电力线路故障测距方法综述

王瑞芳 吴志刚

（1.呼和浩特供电公司 内蒙古呼和浩特 010000；2.内蒙古呼和浩特抽水蓄能发电有限责任公司内蒙古呼和浩特 010000）

随着社会的不断发展进步，各种前沿科技日新月异，但是，所有这些都离不开电力这个能源基础。为了能够更好地服务社会、服务人民，供电的安全性稳定性变得愈加重要，那么，如何使电力系统少发生故障、如何在发生故障后尽快锁定故障点并及时处理成为该领域重点关注的问题。随着城市化进程的加快，架空线路渐渐被电缆线路取代，接线形式也越来越复杂，原本依靠人工巡线寻找故障点的方法已经难以满足需求，取而代之的是各种自动化设备。目前，特别是对于35kV及以上电压等级的电力线路，主要是通过距离保护来实现故障情况下的快速反应和故障测距，切除故障设备，找到故障点。但是，在实际故障中，经常会发生不同的二次设备给出的故障测距存在偏差，很难准确获得故障测距，这往往给故障排除增加了难度。

基于这种情况，本文对目前主要的电力线路故障测距方法进行了系统性的归纳整理，针对每种故障测距方法，进行了优、缺点汇总，在此基础上，重点分析了几种改进型的故障测距方法，以及各种方法所适用的接线方式。

1 故障测距方法分类

目前，电力线路故障定位的方法按原理不同大致可以分为3 种：故障分析法、行波法和智能测距法，如图1所示，每种方法各有其特点。

图1 故障测距方法分类

1.1 故障分析法

故障分析法是通过采集故障点的电压和电流，同时，结合故障线路上其他参数，列写方程式进行分析求解，最终得出故障点到参考点之间的距离值。该方法的本质就是短路电流计算法反向应用，按照测取的电气量来自一端还是两端，又可以细分为单端故障分析法和双端故障分析法。这种方法简单、易于实现，无需其他辅助设备，具有较好的经济性，因此，在实际工程中应用广泛。但是，由于故障情况下电气量较多，且因为运行方式、助增电流、过渡电阻及沿线路方向各点电气量存在变化，而且测取双端电气量时还涉及到两侧的取值同步与否等问题，使得实际计算结果与故障点之间差距较大。

1.2 行波法

行波法是基于行波传输理论提出的，其原理是故障点的电压、电流行波在线路中传播，当遇到两侧波阻抗不同时，电压电流行波会发生折、反射现象，利用这种特性，结合原有参数，可以得到故障点的位置。行波法分为A型、B型、C型、D型、E型和F型6种，其中，A型、C型、E型和F型为单端行波测距法，B型、D型为双端行波测距法。行波法的测距精度较高，而且不受过渡电阻和系统运行方式变化的影响，是目前主流的故障测距方法。但其仍然存在一些问题，需要进一步探索，例如，由于采样频率高，行波测距装置很难准确识别反射波的波头等。

1.3 智能测距法

智能测距法是随着智能算法和应用技术的进步而出现的，近几年，越来越多的研究人员将该方法应用到线路故障测距中。余晓等提出基于循环神经网络的双端行波故障测距方法，该方法利用仿真手段建立了一个故障情况下电气量的样本集合，使得循环神经网络模型不仅对各种故障下电气量的特征有了深层次的学习认识，还能做到提前预测，从而实现高精度的故障测距结果。黑嘉欣重点研究了基于堆叠式降噪自编码器与迁移学习而开展的柔性直流输电线路故障测距，通过仿真，获得了较好的定位结果。智能测距法正在逐步探索实现更加准确的故障测距和精确的故障定位，但是，就目前阶段而言，离实际使用还有一段距离。

2 改进型故障测距法

2.1 多端综合组合测距法

对于地域广阔、用户居住较为分散的地区，变、配电系统的结构不再是单一的辐射式供电网络，多存在T 型接线或∏型接线形式，使得一路出线上往往会带有多路分支出线。在这种网络结构型式下，变电站装设的保护也必须能够快速动作，同时，还能够准确提供故障点位置，确定是变电站内故障还是变电站外故障，缩短故障查找的时间，缩小故障查找的范围。

多端综合组合法快速定位所依据的方法原理是：对于任一故障而言，故障定位可以分两个层级逐步实现，首先进行故障区段判别，然后进行故障类型、相别及距离的测定。而复杂接线型式的故障点快速定位也是依据这样的原理发展来的，在此基础上，需要综合多端信息进行分析完成。该方法由故障定位终端和后台两部分综合实现，故障定位终端安装于变电站的线路出口处和分支出线与主干线路的连接点处，其主要作用就是采集故障发生时的电压、电流等多种电气量的数值及方向信息，同时，将有用的电气量传送给后台，为快速确定故障所在区段提供依据。确定故障区段后，再根据故障发生区段，选择对应的故障测距方法进行组合分析，针对性地采用单端阻抗法或双端行波法等故障测距算法，进而获得准确的故障测距，为变电站值班人员上报故障信息提供了更加准确的数值。

2.2 基于负序电流抑制策略的单端故障测距法

故障分析法按照采集的故障信息来自一侧还是两侧又分为双端故障测距和单端故障测距。基于负序电流抑制策略的单端故障测距法具有故障分析法的典型优点，它直接利用故障线路的故障录波装置提取数据，经济性好，加之只需要单端数据实现分析计算，原理简单，且规避了数据同步和通信技术引发的问题，对于单侧电源的线路比较友好。但是，实际的电力系统结构更为复杂，特别是对于交直流输电系统或交流多区段混合线路，通过配置负序电流抑制策略的模块化多电平换流器，使得复杂网络下的单端故障测距精确化成为了可能。

