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高压输电线路故障测距方法综述


高压输电线路故障测距方法综述
汤 枫,佘 亮,胡宏波,鲁华永
( 河海大学电气工程学院,江苏 南京 210098) 摘 要: 快速准确地得到输电线路故障距离对电力系统运

行有着重要的意义。准确的故障定位技术可以减轻巡线负 担, 加快线路恢复供电, 减少因停电而造成的综合经济损失。 长期以来, 人们为寻求精确有效的故障测距方法进行了不懈 的

努力,并有许多实用装置投入运行。 本文通过参阅相关文 献,对当前高压输电线路故障定位方法做出了分类, 总结得 出了各种测距算法的优点及存在的问题, 指出了每种测距算 法的适用范围和应用局限性。最后, 对高压架空输电线路故 障测距的研究及应用前景进行了展望。 关键词:输电线路;故障测距;阻抗法;行波法;故障分析 法

电源系统,若在离母线 M 的 D 公里处 F 点发生接 地故障, 故障点的接地电阻为 RF , 测距时利用测量 端(M 端或 M 及 N 两端)测得的电气量实现精确故障 测距。
D
EM Z MS

M
DZ L
VM

N F (L - D)Z L
IF IN
VN

Z NS

EN

IM

RF

图1输电线路故障测距模型

0 引言
随着电力系统规模的扩大,高压远距离输电线 路日益增多。高压输电线路分布范围广,运行中易 受到风、雪、雷等自然灾害的影响以及人为损害, 再加上供电设备运行时间长,各种保护装置落后, 因而输电线路在运行过程中易发生单相接地、二相 短路、断线等故障。如果能快速、准确地对输电线 路故障进行诊断定位,及时发现绝缘隐患,就可从 技术上保证电网的安全运行,具有巨大的社会和经 济效益。 长期以来,有关高压输电线路的故障测距技术 一直倍受国内外研究工作者的关注。尤其是 70 年 代以来随着计算机技术的应用,微机保护和故障录 波装置的开发及大量投运,更加速了故障测距的实 用化进程。但是目前已有故障测距方法的测距准确 性、可靠性及硬件投资方面还不能满足电力系统运 行和管理部门的要求,需作进一步的研究。

2 高压输电线故障测距方法的分类
国内外对于故障定位方法的研究已进行了几十 年,提出了大量的故障测距原理和方法。根据采用 的线路模型、测距原理、被测量与测量设备等的不 同,现有的故障测距可以有多种分类方法。按照工 作原理可以分为阻抗测距法、行波测距法和故障分 析法;按照电气量的获取可以分为 2 类:单端测距 法和双端测距法。下面基于上述线路模型下分别介 绍这几种测距方法。 2.1 阻抗测距法 阻抗测距法的原理是假定输电线为均匀线,在 不同故障类型条件下计算出故障回路阻抗或电抗 与测量点到故障点的距离成正比,从而通过计算故 障时测量点的阻抗或电抗值除以线路的单位阻抗 或电抗值得到测量点到故障点的距离。 在阻抗测距法中,根据所使用的电气量的不 同,分为单端电气量算法和双端电气量算法。 a) 单端测距原理: 在上述测距模型下,有:
Z M ?U M / I M ? Z ?lMF ?( I F / I M ) RF
? ? ? ?

1 高压输电线故障测距模型
电力系统的高压输电线路虽然是分布参数,但 在绝大多数工程实际应用中,输电线路均采用集中 参数表示,而长线路多采用迭代法求解,求解过程 复杂。本文仅基于输电线路的集中参数测距模型给 予讨论,而基于分布参数不准确模型下的测距问题 较为复杂, 目前这方面的参考文献甚多, 如文献[6]、 [7]、[8],这里不做深入讨论。 输电线路测距模型给出如下:图 1 为一个两端
1

(1)

式中: Z 为线路单位长度的阻抗; lMF 为 M 端 到故障点 F 的距离; U M 为 M 端测量到的对地电 压; I M 为 M 端测量到的电流; RF 为故障点的过渡
? ?

