輸電線路故障類型識別分析與測距方法探究

邱協(xié)成

摘? 要：基于不同類的輸電線路故障將影響測距結(jié)果，要想更精準(zhǔn)地找到故障位置，必須先高效識別故障類別，并對應(yīng)選擇合適的算法來確保測距數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度。本文重點(diǎn)分析了輸電線路故障類型識別以及測距方法。

關(guān)鍵詞：輸電線路;故障類型;識別;測距方法

前言

輸電線路將發(fā)電廠和終端用戶連接起來，屬于電力傳輸?shù)闹鞲上到y(tǒng)，由于跨域距離長、區(qū)域較大，輸電線路將遭受各種自然、非自然因素等的干擾和影響，從而發(fā)生較多的故障和問題，對此，就必須定位故障，并采取合適的測距方法及時有效識別故障，以此支持故障的快速查找與恢復(fù)。

1? 輸電線路故障類型分析

1.1 常見的故障類型

重要的故障包括：金屬性故障、高阻性故障，后者則具體又包括：弧光性故障與過渡阻抗性故障，輸電線主要經(jīng)金屬導(dǎo)體和大地直接連接將引發(fā)金屬性故障，其故障阻抗徹底為阻性，但是阻抗值相對更小，將跟隨客觀事件來動態(tài)發(fā)生改變。然而，眾多的故障點(diǎn)都有相對復(fù)雜、繁瑣的電氣特點(diǎn)，具體體現(xiàn)為：弧光性故障和過渡阻抗性故障，前者通常是輸電線以放電電弧連通所導(dǎo)致的故障。因?yàn)榉烹娡ǖ赖母?、調(diào)整、變化與電弧的熄滅、重燃等，電弧的伏安特性趨向于非線性特征。Mayr模型則為描述弧光故障的常見模型，有著自己的關(guān)系式：

g ----電弧電導(dǎo)，i----故障電流數(shù)值，Υ0----初始時間常數(shù)，l0----初始電弧長度，labc----電弧長度，u0---特性電弧電壓，r0----特性電弧電阻。

過渡阻抗性故障通常為輸電線路途經(jīng)非金屬性外部物體接觸所導(dǎo)致的故障，過渡阻抗則包括兩大部分，具體為：介質(zhì)的有效接觸阻抗，介質(zhì)與大地的非有效接觸阻抗，故障阻抗一般用以下公式來表示：

Zg=a （t-tf） .Z+Zf

Zf-------數(shù)值固定的有效接觸阻抗，a-----線性電阻系數(shù)，tf----故障時刻

a（t-tf）.Z---隨著時間線性變化的非有效接觸阻抗。

故障的阻抗電氣特性和故障的性質(zhì)與類別有關(guān)系，進(jìn)而對測距結(jié)果也將帶帶來不一樣的干擾，要想有效地抑制過渡阻抗帶來的影響首先就要識別故障的類別和類型，故障類別能否被精準(zhǔn)地識別，其核心為：高效地提取線路的故障特征，這些特征影響到故障能否被高效、精準(zhǔn)、穩(wěn)定地辨認(rèn)與識別。

1.2 關(guān)聯(lián)維的故障特征的提取

當(dāng)輸電線路出現(xiàn)各個類型的故障后，其后方的電壓特點(diǎn)與電流電氣特征、變化特征、浮動規(guī)律等也各不相同，波形間差異較大，這些差異能折射出各個故障類別的內(nèi)在特點(diǎn)，關(guān)聯(lián)維主要是通過關(guān)聯(lián)積分來算得前變量、后變量等之間的關(guān)系和聯(lián)系，從而展示出非線性系統(tǒng)的有序變化規(guī)律、無序變化規(guī)律等，能憑借對故障發(fā)生后的波形關(guān)聯(lián)維數(shù)的計(jì)算，對應(yīng)分析出故障類型。

關(guān)聯(lián)維數(shù)的計(jì)算必須做好相空間的重構(gòu)，參照相關(guān)理論，一維混沌時間的序列通常為高維空間信息的壓縮，要想識別系統(tǒng)內(nèi)部的規(guī)律，則要在高維相空間內(nèi)恢復(fù)吸引子，將長度為n的時間序列定義為：x={x1，x2，x3，x4，----xn}采用延遲法打造出特定長度的維度相空間序列，構(gòu)造長度為：l=n-（m-1）·Υ的m維相空間序列。

其中i>或------相空間信號矢量間的距離，r----相空間內(nèi)超球半徑，C（r）-----所取信號得關(guān)聯(lián)積分函數(shù)，能定量地描述嵌入空間內(nèi)距離在r以下的向量對可能呈現(xiàn)的幾率。

