關(guān)于輸電線路的故障測(cè)距方法的探討

【摘要】本文通過(guò)實(shí)踐并結(jié)合相關(guān)資料，根據(jù)高壓輸電線路各測(cè)距算法采用的原理，進(jìn)行了分析、對(duì)比和討論，并在此基礎(chǔ)上總結(jié)得出了行波法中仍需解決的問(wèn)題和可能的解決辦法以及各種測(cè)距算法的優(yōu)點(diǎn)和存在的問(wèn)題。

【關(guān)鍵詞】輸電線路；故障測(cè)距；行波法；故障分析法

1.引言

電能在現(xiàn)代社會(huì)中越來(lái)越重要，其安全運(yùn)行與國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展與人們生活息息相關(guān)，而高壓輸電線路的準(zhǔn)確故障測(cè)距是從技術(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，具有巨大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。輸電線路故障測(cè)距按采用的線路模型、測(cè)距原理、被測(cè)量與測(cè)量設(shè)備等的不同有多種分類(lèi)方法。根據(jù)測(cè)距原理分為故障分析法和行波法；根據(jù)測(cè)距所需的信息來(lái)源分為單端法、雙端法和多端法；按采用的線路模型分為集中參數(shù)模型、考慮分布電容的模型和分布參數(shù)模型等。

2.故障分析法

故障分析法[1]根據(jù)系統(tǒng)在運(yùn)行方式確定和線路參數(shù)己知的條件下，輸電線路故障時(shí)測(cè)量裝置處的電壓和電流是故障距離的函數(shù)，利用故障錄波記錄的故障數(shù)據(jù)建立電壓、電流回路方程，通過(guò)分析計(jì)算得出故障距離。

2.1 利用單端數(shù)據(jù)的故障分析法

利用單端數(shù)據(jù)的故障分析法包括阻抗法、電壓法和解方程法。阻抗法是利用故障時(shí)在線路一端測(cè)到的電壓、電流計(jì)算出故障回路的阻抗，其與測(cè)量點(diǎn)到故障點(diǎn)的距離成正比從而求出故障距離。電壓法根據(jù)輸電線路上發(fā)生故障時(shí)，故障點(diǎn)處的電壓有最小值，通過(guò)計(jì)算各故障相電壓的沿線分布，找出故障相電壓的最低點(diǎn)實(shí)現(xiàn)故障測(cè)距。據(jù)此又提出計(jì)算正序故障分量、負(fù)序和零序分量的電壓沿故障線分布，找出電壓的最高點(diǎn)實(shí)現(xiàn)故障測(cè)距。對(duì)比兩種方法后者更為簡(jiǎn)單。解方程法是根據(jù)輸電線路參數(shù)和系統(tǒng)模型，利用測(cè)距點(diǎn)的電壓、電流，用解方程的方法直接求出故障點(diǎn)的距離。解方程法包括解復(fù)數(shù)方程和解微分方程，前者在頻域內(nèi)求解后者在時(shí)域內(nèi)求解。

2.2 利用雙端數(shù)據(jù)的故障分析法

利用雙端數(shù)據(jù)的故障分析法可分為利用兩端電流或兩端電流、一端電壓的方法；利用兩端電壓和電流的方法；解微分方程的方法。以上方法可分別建立在三種輸電線路模型上，且又可分為需要兩端數(shù)據(jù)同步或不同步兩種。

2.3 影響故障分析法測(cè)距精度的因素

1）線路參數(shù)的測(cè)量問(wèn)題。故障分析法中輸電線路參數(shù)計(jì)算方法都是在多種假設(shè)條件下進(jìn)行的，很難保證與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況一致。高壓輸電線路的參數(shù)還受沿線地質(zhì)、氣候、大地電阻率分布不均等因素的影響，甚至線路長(zhǎng)度也是隨季節(jié)變化的，這是造成測(cè)距誤差的一個(gè)重要原因。

2）工頻電氣量的采集問(wèn)題。由于算法中電流、電壓采用工頻電氣量，而在故障暫態(tài)過(guò)程電流、電壓包含非周期分量、工頻量和各次諧波分量，因此在故障測(cè)距前必須對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波。

3）采樣數(shù)據(jù)的同步性問(wèn)題。兩端同步的雙端法為采用簡(jiǎn)單精確的同步算法，首先必需解決線路兩端的同步采樣問(wèn)題。傳統(tǒng)的時(shí)鐘同步方法難以滿(mǎn)足要求。利用GPS傳遞的精確時(shí)間信號(hào)為實(shí)現(xiàn)雙端量高精度故障測(cè)距奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。但需要增加GPS接收裝置等硬件設(shè)備，造價(jià)高昂，同時(shí)實(shí)際測(cè)距還有賴(lài)于GPS的可靠運(yùn)行。另外，現(xiàn)場(chǎng)中的硬件對(duì)采集的信息仍具有一定的時(shí)延，因此兩端很難做到真正意義上的數(shù)據(jù)同步，故在應(yīng)用上有一定的局限性。