电阻; I F 为故障点的短路电流。 由式(1)可以看出:只有在 RF =0时,即发生金 属性短路,测量结果准确。在 RF ? 0时,即发生非 金属性短路时,测量结果有误差,对这种情况应加 以消除过渡电阻的影响。 利用单端信息测距法,尽管在工程上已经较广 泛应用,但是测距精度较差,且该方法不能消除故 障点过渡阻抗、对侧运行阻抗和负荷电流等因素的 影响。因此为了克服单端电气量算法的缺陷,有人 提出了利用双端信息的故障测距法。 b) 双端测距原理: 列出两端(M及N端)电路的方程,有:
U F ? U M ? I M DZ L ? ? U F ?U N ? I N ( L ? D) Z L ?

?

母线反射波,但目前还没有一种实时测距算法能在 任何情况下都能可靠区分。 b) 双端测距法的基本原理是利用故障点产生 的行波到达两端的时间差与波速之积来确定故障 位置, 它利用记录故障行波到达线路两端的时刻 t1 和 t2 进行测距。其公式为: (5) D ? [ L ?(t1 ?t2 )?v ]/ 2 式中,L 为线路总长, v 为波速。 双端行波测距法仅利用故障产生的第一个行 波波头信号,不受故障点透射波的影响,而且初始 行波一般比较强烈,线路过渡电阻的电弧特性、系 统运行方式变化、线路分布电容及负荷电流等对测 距准确性不会造成较大影响,故测距结果较为可 靠。 基于上述测距原理,目前根据产生行波的种类 和测量方式的不同,基于行波法的测距方法有 A、 B、C 型 3 种方法[1,2]。A 型是根据故障点产生的行 波在测量端至故障点间往返的时间与行波波速之 积来确定故障位置;B 型是利用通信通道获得故障 点行波到达两端的时间差与波速之积来确定故障 点位置;C 型是在故障发生时于线路的一端施加高 频或直流脉冲,根据其从发射装置到故障点的往返 时间来实现故障测距。 在这3种方法中, A型和C型为单端测距, B型是 双端测距,需要两端通信。随着电子技术和计算机 技术的发展,数字滤波、相关技术、谱分析和压缩 编码技术等的相继引入[1],尤其是新出现的小波理 论和全球卫星定位系统( GPS , global positioning system)大大提高了暂态行波信号的提取效率,简 化了两端数据同步过程,为行波法测距法带来了新 的发展前景。 2.2.1 小波变换奇异性在行波故障测距中的应用[3] 小波分析作为数学学科的一个分支,以其理论 上的完美性和应用上的广泛性,受到科学界、工程 界的重视。小波变换法[4]是根据行波信号的“突变” 在小波变换下的模极大值实现行波故障测距的一 种方法。目前,可以运用小波变换来分解由故障录 波得到的具有奇异性、瞬时性的电流、电压信号, 在不同尺度上反映故障信号,根据得到的故障信号 特性确定合适的距离函数,进而求解出引起此信号 突变的故障时间和地点,实现故障定位。 利用小波变换技术的双端行波测距,可有效提 取故障行波特征,同时通过设定小波变换模极大值 的门限值,可滤除由正常信号产生的小波变换模极 大值点。大量的实践表明,小波分析应用于故障测
2

(2)

由(2)解得故障距离:
D? U M ?U N ?I N LZ L ( I M ?I N ) Z L

(3)

