高壓交流輸電線路故障檢修技術(shù)研究

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(國網(wǎng)鐵嶺供電公司，遼寧 鐵嶺 112000)

高壓交流輸電線路故障檢修技術(shù)研究

孫權(quán)，高源，倪春雨

(國網(wǎng)鐵嶺供電公司，遼寧鐵嶺112000)

對高壓交流輸電線路故障檢修技術(shù)進行研究，可以提高電力質(zhì)量，減少因線路故障產(chǎn)生的一系列人財有損情況的發(fā)生;當(dāng)前方法將短期的輸電線路檢修當(dāng)作單重不確定性的優(yōu)化問題，對其進行建模以及求解;而在現(xiàn)場運行過程中，架空線路可靠性指標(biāo)不能準確表達線路故障發(fā)生的可能性，其理論基礎(chǔ)相對薄弱，僅考慮了單重不確定性的問題，無法對高壓交流輸電線路進行高精度地檢修;為此，提出一種基于層次分析的高壓交流輸電線路故障檢修方法;該方法先將高壓交流輸電線路故障劃分為：單相接地故障、高壓交流輸電線路短路故障、高壓交流輸電線路導(dǎo)線斷路故障;然后利用多個電流測量點，通過FFT程序?qū)﹄娏鞴收戏至肯辔贿M行求解，根據(jù)比較相鄰測點相位差判別故障區(qū)域，最后利用圖論實現(xiàn)高壓交流輸電線路故障檢修時間控制函數(shù)，以及線路故障檢修經(jīng)濟控制目標(biāo)函數(shù)的制定，與分類和定位結(jié)果結(jié)合完成高壓交流輸電線路故障的檢修;實驗結(jié)果證明，所提方法可以有效地對高壓交流輸電線路故障進行檢修，具有一定的利用價值。

高壓交流輸電；線路故障；檢修技術(shù)

0 引言

隨著電力資源的不斷發(fā)展，其在現(xiàn)代社會中發(fā)揮的作用也在不斷增加[1]，目前關(guān)于電力供應(yīng)和電力的質(zhì)量控制相關(guān)的法律以及法規(guī)完善的趨勢很明顯[2]，在保障電力生產(chǎn)和使用中的人身安全以及設(shè)備安全等領(lǐng)域有了更加詳細的要求，這使電力的能源安全生產(chǎn)，高壓交流輸電線路的正常運行成為了電力供應(yīng)管理中的重要內(nèi)容[3]。高壓交流輸電作為電網(wǎng)中比較重要的組成部分，其線路的故障是致使電網(wǎng)故障及造成電網(wǎng)存在安全隱患的因素[4]，由此研究線路運行中故障產(chǎn)生的原因以及檢修，是保障電力正常運行的重要舉措[5]。當(dāng)前方法無法實現(xiàn)有效的高壓交流輸電線路故障的檢修。在這種情況下，如何安全可靠地對高壓交流輸電線路故障進行檢修，成為了亟待解決的問題[6]。而基于層次分析的高壓交流輸電線路故障檢修方法可以對高壓交流輸電線路故障進行高效檢修，可成為解決上述問題的有效手段[7]。

文獻[8]提出了一種基于不停電的高壓交流輸電線路故障檢修方法。本方法主要針對集中供電的線路故障檢修，在檢修的過程中，假設(shè)某個器件已經(jīng)損壞，用同型號的器件進行替換，假設(shè)線路故障已經(jīng)排除，證明故障是因為該器件損壞造成的，假設(shè)故障還是不能排除，證明故障的產(chǎn)生和該器件無關(guān)，繼續(xù)用下一個好器件進行替換，一直到排除故障。該方法檢修效果較好，但是成本較高。文獻[9]提出了一種基于設(shè)備故障概率分布的高壓交流輸電線路故障檢修方法。線路中有很多饋電支路，當(dāng)將其中的某支線路拆除之后，如果輸電線路恢復(fù)了正常，證明故障出現(xiàn)在該支路上，假設(shè)線路還沒有恢復(fù)正常，那么排除該支路產(chǎn)生故障的可能，然后拆除另外一條線路，假設(shè)還不能使線路恢復(fù)正常，那么又將這條線路產(chǎn)生故障的可能排除，以此類推，對線路中各饋電支路進行逐一排查，直到找到故障所在的支路。該方法檢修精度高，但是耗時較長。文獻[10]提出了一種基于有限元的高壓交流輸電線路故障檢修方法。該方法首先對輸電線路綜合診斷，制定檢修報告，并分析該報告，制定檢修策略，進行多方面考慮，通過科學(xué)合理的辦法制定維護策略，然后制定季度檢修策略，并嚴格執(zhí)行季度檢修，綜合評述檢修結(jié)果，且做好后期的總結(jié)。該方法雖然簡單，但是檢修精度低，檢修結(jié)果偏差大。

