关于输电线路的故障测距方法的探讨

关于输电线路的故障测距方法的探讨

【摘要】本文通过实践并结合相关资料，根据高压输电线路各测距算法采用的原理，进行了分析、对比和讨论，并在此基础上总结得出了行波法中仍需解决的问题和可能的解决办法以及各种测距算法的优点和存在的问题。

【关键词】输电线路；故障测距；行波法；故障分析法

1.引言

电能在现代社会中越来越重要，其安全运行与国民经济发展与人们生活息息相关，而高压输电线路的准确故障测距是从技术上保证电网安全、稳定和经济运行的重要措施之一，具有巨大的社会经济效益。输电线路故障测距按采用的线路模型、测距原理、被测量与测量设备等的不同有多种分类方法。根据测距原理分为故障分析法和行波法；根据测距所需的信息来源分为单端法、双端法和多端法；按采用的线路模型分为集中参数模型、考虑分布电容的模型和分布参数模型等。

2.故障分析法

故障分析法[1]根据系统在运行方式确定和线路参数己知的条件下，输电线路故障时测量装置处的电压和电流是故障距离的函数，利用故障录波记录的故障数据建立电压、电流回路方程，通过分析计算得出故障距离。

2.1 利用单端数据的故障分析法

利用单端数据的故障分析法包括阻抗法、电压法和解方程法。阻抗法是利用故障时在线路一端测到的电压、电流计算出故障回路的阻抗，其与测量点到故障点的距离成正比从而求出故障距离。电压法根据输电线路上发生故障时，故障点处的电压有最小值，通过计算各故障相电压的沿线分布，找出故障相电压的最低点实现故障测距。据此又提出计算正序故障分量、负序和零序分量的电压沿故障线分布，找出电压的最高点实现故障测距。对比两种方法后者更为简单。解方程法是根据输电线路参数和系统模型，利用测距点的电压、电流，用解方程的方法直接求出故障点的距离。解方程法包括解复数方程和解微分方程，前者在频域内求解后者在时域内求解。

2.2 利用双端数据的故障分析法

利用双端数据的故障分析法可分为利用两端电流或两端电流、一端电压的方法；利用两端电压和电流的方法；解微分方程的方法。以上方法可分别建立在三种输电线路模型上，且又可分为需要两端数据同步或不同步两种。

2.3 影响故障分析法测距精度的因素

1）线路参数的测量问题。故障分析法中输电线路参数计算方法都是在多种假设条件下进行的，很难保证与现场实际情况一致。高压输电线路的参数还受沿线地质、气候、大地电阻率分布不均等因素的影响，甚至线路长度也是随季节变化的，这是造成测距误差的一个重要原因。

2）工频电气量的采集问题。由于算法中电流、电压采用工频电气量，而在故障暂态过程电流、电压包含非周期分量、工频量和各次谐波分量，因此在故障测距前必须对所采集的数据进行数字滤波。

3）采样数据的同步性问题。两端同步的双端法为采用简单精确的同步算法，首先必需解决线路两端的同步采样问题。传统的时钟同步方法难以满足要求。利用GPS传递的精确时间信号为实现双端量高精度故障测距奠定了坚实基础。但需要增加GPS接收装置等硬件设备，造价高昂，同时实际测距还有赖于GPS的可靠运行。另外，现场中的硬件对采集的信息仍具有一定的时延，因此两端很难做到真正意义上的数据同步，故在应用上有一定的局限性。

单端法硬件要求简单，具有投资少，实现容易等优点。但是这种方法除单端供电线路外，仅使用本侧信息不能消除对侧系统阻抗变化和故障点过渡电阻的影响，会给测距结果带来较大的误差，甚至失效。双端法由于使用了双端信息，因此不必引入对端系统参数，在原理上完全不受故障过渡电阻大小、性质和双端系统阻抗的影响，从原理上保证了测距的精度。但其在数据同步和伪根判别等方面尚有进一步改进之处。

3.行波法

行波法是根据行波传输理论实现的测距方法。如图1，当输电线路发生故障时，会产生沿线传输的故障行波，在故障点和其它阻抗不连续点发生折、反射，利用故障行波的传输时间计算故障距离。