單端法硬件要求簡(jiǎn)單，具有投資少，實(shí)現(xiàn)容易等優(yōu)點(diǎn)。但是這種方法除單端供電線路外，僅使用本側(cè)信息不能消除對(duì)側(cè)系統(tǒng)阻抗變化和故障點(diǎn)過(guò)渡電阻的影響，會(huì)給測(cè)距結(jié)果帶來(lái)較大的誤差，甚至失效。雙端法由于使用了雙端信息，因此不必引入對(duì)端系統(tǒng)參數(shù)，在原理上完全不受故障過(guò)渡電阻大小、性質(zhì)和雙端系統(tǒng)阻抗的影響，從原理上保證了測(cè)距的精度。但其在數(shù)據(jù)同步和偽根判別等方面尚有進(jìn)一步改進(jìn)之處。

3.行波法

行波法是根據(jù)行波傳輸理論實(shí)現(xiàn)的測(cè)距方法。如圖1，當(dāng)輸電線路發(fā)生故障時(shí)，會(huì)產(chǎn)生沿線傳輸?shù)墓收闲胁?，在故障點(diǎn)和其它阻抗不連續(xù)點(diǎn)發(fā)生折、反射，利用故障行波的傳輸時(shí)間計(jì)算故障距離。

圖1 行波網(wǎng)格圖

3.1 行波法的分類(lèi)

根據(jù)檢測(cè)行波的方式，各種行波定位方法主要分為A、B、C、D四種類(lèi)型：A型是根據(jù)故障點(diǎn)產(chǎn)生的行波傳到母線和從母線反射到故障點(diǎn)，再由故障點(diǎn)反射后到達(dá)母線的時(shí)間差來(lái)定位；B、C型包括脈沖或信號(hào)發(fā)生器，故障后施加高頻或直流信號(hào)，根據(jù)雷達(dá)原理制成，其中B型是雙端法，C型是單端法；D型根據(jù)故障點(diǎn)產(chǎn)生的向兩側(cè)母線運(yùn)動(dòng)的行波到達(dá)兩側(cè)母線的時(shí)間差來(lái)判斷故障位置。B型和C型已得到實(shí)際應(yīng)用。近年來(lái)主要是針對(duì)A型和D型進(jìn)行研究，由于僅利用故障產(chǎn)生的行波來(lái)定位，不用附加其它設(shè)備，A型和D型定位顯示出一定的優(yōu)越性。文獻(xiàn)[1]根據(jù)故障線路分合閘產(chǎn)生的暫態(tài)行波提出了E、F型故障測(cè)距方法，但易受保護(hù)動(dòng)作的影響，此外對(duì)于瞬時(shí)性故障，可能線路分合閘時(shí)故障已經(jīng)消除，無(wú)法找出線路故障點(diǎn)，不利于查找和分析線路可能存在的隱患。

另外根據(jù)故障行波的物理性質(zhì)，有電壓行波法和電流行波法。根據(jù)獲取故障行波的來(lái)源又可分為單端法和雙端法。

3.2 行波法的研究現(xiàn)狀及技術(shù)問(wèn)題

行波法主要解決好行波的獲取、波頭的識(shí)別、行波到達(dá)時(shí)刻的標(biāo)定、波速的確定等問(wèn)題。

3.2.1 行波的獲取

暫態(tài)行波所覆蓋的頻帶很寬，從幾千赫茲到幾百千赫茲。為了能夠在二次側(cè)觀察到線路上的暫態(tài)行波，要求電壓、電流信號(hào)變換回路有足夠快得響應(yīng)速度。例如，假定行波傳輸速度等于光速，為了將測(cè)距分辨率控制在500m以?xún)?nèi)，電壓和電流暫態(tài)信號(hào)變換回路輸出信號(hào)的上升時(shí)間必須在3.3μs以?xún)?nèi)，相應(yīng)變換回路的截止頻率不能低于25kHz。

