王瑞芳 吳志剛

（1.呼和浩特供電公司 內(nèi)蒙古呼和浩特 010000；2.內(nèi)蒙古呼和浩特抽水蓄能發(fā)電有限責(zé)任公司內(nèi)蒙古呼和浩特 010000）

隨著社會的不斷發(fā)展進(jìn)步，各種前沿科技日新月異，但是，所有這些都離不開電力這個能源基礎(chǔ)。為了能夠更好地服務(wù)社會、服務(wù)人民，供電的安全性穩(wěn)定性變得愈加重要，那么，如何使電力系統(tǒng)少發(fā)生故障、如何在發(fā)生故障后盡快鎖定故障點(diǎn)并及時處理成為該領(lǐng)域重點(diǎn)關(guān)注的問題。隨著城市化進(jìn)程的加快，架空線路漸漸被電纜線路取代，接線形式也越來越復(fù)雜，原本依靠人工巡線尋找故障點(diǎn)的方法已經(jīng)難以滿足需求，取而代之的是各種自動化設(shè)備。目前，特別是對于35kV及以上電壓等級的電力線路，主要是通過距離保護(hù)來實(shí)現(xiàn)故障情況下的快速反應(yīng)和故障測距，切除故障設(shè)備，找到故障點(diǎn)。但是，在實(shí)際故障中，經(jīng)常會發(fā)生不同的二次設(shè)備給出的故障測距存在偏差，很難準(zhǔn)確獲得故障測距，這往往給故障排除增加了難度。

基于這種情況，本文對目前主要的電力線路故障測距方法進(jìn)行了系統(tǒng)性的歸納整理，針對每種故障測距方法，進(jìn)行了優(yōu)、缺點(diǎn)匯總，在此基礎(chǔ)上，重點(diǎn)分析了幾種改進(jìn)型的故障測距方法，以及各種方法所適用的接線方式。

1 故障測距方法分類

目前，電力線路故障定位的方法按原理不同大致可以分為3 種：故障分析法、行波法和智能測距法，如圖1所示，每種方法各有其特點(diǎn)。

圖1 故障測距方法分類

1.1 故障分析法

故障分析法是通過采集故障點(diǎn)的電壓和電流，同時，結(jié)合故障線路上其他參數(shù)，列寫方程式進(jìn)行分析求解，最終得出故障點(diǎn)到參考點(diǎn)之間的距離值。該方法的本質(zhì)就是短路電流計(jì)算法反向應(yīng)用，按照測取的電氣量來自一端還是兩端，又可以細(xì)分為單端故障分析法和雙端故障分析法。這種方法簡單、易于實(shí)現(xiàn)，無需其他輔助設(shè)備，具有較好的經(jīng)濟(jì)性，因此，在實(shí)際工程中應(yīng)用廣泛。但是，由于故障情況下電氣量較多，且因?yàn)檫\(yùn)行方式、助增電流、過渡電阻及沿線路方向各點(diǎn)電氣量存在變化，而且測取雙端電氣量時還涉及到兩側(cè)的取值同步與否等問題，使得實(shí)際計(jì)算結(jié)果與故障點(diǎn)之間差距較大。

1.2 行波法

行波法是基于行波傳輸理論提出的，其原理是故障點(diǎn)的電壓、電流行波在線路中傳播，當(dāng)遇到兩側(cè)波阻抗不同時，電壓電流行波會發(fā)生折、反射現(xiàn)象，利用這種特性，結(jié)合原有參數(shù)，可以得到故障點(diǎn)的位置。行波法分為A型、B型、C型、D型、E型和F型6種，其中，A型、C型、E型和F型為單端行波測距法，B型、D型為雙端行波測距法。行波法的測距精度較高，而且不受過渡電阻和系統(tǒng)運(yùn)行方式變化的影響，是目前主流的故障測距方法。但其仍然存在一些問題，需要進(jìn)一步探索，例如，由于采樣頻率高，行波測距裝置很難準(zhǔn)確識別反射波的波頭等。

1.3 智能測距法

智能測距法是隨著智能算法和應(yīng)用技術(shù)的進(jìn)步而出現(xiàn)的，近幾年，越來越多的研究人員將該方法應(yīng)用到線路故障測距中。余曉等提出基于循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的雙端行波故障測距方法，該方法利用仿真手段建立了一個故障情況下電氣量的樣本集合，使得循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型不僅對各種故障下電氣量的特征有了深層次的學(xué)習(xí)認(rèn)識，還能做到提前預(yù)測，從而實(shí)現(xiàn)高精度的故障測距結(jié)果。黑嘉欣重點(diǎn)研究了基于堆疊式降噪自編碼器與遷移學(xué)習(xí)而開展的柔性直流輸電線路故障測距，通過仿真，獲得了較好的定位結(jié)果。智能測距法正在逐步探索實(shí)現(xiàn)更加準(zhǔn)確的故障測距和精確的故障定位，但是，就目前階段而言，離實(shí)際使用還有一段距離。

