基于三维模型的输电线路耦合故障定位

郝剑 霍敏 张景沛

摘要：由于输电线路在输送电过程中会翻越山区，产生的导线垂弧比较大，导线会受到风吹舞动或位置偏移，很容易引发输电线路出现短路。输电线路发生短路故障时，如果不采取相应的解决措施来消除故障，那么故障产生的电弧就很难自动熄灭，从而造成配电网停运的后果。由于配电网输送电时的传输功率比较大，输电线路发生故障会对整个输电系统造成一定冲击，因此为了确保输电系统的可靠运行，必须及时发现故障产生的位置，便于尽快消除故障。对于输电线路故障定位实验，相关学者做了大量研究。

关键词：三维模型;输电线路;耦合故障定位

1 输电线路多脉冲源耦合故障定位方法设计

1.1 识别输电线路多脉冲源耦合故障

采用窗口三维扫描分析多脉冲源耦合故障信号，可以实现在局部范围内故障信号的观察，时频域内的多脉冲源耦合故障窗口越小，说明故障信号的处理精度越高，因此通常在时频域的相互制约下完成输电线路多脉冲耦合故障的识别。

1.2 计算输电线路多脉冲源的去耦合

输电线路多脉冲源在传播过程中会产生电磁耦合，耦合行波分为线路传播和大地传播，每一相输电线路中多脉冲源的波动方程都不是单独的，为了实现对多脉冲源某一独立分量的分析，提高故障定位的精度，需要对输电线路多脉冲源的耦合故障进行去耦合计算。

从频域方面来讲，由于输电线路多脉冲源耦合的存在，输电线路的波动方程不再是独立的，需要通过三维扫描模型将多脉冲源耦合故障分解成独立的分量。将系数矩阵进行特征向量的求解计算，实现系数矩阵的对角化。

1.3 输电线路多脉冲源耦合故障的定位

采用三维扫描模型分析多脉冲源耦合故障的定位流程，可以提高故障的定位精度。基于以上输电线路多脉冲源的去耦合计算，确定了输电线路多脉冲源耦合故障定位流程的核心思想是：在输电线路某一个节点处识别到的多脉冲源耦合故障状态，并不能判断出是这一个节点自身发生的多脉冲源耦合故障，还可能是这一节点的耦合故障报警是由传播能力大的节点通过耦合故障传播导致的。因此采用三维扫描模型来实现输电线路多脉冲源耦合故障的定位。

输电线路多脉冲源耦合故障区域的划分主要负责从故障识别中获取多脉冲源耦合故障CF（Coupling Fault），具体步骤如下：

步骤 1：多脉冲源耦合故障集合初始化。

将识别到的耦合故障节点加入到故障集合中，从耦合故障集合中选择一个节点进行反向搜索，确定识别到的耦合故障节点是否已经被搜索，如果没有被搜索，则设置起始节点并标记;否则要重新选择一个没有被搜索的耦合故障节点。

步骤 2：搜索多脉冲源耦合故障传播路径。

通过三维扫描模型反向搜索可以得到该耦合故障节点的传播路径，搜索当前耦合故障节点存在传播影响的节点，令耦合故障节点为 R，判断耦合故障节点是否被搜索，如果耦合故障节点没有被搜索，则把该耦合故障节点加入到传播路径集合中并记录，将已经被搜索的耦合故障节点标记成已搜索。

步骤 3：判断耦合故障节点是否满足回溯条件。

重复步骤 2，直到耦合故障节点不存在传播趋势，如果耦合故障节点已经被搜索，说明存在故障影响的耦合故障节点已被搜索，如果没被搜索，则搜索出其他故障传播路径对应的耦合故障节。如果所有的传播路径和耦合故障节点都被标记为已搜索，那么就回溯到上一个耦合故障节点。

步骤 4：判断是否结束当前搜索。

重复步骤 3操作，直到回溯到初始化節点，判断周围耦合故障节点是否有搜索标记。

步骤 5：判断是否结束耦合故障划分。

判断耦合故障节点是否全部被搜索过，如果没有则返回步骤 2;如果确定被搜索，将所有耦合故障节点的传播路径都存入耦合故障 CF（CouplingFault）中，完成耦合故障区域划分。

步骤 6：判断耦合故障区域大小。

步骤 7：预测耦合故障传播路径。

步骤 8：输出结果。

在所有耦合故障集合中搜索出预想耦合故障源节点并记录传播路径，完成多脉冲源耦合故障的定位，输出故障定位结果。

综上所述，采用三维扫描模型实现多脉冲源耦合故障信号在时域和频域之间的切换，通过分割多脉冲源耦合故障的时间尺度，将多脉冲源耦合故障信号分解，利用耦合故障信号受到时频域的相互制约作用，完成输电线路多脉冲耦合故障的识别;由于输电线路多脉冲源在传播过程中会产生电磁耦合，采用三维扫描模型来分析多脉冲源的某一独立分量，利用输电线路多脉冲源系数矩阵对角化处理方程，得到了输电线路多脉冲源耦合故障的波动方程，完成了输电线路多脉冲源的去耦合计算;昀后通过输电线路多脉冲源耦合故障定位流程的分析，实现了基于三维扫描模型的输电线路多脉冲源耦合故障的定位。

2 实验对比分析

为了提高多脉冲源耦合故障的定位精度和效果，设置实验，实验采用包含发射机、接收机以及传感器等在内的多种设备来完成。

故障定位实验主要验证定位方法获取的故障位置信息与实际故障位置之间的误差，缩小定位误差即提高故障定位精度。在实验开始前在输电线路中选择同一位置的多脉冲源耦合故障，采用本文基于三维扫描模型的故障定位方法，来获取多脉冲源耦合故障的位置信息。实验的具体操作步骤如下：

步骤 1：选择同一条输电线路，确保多脉冲源故障与电源之间的距离为 2km，且输电线路的电线不会被风吹动，避免电路短路。

步骤 2：将故障定位传感器安装在输电线路中，排除环境因素对实验结果的影响。

步骤 3：采用接线盘分别连接故障定位传感器和发射机。

步骤 4：让多脉冲源耦合故障源发出故障信号，接收机接收耦合故障定位信号。

步骤 5：将多脉冲源耦合故障定位数据整理并记录，利用统计学原理完成数据的统计与分析。

3 结束语

由于输电线路会在地理条件恶劣的环境下穿越，复杂的气候条件容易使输电线路发生断线故障，而雷电的发生也增加了输电线路短路故障发生的几率。由此本文提出了基于三维扫描模型的输电线路多脉冲源耦合故障定位。

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