高壓輸電線路故障定位綜述

張光益 張鵬宇 方曦

貴州電網公司 貴州貴陽 550000

高壓輸電線路是我國電力運輸系統的重要組成部分之一，負責向各地輸送電能。故障定位的速度和準確度影響輸電線路的搶修、恢復供電的速度以及決定停電造成的各種損失，保障電力系統的安全運行。因而，電力學者們的研究重點是故障定位問題[1]。

高壓輸電線路由于高電壓以及遠距離兩個特點，在輸送電能、連接電網及電氣設備的工作中承擔主要責任，其不僅是電網的主干網架，更保障著電力系統平穩運行。與此同時，最容易產生故障的線路也是高壓輸電線路[2-4]，其大多途經惡劣的自然環境，且分布距離廣，在這種條件下，風偏、覆冰、雷擊、樹枝短接等均可能是導致輸電線路的短路故障的原因。現場巡線排查輸電線路遇到的困難主要有以下兩個方面：一方面，有交通方面導致的巡檢困難；另一方面，輸電線路受到的破壞或者故障位置較難發現時，現有裝置難以立即發現具體故障線路位置。故障定位的速度以及準確度不僅能對線路排查工作進行指導，加快巡線工作的效率，還可以檢查出薄弱環節和潛在隱患。因此，輸電線路故障定位技術的應用極大提高了工作人員的巡線效率，減免了供電故障造成的問題以及損失，這項研究的進步能夠帶來明顯的經濟效益和社會效益[5-6]。

輸電線路故障定位的定義是，在線路突發故障時，利用電壓、電流以及行波信號之間的數學關系計算得出參考點與實際故障點的距離差。目前應用較為廣泛的故障定位算法可根據測距原理分為：故障分析法、行波法和智能化測距方法。

接下來，本文將根據測距原理對上述三種方法進行分析和綜述。第一節為引言，介紹了研究高壓輸電線路的必要性。第二節為高壓輸電線路故障分析法故障定位，介紹了故障分析法的原理及其分類。第三節為高壓輸電線路行波法故障定位，根據測距原理對行波法進行分類闡述其原理以及優缺點。第四節為高壓輸電線路智能化測距法故障定位，提出了故障定位與智能算法的結合的趨勢。第五節為研究建議與設想，針對高壓輸電線路故障定位研究，提出了建議與設想，并探討了進一步的研究方向。

1 高壓輸電線路故障分析法故障定位

故障分析法的原理是根據故障回路的電流、電壓列出方程式，再根據方程得出故障距離[7]。其中，阻抗法在實際應用中比較常見，其原理是在特定條件下(不計電導和分布電容)，選定的測量點與實際發生的故障點之間的距離與阻抗成正比，根據采集的電壓和電流數學關系可計算具體阻抗值，由此實現故障定位[8]。該方法原理簡單，硬件成本低，但在實際應用中，存在精度低、不能準確定位的缺陷。根據實際所需的信息量，故障分析法可分為單端電氣量法與雙端電氣量法。

單端故障測距法原理是采集線路單側的電流、電壓量，再參考其他參數來實現故障定位。其最大優勢是無須傳輸對側的電流、電壓數據，不受通信條件的限制。單端測距算法可分為解微分方程法[11]和基于單端工頻電氣量法。在實際應用中，基于單端工頻電氣量法中被廣泛應用的方法有以下幾種，如工頻阻抗法、故障電流相位修正法、解二次方程法、解一次方程法和對稱分量法等[9-13]。單端電氣量故障分析法對通信技術方面的要求不高，也不需要同步兩端的電壓和電流。但其在原理上存在一定缺陷，系統運行方式、過渡電阻影響測距精度，限制了單端測距實際應用。

參考文獻[14]、[15]于1988年提出了雙端量故障分析法。該方法利用故障線路兩側的電壓、電流信息構造測距方程，避免了測距精度受到過渡電阻的限制。其中，線路兩側信息傳輸主要使用同步法和非同步法。同步法是使用GPS技術同步兩端的電壓、電流相量[15-16]，得到故障距離解析解。該方法根據輸電線路的分布參數模型和集中參數模型，可分為一端電壓兩端電流法、兩端電流電壓法。此方法技術上較為復雜，硬件要求、成本較高。非同步法的原理是通過建立同步故障定位算法[17-19]，研究故障前一側線路的電流、電壓或正、負序電氣量之間的關系，該方法雖無須同步兩端測量數據，但其計算比較復雜。參考文獻[20]提出了一種優化的同步法，考慮了時間同步問題以及分布電容對測距精確的影響，但該方法計算耗時，需求解超越方程。參考文獻[21]提出了一種混合故障測距方法，該方法能夠結合系統阻抗信息與暫態方程，但其適用場景較為局限，僅適用于在過度阻抗小于30Ω的情況下，即當配網故障時，測距精度才比較可靠。參考文獻[22]針對由于參數誤差造成的測距結果不準的情況，提出了一種僅需采集故障發生后幾毫秒內的數據就可計算出故障距離的方法。雖然許多學者對故障分析法進行了優化和改進，但由于其原理上的弊端，導致測距精確度受到多方面外界條件的影響。

