張光益 張鵬宇 方曦

貴州電網(wǎng)公司 貴州貴陽 550000

高壓輸電線路是我國電力運(yùn)輸系統(tǒng)的重要組成部分之一，負(fù)責(zé)向各地輸送電能。故障定位的速度和準(zhǔn)確度影響輸電線路的搶修、恢復(fù)供電的速度以及決定停電造成的各種損失，保障電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。因而，電力學(xué)者們的研究重點(diǎn)是故障定位問題[1]。

高壓輸電線路由于高電壓以及遠(yuǎn)距離兩個特點(diǎn)，在輸送電能、連接電網(wǎng)及電氣設(shè)備的工作中承擔(dān)主要責(zé)任，其不僅是電網(wǎng)的主干網(wǎng)架，更保障著電力系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行。與此同時(shí)，最容易產(chǎn)生故障的線路也是高壓輸電線路[2-4]，其大多途經(jīng)惡劣的自然環(huán)境，且分布距離廣，在這種條件下，風(fēng)偏、覆冰、雷擊、樹枝短接等均可能是導(dǎo)致輸電線路的短路故障的原因?，F(xiàn)場巡線排查輸電線路遇到的困難主要有以下兩個方面：一方面，有交通方面導(dǎo)致的巡檢困難；另一方面，輸電線路受到的破壞或者故障位置較難發(fā)現(xiàn)時(shí)，現(xiàn)有裝置難以立即發(fā)現(xiàn)具體故障線路位置。故障定位的速度以及準(zhǔn)確度不僅能對線路排查工作進(jìn)行指導(dǎo)，加快巡線工作的效率，還可以檢查出薄弱環(huán)節(jié)和潛在隱患。因此，輸電線路故障定位技術(shù)的應(yīng)用極大提高了工作人員的巡線效率，減免了供電故障造成的問題以及損失，這項(xiàng)研究的進(jìn)步能夠帶來明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益[5-6]。

輸電線路故障定位的定義是，在線路突發(fā)故障時(shí)，利用電壓、電流以及行波信號之間的數(shù)學(xué)關(guān)系計(jì)算得出參考點(diǎn)與實(shí)際故障點(diǎn)的距離差。目前應(yīng)用較為廣泛的故障定位算法可根據(jù)測距原理分為：故障分析法、行波法和智能化測距方法。

接下來，本文將根據(jù)測距原理對上述三種方法進(jìn)行分析和綜述。第一節(jié)為引言，介紹了研究高壓輸電線路的必要性。第二節(jié)為高壓輸電線路故障分析法故障定位，介紹了故障分析法的原理及其分類。第三節(jié)為高壓輸電線路行波法故障定位，根據(jù)測距原理對行波法進(jìn)行分類闡述其原理以及優(yōu)缺點(diǎn)。第四節(jié)為高壓輸電線路智能化測距法故障定位，提出了故障定位與智能算法的結(jié)合的趨勢。第五節(jié)為研究建議與設(shè)想，針對高壓輸電線路故障定位研究，提出了建議與設(shè)想，并探討了進(jìn)一步的研究方向。

1 高壓輸電線路故障分析法故障定位

故障分析法的原理是根據(jù)故障回路的電流、電壓列出方程式，再根據(jù)方程得出故障距離[7]。其中，阻抗法在實(shí)際應(yīng)用中比較常見，其原理是在特定條件下(不計(jì)電導(dǎo)和分布電容)，選定的測量點(diǎn)與實(shí)際發(fā)生的故障點(diǎn)之間的距離與阻抗成正比，根據(jù)采集的電壓和電流數(shù)學(xué)關(guān)系可計(jì)算具體阻抗值，由此實(shí)現(xiàn)故障定位[8]。該方法原理簡單，硬件成本低，但在實(shí)際應(yīng)用中，存在精度低、不能準(zhǔn)確定位的缺陷。根據(jù)實(shí)際所需的信息量，故障分析法可分為單端電氣量法與雙端電氣量法。

