单端行波法应用于输电线路故障测距的研究

1、江西电力第卷年第期摘要：单端法是利用电压及电流行波进行线路故障测距的方法，通过测量故障产生的行波在故障点及母线之间往返一趟的时间来计算故障距离，并对单端行波法各种计算方法的理论基础和应用条件逐类进行了分析、对比和讨论，在此基础上总结得出了各测距算法的优点及存在的问题，指出了每种算法的适用范围和应用局限性，对影响行波法测距精度的因素也做了分析。最后，对输电线路故障测距的研究及应用前景进行了展望。关键词：故障测距；单端行波法；输电线路中图分类号：文献标识码：，：；单端行波法应用于输电线路故障测距的研究崔志伟，杨锋，张熹，邢洁（华中科技大学水电与数字化工程学院，湖北武汉）文章编号：（）收稿日期：作者

2、简介：崔志伟（），男，华中科技大学水电与数字化工程学院硕士研究生，研究方向为电力系统仿真。引言输电线路是电力系统的重要组成部分。随着电网建设的发展，高电压、长距离、大容量输电线路以其可靠性和经济性得到了广泛的应用，电力系统输电线路的故障情况也呈逐年增长趋势。线路一旦发生故障，必须在第一时间确定故障发生的地点，并在最短时间内恢复电网的正常运行，以减少故障造成的损失。由于线路架设环境和故障情况的复杂性，传统人工巡线的方式进行故障定位效率低、时间长、劳动强度大。准确的故障定位方法，对于减少停电时间、降低经济损失、保证电网安全可靠运行有着极为重要的作用。因此，研究行波法输电线路故障测距方法，有着重要的

3、经济效益和社会效益。故障测距方法故障分析法故障分析法是利用故障时检测到的电压电流，通过分析计算，求出故障点的距离。文献提出了故障录波数据集中分析的专家系统，并给出了实用的联网方案，从而解决了不同型号录波器的联网和数据传送问题。阻抗法阻抗法建立在工频电气量的基础上，根据故障时测量到的电流电压而计算出故障回路的阻抗，通过建立电压平衡方程，利用数值分析方法求解得到故障点和测量点之间的电抗，由此可以推出故障的大致位置。行波法行波法的原理是当输电线路发生故障时，将会产生向线路两端以接近光速传播的电流和电压行波。通过分析故障行波包含的故障点信息，计算出故障发生的位置。文献对行波的特性及其传播方式及行波的色

4、散都做了详尽的介绍。前种算法都是基于工频量的故障测距方法，这类方法的优点是简单经济，缺点是易受到系统阻抗和故障点过渡阻抗的影响，而导致故障测距精度的下降，可靠性和准确性不高，有待进一步发展。行波法与这种方法相比有测距时间短，测距精度高，适应范围广的优点。目前这种测距方法正得到广泛的应用。单端行波法故障测距行波法故障测距是基于输电线路分布参数，直江西电力第卷年第期接利用故障产生的暂态行波信号并对其进行分析和计算而得到故障发生位置的方法。根据线路模型，测量电量及测量手段的不同，行波法可以分为单端测距和双端测距种。双端行波法是根据故障点产生的行波向两侧母线运动，到达两侧母线的时间差来判断故障位置，理

5、论上可靠性较高。文献提出了基于小波变换的同杆并架双回线的双端行波测距算法，可有效的提取同杆并架双回线的故障行波特征并消除行波色散对测量精度的影响，同时解决了如何定义行波到达时间和选取行波传播速度的问题。文献则是利用小波变换提取的行波特征点的位置来确定行波到达的时间，提出了行波的传播速度由输电线路的结构参数及相应小波变换的分析尺度来确定双端行波测距的新的方法。新方法测距精度高，结果准确且受到的影响因素少。双端故障测距算法需要解决双端信息采样的同步问题。数据采样的同步偏差会导致较大的测距误差，一旦出现短时失步、卫星信号调整、天线干扰等情况，将导致时钟信号失真，从而无法保证同步精度。单端行波法是根据

