高压输电网行波故障定位方法初探与比较

张永政

(国网辽阳供电公司，辽宁 辽阳 111000)



高压输电网行波故障定位方法初探与比较

张永政

(国网辽阳供电公司，辽宁 辽阳 111000)

对高压输电线路现有的各种行波故障定位方法进行了归纳总结。现有的测距方案可分为暂态行波定位和工频量定位两大类,其中暂态行波定位按分析方法可分为时域和频域两种，而工频量定位按数据来源可再分为单端与双端定位方案。简略介绍了这些方案的算法原理,并对其特点及应用效果作了一定的评价,同时对这些方案的优缺点和应用前景进行了初步探讨。

行波；暂态保护；工频保护；现状

1 引言

输电网是电力系统的重要组成部分，它担负着输送电能的重要任务，是发电厂和终端用户的纽带，同时也是整个系统安全稳定运行的基础，输电网故障直接威胁到电力系统的安全可靠经济运行。故障定位是输电线路故障点查找与清除的重要依据，精确的故障定位不仅能大大减轻人工巡线的艰辛工作，缩短排除故障的时间，而且还能查出维护人员难以发现的故障，从而排除绝缘隐患，及时修复线路、恢复可靠供电。

现阶段输电网故障定位方法按照信号特征的不同主要分为两大类，一类是利用暂态行波的方法；另一类就是利用工频量的方法。

2 利用暂态行波的定位方法

行波定位方法利用行波在输电线路上有较固定的传播速度(接近光速)这一特点，通过记录和测量线路故障时，由故障点产生的行波到达母线时间，以实现精确故障定位。行波法定位的精度在理论上不受线路类型、故障电阻及两侧系统的影响。

2.1 时域行波法

基于时域行波法的故障定位难点是对行波波头的准确识别，特别是单端行波法难以检测和区分故障点反射波，严重影响定位可靠性。起初行波检测方法是通过比较电流行波信号是否越过设定阈值实现检测，这种方法容易受系统运行工况和噪声等影响，难以精确地确定电流行波波头前沿到达的时刻。20世纪80年代末90年代初，小波理论的提出为非平稳信号的检测带来了突破。因为小波分量的模极大值与信号的尖锐变化点相对应，因此可以将小波分量的模极大值出现时刻确定为电流行波信号的到达时刻[1,2]。另外根据不同尺度(频带)下小波变换的模极大值极性，可进一步识别被测行波的相位变化，判断其是由故障点还是对端母线反射或其他干扰脉冲等[3]，以此有效地消除噪声提取信号。借助小波理论对行波特征的有效提取，行波故障定位的数学原理也逐渐建立和丰富。文献[4,5]对基于小波分析的仿真数据及实测故障数据进行了定位结果对比，取得了较好的效果，但同时也指出未考虑行波传播中的色散现象对算法可靠性的影响。

数学形态学[6]在滤波和突变信号检测方面的优势也被用于故障定位中来研究行波波头的提取和识别，该方法只有简单的加减运算和极值比较，因此具有简单、快速等优点，且其变换后幅值衰减很小，无相移，便于硬件实现。但是在形态运算中需选择合适的结构元素，其对运算结果具有决定性影响，要综合考虑待分析信号、滤除信号以及保持图形等因素。文献[7]将故障行波经形态学滤波后，再对其进行Hilbert-Huang变换(HHT)以提高行波波头到达时间的精度，但其依然没有从原理上避免行波高频成分衰减大使波头畸变致难以提取的影响。

以上对行波波头识别的方法研究主要体现在提高行波波头到达时间的确定精度，在行波频率较高时难以准确识别波头，而导致定位失败。同时未考虑行波波速在有损输电线路传播中会受频率的影响，而对于时域信号处理技术很难准确计算对应的波速度，使其成为影响时域行波法故障定位准确度的主要因素。

2.2 频域行波法

为了克服行波波头识别困难的问题，有学者研究了高频暂态行波的频谱特征，试图从频域角度找出其与故障距离的关系。按照文献[8]的论述，行波在有限长度线路的传播受到线路两端边界条件的影响。当理想传输线上传播的行波在线路两端完全反射时，在频域上表现为以谐波形式，把这一系列频率称为行波的固有频率。Swift在对故障行波的频谱进行研究后发现，在线路终端条件为理想开路或理想短路时，故障距离和行波频谱的主成分有确定的数学关系，但其结果仅从仿真实验得到，没有严格的数学推理，在系统等效阻抗为有限值时不适用。