2 改進(jìn)型故障測距法

2.1 多端綜合組合測距法

對于地域廣闊、用戶居住較為分散的地區(qū)，變、配電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)不再是單一的輻射式供電網(wǎng)絡(luò)，多存在T 型接線或∏型接線形式，使得一路出線上往往會帶有多路分支出線。在這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)型式下，變電站裝設(shè)的保護(hù)也必須能夠快速動作，同時，還能夠準(zhǔn)確提供故障點(diǎn)位置，確定是變電站內(nèi)故障還是變電站外故障，縮短故障查找的時間，縮小故障查找的范圍。

多端綜合組合法快速定位所依據(jù)的方法原理是：對于任一故障而言，故障定位可以分兩個層級逐步實(shí)現(xiàn)，首先進(jìn)行故障區(qū)段判別，然后進(jìn)行故障類型、相別及距離的測定。而復(fù)雜接線型式的故障點(diǎn)快速定位也是依據(jù)這樣的原理發(fā)展來的，在此基礎(chǔ)上，需要綜合多端信息進(jìn)行分析完成。該方法由故障定位終端和后臺兩部分綜合實(shí)現(xiàn)，故障定位終端安裝于變電站的線路出口處和分支出線與主干線路的連接點(diǎn)處，其主要作用就是采集故障發(fā)生時的電壓、電流等多種電氣量的數(shù)值及方向信息，同時，將有用的電氣量傳送給后臺，為快速確定故障所在區(qū)段提供依據(jù)。確定故障區(qū)段后，再根據(jù)故障發(fā)生區(qū)段，選擇對應(yīng)的故障測距方法進(jìn)行組合分析，針對性地采用單端阻抗法或雙端行波法等故障測距算法，進(jìn)而獲得準(zhǔn)確的故障測距，為變電站值班人員上報(bào)故障信息提供了更加準(zhǔn)確的數(shù)值。

2.2 基于負(fù)序電流抑制策略的單端故障測距法

故障分析法按照采集的故障信息來自一側(cè)還是兩側(cè)又分為雙端故障測距和單端故障測距?；谪?fù)序電流抑制策略的單端故障測距法具有故障分析法的典型優(yōu)點(diǎn)，它直接利用故障線路的故障錄波裝置提取數(shù)據(jù)，經(jīng)濟(jì)性好，加之只需要單端數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)分析計(jì)算，原理簡單，且規(guī)避了數(shù)據(jù)同步和通信技術(shù)引發(fā)的問題，對于單側(cè)電源的線路比較友好。但是，實(shí)際的電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，特別是對于交直流輸電系統(tǒng)或交流多區(qū)段混合線路，通過配置負(fù)序電流抑制策略的模塊化多電平換流器，使得復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)下的單端故障測距精確化成為了可能。

對于交直流混合輸電系統(tǒng)，以發(fā)生單相接地故障時為例，系統(tǒng)中臨近故障側(cè)的具有負(fù)序電流抑制策略的模塊化多電平換流器迅速作用，將輸出的負(fù)序電流擬制到接近于0，此時的負(fù)序阻抗可以近似為無限大，使得近故障端母線的故障電流只包含正序電流和零序電流。而另一端母線的故障電流包含正序電流、負(fù)序電流和零序電流，兩端母線電流所包含的序分量產(chǎn)生明顯的區(qū)別，近似成了一個單端負(fù)序網(wǎng)絡(luò)，因而通過單端電氣量即可獲得準(zhǔn)確的故障測距。相間短路故障和三相短路故障時的分析原理相同。該方法的應(yīng)用使得故障兩端母線的故障電流所包含序分量有所不同，實(shí)現(xiàn)了單端電氣量實(shí)現(xiàn)測距，且無須分兩步測距，測距精度高、抗過渡電阻能力強(qiáng)，無論是對于單一均勻線路，還是多區(qū)段混合線路，都具有通用性。

2.3 改進(jìn)型雙端不同步測距算法

相比于依靠一側(cè)故障信息獲得故障測距的單端測距算法，以兩側(cè)故障信息為依托的雙端故障分析測距的精度更高，且不受過渡電阻和系統(tǒng)運(yùn)行方式影響。隨著通信技術(shù)的大幅提升，兩側(cè)電氣信息幾乎可以同步采集，但是，硬件固有的輸入、輸出時間消耗成為了兩端故障量無法同步的主要矛盾，因此，兩端不同步測距算法具有更加現(xiàn)實(shí)的研究與應(yīng)用前景。