針對上述產(chǎn)生的問題，提出一種基于層次分析的高壓交流輸電線路故障檢修方法。實驗證明，所提方法可以實現(xiàn)高通用性、高預(yù)見性的高壓交流輸電線路故障檢修?？梢詾樵擃I(lǐng)域后續(xù)發(fā)展提供強有力的依據(jù)。

1 高壓交流輸電線路故障檢修

利用基于分別制定的機組和輸電線路的修建計劃，假設(shè)機組的修建計劃已經(jīng)確定，在上述條件基礎(chǔ)上進行高壓交流輸電線路故障檢修方案。并根據(jù)檢修方案數(shù)學(xué)模型的建立，完成檢修。

制定高壓輸電線路檢修方案的過程有兩個層面：先通過輸電線路的管理部門對等待檢修的線路檢修時段進行申報，調(diào)度中心依據(jù)申報結(jié)果對檢修方案進行制定。線路管理部門對各條輸電線路檢修的經(jīng)濟性和可靠性，進行深度研究，找到每條線路在進行檢修時可靠性比較好的個別啟動時段，組建檢修啟動時段的可選集。在制定檢修方案時，找到使系統(tǒng)故障風(fēng)險的增加量最小的方案，在尋優(yōu)的過程中，把各條線路檢修開始時段一直控制在可選集的范圍之內(nèi)，進而保障檢修的實惠性。

綜上所述，高壓交流輸電線路檢修方案的數(shù)學(xué)模型可表達為：

(1)

線路故障檢修的啟動時段約束為：

τl∈Ωl

(2)

每個時間段中同時進行檢修的線路數(shù)目約束為：

yt≤ymax

(3)

故障檢修的人力約束為：

gt≤gmax

(4)

故障檢修的資源約束為：

pit≤pimax

(5)

其中：NT代表整個規(guī)劃周期含有的時段數(shù)，Ert代表安排線路檢修之后系統(tǒng)在t時刻內(nèi)供電不足的風(fēng)險，Ert*代表安排線路檢修前系統(tǒng)在t時刻內(nèi)供電不足的風(fēng)險，τl代表線路l檢修的啟動時段，Ωl代表線路l檢修啟動時段的可選集，yt代表在時段t中同時進行檢修線路的總數(shù)，pmax代表能夠同時進行檢修的線路總數(shù)的最大值，gt代表時段t內(nèi)需投入的人力，gmax代表能夠一次性投入的人力最大值，pit代表在時段t內(nèi)需投入的第i種檢修資源數(shù)量，ptmax代表同一時間段內(nèi)能夠投入的第i種檢修資源最大量。

根據(jù)上述的數(shù)學(xué)模型，將任意的一條線路檢修的啟動時段的某次調(diào)整定義成一次搜索。具體過程如下：

將系統(tǒng)中的所有等待檢修的輸電線路的檢修最佳啟動時間段組合當(dāng)作檢修問題的初始解，依據(jù)特定規(guī)則尋找需要進行調(diào)整的時間段t*。

將初始解當(dāng)作檢修方案，尋找出現(xiàn)在時間段t*中所有等待檢修的線路，并將其當(dāng)作調(diào)整對象集。在調(diào)整對象集內(nèi)任意選擇一條線路，根據(jù)對其檢修的啟動時間段調(diào)整，會獲得新檢修啟動時段的組合。

列舉所有可能會出現(xiàn)的組合，組建成初始解鄰域，在領(lǐng)域內(nèi)選取評價值最優(yōu)的，且可以滿足禁忌需求的解當(dāng)作最新當(dāng)前解。如果當(dāng)前解優(yōu)于當(dāng)前最優(yōu)解，那么將其當(dāng)作新最優(yōu)解。

假設(shè)最優(yōu)解適應(yīng)值能夠達到給定閾值，亦或是最優(yōu)解適應(yīng)值存在于給定迭代次數(shù)內(nèi)，且不再上升，那么求解結(jié)束，否則繼續(xù)進行迭代。