單端故障測距法原理是采集線路單側(cè)的電流、電壓量，再參考其他參數(shù)來實(shí)現(xiàn)故障定位。其最大優(yōu)勢是無須傳輸對側(cè)的電流、電壓數(shù)據(jù)，不受通信條件的限制。單端測距算法可分為解微分方程法[11]和基于單端工頻電氣量法。在實(shí)際應(yīng)用中，基于單端工頻電氣量法中被廣泛應(yīng)用的方法有以下幾種，如工頻阻抗法、故障電流相位修正法、解二次方程法、解一次方程法和對稱分量法等[9-13]。單端電氣量故障分析法對通信技術(shù)方面的要求不高，也不需要同步兩端的電壓和電流。但其在原理上存在一定缺陷，系統(tǒng)運(yùn)行方式、過渡電阻影響測距精度，限制了單端測距實(shí)際應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)[14]、[15]于1988年提出了雙端量故障分析法。該方法利用故障線路兩側(cè)的電壓、電流信息構(gòu)造測距方程，避免了測距精度受到過渡電阻的限制。其中，線路兩側(cè)信息傳輸主要使用同步法和非同步法。同步法是使用GPS技術(shù)同步兩端的電壓、電流相量[15-16]，得到故障距離解析解。該方法根據(jù)輸電線路的分布參數(shù)模型和集中參數(shù)模型，可分為一端電壓兩端電流法、兩端電流電壓法。此方法技術(shù)上較為復(fù)雜，硬件要求、成本較高。非同步法的原理是通過建立同步故障定位算法[17-19]，研究故障前一側(cè)線路的電流、電壓或正、負(fù)序電氣量之間的關(guān)系，該方法雖無須同步兩端測量數(shù)據(jù)，但其計(jì)算比較復(fù)雜。參考文獻(xiàn)[20]提出了一種優(yōu)化的同步法，考慮了時(shí)間同步問題以及分布電容對測距精確的影響，但該方法計(jì)算耗時(shí)，需求解超越方程。參考文獻(xiàn)[21]提出了一種混合故障測距方法，該方法能夠結(jié)合系統(tǒng)阻抗信息與暫態(tài)方程，但其適用場景較為局限，僅適用于在過度阻抗小于30Ω的情況下，即當(dāng)配網(wǎng)故障時(shí)，測距精度才比較可靠。參考文獻(xiàn)[22]針對由于參數(shù)誤差造成的測距結(jié)果不準(zhǔn)的情況，提出了一種僅需采集故障發(fā)生后幾毫秒內(nèi)的數(shù)據(jù)就可計(jì)算出故障距離的方法。雖然許多學(xué)者對故障分析法進(jìn)行了優(yōu)化和改進(jìn)，但由于其原理上的弊端，導(dǎo)致測距精確度受到多方面外界條件的影響。

2 高壓輸電線路行波法故障定位

隨著行波傳播規(guī)律研究的發(fā)展以及日漸成熟的計(jì)算機(jī)技術(shù)，行波法在理論研究和實(shí)際應(yīng)用上有了長足的進(jìn)步。行波法的原理是在故障電流或電壓行波傳播時(shí)，分析行波時(shí)間和傳輸距離的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)故障距離的測定。行波法分為單端行波法、雙端行波法，其具有準(zhǔn)確度高；穩(wěn)定性好；適應(yīng)性強(qiáng)；不考慮系統(tǒng)運(yùn)行方式、故障類型和過渡電阻等優(yōu)勢。無論是在理論上原理的完備性，還是實(shí)際應(yīng)用效果都優(yōu)于故障分析法。但是，該方法在實(shí)際應(yīng)用中仍存在著許多問題，例如，如何區(qū)分對端母線反射波以及故障點(diǎn)發(fā)射波；如何實(shí)現(xiàn)反射波的標(biāo)定和識別；故障行波不明晰，無法檢測信號的奇異點(diǎn)；存在測距死區(qū)等情況。根據(jù)測距原理，行波法主要分為六種類型，A、C、E和F型屬于單端行波法，B、D型屬于雙端行波法。行波法分類以及基本原理如下表所示。

行波法基本原理分類表

單端行波法原理是求解初始行波到達(dá)測量點(diǎn)的時(shí)間與對端母線的反射波到達(dá)時(shí)間或者故障點(diǎn)的時(shí)間差值[23]，由此計(jì)算實(shí)現(xiàn)故障定位。目前的常用方法主要有導(dǎo)數(shù)法[24]、波形匹配法[25]、相關(guān)法[26-27]、小波變換法[28-29]、主頻率法[30]等。

雙端行波法是通過行波達(dá)到初始時(shí)刻，由測距方程算出實(shí)際發(fā)生故障點(diǎn)到兩端的距離。其更多應(yīng)用于遠(yuǎn)距離線路故障定位[31]，具有故障定位準(zhǔn)確度高、可靠性強(qiáng)等優(yōu)勢[32]。但是其成本高于單端法[33]，由于需要雙端通信通道以及GPS同步時(shí)鐘，同時(shí)還需在線路兩端安裝行波檢測設(shè)備。

