基于行波法的交直流配电线路故障定位方法综述

基于行波法的交直流配电线路故障定位方法综述

孙永健陈羽通讯作者韩玘桓

(山东理工大学电气工程学院山东省淄博市255049)

摘要：随着电力电子技术的不断发展，分布式电源大量接入，直流配电线路相较于交流配电线路效率高，交直流配电网的发展得到了重视。交直流配电网发生线路故障时，可靠、精确的故障测距方法对于保障配电系统的稳定运行具有重要意义。

关键词：直流配电网直流线路故障定位故障初始行波

0引言

随着科学技术的不断进步，电力电子技术的不断发展，以太阳能、风能为主的新能源的普及利用，直流负荷的涌现，直流配电线路给直流负荷供电时比交流配电线路效率高，直流配电网已成为国内外研究发展的热点课题。直流配电网较交流配电网相比有以下优点：（1）供电容量大、线路损耗小；（2）供电效率高、供电稳定性好、电能质量好；（3）便于直流电源及直流负载的接入。环状直流配电网供电可靠性更高，发展前景广阔[1]。

行波法故障定位受故障距离、过渡电阻及系统运行方式小，测距精确，是输电系统最主要的故障测距方法。

1交流配电线路定位方法

行波测距是通过测量线路发生故障时的特征电气量来实现的。对暂态电气量进行分析时，考虑到基波电压和电流波长的大小，网络大小不可做理想化处理，因此，需要对线路进行分部参数处理并在实际计算中考虑电磁波在传播过程中的速度和时间，此种在分布参数系统中的具有固定传播速度的电磁波被称为行波。行波测距法起源与19世纪60年代，如今也是非常实用的测距方法，主要利用线路故障时产生的暂态电气量—行波进行测距，一直以来，许多的研究着利用电压或电流行波的传播特点，提出了许多具有实际应用价值的观点。

行波测距法主要分为两种：一种是在故障点处产生的行波经线路传播到线路母线的时间与故障点处产生的行波经对侧母线反射到本侧母线或故障点自身反射到本册母线的时间之差进行测距，这种方法称为单端行波测距法，A性行波测距法便是利用单端行波测距法的基本原理实现的；另一按照故障点出行波达到两端母线监测点的时间差进行测距，这种方法被称为双端测距法。该方法的实现的关键是两端行波同步到达母线的测点的时间差，需要专用的同步时钟进行及时。虽然双端行波测距法会增大投资成本，但其只需要检测故障行波的第一个波头，受线路运行方式、过渡电阻以及分部电容等参数的影响较小，其测距结果更加准确。

2直流配电线路定位方法

由于行波法测距精度高、响应速度快，并且受过渡电阻、线路阻抗、故障距离及系统运行方式影响较小，因此行波法是现如今直流系统中最主要的故障测距方法。

行波测距通过测量故障点行波波头到达母线监测点的时间实现测距，测量准确度高；具体实现又可分为单端行波法[2-5]和双端行波法[6-7]。单端行波法只需要测量故障行波波头达到其中一侧母线监测点的时间即可，不需要进行通讯，实现方式简单，精度较好，但可靠度取决于能否准确捕获故障点行波反射波和透射波。双端行波法是根据故障点行波到达两端母线监测点的时间之差确定距离的，测量准确度和可靠性更高，但对于数据采样的准确性要求更高。行波测距法能够可靠工作较为关键的环节便是波头的识别和捕获。一个很简单的方法便是导数法，即对故障行波进行一阶求导，得到导数的极大值便可得到波头。上世纪末，小波变换是应用很广泛的故障行波波头捕获方法，因其具有良好的时频局部化特征。文献[6-7]提出了基于双端行波法，并使用小波变换的模的极大值检测故障行波信号的奇异性，由此得到行波波头，从而实现故障的精准定位。随着软件和硬件水平的不断提高，不断有新的检测和数学分析方法被引入到故障测距中来。文献[8-10]应用数学形态学多分辨形态梯度理论和小波变换原理来检测波头。文献[13]将波形图映射为红率彩色模式图，将颜色变化点定为波头点。

行波测距另一重要影响因素便是行波速度，行波速度与线路参数和行波频率有很大关系，行波波速并不是恒定不变的。而在实际计算中，往往不会考虑波速变化对测距所产生的影响，因此，最终测距结果又是会超出所允许的误差范围。所以，故障行波的选取要考虑合适的行波速度，将波速对测距的影响降到最低。文献[5]总结故障波头之间的时间差，并列写了测距方程，从未消除了波速对测距的影响。

研究者们也对其他测距方法进行了探索，主要寻找故障行波变化特点与故障距离的关系，这样便可以不再对故障行波的波头进行检测，可以提高可靠性，但在具体实施过程中还有很多问题，目前该研究还在理论探索阶段。文献[3]提出利用发生故障时的电流频率来测定故障距离，测距精度有所提高，实现了无需检测故障波头的要求，但对于故障电流频率的检测和分析却面临着其他一系列问题。文献[11]提出故障行波中的高频分量衰减与故障距离的关系实现故障测距的构思，能够实现精确测距。但高频分量衰减速度受其衰减常数的。文献[12]利人工神经网络算法对文献[11]的算法进行矫正，利用其非线性拟合能力能够准确计算出行波衰减常数，满足了行波测距高可靠性要求。

3结语

总而言之，随着行波测距系统运行经验的积累和不断完善，行波测距已成为一种主要的输电线路故障精确定位方法。

由于交直流配电网接线方式的特殊性，行波测距用于交直流配电网还有一些特殊的问题需要解决。目前，交直流配电网行波测距的研究主要还是停留在理论探讨与试验阶段，还没有获得实际的应用。

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作者简介：

孙永健(1992—)，男，山东东营人，硕士研究生，主要研究方向为电力系统及其自动化

通讯作者：陈羽(1974—)，男，江苏溧阳人，副教授，博士，通信作者，主要研究方向为智能配电网通信与自动化技术

韩玘桓(1993—)，男，山东淄博人，硕士研究生，主要研究方向为电力系统及其自动化