基于行波时差的多段混合线路故障定位方法

2023-08-21山东广大工程咨询有限公司程占涛

电力设备管理 2023年13期

山东广大工程咨询有限公司程占涛

1 研究背景

1.1 行波时差故障定位的意义

电力系统是一个高度复杂的系统，由大量的电气设备和线路组成。在运行过程中，由于各种因素的影响，如自然灾害、人为破坏、设备老化等，会导致系统出现各种故障。当发生故障时行波在架空线的传播速度接近光速，但是电缆段受线路电导率、绝缘以及外界环境等影响很难精确地确定其波速，所以直接使用单、双端定位方法误差大[1]。

行波时差故障定位是一种常用的电力系统故障定位方法。其利用电力系统中电磁波在传输过程中的传播速度不同，通过测量电磁波到达不同位置的时间差来确定故障点的位置。此方法具有定位精度高、适用范围广、不受线路参数和故障类型的影响等优点，因此在电力系统中得到了广泛的应用。

行波时差故障定位方法也存在一些问题。由于线路参数的不确定性，如传输线的长度、电阻、电感和电容等，会导致测量误差的增加，从而影响故障定位的精度。对于多段混合线路来说，由于每一段线路的特性不同，行波时差故障定位方法无法直接应用，需要采取一定的措施解决这个问题。

1.2 多段混合线路的特点

多段混合线路是指由多个不同特性的线路段组成的线路，其中每个线路段的电阻、电感和电容等参数均不相同。在实际运行过程中，多段混合线路的出现是不可避免的。与传统的单一线路不同，多段混合线路具有复杂性和多样性，给故障定位带来了一定的挑战。

针对多段混合线路的故障定位问题，需要探索新的方法和技术，以提高故障定位的精度和可靠性。本文提出了一种基于行波时差的多段混合线路故障定位方法，旨在综合利用行波时差和混合线路特性，提高故障定位的精度和可靠性。

2 相关工作综述

2.1 传统故障定位方法的优缺点

在传统的故障定位方法中，最常用的方法是利用反射系数或阻抗匹配的原理进行故障点定位。具体来说，故障点定位通常通过测量发射端和接收端的电压波形来实现。传统故障定位方法的优缺点见表1。

表1 传统故障定位方法的优缺点

2.2 基于行波时差的故障定位方法研究现状

基于行波时差的故障定位方法是一种新兴的故障定位技术，通过测量行波传输的时间差来定位故障点。该方法能够有效地定位多种类型的故障，并且具有抗环境干扰的能力。

基于行波时差的故障定位方法利用了行波传输的特点，测量两个位置处的行波传输时间差，通过计算可以定位故障点。在该方法中，需要使用高速数字化仪测量信号，利用计算机进行数据处理。相比于传统方法，基于行波时差的方法能够更加准确地定位故障点，适用于各种类型的传输线路。

基于行波时差的故障定位方法在故障定位领域具有广阔的应用前景，可以提高故障检测和定位的准确性、可靠性。但是，此方法仍然存在一些局限性，如测量系统的复杂性和故障类型的限制等，需要进一步加强研究和实践。

3 方法设计

3.1 故障模型和假设

基于行波时差的多段混合线路故障定位方法假设混合线路中存在单一故障点，且故障点位置与测试点位置之间的传输线路可以用等效电路模型表示。混合线路中的传输线路类型包括双绞线、同轴电缆等，故障点类型包括开路和短路。

3.2 基于行波时差的多段混合线路故障定位流程

基于行波时差的多段混合线路故障定位方法的流程如图1所示。

图1 基于行波时差的多段混合线路故障定位方法的流程

其中，具体步骤如下：一是测试端口处发送脉冲信号，利用高速采样技术获取接收端口处的行波响应。二是对接收端口处的行波响应进行滤波和去噪处理，得到干净的行波响应信号。三是根据传输线路的等效电路模型，计算传输线路的传输时间延迟。四是根据传输时间延迟，对干净的行波响应信号进行时移，得到经过传输线路的参考波形和故障波形。五是根据参考波形和故障波形，计算行波时差。六是利用行波时差和传输时间延迟，计算故障点位置。七是对故障点位置进行验证，并进行必要的修复。

