浅析输电线路故障定位算法现状及发展趋势.pdf

4 电气开关) ( 2 0 1 1 N o 3 ) 文章编号： 1 0 0 4 2 8 9 X( 2 0 1 1 ) 0 3 0 0 0 4 04 浅析输电线路故障定位算法现状及发展趋势 周笛 ， 陈霖 ( 1 桂林供电局 ， 广西 桂林5 4 1 0 0 2 ； 2 广西大学电气工程学院， 广西 南宁5 3 0 0 0 4 ) 摘要 ： z X各种故障定位方法的 区别出发 ， 较为全面地分析 了各种故障定位方法的特点， 综述了故障定位的方法， 指出目前对于线路故障定位还没有快速、 有效的方法。总结了国内外在故障定位方面的发展状况和研究现状， 并 根据定位原理将其归纳为两种 ： 一种是 阻抗测距法； 一种是行波测距法。概略分析 了各种故障定位方法各 自的优 缺点。在此基础上提 出了今后线路故障定位算法研究的方向。 关键词 ： 输 电线路 ； 故障测距方法； 阻抗 法； 行波法； 中图分类号 ： T M7 7 3 文献标识码 ： B P r e s e n t S it u a t io n a n d De v e lo p me n t Tr e n d s o f F a u lt Lo c a t io n Alg o r it h m f o r Tr a n s m is s io n Lin e s ZHOU Di ， CHEN L in ( 1 G u i li n P o w e r S u p p l y B u r e a u ， G u i li n 5 4 1 0 0 2 ， C h i n a ； 2 C o l l e g e o f E l e c t ric a l E n g in e e ri n g ， G u a n g x i U n iv e r s i t y ， N a n n i n g 5 3 0 0 0 4， C h in a ) Ab s t r a c t ： B a s e d o n t h e d i f f e r e n c e s o f t h e f a u lt lo c a t io n me t h o d s ， t h e c h a r a e t is t i c s o f the v a r iO R S f a u lt l o c a t i o n me tho d s a l a n a ly z e d T h e p a p e r s u mma ri z e s t h e f a u lt lo c a t io n me tho d s p o in t s o u t t h a t it is n o t o f q u i c k a n d e ff e c t iv e me thod s f o r t h e p r e s e n t l in e f a u lt lo c a tio n Th e d e v e l o p me n t t r e n ds a n d s t a t u s o f h o me a nd a b r o a d o n t h e f a u lt loc a tio n a r e s u mn la - ri z e d A c c o r d in g t o t h e lo c a t io n p ri n c i p l e， it c a n b e s u me d u p t wo k i n d s ： o n e is a n imp le d a n c e r a n g e - me asu r e me n t me th o d； t h e o the r is a t r a v e llin g wa v e r a n g e me a s u r e me n t me tho d T h e me ri t s a n d d e me ri t s o f t h e f a u lt lo c a tio n me t h od s a r e b ri e fl y an a ly z e d O n t h e b a s is o f t h is ， it p r o p o s e s the s t u d y d ir e c t io n o f the lin e f a u lt lo c a ti o n a l g o r i thm for the f u t u r e Ke y wo r d s： t r a n s mi s s io n lin e； f a u lt r a n g e me a s u r e me n t me t h o d； imp e d a n c e me tho d； t r a v e l lin g wa v e me thod 1 引言 随着电力系统不断发展， 超高压、 长距离输电线路 越来越多。