关于输电线路单端行波法故障测距的分析

1 故障测距方法

1.1 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。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。

1.2 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。

1.3 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。

2 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两种。

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G P S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。

如图1所示:S为故障距离;L为线路总长度;T1, T2分别为故障初始行波到达M端母线测量点及从故障点返回测量点的时间。T2′为经故障点透射过来的故障初始行波浪涌在N端母线的反射波到达M端母线测量点的时间;v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。单端行波测距的关键是准确识别来自故障点和对端母线的反射波, 得出行波第2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G P S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。

3 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。

3.1 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。

3.2 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ia (t) (正方向为从母线到线路) , ia (t) 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ir (t) 。ia (t) 和ir (t) 的关系是:

其中kr i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ia (t) 到达检测母线, 相应的时延为2r。ia (t) 和ir (t) 在时延2 r时具有较强的相关性。

上述2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。

3.3 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。

3.4 主频率法

主频率法的基本思想是当输电线路发生故障后, 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:f=2v/l (6) , 其中, f为主频率, l为故障距离, v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。

3.5 小波分析法

小波分析法的主要特点是能够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。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。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。

4 单端行波法存在的问题

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, T型线路结构, 以及故障位置的影响。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, 实现精确故障定位。

5 结语

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。因此, 研究行波法输电线路故障测距方法, 有着重要的经济效益和社会效益。

摘要：作者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。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：输电线路,故障测距,单端行波法

参考文献

[1] 覃剑.基于小波变换的同杆并架双回线双端行波故障测距[J].电力系统自动化, 2004.