通過研究一般的雙端不同步測距算法可能存在偽根導(dǎo)致測距失敗的原因，提出了一種基于電力線路分布參數(shù)模型的雙端不同步故障測距法。該方法利用電壓正序分量和電壓負(fù)序分量的比值，或電壓在正常運(yùn)行狀態(tài)下正序分量和故障狀態(tài)下正序分量的比值去除不同步角，然后根據(jù)相位單調(diào)性得出測距方程，經(jīng)運(yùn)算后，可以準(zhǔn)確地獲得故障測距，因計(jì)算過程不會出現(xiàn)偽根，使得故障測距更加安全可靠。不僅如此，該方法對于復(fù)雜的同桿并架的雙回線路也具有很高的應(yīng)用性。針對T型電力線路T節(jié)點(diǎn)附近故障時存在測距死區(qū)的問題，采用了新的測距函數(shù)進(jìn)行故障分支判斷，利用測距函數(shù)幅值在故障支路單調(diào)遞減且故障點(diǎn)過零而區(qū)別于正常支路、測距函數(shù)相位在故障支路單調(diào)且收尾相差約180°而區(qū)別于正常支路的這些特點(diǎn)，判斷出故障支路，然后依據(jù)故障距離的解析表達(dá)式求得故障測距。該方法不但很好地消除了故障測距的死區(qū)，而且不用判斷故障類型、計(jì)算方便、程序?qū)崿F(xiàn)簡單、運(yùn)算速度快，可以推廣到多端輸電線路上。

2.4 基于時頻原子分解法的雙端行波法

隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，T 型或是同桿并架雙回線路這種復(fù)雜的輸電形式也越來越常見，這使得故障類型更加多樣，故障測距更加難以精確實(shí)現(xiàn)。所以，針對此類接線方式下的故障測距方法也成為重點(diǎn)研究的方向。

基于時頻原子分解法的雙端行波法對上述問題的解決表現(xiàn)良好。一般來說，行波法按照采集的故障信息來自一側(cè)或是兩側(cè)可以分為單端行波法和雙端行波法。而所謂的時頻原子分解法，是將信號以一系列原子的形式進(jìn)行線性展開，里面包含了信號的時域和頻域信息，通過對分解后的原子進(jìn)行分析來獲得信號的相關(guān)信息。

基于此，可以采用新的相模變換矩陣，對發(fā)生故障的輸電線路進(jìn)行解耦，從行波中提取出線模分量，利用時頻原子分解法進(jìn)行分析，進(jìn)而找出故障行波的奇異點(diǎn)，正確捕捉到行波的波頭，這樣便可計(jì)算出故障測距。這種引入時頻原子分解法的雙端行波方法具有測距準(zhǔn)確，且不受過渡電阻和運(yùn)行方式的影響的優(yōu)點(diǎn)，對各種故障類型都能夠達(dá)到很好的測距效果。

這種基于時頻原子分解法的雙端行波法很好地解決了故障行波波頭難于識別和捕捉的問題，但是由于引入了大量的相模變換及時頻原子分析法所帶來的內(nèi)積、復(fù)數(shù)等運(yùn)算，這都在一定程度上減緩了故障識別和測距的計(jì)算速度，對于實(shí)際應(yīng)用中可能會使保護(hù)裝置的反應(yīng)時間變長、無法以最快的速度提供測距，這也是一個值得進(jìn)一步探究的問題。

3 結(jié)語

基于上述分析可以發(fā)現(xiàn)，無論是對于輸電線路，還是配電線路，快速而準(zhǔn)確的故障測距對實(shí)現(xiàn)故障點(diǎn)定位、故障排除都是十分重要的。本文就目前幾種主要的故障測距分類進(jìn)行了歸納總結(jié)，對每種故障測距方法的特點(diǎn)予以說明。在此基礎(chǔ)之上，對幾種改進(jìn)的故障測距方法進(jìn)行了詳細(xì)論述。

針對地域環(huán)境復(fù)雜、接線形式多樣的配電線路，可以采用綜合組合的故障測距方法，分兩步完成故障測距，提高準(zhǔn)確度；對于存在直流系統(tǒng)接入的交直流混合系統(tǒng)，可以采用負(fù)序電流抑制策略，利用故障情況下兩端負(fù)序分量的不同，將系統(tǒng)等效為單端情況進(jìn)行故障量分析計(jì)算，無需分兩步進(jìn)行，使得實(shí)現(xiàn)過程簡化；為了獲得更加精確的測距，雙端不同步故障測距法是個不錯的選擇，針對T型接線的復(fù)雜情況，提出了一種依據(jù)測距函數(shù)幅值與相位特性而判斷故障支路，進(jìn)而求解出故障測距，消除了T型接線故障測距的死區(qū)；在雙端行波測距法的研究中，采用時頻原子分解法正確捕捉行波波頭，很好地解決了行波法實(shí)施中的關(guān)鍵難點(diǎn)，使得測距精度有了保障，但是，由于運(yùn)算增多而導(dǎo)致的識別速度減慢卻是一個不容忽視的存在。上述方法在仿真軟件中均有很好的表現(xiàn)。幾種改進(jìn)的故障測距方法在各個方向進(jìn)行著有益的探索，另外，計(jì)算機(jī)技術(shù)和智能算法的發(fā)展也為故障測距提供了更多更快、更好的方法。