高壓交流輸電線路故障檢修技術研究

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(國網鐵嶺供電公司，遼寧 鐵嶺 112000)

高壓交流輸電線路故障檢修技術研究

孫權，高源，倪春雨

(國網鐵嶺供電公司，遼寧鐵嶺112000)

對高壓交流輸電線路故障檢修技術進行研究，可以提高電力質量，減少因線路故障產生的一系列人財有損情況的發生;當前方法將短期的輸電線路檢修當作單重不確定性的優化問題，對其進行建模以及求解;而在現場運行過程中，架空線路可靠性指標不能準確表達線路故障發生的可能性，其理論基礎相對薄弱，僅考慮了單重不確定性的問題，無法對高壓交流輸電線路進行高精度地檢修;為此，提出一種基于層次分析的高壓交流輸電線路故障檢修方法;該方法先將高壓交流輸電線路故障劃分為：單相接地故障、高壓交流輸電線路短路故障、高壓交流輸電線路導線斷路故障;然后利用多個電流測量點，通過FFT程序對電流故障分量相位進行求解，根據比較相鄰測點相位差判別故障區域，最后利用圖論實現高壓交流輸電線路故障檢修時間控制函數，以及線路故障檢修經濟控制目標函數的制定，與分類和定位結果結合完成高壓交流輸電線路故障的檢修;實驗結果證明，所提方法可以有效地對高壓交流輸電線路故障進行檢修，具有一定的利用價值。

高壓交流輸電；線路故障；檢修技術

0 引言

隨著電力資源的不斷發展，其在現代社會中發揮的作用也在不斷增加[1]，目前關于電力供應和電力的質量控制相關的法律以及法規完善的趨勢很明顯[2]，在保障電力生產和使用中的人身安全以及設備安全等領域有了更加詳細的要求，這使電力的能源安全生產，高壓交流輸電線路的正常運行成為了電力供應管理中的重要內容[3]。高壓交流輸電作為電網中比較重要的組成部分，其線路的故障是致使電網故障及造成電網存在安全隱患的因素[4]，由此研究線路運行中故障產生的原因以及檢修，是保障電力正常運行的重要舉措[5]。當前方法無法實現有效的高壓交流輸電線路故障的檢修。在這種情況下，如何安全可靠地對高壓交流輸電線路故障進行檢修，成為了亟待解決的問題[6]。而基于層次分析的高壓交流輸電線路故障檢修方法可以對高壓交流輸電線路故障進行高效檢修，可成為解決上述問題的有效手段[7]。

文獻[8]提出了一種基于不停電的高壓交流輸電線路故障檢修方法。本方法主要針對集中供電的線路故障檢修，在檢修的過程中，假設某個器件已經損壞，用同型號的器件進行替換，假設線路故障已經排除，證明故障是因為該器件損壞造成的，假設故障還是不能排除，證明故障的產生和該器件無關，繼續用下一個好器件進行替換，一直到排除故障。該方法檢修效果較好，但是成本較高。文獻[9]提出了一種基于設備故障概率分布的高壓交流輸電線路故障檢修方法。線路中有很多饋電支路，當將其中的某支線路拆除之后，如果輸電線路恢復了正常，證明故障出現在該支路上，假設線路還沒有恢復正常，那么排除該支路產生故障的可能，然后拆除另外一條線路，假設還不能使線路恢復正常，那么又將這條線路產生故障的可能排除，以此類推，對線路中各饋電支路進行逐一排查，直到找到故障所在的支路。該方法檢修精度高，但是耗時較長。文獻[10]提出了一種基于有限元的高壓交流輸電線路故障檢修方法。該方法首先對輸電線路綜合診斷，制定檢修報告，并分析該報告，制定檢修策略，進行多方面考慮，通過科學合理的辦法制定維護策略，然后制定季度檢修策略，并嚴格執行季度檢修，綜合評述檢修結果，且做好后期的總結。該方法雖然簡單，但是檢修精度低，檢修結果偏差大。

針對上述產生的問題，提出一種基于層次分析的高壓交流輸電線路故障檢修方法。實驗證明，所提方法可以實現高通用性、高預見性的高壓交流輸電線路故障檢修。可以為該領域后續發展提供強有力的依據。

1 高壓交流輸電線路故障檢修

利用基于分別制定的機組和輸電線路的修建計劃，假設機組的修建計劃已經確定，在上述條件基礎上進行高壓交流輸電線路故障檢修方案。并根據檢修方案數學模型的建立，完成檢修。

