基于行波時差的多段混合線路故障定位方法

山東廣大工程咨詢有限公司 程占濤

1 研究背景

1.1 行波時差故障定位的意義

電力系統是一個高度復雜的系統，由大量的電氣設備和線路組成。在運行過程中，由于各種因素的影響，如自然災害、人為破壞、設備老化等，會導致系統出現各種故障。當發生故障時行波在架空線的傳播速度接近光速，但是電纜段受線路電導率、絕緣以及外界環境等影響很難精確地確定其波速，所以直接使用單、雙端定位方法誤差大[1]。

行波時差故障定位是一種常用的電力系統故障定位方法。其利用電力系統中電磁波在傳輸過程中的傳播速度不同，通過測量電磁波到達不同位置的時間差來確定故障點的位置。此方法具有定位精度高、適用范圍廣、不受線路參數和故障類型的影響等優點，因此在電力系統中得到了廣泛的應用。

行波時差故障定位方法也存在一些問題。由于線路參數的不確定性，如傳輸線的長度、電阻、電感和電容等，會導致測量誤差的增加，從而影響故障定位的精度。對于多段混合線路來說，由于每一段線路的特性不同，行波時差故障定位方法無法直接應用，需要采取一定的措施解決這個問題。

1.2 多段混合線路的特點

多段混合線路是指由多個不同特性的線路段組成的線路，其中每個線路段的電阻、電感和電容等參數均不相同。在實際運行過程中，多段混合線路的出現是不可避免的。與傳統的單一線路不同，多段混合線路具有復雜性和多樣性，給故障定位帶來了一定的挑戰。

針對多段混合線路的故障定位問題，需要探索新的方法和技術，以提高故障定位的精度和可靠性。本文提出了一種基于行波時差的多段混合線路故障定位方法，旨在綜合利用行波時差和混合線路特性，提高故障定位的精度和可靠性。

2 相關工作綜述

2.1 傳統故障定位方法的優缺點

在傳統的故障定位方法中，最常用的方法是利用反射系數或阻抗匹配的原理進行故障點定位。具體來說，故障點定位通常通過測量發射端和接收端的電壓波形來實現。傳統故障定位方法的優缺點見表1。

表1 傳統故障定位方法的優缺點

2.2 基于行波時差的故障定位方法研究現狀

基于行波時差的故障定位方法是一種新興的故障定位技術，通過測量行波傳輸的時間差來定位故障點。該方法能夠有效地定位多種類型的故障，并且具有抗環境干擾的能力。

基于行波時差的故障定位方法利用了行波傳輸的特點，測量兩個位置處的行波傳輸時間差，通過計算可以定位故障點。在該方法中，需要使用高速數字化儀測量信號，利用計算機進行數據處理。相比于傳統方法，基于行波時差的方法能夠更加準確地定位故障點，適用于各種類型的傳輸線路。

基于行波時差的故障定位方法在故障定位領域具有廣闊的應用前景，可以提高故障檢測和定位的準確性、可靠性。但是，此方法仍然存在一些局限性，如測量系統的復雜性和故障類型的限制等，需要進一步加強研究和實踐。

3 方法設計

3.1 故障模型和假設

基于行波時差的多段混合線路故障定位方法假設混合線路中存在單一故障點，且故障點位置與測試點位置之間的傳輸線路可以用等效電路模型表示?；旌暇€路中的傳輸線路類型包括雙絞線、同軸電纜等，故障點類型包括開路和短路。

3.2 基于行波時差的多段混合線路故障定位流程

基于行波時差的多段混合線路故障定位方法的流程如圖1所示。

圖1 基于行波時差的多段混合線路故障定位方法的流程

其中，具體步驟如下：一是測試端口處發送脈沖信號，利用高速采樣技術獲取接收端口處的行波響應。二是對接收端口處的行波響應進行濾波和去噪處理，得到干凈的行波響應信號。三是根據傳輸線路的等效電路模型，計算傳輸線路的傳輸時間延遲。四是根據傳輸時間延遲，對干凈的行波響應信號進行時移，得到經過傳輸線路的參考波形和故障波形。五是根據參考波形和故障波形，計算行波時差。六是利用行波時差和傳輸時間延遲，計算故障點位置。七是對故障點位置進行驗證，并進行必要的修復。