式(3)是M及N两端电气量同步获得时的计算公 式,这种方法理论上可以做到测量很精确,但必须 利用通信线路来传输线路两端的信息,这样使得测 量手段复杂化,且当故障发生在线路中心附近时, 就会造成两侧供给短路点的电流大致相等,测量误 差就过大。 2.2 行波测距法 行波测距法是根据行波传输理论实现输电线 路的故障测距方法,输电线路发生故障后,在故障 点将产生向两端运行的暂态行波,暂态行波在传播 过程中遇到不均匀介质时,将发生折射和反射,在 故障点和母线处暂态行波会发生反射和透射,行波 测距就是利用 2 个波头到达测量端之间的时间差来 完成故障的定位。行波法很少受过渡电阻等因素的 影响,因此可以达到较高的准确度。 根据所使用的电气量,行波测距法可分为单端 测距法和双端测距法: a) 单端测距法的基本原理是利用母线处测得 的故障初始行波脉冲与由故障点反射回来的行波 脉冲之间时间差 ? t 测距。其公式为: D ? v?? t/2 (4) 单端测距法的问题在于:从故障点反射过去的 行波分量经一定时间后,又会从对端母线反射回故 障线路等,使行波区分有较大困难。因此,单端测 距的最大问题是如何区分是故障点 (F 点) 反射的行 波还是从对端母线(N端)反射的行波。 一般情况下可 通过人工波形分析,可靠区分故障点反射波和对端

距具有很高的可靠性和测量精度。 2.2.2 GPS 在行波故障测距中的应用 GPS[5]是美国于 1993 年全面建成并运行的新一 代卫星导航、定位和授时系统。基于全球定位系统 (GPS)的双端行波故障定位系统是利用行波的第 一个波头到达线路两端的时间差来计算故障点的 位置的。由于行波的传播速度非常快(约为光速的 98%),因此对行波波头到达线路两端时刻的时间 精度要求非常高。 采用 GPS 以同步输电线路两端的 电气量,进行故障定位,可以极大地简化算法、两 端数据同步过程和故障定位装置的附加设备,提高 故障信号的提取效率,并且具有很高的定位精度。 GPS 同步时钟技术的引入将大大促进双端量故障 定位技术在电力系统中的应用。 2.3 故障分析法 在系统运行方式确定、线路参数已知的条件 下,当线路某处发生故障时线路两端的电压和电流 均为故障距离的函数。故障分析法就是利用线路故 障时测量的电压、电流,通过分析和计算求出故障 点的距离。 根据所使用的电气量,故障分析法也可分为单 端电气量算法和双端电气量算法: a) 单端测距算法原理: (6) U M ? ( I M ?KI M 0 )? DZ L ?3RF I F 0 式中, K ?
Z L 0 ? Z L1 为零序电流补偿系数; I F 0 为故 Z L1

求解比较复杂,计算量大,对于某些迭代式的算法 而言,还存在求解双曲函数的问题,计算结果极有 可能发散,从而导致测距失败。对于短线,可以采 用不考虑电容分布的集中参数模型,但对于中长线 路,应采用考虑电容分布的集中参数模型。 综上所述,采用准确线路模型及不要求两端数 据同步使得双端测距在原理上具有很大的优越性, 值得进一步推广研究。

3 各种测距方法的比较
3.1 阻抗测距法、行波测距法及故障分析法对比 在以上讨论的测距方法中,阻抗法由于故障过 渡电阻、线路不完全对称等因素影响,测距误差较 大,且在高阻故障和闪络故障时用阻抗法测距在精 度方面很难满足实际运行的要求;行波法存在无方 向性、出口短路有死区、硬件造价高等问题,实际 应用还有待研究。故障分析法可充分利用现已大量 投运设备,硬件投资小,容易实现。但是,从目前 所提供的设备及技术等,故障分析法比较实用,而 故障分析法中,最重要的问题是滤波[12],滤波的精 度与测距准确度有很大的关系。 总结以上各种测距方法,可以得出三种方法比 较如下表所示:
表1 三种方法比较
项目 原理 采用情况 准确性 经济性 缺陷 阻抗测距法 简单 少 差 投资小 误差大 行波测距法 复杂 全部线路 精确 投资大 存在反射波 识别问题 故障分析法 复杂 全部线路 较精确 投资较小 仅限于线路参数 已知的场合

