高压输电线故障测距中的伪根问题及其改进方法

高压输电线故障测距中的伪根问题及其改进方法

王峰

国网吕梁供电公司，山西吕梁， 033000

摘要：架空输电线路跨度大，分布范围广，穿越地区地形、自然环境复杂，气候条件多变，容易导致故障的发生。准确的故障定位可以及时地修复线路、缩短停电时间，还可以有效地减少维护的工作量、提高线路的运行水平，保证可靠供电，具有重要的经济意义和社会效益。本文介绍了各种故障测距原理，并指出其不足之处。

关键词：故障测距；行波法；阻抗法

目前，关于输电线路故障测距的方法较多。如果按测距的基本原理划分，研究主要集中在两个方面，行波法和阻抗法。行波法利用均匀传输线中暂态行波的波速接近为一常数的特点，通过测量暂态行波的传输时间实现测距；后者测量单端或多端的电压和电流信号，通过电路分析的办法，求解到短路点的故障距离。

1行波法

行波法提取信号的时间窗短，不受系统运行方式的影响，因而得到广泛重视。随着传输线理论的成熟，人们对于行波的特点有了深入的了解，相模变换、相关分析的应用，特别是小波技术的应用提高了行波波头的提取效率。从实现方式来看，行波法可分为：单端测距、双端测距、系统测距。

1.1单端行波测距

输电线路的单端定位技术记录由故障点向母线传播的暂态行波的到达时刻，及母线反射波被故障点再次反射后到达母线的时刻，利用时间差计算故障距离。单端测距所需硬件设备较少，而且这种方法对于瞬时性和永久性故障都有效。

由于暂态电压信号不易获得，文献[1]种利用暂态电流行波的测距方法，以同母线的非故障线路为参考，比较故障线路暂态电流和参考线路暂态电流正、反向行波的极性，识别来自故障方向的行波浪涌。

由于各个电气设备的波阻抗的不同，暂态行波在设备各个连接处反复折射、反射、衰减，这使得辨识故障点的反射行波的波头比较的困难。另外，对于近电源点短路，单端测距存在测量死区。另外，暂态行波已接近光速传播，为保证测量精度，要求系统具有足够高的信号测量精度和时间分辨率，这增加了系统硬件成本。

1.2双端行波测距

双端测距记录由短路点传出的暂态行波第一次到达线路两侧的时刻，由时间差计算故障点位置。双端测距方法克服了单端测距故障点反射波不易识别的弱点。但是这种方法需要双端数据同步，并且需要提供数据通道。国内外普遍采用GPS系统进行双端数据同步，这种技术把时间测量精度提高到纳秒级，从而提高了定位精度。

双端测距技术同样存在一些不足：受采样频率限制，无法识别近距故障行波，并且采样频率越低，死区越大；无法检测电压过零时刻接地的故障；受到GPS系统制约，一旦时钟信号接收失败，则将导致故障定位失败。

1.3系统行波测距

针对上述方法的缺点，文献[2]构造输电网GPS行波测量网络的概念：在每个变电站安装记录仪，并与调度通讯，直接记录故障行波波头到达各个变电站的时间，由调度进行故障定位。

这种方法由于使用的测量信息较为丰富，因而可以克服近故障点的测量盲区问题。并且，这种系统还具有N-1容错能力，可以避免单一设备故障所导致的测距失败。但是，对于多端系统短路故障时，远离故障点的一端如何从复杂的折射、反射波中识别来自故障点的故障行波波头以及如何对故障点进行综合判断还应该深入研究。随着超高压系统行波保护的普及和系统通讯能力的提高，这种方法具有良好的应用前景。

1.4行波法研究存在的主要问题

线路穿越的地区土壤电阻率是的不均匀，并且随季节变化；另外，导线结构、位置的变化，使得导线参数如衰减系数、特性阻抗出现频变。这些因素对于天模分量和地模分量的波速都有不同程度的影响，降低了行波法的精度。据统计，电力系统单相接地事故约占70%—90%，地模分量在该类事故中起主要作用，而地模分量的波速受到土壤电阻率和参数频变影响很大。上述因素对波速的影响还应予以深入地研究。

