高壓輸電線路故障定位綜述

張光益 張鵬宇 方曦

貴州電網(wǎng)公司 貴州貴陽(yáng) 550000

高壓輸電線路是我國(guó)電力運(yùn)輸系統(tǒng)的重要組成部分之一，負(fù)責(zé)向各地輸送電能。故障定位的速度和準(zhǔn)確度影響輸電線路的搶修、恢復(fù)供電的速度以及決定停電造成的各種損失，保障電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。因而，電力學(xué)者們的研究重點(diǎn)是故障定位問(wèn)題[1]。

高壓輸電線路由于高電壓以及遠(yuǎn)距離兩個(gè)特點(diǎn)，在輸送電能、連接電網(wǎng)及電氣設(shè)備的工作中承擔(dān)主要責(zé)任，其不僅是電網(wǎng)的主干網(wǎng)架，更保障著電力系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行。與此同時(shí)，最容易產(chǎn)生故障的線路也是高壓輸電線路[2-4]，其大多途經(jīng)惡劣的自然環(huán)境，且分布距離廣，在這種條件下，風(fēng)偏、覆冰、雷擊、樹(shù)枝短接等均可能是導(dǎo)致輸電線路的短路故障的原因。現(xiàn)場(chǎng)巡線排查輸電線路遇到的困難主要有以下兩個(gè)方面：一方面，有交通方面導(dǎo)致的巡檢困難；另一方面，輸電線路受到的破壞或者故障位置較難發(fā)現(xiàn)時(shí)，現(xiàn)有裝置難以立即發(fā)現(xiàn)具體故障線路位置。故障定位的速度以及準(zhǔn)確度不僅能對(duì)線路排查工作進(jìn)行指導(dǎo)，加快巡線工作的效率，還可以檢查出薄弱環(huán)節(jié)和潛在隱患。因此，輸電線路故障定位技術(shù)的應(yīng)用極大提高了工作人員的巡線效率，減免了供電故障造成的問(wèn)題以及損失，這項(xiàng)研究的進(jìn)步能夠帶來(lái)明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益[5-6]。

輸電線路故障定位的定義是，在線路突發(fā)故障時(shí)，利用電壓、電流以及行波信號(hào)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系計(jì)算得出參考點(diǎn)與實(shí)際故障點(diǎn)的距離差。目前應(yīng)用較為廣泛的故障定位算法可根據(jù)測(cè)距原理分為：故障分析法、行波法和智能化測(cè)距方法。

接下來(lái)，本文將根據(jù)測(cè)距原理對(duì)上述三種方法進(jìn)行分析和綜述。第一節(jié)為引言，介紹了研究高壓輸電線路的必要性。第二節(jié)為高壓輸電線路故障分析法故障定位，介紹了故障分析法的原理及其分類(lèi)。第三節(jié)為高壓輸電線路行波法故障定位，根據(jù)測(cè)距原理對(duì)行波法進(jìn)行分類(lèi)闡述其原理以及優(yōu)缺點(diǎn)。第四節(jié)為高壓輸電線路智能化測(cè)距法故障定位，提出了故障定位與智能算法的結(jié)合的趨勢(shì)。第五節(jié)為研究建議與設(shè)想，針對(duì)高壓輸電線路故障定位研究，提出了建議與設(shè)想，并探討了進(jìn)一步的研究方向。

1 高壓輸電線路故障分析法故障定位

故障分析法的原理是根據(jù)故障回路的電流、電壓列出方程式，再根據(jù)方程得出故障距離[7]。其中，阻抗法在實(shí)際應(yīng)用中比較常見(jiàn)，其原理是在特定條件下(不計(jì)電導(dǎo)和分布電容)，選定的測(cè)量點(diǎn)與實(shí)際發(fā)生的故障點(diǎn)之間的距離與阻抗成正比，根據(jù)采集的電壓和電流數(shù)學(xué)關(guān)系可計(jì)算具體阻抗值，由此實(shí)現(xiàn)故障定位[8]。該方法原理簡(jiǎn)單，硬件成本低，但在實(shí)際應(yīng)用中，存在精度低、不能準(zhǔn)確定位的缺陷。根據(jù)實(shí)際所需的信息量，故障分析法可分為單端電氣量法與雙端電氣量法。

