電力線(xiàn)路故障測(cè)距方法綜述

王瑞芳 吳志剛

（1.呼和浩特供電公司 內(nèi)蒙古呼和浩特 010000；2.內(nèi)蒙古呼和浩特抽水蓄能發(fā)電有限責(zé)任公司內(nèi)蒙古呼和浩特 010000）

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展進(jìn)步，各種前沿科技日新月異，但是，所有這些都離不開(kāi)電力這個(gè)能源基礎(chǔ)。為了能夠更好地服務(wù)社會(huì)、服務(wù)人民，供電的安全性穩(wěn)定性變得愈加重要，那么，如何使電力系統(tǒng)少發(fā)生故障、如何在發(fā)生故障后盡快鎖定故障點(diǎn)并及時(shí)處理成為該領(lǐng)域重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。隨著城市化進(jìn)程的加快，架空線(xiàn)路漸漸被電纜線(xiàn)路取代，接線(xiàn)形式也越來(lái)越復(fù)雜，原本依靠人工巡線(xiàn)尋找故障點(diǎn)的方法已經(jīng)難以滿(mǎn)足需求，取而代之的是各種自動(dòng)化設(shè)備。目前，特別是對(duì)于35kV及以上電壓等級(jí)的電力線(xiàn)路，主要是通過(guò)距離保護(hù)來(lái)實(shí)現(xiàn)故障情況下的快速反應(yīng)和故障測(cè)距，切除故障設(shè)備，找到故障點(diǎn)。但是，在實(shí)際故障中，經(jīng)常會(huì)發(fā)生不同的二次設(shè)備給出的故障測(cè)距存在偏差，很難準(zhǔn)確獲得故障測(cè)距，這往往給故障排除增加了難度。

基于這種情況，本文對(duì)目前主要的電力線(xiàn)路故障測(cè)距方法進(jìn)行了系統(tǒng)性的歸納整理，針對(duì)每種故障測(cè)距方法，進(jìn)行了優(yōu)、缺點(diǎn)匯總，在此基礎(chǔ)上，重點(diǎn)分析了幾種改進(jìn)型的故障測(cè)距方法，以及各種方法所適用的接線(xiàn)方式。

1 故障測(cè)距方法分類(lèi)

目前，電力線(xiàn)路故障定位的方法按原理不同大致可以分為3 種：故障分析法、行波法和智能測(cè)距法，如圖1所示，每種方法各有其特點(diǎn)。

圖1 故障測(cè)距方法分類(lèi)

1.1 故障分析法

故障分析法是通過(guò)采集故障點(diǎn)的電壓和電流，同時(shí)，結(jié)合故障線(xiàn)路上其他參數(shù)，列寫(xiě)方程式進(jìn)行分析求解，最終得出故障點(diǎn)到參考點(diǎn)之間的距離值。該方法的本質(zhì)就是短路電流計(jì)算法反向應(yīng)用，按照測(cè)取的電氣量來(lái)自一端還是兩端，又可以細(xì)分為單端故障分析法和雙端故障分析法。這種方法簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)，無(wú)需其他輔助設(shè)備，具有較好的經(jīng)濟(jì)性，因此，在實(shí)際工程中應(yīng)用廣泛。但是，由于故障情況下電氣量較多，且因?yàn)檫\(yùn)行方式、助增電流、過(guò)渡電阻及沿線(xiàn)路方向各點(diǎn)電氣量存在變化，而且測(cè)取雙端電氣量時(shí)還涉及到兩側(cè)的取值同步與否等問(wèn)題，使得實(shí)際計(jì)算結(jié)果與故障點(diǎn)之間差距較大。

1.2 行波法

行波法是基于行波傳輸理論提出的，其原理是故障點(diǎn)的電壓、電流行波在線(xiàn)路中傳播，當(dāng)遇到兩側(cè)波阻抗不同時(shí)，電壓電流行波會(huì)發(fā)生折、反射現(xiàn)象，利用這種特性，結(jié)合原有參數(shù)，可以得到故障點(diǎn)的位置。行波法分為A型、B型、C型、D型、E型和F型6種，其中，A型、C型、E型和F型為單端行波測(cè)距法，B型、D型為雙端行波測(cè)距法。行波法的測(cè)距精度較高，而且不受過(guò)渡電阻和系統(tǒng)運(yùn)行方式變化的影響，是目前主流的故障測(cè)距方法。但其仍然存在一些問(wèn)題，需要進(jìn)一步探索，例如，由于采樣頻率高，行波測(cè)距裝置很難準(zhǔn)確識(shí)別反射波的波頭等。

