單端行波法在輸電線路故障測距中的應用

劉團結++胡艷麗++楊國詩++季學斌

摘要：本文在分析輸電線路故障測距方法研究現狀的基礎上提出了單端行波故障測距方法，并對測距原理進行介紹，這類方法不受故障電阻和線路類型的影響。另外，文章對單端行波法的三種算法的理論基礎和適用范圍進行了論述。通過比較，主頻率法和求導數法具有一定的局限性，而小波分析法適用范圍較廣，方法簡單，且能提高測距定位的精確性。

關鍵詞：單端行波 故障測距 輸電行路 定位

中圖分類號：TM755 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2014）08-0115-01

1 引言

隨著電力系統的不斷發展，輸電線路中電力電纜的使用范圍逐漸增大，長度也越來越長，輸電線路一旦出現故障，不但會影響企業生產效率，嚴重時會影響居民的正常生活。如果停電時間越久，工農業及企業生產造成的損失也越大。所以，能否及時找到輸電線路的故障點，找到故障原因，就顯得尤為重要。目前，斷線、供電設備老化、兩相接地、單相接地、兩相短路、三相短路等故障在輸電線路中發生較多。

自上世紀80年代以來，故障測距研究就成為了國內外研究的一個熱門話題。原始的故障排除方法比較落后，大多是人力巡線，花費的時間較長。常用的故障測距方法有兩類：阻抗法和行波法。阻抗法是雖然在技術上取得了較好的成果，但阻抗測距與線路參數聯系相當緊密，比如分布電容、電壓電流互感器、故障點電阻等。而且，該方法對于高阻接地及多端電源線路由一定的局限性，在直流輸電線路測距中也不適用。行波測距方法不受故障電阻和線路類型的影響，測距誤差小于1km，測距精度也高于阻抗法測距。經過比較，本文采用行波法研究輸電線路故障測距。

2 單端行波故障測距原理

當輸電線路故障發生時，在故障點處電壓和電流也會發生突變，而且會產生高頻暫態行波。行波測距原理如下：在輸電線路一端注入一電壓脈沖，脈沖在輸電線路中進行傳輸，當遇到故障點時會發生反射，在輸電線路測量端安裝脈沖波形接收裝置，通過分析接收到的波形，便可找出返回脈沖與發送脈沖的時間間隔，從而計算出故障距離。另外，通過反射脈沖的極性還能判斷出線路故障性質。行波的反射和折射示意圖如圖1所示。

若為行波波速，為故障初始行波第一次到達測量點的時間，為初始行波從故障點反射回測量點的時間，為線路測量處到故障點的距離，則其計算公式為：

假設為特性阻抗，也就是行波電壓與行波電流之比，即是入射波電壓與入射波電流之比；為等效阻抗，也就是輸電線路上任一點的總電壓與總電流之比。為反射系數，反應了反射波與入射波的比值關系，其表達式如公式1。

3 單端行波故障測距算法

在輸電線路故障測距中，常用的單端行波測距算法有主頻率法，求導數法，小波分析法等，下面對算法進行簡單介紹和比較。

3.1 主頻率法

公式中，是行波傳播速度，是故障距離，為主頻率。該方法的基本思想是一旦輸電線路發生故障，產生的行波信號中主要頻率成分是故障距離的函數，也就是故障距離由行波信號中最強譜頻率分量來決定。雖然該方法比較簡單，但在實際故障檢測中，在測量端得到的行波成分比較復雜，不但有故障點反射波，還有端母線和相鄰母線的反射波。該方法對這些行波的具體性質無法區分，因此不能直接用于現場，具有一定的局限性。

3.2 求導數法

當故障發生時，反向行波信號到達檢測點時會發生性質突變，在突變點導數會出現極大值，計算其一階或二階導數的絕對值，判斷是否超過設定的閾值，這樣可以檢測行波到達母線的時刻。初始行波信號檢測得到后，不斷檢測反向行波信號，判斷其一階導數是否超過閾值，根據此可以判斷故障點的反射波是否到達母線。

采用求導數法，容易實現故障測距，但是該方法對噪聲干擾極為敏感，而且對于故障距離較遠時，測距不準確，測距精度也不高。

3.3 小波分析法

輸電線路一旦發生故障，其暫態行波具有突變的性質。傳統的一些分析方法（比如求倒數法，微分法等）具有一定的局限性，它們受輸電線路頻率特性和噪聲的影響比較大。小波分析法能夠捕捉信號的突變點（奇異點），而且在時域和頻域范圍能同時適用。奇異性檢測理論內容如下：如果函數在某點間斷或某階導數不連續，則稱該函數在該點有奇異性；如果函數在它的定義域內無限次可導，則稱函數不具有奇異性。一個突變的信號在其突變點必定是奇異的。如果想要檢測一個信號的奇異點，對此信號進行小波變換，通過變換找到模極大值，該點就是信號的一個奇異點。信號的奇異點檢測是小波在故障測距信息分析中的優勢。小波變換同時具有良好的消除噪聲的功能和分頻特性，能快速地提取行波信息。對行波信號進行噪聲消除是提高故障測距可靠性的一個重要手段。