2阻抗法

阻抗法是测量单端或多端的电压和电流信号，通过电路分析的办法，求解到短路点的故障距离。一般说来，阻抗法具有使用硬件设备较简单，容易实现的特点。阻抗法类型较多，按信息频率来分：工频法和中频法；按使用的数学模型来分：代数方程法和微分方程法；按信号同步关系来分：同步数据法和非同步数据法；按信息来源来分：单端阻抗测距、双端阻抗测距和多端阻抗测距。

2.1单端阻抗测距

从原理上来看，单端测距应用于双端或多端电源网络时无法实现精确测距。为了避免讨论电弧电阻的复杂的非线性特性，通常假定1故障阻抗是纯电阻；2故障点两侧零序电流同相位；3能够对对侧系统进行参数估计；通过电路分析的办法确定测距方程，即将电弧阻抗角、电弧消耗的无功功率或两侧电流比值的虚部表示为故障距离的函数。事实上，假设2成立的论据并不成立，而假设3是随着系统运行方式的改变而变化。

单端阻抗测距的方法，需要设备和技术限制较少，因而得到广泛的应用。但从应用的效果来看，由于多数的算法在原理上受到各种各样的限制，测量精度并不高。在高阻抗接地、多电源的情况下，定位精度不优于3%，对于长线路更难以满足精度要求。

2.2双端阻抗测距

单端阻抗测距方法在原理上无法实现精确测距，使得双端阻抗测距方法受到重视。从原理来看，根据两侧电压电流信息，不管电弧电阻性质如何，只需从两侧列写电压回路方程，即可建立测距方程，求解该方程即可实现精确测距。

但是，双端阻抗测距法要求，代入测距方程的电压电流数据必须是同一时刻的信息，否则无法实现精确测距。这就要求必须对两侧数据进行“同步”。目前的双端测距方法中，有两种方法实现数据同步。一种是硬件方法，利用现有设备提供同步信息或加装GPS信号的接受装置；另一种做法是软件同步，利用两侧非同步的信息，通过电路分析的方法，计算出两侧的相角差，从而实现了数据的“同步”。

2.3各种测距方法的比较

（1）使用工频量与解微分方程法的测距方法对比。

在故障分析法故障测距算法中除解微分方程法使用瞬时电压和电流，多数使用工频量测距。解微分方程法主要的优点是算法简单、计算量小，可以兼作保护和测距。但从原理上看，工频测距的方法精度比解微分方程法高，且即使使用集中参数电路模型，也可通过在两端并联电容的方法，以补偿分布电容的影响，因此就测距而言，按照以时间换精度的原则，工频测距方法比解微分方程法更有效和实用。

（2）采用集中参数电路与同类采用分布参数电路模型的测距法对比

在工频测距算法中，采用集中参数电路模型的算法与采用分布参数模型的相比，前者是简化模型，后者是精确模型，前者分析计算简便，后者则较复杂，但后者的精度明显高于前者，而两者都存在测距方程伪根问题，由于采用了精确的模型，后者的伪根四比前者更容易处理。

（3）采用工频量与利用行波的测距方法对比

在资金投入方面，前者可以利用现已大量投入的设备，硬件投资小，容易实现，后者需要专门的设备，硬件投资大，技术较复杂，但在实际测距所需要的信息处理时间来看，行波法明显优于工频法，这里所说的时间主要是指抽取电压、电流的时间，随着自动化水平的提高，故障线路切除时间将大大缩短，但在短的故障切除时间也足够采集行波法测距的信息，对需要抽取幅值和相角的工频测距法来说，就必须在不足一周或者更多的时间内存复杂暂态波形中得到所需的信息，无疑增加了滤波算法的难度。

3结语

快速准确的故障定位有利于及时地排除故障和消除故障隐患、缩短停电时间、提高电网运行水平，具有现实的经济意义和社会效益。经过多年的努力，人们在故障测距和相关领域的研究都取得了丰硕的成果。

参考文献

[1]陈平，徐丙垠．一种利用暂态电流行波的输电线路故障测距方法，电力系统自动化，1999：23（14）．

[2]曾祥君，尹项根，陈德树．基于整个输电网GPS行波故障定位系统的研究，电力系统自动化，1999.10（10）．