單端故障測(cè)距法原理是采集線路單側(cè)的電流、電壓量，再參考其他參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)故障定位。其最大優(yōu)勢(shì)是無(wú)須傳輸對(duì)側(cè)的電流、電壓數(shù)據(jù)，不受通信條件的限制。單端測(cè)距算法可分為解微分方程法[11]和基于單端工頻電氣量法。在實(shí)際應(yīng)用中，基于單端工頻電氣量法中被廣泛應(yīng)用的方法有以下幾種，如工頻阻抗法、故障電流相位修正法、解二次方程法、解一次方程法和對(duì)稱(chēng)分量法等[9-13]。單端電氣量故障分析法對(duì)通信技術(shù)方面的要求不高，也不需要同步兩端的電壓和電流。但其在原理上存在一定缺陷，系統(tǒng)運(yùn)行方式、過(guò)渡電阻影響測(cè)距精度，限制了單端測(cè)距實(shí)際應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)[14]、[15]于1988年提出了雙端量故障分析法。該方法利用故障線路兩側(cè)的電壓、電流信息構(gòu)造測(cè)距方程，避免了測(cè)距精度受到過(guò)渡電阻的限制。其中，線路兩側(cè)信息傳輸主要使用同步法和非同步法。同步法是使用GPS技術(shù)同步兩端的電壓、電流相量[15-16]，得到故障距離解析解。該方法根據(jù)輸電線路的分布參數(shù)模型和集中參數(shù)模型，可分為一端電壓兩端電流法、兩端電流電壓法。此方法技術(shù)上較為復(fù)雜，硬件要求、成本較高。非同步法的原理是通過(guò)建立同步故障定位算法[17-19]，研究故障前一側(cè)線路的電流、電壓或正、負(fù)序電氣量之間的關(guān)系，該方法雖無(wú)須同步兩端測(cè)量數(shù)據(jù)，但其計(jì)算比較復(fù)雜。參考文獻(xiàn)[20]提出了一種優(yōu)化的同步法，考慮了時(shí)間同步問(wèn)題以及分布電容對(duì)測(cè)距精確的影響，但該方法計(jì)算耗時(shí)，需求解超越方程。參考文獻(xiàn)[21]提出了一種混合故障測(cè)距方法，該方法能夠結(jié)合系統(tǒng)阻抗信息與暫態(tài)方程，但其適用場(chǎng)景較為局限，僅適用于在過(guò)度阻抗小于30Ω的情況下，即當(dāng)配網(wǎng)故障時(shí)，測(cè)距精度才比較可靠。參考文獻(xiàn)[22]針對(duì)由于參數(shù)誤差造成的測(cè)距結(jié)果不準(zhǔn)的情況，提出了一種僅需采集故障發(fā)生后幾毫秒內(nèi)的數(shù)據(jù)就可計(jì)算出故障距離的方法。雖然許多學(xué)者對(duì)故障分析法進(jìn)行了優(yōu)化和改進(jìn)，但由于其原理上的弊端，導(dǎo)致測(cè)距精確度受到多方面外界條件的影響。

2 高壓輸電線路行波法故障定位

隨著行波傳播規(guī)律研究的發(fā)展以及日漸成熟的計(jì)算機(jī)技術(shù)，行波法在理論研究和實(shí)際應(yīng)用上有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。行波法的原理是在故障電流或電壓行波傳播時(shí)，分析行波時(shí)間和傳輸距離的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)故障距離的測(cè)定。行波法分為單端行波法、雙端行波法，其具有準(zhǔn)確度高；穩(wěn)定性好；適應(yīng)性強(qiáng)；不考慮系統(tǒng)運(yùn)行方式、故障類(lèi)型和過(guò)渡電阻等優(yōu)勢(shì)。無(wú)論是在理論上原理的完備性，還是實(shí)際應(yīng)用效果都優(yōu)于故障分析法。但是，該方法在實(shí)際應(yīng)用中仍存在著許多問(wèn)題，例如，如何區(qū)分對(duì)端母線反射波以及故障點(diǎn)發(fā)射波；如何實(shí)現(xiàn)反射波的標(biāo)定和識(shí)別；故障行波不明晰，無(wú)法檢測(cè)信號(hào)的奇異點(diǎn)；存在測(cè)距死區(qū)等情況。根據(jù)測(cè)距原理，行波法主要分為六種類(lèi)型，A、C、E和F型屬于單端行波法，B、D型屬于雙端行波法。行波法分類(lèi)以及基本原理如下表所示。

行波法基本原理分類(lèi)表

單端行波法原理是求解初始行波到達(dá)測(cè)量點(diǎn)的時(shí)間與對(duì)端母線的反射波到達(dá)時(shí)間或者故障點(diǎn)的時(shí)間差值[23]，由此計(jì)算實(shí)現(xiàn)故障定位。目前的常用方法主要有導(dǎo)數(shù)法[24]、波形匹配法[25]、相關(guān)法[26-27]、小波變換法[28-29]、主頻率法[30]等。

雙端行波法是通過(guò)行波達(dá)到初始時(shí)刻，由測(cè)距方程算出實(shí)際發(fā)生故障點(diǎn)到兩端的距離。其更多應(yīng)用于遠(yuǎn)距離線路故障定位[31]，具有故障定位準(zhǔn)確度高、可靠性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)[32]。但是其成本高于單端法[33]，由于需要雙端通信通道以及GPS同步時(shí)鐘，同時(shí)還需在線路兩端安裝行波檢測(cè)設(shè)備。