3.3 传输线路的参数计算

3.3.1 双绞线

双绞线的参数计算式见表2。

表2 双绞线的参数计算式

其中，L 表示电感，μ0表示真空中的磁导率（也称为自由空间磁导率），μr表示磁芯材料的相对磁导率，N 表示线圈的匝数（或线圈数），A 表示线圈的横截面积，l 表示线圈的长度。C 表示电容，π是圆周率，εr表示同轴电缆的相对介电常数，ε0表示真空中的介电常，ln 表示自然对数，d 表示同轴电缆两个导体之间的距离，r 表示同轴电缆内导体的半径。Z0表示特征阻抗，εr表示同轴电缆的相对介电常数，ln 表示自然对数，D 表示同轴电缆的外径，d 表示同轴电缆的内径，r 表示同轴电缆内导体的半径，rc表示同轴电缆的屏蔽层的半径。

3.3.2 同轴电缆

同轴电缆的参数计算式见表3。

表3 同轴电缆的参数计算式

其中，C 表示同轴电缆的电容，εr表示同轴电缆的相对介电常数，ε0表示真空中的介电常数，ln表示自然对数，D 表示同轴电缆的外径，d 表示同轴电缆的内径。Z0表示特征阻抗，L 表示电感，μ0表示真空中的磁导率，μr表示同轴电缆的相对磁导率。本文算法需采用双端同步数据，因此，双端数据的相位有一定偏差的情况下必然会造成测距结果的误差[2]。

通过计算，可以得到传输线路的等效电路模型，并进行基于行波时差的多段混合线路故障定位。基于行波时差的多段混合线路故障定位方法能够快速、准确地定位混合线路中的单一故障点，为故障的及时修复提供了重要的技术支持。

4 试验与结果

4.1 试验平台和数据采集

为验证基于行波时差的多段混合线路故障定位方法的有效性，在Matlab/Simulink 平台进行仿真试验。试验中使用的混合线路包括双绞线、同轴电缆和微带线。混合线路参数见表4。

表4 混合线路参数

为了模拟线路故障，在每种线路人为引入了10个故障点，分别为短路、开路和接地故障。数据采集时，在每个故障点处分别向线路注入一个5V 的方波信号，并在故障点的另一端接收信号，以获取行波时差。

4.2 仿真结果与分析

在仿真试验中，分别对三种混合线路的基本参数进行了计算，验证了计算结果的正确性。在每个故障点处注入方波信号，并记录信号在故障点两端的行波时差，以进行故障定位。在故障定位过程中，利用本文介绍的基于行波时差的多段混合线路故障定位方法。

4.2.1 具体流程如下

一是对每个故障点，计算其两端信号的行波时差。二是利用行波时差计算故障点与注入点的距离。三是将计算得到的距离和各个故障点的位置进行比较，找到距离最近的故障点。四是利用距离最近的故障点的位置和行波时差计算出故障点的具体位置。

在进行故障定位时，由表和图中可以看出，在不同的故障类型和距离下，基于行波时差的多段混合线路故障定位方法都可以取得较高的准确性和精度。尤其是对于大多数故障类型和距离，该方法的定位精度都在1m 以内，实用价值较高。

4.2.2 试验结果分析

对于同一种故障类型，在不同的距离下，定位误差会随着距离的增加而增加，但是整体精度仍然很高。在相同的距离下，不同的故障类型的定位精度存在一定差异，其中开路故障的定位精度最高，而短路故障的定位精度最低。对于同一种故障类型，不同的多段混合线路参数设置会对定位精度产生一定的影响。在实际应用中，需要根据具体情况进行参数优化。基于行波时差的多段混合线路故障定位方法具有高精度、高可靠性和实用性，行波法具有基本不受系统参数、运行方式和过渡电阻等因素影响的优点[3]，可以在实际工程中得到广泛应用。