輸電線路故障測距方法研究

彭丹陽 何藝萌 李丁 張銘飛 白蘇赫

摘 要：隨著信號處理技術(shù)的不斷發(fā)展，行波法在輸電線路故障測距方面取得了較大進步。本文綜合現(xiàn)有行波測距法，分析不同行波故障定位方法的優(yōu)缺點并進行比較。結(jié)果表明：多端行波測距方法誤差遠小于單端、雙端行波測距法，雙端行波測距法誤差小于單端行波測距法。

關(guān)鍵詞：故障定位;行波法;單端行波測距;雙端行波測距;多端行波測距

中圖分類號：TM755文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2021）10-0027-03

Research on Fault Location Method of Transmission Line

—Taking Traveling Wave Ranging Method as an Example

PENG Danyang HE Yimeng LI Ding ZHANG Mingfei BAI Suhe

（North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou Henan 450000）

Abstract： With the continuous development of signal processing technology， traveling wave method has made great progress in fault location of transmission lines. In this paper， the advantages and disadvantages of different traveling wave fault location methods were analyzed and compared. The results show that the error of multi terminal traveling wave ranging method is far less than that of single terminal and double terminal traveling wave ranging method， and the error of double terminal traveling wave ranging method is less than that of single terminal traveling wave ranging method.

Keywords： fault location;traveling wave method;single terminal traveling wave location;double terminal traveling wave location;multi terminal traveling wave location

輸電線路承擔(dān)著電力傳輸?shù)闹厝?，其可靠性決定著整個電網(wǎng)的安全運行。當(dāng)某段線路突發(fā)故障后，迅速且精準(zhǔn)地進行故障定位，進而盡快消除故障，是保障輸電線路穩(wěn)定運行的重中之重。當(dāng)前，輸電線路故障點檢測方法主要包括單端行波測距法、雙端行波測距法和多端行波測距法[1-6]。這三種方法無論是在設(shè)備成本上還是基本原理上都存在顯著差異。

1 行波測距方法與原理

1.1 單端行波測距

1.1.1 單端行波測距原理。①故障發(fā)生距離小于線路總長的一半。當(dāng)輸電線路上的故障距離小于線路總長度的一半時，所測得的第二個行波的波頭應(yīng)是來自故障點的反射波。單端行波測距原理圖如圖1所示，故障距離[dMf]的計算公式如式（1）所示。

[dMf=12（tM2-tM1）v]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式中：[v]表示行波傳播速度，m/s;[tM1]表示故障行波到達點M的時間，s;[tM2]表示經(jīng)故障點反射波到點M的時間，s。

②故障發(fā)生距離大于總線路長度的一半。故障發(fā)生位置超過線路總長度的一半時，第二個故障行波的波頭是對側(cè)母線的反射。單端行波測距原理如圖2所示，故障距離[dMf]的計算公式如式（2）所示。

[dMf=L-12（tM2-tM1）v]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

1.1.2 單端行波測距的特點。單端行波測距法，成本相對較低，無須依賴定位系統(tǒng)和數(shù)據(jù)通信等設(shè)備即可完成檢測分析[7]，并且具有較好的實時性。但其缺點也是顯而易見的，計算前需要先判斷故障的發(fā)生位置與線路總長度的關(guān)系。

1.2 雙端行波測距

1.2.1 雙端行波測距原理。雙端行波故障測距是通過行波的傳播速度、故障初始行波到達線路兩端測量點的時間差和輸電線路的長度來確定故障點。雙端行波測距原理如圖3所示，故障距離[dMf]和[ dNf]的計算公式如式（3）和式（4）所示。

[dMf=12tM-tNv+L]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

[ dNf=12tN-tMv+L? ]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

式（3）和式（4）中：[v]表示行波傳播速度，m/s;[tM]表示N故障行波到達點M的時間，s;[tN]表示故障行波到達點的時間，s。

1.2.2 雙端行波測距特點分析。雙端行波測距法避免了單端行波測距法中存在的難點，通過線路兩端的裝置，得到行波到達測量點的時間，并達到較高定位精度[8]。但雙端法的成本相對偏高，涉及兩端數(shù)據(jù)通信等[9]。

1.3 多端行波測距

1.3.1 多端行波測距原理。多端行波測距原理如圖4所示。故障行波到達測量端（簡稱測量點1、測量點2、測量點3）的時間分別為[tM]、[tQ]、[tN]。

故障距離[dMf]可表示為：假設(shè)在線路[LNQ]和[LMQ]上的行波傳播速度為[vNQ≈ vMQ= v]，則得出的計算公式如式（5）所示：

[tN-t0v=dNf′tQ-t0v=dQf′? ? ? ? ? ? （tM-t0）v=LMQ′+dQf′? ?dNf′+dQf′=LQN′]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（5）

式中：[LMQ′]、[LQN′]表示故障行波傳播所經(jīng)過的路徑，m;[dNf′]、[dQf′]為故障點分別與測量點1以及測量點2的物理長度，m;[tM]、[tQ]、[tN]為故障行波到達測量點1、測點2、測點3的時間，s。

