淺析輸電線(xiàn)路故障定位算法現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

周笛，陳霖

(1.桂林供電局，廣西 桂林 541002;2.廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院，廣西 南寧 530004)

1 引言

隨著電力系統(tǒng)不斷發(fā)展，超高壓、長(zhǎng)距離輸電線(xiàn)路越來(lái)越多。為減少線(xiàn)路故障后的尋查工作量，縮短故障修復(fù)時(shí)間，節(jié)約大量的人力、物力，提高供電可靠性，減少停電損失，加強(qiáng)并提高系統(tǒng)運(yùn)行管理水平，迫切需要在系統(tǒng)發(fā)生故障后能迅速、準(zhǔn)確地查找到故障點(diǎn)，線(xiàn)路故障點(diǎn)的準(zhǔn)確定位顯得越來(lái)越重要。對(duì)于大多數(shù)的能夠重合成功的瞬時(shí)性故障，準(zhǔn)確地測(cè)出故障點(diǎn)位置，可以辨別是雷電過(guò)電壓造成的故障，還是由于線(xiàn)路絕緣子老化、線(xiàn)路下樹(shù)枝擺動(dòng)造成的故障。及時(shí)地發(fā)現(xiàn)事故隱患，采取有針對(duì)性的措施，避免事故再一次地發(fā)生。線(xiàn)路故障后迅速準(zhǔn)確的確定故障點(diǎn)，不僅對(duì)及時(shí)修復(fù)線(xiàn)路和保證可靠供電，而且對(duì)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行都有十分重要的作用。

早期的故障定位一般是根據(jù)模擬式錄波器記錄的故障錄波圖粗略的估計(jì)故障點(diǎn)的位置。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的普遍發(fā)展及應(yīng)用，基于微機(jī)的保護(hù)裝置和故障錄波裝置應(yīng)用的越來(lái)越廣泛，由于當(dāng)時(shí)的故障定位方法還不是很完善，且受其他因素的影響，測(cè)距精度仍得不到保障。近年來(lái)，高速數(shù)字信號(hào)處理器及其他新型技術(shù)的發(fā)展，為各種測(cè)距算法的發(fā)展提供了保證。本文分析了各種故障定位方法的優(yōu)缺點(diǎn)，并由此提出了發(fā)展輸電線(xiàn)路故障定位技術(shù)的研究思路。目前的故障定位方法可以分為行波測(cè)距法和阻抗測(cè)距法。

2 行波測(cè)距法

行波法最早誕生于20世紀(jì)40年代，它是通過(guò)測(cè)量故障產(chǎn)生的行波在故障線(xiàn)路上的時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)距的方法。由于早期受許多相關(guān)技術(shù)的限制，比如行波信號(hào)的提取、信號(hào)處理方法、數(shù)據(jù)處理方法等等，一直沒(méi)有得到推廣。隨著近年來(lái)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，GPS的商業(yè)化，高速處理芯片的應(yīng)用，為行波分析方法在電力系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的運(yùn)用提供了基本手段。

行波分析法可分為A、B、C、D 四種方法［1］，其中A型和C型采用的是單端信號(hào)定位;B型和D型采用雙端信號(hào)定位。對(duì)于單端信號(hào)的行波測(cè)距法而言，由于行波到達(dá)故障點(diǎn)后會(huì)發(fā)生反射，也會(huì)折射到對(duì)端的母線(xiàn)，折射到對(duì)端母線(xiàn)的行波經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后又會(huì)反射到測(cè)量點(diǎn)，使得行波分析有較大的誤差。由于影響因素較多，后面幾次的行波辨識(shí)比上一次的辨識(shí)更加困難，因此單端法難以精確記錄兩次行波到達(dá)測(cè)量端的時(shí)間，以致測(cè)量存在較大的誤差。雙端法由于是故障后記錄電流或電壓行波到達(dá)線(xiàn)路兩端的時(shí)間，而行波的傳輸速度近似于光速，1μs就會(huì)造成150m的誤差，因此這種測(cè)距原理對(duì)線(xiàn)路兩側(cè)的GPS對(duì)時(shí)系統(tǒng)要求非常高。