因此受超高壓線路上廣泛采用的電容式電壓互感器（CVT）行波傳變特性不佳的影響，電壓行波法的應(yīng)用受到了較大的限制。文獻(xiàn)[2]通過(guò)將電感線圈串入CVT接地導(dǎo)線中抽取暫態(tài)電壓行波。文獻(xiàn)[3]采用專(zhuān)用行波傳感器來(lái)耦合CVT接地線的電流間接提取故障電壓行波。常規(guī)的電流互感器（CT）可以傳變100kHz以上的暫態(tài)電流信號(hào)，因而完全能夠滿(mǎn)足行波測(cè)距的要求?；陔娏餍胁ǖ墓收蠝y(cè)距裝置已經(jīng)逐步實(shí)用化。文獻(xiàn)[4]研究了行波測(cè)距的失效點(diǎn)問(wèn)題，當(dāng)在電壓過(guò)零點(diǎn)附近故障或兩相電壓相等處發(fā)生兩相短路故障時(shí)，故障產(chǎn)生的行波將很微弱，并且疊加在很大的工頻量信號(hào)上，再加上各種干擾，可能難以檢測(cè)的到，此時(shí)行波測(cè)距算法失效。其利用輸電線路發(fā)生故障跳閘后自動(dòng)重合閘脈沖及重合時(shí)差，提出了兩種在行波測(cè)距失效點(diǎn)處的故障定位方法。

3.2.2 行波波頭的識(shí)別

行波波頭的識(shí)別有基于硬件和軟件兩類(lèi)方法。傳統(tǒng)檢測(cè)波頭的方法有導(dǎo)數(shù)法、相關(guān)法、匹配濾波器法。這些算法使用時(shí)都受到一定條件限制，特別是對(duì)于單端行波法故障點(diǎn)反射波不易檢測(cè)和識(shí)別，嚴(yán)重影響了故障測(cè)距精度。文獻(xiàn)[2]論述了加拿大采用電壓行波利用硬件波形辨識(shí)電路辨識(shí)行波波頭。文獻(xiàn)[5]利用小波變換模極大值與信號(hào)奇異點(diǎn)對(duì)應(yīng)檢測(cè)波頭。文獻(xiàn)[8]提出采用Hilbert-Huang變換（HHT）對(duì)故障行波信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。兩種變換的比較如表1?？梢?jiàn)HHT可克服小波變換存在的問(wèn)題值得進(jìn)一步去研究。由于采集到的行波信號(hào)往往含有大量噪聲信號(hào)，這給行波波頭的準(zhǔn)確捕捉帶來(lái)了困難。

表1 小波變換和HHT的比較

變換方法分解類(lèi)型自適應(yīng)性基函數(shù)成熟度

小波變換時(shí)間-頻率受小波基函數(shù)限制，不具有需選擇合適的基函數(shù)成熟

HHT時(shí)間-瞬時(shí)頻率EMD分解從信號(hào)本身特征出發(fā)，具有。無(wú)較成熟需提高

3.2.3 行波的傳播及波速的確定

在實(shí)際輸電線路中，行波的傳播受到多種因素的影響。行波在三相輸電線路上的傳播可分為線模分量和零模分量。文獻(xiàn)[3]對(duì)大地電阻率、分段地線、分裂導(dǎo)線、過(guò)渡電阻和換位點(diǎn)對(duì)地模和線模行波傳播的影響進(jìn)行了研究，并得出由于影響行波地模的因素太多，而線模受到的影響較小，因而把線模作為故障定位用行波比較合適。文獻(xiàn)[4]在其測(cè)距算法中采用線模分量進(jìn)行計(jì)算。文獻(xiàn)[6]指出實(shí)際中從故障點(diǎn)來(lái)的零模行波能否到達(dá)檢測(cè)點(diǎn)，需要做進(jìn)一步的探討。零模行波的衰減規(guī)律也尚需做進(jìn)一步的研究。

文獻(xiàn)[3]研究了行波傳輸?shù)纳⑻匦?，得出行波色散主要由地模所引起。行波傳播過(guò)程中，由于高頻分量衰減快，故行波中的有效頻率分量范圍反比于故障距離而且和故障類(lèi)型有關(guān)。波速的計(jì)算取決于架空線的配置和大地電阻率的分布。

3.2.4 單端行波法

單端行波測(cè)距利用在線路一端測(cè)量到的數(shù)據(jù)計(jì)算故障距離，如圖2所示，M為測(cè)量端，l是線路長(zhǎng)度。文獻(xiàn)[6]介紹了單端測(cè)距的兩種算法。

圖2 單、雙端測(cè)距示意圖

x=v1Δt/2 （1）

x=v1v0（tM2-tM1）（v1-v0） （2）

其中：v1、v0是行波線模、零模波速；Δt是初始行波與故障點(diǎn)反射波到達(dá)M端的時(shí)間差；

tM1、tM2是線模、零模行波到達(dá)M端的時(shí)刻。在許多場(chǎng)合，同一母線上接有多條出線。背側(cè)相鄰線路對(duì)端的反射波與故障點(diǎn)的反射波極為相似，當(dāng)背側(cè)相鄰線路的長(zhǎng)度小于檢測(cè)點(diǎn)到故障點(diǎn)的距離時(shí)，將使故障點(diǎn)反射波的檢測(cè)受到影響。2.2.5雙端及多端行波法