障支路电流的零序分量,是不可测未知量; 为减少未知量, 求出故障距离, 围绕 I f 0 与 I M 0 的关系,人们相继提出了各种处理方法,有零序电 流相位修正法;解微分方程算法;解一次方程测距 法;解二次方程测距法;迭代法等[2]。 在上述测距算法中,测距区内伪根问题是影响 测距结果的重要因素。解二次方程测距法可能会出 现区间内双根或无根;迭代法则可能收敛于伪根或 不收敛,从而导致测距失败。 b) 双端测距算法原理: 这类方法从两端(M 及 N 端)列出电路的方程, 解出故障距离。由于方程数等于未知量数,可以消 除过渡电阻的影响,实现准确测距。 基于不同的线路模型,双端测距算法又可分为 基于集中参数模型的测距算法和基于分布参数模 型的测距算法[6],基于集中参数模型的算法又可分 为考虑分布电容和不考虑分布电容两种。对于高压 长线路,采用分布参数模型更加精确,但是方程的
3

三种方法各有特点,正确判断故障点距离应当 三种方法同时考虑。阻抗法在输电线路分布均匀的 情况下可以精确的出故障点距离;故障分析法相比 行波法几乎不受过渡电阻和线路不对称等因素的 影响,精度优于故障分析法;但行波法存在反射波 的识别问题,且在近区还存在无法识别反射波区 域,而近端恰好是故障分析法测距较准确的区段。 从这意义上看,行波法与故障分析法具有优势互补 性。 3.2 单端测距算法与双端测距算法对比[9] 纵观现有的单端测距算法,主要还存在以下问 题:① 故障过渡电阻或对端系统阻抗变化对测距 精度的影响;②输电线路及双端系统阻抗的不对称 性对测距的影响;③测距方程的伪根问题(两个根 均可能在测距区间内)[10]。造成测距误差的根本原 因是存在故障过渡电阻。要减小其影响,就要引入

对端系统的阻抗,那必然要受到对端系统阻抗变化 的影响,这是单端测距法长期没有解决的难题。随 着电力系统自动化水平的提高和通信技术的发展, 相继提出了双端或多端故障测距方法[11]。 而双端测距不需要判断故障的类型,不受过渡 电阻和对端系统阻抗的影响,无需考虑故障边界条 件和系统运行方式的变化,从原理上可达到精确测 距,但采用双端信息测距存在着两端数据采样不同 步的问题, 即使采用 GPS 同步采样技术, 考虑硬件 延时、采样率差别等因素引入的误差,也很难得到 完全同步的数据[12];而基于不同步采样数据的双端 算法,恰好弥补了这一缺陷,具有较大的工程实用 价值,但面临着求解复杂,可能出现伪根等问题, 值得进一步深入研究。

为今后的主流测距装置。

参考文献
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4 结束语
纵观现有的各种输电线路故障测距算法,各有 千秋,因此为了使得故障距离的测量更加准确,上 述各种方法都需要进一步的完善。考虑到现实工作 中对测距精度的要求不断提高,我们研究的重点应 放在双端测距算法上。因为单端测距在理论上存在 误差,而且现有的单端测距算法基本都要求精确或 近似知道对侧的系统阻抗,这实际上还是要知道双 端的信息。随着通信和计算机技术的发展,使双端 测距方法越来越具有实用意义,但目前这方向仍有 亟待解决的问题,如算法自身的适应性、抗干扰能 力和剔除伪根判据[13, 14]等。 近几年研究工作者提出大量不需要两端数据 同步的两端测距法[15],实践经验表明不需要两端数 据同步的两端测距法要比需要附加设备解决两端 数据同步问题的两端测距方法更优越,具有较大的 工程实用价值,随着装置在实际运行中的不断总结 完善,不需要两端数据同步的双端测距算法必将成

作者简介:
汤 枫(1982-),女,汉族,硕士研究生,研究方向为电力 电子与电力传动。E-mail: tangfeng82-11@163.com

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