为减少线路故障后 的寻查工作量 ， 缩短故 障修复时间， 节约大量的人力、 物力， 提高供电可靠性， 减少停电损失， 加强并提高系统运行管理水平， 迫切需 要在系统发生故障后能迅速、 准确地查找到故障点， 线 路故障点的准确定位显得越来越重要。对于大多数的 能够重合成功的瞬时性故障， 准确地测出故障点位置， 可以辨别是雷电过电压造成的故障， 还是由于线路绝 缘子老化、 线路下树枝 摆动造成 的故障。及时地发现 事故隐患， 采取有针对性的措施， 避免事故再一次地发 生。线路故障后迅速准确的确定故障点， 不仅对及时 修复线路和保证可靠供电， 而且对电力系统的安全稳 定和经济运行都有十分重要的作用。 早期的故障定位一般是根据模拟式录波器记录的 故障录波图粗略的估计故障点的位置。随着计算机技 术的普遍发展及应用 ， 基 于微机 的保护装置和故障录 波装置应用的越来越广泛， 由于当时的故障定位方法 还不是很完善， 且受其他因素的影响， 测距精度仍得不 到保障。近年来， 高速数字信号处理器及其他新型技 术的发展， 为各种测距算法的发展提供了保证。本文 分析了各种故障定位方法的优缺点， 并由此提出了发 展输电线路故障定位技术的研究思路。目 前的故障定 位方法可以分为行波测距法和阻抗测距法。 2 行波测距法 行波法最早诞生于 2 0世纪 4 0年代 ， 它是通过测 电气开关)( 2 0 1 1 N o 3 ) 5 量故障产生的行波在故障线路上的时间来实现测距的 方法。由于早期受许多相关技术的限制， 比如行波信 号的提取 、 信号处理方法、 数据处 理方法等等 ， 一直没 有得到推广。随着近年来科学技术 的发展 ， G P S的商 业化 ， 高速处理芯片的应用 ， 为行波分析方法在电力系 统相关技术领域内的运用提供了基本手段。 行波分析法可分为 A、 B、 c 、 D四种方法 J ， 其中 A 型和 c型采用的是单端信号定位 ； B型和 D型采用双 端信号定位。对于单端信号的行波测距法而 言， 由于 行波到达故障点后会发生反射， 也会折射到对端的母 线 ， 折射到对端母线的行波经过一段时间后 又会反射 到测量点， 使得行波分析有较大 的误差。由于影响因 素较多 ， 后面几次的行波辨识 比上一次的辨识更加困 难 ， 因此单端法难 以精确记录两次行波到达测量端 的 时间， 以致测量存在较大的误差。双端法由于是故障 后记录电流或电压行波到达线路两端 的时 间， 而行波 的传输速度近似于光速 ， 1 s 就会造成 1 5 0 m的误差 ， 因此这种测距原理对线路两侧的 G P S对时系统要求 非常高。 故障行波信号是一个突变的、 具有奇异性的、 含有 大量高频分量的信号 ， 并且行波在不 同的模式下传播 时 ， 各频率分量的传播速度和衰减也各 自不同 ， 从而造 成行波 的到达时间难 以准确判断 ， 这些是影响行波法 故障测距精度得重要原 因之一。小波分析法的出现使 行波的信号处理有了一个很好的解决办法。小波分析 法 具有伸缩 、 平 移和放大功能 ， 它在时域 和频 域上 同时具有良好的局部化性质 。它可以对信号进行多尺 度分析 ， 具有很强的特征提取功能 ， 尤其对突变信号的 处理优势非常明显 ， 另外 ， 由于随机噪声信号和有效信 号的小波变换在特征上有 明显的区别 ， 因此小波分析 法具有很强的消噪功能。这些优势为小波分析法在微 机保护中的应用提供了可靠性。 3阻抗测距法 阻抗测距法广义上 又称为故障分析法 ， 是根据故 障时的系统自身参数以及故障点的电压、 电流求得故 障阻抗的一种通用方法 。阻抗法也包括单端量法和双 端量法。 3 1 单端量测距法 单端量法一般是在系统运行方式确定和线路参数 已知的情况下 ， 利用线路一端测得的电流 、 电压计算出 故障阻抗的一种算法。由于保护装置 、 测量装置和录 波装置公用一套 电流、 电压互感器 ， 硬件投资少 ， 且不 受系统通信条件的限制， 在早 期的测距装置中应用的 较多。但是单端测距法只使用了一侧的故障信息， 故 障过渡电阻和对侧 系统阻抗变化对测距精度有着较大 的影响。现代 的单端测距算法可细分为迭代法、 解微 分方程法 、 解二次方程法等 。 迭代法是从分析故障时系统序网络结构人手 ， 根 据边界条件 ， 得 出测量端短路 电流与故 障支路同类电 流之间或者它们 的相角之间存在 的关系式 ， 再与测量 端 电压方程构成方程组 ， 得到一个值 ， 最后利用所得值 反复迭代， 求得一个最优近似值。文献 3 提出利用 迭代法来求解故障距离 ， 通 过一定次数的迭代来修正 故障电流相位 ， 虽然解决 了电流不 同相位而带来的误 差问题 ， 但缺点是迭代结果不一定收敛于故障距离， 且 定位精度受过渡电阻等因素的影响。 解微分方程法是基于被测线路的分布电容可以忽 略的情况下提出的， 它利用两个不同时刻的采样值， 获 得两个独立的方程 ， 从 而求得故 障距离。