高压输电线路故障定位综述

张光益 张鹏宇 方曦

贵州电网公司 贵州贵阳 550000

高压输电线路是我国电力运输系统的重要组成部分之一，负责向各地输送电能。故障定位的速度和准确度影响输电线路的抢修、恢复供电的速度以及决定停电造成的各种损失，保障电力系统的安全运行。因而，电力学者们的研究重点是故障定位问题[1]。

高压输电线路由于高电压以及远距离两个特点，在输送电能、连接电网及电气设备的工作中承担主要责任，其不仅是电网的主干网架，更保障着电力系统平稳运行。与此同时，最容易产生故障的线路也是高压输电线路[2-4]，其大多途经恶劣的自然环境，且分布距离广，在这种条件下，风偏、覆冰、雷击、树枝短接等均可能是导致输电线路的短路故障的原因。现场巡线排查输电线路遇到的困难主要有以下两个方面：一方面，有交通方面导致的巡检困难；另一方面，输电线路受到的破坏或者故障位置较难发现时，现有装置难以立即发现具体故障线路位置。故障定位的速度以及准确度不仅能对线路排查工作进行指导，加快巡线工作的效率，还可以检查出薄弱环节和潜在隐患。因此，输电线路故障定位技术的应用极大提高了工作人员的巡线效率，减免了供电故障造成的问题以及损失，这项研究的进步能够带来明显的经济效益和社会效益[5-6]。

输电线路故障定位的定义是，在线路突发故障时，利用电压、电流以及行波信号之间的数学关系计算得出参考点与实际故障点的距离差。目前应用较为广泛的故障定位算法可根据测距原理分为：故障分析法、行波法和智能化测距方法。

接下来，本文将根据测距原理对上述三种方法进行分析和综述。第一节为引言，介绍了研究高压输电线路的必要性。第二节为高压输电线路故障分析法故障定位，介绍了故障分析法的原理及其分类。第三节为高压输电线路行波法故障定位，根据测距原理对行波法进行分类阐述其原理以及优缺点。第四节为高压输电线路智能化测距法故障定位，提出了故障定位与智能算法的结合的趋势。第五节为研究建议与设想，针对高压输电线路故障定位研究，提出了建议与设想，并探讨了进一步的研究方向。

1 高压输电线路故障分析法故障定位

故障分析法的原理是根据故障回路的电流、电压列出方程式，再根据方程得出故障距离[7]。其中，阻抗法在实际应用中比较常见，其原理是在特定条件下(不计电导和分布电容)，选定的测量点与实际发生的故障点之间的距离与阻抗成正比，根据采集的电压和电流数学关系可计算具体阻抗值，由此实现故障定位[8]。该方法原理简单，硬件成本低，但在实际应用中，存在精度低、不能准确定位的缺陷。根据实际所需的信息量，故障分析法可分为单端电气量法与双端电气量法。

单端故障测距法原理是采集线路单侧的电流、电压量，再参考其他参数来实现故障定位。其最大优势是无须传输对侧的电流、电压数据，不受通信条件的限制。单端测距算法可分为解微分方程法[11]和基于单端工频电气量法。在实际应用中，基于单端工频电气量法中被广泛应用的方法有以下几种，如工频阻抗法、故障电流相位修正法、解二次方程法、解一次方程法和对称分量法等[9-13]。单端电气量故障分析法对通信技术方面的要求不高，也不需要同步两端的电压和电流。但其在原理上存在一定缺陷，系统运行方式、过渡电阻影响测距精度，限制了单端测距实际应用。

参考文献[14]、[15]于1988年提出了双端量故障分析法。该方法利用故障线路两侧的电压、电流信息构造测距方程，避免了测距精度受到过渡电阻的限制。其中，线路两侧信息传输主要使用同步法和非同步法。同步法是使用GPS技术同步两端的电压、电流相量[15-16]，得到故障距离解析解。该方法根据输电线路的分布参数模型和集中参数模型，可分为一端电压两端电流法、两端电流电压法。此方法技术上较为复杂，硬件要求、成本较高。非同步法的原理是通过建立同步故障定位算法[17-19]，研究故障前一侧线路的电流、电压或正、负序电气量之间的关系，该方法虽无须同步两端测量数据，但其计算比较复杂。参考文献[20]提出了一种优化的同步法，考虑了时间同步问题以及分布电容对测距精确的影响，但该方法计算耗时，需求解超越方程。参考文献[21]提出了一种混合故障测距方法，该方法能够结合系统阻抗信息与暂态方程，但其适用场景较为局限，仅适用于在过度阻抗小于30Ω的情况下，即当配网故障时，测距精度才比较可靠。参考文献[22]针对由于参数误差造成的测距结果不准的情况，提出了一种仅需采集故障发生后几毫秒内的数据就可计算出故障距离的方法。虽然许多学者对故障分析法进行了优化和改进，但由于其原理上的弊端，导致测距精确度受到多方面外界条件的影响。