3.3 傳輸線路的參數計算

3.3.1 雙絞線

雙絞線的參數計算式見表2。

表2 雙絞線的參數計算式

其中，L 表示電感，μ0表示真空中的磁導率（也稱為自由空間磁導率），μr表示磁芯材料的相對磁導率，N 表示線圈的匝數（或線圈數），A 表示線圈的橫截面積，l 表示線圈的長度。C 表示電容，π是圓周率，εr表示同軸電纜的相對介電常數，ε0表示真空中的介電常，ln 表示自然對數，d 表示同軸電纜兩個導體之間的距離，r 表示同軸電纜內導體的半徑。Z0表示特征阻抗，εr表示同軸電纜的相對介電常數，ln 表示自然對數，D 表示同軸電纜的外徑，d 表示同軸電纜的內徑，r 表示同軸電纜內導體的半徑，rc表示同軸電纜的屏蔽層的半徑。

3.3.2 同軸電纜

同軸電纜的參數計算式見表3。

表3 同軸電纜的參數計算式

其中，C 表示同軸電纜的電容，εr表示同軸電纜的相對介電常數，ε0表示真空中的介電常數，ln表示自然對數，D 表示同軸電纜的外徑，d 表示同軸電纜的內徑。Z0表示特征阻抗，L 表示電感，μ0表示真空中的磁導率，μr表示同軸電纜的相對磁導率。本文算法需采用雙端同步數據，因此，雙端數據的相位有一定偏差的情況下必然會造成測距結果的誤差[2]。

通過計算，可以得到傳輸線路的等效電路模型，并進行基于行波時差的多段混合線路故障定位?；谛胁〞r差的多段混合線路故障定位方法能夠快速、準確地定位混合線路中的單一故障點，為故障的及時修復提供了重要的技術支持。

4 試驗與結果

4.1 試驗平臺和數據采集

為驗證基于行波時差的多段混合線路故障定位方法的有效性，在Matlab/Simulink 平臺進行仿真試驗。試驗中使用的混合線路包括雙絞線、同軸電纜和微帶線。混合線路參數見表4。

表4 混合線路參數

為了模擬線路故障，在每種線路人為引入了10個故障點，分別為短路、開路和接地故障。數據采集時，在每個故障點處分別向線路注入一個5V 的方波信號，并在故障點的另一端接收信號，以獲取行波時差。

4.2 仿真結果與分析

在仿真試驗中，分別對三種混合線路的基本參數進行了計算，驗證了計算結果的正確性。在每個故障點處注入方波信號，并記錄信號在故障點兩端的行波時差，以進行故障定位。在故障定位過程中，利用本文介紹的基于行波時差的多段混合線路故障定位方法。

4.2.1 具體流程如下

一是對每個故障點，計算其兩端信號的行波時差。二是利用行波時差計算故障點與注入點的距離。三是將計算得到的距離和各個故障點的位置進行比較，找到距離最近的故障點。四是利用距離最近的故障點的位置和行波時差計算出故障點的具體位置。

在進行故障定位時，由表和圖中可以看出，在不同的故障類型和距離下，基于行波時差的多段混合線路故障定位方法都可以取得較高的準確性和精度。尤其是對于大多數故障類型和距離，該方法的定位精度都在1m 以內，實用價值較高。

4.2.2 試驗結果分析

對于同一種故障類型，在不同的距離下，定位誤差會隨著距離的增加而增加，但是整體精度仍然很高。在相同的距離下，不同的故障類型的定位精度存在一定差異，其中開路故障的定位精度最高，而短路故障的定位精度最低。對于同一種故障類型，不同的多段混合線路參數設置會對定位精度產生一定的影響。在實際應用中，需要根據具體情況進行參數優化。基于行波時差的多段混合線路故障定位方法具有高精度、高可靠性和實用性，行波法具有基本不受系統參數、運行方式和過渡電阻等因素影響的優點[3]，可以在實際工程中得到廣泛應用。

5 結語

研究提出了一種基于行波時差的多段混合線路故障定位方法，通過計算行波時差和混合線路的特征參數，可以實現對多段混合線路中的故障點進行精確定位。試驗結果表明，該方法在定位精度、定位范圍和計算時間等方面都優于傳統方法，具有較高的可行性和實用性。

未來的工作可以進一步探索該方法在復雜電力系統中的應用，同時結合機器學習等先進技術，進一步提高故障定位的準確性和效率。