该方法无需 双侧系统参数和故障前 的数据 ， 由于是采样两个时刻 的瞬时值， 响应时间短， 且不必滤掉非周期分量。但该 方法忽略了分布电容的存在 ， 因此对长线路失效， 并且 在高阻抗故障时， 测距精度影响较大。文献 4 则利 用正序和负序故障分量 的相位代替故 障电流的相位 ， 使之适应于高阻抗接地。但同时测距精度也会受对侧 系统运行方式和过 渡电阻 的影 响。因此要减 小其影 响， 就要引人对端系统的阻抗 ， 那必然要受对侧系统阻 抗变化的影响 ， 这是单端测距算法长期没有解决的难 题。 3 2 双端 量测 距 法 双端量测距法是利用线路两端的电气量实现的故 障测距算法 。由于这类算法是利用两端电流电压推算 倒故障点电压相等的条件获得 的故 障位置信息 ， 因此 从原理上不存在过渡电阻和对侧系统运行方式变化影 响的问题 。目前的双端测距法主要分为双端数据同步 和不同步两种。 ( 1 )基于双端数据同步采样数的测距算法 这类算法的特点是算法简单， 但由于要求两端数 据采样同步， 对硬件要求较高， 数据采样的非同步误差 会影响这类算法的测距精度， 通常利用 G P S 对时系统 保证两端数据采样 同步或进行采样 同步化来处理解决 该问题。文献 5 是基于微分方程的算法， 它利用两 端的暂态数据进行分 析， 在短线路 中， 用差分代替微 分， 采用最小二乘法提高精度； 长线路中， 利用贝瑞龙 模型 ， 故障距离也通过最小二乘法进行校正 ， 此方法采 6 电气开关) ( 2 0 1 1 N o 3 ) 用两端电流电压的瞬时值 ， 灵活方便 ， 且对硬件的要求 比行波法低 ， 只需要两端数据 同步 即可。文献 6 ， 7 提出基于模分析理论的精确故障定位法， 该方法利用 相 一 模变换原理很好地克服 了输 电线路参数实际上的 不平衡对故障测距精度的影响 ， 既适用于不换位线路 ， 也适用于各种换位线路 ， 还可以推广到耦合平行双 回 线路的故障测距。 ( 2 )基于双端数据不同步采样 的测距算法 不同步数据采样算 法是先在计算 中引人相角差 ， 在故障点处列些两端电压方程式 ， 得到关 于相角差和 故障距离的两个方程， 然后使用迭代法求出相角差， 进 而得到故障距离； 或消除相角差， 建立故障距离的二次 方程求得故障点 。文献 8 利用本端 电压 、 电流和对 侧的电流实现故障测距， 由于是直接利用分相式电流 差动保护已有电流信息， 因此可以不必考虑双端数据 的同步问题。 ( 3 )带有串补电容补偿的输电线路故障测距 串联电容补偿技术是一项十分成熟的技术， 在电 力系统 中已有 8 O多年的应用历史。在输 电线路 中加 入串补 电容不仅能提高线路 的输送能力 ， 还可以提高 电力系统 的稳定运行水平。研究表明 ： 串联电容补偿 技术不仅在技术上具有优势， 而且经济效益也非常明 显， 常规串补电容补偿的造价 通常不到架设一条新输 电线路造价的 1 0 【 9 J 。 由于串联补偿电容的存在破坏了输电线路的均匀 性 ， 常规的测距算法 已不能满足其要求。国内外许多 学者进行了有关串补电容输电线路测距算法的研究， 文献 1 0 利用单侧电压电流工频分量进行双电源线 路短路点定位 ， 原理上无法克服对侧系统运行方式阻 抗随负荷波动和运行方式的改变而变化对测距精度的 影响。文献 1 1 是采用双端数据， 利用序分量求解的 精确故障定位算法， 它不需要双端信号同步， 并且考虑 的 MO V的非线性问题。 4 各种测距算法的比较 4 1 行波测距法和 阻抗测距法的比较 在以上的测距方法中， 行波测距法 由于因波速 的 不确定性， 测距死区及对硬件的要求非常高等问题而 使其应用受到限制。由于行波法测距装置是独立的一 套装置 ， 这不仅加大 了投资成本 ， 并且维 护也较 困难 ， 因此要得到普及 的应用还有待相关技术的发展。阻抗 测距法充分利用现有 的投运设备的信息进行分析， 硬 件投资少 ， 容易实现 ， 比较实用。 目前我局变电站的所 有故障测距系统都是基于故障分析法的原理， 并且都 是集成在保护装置中， 这样不仅减少了投资 ， 而且方便 日常的维护和检修， 节省了大量的人力和时间， 提高了 经济效益。 4 2 单端测距法和双端测距法的比较 纵观现有的单端测距算法， 由于在原理上始终不 能消除故障过渡电阻和对侧系统阻抗变化对测距精度 得影响， 因此在高压架空输 电线路中使用的较少。而 双端测距算法由于在原理上不存在误差， 不受过渡电 阻和对侧系统阻抗 的影响 ， 近年来其发展越来越迅速 ， 但是双端测距法必须采样线路两侧的电气量 ， 因此就 出现了两端数据采样同步的问题， 如何消除因两端数 据采样不同步而造成测距精度不准确的影响因素值得 进一步的深人研究 。 5 结论 高压架空输电线路的精确定位是从技术上保证电 网安全、 稳定和经济运行的重要措施之一。