6、故障点产生的行波到达母线后反射到故障点，再由故障点反射到达母线的时间差等方法来测距。原理如下：图单端行波法测距示意（）!（）（）! （）如图所示：为故障距离；为线路总长度；，分别为故障初始行波到达端母线测量点及从故障点返回测量点的时间。为经故障点透射过来的故障初始行波浪涌在端母线的反射波到达端母线测量点的时间；为行波传播速度。线路上发生故障后，在故障点会产生向线路两端传播的暂态行波，暂态行波在母线及故障点产生反射和透射，当暂态行波到达检测母线时会产生突变。暂态行波在线路上有固定的传播速度，根据行波在线路上的传播时间和传播速度，即可得到故障点与检测母线之间的距离。单端行波测距的关键是准确识别来自

7、故障点和对端母线的反射波，得出行波第次到达测量端与其从故障点反射回到测量端的时间差，并包括故障行波分量的提取。与双端测距法相比，单端法的成本至少可以节省一半，不需要时标系统及双端通信设备，测距简单，并可以满足测量精度的要求。其发展方向是研制自动设备依靠计算机辅助识别故障行波波形来计算故障距离。单端行波故障测距算法传统的测距算法有求导数法，波形相关法，匹配滤波器法，主频率法和小波分析法等。求导数法求导数法是根据反向行波信号到达检测点所呈现的突变性质，突变点的导数将出现极大值，利用其一阶或二阶导数绝对值是否超过设定的阈值来检测行波到达母线时刻。捕捉到初始行波后，不断检测反向行波的一阶导数是否超过阈

8、值，由此来判断故障点的反射波是否到达母线。该方法比较简单，容易实现，但对噪声干扰极为敏感，不加分辨地检测所有的突变点，无法区分噪声和行波信号。当行波中含有高频分量时效果较好（近距故障）。对于远距离故障存在测距不准确，测距精度不高的缺点。相关法线路发生故障后，在检测母线处观测到第一个正向电流行波（）（正方向为从母线到线路），（）在故障点处反射后产生的向检测母线运动的行波称为第二个反向电流行波（）。（）和（）的关系是：（）（! ）（）其中为故障点的电流行波反射系数相关法的基本原理是：以第一个正向电流行波为参考信号，不断计算与反向电流行波的相关函数值，当相关函数出现极大值时表明第二个反向电流行波（）

9、到达检测母线，相应的时延为! 。（）和（）在时延! 时具有较强的相关性。（! ）（）（! ）（）由此确定故障距离为：! !（）上述种方法是典型的时域分析法。优点是方法简单，易于实现，缺点是由于噪声存在和波的叠加等因素影响了有效波的提取，从而使得测距不准确。匹配滤波器法匹配滤波器法建立在相关法基础之上，利用方向行波电流，解决相邻母线反射波的影响，同时对行江西电力第卷年第期波信号进行带通滤波，保留行波信号中主要的高频成分，以满足相关法的条件。通过使用高通滤波器来提取行波波头分量以提高测距可靠性，并已在实际中得到应用，但其测距结果依然受母线端所连输电线数目因素影响。主频率法主频率法的基本思想是当输电

10、线路发生故障后，行波信号中的主要频率成分将是故障距离的函数，其公式为：!（）其中，为主频率，为故障距离，为行波波速，故障距离由信号中最强谱频率分量决定。但在实际使用中，由于测量端检测到的行波成份复杂，除了故障点反射波，还有对端母线反射波和相邻母线反射波，而该方法无法区分这些行波的具体性质，因此该方法不能直接用于现场。小波分析法输电线路发生故障后的暂态行波具有突变性和奇异性。由于全频域分析方法傅里叶变换在时域上无分辨率，不能刻画出行波到达时刻及在该时刻的行波幅度大小和极性。传统的时域检测和分析方法如（微分法、相关法）也不适合，因为它们受噪声及线路参数频率特性的影响较大。小波分析法的主要特点是能够

11、同时在时域和频域考察行波信号的变化规律，能够“聚焦”到信号的任意细节，捕捉信号的奇异点。样条小波的二进制小波变换模极大值的位置与信号的突变点变化一致，标志着行波到达检测点。任一尺度下的小波变换模极大值表示了在该尺度下所对应的频带的信号强度，因此可用它提取故障特征。当电力系统发生故障时，其暂态行波不仅是距离的函数，也是频率的函数。对于这样的问题，可采用小波分析的方法解决。小波分析作为一种新的数学工具，在时域、频域同时具有良好的局部化性质，可根据信号的不同频率成分在时域和空间域自动调节取样的疏密，具有多分辨率的特点，可由粗及精逐步观察信号。利用小波变换具有良好的消噪功能和分频特性，可以快速准确地提