1.3 智能測(cè)距法

智能測(cè)距法是隨著智能算法和應(yīng)用技術(shù)的進(jìn)步而出現(xiàn)的，近幾年，越來(lái)越多的研究人員將該方法應(yīng)用到線(xiàn)路故障測(cè)距中。余曉等提出基于循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的雙端行波故障測(cè)距方法，該方法利用仿真手段建立了一個(gè)故障情況下電氣量的樣本集合，使得循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型不僅對(duì)各種故障下電氣量的特征有了深層次的學(xué)習(xí)認(rèn)識(shí)，還能做到提前預(yù)測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)高精度的故障測(cè)距結(jié)果。黑嘉欣重點(diǎn)研究了基于堆疊式降噪自編碼器與遷移學(xué)習(xí)而開(kāi)展的柔性直流輸電線(xiàn)路故障測(cè)距，通過(guò)仿真，獲得了較好的定位結(jié)果。智能測(cè)距法正在逐步探索實(shí)現(xiàn)更加準(zhǔn)確的故障測(cè)距和精確的故障定位，但是，就目前階段而言，離實(shí)際使用還有一段距離。

2 改進(jìn)型故障測(cè)距法

2.1 多端綜合組合測(cè)距法

對(duì)于地域廣闊、用戶(hù)居住較為分散的地區(qū)，變、配電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)不再是單一的輻射式供電網(wǎng)絡(luò)，多存在T 型接線(xiàn)或∏型接線(xiàn)形式，使得一路出線(xiàn)上往往會(huì)帶有多路分支出線(xiàn)。在這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)型式下，變電站裝設(shè)的保護(hù)也必須能夠快速動(dòng)作，同時(shí)，還能夠準(zhǔn)確提供故障點(diǎn)位置，確定是變電站內(nèi)故障還是變電站外故障，縮短故障查找的時(shí)間，縮小故障查找的范圍。

多端綜合組合法快速定位所依據(jù)的方法原理是：對(duì)于任一故障而言，故障定位可以分兩個(gè)層級(jí)逐步實(shí)現(xiàn)，首先進(jìn)行故障區(qū)段判別，然后進(jìn)行故障類(lèi)型、相別及距離的測(cè)定。而復(fù)雜接線(xiàn)型式的故障點(diǎn)快速定位也是依據(jù)這樣的原理發(fā)展來(lái)的，在此基礎(chǔ)上，需要綜合多端信息進(jìn)行分析完成。該方法由故障定位終端和后臺(tái)兩部分綜合實(shí)現(xiàn)，故障定位終端安裝于變電站的線(xiàn)路出口處和分支出線(xiàn)與主干線(xiàn)路的連接點(diǎn)處，其主要作用就是采集故障發(fā)生時(shí)的電壓、電流等多種電氣量的數(shù)值及方向信息，同時(shí)，將有用的電氣量傳送給后臺(tái)，為快速確定故障所在區(qū)段提供依據(jù)。確定故障區(qū)段后，再根據(jù)故障發(fā)生區(qū)段，選擇對(duì)應(yīng)的故障測(cè)距方法進(jìn)行組合分析，針對(duì)性地采用單端阻抗法或雙端行波法等故障測(cè)距算法，進(jìn)而獲得準(zhǔn)確的故障測(cè)距，為變電站值班人員上報(bào)故障信息提供了更加準(zhǔn)確的數(shù)值。

2.2 基于負(fù)序電流抑制策略的單端故障測(cè)距法

故障分析法按照采集的故障信息來(lái)自一側(cè)還是兩側(cè)又分為雙端故障測(cè)距和單端故障測(cè)距?；谪?fù)序電流抑制策略的單端故障測(cè)距法具有故障分析法的典型優(yōu)點(diǎn)，它直接利用故障線(xiàn)路的故障錄波裝置提取數(shù)據(jù)，經(jīng)濟(jì)性好，加之只需要單端數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)分析計(jì)算，原理簡(jiǎn)單，且規(guī)避了數(shù)據(jù)同步和通信技術(shù)引發(fā)的問(wèn)題，對(duì)于單側(cè)電源的線(xiàn)路比較友好。但是，實(shí)際的電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，特別是對(duì)于交直流輸電系統(tǒng)或交流多區(qū)段混合線(xiàn)路，通過(guò)配置負(fù)序電流抑制策略的模塊化多電平換流器，使得復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)下的單端故障測(cè)距精確化成為了可能。