现有的各 种测距算法各有其优缺点， 都有需要进一步解决的技 术问题。行波测距法 由于其行波故障分量的提取和计 算、 故障行波到达时间的精确确定等问题， 以及行波测 距装置投资成本高 ， 维护较 困难使其普及应用受到限 制。单端测距算法在原理上无法消除过渡电阻和对侧 系统阻抗变化的影响， 测距精度较低。随着通信和计 算机技术的发展， 双端测距算法越来越发展成为一种 趋势， 但算法 自身的适应性和剔除伪根判据等是 目 前 亟待解决的问题。随着装置在实际运行 中的不断总结 和完善， 两端数据不同步的测距算法将更加优越， 具有 较大的工程使用价值。 参考文献 1 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 ， 1 9 9 6 2 3 葛耀中 等测距式行波距离保护的研究( 一) 理论与实现技 术 J 电力系统自 动化 2 0 0 2 ： 3 4 4 0 3 蔡得礼 高压输电线路故障点定位的一种新的计算机方法 J 重 庆大学学 报 ， 1 9 8 2 ， 6 ( 2 ) ： 1 1 4 4 】 王峰， 于九祥， 别朝红 高阻接地短路的精确测距方法 J 电力系 统 自动化 ， 1 9 9 7 ， 2 1 ( 2 ) ： 4 5 4 7 5 K e z u n o v i c M J ， Mr k i c B P e r u n i e ic A n a e e a r a t e f a u l t l o c a t i o n a l g o r i t h m u s i n g s y n c h m n i z e d s a m p l i n g J ， E l e c t r i c P o w e r S y s t e m s R e s e a r c h ， 1 9 9 4 ， 2 9 ( 3 ) ： 1 6 11 6 9 6 卢继平， 叶一麟 适用于任何具体结构的输电线路精确故障定位 J 电力系统 自 动化， 1 9 9 8 ， 2 2 ( 1 1 ) ： 4 0 4 3 7 陈铮。 苏进喜 基于分布参数模型的高压输电线路故障测距算法 J 电网技术 ， 2 0 0 0 。 2 4 ( 1 1 ) ： 3 1 3 3 ( 2 0 1 1 N o 3 ) 7 文章编号： 1 0 0 4 2 8 9 X( 2 0 1 1 ) 0 3 0 0 0 7 0 3 电力电缆的在线检测技术综述 李在友 ( 神华北电胜利能源有限公司， 内蒙古 锡林浩特0 2 6 0 0 0 ) 摘要 ： 介绍了电力电缆的主要用途和结构， 着重介绍了 X L P E电缆的在 线检测方法。 关键词 ： X L P E； 电缆结构 ； 水树枝 ； 在线检测 中图分类号 ： T M2 4 文献标识码 ： B S u mma r iz a t io n o f On- li n e M o n it o r in g Te c h n iq u e o f P o we r Ca b le s L I Za i y o u ( S h e n h u a B e id i a n S h e n g l i E n e r g y S o u r c e C o ， L t d ， X i l i n h o t 0 2 6 0 0 0， C h in a ) Abs t r a c t ： T h e p a p e r p r e s e n t s ma i n u s e s a n d s t r u c t u r e s o f p o w e r c a b le s a n d p a y s s p e c i a l s t r e s s O i l p r e s e n t in g o n l in e mo n it o r in g me o d o f XL P E c a b le s Ke y wo r d s： XL P E； c a b le s t r u c t u r e； wa t e r t r e e； o n lin e mo n it o r in g 1 引言 过去， 我国广泛使用 的预防性试验是采用定期停 电的试验方法， 属离线试验。随着供电可靠性 的要求 越来越高， 这种停电试验越来越不适应电力生产和供 应的实际要求。因此研究交联聚乙烯 电缆在线检测 ， 可及时对电缆进行合理的维护、 检修及更换 ， 对保证电 缆可靠运行具有重 要的意义。如何 找到一种切实 可行的在线检测方法成为急需研究的问题 2 结构及各部分作 用 在制造技术方面， 7 0年代末 ， X L P E制造方面又有 了更大发展， 出现了新型的半 导电屏蔽材料及超净绝 缘材料 ， 使绝缘体 中的杂质含量进一步减少 ， 在工艺上 又引进 了多层共挤法 ， 减少 了层间界 面， 使 X L P E绝缘 电缆局放 电量大为下降 ， 为 X