淺析輸電線路故障定位算法現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

周笛，陳霖

(1.桂林供電局，廣西 桂林 541002;2.廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院，廣西 南寧 530004)

1 引言

隨著電力系統(tǒng)不斷發(fā)展，超高壓、長距離輸電線路越來越多。為減少線路故障后的尋查工作量，縮短故障修復(fù)時間，節(jié)約大量的人力、物力，提高供電可靠性，減少停電損失，加強(qiáng)并提高系統(tǒng)運行管理水平，迫切需要在系統(tǒng)發(fā)生故障后能迅速、準(zhǔn)確地查找到故障點，線路故障點的準(zhǔn)確定位顯得越來越重要。對于大多數(shù)的能夠重合成功的瞬時性故障，準(zhǔn)確地測出故障點位置，可以辨別是雷電過電壓造成的故障，還是由于線路絕緣子老化、線路下樹枝擺動造成的故障。及時地發(fā)現(xiàn)事故隱患，采取有針對性的措施，避免事故再一次地發(fā)生。線路故障后迅速準(zhǔn)確的確定故障點，不僅對及時修復(fù)線路和保證可靠供電，而且對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運行都有十分重要的作用。

早期的故障定位一般是根據(jù)模擬式錄波器記錄的故障錄波圖粗略的估計故障點的位置。隨著計算機(jī)技術(shù)的普遍發(fā)展及應(yīng)用，基于微機(jī)的保護(hù)裝置和故障錄波裝置應(yīng)用的越來越廣泛，由于當(dāng)時的故障定位方法還不是很完善，且受其他因素的影響，測距精度仍得不到保障。近年來，高速數(shù)字信號處理器及其他新型技術(shù)的發(fā)展，為各種測距算法的發(fā)展提供了保證。本文分析了各種故障定位方法的優(yōu)缺點，并由此提出了發(fā)展輸電線路故障定位技術(shù)的研究思路。目前的故障定位方法可以分為行波測距法和阻抗測距法。

2 行波測距法

行波法最早誕生于20世紀(jì)40年代，它是通過測量故障產(chǎn)生的行波在故障線路上的時間來實現(xiàn)測距的方法。由于早期受許多相關(guān)技術(shù)的限制，比如行波信號的提取、信號處理方法、數(shù)據(jù)處理方法等等，一直沒有得到推廣。隨著近年來科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，GPS的商業(yè)化，高速處理芯片的應(yīng)用，為行波分析方法在電力系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的運用提供了基本手段。

行波分析法可分為A、B、C、D 四種方法［1］，其中A型和C型采用的是單端信號定位;B型和D型采用雙端信號定位。對于單端信號的行波測距法而言，由于行波到達(dá)故障點后會發(fā)生反射，也會折射到對端的母線，折射到對端母線的行波經(jīng)過一段時間后又會反射到測量點，使得行波分析有較大的誤差。由于影響因素較多，后面幾次的行波辨識比上一次的辨識更加困難，因此單端法難以精確記錄兩次行波到達(dá)測量端的時間，以致測量存在較大的誤差。雙端法由于是故障后記錄電流或電壓行波到達(dá)線路兩端的時間，而行波的傳輸速度近似于光速，1μs就會造成150m的誤差，因此這種測距原理對線路兩側(cè)的GPS對時系統(tǒng)要求非常高。

故障行波信號是一個突變的、具有奇異性的、含有大量高頻分量的信號，并且行波在不同的模式下傳播時，各頻率分量的傳播速度和衰減也各自不同，從而造成行波的到達(dá)時間難以準(zhǔn)確判斷，這些是影響行波法故障測距精度得重要原因之一。小波分析法的出現(xiàn)使行波的信號處理有了一個很好的解決辦法。小波分析法［2］具有伸縮、平移和放大功能，它在時域和頻域上同時具有良好的局部化性質(zhì)。它可以對信號進(jìn)行多尺度分析，具有很強(qiáng)的特征提取功能，尤其對突變信號的處理優(yōu)勢非常明顯，另外，由于隨機(jī)噪聲信號和有效信號的小波變換在特征上有明顯的區(qū)別，因此小波分析法具有很強(qiáng)的消噪功能。這些優(yōu)勢為小波分析法在微機(jī)保護(hù)中的應(yīng)用提供了可靠性。