图1 行波网格图

3.1 行波法的分类

根据检测行波的方式，各种行波定位方法主要分为A、B、C、D四种类型：A型是根据故障点产生的行波传到母线和从母线反射到故障点，再由故障点反射后到达母线的时间差来定位；B、C型包括脉冲或信号发生器，故障后施加高频或直流信号，根据雷达原理制成，其中B型是双端法，C型是单端法；D型根据故障点产生的向两侧母线运动的行波到达两侧母线的时间差来判断故障位置。B型和C型已得到实际应用。近年来主要是针对A型和D型进行研究，由于仅利用故障产生的行波来定位，不用附加其它设备，A型和D型定位显示出一定的优越性。文献[1]根据故障线路分合闸产生的暂态行波提出了E、F型故障测距方法，但易受保护动作的影响，此外对于瞬时性故障，可能线路分合闸时故障已经消除，无法找出线路故障点，不利于查找和分析线路可能存在的隐患。

另外根据故障行波的物理性质，有电压行波法和电流行波法。根据获取故障行波的来源又可分为单端法和双端法。

3.2 行波法的研究现状及技术问题

行波法主要解决好行波的获取、波头的识别、行波到达时刻的标定、波速的确定等问题。

3.2.1 行波的获取

暂态行波所覆盖的频带很宽，从几千赫兹到几百千赫兹。为了能够在二次侧观察到线路上的暂态行波，要求电压、电流信号变换回路有足够快得响应速度。例如，假定行波传输速度等于光速，为了将测距分辨率控制在500m以内，电压和电流暂态信号变换回路输出信号的上升时间必须在3.3μs以内，相应变换回路的截止频率不能低于25kHz。

因此受超高压线路上广泛采用的电容式电压互感器（CVT）行波传变特性不佳的影响，电压行波法的应用受到了较大的限制。文献[2]通过将电感线圈串入CVT接地导线中抽取暂态电压行波。文献[3]采用专用行波传感器来耦合CVT接地线的电流间接提取故障电压行波。常规的电流互感器（CT）可以传变100kHz以上的暂态电流信号，因而完全能够满足行波测距的要求。基于电流行波的故障测距装置已经逐步实用化。文献[4]研究了行波测距的失效点问题，当在电压过零点附近故障或两相电压相等处发生两相短路故障时，故障产生的行波将很微弱，并且叠加在很大的工频量信号上，再加上各种干扰，可能难以检测的到，此时行波测距算法失效。其利用输电线路发生故障跳闸后自动重合闸脉冲及重合时差，提出了两种在行波测距失效点处的故障定位方法。3.2.2 行波波头的识别

行波波头的识别有基于硬件和软件两类方法。传统检测波头的方法有导数法、相关法、匹配滤波器法。这些算法使用时都受到一定条件限制，特别是对于单端行波法故障点反射波不易检测和识别，严重影响了故障测距精度。文献[2]论述了加拿大采用电压行波利用硬件波形辨识电路辨识行波波头。文献[5]利用小波变换模极大值与信号奇异点对应检测波头。文献[8]提出采用Hilbert-Huang变换（HHT）对故障行波信号进行检测。两种变换的比较如表1。可见HHT可克服小波变换存在的问题值得进一步去研究。由于采集到的行波信号往往含有大量噪声信号，这给行波波头的准确捕捉带来了困难。

表1 小波变换和HHT的比较

变换方法 分解类型 自适应性 基函数 成熟度

小波变换 时间-频率 受小波基函数限制，不具有 需选择合适的基函数 成熟

HHT 时间-瞬时频率 EMD分解从信号本身特征出发，具有。 无 较成熟

需提高

3.2.3 行波的传播及波速的确定

在实际输电线路中，行波的传播受到多种因素的影响。行波在三相输电线路上的传播可分为线模分量和零模分量。文献[3]对大地电阻率、分段地线、分裂导线、过渡电阻和换位点对地模和线模行波传播的影响进行了研究，并得出由于影响行波地模的因素太多，而线模受到的影响较小，因而把线模作为故障定位用行波比较合适。文献[4]在其测距算法中采用线模分量进行计算。文献[6]指出实际中从故障点来的零模行波能否到达检测点，需要做进一步的探讨。零模行波的衰减规律也尚需做进一步的研究。

文献[3]研究了行波传输的色散特性，得出行波色散主要由地模所引起。行波传播过程中，由于高频分量衰减快，故行波中的有效频率分量范围反比于故障距离而且和故障类型有关。波速的计算取决于架空线的配置和大地电阻率的分布。

3.2.4 单端行波法

单端行波测距利用在线路一端测量到的数据计算故障距离，如图2所示，M为测量端，l是线路长度。文献[6]介绍了单端测距的两种算法。

图2 单、双端测距示意图

x=v1Δt/2 （1）

x=v1v0（tM2-tM1）（v1-v0） （2）

其中：v1、v0是行波线模、零模波速；Δt是初始行波与故障点反射波到达M端的时间差；

tM1、tM2是线模、零模行波到达M端的时刻。在许多场合，同一母线上接有多条出线。背侧相邻线路对端的反射波与故障点的反射波极为相似，当背侧相邻线路的长度小于检测点到故障点的距离时，将使故障点反射波的检测受到影响。2.2.5双端及多端行波法