對(duì)于交直流混合輸電系統(tǒng)，以發(fā)生單相接地故障時(shí)為例，系統(tǒng)中臨近故障側(cè)的具有負(fù)序電流抑制策略的模塊化多電平換流器迅速作用，將輸出的負(fù)序電流擬制到接近于0，此時(shí)的負(fù)序阻抗可以近似為無(wú)限大，使得近故障端母線(xiàn)的故障電流只包含正序電流和零序電流。而另一端母線(xiàn)的故障電流包含正序電流、負(fù)序電流和零序電流，兩端母線(xiàn)電流所包含的序分量產(chǎn)生明顯的區(qū)別，近似成了一個(gè)單端負(fù)序網(wǎng)絡(luò)，因而通過(guò)單端電氣量即可獲得準(zhǔn)確的故障測(cè)距。相間短路故障和三相短路故障時(shí)的分析原理相同。該方法的應(yīng)用使得故障兩端母線(xiàn)的故障電流所包含序分量有所不同，實(shí)現(xiàn)了單端電氣量實(shí)現(xiàn)測(cè)距，且無(wú)須分兩步測(cè)距，測(cè)距精度高、抗過(guò)渡電阻能力強(qiáng)，無(wú)論是對(duì)于單一均勻線(xiàn)路，還是多區(qū)段混合線(xiàn)路，都具有通用性。

2.3 改進(jìn)型雙端不同步測(cè)距算法

相比于依靠一側(cè)故障信息獲得故障測(cè)距的單端測(cè)距算法，以?xún)蓚?cè)故障信息為依托的雙端故障分析測(cè)距的精度更高，且不受過(guò)渡電阻和系統(tǒng)運(yùn)行方式影響。隨著通信技術(shù)的大幅提升，兩側(cè)電氣信息幾乎可以同步采集，但是，硬件固有的輸入、輸出時(shí)間消耗成為了兩端故障量無(wú)法同步的主要矛盾，因此，兩端不同步測(cè)距算法具有更加現(xiàn)實(shí)的研究與應(yīng)用前景。

通過(guò)研究一般的雙端不同步測(cè)距算法可能存在偽根導(dǎo)致測(cè)距失敗的原因，提出了一種基于電力線(xiàn)路分布參數(shù)模型的雙端不同步故障測(cè)距法。該方法利用電壓正序分量和電壓負(fù)序分量的比值，或電壓在正常運(yùn)行狀態(tài)下正序分量和故障狀態(tài)下正序分量的比值去除不同步角，然后根據(jù)相位單調(diào)性得出測(cè)距方程，經(jīng)運(yùn)算后，可以準(zhǔn)確地獲得故障測(cè)距，因計(jì)算過(guò)程不會(huì)出現(xiàn)偽根，使得故障測(cè)距更加安全可靠。不僅如此，該方法對(duì)于復(fù)雜的同桿并架的雙回線(xiàn)路也具有很高的應(yīng)用性。針對(duì)T型電力線(xiàn)路T節(jié)點(diǎn)附近故障時(shí)存在測(cè)距死區(qū)的問(wèn)題，采用了新的測(cè)距函數(shù)進(jìn)行故障分支判斷，利用測(cè)距函數(shù)幅值在故障支路單調(diào)遞減且故障點(diǎn)過(guò)零而區(qū)別于正常支路、測(cè)距函數(shù)相位在故障支路單調(diào)且收尾相差約180°而區(qū)別于正常支路的這些特點(diǎn)，判斷出故障支路，然后依據(jù)故障距離的解析表達(dá)式求得故障測(cè)距。該方法不但很好地消除了故障測(cè)距的死區(qū)，而且不用判斷故障類(lèi)型、計(jì)算方便、程序?qū)崿F(xiàn)簡(jiǎn)單、運(yùn)算速度快，可以推廣到多端輸電線(xiàn)路上。

2.4 基于時(shí)頻原子分解法的雙端行波法

隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，T 型或是同桿并架雙回線(xiàn)路這種復(fù)雜的輸電形式也越來(lái)越常見(jiàn)，這使得故障類(lèi)型更加多樣，故障測(cè)距更加難以精確實(shí)現(xiàn)。所以，針對(duì)此類(lèi)接線(xiàn)方式下的故障測(cè)距方法也成為重點(diǎn)研究的方向。

