高压输电线路故障测距方法及其优缺点比较

摘要：高压输电线路是电力系统的重要组成部分，快速准确的对输电线路进行故障测距，不仅对及时修复线路和保证供电可靠至关重要，而且是从技术上保证电网安全、稳定和经济运行的重要措施之一。

关键词：高压，输电线路故障，测距

引言：

高压输电线路故障测距方法多样，按可测端数量分为单端和双端测距；按数学模型分为集中参数和分布参数模型；按分析过程分为工频量和暂态量测距。本文将测距方法分为阻抗法和行波法。

一、测距方法

1.阻抗测距法

单端阻抗测距：分为解微分方程法和基于工频量的方法。前者算法简单，响应时间短；后者受对侧系统运行阻抗变化影响，只能得到近似解。

双端阻抗测距：根据线路两端检测量列出电路方程测距，分为利用近端电压、电流和远端电流；两端电压、电流及无需同步采样三种。

2.行波测距法

早期行波法：20世纪40年代末提出，利用电子计数器或示波器测量暂态行波，受母线分布电容等影响，测距灵敏度低。

现代行波测距：发展为A、D、E、F四种原理，利用故障暂态行波传播时间计算故障距离。研究重点在于故障点反射波检测和故障初始行波浪涌到达时刻精确标定，算法包括匹配滤波器法、第二个反向行波浪涌识别法、最大似然估计法和小波模极大值法等。

（1）匹配滤波器法

匹配滤波器法利用故障初始行波浪涌的高频分量在测量端母线反射后形成的第一个正向行波浪涌波形预测它在故障点的反射波行，并构造一匹配滤波器来检测包含在方向行波波形中的故障点反射波。

（2）反向行波浪涌识别法

第二个反向行波浪涌识别法通过在线路一端检测反向行波的1阶或者2阶导数是否超过某一自适应门槛来检测继故障初始行波浪涌后方向行波信号的奇异点，并通过判定反向行波在该点附近的能量变化是否超过某一自适应门槛来确认第二个反向行波浪涌，进而引入一置信系数来识别该行波浪涌是故障点反射波还是对端母线反射波，从而实现测距。

（3）最大似然估计法

最大似然估计法首先选定一基函数，将测量信号表示成一系列具有不同权数和不同时延的基函数的线性组合，其中任意两个相邻基函数分量之间的时延对应于行波在测量点与故障点之间往返一次的传播时间。定义一个关于测量信号的概率密度函数，在各基函数分量权数和时延的最大似然估计就是使得该概率密度函数达到最大值的一组解。该方法不需要任何先验知识，性能优于常规相关法，尤其对故障初始角和故障点位置的适应能力比相关法强，但是其受线路不对称、线路参数幅频特性和信号测量误差的影响较大，不能消除故障线路对端母线以及相邻线路远端母线反射波的影响，另外其准确性依赖于基函数的选择。

（4）小波变换模极大值法

故障产生的高频电压和电流暂态行波分量实质上是一种非平稳信号，其中故障初始行波浪涌和来自线路上包含故障点在内的波阻抗不连续点反射波到来时将形成一次侧电压和电流暂态行波分量中的奇异点，对暂态行波分量进行奇异性分析可以实现测距。

二、各种方法比较及其存在的问题

1.各种方法的比较

（1）采用工频量与解微分方程法的比较

解微分方程法算法简单，计算量小，但是从原理上看，工频量方法精度比后者高，就测距而言，按照以时间换精度的原则，前者比后者更有效和实用。

（2）采用工频量的单端、双端测距方法比较

采用单端测距方法与双端测距方法相比，前者在原理上存在缺陷，无法同时消除故障电阻和对端系统阻抗变化的影响，后者在原理上可以完全消除故障过渡电阻和对端系统阻抗变化的影响，前者实现方便不依赖通讯工具，不存在双端数据同步问题，后者需要增加部分硬件投入，需要通讯工具交换双端信息，需要解决数据同步问题，在测距精度方面，后者比前者可以达到更为精确的测距效果。