參照分形學(xué)原理，假設(shè)最初時間序列內(nèi)出現(xiàn)低維吸引子，經(jīng)過重構(gòu)的相空間內(nèi)部的序列軌跡則出現(xiàn)關(guān)聯(lián)維數(shù)CD，具體的關(guān)系式為：

通過以上的關(guān)聯(lián)維數(shù)的描述能識別出：維數(shù)主要是對系統(tǒng)復(fù)雜度的一個描述，輸電線路出現(xiàn)故障后，弧光性故障的電氣特性變化最為復(fù)雜，特別是輸電線向外釋放電能時，將出現(xiàn)較為復(fù)雜的物理時變、化學(xué)時變，然而，無論哪一種變化都有著高度的非線性特征，進(jìn)而可以從理論層面判斷、分析出弧光性故障的波形關(guān)聯(lián)維數(shù)，一般屬于幾大故障類別中最大的一類。相反，金屬性故障有著自身的阻抗特征，阻抗大概接近為阻值較小的固定電阻，這一阻抗的故障波形的關(guān)聯(lián)維數(shù)屬于幾大故障類別最低的，過渡阻抗故障則有著自己的波形特點(diǎn)，其關(guān)聯(lián)維數(shù)則在其他兩大類型故障之間。在對故障信號的關(guān)聯(lián)維數(shù)加以計(jì)算時，可以先借助互信息法來剖析、處理所選擇的故障時間序列信號，對應(yīng)獲得這一信號所展開的相空間重構(gòu)的最理想的延遲時間，再對應(yīng)輸入數(shù)值，就能借助假鄰近法來明確最理想的嵌入維數(shù)m，假鄰近法主要是通過Cao算法發(fā)展來的，無需舊式的Cao算法閾值來自行做出選擇，這樣就能妥善提升所獲得的數(shù)據(jù)結(jié)果的精準(zhǔn)性。參照Cao式算法，選擇聯(lián)合判據(jù)能代表相空間的打開度，若聯(lián)合判據(jù)設(shè)置為恒定值，相空間則能徹底被打開，對應(yīng)的m值為最理想的嵌入維數(shù)，最終再計(jì)算各個類別故障時間序列波形關(guān)聯(lián)維數(shù)。

1.3 故障類型識別融合特征量

關(guān)聯(lián)維數(shù)CD展示出了輸電線路故障狀態(tài)下非線性系統(tǒng)浮動規(guī)律的復(fù)雜度，差值方根dn則展示出故障之前、故障之后的電壓波形畸變度，要想相對精準(zhǔn)、高效地判斷故障的類型，可以將關(guān)聯(lián)維數(shù)、差值方根等對故障類型的辨識度大小充當(dāng)依據(jù)，選擇熵權(quán)法能更加清晰地明確綜合辨識特征量內(nèi)不同特征量占據(jù)的比重，熵權(quán)法是參照各個指標(biāo)包含信息量的大小來對應(yīng)精準(zhǔn)地明確指標(biāo)的權(quán)重，所得出的熵權(quán)值呈現(xiàn)出了不同指標(biāo)在決策內(nèi)貢獻(xiàn)度的大小。即使理論角度來看，關(guān)聯(lián)維數(shù)和差值方根與多種因素關(guān)聯(lián)，例如：輸電線路參數(shù)、輸電線結(jié)構(gòu)等，各類輸電線之下若出現(xiàn)同類故障，所得融合特征量則有一定差別，參照前方闡述與分析，故障信號的關(guān)聯(lián)維數(shù)、差值方根等都達(dá)到金屬故障CD1。

2? 基于輸電線路故障類型分析的測距方法

在正確辨認(rèn)輸電線路故障類型的前提下，能有目標(biāo)、有側(cè)重地采用故障測距算法，從而控制故障型號對測距結(jié)論的不良干擾。

例如：單側(cè)供電線、輸電線，如果M端為測量端，F(xiàn)點(diǎn)發(fā)生故障，對應(yīng)的故障阻抗達(dá)到RF，金屬性故障阻抗則為：Rg，弧光性故障阻抗：Rarc，過渡阻抗故障為：Zg.如果發(fā)生金屬故障，由于此故障靠近為理想故障，RF=0，在這種情況下，故障點(diǎn)和測量點(diǎn)之間的間距達(dá)到lMF= ZM/Zl，，從中能看出，借助以往的阻抗法來測距金屬故障，對應(yīng)獲得的結(jié)論相對準(zhǔn)確。弧光性故障有自身的特點(diǎn)，一般來說，他的阻抗呈現(xiàn)出相對復(fù)雜的非線性浮動特征，而且暫態(tài)操作中將出現(xiàn)高頻信號，參照弧光性故障的阻抗類型、特點(diǎn)，可以選擇最小二乘法來加以定位，可以把故障后的電壓值、電流值等充當(dāng)已知量，第一步借助電路理論推導(dǎo)得到故障點(diǎn)的相電壓與電流的離散形式，從而得到故障阻抗，而且要參照故障電流分量、故障邊界電流等獲得故障系數(shù)，再借助最小二乘法將故障阻抗的均差、方差的平方最小值作為一個目標(biāo)，創(chuàng)建關(guān)系式，從中獲得故障阻抗的精準(zhǔn)數(shù)值，從中獲得故障距離。