制定高壓輸電線路檢修方案的過程有兩個層面：先通過輸電線路的管理部門對等待檢修的線路檢修時段進行申報，調度中心依據申報結果對檢修方案進行制定。線路管理部門對各條輸電線路檢修的經濟性和可靠性，進行深度研究，找到每條線路在進行檢修時可靠性比較好的個別啟動時段，組建檢修啟動時段的可選集。在制定檢修方案時，找到使系統故障風險的增加量最小的方案，在尋優的過程中，把各條線路檢修開始時段一直控制在可選集的范圍之內，進而保障檢修的實惠性。

綜上所述，高壓交流輸電線路檢修方案的數學模型可表達為：

(1)

線路故障檢修的啟動時段約束為：

τl∈Ωl

(2)

每個時間段中同時進行檢修的線路數目約束為：

yt≤ymax

(3)

故障檢修的人力約束為：

gt≤gmax

(4)

故障檢修的資源約束為：

pit≤pimax

(5)

其中：NT代表整個規劃周期含有的時段數，Ert代表安排線路檢修之后系統在t時刻內供電不足的風險，Ert*代表安排線路檢修前系統在t時刻內供電不足的風險，τl代表線路l檢修的啟動時段，Ωl代表線路l檢修啟動時段的可選集，yt代表在時段t中同時進行檢修線路的總數，pmax代表能夠同時進行檢修的線路總數的最大值，gt代表時段t內需投入的人力，gmax代表能夠一次性投入的人力最大值，pit代表在時段t內需投入的第i種檢修資源數量，ptmax代表同一時間段內能夠投入的第i種檢修資源最大量。

根據上述的數學模型，將任意的一條線路檢修的啟動時段的某次調整定義成一次搜索。具體過程如下：

將系統中的所有等待檢修的輸電線路的檢修最佳啟動時間段組合當作檢修問題的初始解，依據特定規則尋找需要進行調整的時間段t*。

將初始解當作檢修方案，尋找出現在時間段t*中所有等待檢修的線路，并將其當作調整對象集。在調整對象集內任意選擇一條線路，根據對其檢修的啟動時間段調整，會獲得新檢修啟動時段的組合。

列舉所有可能會出現的組合，組建成初始解鄰域，在領域內選取評價值最優的，且可以滿足禁忌需求的解當作最新當前解。如果當前解優于當前最優解，那么將其當作新最優解。

假設最優解適應值能夠達到給定閾值，亦或是最優解適應值存在于給定迭代次數內，且不再上升，那么求解結束，否則繼續進行迭代。

2 基于層次分析的高壓交流輸電線路故障檢修方法

2.1 高壓交流輸電線路故障分類

當前高壓交流輸電線路發生故障原因一般是：外力、人為或者是設備自身問題產生故障。其中因為自然的雷擊而導致的線路故障占所有故障的一半以上，因為人為操作不當而產生的故障也比較多，輸電線路在比較惡劣的情況下運行，設備本身也會受到外力從而造成損傷。下面是具體分類情況。

1)單相接地故障。高壓交流輸電線路在運行時，單相接地故障是比較常見的故障，此類故障發生的輸電線路主要在雨水或者潮濕的環境下。一旦發生接地故障，故障相電壓會變為0，導致線路短路；

2)高壓交流輸電線路短路故障。每當高壓交流輸電線路受到外力或者是人為作用時，其相應線路的高壓輸電線路中的相間絕緣體會被擊穿，這會導致高壓交流輸電線路短路時常發生。

3)高壓交流輸電線路導線斷路。如果高壓交流輸電路線導線有斷裂的現象，則會引起供配電回路發生故障。如果高壓交流輸電線路斷路點沒有明顯斷路痕跡，那么會產生間隙，會有大規模的電弧產生，使線路的導線位置的溫度上升，從而導致電力系統發生火災或爆炸，線路設備也將被燒毀。

2.2 輸電線路故障定位

本文利用Kaiser自卷積窗FFT相位比較法，定位輸電線路的故障位置。對Kaiser窗旁瓣特征進行分析，窗函數泄露抑制性和旁瓣特性有關，此處的泄露是指頻譜的泄露，其中，旁瓣峰值的電平越低而且衰減的速率越快，表示對泄漏的抑制力越強。Kaiser窗函數的參數是可調節的，利用調節瓣的寬度與旁瓣的高度間的比重，就是改變主旁的比重系數β值，選取所需的旁瓣性能，能夠充分抑制泄露。Kaiser窗時域wk(n)可表示為：

(6)