2 高壓輸電線路行波法故障定位

隨著行波傳播規律研究的發展以及日漸成熟的計算機技術，行波法在理論研究和實際應用上有了長足的進步。行波法的原理是在故障電流或電壓行波傳播時，分析行波時間和傳輸距離的關系，實現故障距離的測定。行波法分為單端行波法、雙端行波法，其具有準確度高；穩定性好；適應性強；不考慮系統運行方式、故障類型和過渡電阻等優勢。無論是在理論上原理的完備性，還是實際應用效果都優于故障分析法。但是，該方法在實際應用中仍存在著許多問題，例如，如何區分對端母線反射波以及故障點發射波；如何實現反射波的標定和識別；故障行波不明晰，無法檢測信號的奇異點；存在測距死區等情況。根據測距原理，行波法主要分為六種類型，A、C、E和F型屬于單端行波法，B、D型屬于雙端行波法。行波法分類以及基本原理如下表所示。

行波法基本原理分類表

單端行波法原理是求解初始行波到達測量點的時間與對端母線的反射波到達時間或者故障點的時間差值[23]，由此計算實現故障定位。目前的常用方法主要有導數法[24]、波形匹配法[25]、相關法[26-27]、小波變換法[28-29]、主頻率法[30]等。

雙端行波法是通過行波達到初始時刻，由測距方程算出實際發生故障點到兩端的距離。其更多應用于遠距離線路故障定位[31]，具有故障定位準確度高、可靠性強等優勢[32]。但是其成本高于單端法[33]，由于需要雙端通信通道以及GPS同步時鐘，同時還需在線路兩端安裝行波檢測設備。

單端行波法會受到線路結構的影響，線路越復雜，檢測結果的可信度越低。雙端行波法檢測結果的可信度比單端法更高，這是因為其只須利用行波頭初次到達時間，無須發射行波的波頭到達時刻。

3 高壓輸電線路智能化測距法故障定位

近年來，隨著人工智能理論不斷發展，更多相關算法被應用于故輸電線路故障定位算法的研究中。智能化測距方法通過智能算法尋找特征量和故障距離這兩者之間的數學關系，對故障數據集進行學習，實現故障定位預測。目前，用于故障定位的算法理論主要包括模糊理論[34]，人工神經網絡[35-37]、模式識別技術[38]、卡爾曼濾波技術[39]、概率與統計決策法等[40]，其中模糊理論和人工神經網絡被廣泛應用。故障特征[41]則通過軟件模擬(如Matlab、PSCAD和ATP-EMTP等)的方法提取，該方法可以將新的故障案例添加到故障分類器的訓練集中進行訓練。相較于其他故障定位方法，智能化測距法的優勢在于通過研究多種故障特征量即可實現故障定位，不受數學模型以及對故障暫態過程的分析的限制，并且其定位準確度受系統運行方式、故障類型、過渡電阻等影響小。

目前的智能化測距方法大多是與上述測距方法相結合。參考文獻[42]提出了一種將蛙跳粒子群和故障分析法結合的算法。參考文獻[43]提出了一種局限于輸電線路完全對稱的條件下，結合蟻群算法進行故障測距。參考文獻[44]引入小波變換算法、遺傳算法以及神經網絡算法，結合單端行波法進行故障定位。參考文獻[45]和[46]采用人工神經網絡算法進行故障定位。然而，智能化測距方法在受到故障阻抗、故障電流、故障點等因素的影響時，難以得到精確度較高的測距結果。若要提高結果的精確度，就需要對模型進行大量訓練，并且對訓練樣本數據集的要求也較高。目前，智能化測距法還存在許多問題，如收斂速度慢、學習效率低、不能保證結果收斂到全局最小等局限性等。因此，智能化測距算法還需要進一步的優化與完善。

4 研究建議與設想

由上述分析可知，故障分析法存在原理層面的固有缺陷，在測距精確度上有所欠缺。行波法也存在精確度以及經濟性的問題，智能化測距方法則受到硬件內存以及故障樣本數據集的限制。在此建議今后的研究工作可面向以下幾個內容進行推進：

(1)研究提高行波測距法的魯棒性。眾多故障定位算法中，由于行波測距法相較于其他算法的優點在于不受系統運行方式、過渡電阻的等限制，故進行優化和改進的高壓輸電線路故障定位算法研究，解決其精度低、適應性差的問題具有重要理論意義和應用價值。

(2)實現混合型故障定位算法的應用。將現有故障測距方法與智能算法相結合，從而解決目前故障定位存在的算法可靠性低、適應度差等問題。

(3)加強特殊輸電線路故障定位的相關研究。如同桿雙回輸電線路、多分支輸電線路、單雙混合型輸電線路等。

結語

本文根據故障定位原理，對現有故障定位方法進行了較為全面的綜述，歸納整理了故障分析法、行波法以及智能測距法的基本原理，并指出上述方法的優缺點以及應用現狀，提出了開展高壓輸電線路故障定位研究的幾點建議與設想，并探討了進一步的研究方向。