文献[9]从线路的波动方程出发，从理论上推导出任意边界条件下，线路长度和行波固有频率的关系。该方法仅需单端电压或电流信息，在线路参数已知的条件下，利用适当的频谱估计方法提取行波的固有频率(一般采用主成分)，结合边界条件即输电线终端连接的系统等效阻抗即可精确计算形成固有频率的两个反射点之间的线路长度，对故障行波固有频率两个反射点之间(一端为测量端母线，另一端为故障点)的线路长度就是故障距离。该方法不需通信信道和时钟同步设备，与双端法相比在经济上有很大优势，同时该方法通过提取行波固有频率的主成分进行定位，不仅避免了时域行波法对行波波头的识别，还可以精确计算相应的行波波速进行计算，以减小定位误差。

该方法的代价是算法要求已知单端(测量端)的系统等效阻抗和输电线路参数，同时，该方法实现准确定位的关键是对固有频率的准确提取，前期研究在原有基于双电源单回交流输电线路的定位原理基础上，经验证了其在高压直流输电线路和电缆混合线中的适应性；另外考虑输电线路中出现串联补偿装置时，串联电容及其氧化锌非线性电阻(metal oxide varistor，MOV)对定位算法中频率提取和计算折反射系数的影响；同时针对同杆双回输电线路构造适合单回故障和同名跨线故障的反射系数矩阵，研究不同输电线路形式下的定位算法应用。文献[10]对行波固有频率在电网故障定位应用进行了研究，文中仅使用单端电流行波信号对三端电源线路进行试验，需要先判断故障线路，而以一端提取的行波固有频率区别故障点和健全线路母线反射波在实际中存在困难。

3 利用工频量的故障定位方法

工频量法对采样频率的要求不高，在现有的保护装置或者录波器当中，完全能够满足其要求，具有较大的工程应用价值。工频量法包括解方程算法和迭代测距算法，就是利用测量到的电气量，通过对故障现象的分析并根据线路发生故障时候的故障特征构造各种原理的测距方程进行故障测距。在线路参数已经知道的前提下，线路某处发生了故障的时候，线路两端的电压和电流参数均为故障距离的函数，因此，工频量法的本质是短路电压电流计算的一种逆运算。 在我国，主要有零序电流分量相位修正法、解微分方程法、零序电流修正法和解方程法等等。其中也包括阻抗法，阻抗法的原理建立在分布参数模型基础上，是指利用测量端测量能够测量到的电气量，根据已经测量到的电气量建立电路方程，在电路理论下以单位阻抗值折算故障距离，进而实现故障测距。

利用工频量的测距方法可分为单端测距法和双端测距法。

3.1 利用工频量的单端定位法

单端定位法利用输电线路其中一侧测量的电压和电流量，并综合故障前测量的电气量，在一定的假设基础上，来计算故障距离。单端定位法中运用最为广泛的是阻抗法，其原理是利用故障时在线路一端测到的电压、电流计算出故障回路的阻抗，该阻抗与测量点到故障点的距离成正比从而折算出故障距离。单端定位算法较为简单，经济性较好，但是受到过渡阻抗、对端系统运行参数和负荷电流影响存在原理上的缺陷，定位精度难以保证，因此一般作为双端定位算法的辅助。

阻抗法的优点是原理简单、算法易于实现且成本低廉，但由于算法本身原理上的缺陷，故障定位精度受过渡电阻和对端系统等效阻抗等因素影响大，其中过渡电阻与发生故障的环境有关而难以预测，对端等效阻抗也与系统配置相关，随系统运行方法时常变化。因此，实际应用中该方法的定位误差较大。

3.2 利用工频量的双端定位法

双端定位法是通过用线路两端的电压和电流以及必要的系统参数，经过分析化简得到定位方程，然后运用数学方法得到故障点位置。双端法相比于单端法从原理上可消除过渡阻抗、故障类型和系统阻抗对定位精度的影响，提高了定位精度。

