架空输电线路的故障测距方法研究

王海波　郭卫东　刘利则

摘 要：架空输电线路的精确故障测距对于电力安全运行稳定有着重要意义。文章将故障测距方法分为阻抗法和行波法，指出了它们的适应范围和目前存在的问题。最后对线路模型和测距算法进行了比较，对故障测距发展前景进行了展望。

关键词：架空输电线路；故障测距；双回线

1 概述

我国建立特高压输电工程，其输电线路是电力安全及系统稳定运行的基石，但由于我国特高压和超高压输电线路分布范围较广，穿越的地形较复杂，运行环境又相当恶劣，是系统中发生故障最多的地方。瞬时性故障发生更多，该类故障造成局部绝缘损伤一般没有明显痕迹，给故障点的定位带来极大困难。若能在线路故障后迅速地把故障点定位，及时修复线路意义重大。近些年，输电线路的故障测距是研究热点，但由于电力系统的结构复杂性，影响因素很多，仍未能提出对输电线路精确故障测距方法，因此有必要对其进一步研究。

2 故障测距方法简介

按照采用的测距原理，线路模型，被测量和测量设备的不同，故障测距方法有多种分类方法。按原理不同，故障测距大致可以分为行波法和阻抗法。近几年，发展出了智能化的故障测距法。

2.1 阻抗法

故障阻抗可以采用线路单端的数据进行计算，也可以采用线路双端的数据进行计算。以下按照单端和双端的测距分类方法对阻抗法进行阐述。

2.1.1 利用单端数据的测距法

单端阻抗法利用线路一端的电压电流信号以及相关参数来计算故障距离。为不失一般性，假设输电线路为均匀线，线路参数恒定。可以进一步细分为：解一次方程法，解二次方程法，零序电流相位修正法，零序电流幅值修正法，故障分析法，微分方程法以及基于微分方程的电流相位修正法，基于分布参数模型的测距算法。此外还有高阻接地故障测距算法等其他的故障测距方法。

通过对单端测距算法的分析，单端测距算法还存在一些问题：（1）不可避免过渡电阻和受端的系统阻抗变化对测距精度的影响；（2）算法作出了一定的假设（测量端电流与故障点电流同相位，过渡电阻为纯阻性），假设与实际的差距会影响测距的精确度；（3）算法存在伪根问题和迭代法的收敛性问题。随着电力系统自动化水平的提高和通信技术的发展，双端测距方法得到了重视。

2.1.2 利用双端数据的测距方法

（1）基于集中参数的故障测距方法。a.相量法；b.微分方程法。（2）基于分布参数的故障测距方法。（3）双端数据不同步的处理方法。（4）双端法存在的问题。利用线路两侧数据的双端法不存在原理性误差，完全可以克服短路过渡电阻的影响，在保证线路参数和采样数据准确的前提下能够精确测距。但双端法需要通讯手段，实现同步需要GPS提供同步时钟，两端数据的不同步也会对测距精度产生影响。

2.2 行波法

当输电线路发生故障时，会产生向线路两端传播的行波，行波传播速度接近于光速。行波故障测距方法为根据行波传播理论，通过测量由于故障扰动的行波在故障线路上的传播时间，实现输电线路故障测距的方法。行波法测距的精确度在理论上不受线路类型、故障电阻及两侧系统的影响。

2.2.1 行波法的分类

用行波法的测距装置可分为A、B、C型三种[1]。A型测距装置原理是用故障点产生的行波传播从测量点到故障点往返一次的时间和行波波速来确定故障点距离。B型测距装置则是据故障点产生的行波分别到达线路两端的时间差值来实现测距。C型测距装置是在故障发生后由装置施加高频或直流脉冲，根据高频脉冲由装置到故障点往返时间进行测距。其中A、C型为单端测距装置，B型为双端测距装置。

2.2.2 行波信号的检测方法

对于行波信号的检测方法主要有求导法、相关法、滤波器匹配法、主频率法和小波变换法。求导法是据检测点处测量到的行波的一阶或二阶导数是否超过设定的阈值来判断行波是否达到母线的一种方法。相关法则依据通过向故障点运动的正向行波和由故障点来的反向行波极性相似，两个信号的相关函数具有很强的相关性。滤波器匹配法建立在相关法的基础上，使用高通滤波器，减少行波混叠的机会，以提高测距可靠性。主频率法则通过行波频谱最强的分量来决定故障距离。小波变换在时域和频域同时具有良好的局部化性质，适合检测故障行波这样的突变信号。对行波信号实施小波变换后，故障测距是基于行波信号在小波变换下的模极大值来实现的。

2.2.3 行波法存在的问题

行波测距的方法要想获得高精确度，需要解决几个问题有：

（1）故障产生的行波具有不确定性。故障是随机发生的，如果在电压过零时发生故障，产生的行波电压是一个由零值起始按正弦规律变化的电压，会使该行波测距失效。

（2）对于故障点发射波的识别。线路上存在着大量干扰，其特性与故障点的反射波极为相似，不容易区分反射波是来自故障点还是线路对端母线，在近区会存在“死区”问题。

（3）对行波产生信号的提取。行波测距对互感器要求是能较真实地反应传变高压暂态行波信号。电压互感器的截止频率低，满足不了传变暂态行波信号的要求。

（4）参数频变和波速之影响。分析参数频变特性，变换相模矩阵、特性阻抗、常数衰减和波速等参数均为f的非线性函数。波速是行波测距中的最主要影响因素、而其计算取决于大地电阻率和架空线的配置，故精确性受到影响。

2.3 智能化测距方法

许多学者把将跨界研究成果引入到输电线路故障测距当中，提出了许多新颖的方法，如卡尔曼滤波技术、模式识别技术、概率和统计决策、模糊理论、电弧理论和光纤测距等方法。这些方法给故障测距研究注入了很多新的血液。

3 故障测距方法的比较

（1）输电线路模型的比较。输电线路模型可以分为集中参数模型和分布参数模型。前者计算简便，是一种简化模型，适用于电压等级低的中短输电线路；后者是精确的模型，测距精度高，适用于长输电线路。

（2）单端阻抗法与双端阻抗法的比较。单端阻抗法在实际工程应用中，其费用较低，不受通讯条件的制约，但存在原理误差，无法消除过渡电阻及受端系统阻抗之影响。而双端阻抗法不存在原理性误差，但需要相关通讯手段，且存在采样不同步的问题。

（3）阻抗法和行波法的比较。阻抗法投入小，可靠性高，但其测距精确度却低于行波法，行波法的投入大，精确度较高，但存在识别故障点反射波的问题，并在近区存在“死区”问题。

4 结束语

输电线路的故障测距取得了许多很有价值的研究，但仍有大量的工作需要进行。每种算法都有其自身的优缺点，结合多种算法，达到优势互补，以实现精确测距的目的。此外，智能化测距方法研究也给输电线路故障测距带了新的前景。多回线和多端线路的故障测距也是一个很重要的研究方向。

参考文献

[1]葛耀中.新型继电保护与故障测距原理与技术[M].西安：西安交通大学出版社，1996.

作者简介：王海波（1978-），男，北京怀柔人，本科，国网北京怀柔供电公司工程师，主要从事配电网相关工作。