

高壓直流輸電線路故障測(cè)距原理主要就是借助線路模型，分析電氣量及故障距離之間的關(guān)系。高壓直流輸電線路距離長(zhǎng)，需要采用分布參數(shù)模型的方式，推導(dǎo)測(cè)距公式。

依照波動(dòng)方程中的達(dá)朗貝爾解說(shuō)原理，發(fā)現(xiàn)電壓與電流需要由行波疊加形成。行波是與時(shí)間及距離密切相關(guān)的物理量，距離與傳播時(shí)間就會(huì)受到波速的影響，因此需要固定觀測(cè)點(diǎn)，借助行波到達(dá)的時(shí)間信息推算出實(shí)際傳播距離，由于行波會(huì)在線路邊界及故障點(diǎn)處來(lái)回反射，呈現(xiàn)出周期性變化規(guī)律，因此借助新的信號(hào)頻率，也可以計(jì)算出線路連接到故障點(diǎn)之間的距離。

2 高壓直流輸電線路故障測(cè)距現(xiàn)狀

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)與科學(xué)技術(shù)發(fā)展速度的不斷加快，在高壓直流輸電線路故障測(cè)距工作中，也衍生出了多種故障測(cè)距技術(shù)，如行波測(cè)距技術(shù)、固有頻率測(cè)距技術(shù)、故障分析技術(shù)等。

由于不同高壓直流輸電線路結(jié)構(gòu)測(cè)距方程的切入點(diǎn)不同，因此測(cè)距方式體現(xiàn)出的優(yōu)缺點(diǎn)也更加顯著。要從根本上提高高壓直流輸電線路故障檢修水平，從根本上提高故障測(cè)距效果，需要選擇適宜的故障測(cè)距手段，不斷優(yōu)化故障測(cè)距方案。

具體而言，行波法測(cè)距結(jié)果的精準(zhǔn)度高，但在實(shí)際應(yīng)用期間經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)波頭檢測(cè)失敗等問(wèn)題；固有頻率故障測(cè)距法，不需要檢測(cè)波頭，實(shí)際運(yùn)行期間的穩(wěn)定性強(qiáng)，但是，抗干擾能力較弱，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)測(cè)距死區(qū)情況；故障分析方式應(yīng)用期間的穩(wěn)定性也較為顯著，但在實(shí)際應(yīng)用期間會(huì)受到模型精準(zhǔn)度等因素影響，導(dǎo)致測(cè)距精度有限，實(shí)際計(jì)算工作量巨大。

利用分布參數(shù)線路的波動(dòng)方程構(gòu)造結(jié)構(gòu)也可以對(duì)高壓直流輸電線路進(jìn)行檢測(cè)，但由于該技術(shù)多數(shù)應(yīng)用在交直流輸電線路測(cè)距中，因此實(shí)際測(cè)距水平無(wú)法得到根本保障。

因此，從一定角度上來(lái)說(shuō)，現(xiàn)行高壓直流輸電線路測(cè)距技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用期間均會(huì)出現(xiàn)各類問(wèn)題。為從根本上保障測(cè)距技術(shù)水平，及時(shí)發(fā)現(xiàn)與解決存在于高壓直流輸電線路運(yùn)行過(guò)程中的故障位置，還應(yīng)當(dāng)結(jié)合線路實(shí)際運(yùn)行需求，選擇適宜的故障測(cè)距方案。

3 高壓直流輸電線路行波測(cè)距方式

直流輸電線路行波測(cè)試過(guò)程中，需要明確故障點(diǎn)距離到M端距離、線路總體長(zhǎng)度、行波波速度、初始行波到達(dá)M端及N端的測(cè)量點(diǎn)。雙端行波原理測(cè)距過(guò)程如下圖所示。

圖1 雙端行波原理測(cè)距過(guò)程

在使用行波法測(cè)距過(guò)程中，還需要關(guān)注交直流線路行波測(cè)距的共性問(wèn)題。具體而言，交流及直流線路行波測(cè)距共性問(wèn)題主要體現(xiàn)在行波波頭識(shí)別、行波到達(dá)時(shí)刻的標(biāo)定、波速度的確定等。

在波頭識(shí)別過(guò)程中，需要識(shí)別線路兩側(cè)初始行波的波頭，配合使用導(dǎo)數(shù)法、小波轉(zhuǎn)換法、數(shù)字形態(tài)發(fā)動(dòng)方式，有效解決波頭識(shí)別期間存在的端點(diǎn)效應(yīng)、模態(tài)混疊等問(wèn)題。

在開展波頭到達(dá)時(shí)刻的標(biāo)點(diǎn)工作中，由于行波具有色散效應(yīng)，會(huì)導(dǎo)致波頭變緩，因此，需要結(jié)合高壓直流輸電線路運(yùn)行的特征，制定出專項(xiàng)可行的問(wèn)題解決方案。將行波信號(hào)分解到各個(gè)頻帶，要求各頻帶中的衰減系數(shù)與波速度為常數(shù)，選取行波信號(hào)中能量相對(duì)集中的波帶進(jìn)行測(cè)距。配合使用擬合技術(shù)方式，將傳播系數(shù)表示出來(lái)，從而對(duì)畸變后的行波波頭進(jìn)行矯正處理。

注重對(duì)波速度進(jìn)行嚴(yán)格管控。依照高壓直流輸電線路行波單端或雙端技術(shù)原理，對(duì)波速度進(jìn)行精準(zhǔn)計(jì)算，以便快速找尋到故障發(fā)生位置。在安裝行波測(cè)距裝置過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)采用經(jīng)驗(yàn)值與檢測(cè)方式相結(jié)合的方式確定波速度、增加測(cè)距波頭數(shù)量，借據(jù)分布式行波測(cè)距原理，從根本上提升波速度在線檢測(cè)水平。

