高壓輸電網(wǎng)行波故障定位方法初探與比較

張永政

(國網(wǎng)遼陽供電公司，遼寧 遼陽 111000)

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高壓輸電網(wǎng)行波故障定位方法初探與比較

張永政

(國網(wǎng)遼陽供電公司，遼寧 遼陽 111000)

對高壓輸電線路現(xiàn)有的各種行波故障定位方法進(jìn)行了歸納總結(jié)?，F(xiàn)有的測距方案可分為暫態(tài)行波定位和工頻量定位兩大類,其中暫態(tài)行波定位按分析方法可分為時(shí)域和頻域兩種，而工頻量定位按數(shù)據(jù)來源可再分為單端與雙端定位方案。簡略介紹了這些方案的算法原理,并對其特點(diǎn)及應(yīng)用效果作了一定的評價(jià),同時(shí)對這些方案的優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用前景進(jìn)行了初步探討。

行波；暫態(tài)保護(hù)；工頻保護(hù)；現(xiàn)狀

1 引言

輸電網(wǎng)是電力系統(tǒng)的重要組成部分，它擔(dān)負(fù)著輸送電能的重要任務(wù)，是發(fā)電廠和終端用戶的紐帶，同時(shí)也是整個(gè)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)，輸電網(wǎng)故障直接威脅到電力系統(tǒng)的安全可靠經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。故障定位是輸電線路故障點(diǎn)查找與清除的重要依據(jù)，精確的故障定位不僅能大大減輕人工巡線的艱辛工作，縮短排除故障的時(shí)間，而且還能查出維護(hù)人員難以發(fā)現(xiàn)的故障，從而排除絕緣隱患，及時(shí)修復(fù)線路、恢復(fù)可靠供電。

現(xiàn)階段輸電網(wǎng)故障定位方法按照信號特征的不同主要分為兩大類，一類是利用暫態(tài)行波的方法；另一類就是利用工頻量的方法。

2 利用暫態(tài)行波的定位方法

行波定位方法利用行波在輸電線路上有較固定的傳播速度(接近光速)這一特點(diǎn)，通過記錄和測量線路故障時(shí)，由故障點(diǎn)產(chǎn)生的行波到達(dá)母線時(shí)間，以實(shí)現(xiàn)精確故障定位。行波法定位的精度在理論上不受線路類型、故障電阻及兩側(cè)系統(tǒng)的影響。

2.1 時(shí)域行波法

基于時(shí)域行波法的故障定位難點(diǎn)是對行波波頭的準(zhǔn)確識別，特別是單端行波法難以檢測和區(qū)分故障點(diǎn)反射波，嚴(yán)重影響定位可靠性。起初行波檢測方法是通過比較電流行波信號是否越過設(shè)定閾值實(shí)現(xiàn)檢測，這種方法容易受系統(tǒng)運(yùn)行工況和噪聲等影響，難以精確地確定電流行波波頭前沿到達(dá)的時(shí)刻。20世紀(jì)80年代末90年代初，小波理論的提出為非平穩(wěn)信號的檢測帶來了突破。因?yàn)樾〔ǚ至康哪O大值與信號的尖銳變化點(diǎn)相對應(yīng)，因此可以將小波分量的模極大值出現(xiàn)時(shí)刻確定為電流行波信號的到達(dá)時(shí)刻[1,2]。另外根據(jù)不同尺度(頻帶)下小波變換的模極大值極性，可進(jìn)一步識別被測行波的相位變化，判斷其是由故障點(diǎn)還是對端母線反射或其他干擾脈沖等[3]，以此有效地消除噪聲提取信號。借助小波理論對行波特征的有效提取，行波故障定位的數(shù)學(xué)原理也逐漸建立和豐富。文獻(xiàn)[4,5]對基于小波分析的仿真數(shù)據(jù)及實(shí)測故障數(shù)據(jù)進(jìn)行了定位結(jié)果對比，取得了較好的效果，但同時(shí)也指出未考慮行波傳播中的色散現(xiàn)象對算法可靠性的影響。

數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)[6]在濾波和突變信號檢測方面的優(yōu)勢也被用于故障定位中來研究行波波頭的提取和識別，該方法只有簡單的加減運(yùn)算和極值比較，因此具有簡單、快速等優(yōu)點(diǎn)，且其變換后幅值衰減很小，無相移，便于硬件實(shí)現(xiàn)。但是在形態(tài)運(yùn)算中需選擇合適的結(jié)構(gòu)元素，其對運(yùn)算結(jié)果具有決定性影響，要綜合考慮待分析信號、濾除信號以及保持圖形等因素。文獻(xiàn)[7]將故障行波經(jīng)形態(tài)學(xué)濾波后，再對其進(jìn)行Hilbert-Huang變換(HHT)以提高行波波頭到達(dá)時(shí)間的精度，但其依然沒有從原理上避免行波高頻成分衰減大使波頭畸變致難以提取的影響。