故障行波信號(hào)是一個(gè)突變的、具有奇異性的、含有大量高頻分量的信號(hào)，并且行波在不同的模式下傳播時(shí)，各頻率分量的傳播速度和衰減也各自不同，從而造成行波的到達(dá)時(shí)間難以準(zhǔn)確判斷，這些是影響行波法故障測(cè)距精度得重要原因之一。小波分析法的出現(xiàn)使行波的信號(hào)處理有了一個(gè)很好的解決辦法。小波分析法［2］具有伸縮、平移和放大功能，它在時(shí)域和頻域上同時(shí)具有良好的局部化性質(zhì)。它可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行多尺度分析，具有很強(qiáng)的特征提取功能，尤其對(duì)突變信號(hào)的處理優(yōu)勢(shì)非常明顯，另外，由于隨機(jī)噪聲信號(hào)和有效信號(hào)的小波變換在特征上有明顯的區(qū)別，因此小波分析法具有很強(qiáng)的消噪功能。這些優(yōu)勢(shì)為小波分析法在微機(jī)保護(hù)中的應(yīng)用提供了可靠性。

3 阻抗測(cè)距法

阻抗測(cè)距法廣義上又稱(chēng)為故障分析法，是根據(jù)故障時(shí)的系統(tǒng)自身參數(shù)以及故障點(diǎn)的電壓、電流求得故障阻抗的一種通用方法。阻抗法也包括單端量法和雙端量法。

3.1 單端量測(cè)距法

單端量法一般是在系統(tǒng)運(yùn)行方式確定和線(xiàn)路參數(shù)已知的情況下，利用線(xiàn)路一端測(cè)得的電流、電壓計(jì)算出故障阻抗的一種算法。由于保護(hù)裝置、測(cè)量裝置和錄波裝置公用一套電流、電壓互感器，硬件投資少，且不受系統(tǒng)通信條件的限制，在早期的測(cè)距裝置中應(yīng)用的較多。但是單端測(cè)距法只使用了一側(cè)的故障信息，故障過(guò)渡電阻和對(duì)側(cè)系統(tǒng)阻抗變化對(duì)測(cè)距精度有著較大的影響?，F(xiàn)代的單端測(cè)距算法可細(xì)分為迭代法、解微分方程法、解二次方程法等。

迭代法是從分析故障時(shí)系統(tǒng)序網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)入手，根據(jù)邊界條件，得出測(cè)量端短路電流與故障支路同類(lèi)電流之間或者它們的相角之間存在的關(guān)系式，再與測(cè)量端電壓方程構(gòu)成方程組，得到一個(gè)值，最后利用所得值反復(fù)迭代，求得一個(gè)最優(yōu)近似值。文獻(xiàn)［3］提出利用迭代法來(lái)求解故障距離，通過(guò)一定次數(shù)的迭代來(lái)修正故障電流相位，雖然解決了電流不同相位而帶來(lái)的誤差問(wèn)題，但缺點(diǎn)是迭代結(jié)果不一定收斂于故障距離，且定位精度受過(guò)渡電阻等因素的影響。

解微分方程法是基于被測(cè)線(xiàn)路的分布電容可以忽略的情況下提出的，它利用兩個(gè)不同時(shí)刻的采樣值，獲得兩個(gè)獨(dú)立的方程，從而求得故障距離。該方法無(wú)需雙側(cè)系統(tǒng)參數(shù)和故障前的數(shù)據(jù)，由于是采樣兩個(gè)時(shí)刻的瞬時(shí)值，響應(yīng)時(shí)間短，且不必濾掉非周期分量。但該方法忽略了分布電容的存在，因此對(duì)長(zhǎng)線(xiàn)路失效，并且在高阻抗故障時(shí)，測(cè)距精度影響較大。文獻(xiàn)［4］則利用正序和負(fù)序故障分量的相位代替故障電流的相位，使之適應(yīng)于高阻抗接地。但同時(shí)測(cè)距精度也會(huì)受對(duì)側(cè)系統(tǒng)運(yùn)行方式和過(guò)渡電阻的影響。因此要減小其影響，就要引入對(duì)端系統(tǒng)的阻抗，那必然要受對(duì)側(cè)系統(tǒng)阻抗變化的影響，這是單端測(cè)距算法長(zhǎng)期沒(méi)有解決的難題。