对于交直流混合输电系统，以发生单相接地故障时为例，系统中临近故障侧的具有负序电流抑制策略的模块化多电平换流器迅速作用，将输出的负序电流拟制到接近于0，此时的负序阻抗可以近似为无限大，使得近故障端母线的故障电流只包含正序电流和零序电流。而另一端母线的故障电流包含正序电流、负序电流和零序电流，两端母线电流所包含的序分量产生明显的区别，近似成了一个单端负序网络，因而通过单端电气量即可获得准确的故障测距。相间短路故障和三相短路故障时的分析原理相同。该方法的应用使得故障两端母线的故障电流所包含序分量有所不同，实现了单端电气量实现测距，且无须分两步测距，测距精度高、抗过渡电阻能力强，无论是对于单一均匀线路，还是多区段混合线路，都具有通用性。

2.3 改进型双端不同步测距算法

相比于依靠一侧故障信息获得故障测距的单端测距算法，以两侧故障信息为依托的双端故障分析测距的精度更高，且不受过渡电阻和系统运行方式影响。随着通信技术的大幅提升，两侧电气信息几乎可以同步采集，但是，硬件固有的输入、输出时间消耗成为了两端故障量无法同步的主要矛盾，因此，两端不同步测距算法具有更加现实的研究与应用前景。

通过研究一般的双端不同步测距算法可能存在伪根导致测距失败的原因，提出了一种基于电力线路分布参数模型的双端不同步故障测距法。该方法利用电压正序分量和电压负序分量的比值，或电压在正常运行状态下正序分量和故障状态下正序分量的比值去除不同步角，然后根据相位单调性得出测距方程，经运算后，可以准确地获得故障测距，因计算过程不会出现伪根，使得故障测距更加安全可靠。不仅如此，该方法对于复杂的同杆并架的双回线路也具有很高的应用性。针对T型电力线路T节点附近故障时存在测距死区的问题，采用了新的测距函数进行故障分支判断，利用测距函数幅值在故障支路单调递减且故障点过零而区别于正常支路、测距函数相位在故障支路单调且收尾相差约180°而区别于正常支路的这些特点，判断出故障支路，然后依据故障距离的解析表达式求得故障测距。该方法不但很好地消除了故障测距的死区，而且不用判断故障类型、计算方便、程序实现简单、运算速度快，可以推广到多端输电线路上。

2.4 基于时频原子分解法的双端行波法

随着电力系统的发展，T 型或是同杆并架双回线路这种复杂的输电形式也越来越常见，这使得故障类型更加多样，故障测距更加难以精确实现。所以，针对此类接线方式下的故障测距方法也成为重点研究的方向。

基于时频原子分解法的双端行波法对上述问题的解决表现良好。一般来说，行波法按照采集的故障信息来自一侧或是两侧可以分为单端行波法和双端行波法。而所谓的时频原子分解法，是将信号以一系列原子的形式进行线性展开，里面包含了信号的时域和频域信息，通过对分解后的原子进行分析来获得信号的相关信息。

基于此，可以采用新的相模变换矩阵，对发生故障的输电线路进行解耦，从行波中提取出线模分量，利用时频原子分解法进行分析，进而找出故障行波的奇异点，正确捕捉到行波的波头，这样便可计算出故障测距。这种引入时频原子分解法的双端行波方法具有测距准确，且不受过渡电阻和运行方式的影响的优点，对各种故障类型都能够达到很好的测距效果。

这种基于时频原子分解法的双端行波法很好地解决了故障行波波头难于识别和捕捉的问题，但是由于引入了大量的相模变换及时频原子分析法所带来的内积、复数等运算，这都在一定程度上减缓了故障识别和测距的计算速度，对于实际应用中可能会使保护装置的反应时间变长、无法以最快的速度提供测距，这也是一个值得进一步探究的问题。

3 结语

基于上述分析可以发现，无论是对于输电线路，还是配电线路，快速而准确的故障测距对实现故障点定位、故障排除都是十分重要的。本文就目前几种主要的故障测距分类进行了归纳总结，对每种故障测距方法的特点予以说明。在此基础之上，对几种改进的故障测距方法进行了详细论述。

针对地域环境复杂、接线形式多样的配电线路，可以采用综合组合的故障测距方法，分两步完成故障测距，提高准确度；对于存在直流系统接入的交直流混合系统，可以采用负序电流抑制策略，利用故障情况下两端负序分量的不同，将系统等效为单端情况进行故障量分析计算，无需分两步进行，使得实现过程简化；为了获得更加精确的测距，双端不同步故障测距法是个不错的选择，针对T型接线的复杂情况，提出了一种依据测距函数幅值与相位特性而判断故障支路，进而求解出故障测距，消除了T型接线故障测距的死区；在双端行波测距法的研究中，采用时频原子分解法正确捕捉行波波头，很好地解决了行波法实施中的关键难点，使得测距精度有了保障，但是，由于运算增多而导致的识别速度减慢却是一个不容忽视的存在。上述方法在仿真软件中均有很好的表现。几种改进的故障测距方法在各个方向进行着有益的探索，另外，计算机技术和智能算法的发展也为故障测距提供了更多更快、更好的方法。