過渡性阻抗故障有特殊的特點(diǎn)，它的阻抗容易發(fā)送動態(tài)的線性變化，這就為精準(zhǔn)測量帶來了難度和挑戰(zhàn)，要想有效地抑制過渡阻抗對測距結(jié)果帶來的不良影響和干擾，不妨選擇參數(shù)識別法，此法的特點(diǎn)就是將故障點(diǎn)后方的系統(tǒng)進(jìn)行簡化處理，使之成為電感形式、電阻形式，而且也要將電感值、電阻值、故障距離、過渡阻抗等充當(dāng)求解的未知量，可以參照故障網(wǎng)絡(luò)、分量網(wǎng)絡(luò)，借助KCL，KVL的相關(guān)原理來對應(yīng)退出線性方程，并對應(yīng)將測量點(diǎn)位置的電壓數(shù)據(jù)、電流數(shù)值等帶入方程，從中就能得出線性方程組的系數(shù)了。最終參照系數(shù)與待識別參數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系等獲得故障距離，線性方程：

um = x1 （imr+L） + x2（r +L） +x3Δim + x4+ x5

上式中，x1-----x5 都是系數(shù)，和故障距離l，故障點(diǎn)阻抗RF 故障點(diǎn)后的系統(tǒng)電阻R'n，電感L'n 之間有一定的關(guān)系式，而且對于弧光故障、過渡阻抗故障等也有很多處理方法。參照以上分析能得到：以故障類型識別為基礎(chǔ)的精準(zhǔn)測距的整個思路，具體如下圖1所示。

借助PSCAD系統(tǒng)來圍繞輸電線路各個部位所出現(xiàn)的各個類型的故障特點(diǎn)來高度地仿真，最終得出以下結(jié)論：

第一，弧光故障的關(guān)聯(lián)維度較高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出金屬性故障，過渡阻抗性故障，而且前者的波形關(guān)聯(lián)維度相對最小，參照差值方根的數(shù)據(jù)能看到：金屬性故障所處的數(shù)據(jù)要很大程度低于弧光性故障和過渡阻抗故障，而且前者要比后者的差值分析結(jié)果略大，符合之前提前到各個故障類別阻抗電氣特征復(fù)雜度分析結(jié)論。

第二，相同類型故障信號的關(guān)聯(lián)維度與差值方根伴隨著故障距離的差距來動態(tài)浮動，然而，各個故障類型間的關(guān)聯(lián)維數(shù)與差值方根也有很大的區(qū)別。

第三，即使各個類型故障關(guān)聯(lián)維數(shù)和差值方根數(shù)值有差異，然而，其中的區(qū)分度相對較低，無法精準(zhǔn)、高效地判斷故障類別，可以選擇熵權(quán)法則能解決問題，能更好地識別不同視角下的故障特征，有著超強(qiáng)的故障類別判斷能力。

第四，故障類型識別以后所適合的測距算法最終的數(shù)據(jù)也相對準(zhǔn)確，能減少18%的誤差，體現(xiàn)出超強(qiáng)的普適性。

3? 結(jié)語

輸電線路因?yàn)楣收闲吞栍胁町悾瑢?yīng)的測距結(jié)果數(shù)據(jù)也將受到影響，為了妥善地處理這些影響，首先應(yīng)明確故障的類別，再選擇適合的測距算法來對故障實(shí)施測距，圍繞輸電線路各個類型故障電氣性質(zhì)、特征等加以分析，選擇空間域分析內(nèi)的關(guān)聯(lián)維數(shù)指標(biāo)，時域分析的差值方根指標(biāo)等來對應(yīng)提出故障后方的數(shù)據(jù)，參照相關(guān)指標(biāo)來對各類故障識別的貢獻(xiàn)大小來獲得綜合識別特征量。

參考文獻(xiàn)：

[1] 周澤存等編.高電壓技術(shù)[M].中國電力出版社，2004.

[2] 陳景彥，白俊峰，主編.輸電線路運(yùn)行維護(hù)理論與技術(shù)[M].中國電力出版社， 2009.

[3] 尚亮.分布式輸電線路行波故障定位系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[D].華北電力大學(xué)，2017

[4] 李澄，袁磊平，嚴(yán)慧，等.基于函數(shù)幅值和線路等分法的雙端故障定位研究[J].電力工程技術(shù)， 2018，37（4）： 126-131.