3.2 雙端量測(cè)距法

雙端量測(cè)距法是利用線(xiàn)路兩端的電氣量實(shí)現(xiàn)的故障測(cè)距算法。由于這類(lèi)算法是利用兩端電流電壓推算倒故障點(diǎn)電壓相等的條件獲得的故障位置信息，因此從原理上不存在過(guò)渡電阻和對(duì)側(cè)系統(tǒng)運(yùn)行方式變化影響的問(wèn)題。目前的雙端測(cè)距法主要分為雙端數(shù)據(jù)同步和不同步兩種。

(1)基于雙端數(shù)據(jù)同步采樣數(shù)的測(cè)距算法

這類(lèi)算法的特點(diǎn)是算法簡(jiǎn)單，但由于要求兩端數(shù)據(jù)采樣同步，對(duì)硬件要求較高，數(shù)據(jù)采樣的非同步誤差會(huì)影響這類(lèi)算法的測(cè)距精度，通常利用GPS對(duì)時(shí)系統(tǒng)保證兩端數(shù)據(jù)采樣同步或進(jìn)行采樣同步化來(lái)處理解決該問(wèn)題。文獻(xiàn)［5］是基于微分方程的算法，它利用兩端的暫態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在短線(xiàn)路中，用差分代替微分，采用最小二乘法提高精度;長(zhǎng)線(xiàn)路中，利用貝瑞龍模型，故障距離也通過(guò)最小二乘法進(jìn)行校正，此方法采用兩端電流電壓的瞬時(shí)值，靈活方便，且對(duì)硬件的要求比行波法低，只需要兩端數(shù)據(jù)同步即可。文獻(xiàn)［6，7］提出基于模分析理論的精確故障定位法，該方法利用相－模變換原理很好地克服了輸電線(xiàn)路參數(shù)實(shí)際上的不平衡對(duì)故障測(cè)距精度的影響，既適用于不換位線(xiàn)路，也適用于各種換位線(xiàn)路，還可以推廣到耦合平行雙回線(xiàn)路的故障測(cè)距。

(2)基于雙端數(shù)據(jù)不同步采樣的測(cè)距算法

不同步數(shù)據(jù)采樣算法是先在計(jì)算中引入相角差，在故障點(diǎn)處列些兩端電壓方程式，得到關(guān)于相角差和故障距離的兩個(gè)方程，然后使用迭代法求出相角差，進(jìn)而得到故障距離;或消除相角差，建立故障距離的二次方程求得故障點(diǎn)。文獻(xiàn)［8］利用本端電壓、電流和對(duì)側(cè)的電流實(shí)現(xiàn)故障測(cè)距，由于是直接利用分相式電流差動(dòng)保護(hù)已有電流信息，因此可以不必考慮雙端數(shù)據(jù)的同步問(wèn)題。

(3)帶有串補(bǔ)電容補(bǔ)償?shù)妮旊娋€(xiàn)路故障測(cè)距

串聯(lián)電容補(bǔ)償技術(shù)是一項(xiàng)十分成熟的技術(shù)，在電力系統(tǒng)中已有80多年的應(yīng)用歷史。在輸電線(xiàn)路中加入串補(bǔ)電容不僅能提高線(xiàn)路的輸送能力，還可以提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行水平。研究表明:串聯(lián)電容補(bǔ)償技術(shù)不僅在技術(shù)上具有優(yōu)勢(shì)，而且經(jīng)濟(jì)效益也非常明顯，常規(guī)串補(bǔ)電容補(bǔ)償?shù)脑靸r(jià)通常不到架設(shè)一條新輸電線(xiàn)路造價(jià)的10%［9］。

