基于行波時(shí)差的多段混合線路故障定位方法

山東廣大工程咨詢有限公司 程占濤

1 研究背景

1.1 行波時(shí)差故障定位的意義

電力系統(tǒng)是一個(gè)高度復(fù)雜的系統(tǒng)，由大量的電氣設(shè)備和線路組成。在運(yùn)行過(guò)程中，由于各種因素的影響，如自然災(zāi)害、人為破壞、設(shè)備老化等，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)各種故障。當(dāng)發(fā)生故障時(shí)行波在架空線的傳播速度接近光速，但是電纜段受線路電導(dǎo)率、絕緣以及外界環(huán)境等影響很難精確地確定其波速，所以直接使用單、雙端定位方法誤差大[1]。

行波時(shí)差故障定位是一種常用的電力系統(tǒng)故障定位方法。其利用電力系統(tǒng)中電磁波在傳輸過(guò)程中的傳播速度不同，通過(guò)測(cè)量電磁波到達(dá)不同位置的時(shí)間差來(lái)確定故障點(diǎn)的位置。此方法具有定位精度高、適用范圍廣、不受線路參數(shù)和故障類型的影響等優(yōu)點(diǎn)，因此在電力系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。

行波時(shí)差故障定位方法也存在一些問(wèn)題。由于線路參數(shù)的不確定性，如傳輸線的長(zhǎng)度、電阻、電感和電容等，會(huì)導(dǎo)致測(cè)量誤差的增加，從而影響故障定位的精度。對(duì)于多段混合線路來(lái)說(shuō)，由于每一段線路的特性不同，行波時(shí)差故障定位方法無(wú)法直接應(yīng)用，需要采取一定的措施解決這個(gè)問(wèn)題。

1.2 多段混合線路的特點(diǎn)

多段混合線路是指由多個(gè)不同特性的線路段組成的線路，其中每個(gè)線路段的電阻、電感和電容等參數(shù)均不相同。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，多段混合線路的出現(xiàn)是不可避免的。與傳統(tǒng)的單一線路不同，多段混合線路具有復(fù)雜性和多樣性，給故障定位帶來(lái)了一定的挑戰(zhàn)。

針對(duì)多段混合線路的故障定位問(wèn)題，需要探索新的方法和技術(shù)，以提高故障定位的精度和可靠性。本文提出了一種基于行波時(shí)差的多段混合線路故障定位方法，旨在綜合利用行波時(shí)差和混合線路特性，提高故障定位的精度和可靠性。

2 相關(guān)工作綜述

2.1 傳統(tǒng)故障定位方法的優(yōu)缺點(diǎn)

在傳統(tǒng)的故障定位方法中，最常用的方法是利用反射系數(shù)或阻抗匹配的原理進(jìn)行故障點(diǎn)定位。具體來(lái)說(shuō)，故障點(diǎn)定位通常通過(guò)測(cè)量發(fā)射端和接收端的電壓波形來(lái)實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)故障定位方法的優(yōu)缺點(diǎn)見表1。

表1 傳統(tǒng)故障定位方法的優(yōu)缺點(diǎn)

2.2 基于行波時(shí)差的故障定位方法研究現(xiàn)狀

基于行波時(shí)差的故障定位方法是一種新興的故障定位技術(shù)，通過(guò)測(cè)量行波傳輸?shù)臅r(shí)間差來(lái)定位故障點(diǎn)。該方法能夠有效地定位多種類型的故障，并且具有抗環(huán)境干擾的能力。

基于行波時(shí)差的故障定位方法利用了行波傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，測(cè)量?jī)蓚€(gè)位置處的行波傳輸時(shí)間差，通過(guò)計(jì)算可以定位故障點(diǎn)。在該方法中，需要使用高速數(shù)字化儀測(cè)量信號(hào)，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。相比于傳統(tǒng)方法，基于行波時(shí)差的方法能夠更加準(zhǔn)確地定位故障點(diǎn)，適用于各種類型的傳輸線路。