双端定位算法按照线路模型，可分为分布参数模型和集中参数模型；按照双端采样数据是否同步，可分为双端不同步和同步算法。集中参数线路模型只能在线路较短情况下作为近似，不适用于高压长距离输电线路；分布参数线路模型虽然复杂，但是定位精度较高。虽然近年来GPS 同步装置的发展使得双端数据同步误差减小，但是由于保护装置和互感器对电流传输的延时性，双端数据并没有达到真正意义上的同步。因此，基于分布参数模型下的双端不同步定位算法具有一定的研究意义。

4 智能定位法

智能理论的研究发展对于故障测距也存在着极其重要的意义,这几年，对于故障测距问题不少专家学者引入智能理论来进行研究，使各种的智能理论技术 互相结合，比如神经网络专家系统、模糊神经网络 、模糊专家系统等都被提了出来，但是其中大多数都还处于研究阶段[11]。很多相关的新兴学科的研究成果也被引入到对于高压输电线路故障测距当中，比如小波分析法、优化法 、概率法、卡尔曼滤波技术、模式识别技术以及统计决策方法等等。但是这些研究还需要进一步探索[12]。

以上智能算法能够很好的克服传统定位算法中存着的缺陷，同时有很强的自适应性和学习性。由于某些理论还不够完善，使算法还存在着局限性。但是这些算法在输电线路故障定位中的运用指明了故障定位的研究方向，具有指导性的意义。

[1] 黄子俊，陈允平.基于小波变换模极大值的输电线路单端故障定位[J].电力自动化设备,2005,25(2):10-14.

[2] 马丹丹，王晓茹.基于小波模极大值的单端行波故障测距[J].电力系统保护与控制,2009,37(3):55-59.

[3] 张帆.基于单端暂态行波的接地故障测距与保护研究[D].山东大学,2008.

[4] 陈平，葛耀中，徐丙垠，等.现代行波故障测距原理及其在实测故障分析中的应用-A型原理[J].继电器,2004,32(2):13-18.

[5] 吴大立，尹项根，张哲，等.行波测距硬件系统的研究与设计[J].继电器,2006,34(8):20-23,44.

[6] 吴军基，吴伊昂，贺济峰，等.数学形态学在行波滤波中的应用[J].继电器,2005,33(17):21-26.

[7] 束洪春，程春和，赵文渊，等.形态学与HHT检测相结合的行波波头准确标定方法[J].电力自动化设备,2009,29(7):1-7,37.

[8] Miano G.Transmission Lines and Lumped Circuits[M].San Diego，USA:Academic Press,2001.

[9] 邬林勇，何正友，钱清泉.一种提取行波自然频率的单端故障测距方法[J].中国电机工程学报,2008,28(10):69-75.

[10] 林圣，武骁，何正友，等.基于行波固有频率的电网故障定位方法[J].电网技术,2013,37(1):270-275.

[11] ChenF,Athreya K B,Sastry V V.Venkata S S.Function space valued markov model for electric arc fumace.IEEE Trans[J].Power Syst,2004,19(2):826-833.

[12] Hatzia N,AsanoH,Iravani R.Power and energy magazine[J].IEEE,2007,5(4):78-94.

The Explroation and Comparision of the Travelling Wave Fault Location Mode of High-voltage Transmission Grid

ZHANGYong-zheng

(Liaoyang Power Supply Company of State Grid,Liaoyang 111000,China)

Existing high-voltage transmission lines for various traveling wave fault location methods are summarized.Existing ranging program can be divided into transient traveling wave positioning and power frequency positioning,which according to the analysis of transient traveling wave positioning methods can be divided into methods of time-domain and frequency-domain,and the power frequency positioning by the data source can be further divided into single-ended and double-ended positioning scheme.Article briefly describes the principle of these programs algorithms,and made certain characteristics and evaluation of its application effect,while the advantages,disadvantages and application prospects of these programs were discussed.

traveling wave;transient protection;power frequency protection;situation

1004-289X(2015)04-0103-03

TM72

B

2014-12-22

张永政(1963-)，男，本科学历，经济师，长期从事高压用电检查工作。

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