2 高压输电线路行波法故障定位

随着行波传播规律研究的发展以及日渐成熟的计算机技术，行波法在理论研究和实际应用上有了长足的进步。行波法的原理是在故障电流或电压行波传播时，分析行波时间和传输距离的关系，实现故障距离的测定。行波法分为单端行波法、双端行波法，其具有准确度高；稳定性好；适应性强；不考虑系统运行方式、故障类型和过渡电阻等优势。无论是在理论上原理的完备性，还是实际应用效果都优于故障分析法。但是，该方法在实际应用中仍存在着许多问题，例如，如何区分对端母线反射波以及故障点发射波；如何实现反射波的标定和识别；故障行波不明晰，无法检测信号的奇异点；存在测距死区等情况。根据测距原理，行波法主要分为六种类型，A、C、E和F型属于单端行波法，B、D型属于双端行波法。行波法分类以及基本原理如下表所示。

行波法基本原理分类表

单端行波法原理是求解初始行波到达测量点的时间与对端母线的反射波到达时间或者故障点的时间差值[23]，由此计算实现故障定位。目前的常用方法主要有导数法[24]、波形匹配法[25]、相关法[26-27]、小波变换法[28-29]、主频率法[30]等。

双端行波法是通过行波达到初始时刻，由测距方程算出实际发生故障点到两端的距离。其更多应用于远距离线路故障定位[31]，具有故障定位准确度高、可靠性强等优势[32]。但是其成本高于单端法[33]，由于需要双端通信通道以及GPS同步时钟，同时还需在线路两端安装行波检测设备。

单端行波法会受到线路结构的影响，线路越复杂，检测结果的可信度越低。双端行波法检测结果的可信度比单端法更高，这是因为其只须利用行波头初次到达时间，无须发射行波的波头到达时刻。

3 高压输电线路智能化测距法故障定位

近年来，随着人工智能理论不断发展，更多相关算法被应用于故输电线路故障定位算法的研究中。智能化测距方法通过智能算法寻找特征量和故障距离这两者之间的数学关系，对故障数据集进行学习，实现故障定位预测。目前，用于故障定位的算法理论主要包括模糊理论[34]，人工神经网络[35-37]、模式识别技术[38]、卡尔曼滤波技术[39]、概率与统计决策法等[40]，其中模糊理论和人工神经网络被广泛应用。故障特征[41]则通过软件模拟(如Matlab、PSCAD和ATP-EMTP等)的方法提取，该方法可以将新的故障案例添加到故障分类器的训练集中进行训练。相较于其他故障定位方法，智能化测距法的优势在于通过研究多种故障特征量即可实现故障定位，不受数学模型以及对故障暂态过程的分析的限制，并且其定位准确度受系统运行方式、故障类型、过渡电阻等影响小。

目前的智能化测距方法大多是与上述测距方法相结合。参考文献[42]提出了一种将蛙跳粒子群和故障分析法结合的算法。参考文献[43]提出了一种局限于输电线路完全对称的条件下，结合蚁群算法进行故障测距。参考文献[44]引入小波变换算法、遗传算法以及神经网络算法，结合单端行波法进行故障定位。参考文献[45]和[46]采用人工神经网络算法进行故障定位。然而，智能化测距方法在受到故障阻抗、故障电流、故障点等因素的影响时，难以得到精确度较高的测距结果。若要提高结果的精确度，就需要对模型进行大量训练，并且对训练样本数据集的要求也较高。目前，智能化测距法还存在许多问题，如收敛速度慢、学习效率低、不能保证结果收敛到全局最小等局限性等。因此，智能化测距算法还需要进一步的优化与完善。

4 研究建议与设想

由上述分析可知，故障分析法存在原理层面的固有缺陷，在测距精确度上有所欠缺。行波法也存在精确度以及经济性的问题，智能化测距方法则受到硬件内存以及故障样本数据集的限制。在此建议今后的研究工作可面向以下几个内容进行推进：

(1)研究提高行波测距法的鲁棒性。众多故障定位算法中，由于行波测距法相较于其他算法的优点在于不受系统运行方式、过渡电阻的等限制，故进行优化和改进的高压输电线路故障定位算法研究，解决其精度低、适应性差的问题具有重要理论意义和应用价值。

(2)实现混合型故障定位算法的应用。将现有故障测距方法与智能算法相结合，从而解决目前故障定位存在的算法可靠性低、适应度差等问题。

(3)加强特殊输电线路故障定位的相关研究。如同杆双回输电线路、多分支输电线路、单双混合型输电线路等。

结语

本文根据故障定位原理，对现有故障定位方法进行了较为全面的综述，归纳整理了故障分析法、行波法以及智能测距法的基本原理，并指出上述方法的优缺点以及应用现状，提出了开展高压输电线路故障定位研究的几点建议与设想，并探讨了进一步的研究方向。