2 基于層次分析的高壓交流輸電線路故障檢修方法

2.1 高壓交流輸電線路故障分類

當(dāng)前高壓交流輸電線路發(fā)生故障原因一般是：外力、人為或者是設(shè)備自身問題產(chǎn)生故障。其中因為自然的雷擊而導(dǎo)致的線路故障占所有故障的一半以上，因為人為操作不當(dāng)而產(chǎn)生的故障也比較多，輸電線路在比較惡劣的情況下運行，設(shè)備本身也會受到外力從而造成損傷。下面是具體分類情況。

1)單相接地故障。高壓交流輸電線路在運行時，單相接地故障是比較常見的故障，此類故障發(fā)生的輸電線路主要在雨水或者潮濕的環(huán)境下。一旦發(fā)生接地故障，故障相電壓會變?yōu)?，導(dǎo)致線路短路；

2)高壓交流輸電線路短路故障。每當(dāng)高壓交流輸電線路受到外力或者是人為作用時，其相應(yīng)線路的高壓輸電線路中的相間絕緣體會被擊穿，這會導(dǎo)致高壓交流輸電線路短路時常發(fā)生。

3)高壓交流輸電線路導(dǎo)線斷路。如果高壓交流輸電路線導(dǎo)線有斷裂的現(xiàn)象，則會引起供配電回路發(fā)生故障。如果高壓交流輸電線路斷路點沒有明顯斷路痕跡，那么會產(chǎn)生間隙，會有大規(guī)模的電弧產(chǎn)生，使線路的導(dǎo)線位置的溫度上升，從而導(dǎo)致電力系統(tǒng)發(fā)生火災(zāi)或爆炸，線路設(shè)備也將被燒毀。

2.2 輸電線路故障定位

本文利用Kaiser自卷積窗FFT相位比較法，定位輸電線路的故障位置。對Kaiser窗旁瓣特征進行分析，窗函數(shù)泄露抑制性和旁瓣特性有關(guān)，此處的泄露是指頻譜的泄露，其中，旁瓣峰值的電平越低而且衰減的速率越快，表示對泄漏的抑制力越強。Kaiser窗函數(shù)的參數(shù)是可調(diào)節(jié)的，利用調(diào)節(jié)瓣的寬度與旁瓣的高度間的比重，就是改變主旁的比重系數(shù)β值，選取所需的旁瓣性能，能夠充分抑制泄露。Kaiser窗時域wk(n)可表示為：

(6)

其中：I0(β)代表經(jīng)過修正的無階貝塞爾函數(shù)，Kaiser窗中有兩個比較重要的參數(shù)，分別是窗長N、主旁瓣的比重系數(shù)β，如果要改變β的值，可通過主瓣的寬度以及旁瓣的衰減自由選擇。由Kaiser窗的旁瓣性調(diào)節(jié)可知，隨β值的增大，旁瓣峰值的電平變小，漸進衰減的速率增大，則泄露的抑制性也在不斷提高。

當(dāng)Kaiser窗的參數(shù)固定在一定數(shù)值時，依靠Blackman與Tukey對功率譜的估計方法：為減小周期圖估計方差，實現(xiàn)采樣自相關(guān)序列的開窗，并加速旁瓣衰減，進而使圖譜更平滑。其實自相關(guān)的實質(zhì)為自卷積，利用自卷積對邊緣特征進行削弱，從而減小截斷奇異，能夠大幅度提高泄露的抑制性。m階的Kaiser自卷積窗，是Kaiser窗根據(jù)m-1次卷積運算獲得的窗函數(shù)，遞推公式可表示為：

*wk(n)=

(7)

參數(shù)一定的情況下，隨著卷積階數(shù)不斷增加，Kaiser自卷積窗泄露抑制性會成倍提高，隨著卷積的階數(shù)增加，Kaiser自卷積窗旁瓣性也會隨之提升，擁有較好的頻譜泄露抑制力。下面是Kaiser自卷積窗FFT相位的比較過程：

首先實現(xiàn)Kaiser自卷積窗的計算，并對其幅值進行歸一化：

(8)

其次，對高壓交流輸電線路故障分量i(n)進行加窗處理，獲得iwk(n)：

(9)