其中：I0(β)代表經過修正的無階貝塞爾函數，Kaiser窗中有兩個比較重要的參數，分別是窗長N、主旁瓣的比重系數β，如果要改變β的值，可通過主瓣的寬度以及旁瓣的衰減自由選擇。由Kaiser窗的旁瓣性調節可知，隨β值的增大，旁瓣峰值的電平變小，漸進衰減的速率增大，則泄露的抑制性也在不斷提高。

當Kaiser窗的參數固定在一定數值時，依靠Blackman與Tukey對功率譜的估計方法：為減小周期圖估計方差，實現采樣自相關序列的開窗，并加速旁瓣衰減，進而使圖譜更平滑。其實自相關的實質為自卷積，利用自卷積對邊緣特征進行削弱，從而減小截斷奇異，能夠大幅度提高泄露的抑制性。m階的Kaiser自卷積窗，是Kaiser窗根據m-1次卷積運算獲得的窗函數，遞推公式可表示為：

*wk(n)=

(7)

參數一定的情況下，隨著卷積階數不斷增加，Kaiser自卷積窗泄露抑制性會成倍提高，隨著卷積的階數增加，Kaiser自卷積窗旁瓣性也會隨之提升，擁有較好的頻譜泄露抑制力。下面是Kaiser自卷積窗FFT相位的比較過程：

首先實現Kaiser自卷積窗的計算，并對其幅值進行歸一化：

(8)

其次，對高壓交流輸電線路故障分量i(n)進行加窗處理，獲得iwk(n)：

(9)

針對iwk(n)進行FFT計算，獲得Iwk(k)：

(10)

則Iwk(k)實部和虛部分別為：

(11)

(12)

則FFT響應公式為：

φIwk(k)=arctanReIwk(k)/lmIwk(k)

(13)

獲得測點電流的相位后，對上述過程迭代，計算出相鄰的下一個測點電流相位譜，假設這兩個測點為m和n，則與其相對應的序列為φmIwk(k)與φnIwk(k)，對兩者進行相減，獲得相位差序列：

Δφnm(k)=φmIwk(k)-φnIwk(k)

(14)

對相位差Δφnm(k)均值進行求解，獲得相位值：

(15)

對標準差stdm-n判斷的泄露程度進行估計：

(16)

stdth為一閾值，如果標準差在stdth內，表示頻譜泄露的比較小，并不影響相位的計算，則求得的均值是測點高壓交流輸電線路故障分量基頻相位。如果標準差高于stdth，那么表示頻譜泄露的比較嚴重，其均值的可信度比較低，必須對Kaiser窗函數的系數β的值進行調整，迭代上述過程計算出均值，對標準差大小進行再次判斷，一直到標準差結果比stdth小。根據實驗可知，stdth可設置為20，如果標準差比20大，那么對β值進行調整。在高壓交流輸電線路的基頻有波動的情況下，相位的偏差比較大，stdth必須進行調整。對極端情況進行考慮，當β值提升到一定程度時，抑制性飽和，會考慮將卷積運算增加一階。為了順利完成高壓交流輸電線路故障的定位，每一相位存在故障分量的比較都需要執行上述流程。

2.3 輸電線路故障檢修方案的制定

以上述內容為基礎，利用圖論實現高壓交流輸電線路故障檢修時間控制函數的制定，以減少檢修所需的時間為目的，假設最少時間段數的目標函數為：

(17)

其中：vmax代表圖色問題中需要的色數。隨著檢修日期的推遲，會帶來一定經濟上的損失，因此需要制定其控制目標函數：

(18)

其中：d代表因檢修線路故障帶來的經濟損失系數，ηe,i代表各項工作希望檢修時間段的系數，ηu,i代表各項工作實際間休時間段的系數。接下來以時間最少控制函數和經濟控制函數為支撐，利用2.1中的故障分類和2.2中的故障定位實現故障的檢修。

針對接地故障，主要對接地線路中的絕緣部分檢修，利用絕緣部分電阻值完成測量，判斷接地絕緣處損壞程度。如果電力線路的分支比較多，那么能通過開關分布狀況，通過斷路器將整個電路分段，再依據分段分別進行檢修。

由于超負荷造成的短路或者斷路故障，這就需要在線路進行設計時，要選擇材料相對好的線路，再者電力企業需依據電力線路實際安全點流量，實現電力線路能源傳輸，防止出現斷路短路等故障。

3 實驗結果與分析

為了證明基于層次分析的高壓交流輸電線路檢修方法的可實踐性，需要進行一次實驗。在Visual C環境下搭建高壓交流輸電線路檢修實驗平臺。實驗數據取自于遼寧省電力有限公司，利用本文所提方法對實驗數據進行實驗，觀察本文方法的整體性能。