12、取行波信息：行波的故障测距利用波头到达时刻计算故障距离，而小波变换的模极大值与信号的奇异点对应，因此利用小波变换可对行波波头进行准确的定位，从而保证了测距结果的精度。在此基础上，文献提出对行波信号进行消噪是提高测距可靠性的重要手段，并提出利用行波与噪声多尺度奇异性检测结果的不同可实现行波信号的消噪，还可利用初始方向行波模极大值的作为浮动门槛对信号噪声做进一步消除，从而进一步提高了测距精度。与相关方法相比根据行波信号在小波变换下的模极大值实现行波故障测距的小波变换法，能提高判定行波到达时刻的可靠性和准确性，能提高判定的抗干扰能力和灵敏度，有广泛的适应性。小波变换用于行波故障测距的研究结果表明，利

13、用小波变换的行波测距精度已达左右，具有良好的发展前景。结合现场运行经验，文献指出小波变换在行波故障测距中的应用研究必须与实际故障或重合闸产生的暂态波形相结合，以真正发挥其优越性。单端行波法存在的问题纵观上述各种故障测距算法，单端行波法精度主要受母线端接线，短路接地电阻，型线路结构，以及故障位置的影响。文献中详细分析了影响单端行波法测距精度的各种主要因素，同时指出对单端行波测距而言，一些线路结构和故障情况下无法进行单端行波测距，单端行波测距法还存在测距死区问题。用单端法进行测距需要结合阻抗法进行联合单端测距，在单端行波法失效的情况下以阻抗法的测距结果作为补充，才能弥补单端行波法和单端阻抗法的不足

14、，实现精确故障定位。由于行波在特征阻抗变化处的折反射情况比较复杂。非故障线路并不是理想状态的“无限长”由测量点折射过去的行波分量经一定时间后又会从测量点折射回故障线路，使行波分析和利用单端行波准确故障测距有较大困难。结论综合上述基于工频量和单端行波的多种故障测距算法，以及分析比较了各种算法的优缺点和适用范围，我们不难发现，各种故障测距算法在实际应用中还存在的种种问题，故障测距理论还需要进一步研究和突破。对故障信息的深入研究和充分利用是发掘故障测距新原理的基础，小波变换和人工神经网络在故障测距中的应用具有良好的发展前景。参考文献：陈长德，张保会故障录波数据集中分析与专家系统中国电力，（）：（下转

15、第页）江西电力第卷年第期（上接第页）!覃剑，陈祥训，郑健超行波在输电线上传播的色散研究中国电机工程学报，（）：，覃剑，黄震，邱宇峰，等基于小波变换的同杆并架双回线双端行波故障测距电力系统自动化，（）：覃剑，陈祥训，郑健超，等利用小波变换的双端行波测距新方法中国电机工程学报，（）：董杏丽，葛耀中，董新洲，等基于小波变换的行波测距式距离保护原理的研究电网技术，（）：董杏丽，葛耀中，董新洲测距式行波距离保护的研究（二）原理方案与仿真试验电力系统自动化，（）：董新洲小波理论应用于行波故障测距研究西安：西安交通大学，陈平，徐丙垠，李京，等现代行波故障测距装置及其运行经验电力系统自动化，（）：覃剑输电线路

16、单端行波故障测距的研究电网技术，（）图相位差测量程序在上述基础上开发测量单相交流电路功率的虚拟仪器也非常简便，采用编写的测量单相交流电路功率的虚拟仪器如图、图所示。图单相功率测量仪前面板图单相功率测量程序对各种电气参数进行在线监测，也可以采用虚拟仪器。而且将虚拟仪器用于电气参数的在线监测时，可将设备的状态采样数据通过网络直接送到中心站进行分析处理和状态诊断，然后将诊断结果通过网络向用户发布。虚拟仪器同样可以用于各类试验室中的电气参数测试，代替大部分昂贵的测试设备，并可实现对试验室中的各类试验设备进行高度的自动化控制。从以上的例子可看出，虚拟仪器与传统仪器相比具有明显的优点，开发周期明显缩短而且造价明显降低。虚拟仪器的硬件主要是传感器、数据采集卡及计算机系统，在确保传感器、数据采集卡精度和计算机系统稳定可靠的前提下，基本不存在类似传统仪器的硬件损坏和元件温漂等方面的问题，其测