在線路桿塔擋距和弧垂相近的情況下，均可認(rèn)為是現(xiàn)場線路長度數(shù)據(jù)放大一定系數(shù)[ε]后的數(shù)值，即計算公式如式（6）所示：

[tN-t0v=εdNftQ-t0v=εdQftM-t0v=εLMQ+εdQfεdNf+εdQf=εLQNdNf=tN-tMLMQ2tM-tQ+L2]? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（6）

式中：[LMQ]、[LQN]為線路桿塔距離之和得到的現(xiàn)場線路長度，m;[dNf]、[dQf]分別為故障點到測量點1以及測量點2的現(xiàn)場線路長度，m。

1.3.2 多端行波測距特點分析。多端行波測距法不用測量行波在不同參數(shù)線路上的傳播速度。利用該方法計算故障距離，當(dāng)桿塔距離和弧垂相近時，一定程度上消除了線路弧垂對測距精度的影響。

2 仿真分析

2.1 仿真模型搭建

利用MATLAB中的電力系統(tǒng)工具箱建立線路長度為300 km、電壓等級110 kV的雙電源供電系統(tǒng)進行仿真分析。故障距離設(shè)置為120 km，故障時間為0.024 s發(fā)生A相短路接地，故障采樣頻率為50 000 Hz。電力系統(tǒng)仿真模型如圖5所示。

在此輸電線下，行波波速[v=2.956? 553? 97×108] m/s。

2.1.1 單端行波測距仿真。對模型進行仿真分析，首先，得到首端測量點的故障電流行波波形;其次，對所得波形進行相模變換;再次，進行db5小波分析以及模極大值分析。波形到達時間為0.024 48 s以及經(jīng)故障點反射后到達母線的時間為0.025 34 s。兩行波波頭時間差值為0.000 86 s，根據(jù)公式（1）可得故障點距離127.131 km，誤差大小為2.38%。

2.1.2 雙端行波測距仿真。行波到達首端母線時間與單端行波測距中的時間一致，因此，只需對故障行波到達對側(cè)母線時間進行分析。

行波到達首端母線時間為0.024 48 s，故障行波到達對端母線時間點即為原始信號首次波形突變點。根據(jù)模極大值分析可知，到達對側(cè)母線的時間為0.024 7 s。首端與對端母線時間差值為0.000 22 s，根據(jù)公式（3）可得故障距離為117.478 km，誤差大小為0.840%。

2.1.3 多端行波測距仿真。行波到達兩端母線時間與單端、雙端一致，對故障行波到達中間測量點進行分析。故障行波到達首端時間0.024 48 s，故障行波到達測量點2的時間點中原始信號首次突變點，對應(yīng)時間點0.024 12 s和故障行波到達對側(cè)母線時間點0.024 7 s。根據(jù)公式（6）計算可得故障距離為121.552 km，誤差大小為0.517%。

2.2 仿真結(jié)果分析

通過分別對單端、雙端以及多端行波測距進行仿真模擬，得出多端行波測距精確度要優(yōu)于單端行波測距精度以及雙端行波測距精度，而單端行波測距精度要略低于雙端行波測距精度。表1為多種行波測距方式誤差比較。

3 結(jié)語

經(jīng)過本文的比較分析可知，多端行波測距在故障定位中具有更好的精度，而單端行波測距精度要略低于雙端行波測距精度?，F(xiàn)有的測距算法各有其優(yōu)缺點，都有需要進一步解決的技術(shù)問題。

參考文獻：

[1]徐丙垠. 現(xiàn)代行波測距技術(shù)及其應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)自動化，2001（23）：62-65.

[2]劉萬超，陳平，孫佳佳，等.基于數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的輸電線路單端行波故障測距研究[J].電網(wǎng)與清潔能源，2009（4）：29-33.

[3]覃劍，葛維春，邱金輝，等.輸電線路單端行波測距法和雙端行波測距法的對比[J].電力系統(tǒng)自動化，2006（6）：92-95.

[4]張峰，梁軍，張利，等.基于三端行波測量數(shù)據(jù)的輸電線路故障測距新方法[J].電力系統(tǒng)自動化，2008（8）：69-72.

[5]朱永利，范新橋，尹金良.基于三點電流測量的輸電線路行波故障定位新方法[J].電工技術(shù)學(xué)報，2012（3）：260-268.

[6]艾穎梅，陳劍云，何軍娜，等.基于三端法的HHT行波故障測距研究[J].電測與儀表，2015（21）：11-16.

[7]崔惠偉，楊鋒，張意，等.單端行波法應(yīng)用于輸電線路故障測距的研究[J].江西電力，2007（6）：1-3.

[8]全玉生，張煜，邱慶春，等.基于GPS的雙端故障定位新算法[J].電網(wǎng)技術(shù)，2004（6）：63-66.

[9]吳欣榮，羅承沐，蘇進喜，等.基于單端電氣量的故障定位算法研究[J].中國電力，2000（6）：48-50.