文獻(xiàn)[6]介紹了兩種雙端測(cè)距算法。

（3）

x=lC/（A-B+2C） （4）

其中：A=tM1-tN1、B=tM2-tN2、C=tM2-tM1；

變量含義同上。雖然算法2取消了波速的影響但仿真分析指出算法一的測(cè)距誤差更小。雙端行波法的關(guān)鍵是準(zhǔn)確記錄下電流或電壓行波到達(dá)線路兩端的相對(duì)時(shí)間，需要專(zhuān)用的同步時(shí)鐘單元。隨著GPS的廣泛應(yīng)用，利用接收GPS的衛(wèi)星信號(hào)可以獲取精度在0.2μs以?xún)?nèi)的時(shí)間脈沖，因此GPS可作為雙端法的同步時(shí)間單元。根據(jù)雙端行波定位算法設(shè)計(jì)了故障測(cè)距裝置，給線路兩端提供統(tǒng)一的GPS同步時(shí)鐘和線路間高速信道。

針對(duì)雙端行波測(cè)距法中行波波速難以準(zhǔn)確獲得，文獻(xiàn)[7]提出了一種不受波速影響的三端法。如圖3所示，測(cè)量端2為本端。該方法取消了波速的影響；由于只測(cè)量故障行波第1次到達(dá)測(cè)量端的絕對(duì)時(shí)刻。t1t2和t3，行波波頭突變明顯，可達(dá)到較高的測(cè)量精度；其故障距離計(jì)算式在塔桿擋距和弧垂相近情況下可以近似消除線路弧垂的影響。仿真結(jié)果表明利用該方法可使測(cè)距誤差控制在150m以?xún)?nèi)，與雙端法相比，克服了因波速數(shù)值選取的主觀性造成的近、遠(yuǎn)端故障誤差偏大的問(wèn)題，并且誤差數(shù)值整體上比雙端法偏小。該方法的難點(diǎn)是檢測(cè)相鄰線路對(duì)端母線測(cè)量點(diǎn)處波頭的到達(dá)時(shí)刻。

圖3 三端測(cè)距示意圖

隨著光電電壓、電流互感器的逐步實(shí)用化，數(shù)字化變電站已不再遙遠(yuǎn)，故障行波定位將走向網(wǎng)絡(luò)化和智能化的道路。文獻(xiàn)[9]提出了基于電壓行波的整個(gè)輸電網(wǎng)的綜合故障定位思想，采用專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的行波傳感器捕捉母線電壓行波，每個(gè)變電站只需要裝設(shè)一套電壓行波定位系統(tǒng)，便可以形成故障行波記錄網(wǎng)絡(luò)?；谡麄€(gè)輸電網(wǎng)的故障行波定位系統(tǒng)具有N-1容錯(cuò)能力，可以采用包含故障線路的任意兩個(gè)變電站進(jìn)行故障測(cè)距，增強(qiáng)了測(cè)距可靠性和適應(yīng)能力。國(guó)內(nèi)產(chǎn)品普遍采用電流行波，并可以檢測(cè)多達(dá)8-9回出線，理論上也可以實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)綜合故障定位，但無(wú)疑會(huì)增加數(shù)據(jù)分析的難度和計(jì)算量。

4.總結(jié)

行波法原理簡(jiǎn)單，理論上不易受系統(tǒng)運(yùn)行方式、過(guò)渡電阻、T形接線、線路分布電容的影響，測(cè)距精度高。但在實(shí)際中則受到許多工程因素的制約。母線接線方式的不確定性，相鄰并列線路的互感耦合及線路兩端的非線性元件等，使波過(guò)程的分析相當(dāng)復(fù)雜，直接影響反射波的識(shí)別；輸電線路上存在著大量的干擾，其性質(zhì)與故障點(diǎn)行波極為相似，并與故障點(diǎn)的反射波交織在一起，更增加了識(shí)別的難度。在實(shí)際輸電線路中，由于導(dǎo)線不均勻、不完全換位、輸電線沿線大地電阻率變化、線路參數(shù)隨頻率而變化及行波色散等問(wèn)題，使得行波分析和研究比較困難，故障產(chǎn)生行波的特點(diǎn)不能被充分利用。盡管存在以上問(wèn)題，但行波法依然是故障測(cè)距未來(lái)研究的主要方向。

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