與其他方法比較，小波變換法可以提高判斷行波到達時刻的準確性及可靠性，也能提高對抗干擾能力的正確判斷，適用性廣泛。

4 結語

本文對輸電線路發生故障時產生的暫態行波過程進行了理論分析，并介紹了行波法測距的基本原理，再此基礎上介紹了主頻率法、求導數法及小波分析法的適用范圍及優缺點。通過比較發現小波分析算法能在復雜的輸電線路故障情況下判斷出故障的位置和性質，測量信息精確且方法簡單，具有一定的發展前景。

參考文獻

[1]肖東暉，劉沛，程時杰.架空輸電線路故障測距方法綜述[J].電力系統自動化，1993，17（8）：46-53.

[2]黨鍇釗.行波技術在配電線路接地故障檢測中的應用[J].低壓電器，2013，12：47-50.

[3]蔣濤.基于暫態行波的輸電線路故障測距研究[D].南京：東南大學，2005年.

[4]何正友，錢清泉.電力系統暫態信號的小波分析方法及其應用[J].電力系統及其自動化學報，2002，14（4）：1-6.endprint

摘要：本文在分析輸電線路故障測距方法研究現狀的基礎上提出了單端行波故障測距方法，并對測距原理進行介紹，這類方法不受故障電阻和線路類型的影響。另外，文章對單端行波法的三種算法的理論基礎和適用范圍進行了論述。通過比較，主頻率法和求導數法具有一定的局限性，而小波分析法適用范圍較廣，方法簡單，且能提高測距定位的精確性。

關鍵詞：單端行波 故障測距 輸電行路 定位

中圖分類號：TM755 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2014）08-0115-01

1 引言

隨著電力系統的不斷發展，輸電線路中電力電纜的使用范圍逐漸增大，長度也越來越長，輸電線路一旦出現故障，不但會影響企業生產效率，嚴重時會影響居民的正常生活。如果停電時間越久，工農業及企業生產造成的損失也越大。所以，能否及時找到輸電線路的故障點，找到故障原因，就顯得尤為重要。目前，斷線、供電設備老化、兩相接地、單相接地、兩相短路、三相短路等故障在輸電線路中發生較多。

自上世紀80年代以來，故障測距研究就成為了國內外研究的一個熱門話題。原始的故障排除方法比較落后，大多是人力巡線，花費的時間較長。常用的故障測距方法有兩類：阻抗法和行波法。阻抗法是雖然在技術上取得了較好的成果，但阻抗測距與線路參數聯系相當緊密，比如分布電容、電壓電流互感器、故障點電阻等。而且，該方法對于高阻接地及多端電源線路由一定的局限性，在直流輸電線路測距中也不適用。行波測距方法不受故障電阻和線路類型的影響，測距誤差小于1km，測距精度也高于阻抗法測距。經過比較，本文采用行波法研究輸電線路故障測距。

2 單端行波故障測距原理

當輸電線路故障發生時，在故障點處電壓和電流也會發生突變，而且會產生高頻暫態行波。行波測距原理如下：在輸電線路一端注入一電壓脈沖，脈沖在輸電線路中進行傳輸，當遇到故障點時會發生反射，在輸電線路測量端安裝脈沖波形接收裝置，通過分析接收到的波形，便可找出返回脈沖與發送脈沖的時間間隔，從而計算出故障距離。另外，通過反射脈沖的極性還能判斷出線路故障性質。行波的反射和折射示意圖如圖1所示。

若為行波波速，為故障初始行波第一次到達測量點的時間，為初始行波從故障點反射回測量點的時間，為線路測量處到故障點的距離，則其計算公式為：

假設為特性阻抗，也就是行波電壓與行波電流之比，即是入射波電壓與入射波電流之比；為等效阻抗，也就是輸電線路上任一點的總電壓與總電流之比。為反射系數，反應了反射波與入射波的比值關系，其表達式如公式1。