單端行波法會(huì)受到線路結(jié)構(gòu)的影響，線路越復(fù)雜，檢測(cè)結(jié)果的可信度越低。雙端行波法檢測(cè)結(jié)果的可信度比單端法更高，這是因?yàn)槠渲豁毨眯胁^初次到達(dá)時(shí)間，無(wú)須發(fā)射行波的波頭到達(dá)時(shí)刻。

3 高壓輸電線路智能化測(cè)距法故障定位

近年來(lái)，隨著人工智能理論不斷發(fā)展，更多相關(guān)算法被應(yīng)用于故輸電線路故障定位算法的研究中。智能化測(cè)距方法通過(guò)智能算法尋找特征量和故障距離這兩者之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，對(duì)故障數(shù)據(jù)集進(jìn)行學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)故障定位預(yù)測(cè)。目前，用于故障定位的算法理論主要包括模糊理論[34]，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[35-37]、模式識(shí)別技術(shù)[38]、卡爾曼濾波技術(shù)[39]、概率與統(tǒng)計(jì)決策法等[40]，其中模糊理論和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)被廣泛應(yīng)用。故障特征[41]則通過(guò)軟件模擬(如Matlab、PSCAD和ATP-EMTP等)的方法提取，該方法可以將新的故障案例添加到故障分類(lèi)器的訓(xùn)練集中進(jìn)行訓(xùn)練。相較于其他故障定位方法，智能化測(cè)距法的優(yōu)勢(shì)在于通過(guò)研究多種故障特征量即可實(shí)現(xiàn)故障定位，不受數(shù)學(xué)模型以及對(duì)故障暫態(tài)過(guò)程的分析的限制，并且其定位準(zhǔn)確度受系統(tǒng)運(yùn)行方式、故障類(lèi)型、過(guò)渡電阻等影響小。

目前的智能化測(cè)距方法大多是與上述測(cè)距方法相結(jié)合。參考文獻(xiàn)[42]提出了一種將蛙跳粒子群和故障分析法結(jié)合的算法。參考文獻(xiàn)[43]提出了一種局限于輸電線路完全對(duì)稱(chēng)的條件下，結(jié)合蟻群算法進(jìn)行故障測(cè)距。參考文獻(xiàn)[44]引入小波變換算法、遺傳算法以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，結(jié)合單端行波法進(jìn)行故障定位。參考文獻(xiàn)[45]和[46]采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行故障定位。然而，智能化測(cè)距方法在受到故障阻抗、故障電流、故障點(diǎn)等因素的影響時(shí)，難以得到精確度較高的測(cè)距結(jié)果。若要提高結(jié)果的精確度，就需要對(duì)模型進(jìn)行大量訓(xùn)練，并且對(duì)訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)集的要求也較高。目前，智能化測(cè)距法還存在許多問(wèn)題，如收斂速度慢、學(xué)習(xí)效率低、不能保證結(jié)果收斂到全局最小等局限性等。因此，智能化測(cè)距算法還需要進(jìn)一步的優(yōu)化與完善。

4 研究建議與設(shè)想

由上述分析可知，故障分析法存在原理層面的固有缺陷，在測(cè)距精確度上有所欠缺。行波法也存在精確度以及經(jīng)濟(jì)性的問(wèn)題，智能化測(cè)距方法則受到硬件內(nèi)存以及故障樣本數(shù)據(jù)集的限制。在此建議今后的研究工作可面向以下幾個(gè)內(nèi)容進(jìn)行推進(jìn)：

(1)研究提高行波測(cè)距法的魯棒性。眾多故障定位算法中，由于行波測(cè)距法相較于其他算法的優(yōu)點(diǎn)在于不受系統(tǒng)運(yùn)行方式、過(guò)渡電阻的等限制，故進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)的高壓輸電線路故障定位算法研究，解決其精度低、適應(yīng)性差的問(wèn)題具有重要理論意義和應(yīng)用價(jià)值。

(2)實(shí)現(xiàn)混合型故障定位算法的應(yīng)用。將現(xiàn)有故障測(cè)距方法與智能算法相結(jié)合，從而解決目前故障定位存在的算法可靠性低、適應(yīng)度差等問(wèn)題。

(3)加強(qiáng)特殊輸電線路故障定位的相關(guān)研究。如同桿雙回輸電線路、多分支輸電線路、單雙混合型輸電線路等。

結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)故障定位原理，對(duì)現(xiàn)有故障定位方法進(jìn)行了較為全面的綜述，歸納整理了故障分析法、行波法以及智能測(cè)距法的基本原理，并指出上述方法的優(yōu)缺點(diǎn)以及應(yīng)用現(xiàn)狀，提出了開(kāi)展高壓輸電線路故障定位研究的幾點(diǎn)建議與設(shè)想，并探討了進(jìn)一步的研究方向。