單端行波法會受到線路結(jié)構(gòu)的影響，線路越復(fù)雜，檢測結(jié)果的可信度越低。雙端行波法檢測結(jié)果的可信度比單端法更高，這是因?yàn)槠渲豁毨眯胁^初次到達(dá)時(shí)間，無須發(fā)射行波的波頭到達(dá)時(shí)刻。

3 高壓輸電線路智能化測距法故障定位

近年來，隨著人工智能理論不斷發(fā)展，更多相關(guān)算法被應(yīng)用于故輸電線路故障定位算法的研究中。智能化測距方法通過智能算法尋找特征量和故障距離這兩者之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，對故障數(shù)據(jù)集進(jìn)行學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)故障定位預(yù)測。目前，用于故障定位的算法理論主要包括模糊理論[34]，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[35-37]、模式識別技術(shù)[38]、卡爾曼濾波技術(shù)[39]、概率與統(tǒng)計(jì)決策法等[40]，其中模糊理論和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)被廣泛應(yīng)用。故障特征[41]則通過軟件模擬(如Matlab、PSCAD和ATP-EMTP等)的方法提取，該方法可以將新的故障案例添加到故障分類器的訓(xùn)練集中進(jìn)行訓(xùn)練。相較于其他故障定位方法，智能化測距法的優(yōu)勢在于通過研究多種故障特征量即可實(shí)現(xiàn)故障定位，不受數(shù)學(xué)模型以及對故障暫態(tài)過程的分析的限制，并且其定位準(zhǔn)確度受系統(tǒng)運(yùn)行方式、故障類型、過渡電阻等影響小。

目前的智能化測距方法大多是與上述測距方法相結(jié)合。參考文獻(xiàn)[42]提出了一種將蛙跳粒子群和故障分析法結(jié)合的算法。參考文獻(xiàn)[43]提出了一種局限于輸電線路完全對稱的條件下，結(jié)合蟻群算法進(jìn)行故障測距。參考文獻(xiàn)[44]引入小波變換算法、遺傳算法以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，結(jié)合單端行波法進(jìn)行故障定位。參考文獻(xiàn)[45]和[46]采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行故障定位。然而，智能化測距方法在受到故障阻抗、故障電流、故障點(diǎn)等因素的影響時(shí)，難以得到精確度較高的測距結(jié)果。若要提高結(jié)果的精確度，就需要對模型進(jìn)行大量訓(xùn)練，并且對訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)集的要求也較高。目前，智能化測距法還存在許多問題，如收斂速度慢、學(xué)習(xí)效率低、不能保證結(jié)果收斂到全局最小等局限性等。因此，智能化測距算法還需要進(jìn)一步的優(yōu)化與完善。

4 研究建議與設(shè)想

由上述分析可知，故障分析法存在原理層面的固有缺陷，在測距精確度上有所欠缺。行波法也存在精確度以及經(jīng)濟(jì)性的問題，智能化測距方法則受到硬件內(nèi)存以及故障樣本數(shù)據(jù)集的限制。在此建議今后的研究工作可面向以下幾個內(nèi)容進(jìn)行推進(jìn)：

(1)研究提高行波測距法的魯棒性。眾多故障定位算法中，由于行波測距法相較于其他算法的優(yōu)點(diǎn)在于不受系統(tǒng)運(yùn)行方式、過渡電阻的等限制，故進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)的高壓輸電線路故障定位算法研究，解決其精度低、適應(yīng)性差的問題具有重要理論意義和應(yīng)用價(jià)值。

(2)實(shí)現(xiàn)混合型故障定位算法的應(yīng)用。將現(xiàn)有故障測距方法與智能算法相結(jié)合，從而解決目前故障定位存在的算法可靠性低、適應(yīng)度差等問題。

(3)加強(qiáng)特殊輸電線路故障定位的相關(guān)研究。如同桿雙回輸電線路、多分支輸電線路、單雙混合型輸電線路等。

結(jié)語

本文根據(jù)故障定位原理，對現(xiàn)有故障定位方法進(jìn)行了較為全面的綜述，歸納整理了故障分析法、行波法以及智能測距法的基本原理，并指出上述方法的優(yōu)缺點(diǎn)以及應(yīng)用現(xiàn)狀，提出了開展高壓輸電線路故障定位研究的幾點(diǎn)建議與設(shè)想，并探討了進(jìn)一步的研究方向。