浅析输电线路故障定位算法现状及发展趋势

周笛，陈霖

(1.桂林供电局，广西 桂林 541002;2.广西大学电气工程学院，广西 南宁 530004)

1 引言

随着电力系统不断发展，超高压、长距离输电线路越来越多。为减少线路故障后的寻查工作量，缩短故障修复时间，节约大量的人力、物力，提高供电可靠性，减少停电损失，加强并提高系统运行管理水平，迫切需要在系统发生故障后能迅速、准确地查找到故障点，线路故障点的准确定位显得越来越重要。对于大多数的能够重合成功的瞬时性故障，准确地测出故障点位置，可以辨别是雷电过电压造成的故障，还是由于线路绝缘子老化、线路下树枝摆动造成的故障。及时地发现事故隐患，采取有针对性的措施，避免事故再一次地发生。线路故障后迅速准确的确定故障点，不仅对及时修复线路和保证可靠供电，而且对电力系统的安全稳定和经济运行都有十分重要的作用。

早期的故障定位一般是根据模拟式录波器记录的故障录波图粗略的估计故障点的位置。随着计算机技术的普遍发展及应用，基于微机的保护装置和故障录波装置应用的越来越广泛，由于当时的故障定位方法还不是很完善，且受其他因素的影响，测距精度仍得不到保障。近年来，高速数字信号处理器及其他新型技术的发展，为各种测距算法的发展提供了保证。本文分析了各种故障定位方法的优缺点，并由此提出了发展输电线路故障定位技术的研究思路。目前的故障定位方法可以分为行波测距法和阻抗测距法。

2 行波测距法

行波法最早诞生于20世纪40年代，它是通过测量故障产生的行波在故障线路上的时间来实现测距的方法。由于早期受许多相关技术的限制，比如行波信号的提取、信号处理方法、数据处理方法等等，一直没有得到推广。随着近年来科学技术的发展，GPS的商业化，高速处理芯片的应用，为行波分析方法在电力系统相关技术领域内的运用提供了基本手段。

行波分析法可分为A、B、C、D 四种方法［1］，其中A型和C型采用的是单端信号定位;B型和D型采用双端信号定位。对于单端信号的行波测距法而言，由于行波到达故障点后会发生反射，也会折射到对端的母线，折射到对端母线的行波经过一段时间后又会反射到测量点，使得行波分析有较大的误差。由于影响因素较多，后面几次的行波辨识比上一次的辨识更加困难，因此单端法难以精确记录两次行波到达测量端的时间，以致测量存在较大的误差。双端法由于是故障后记录电流或电压行波到达线路两端的时间，而行波的传输速度近似于光速，1μs就会造成150m的误差，因此这种测距原理对线路两侧的GPS对时系统要求非常高。

故障行波信号是一个突变的、具有奇异性的、含有大量高频分量的信号，并且行波在不同的模式下传播时，各频率分量的传播速度和衰减也各自不同，从而造成行波的到达时间难以准确判断，这些是影响行波法故障测距精度得重要原因之一。小波分析法的出现使行波的信号处理有了一个很好的解决办法。小波分析法［2］具有伸缩、平移和放大功能，它在时域和频域上同时具有良好的局部化性质。它可以对信号进行多尺度分析，具有很强的特征提取功能，尤其对突变信号的处理优势非常明显，另外，由于随机噪声信号和有效信号的小波变换在特征上有明显的区别，因此小波分析法具有很强的消噪功能。这些优势为小波分析法在微机保护中的应用提供了可靠性。

3 阻抗测距法

阻抗测距法广义上又称为故障分析法，是根据故障时的系统自身参数以及故障点的电压、电流求得故障阻抗的一种通用方法。阻抗法也包括单端量法和双端量法。

3.1 单端量测距法

单端量法一般是在系统运行方式确定和线路参数已知的情况下，利用线路一端测得的电流、电压计算出故障阻抗的一种算法。由于保护装置、测量装置和录波装置公用一套电流、电压互感器，硬件投资少，且不受系统通信条件的限制，在早期的测距装置中应用的较多。但是单端测距法只使用了一侧的故障信息，故障过渡电阻和对侧系统阻抗变化对测距精度有着较大的影响。现代的单端测距算法可细分为迭代法、解微分方程法、解二次方程法等。

迭代法是从分析故障时系统序网络结构入手，根据边界条件，得出测量端短路电流与故障支路同类电流之间或者它们的相角之间存在的关系式，再与测量端电压方程构成方程组，得到一个值，最后利用所得值反复迭代，求得一个最优近似值。文献［3］提出利用迭代法来求解故障距离，通过一定次数的迭代来修正故障电流相位，虽然解决了电流不同相位而带来的误差问题，但缺点是迭代结果不一定收敛于故障距离，且定位精度受过渡电阻等因素的影响。

解微分方程法是基于被测线路的分布电容可以忽略的情况下提出的，它利用两个不同时刻的采样值，获得两个独立的方程，从而求得故障距离。该方法无需双侧系统参数和故障前的数据，由于是采样两个时刻的瞬时值，响应时间短，且不必滤掉非周期分量。但该方法忽略了分布电容的存在，因此对长线路失效，并且在高阻抗故障时，测距精度影响较大。文献［4］则利用正序和负序故障分量的相位代替故障电流的相位，使之适应于高阻抗接地。但同时测距精度也会受对侧系统运行方式和过渡电阻的影响。因此要减小其影响，就要引入对端系统的阻抗，那必然要受对侧系统阻抗变化的影响，这是单端测距算法长期没有解决的难题。