基于行波時(shí)差的故障定位方法在故障定位領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，可以提高故障檢測(cè)和定位的準(zhǔn)確性、可靠性。但是，此方法仍然存在一些局限性，如測(cè)量系統(tǒng)的復(fù)雜性和故障類型的限制等，需要進(jìn)一步加強(qiáng)研究和實(shí)踐。

3 方法設(shè)計(jì)

3.1 故障模型和假設(shè)

基于行波時(shí)差的多段混合線路故障定位方法假設(shè)混合線路中存在單一故障點(diǎn)，且故障點(diǎn)位置與測(cè)試點(diǎn)位置之間的傳輸線路可以用等效電路模型表示?；旌暇€路中的傳輸線路類型包括雙絞線、同軸電纜等，故障點(diǎn)類型包括開路和短路。

3.2 基于行波時(shí)差的多段混合線路故障定位流程

基于行波時(shí)差的多段混合線路故障定位方法的流程如圖1所示。

圖1 基于行波時(shí)差的多段混合線路故障定位方法的流程

其中，具體步驟如下：一是測(cè)試端口處發(fā)送脈沖信號(hào)，利用高速采樣技術(shù)獲取接收端口處的行波響應(yīng)。二是對(duì)接收端口處的行波響應(yīng)進(jìn)行濾波和去噪處理，得到干凈的行波響應(yīng)信號(hào)。三是根據(jù)傳輸線路的等效電路模型，計(jì)算傳輸線路的傳輸時(shí)間延遲。四是根據(jù)傳輸時(shí)間延遲，對(duì)干凈的行波響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行時(shí)移，得到經(jīng)過(guò)傳輸線路的參考波形和故障波形。五是根據(jù)參考波形和故障波形，計(jì)算行波時(shí)差。六是利用行波時(shí)差和傳輸時(shí)間延遲，計(jì)算故障點(diǎn)位置。七是對(duì)故障點(diǎn)位置進(jìn)行驗(yàn)證，并進(jìn)行必要的修復(fù)。

3.3 傳輸線路的參數(shù)計(jì)算

3.3.1 雙絞線

雙絞線的參數(shù)計(jì)算式見表2。

表2 雙絞線的參數(shù)計(jì)算式

其中，L 表示電感，μ0表示真空中的磁導(dǎo)率（也稱為自由空間磁導(dǎo)率），μr表示磁芯材料的相對(duì)磁導(dǎo)率，N 表示線圈的匝數(shù)（或線圈數(shù)），A 表示線圈的橫截面積，l 表示線圈的長(zhǎng)度。C 表示電容，π是圓周率，εr表示同軸電纜的相對(duì)介電常數(shù)，ε0表示真空中的介電常，ln 表示自然對(duì)數(shù)，d 表示同軸電纜兩個(gè)導(dǎo)體之間的距離，r 表示同軸電纜內(nèi)導(dǎo)體的半徑。Z0表示特征阻抗，εr表示同軸電纜的相對(duì)介電常數(shù)，ln 表示自然對(duì)數(shù)，D 表示同軸電纜的外徑，d 表示同軸電纜的內(nèi)徑，r 表示同軸電纜內(nèi)導(dǎo)體的半徑，rc表示同軸電纜的屏蔽層的半徑。

3.3.2 同軸電纜

同軸電纜的參數(shù)計(jì)算式見表3。

表3 同軸電纜的參數(shù)計(jì)算式

其中，C 表示同軸電纜的電容，εr表示同軸電纜的相對(duì)介電常數(shù)，ε0表示真空中的介電常數(shù)，ln表示自然對(duì)數(shù)，D 表示同軸電纜的外徑，d 表示同軸電纜的內(nèi)徑。Z0表示特征阻抗，L 表示電感，μ0表示真空中的磁導(dǎo)率，μr表示同軸電纜的相對(duì)磁導(dǎo)率。本文算法需采用雙端同步數(shù)據(jù)，因此，雙端數(shù)據(jù)的相位有一定偏差的情況下必然會(huì)造成測(cè)距結(jié)果的誤差[2]。