文献[6]介绍了两种双端测距算法。

（3）

x=lC/（A-B+2C） （4）

其中：A=tM1-tN1、B=tM2-tN2、C=tM2-tM1；

变量含义同上。虽然算法2取消了波速的影响但仿真分析指出算法一的测距误差更小。双端行波法的关键是准确记录下电流或电压行波到达线路两端的相对时间，需要专用的同步时钟单元。随着GPS的广泛应用，利用接收GPS的卫星信号可以获取精度在0.2μs以内的时间脉冲，因此GPS可作为双端法的同步时间单元。根据双端行波定位算法设计了故障测距装置，给线路两端提供统一的GPS同步时钟和线路间高速信道。

针对双端行波测距法中行波波速难以准确获得，文献[7]提出了一种不受波速影响的三端法。如图3所示，测量端2为本端。该方法取消了波速的影响；由于只测量故障行波第1次到达测量端的绝对时刻。t1t2和t3，行波波头突变明显，可达到较高的测量精度；其故障距离计算式在塔杆挡距和弧垂相近情况下可以近似消除线路弧垂的影响。仿真结果表明利用该方法可使测距误差控制在150m以内，与双端法相比，克服了因波速数值选取的主观性造成的近、远端故障误差偏大的问题，并且误差数值整体上比双端法偏小。该方法的难点是检测相邻线路对端母线测量点处波头的到达时刻。

图3 三端测距示意图

随着光电电压、电流互感器的逐步实用化，数字化变电站已不再遥远，故障行波定位将走向网络化和智能化的道路。文献[9]提出了基于电压行波的整个输电网的综合故障定位思想，采用专门设计的行波传感器捕捉母线电压行波，每个变电站只需要装设一套电压行波定位系统，便可以形成故障行波记录网络。基于整个输电网的故障行波定位系统具有N-1容错能力，可以采用包含故障线路的任意两个变电站进行故障测距，增强了测距可靠性和适应能力。国内产品普遍采用电流行波，并可以检测多达8-9回出线，理论上也可以实现全网综合故障定位，但无疑会增加数据分析的难度和计算量。

4.总结

行波法原理简单，理论上不易受系统运行方式、过渡电阻、T形接线、线路分布电容的影响，测距精度高。但在实际中则受到许多工程因素的制约。母线接线方式的不确定性，相邻并列线路的互感耦合及线路两端的非线性元件等，使波过程的分析相当复杂，直接影响反射波的识别；输电线路上存在着大量的干扰，其性质与故障点行波极为相似，并与故障点的反射波交织在一起，更增加了识别的难度。在实际输电线路中，由于导线不均匀、不完全换位、输电线沿线大地电阻率变化、线路参数随频率而变化及行波色散等问题，使得行波分析和研究比较困难，故障产生行波的特点不能被充分利用。尽管存在以上问题，但行波法依然是故障测距未来研究的主要方向。

参考文献

[1]陈平.输电线路现代行波故障测距及其应用研究[D].西安：西安交通大学，2003.

[2]Lee H，Mousa A M.GPS Traveling Wave Fault LocatorSystems：Investigation into the Anomalous Measure-mentRelated to Lightning Strikes[J].IEEE Trans on PowerDelivery，1996，11（3）：1214-1223.

[3]覃剑，陈祥训，郑健超.行波在输电线上传播的色散研究[J].中国电机工程学报，1999，19（9）.

[4]刘振松.行波测距失效点处的故障测距研究[J].云南水力发电，2008，24（3）：89-94.

[5]郭培青，颜平丽.超高压输电线路故障暂态行波的奇异性仿真分析研究[J].电气开关，2008（5）：44-47.

[6]李友军，王俊生，等.几种行波测距算法的比较[J].电力系统自动化，2001，27（7）：36-39.

[7]曾祥君.电力线路故障检测与测距新原理及其信息融合实现研究[D].武汉：华中科技大学，2000.

[8]张小丽，曾祥君，等.基于Hilbert-Huang变换的电网故障行波定位方法[J].电力系统自动化，2008，32（8）：64-68.

[9]曾祥君，尹项根，陈德树，等.基于整个输电网GPS波故障定位系统的研究[J].电力系统自动化，1999，23（10）.