（3）采用集中参数与采用分布参数线路模型的测距方法比较

采用集中参数线路模型的工频测距方法与采用分布参数线路模型的测距算法相比，前者模型简化，分析计算简便，后者模型精确，计算复杂，但是精确度高于前者。

2.各种测距方法存在的问题

（1）目前利用单端数据的故障测距算法，主要存在以下问题：故障过渡电阻和对端系统阻抗变化对测距精度的影响；未考虑线路的分布电容和输电线路的不对称性对测距的影响；测距方程伪根的问题，造成测距误差的根本原因是存在故障过渡电阻，要减少其影响，就要引入对端系统阻抗，必然要受到对端系统阻抗变换的影响，这是单端测距长期没能解决的难题，利用单端数据的测距算法突出优点是不需要通道传递对端信息，不受通讯技术限制，长期以来是人们关注的热点。

（2）双端故障测距算法常常需要两端数据同步技术，要安装全球定位系统（GPS），硬件设备投资高，信息量比单端算法大，因此故障电阻和负荷的扰动对双端算法测距精度影响小，然而在实际应用中，提高两端数据的同步精度是改进两端算法测距精度的重要内容，采用准确线路模型及不要求数据同步的两端测距算法在原理上具有更大优越性，值得进一步深入研究。

（3）行波法存在的问题：行波法的优点是定测距精度高，同时测距结果不可靠也是其突出缺点，虽然近年来许多学者在行波测距方面做了很多工作，但行波测距要获得很高的可靠性，还需要解决好以下几个问题：

1）故障产生的行波的不确定性：故障发生的时刻是随机的，当在电压过零时发生故障，行波故障测距将失效。

2）故障点反射波的识别：线路上存在着大量的干扰，其特性与故障点发射波极为相似，对于单端行波测距，在近区存在无法识别反射波问题。

3）参数的频变效应：波速是影响行波定位准确性的主要因素，地模波速受大地电阻率的影响较大，而且是频率的非线性函数。

4）线路两端非线性元件的动态时延：电流互感器是提取电流行波信号的耦合元件，有耦合和启动等非线性元件引起的分散性动态时延对行波测距精度的影响，在现有的文献中还几乎没有定量考虑。

5）行波的传播是一个复杂的现象，系统参数和结构变换都将对行波的传播产生影响。当存在接地故障电阻时，将影响行波的传播速度，使得行波测距产生误差。

如前所述，基于工频量的故障测距方法，只利用故障后母线和线路的电压、电流量，不需要单独设计专门的装置，可直接利用电力系统中装设的保护或滤波装置记录下的数据计算故障距离，尤其是微机式故障滤波装置的大量投运和变电站综合自动化系统的快速发展更为其提供了广阔的用武之地。而行波法必须为其测距专门设计安装一套设备，另外，目前行波测距方法的可靠性和稳定性不是很高，波头的检测还无法做到微机的智能化。总之，两种方法各有其优缺点，为了到达精确测距的目的，都有需要进一步解决的技术问题，目前这两种方法虽然在系统中得到实际应用，但均面临着提高可靠性和测距精度的任务，利用工频量测距方法设备投资小，可以利用现场已有的设备，如果测距精度能够满足要求，更加具有经济性的优势。所以基于工频量的测距方法应进一步研究下去，解决目前存在的问题，提高测距精度，真正实现其简单、便捷、经济的优点。

参考文献

[1] 肖东辉，刘沛，程时杰.架空输电线路故障测距方法综述. [J]电力系统自动化，1993; 17（8）： 46-56.

[2] 徐启峰，魏孝铭，高压输电线故障测距的负距问题及修正方法.[J]中国电机工程学报，1989，9（3）：41-50.

[3] 苏沛浦，刘娟芝.一种改进的解微分方程阻抗算法. [J]全国高等学校电力系统及其自动化专业，第二届学术年会论文，西安，1986：143-147.

[4] 葛耀中，新型继电保护与故障测距原理与技术.[M]西安：西安交通大学出版社，1996：217-314.

王涛+1982.03.18+男+山东青岛+本科+工程师+电气工程