針對iwk(n)進行FFT計算，獲得Iwk(k)：

(10)

則Iwk(k)實部和虛部分別為：

(11)

(12)

則FFT響應(yīng)公式為：

φIwk(k)=arctanReIwk(k)/lmIwk(k)

(13)

獲得測點電流的相位后，對上述過程迭代，計算出相鄰的下一個測點電流相位譜，假設(shè)這兩個測點為m和n，則與其相對應(yīng)的序列為φmIwk(k)與φnIwk(k)，對兩者進行相減，獲得相位差序列：

Δφnm(k)=φmIwk(k)-φnIwk(k)

(14)

對相位差Δφnm(k)均值進行求解，獲得相位值：

(15)

對標(biāo)準差stdm-n判斷的泄露程度進行估計：

(16)

stdth為一閾值，如果標(biāo)準差在stdth內(nèi)，表示頻譜泄露的比較小，并不影響相位的計算，則求得的均值是測點高壓交流輸電線路故障分量基頻相位。如果標(biāo)準差高于stdth，那么表示頻譜泄露的比較嚴重，其均值的可信度比較低，必須對Kaiser窗函數(shù)的系數(shù)β的值進行調(diào)整，迭代上述過程計算出均值，對標(biāo)準差大小進行再次判斷，一直到標(biāo)準差結(jié)果比stdth小。根據(jù)實驗可知，stdth可設(shè)置為20，如果標(biāo)準差比20大，那么對β值進行調(diào)整。在高壓交流輸電線路的基頻有波動的情況下，相位的偏差比較大，stdth必須進行調(diào)整。對極端情況進行考慮，當(dāng)β值提升到一定程度時，抑制性飽和，會考慮將卷積運算增加一階。為了順利完成高壓交流輸電線路故障的定位，每一相位存在故障分量的比較都需要執(zhí)行上述流程。

2.3 輸電線路故障檢修方案的制定

以上述內(nèi)容為基礎(chǔ)，利用圖論實現(xiàn)高壓交流輸電線路故障檢修時間控制函數(shù)的制定，以減少檢修所需的時間為目的，假設(shè)最少時間段數(shù)的目標(biāo)函數(shù)為：

(17)

其中：vmax代表圖色問題中需要的色數(shù)。隨著檢修日期的推遲，會帶來一定經(jīng)濟上的損失，因此需要制定其控制目標(biāo)函數(shù)：

(18)

其中：d代表因檢修線路故障帶來的經(jīng)濟損失系數(shù)，ηe,i代表各項工作希望檢修時間段的系數(shù)，ηu,i代表各項工作實際間休時間段的系數(shù)。接下來以時間最少控制函數(shù)和經(jīng)濟控制函數(shù)為支撐，利用2.1中的故障分類和2.2中的故障定位實現(xiàn)故障的檢修。

針對接地故障，主要對接地線路中的絕緣部分檢修，利用絕緣部分電阻值完成測量，判斷接地絕緣處損壞程度。如果電力線路的分支比較多，那么能通過開關(guān)分布狀況，通過斷路器將整個電路分段，再依據(jù)分段分別進行檢修。

由于超負荷造成的短路或者斷路故障，這就需要在線路進行設(shè)計時，要選擇材料相對好的線路，再者電力企業(yè)需依據(jù)電力線路實際安全點流量，實現(xiàn)電力線路能源傳輸，防止出現(xiàn)斷路短路等故障。

3 實驗結(jié)果與分析

為了證明基于層次分析的高壓交流輸電線路檢修方法的可實踐性，需要進行一次實驗。在Visual C環(huán)境下搭建高壓交流輸電線路檢修實驗平臺。實驗數(shù)據(jù)取自于遼寧省電力有限公司，利用本文所提方法對實驗數(shù)據(jù)進行實驗，觀察本文方法的整體性能。

3.1 實驗參數(shù)

搭建全長為500 km，電壓為220 kV的輸電系統(tǒng)。其中，采樣的頻率為1 MHz，過渡的電阻以及接地的電阻分別為20 Ω，線路的弧垂為5 m，并設(shè)置不同的故障類型與故障點，利用文獻所提方法與本文方法在上述的實驗環(huán)境下進行實驗，下面是不同方法蓋亞交流輸電線路故障檢測的效果對比。