以上對行波波頭識別的方法研究主要體現(xiàn)在提高行波波頭到達(dá)時(shí)間的確定精度，在行波頻率較高時(shí)難以準(zhǔn)確識別波頭，而導(dǎo)致定位失敗。同時(shí)未考慮行波波速在有損輸電線路傳播中會受頻率的影響，而對于時(shí)域信號處理技術(shù)很難準(zhǔn)確計(jì)算對應(yīng)的波速度，使其成為影響時(shí)域行波法故障定位準(zhǔn)確度的主要因素。

2.2 頻域行波法

為了克服行波波頭識別困難的問題，有學(xué)者研究了高頻暫態(tài)行波的頻譜特征，試圖從頻域角度找出其與故障距離的關(guān)系。按照文獻(xiàn)[8]的論述，行波在有限長度線路的傳播受到線路兩端邊界條件的影響。當(dāng)理想傳輸線上傳播的行波在線路兩端完全反射時(shí)，在頻域上表現(xiàn)為以諧波形式，把這一系列頻率稱為行波的固有頻率。Swift在對故障行波的頻譜進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)，在線路終端條件為理想開路或理想短路時(shí)，故障距離和行波頻譜的主成分有確定的數(shù)學(xué)關(guān)系，但其結(jié)果僅從仿真實(shí)驗(yàn)得到，沒有嚴(yán)格的數(shù)學(xué)推理，在系統(tǒng)等效阻抗為有限值時(shí)不適用。

文獻(xiàn)[9]從線路的波動方程出發(fā)，從理論上推導(dǎo)出任意邊界條件下，線路長度和行波固有頻率的關(guān)系。該方法僅需單端電壓或電流信息，在線路參數(shù)已知的條件下，利用適當(dāng)?shù)念l譜估計(jì)方法提取行波的固有頻率(一般采用主成分)，結(jié)合邊界條件即輸電線終端連接的系統(tǒng)等效阻抗即可精確計(jì)算形成固有頻率的兩個(gè)反射點(diǎn)之間的線路長度，對故障行波固有頻率兩個(gè)反射點(diǎn)之間(一端為測量端母線，另一端為故障點(diǎn))的線路長度就是故障距離。該方法不需通信信道和時(shí)鐘同步設(shè)備，與雙端法相比在經(jīng)濟(jì)上有很大優(yōu)勢，同時(shí)該方法通過提取行波固有頻率的主成分進(jìn)行定位，不僅避免了時(shí)域行波法對行波波頭的識別，還可以精確計(jì)算相應(yīng)的行波波速進(jìn)行計(jì)算，以減小定位誤差。

該方法的代價(jià)是算法要求已知單端(測量端)的系統(tǒng)等效阻抗和輸電線路參數(shù)，同時(shí)，該方法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位的關(guān)鍵是對固有頻率的準(zhǔn)確提取，前期研究在原有基于雙電源單回交流輸電線路的定位原理基礎(chǔ)上，經(jīng)驗(yàn)證了其在高壓直流輸電線路和電纜混合線中的適應(yīng)性；另外考慮輸電線路中出現(xiàn)串聯(lián)補(bǔ)償裝置時(shí)，串聯(lián)電容及其氧化鋅非線性電阻(metal oxide varistor，MOV)對定位算法中頻率提取和計(jì)算折反射系數(shù)的影響；同時(shí)針對同桿雙回輸電線路構(gòu)造適合單回故障和同名跨線故障的反射系數(shù)矩陣，研究不同輸電線路形式下的定位算法應(yīng)用。文獻(xiàn)[10]對行波固有頻率在電網(wǎng)故障定位應(yīng)用進(jìn)行了研究，文中僅使用單端電流行波信號對三端電源線路進(jìn)行試驗(yàn)，需要先判斷故障線路，而以一端提取的行波固有頻率區(qū)別故障點(diǎn)和健全線路母線反射波在實(shí)際中存在困難。

3 利用工頻量的故障定位方法

工頻量法對采樣頻率的要求不高，在現(xiàn)有的保護(hù)裝置或者錄波器當(dāng)中，完全能夠滿足其要求，具有較大的工程應(yīng)用價(jià)值。工頻量法包括解方程算法和迭代測距算法，就是利用測量到的電氣量，通過對故障現(xiàn)象的分析并根據(jù)線路發(fā)生故障時(shí)候的故障特征構(gòu)造各種原理的測距方程進(jìn)行故障測距。在線路參數(shù)已經(jīng)知道的前提下，線路某處發(fā)生了故障的時(shí)候，線路兩端的電壓和電流參數(shù)均為故障距離的函數(shù)，因此，工頻量法的本質(zhì)是短路電壓電流計(jì)算的一種逆運(yùn)算。 在我國，主要有零序電流分量相位修正法、解微分方程法、零序電流修正法和解方程法等等。其中也包括阻抗法，阻抗法的原理建立在分布參數(shù)模型基礎(chǔ)上，是指利用測量端測量能夠測量到的電氣量，根據(jù)已經(jīng)測量到的電氣量建立電路方程，在電路理論下以單位阻抗值折算故障距離，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)故障測距。