基于時(shí)頻原子分解法的雙端行波法對(duì)上述問(wèn)題的解決表現(xiàn)良好。一般來(lái)說(shuō)，行波法按照采集的故障信息來(lái)自一側(cè)或是兩側(cè)可以分為單端行波法和雙端行波法。而所謂的時(shí)頻原子分解法，是將信號(hào)以一系列原子的形式進(jìn)行線(xiàn)性展開(kāi)，里面包含了信號(hào)的時(shí)域和頻域信息，通過(guò)對(duì)分解后的原子進(jìn)行分析來(lái)獲得信號(hào)的相關(guān)信息。

基于此，可以采用新的相模變換矩陣，對(duì)發(fā)生故障的輸電線(xiàn)路進(jìn)行解耦，從行波中提取出線(xiàn)模分量，利用時(shí)頻原子分解法進(jìn)行分析，進(jìn)而找出故障行波的奇異點(diǎn)，正確捕捉到行波的波頭，這樣便可計(jì)算出故障測(cè)距。這種引入時(shí)頻原子分解法的雙端行波方法具有測(cè)距準(zhǔn)確，且不受過(guò)渡電阻和運(yùn)行方式的影響的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)各種故障類(lèi)型都能夠達(dá)到很好的測(cè)距效果。

這種基于時(shí)頻原子分解法的雙端行波法很好地解決了故障行波波頭難于識(shí)別和捕捉的問(wèn)題，但是由于引入了大量的相模變換及時(shí)頻原子分析法所帶來(lái)的內(nèi)積、復(fù)數(shù)等運(yùn)算，這都在一定程度上減緩了故障識(shí)別和測(cè)距的計(jì)算速度，對(duì)于實(shí)際應(yīng)用中可能會(huì)使保護(hù)裝置的反應(yīng)時(shí)間變長(zhǎng)、無(wú)法以最快的速度提供測(cè)距，這也是一個(gè)值得進(jìn)一步探究的問(wèn)題。

3 結(jié)語(yǔ)

基于上述分析可以發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是對(duì)于輸電線(xiàn)路，還是配電線(xiàn)路，快速而準(zhǔn)確的故障測(cè)距對(duì)實(shí)現(xiàn)故障點(diǎn)定位、故障排除都是十分重要的。本文就目前幾種主要的故障測(cè)距分類(lèi)進(jìn)行了歸納總結(jié)，對(duì)每種故障測(cè)距方法的特點(diǎn)予以說(shuō)明。在此基礎(chǔ)之上，對(duì)幾種改進(jìn)的故障測(cè)距方法進(jìn)行了詳細(xì)論述。

針對(duì)地域環(huán)境復(fù)雜、接線(xiàn)形式多樣的配電線(xiàn)路，可以采用綜合組合的故障測(cè)距方法，分兩步完成故障測(cè)距，提高準(zhǔn)確度；對(duì)于存在直流系統(tǒng)接入的交直流混合系統(tǒng)，可以采用負(fù)序電流抑制策略，利用故障情況下兩端負(fù)序分量的不同，將系統(tǒng)等效為單端情況進(jìn)行故障量分析計(jì)算，無(wú)需分兩步進(jìn)行，使得實(shí)現(xiàn)過(guò)程簡(jiǎn)化；為了獲得更加精確的測(cè)距，雙端不同步故障測(cè)距法是個(gè)不錯(cuò)的選擇，針對(duì)T型接線(xiàn)的復(fù)雜情況，提出了一種依據(jù)測(cè)距函數(shù)幅值與相位特性而判斷故障支路，進(jìn)而求解出故障測(cè)距，消除了T型接線(xiàn)故障測(cè)距的死區(qū)；在雙端行波測(cè)距法的研究中，采用時(shí)頻原子分解法正確捕捉行波波頭，很好地解決了行波法實(shí)施中的關(guān)鍵難點(diǎn)，使得測(cè)距精度有了保障，但是，由于運(yùn)算增多而導(dǎo)致的識(shí)別速度減慢卻是一個(gè)不容忽視的存在。上述方法在仿真軟件中均有很好的表現(xiàn)。幾種改進(jìn)的故障測(cè)距方法在各個(gè)方向進(jìn)行著有益的探索，另外，計(jì)算機(jī)技術(shù)和智能算法的發(fā)展也為故障測(cè)距提供了更多更快、更好的方法。