3 阻抗測距法

阻抗測距法廣義上又稱為故障分析法，是根據(jù)故障時的系統(tǒng)自身參數(shù)以及故障點的電壓、電流求得故障阻抗的一種通用方法。阻抗法也包括單端量法和雙端量法。

3.1 單端量測距法

單端量法一般是在系統(tǒng)運行方式確定和線路參數(shù)已知的情況下，利用線路一端測得的電流、電壓計算出故障阻抗的一種算法。由于保護(hù)裝置、測量裝置和錄波裝置公用一套電流、電壓互感器，硬件投資少，且不受系統(tǒng)通信條件的限制，在早期的測距裝置中應(yīng)用的較多。但是單端測距法只使用了一側(cè)的故障信息，故障過渡電阻和對側(cè)系統(tǒng)阻抗變化對測距精度有著較大的影響。現(xiàn)代的單端測距算法可細(xì)分為迭代法、解微分方程法、解二次方程法等。

迭代法是從分析故障時系統(tǒng)序網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)入手，根據(jù)邊界條件，得出測量端短路電流與故障支路同類電流之間或者它們的相角之間存在的關(guān)系式，再與測量端電壓方程構(gòu)成方程組，得到一個值，最后利用所得值反復(fù)迭代，求得一個最優(yōu)近似值。文獻(xiàn)［3］提出利用迭代法來求解故障距離，通過一定次數(shù)的迭代來修正故障電流相位，雖然解決了電流不同相位而帶來的誤差問題，但缺點是迭代結(jié)果不一定收斂于故障距離，且定位精度受過渡電阻等因素的影響。

解微分方程法是基于被測線路的分布電容可以忽略的情況下提出的，它利用兩個不同時刻的采樣值，獲得兩個獨立的方程，從而求得故障距離。該方法無需雙側(cè)系統(tǒng)參數(shù)和故障前的數(shù)據(jù)，由于是采樣兩個時刻的瞬時值，響應(yīng)時間短，且不必濾掉非周期分量。但該方法忽略了分布電容的存在，因此對長線路失效，并且在高阻抗故障時，測距精度影響較大。文獻(xiàn)［4］則利用正序和負(fù)序故障分量的相位代替故障電流的相位，使之適應(yīng)于高阻抗接地。但同時測距精度也會受對側(cè)系統(tǒng)運行方式和過渡電阻的影響。因此要減小其影響，就要引入對端系統(tǒng)的阻抗，那必然要受對側(cè)系統(tǒng)阻抗變化的影響，這是單端測距算法長期沒有解決的難題。

3.2 雙端量測距法

雙端量測距法是利用線路兩端的電氣量實現(xiàn)的故障測距算法。由于這類算法是利用兩端電流電壓推算倒故障點電壓相等的條件獲得的故障位置信息，因此從原理上不存在過渡電阻和對側(cè)系統(tǒng)運行方式變化影響的問題。目前的雙端測距法主要分為雙端數(shù)據(jù)同步和不同步兩種。

(1)基于雙端數(shù)據(jù)同步采樣數(shù)的測距算法

這類算法的特點是算法簡單，但由于要求兩端數(shù)據(jù)采樣同步，對硬件要求較高，數(shù)據(jù)采樣的非同步誤差會影響這類算法的測距精度，通常利用GPS對時系統(tǒng)保證兩端數(shù)據(jù)采樣同步或進(jìn)行采樣同步化來處理解決該問題。文獻(xiàn)［5］是基于微分方程的算法，它利用兩端的暫態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在短線路中，用差分代替微分，采用最小二乘法提高精度;長線路中，利用貝瑞龍模型，故障距離也通過最小二乘法進(jìn)行校正，此方法采用兩端電流電壓的瞬時值，靈活方便，且對硬件的要求比行波法低，只需要兩端數(shù)據(jù)同步即可。文獻(xiàn)［6，7］提出基于模分析理論的精確故障定位法，該方法利用相－模變換原理很好地克服了輸電線路參數(shù)實際上的不平衡對故障測距精度的影響，既適用于不換位線路，也適用于各種換位線路，還可以推廣到耦合平行雙回線路的故障測距。