利用工頻量的測距方法可分為單端測距法和雙端測距法。

3.1 利用工頻量的單端定位法

單端定位法利用輸電線路其中一側(cè)測量的電壓和電流量，并綜合故障前測量的電氣量，在一定的假設(shè)基礎(chǔ)上，來計(jì)算故障距離。單端定位法中運(yùn)用最為廣泛的是阻抗法，其原理是利用故障時(shí)在線路一端測到的電壓、電流計(jì)算出故障回路的阻抗，該阻抗與測量點(diǎn)到故障點(diǎn)的距離成正比從而折算出故障距離。單端定位算法較為簡單，經(jīng)濟(jì)性較好，但是受到過渡阻抗、對端系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)和負(fù)荷電流影響存在原理上的缺陷，定位精度難以保證，因此一般作為雙端定位算法的輔助。

阻抗法的優(yōu)點(diǎn)是原理簡單、算法易于實(shí)現(xiàn)且成本低廉，但由于算法本身原理上的缺陷，故障定位精度受過渡電阻和對端系統(tǒng)等效阻抗等因素影響大，其中過渡電阻與發(fā)生故障的環(huán)境有關(guān)而難以預(yù)測，對端等效阻抗也與系統(tǒng)配置相關(guān)，隨系統(tǒng)運(yùn)行方法時(shí)常變化。因此，實(shí)際應(yīng)用中該方法的定位誤差較大。

3.2 利用工頻量的雙端定位法

雙端定位法是通過用線路兩端的電壓和電流以及必要的系統(tǒng)參數(shù)，經(jīng)過分析化簡得到定位方程，然后運(yùn)用數(shù)學(xué)方法得到故障點(diǎn)位置。雙端法相比于單端法從原理上可消除過渡阻抗、故障類型和系統(tǒng)阻抗對定位精度的影響，提高了定位精度。

雙端定位算法按照線路模型，可分為分布參數(shù)模型和集中參數(shù)模型；按照雙端采樣數(shù)據(jù)是否同步，可分為雙端不同步和同步算法。集中參數(shù)線路模型只能在線路較短情況下作為近似，不適用于高壓長距離輸電線路；分布參數(shù)線路模型雖然復(fù)雜，但是定位精度較高。雖然近年來GPS 同步裝置的發(fā)展使得雙端數(shù)據(jù)同步誤差減小，但是由于保護(hù)裝置和互感器對電流傳輸?shù)难訒r(shí)性，雙端數(shù)據(jù)并沒有達(dá)到真正意義上的同步。因此，基于分布參數(shù)模型下的雙端不同步定位算法具有一定的研究意義。

4 智能定位法

智能理論的研究發(fā)展對于故障測距也存在著極其重要的意義,這幾年，對于故障測距問題不少專家學(xué)者引入智能理論來進(jìn)行研究，使各種的智能理論技術(shù) 互相結(jié)合，比如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 、模糊專家系統(tǒng)等都被提了出來，但是其中大多數(shù)都還處于研究階段[11]。很多相關(guān)的新興學(xué)科的研究成果也被引入到對于高壓輸電線路故障測距當(dāng)中，比如小波分析法、優(yōu)化法 、概率法、卡爾曼濾波技術(shù)、模式識別技術(shù)以及統(tǒng)計(jì)決策方法等等。但是這些研究還需要進(jìn)一步探索[12]。

以上智能算法能夠很好的克服傳統(tǒng)定位算法中存著的缺陷，同時(shí)有很強(qiáng)的自適應(yīng)性和學(xué)習(xí)性。由于某些理論還不夠完善，使算法還存在著局限性。但是這些算法在輸電線路故障定位中的運(yùn)用指明了故障定位的研究方向，具有指導(dǎo)性的意義。

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The Explroation and Comparision of the Travelling Wave Fault Location Mode of High-voltage Transmission Grid

ZHANGYong-zheng

(Liaoyang Power Supply Company of State Grid,Liaoyang 111000,China)

Existing high-voltage transmission lines for various traveling wave fault location methods are summarized.Existing ranging program can be divided into transient traveling wave positioning and power frequency positioning,which according to the analysis of transient traveling wave positioning methods can be divided into methods of time-domain and frequency-domain,and the power frequency positioning by the data source can be further divided into single-ended and double-ended positioning scheme.Article briefly describes the principle of these programs algorithms,and made certain characteristics and evaluation of its application effect,while the advantages,disadvantages and application prospects of these programs were discussed.

traveling wave;transient protection;power frequency protection;situation

1004-289X(2015)04-0103-03

TM72

B

2014-12-22

張永政(1963-)，男，本科學(xué)歷，經(jīng)濟(jì)師，長期從事高壓用電檢查工作。

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