3.2 双端量测距法

双端量测距法是利用线路两端的电气量实现的故障测距算法。由于这类算法是利用两端电流电压推算倒故障点电压相等的条件获得的故障位置信息，因此从原理上不存在过渡电阻和对侧系统运行方式变化影响的问题。目前的双端测距法主要分为双端数据同步和不同步两种。

(1)基于双端数据同步采样数的测距算法

这类算法的特点是算法简单，但由于要求两端数据采样同步，对硬件要求较高，数据采样的非同步误差会影响这类算法的测距精度，通常利用GPS对时系统保证两端数据采样同步或进行采样同步化来处理解决该问题。文献［5］是基于微分方程的算法，它利用两端的暂态数据进行分析，在短线路中，用差分代替微分，采用最小二乘法提高精度;长线路中，利用贝瑞龙模型，故障距离也通过最小二乘法进行校正，此方法采用两端电流电压的瞬时值，灵活方便，且对硬件的要求比行波法低，只需要两端数据同步即可。文献［6，7］提出基于模分析理论的精确故障定位法，该方法利用相－模变换原理很好地克服了输电线路参数实际上的不平衡对故障测距精度的影响，既适用于不换位线路，也适用于各种换位线路，还可以推广到耦合平行双回线路的故障测距。

(2)基于双端数据不同步采样的测距算法

不同步数据采样算法是先在计算中引入相角差，在故障点处列些两端电压方程式，得到关于相角差和故障距离的两个方程，然后使用迭代法求出相角差，进而得到故障距离;或消除相角差，建立故障距离的二次方程求得故障点。文献［8］利用本端电压、电流和对侧的电流实现故障测距，由于是直接利用分相式电流差动保护已有电流信息，因此可以不必考虑双端数据的同步问题。

(3)带有串补电容补偿的输电线路故障测距

串联电容补偿技术是一项十分成熟的技术，在电力系统中已有80多年的应用历史。在输电线路中加入串补电容不仅能提高线路的输送能力，还可以提高电力系统的稳定运行水平。研究表明:串联电容补偿技术不仅在技术上具有优势，而且经济效益也非常明显，常规串补电容补偿的造价通常不到架设一条新输电线路造价的10%［9］。

由于串联补偿电容的存在破坏了输电线路的均匀性，常规的测距算法已不能满足其要求。国内外许多学者进行了有关串补电容输电线路测距算法的研究，文献［10］利用单侧电压电流工频分量进行双电源线路短路点定位，原理上无法克服对侧系统运行方式阻抗随负荷波动和运行方式的改变而变化对测距精度的影响。文献［11］是采用双端数据，利用序分量求解的精确故障定位算法，它不需要双端信号同步，并且考虑的MOV的非线性问题。

4 各种测距算法的比较

4.1 行波测距法和阻抗测距法的比较

在以上的测距方法中，行波测距法由于因波速的不确定性，测距死区及对硬件的要求非常高等问题而使其应用受到限制。由于行波法测距装置是独立的一套装置，这不仅加大了投资成本，并且维护也较困难，因此要得到普及的应用还有待相关技术的发展。阻抗测距法充分利用现有的投运设备的信息进行分析，硬件投资少，容易实现，比较实用。目前我局变电站的所有故障测距系统都是基于故障分析法的原理，并且都是集成在保护装置中，这样不仅减少了投资，而且方便日常的维护和检修，节省了大量的人力和时间，提高了经济效益。

4.2 单端测距法和双端测距法的比较

纵观现有的单端测距算法，由于在原理上始终不能消除故障过渡电阻和对侧系统阻抗变化对测距精度得影响，因此在高压架空输电线路中使用的较少。而双端测距算法由于在原理上不存在误差，不受过渡电阻和对侧系统阻抗的影响，近年来其发展越来越迅速，但是双端测距法必须采样线路两侧的电气量，因此就出现了两端数据采样同步的问题，如何消除因两端数据采样不同步而造成测距精度不准确的影响因素值得进一步的深入研究。

5 结论

高压架空输电线路的精确定位是从技术上保证电网安全、稳定和经济运行的重要措施之一。现有的各种测距算法各有其优缺点，都有需要进一步解决的技术问题。行波测距法由于其行波故障分量的提取和计算、故障行波到达时间的精确确定等问题，以及行波测距装置投资成本高，维护较困难使其普及应用受到限制。单端测距算法在原理上无法消除过渡电阻和对侧系统阻抗变化的影响，测距精度较低。随着通信和计算机技术的发展，双端测距算法越来越发展成为一种趋势，但算法自身的适应性和剔除伪根判据等是目前亟待解决的问题。随着装置在实际运行中的不断总结和完善，两端数据不同步的测距算法将更加优越，具有较大的工程使用价值。

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［11］韩彦华，施围.串补输电线路的精确故障定位算法［J］.中国电机工程学报，2002，22(5):75 －77.