與其他故障測(cè)距技術(shù)相比，行波測(cè)距技術(shù)被更加廣泛地應(yīng)用在高壓直流輸電線路故障定位中，是當(dāng)前精準(zhǔn)度最高的測(cè)距算法。國(guó)家及有關(guān)部門針對(duì)行波測(cè)距裝置頒布了較為詳細(xì)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，使測(cè)距裝置的最大誤差控制在3千米。但由于線路邊界控制不當(dāng)，也會(huì)導(dǎo)致波頭畸變問(wèn)題，因此需要對(duì)行波檢測(cè)技術(shù)手段進(jìn)行進(jìn)一步完善與優(yōu)化。

4 高壓直流輸電線路固有頻率測(cè)距方式

4.1 固有頻率測(cè)距方式原理

固有頻率測(cè)距方式最早誕生于20世紀(jì)70年代末，基于故障行波頻譜、故障距離及線路終端結(jié)構(gòu)。在頻率成分組成的行波波譜內(nèi)，頻率成分可以體現(xiàn)出故障波譜的固有頻率，最低頻占有的比重最大，是行波波譜的主要組成部分，在線路中端為開路狀態(tài)下，行波波譜與故障距離數(shù)值存在確定的函數(shù)關(guān)系。

在使用故障頻率測(cè)距方式期間，需要注重收集故障距離、第N次故障頻率、下線路末端及故障點(diǎn)處的反射角、具體取值與固有頻率的次數(shù)有關(guān)。

4.2 固有頻率測(cè)距技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

固有頻率測(cè)距技術(shù)應(yīng)用在高壓直流輸電線路中，還需要注重保障固有頻率數(shù)值的精準(zhǔn)度?，F(xiàn)階段應(yīng)用在行波固有頻率計(jì)算中的方法主要為傅里葉變換法、多信號(hào)分類算法、小波變換法等。由于高壓直流輸電線路外部邊界較為復(fù)雜，對(duì)測(cè)距數(shù)據(jù)的精度影響較大。

與行波測(cè)距方式對(duì)比分析，固有頻率方式不必進(jìn)行波頭識(shí)別，因此可以規(guī)避波頭識(shí)別與波頭標(biāo)定期間的誤差問(wèn)題。但在存在干擾信號(hào)的情況下，信號(hào)產(chǎn)生的多個(gè)頻點(diǎn)能量會(huì)高出固有頻率能量，導(dǎo)致測(cè)距結(jié)果出現(xiàn)誤差問(wèn)題。

5 高壓直流輸電線路故障分析測(cè)距方式

依照高壓直流輸電線路距離長(zhǎng)、直流電氣量不具備工作頻率的特征，在開展高壓直流輸電線路故障分析測(cè)序工作過(guò)程中，需要配合使用分布參數(shù)模型，利用時(shí)域量故障分析的方式進(jìn)行故障測(cè)距工作。

在使用故障分析測(cè)距方式過(guò)程中，需要細(xì)致分析故障條件下電壓及電流的沿線分布特征，以求出故障點(diǎn)位置。借助沿線電壓分布的直流輸電線路雙端測(cè)距算法，從根本上提升故障分析結(jié)果的精準(zhǔn)度、故障分析測(cè)距方式需要利用輸電線路波動(dòng)方程，得出電氣量的沿線分布數(shù)值，輸電線路模型誤差問(wèn)題是導(dǎo)致分析結(jié)果不精準(zhǔn)的重要因素之一。因此為從根本上提升故障分析測(cè)距技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用期間的可行性，還需要配合使用時(shí)域故障分析方式，改善線路參數(shù)不準(zhǔn)確問(wèn)題。

通過(guò)分析不同高壓直流輸電線路故障測(cè)距手段，發(fā)現(xiàn)固有頻率及故障分析方式當(dāng)前處于仿真研究階段，為從根本上提升故障測(cè)距結(jié)果的精準(zhǔn)度，還需要將此兩種技術(shù)作為行波測(cè)距的輔助算法，以切實(shí)保障測(cè)量結(jié)果的精準(zhǔn)度，形成更加完善的組合測(cè)距模式。通過(guò)引進(jìn)更加先進(jìn)的故障測(cè)距設(shè)施，使測(cè)距結(jié)果能夠真實(shí)反映出直流輸電線路實(shí)際故障問(wèn)題，為后續(xù)故障維護(hù)方案的制定提供重要理論依據(jù)。

6 結(jié)語(yǔ)

總而言之，通過(guò)細(xì)致研究高壓直流輸電線路運(yùn)行現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致線路故障問(wèn)題的原因較為復(fù)雜。為從根本上提高高壓直流輸電線路運(yùn)行水平，還需要細(xì)致分析不同故障測(cè)距技術(shù)應(yīng)用效果，從根本上保障故障測(cè)距結(jié)果的全面性及精準(zhǔn)性。具體來(lái)說(shuō)，行波測(cè)距方式發(fā)展較為成熟，但存在檢測(cè)結(jié)果可靠性較差、精度有待提升等問(wèn)題；固有頻率與故障分析方式的穩(wěn)定效果好，但是存在檢測(cè)死區(qū)的問(wèn)題。為切實(shí)保障高壓直流輸電線路檢測(cè)水平，還需要重點(diǎn)關(guān)注故障測(cè)距技術(shù)的優(yōu)化工作，研發(fā)出更多的組合測(cè)距技術(shù)。