3.1 實驗參數

搭建全長為500 km，電壓為220 kV的輸電系統。其中，采樣的頻率為1 MHz，過渡的電阻以及接地的電阻分別為20 Ω，線路的弧垂為5 m，并設置不同的故障類型與故障點，利用文獻所提方法與本文方法在上述的實驗環境下進行實驗，下面是不同方法蓋亞交流輸電線路故障檢測的效果對比。

3.2 實驗結果

圖1是不同方法高壓交流輸電線路檢修定位準確率(%)對比。

分析圖1可知，文獻[8]所提方法利用替換的形式完成高壓交流輸電線路的故障定位，定位效果并不理想。文獻[9]方法利用排除法的形式實現高壓交流輸電線路的故障定位，定位正確率低。文獻[10]所提方法并沒有有描繪出具體的操作步驟，只是在理論上對線路故障檢修進行了分析和探討，導致線路故障定位準確率低。本文所提方法利用利用Kaiser自卷積窗FFT相位比較法，對高壓交流輸電線路的故障進行定位，定位精度高。證明了本文所提方法具有較高的可行性。圖2是不同方法輸電線路檢修所耗成本(元)對比。

圖1 不同方法線路故障定位正確率對比

圖2 不同方法輸電線路檢修所耗成本對比

由圖2可知，文獻[8]方法在檢修的過程中，假設某個器件已經損壞，用同型號的器件進行替換，假設不是該器件損壞造成的線路產生故障，需要一直進行替換，查找，導致檢修成本直線上升。文獻[9]方法將饋電支路上的某支線路拆除之后，如果輸電線路恢復了正常，證明故障出現在該支路上，假設線路還沒有恢復正常，那么排除該支路產生故障的可能，繼續進行排查，這樣的檢修方式會耗費大量的人力和物力。文獻[10]方法理論大于實踐，成本與其他文獻方法相比相對較少。本文所提方法對線路故障進行分類檢修，減低了檢修所用成本。下圖是不同方法線路檢修時間(s)對比。

圖3 不同方法線路檢修時間對比

觀察圖3可知，本文所提方法利用對高壓交流輸電線路故障的分類，線路故障的準確定位，故障的高效修復，并設有最少時間段數的目標控制函數，使本文所提方法具有很高的利用價值和通用性，時間成本較低，可擴展性也比較高，進一步證明了本文所提方法是切實可行的。

實驗證明，所提方法可以實時準確地對高壓交流輸電線路進行檢修，可以為未來的線路檢修領域提供借鑒。

4 結束語

采用當前方法對高壓交流輸電線路進行檢修時，存在預見性低、盲目性高、容易導致其他設備隱患陸續發生的問題。提出一種基于層次分析的高壓交流輸電線路檢修方法。通過實驗證明，所提方法可以迅速可靠地對高壓交流輸電線路進行檢修，是該領域發展的風向標。

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TechnicalResearchonHighVoltageacTransmissionLineFaultRepair

Sun Quan,Gao Yuan,Ni Chunyu

(State Grid Tieling Power Electric Supply Company,Tieling 112000,China)

Study of the high voltage ac transmission line troubleshooting technology, can improve the quality of electric power, reduce line fault generated by a series of goods damage situation. The current method is to model and solve the short-term transmission line maintenance as a single, uncertain optimization problem. And in the process of field operation, overhead line reliability index can't accurately express the possibility of line fault occurs, its theoretical basis is relatively weak, only considers the single heavy uncertainty problems, unable to maintenance of high voltage transmission line accurately. In this paper, a method of fault repair of high voltage ac transmission line based on hierarchical analysis is proposed. This method first high voltage transmission line fault is divided into: single phase grounding fault, the high voltage ac transmission line fault, the high voltage ac transmission line conductor circuit malfunction. Then using multiple current measurement point, the current fault component of phase is solved by FFT program, according to comparing adjacent phase difference measuring point judging fault zone, the high voltage ac transmission line is realized by using the graph theory troubleshooting time control function, and the line troubleshooting economic control objective function is formulated, and classification and locating results combined with complete for the maintenance of high voltage transmission line fault. The experimental results show that the proposed method can effectively repair the failure of high-voltage ac power transmission line, and it has certain utilization value.

high voltage ac transmission;line fault; maintenance technology

2017-06-06；

2017-06-27。

孫 權(1988-)，男，遼寧鐵嶺人，技師，主要從事高壓輸電線路運維管理方向的研究。

1671-4598(2017)10-0051-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.10.014

TM75

A