由于串聯(lián)補(bǔ)償電容的存在破壞了輸電線(xiàn)路的均勻性，常規(guī)的測(cè)距算法已不能滿(mǎn)足其要求。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者進(jìn)行了有關(guān)串補(bǔ)電容輸電線(xiàn)路測(cè)距算法的研究，文獻(xiàn)［10］利用單側(cè)電壓電流工頻分量進(jìn)行雙電源線(xiàn)路短路點(diǎn)定位，原理上無(wú)法克服對(duì)側(cè)系統(tǒng)運(yùn)行方式阻抗隨負(fù)荷波動(dòng)和運(yùn)行方式的改變而變化對(duì)測(cè)距精度的影響。文獻(xiàn)［11］是采用雙端數(shù)據(jù)，利用序分量求解的精確故障定位算法，它不需要雙端信號(hào)同步，并且考慮的MOV的非線(xiàn)性問(wèn)題。

4 各種測(cè)距算法的比較

4.1 行波測(cè)距法和阻抗測(cè)距法的比較

在以上的測(cè)距方法中，行波測(cè)距法由于因波速的不確定性，測(cè)距死區(qū)及對(duì)硬件的要求非常高等問(wèn)題而使其應(yīng)用受到限制。由于行波法測(cè)距裝置是獨(dú)立的一套裝置，這不僅加大了投資成本，并且維護(hù)也較困難，因此要得到普及的應(yīng)用還有待相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。阻抗測(cè)距法充分利用現(xiàn)有的投運(yùn)設(shè)備的信息進(jìn)行分析，硬件投資少，容易實(shí)現(xiàn)，比較實(shí)用。目前我局變電站的所有故障測(cè)距系統(tǒng)都是基于故障分析法的原理，并且都是集成在保護(hù)裝置中，這樣不僅減少了投資，而且方便日常的維護(hù)和檢修，節(jié)省了大量的人力和時(shí)間，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

4.2 單端測(cè)距法和雙端測(cè)距法的比較

縱觀現(xiàn)有的單端測(cè)距算法，由于在原理上始終不能消除故障過(guò)渡電阻和對(duì)側(cè)系統(tǒng)阻抗變化對(duì)測(cè)距精度得影響，因此在高壓架空輸電線(xiàn)路中使用的較少。而雙端測(cè)距算法由于在原理上不存在誤差，不受過(guò)渡電阻和對(duì)側(cè)系統(tǒng)阻抗的影響，近年來(lái)其發(fā)展越來(lái)越迅速，但是雙端測(cè)距法必須采樣線(xiàn)路兩側(cè)的電氣量，因此就出現(xiàn)了兩端數(shù)據(jù)采樣同步的問(wèn)題，如何消除因兩端數(shù)據(jù)采樣不同步而造成測(cè)距精度不準(zhǔn)確的影響因素值得進(jìn)一步的深入研究。

5 結(jié)論

高壓架空輸電線(xiàn)路的精確定位是從技術(shù)上保證電網(wǎng)安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要措施之一?，F(xiàn)有的各種測(cè)距算法各有其優(yōu)缺點(diǎn)，都有需要進(jìn)一步解決的技術(shù)問(wèn)題。行波測(cè)距法由于其行波故障分量的提取和計(jì)算、故障行波到達(dá)時(shí)間的精確確定等問(wèn)題，以及行波測(cè)距裝置投資成本高，維護(hù)較困難使其普及應(yīng)用受到限制。單端測(cè)距算法在原理上無(wú)法消除過(guò)渡電阻和對(duì)側(cè)系統(tǒng)阻抗變化的影響，測(cè)距精度較低。隨著通信和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，雙端測(cè)距算法越來(lái)越發(fā)展成為一種趨勢(shì)，但算法自身的適應(yīng)性和剔除偽根判據(jù)等是目前亟待解決的問(wèn)題。隨著裝置在實(shí)際運(yùn)行中的不斷總結(jié)和完善，兩端數(shù)據(jù)不同步的測(cè)距算法將更加優(yōu)越，具有較大的工程使用價(jià)值。

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