3 單端行波故障測距算法

在輸電線路故障測距中，常用的單端行波測距算法有主頻率法，求導數法，小波分析法等，下面對算法進行簡單介紹和比較。

3.1 主頻率法

公式中，是行波傳播速度，是故障距離，為主頻率。該方法的基本思想是一旦輸電線路發生故障，產生的行波信號中主要頻率成分是故障距離的函數，也就是故障距離由行波信號中最強譜頻率分量來決定。雖然該方法比較簡單，但在實際故障檢測中，在測量端得到的行波成分比較復雜，不但有故障點反射波，還有端母線和相鄰母線的反射波。該方法對這些行波的具體性質無法區分，因此不能直接用于現場，具有一定的局限性。

3.2 求導數法

當故障發生時，反向行波信號到達檢測點時會發生性質突變，在突變點導數會出現極大值，計算其一階或二階導數的絕對值，判斷是否超過設定的閾值，這樣可以檢測行波到達母線的時刻。初始行波信號檢測得到后，不斷檢測反向行波信號，判斷其一階導數是否超過閾值，根據此可以判斷故障點的反射波是否到達母線。

采用求導數法，容易實現故障測距，但是該方法對噪聲干擾極為敏感，而且對于故障距離較遠時，測距不準確，測距精度也不高。

3.3 小波分析法

輸電線路一旦發生故障，其暫態行波具有突變的性質。傳統的一些分析方法（比如求倒數法，微分法等）具有一定的局限性，它們受輸電線路頻率特性和噪聲的影響比較大。小波分析法能夠捕捉信號的突變點（奇異點），而且在時域和頻域范圍能同時適用。奇異性檢測理論內容如下：如果函數在某點間斷或某階導數不連續，則稱該函數在該點有奇異性；如果函數在它的定義域內無限次可導，則稱函數不具有奇異性。一個突變的信號在其突變點必定是奇異的。如果想要檢測一個信號的奇異點，對此信號進行小波變換，通過變換找到模極大值，該點就是信號的一個奇異點。信號的奇異點檢測是小波在故障測距信息分析中的優勢。小波變換同時具有良好的消除噪聲的功能和分頻特性，能快速地提取行波信息。對行波信號進行噪聲消除是提高故障測距可靠性的一個重要手段。

與其他方法比較，小波變換法可以提高判斷行波到達時刻的準確性及可靠性，也能提高對抗干擾能力的正確判斷，適用性廣泛。

4 結語

本文對輸電線路發生故障時產生的暫態行波過程進行了理論分析，并介紹了行波法測距的基本原理，再此基礎上介紹了主頻率法、求導數法及小波分析法的適用范圍及優缺點。通過比較發現小波分析算法能在復雜的輸電線路故障情況下判斷出故障的位置和性質，測量信息精確且方法簡單，具有一定的發展前景。

參考文獻

[1]肖東暉，劉沛，程時杰.架空輸電線路故障測距方法綜述[J].電力系統自動化，1993，17（8）：46-53.

[2]黨鍇釗.行波技術在配電線路接地故障檢測中的應用[J].低壓電器，2013，12：47-50.

[3]蔣濤.基于暫態行波的輸電線路故障測距研究[D].南京：東南大學，2005年.

[4]何正友，錢清泉.電力系統暫態信號的小波分析方法及其應用[J].電力系統及其自動化學報，2002，14（4）：1-6.endprint

摘要：本文在分析輸電線路故障測距方法研究現狀的基礎上提出了單端行波故障測距方法，并對測距原理進行介紹，這類方法不受故障電阻和線路類型的影響。另外，文章對單端行波法的三種算法的理論基礎和適用范圍進行了論述。通過比較，主頻率法和求導數法具有一定的局限性，而小波分析法適用范圍較廣，方法簡單，且能提高測距定位的精確性。

關鍵詞：單端行波 故障測距 輸電行路 定位

中圖分類號：TM755 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2014）08-0115-01

1 引言

隨著電力系統的不斷發展，輸電線路中電力電纜的使用范圍逐漸增大，長度也越來越長，輸電線路一旦出現故障，不但會影響企業生產效率，嚴重時會影響居民的正常生活。如果停電時間越久，工農業及企業生產造成的損失也越大。所以，能否及時找到輸電線路的故障點，找到故障原因，就顯得尤為重要。目前，斷線、供電設備老化、兩相接地、單相接地、兩相短路、三相短路等故障在輸電線路中發生較多。

自上世紀80年代以來，故障測距研究就成為了國內外研究的一個熱門話題。原始的故障排除方法比較落后，大多是人力巡線，花費的時間較長。常用的故障測距方法有兩類：阻抗法和行波法。阻抗法是雖然在技術上取得了較好的成果，但阻抗測距與線路參數聯系相當緊密，比如分布電容、電壓電流互感器、故障點電阻等。而且，該方法對于高阻接地及多端電源線路由一定的局限性，在直流輸電線路測距中也不適用。行波測距方法不受故障電阻和線路類型的影響，測距誤差小于1km，測距精度也高于阻抗法測距。經過比較，本文采用行波法研究輸電線路故障測距。