通過(guò)計(jì)算，可以得到傳輸線路的等效電路模型，并進(jìn)行基于行波時(shí)差的多段混合線路故障定位?；谛胁〞r(shí)差的多段混合線路故障定位方法能夠快速、準(zhǔn)確地定位混合線路中的單一故障點(diǎn)，為故障的及時(shí)修復(fù)提供了重要的技術(shù)支持。

4 試驗(yàn)與結(jié)果

4.1 試驗(yàn)平臺(tái)和數(shù)據(jù)采集

為驗(yàn)證基于行波時(shí)差的多段混合線路故障定位方法的有效性，在Matlab/Simulink 平臺(tái)進(jìn)行仿真試驗(yàn)。試驗(yàn)中使用的混合線路包括雙絞線、同軸電纜和微帶線?；旌暇€路參數(shù)見表4。

表4 混合線路參數(shù)

為了模擬線路故障，在每種線路人為引入了10個(gè)故障點(diǎn)，分別為短路、開路和接地故障。數(shù)據(jù)采集時(shí)，在每個(gè)故障點(diǎn)處分別向線路注入一個(gè)5V 的方波信號(hào)，并在故障點(diǎn)的另一端接收信號(hào)，以獲取行波時(shí)差。

4.2 仿真結(jié)果與分析

在仿真試驗(yàn)中，分別對(duì)三種混合線路的基本參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，驗(yàn)證了計(jì)算結(jié)果的正確性。在每個(gè)故障點(diǎn)處注入方波信號(hào)，并記錄信號(hào)在故障點(diǎn)兩端的行波時(shí)差，以進(jìn)行故障定位。在故障定位過(guò)程中，利用本文介紹的基于行波時(shí)差的多段混合線路故障定位方法。

4.2.1 具體流程如下

一是對(duì)每個(gè)故障點(diǎn)，計(jì)算其兩端信號(hào)的行波時(shí)差。二是利用行波時(shí)差計(jì)算故障點(diǎn)與注入點(diǎn)的距離。三是將計(jì)算得到的距離和各個(gè)故障點(diǎn)的位置進(jìn)行比較，找到距離最近的故障點(diǎn)。四是利用距離最近的故障點(diǎn)的位置和行波時(shí)差計(jì)算出故障點(diǎn)的具體位置。

在進(jìn)行故障定位時(shí)，由表和圖中可以看出，在不同的故障類型和距離下，基于行波時(shí)差的多段混合線路故障定位方法都可以取得較高的準(zhǔn)確性和精度。尤其是對(duì)于大多數(shù)故障類型和距離，該方法的定位精度都在1m 以內(nèi)，實(shí)用價(jià)值較高。

4.2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)于同一種故障類型，在不同的距離下，定位誤差會(huì)隨著距離的增加而增加，但是整體精度仍然很高。在相同的距離下，不同的故障類型的定位精度存在一定差異，其中開路故障的定位精度最高，而短路故障的定位精度最低。對(duì)于同一種故障類型，不同的多段混合線路參數(shù)設(shè)置會(huì)對(duì)定位精度產(chǎn)生一定的影響。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體情況進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化?；谛胁〞r(shí)差的多段混合線路故障定位方法具有高精度、高可靠性和實(shí)用性，行波法具有基本不受系統(tǒng)參數(shù)、運(yùn)行方式和過(guò)渡電阻等因素影響的優(yōu)點(diǎn)[3]，可以在實(shí)際工程中得到廣泛應(yīng)用。

5 結(jié)語(yǔ)

研究提出了一種基于行波時(shí)差的多段混合線路故障定位方法，通過(guò)計(jì)算行波時(shí)差和混合線路的特征參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多段混合線路中的故障點(diǎn)進(jìn)行精確定位。試驗(yàn)結(jié)果表明，該方法在定位精度、定位范圍和計(jì)算時(shí)間等方面都優(yōu)于傳統(tǒng)方法，具有較高的可行性和實(shí)用性。

未來(lái)的工作可以進(jìn)一步探索該方法在復(fù)雜電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，同時(shí)結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)等先進(jìn)技術(shù)，進(jìn)一步提高故障定位的準(zhǔn)確性和效率。