3.2 實驗結(jié)果

圖1是不同方法高壓交流輸電線路檢修定位準確率(%)對比。

分析圖1可知，文獻[8]所提方法利用替換的形式完成高壓交流輸電線路的故障定位，定位效果并不理想。文獻[9]方法利用排除法的形式實現(xiàn)高壓交流輸電線路的故障定位，定位正確率低。文獻[10]所提方法并沒有有描繪出具體的操作步驟，只是在理論上對線路故障檢修進行了分析和探討，導(dǎo)致線路故障定位準確率低。本文所提方法利用利用Kaiser自卷積窗FFT相位比較法，對高壓交流輸電線路的故障進行定位，定位精度高。證明了本文所提方法具有較高的可行性。圖2是不同方法輸電線路檢修所耗成本(元)對比。

圖1 不同方法線路故障定位正確率對比

圖2 不同方法輸電線路檢修所耗成本對比

由圖2可知，文獻[8]方法在檢修的過程中，假設(shè)某個器件已經(jīng)損壞，用同型號的器件進行替換，假設(shè)不是該器件損壞造成的線路產(chǎn)生故障，需要一直進行替換，查找，導(dǎo)致檢修成本直線上升。文獻[9]方法將饋電支路上的某支線路拆除之后，如果輸電線路恢復(fù)了正常，證明故障出現(xiàn)在該支路上，假設(shè)線路還沒有恢復(fù)正常，那么排除該支路產(chǎn)生故障的可能，繼續(xù)進行排查，這樣的檢修方式會耗費大量的人力和物力。文獻[10]方法理論大于實踐，成本與其他文獻方法相比相對較少。本文所提方法對線路故障進行分類檢修，減低了檢修所用成本。下圖是不同方法線路檢修時間(s)對比。

圖3 不同方法線路檢修時間對比

觀察圖3可知，本文所提方法利用對高壓交流輸電線路故障的分類，線路故障的準確定位，故障的高效修復(fù)，并設(shè)有最少時間段數(shù)的目標(biāo)控制函數(shù)，使本文所提方法具有很高的利用價值和通用性，時間成本較低，可擴展性也比較高，進一步證明了本文所提方法是切實可行的。

實驗證明，所提方法可以實時準確地對高壓交流輸電線路進行檢修，可以為未來的線路檢修領(lǐng)域提供借鑒。

4 結(jié)束語

采用當(dāng)前方法對高壓交流輸電線路進行檢修時，存在預(yù)見性低、盲目性高、容易導(dǎo)致其他設(shè)備隱患陸續(xù)發(fā)生的問題。提出一種基于層次分析的高壓交流輸電線路檢修方法。通過實驗證明，所提方法可以迅速可靠地對高壓交流輸電線路進行檢修，是該領(lǐng)域發(fā)展的風(fēng)向標(biāo)。

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TechnicalResearchonHighVoltageacTransmissionLineFaultRepair

Sun Quan,Gao Yuan,Ni Chunyu

(State Grid Tieling Power Electric Supply Company,Tieling 112000,China)

Study of the high voltage ac transmission line troubleshooting technology, can improve the quality of electric power, reduce line fault generated by a series of goods damage situation. The current method is to model and solve the short-term transmission line maintenance as a single, uncertain optimization problem. And in the process of field operation, overhead line reliability index can't accurately express the possibility of line fault occurs, its theoretical basis is relatively weak, only considers the single heavy uncertainty problems, unable to maintenance of high voltage transmission line accurately. In this paper, a method of fault repair of high voltage ac transmission line based on hierarchical analysis is proposed. This method first high voltage transmission line fault is divided into: single phase grounding fault, the high voltage ac transmission line fault, the high voltage ac transmission line conductor circuit malfunction. Then using multiple current measurement point, the current fault component of phase is solved by FFT program, according to comparing adjacent phase difference measuring point judging fault zone, the high voltage ac transmission line is realized by using the graph theory troubleshooting time control function, and the line troubleshooting economic control objective function is formulated, and classification and locating results combined with complete for the maintenance of high voltage transmission line fault. The experimental results show that the proposed method can effectively repair the failure of high-voltage ac power transmission line, and it has certain utilization value.

high voltage ac transmission;line fault; maintenance technology

2017-06-06；

2017-06-27。

孫 權(quán)(1988-)，男，遼寧鐵嶺人，技師，主要從事高壓輸電線路運維管理方向的研究。

1671-4598(2017)10-0051-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.10.014

TM75

A