(2)基于雙端數(shù)據(jù)不同步采樣的測距算法

不同步數(shù)據(jù)采樣算法是先在計算中引入相角差，在故障點處列些兩端電壓方程式，得到關(guān)于相角差和故障距離的兩個方程，然后使用迭代法求出相角差，進(jìn)而得到故障距離;或消除相角差，建立故障距離的二次方程求得故障點。文獻(xiàn)［8］利用本端電壓、電流和對側(cè)的電流實現(xiàn)故障測距，由于是直接利用分相式電流差動保護(hù)已有電流信息，因此可以不必考慮雙端數(shù)據(jù)的同步問題。

(3)帶有串補(bǔ)電容補(bǔ)償?shù)妮旊娋€路故障測距

串聯(lián)電容補(bǔ)償技術(shù)是一項十分成熟的技術(shù)，在電力系統(tǒng)中已有80多年的應(yīng)用歷史。在輸電線路中加入串補(bǔ)電容不僅能提高線路的輸送能力，還可以提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行水平。研究表明:串聯(lián)電容補(bǔ)償技術(shù)不僅在技術(shù)上具有優(yōu)勢，而且經(jīng)濟(jì)效益也非常明顯，常規(guī)串補(bǔ)電容補(bǔ)償?shù)脑靸r通常不到架設(shè)一條新輸電線路造價的10%［9］。

由于串聯(lián)補(bǔ)償電容的存在破壞了輸電線路的均勻性，常規(guī)的測距算法已不能滿足其要求。國內(nèi)外許多學(xué)者進(jìn)行了有關(guān)串補(bǔ)電容輸電線路測距算法的研究，文獻(xiàn)［10］利用單側(cè)電壓電流工頻分量進(jìn)行雙電源線路短路點定位，原理上無法克服對側(cè)系統(tǒng)運行方式阻抗隨負(fù)荷波動和運行方式的改變而變化對測距精度的影響。文獻(xiàn)［11］是采用雙端數(shù)據(jù)，利用序分量求解的精確故障定位算法，它不需要雙端信號同步，并且考慮的MOV的非線性問題。

4 各種測距算法的比較

4.1 行波測距法和阻抗測距法的比較

在以上的測距方法中，行波測距法由于因波速的不確定性，測距死區(qū)及對硬件的要求非常高等問題而使其應(yīng)用受到限制。由于行波法測距裝置是獨立的一套裝置，這不僅加大了投資成本，并且維護(hù)也較困難，因此要得到普及的應(yīng)用還有待相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。阻抗測距法充分利用現(xiàn)有的投運設(shè)備的信息進(jìn)行分析，硬件投資少，容易實現(xiàn)，比較實用。目前我局變電站的所有故障測距系統(tǒng)都是基于故障分析法的原理，并且都是集成在保護(hù)裝置中，這樣不僅減少了投資，而且方便日常的維護(hù)和檢修，節(jié)省了大量的人力和時間，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

4.2 單端測距法和雙端測距法的比較

縱觀現(xiàn)有的單端測距算法，由于在原理上始終不能消除故障過渡電阻和對側(cè)系統(tǒng)阻抗變化對測距精度得影響，因此在高壓架空輸電線路中使用的較少。而雙端測距算法由于在原理上不存在誤差，不受過渡電阻和對側(cè)系統(tǒng)阻抗的影響，近年來其發(fā)展越來越迅速，但是雙端測距法必須采樣線路兩側(cè)的電氣量，因此就出現(xiàn)了兩端數(shù)據(jù)采樣同步的問題，如何消除因兩端數(shù)據(jù)采樣不同步而造成測距精度不準(zhǔn)確的影響因素值得進(jìn)一步的深入研究。

5 結(jié)論

高壓架空輸電線路的精確定位是從技術(shù)上保證電網(wǎng)安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運行的重要措施之一。現(xiàn)有的各種測距算法各有其優(yōu)缺點，都有需要進(jìn)一步解決的技術(shù)問題。行波測距法由于其行波故障分量的提取和計算、故障行波到達(dá)時間的精確確定等問題，以及行波測距裝置投資成本高，維護(hù)較困難使其普及應(yīng)用受到限制。單端測距算法在原理上無法消除過渡電阻和對側(cè)系統(tǒng)阻抗變化的影響，測距精度較低。隨著通信和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，雙端測距算法越來越發(fā)展成為一種趨勢，但算法自身的適應(yīng)性和剔除偽根判據(jù)等是目前亟待解決的問題。隨著裝置在實際運行中的不斷總結(jié)和完善，兩端數(shù)據(jù)不同步的測距算法將更加優(yōu)越，具有較大的工程使用價值。

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