2 單端行波故障測距原理

當輸電線路故障發生時，在故障點處電壓和電流也會發生突變，而且會產生高頻暫態行波。行波測距原理如下：在輸電線路一端注入一電壓脈沖，脈沖在輸電線路中進行傳輸，當遇到故障點時會發生反射，在輸電線路測量端安裝脈沖波形接收裝置，通過分析接收到的波形，便可找出返回脈沖與發送脈沖的時間間隔，從而計算出故障距離。另外，通過反射脈沖的極性還能判斷出線路故障性質。行波的反射和折射示意圖如圖1所示。

若為行波波速，為故障初始行波第一次到達測量點的時間，為初始行波從故障點反射回測量點的時間，為線路測量處到故障點的距離，則其計算公式為：

假設為特性阻抗，也就是行波電壓與行波電流之比，即是入射波電壓與入射波電流之比；為等效阻抗，也就是輸電線路上任一點的總電壓與總電流之比。為反射系數，反應了反射波與入射波的比值關系，其表達式如公式1。

3 單端行波故障測距算法

在輸電線路故障測距中，常用的單端行波測距算法有主頻率法，求導數法，小波分析法等，下面對算法進行簡單介紹和比較。

3.1 主頻率法

公式中，是行波傳播速度，是故障距離，為主頻率。該方法的基本思想是一旦輸電線路發生故障，產生的行波信號中主要頻率成分是故障距離的函數，也就是故障距離由行波信號中最強譜頻率分量來決定。雖然該方法比較簡單，但在實際故障檢測中，在測量端得到的行波成分比較復雜，不但有故障點反射波，還有端母線和相鄰母線的反射波。該方法對這些行波的具體性質無法區分，因此不能直接用于現場，具有一定的局限性。

3.2 求導數法

當故障發生時，反向行波信號到達檢測點時會發生性質突變，在突變點導數會出現極大值，計算其一階或二階導數的絕對值，判斷是否超過設定的閾值，這樣可以檢測行波到達母線的時刻。初始行波信號檢測得到后，不斷檢測反向行波信號，判斷其一階導數是否超過閾值，根據此可以判斷故障點的反射波是否到達母線。

采用求導數法，容易實現故障測距，但是該方法對噪聲干擾極為敏感，而且對于故障距離較遠時，測距不準確，測距精度也不高。

3.3 小波分析法

輸電線路一旦發生故障，其暫態行波具有突變的性質。傳統的一些分析方法（比如求倒數法，微分法等）具有一定的局限性，它們受輸電線路頻率特性和噪聲的影響比較大。小波分析法能夠捕捉信號的突變點（奇異點），而且在時域和頻域范圍能同時適用。奇異性檢測理論內容如下：如果函數在某點間斷或某階導數不連續，則稱該函數在該點有奇異性；如果函數在它的定義域內無限次可導，則稱函數不具有奇異性。一個突變的信號在其突變點必定是奇異的。如果想要檢測一個信號的奇異點，對此信號進行小波變換，通過變換找到模極大值，該點就是信號的一個奇異點。信號的奇異點檢測是小波在故障測距信息分析中的優勢。小波變換同時具有良好的消除噪聲的功能和分頻特性，能快速地提取行波信息。對行波信號進行噪聲消除是提高故障測距可靠性的一個重要手段。

與其他方法比較，小波變換法可以提高判斷行波到達時刻的準確性及可靠性，也能提高對抗干擾能力的正確判斷，適用性廣泛。

4 結語

本文對輸電線路發生故障時產生的暫態行波過程進行了理論分析，并介紹了行波法測距的基本原理，再此基礎上介紹了主頻率法、求導數法及小波分析法的適用范圍及優缺點。通過比較發現小波分析算法能在復雜的輸電線路故障情況下判斷出故障的位置和性質，測量信息精確且方法簡單，具有一定的發展前景。

參考文獻

[1]肖東暉，劉沛，程時杰.架空輸電線路故障測距方法綜述[J].電力系統自動化，1993，17（8）：46-53.

[2]黨鍇釗.行波技術在配電線路接地故障檢測中的應用[J].低壓電器，2013，12：47-50.

[3]蔣濤.基于暫態行波的輸電線路故障測距研究[D].南京：東南大學，2005年.

[4]何正友，錢清泉.電力系統暫態信號的小波分析方法及其應用[J].電力系統及其自動化學報，2002，14（4）：1-6.endprint