电力系统输电线路故障测距研究方法.docx

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电力系统输电线路故障测距研究方法

电力系统输电线路故障测距方法研究

摘要：

本文首先全面地介绍了故障测距在国内外发展历程和研究现状。

根据各测距算法采

用的原理不同，将现有的各种测距算法分为行波法、阻抗法、故障分析法以及智能法，然

后逐类对各种算法的理论基础和应用条件上进行了分析、对比和讨论，并在此基础上总结

得出了各测距算法的优点及存在的问题，指出了每种测距算法的适用范围和应用局限性。

其次设计了一套高压输电线路新型故障测距装置，该测距装置采用专门设计

的高速采样单元捕获暂态电流行波信号，采用全球定位系统 GPS 为线路两端提供精度高达

1μs 的统一时标,从而可实现高精度的双端行波法测距。

为了验证本论文提出的故障定位方法的可行性，通过分析研究，其结果说

明本系统的实验方案确实可行。

理论和仿真结果表明，本文所作的工作提高了行波故障测

距在不同线路结果情况下的适应性、精度和可靠性。

关键词：

输电线路；故障测距；电力系统；行波；全球定位系统（GPS）

Research about the measure of fault

location in power system transmission line

Abstract：

The development and general situation of the research in this field in China and in

other countries is introduced in this paper. All the existing algorithms can be classified into 4 main

methods those are traveling wave location, impedance location, fault analysis location and

Intelligence location .Then the principle and application condition of each algorithm are presented

and discussed. Based on the analysis and comparison of each algorithm, the corresponding merits

and application limitation are concluded.

In this article, a new design scheme of the fault locator for HV transmission lines is

presented. By using high-speed data acquisitioning unit designed specially to capture traveling

waves of transient current, using Global Positioning System （GPS） to supply high precise time

tagging for both ends and using wavelet transform theories to identify the head of the traveling

waves, the fault locator can realize high precise double-ended traveling waves location. At the

same time, using two-terminal voltages and currents sampled by the medium-speed sampling and

processing unit synchronized by the Pulse Per Second （1PPS） of GPS, can realize accurate double

ended steady state location.

In order to verifying the feasibility of the fault location method, which is presented in this

thesis, the experiment is performed based on the locale condition. The result shows that the

experimental scheme of this thesis is feasible. The analysis and simulation results indicate that the

studies in this dissertation can improve the accuracy, reliability and adaptability of traveling wave

fault location.

Keywords:

 power transmission line; Traveling wave; power system；Global Positioning System

（GPS） ；fault location

第 1 章绪论

1.1引言

电能作为洁净的二次能源，在当代社会的能源比重原来越发挥着它不可替

代的作用。

电力行业是国民经济的支柱产业，优质可靠的电力供应是现代化社

会持续稳定发展的重要保证。

因此，保证电力系统运行的安全性，可靠性，快

速性等至关重要。

而输电线路负担着传送电能的重要任务，是电力系统的经济

命脉，其故障直接威胁到电力系统的安全运行，同时也是电力系统中发生故障

最多的地方。

1.2输电线路的背景和意义

随着我国电力行业的飞速崛起，现代电力系统结构的日益复杂，输电线路

的输送容量和电压等级不断提高，远距离输电线路日益增多，输电线路故障对

电力系统运行，工农业生产和人民日常生活的危害也与日俱增。

所以，及时排

除输电线路故障并及时排除各种隐患，不仅对修复电路和保证持续可靠供电，

而且对保证整个电力系统的安全稳定和经济运行都有是有十分重要的意义[1]。

电力系统输电线路上经常发生各种短路故障，在故障点有些故障比较明显，

容易辨别，有些故障则难以发觉，如在中性点不接地系统发生单相接地故障时，

由于接地电流小，所以在故障点造成的损害小，当保护切除这一故障后，故障

点有时很难查找，但这一故障点由于绝缘已经发生变化，相对整个线路来讲比

较薄弱，很可能就是下次故障的发生地，因此，仍然需要尽快找到其位置。

其

次，输电线路穿越的地形复杂，气候恶劣，特别是远距离输电线路，难免要穿

越山区，沙漠这些人迹罕至的偏僻地带，交通十分不便。

再者，多数故障往往

发生在风雪，雷雨等较为恶劣的天气中发生。

另外，我国电力系统的巡线装备

简陋，使得故障测距的准确度，对故障巡线工作起了关键性的作用[2]。

概况起来，输电线路故障测距的意义主要包括以下几个方面：

（1）对于永久性故障，准确的故障测距结果能够帮助巡线人员快速查找故

障点，及时排除故障，快速恢复供电，提高供电可靠性和连续性，减少停电带

来的巨大经济损失和巡线所耗费的大量人力、财力、物力。

（2）对于瞬时性故障，准确的故障测距有助于分析故障原因，发现绝缘隐

患，从而采取积极的预防措施，避免形成永久故障，节约检修时间和费用。

（3）如果故障测距算法精度高，运算量小，那么故障测距本身就可以作为

距离保护的元件，从而对提高保护性能、保证系统安全运行有重要的意义。

1.3 输电线路故障测距研究的发展和现状

1.3.1 故障测距的发展和分类

长期以来，输电线路故障测距的研究一直受到学术界和电力工业部门的重视。

早在

1955 年前，经统计有关故障测距的文献就有 120 多篇。

在五十年代中后期，人民就开始了

利用行波对架空线路的故障测距研究。

六十年代的中期，人们对多传输的行波传输规律有

了较为深刻的认识，加上电子技术的发展，进一步促进了行波测距的发展。

七十年代以来，

随着计算机技术在电力系统的应用，尤其是微机保护和故障录波装置的开发和运用，加速

了故障测距技术的实用化的进程。

于此同时，故障测距算法也得到了较快的发展。

1979 年

M.T.Sant 和 Y.G.Paithanka 首次提出了利用一端电压和电流的适用于单端电源系统的故障定

位方法。

1982 年 Takagi 和 1983 年 A.Wisznicwski 先后提出利用故障前后的电气量，将电

力网络分解成正常状态网络和故障分量网络，考虑负荷电流的影响，并且求取故障分量电

流分布系数解决两侧系统阻抗的影响。

1985 年 L.Eriksson 考虑了系统的运行方式变化的影

响，提出了远端馈入补偿算法，应用解二次方程的方法求解故障距离。

1988 年 Sachdev 和

Agaral 提出了最早的双端测距思想。

国内从八十年代也开始了故障测距的研究。

利用暂态

行波对输电线路的故障测距进行了深入的研究，促进了行波测距的应用和发展。

对另外对

单端故障测距进行了系统的研究，对双端测距、T 型线路、直配线路等进行了全面的研究。

故障测距又称故障定位，对于输电线路来说，是指在线路发生故障后，根

据不同的故障特征，迅速准确地测定出故障点的位置。

现有的故障测距算法按

其工作原理可以分为行波法、阻抗法、故障分析法、智能化测距法。

由于阻抗

法和故障分析法本质上没有区别，都是分析短路后的故障特征量，利用短路计

算的逆运算求解故障距离。

因此把阻抗法和故障分析法统称为故障分析法。

1.3.1.1 行波法

行波法是根据行波理论现实的测距方法，始于上个世纪五十年代，随着六

十年代多传输线的行波传播规律的更为深入的研究和计算机技术的应用，行波

测距的理论和技术得到了长足的发展，行波测距的装置现已广泛应用于电力系

统。

行波测距方案可分为 A、B、C 三类。

A 型测距原理是根据测量点到故障点往返一次的时间和行波波速确定故障

点的距离。

这个测距装置比较简单，只能装置在一端，不要求和线路对侧进行

通信联系。

不受过渡电阻影响，可以达到较高的精度。

但是，A 型测距要求记

录行波波形，而故障暂态信号只持续很多的时间，为保证有足够的精度，应采

用足够高的采样率，因此 A 型行波测距对硬件要求比较高。

B 型测距是根据故障点产生的行波到达线路两端的时间并借助于专用通道

的通信联系实现测距的。

由于这种测距装备利用的是故障点产生的行波第一次

到达两端的信息，因此不受故障点投射波的影响，实现起来困难较小。

但是 B

型测距对通道有高要求，使得投资巨大，目前难以在国内广泛采用。

C 型测距装置是故障发生后由装置发射高压高频或直流脉冲，根据高频脉冲由

装置到故障点往返时间进行测距。

这个装置的工作原理和雷达相同，只是行波

沿电力线路传播而已。

对于瞬时性故障，C 型测距靠人为施加雷达信号往往测

不到故障。

另外，高压脉冲信号发生器造价昂贵。

由于通道技术条件的限制，

高压脉冲信号强度不能太高，故障点反射脉冲往往很难与干扰相区别，种种因

素都限制了 C 型测距的发展。

1.3.1.2 故障分析法

故障分析法依据电压电流的测量值，通过故障分析根据各种特征构造各种

原理（如阻抗与距离成正比，用两端数据计算到的故障点电压相等，过渡电阻

的纯阻性等）的测距方程，进行故障测距。

事实上，在线路参数已知的情况下，

输电线路某处发生故障时，线路两端的电压电流均为故障距离的函数，其实质

是短路电流的逆运算。

故障分析法由于简单易行，对设备要求较低，投资小，获得了广泛的运用。

早起的故障分

析方法主要是利用单端电气量的测距算法，常见的单端算法主要有工频阻抗法[3]，解微方

程算法[4]，零序电流相位修正法[5]，故障电流相位修正法[5,6]，解二次方程法[7,8]，对称分量

法[9]，解一次方程法[10]，网孔方程法[11]。

上述单端测距算法都无法从原理上同时消除过渡

电阻和对侧系统阻抗的影响。

制约了单端测距的发展。

随着通道的发展，能够较为容易的

获得对侧的电压电流，因此双端测距方法逐渐发展起来。

1.3.1.3 智能化测距法

近年来，将智能理论引入故障测距的算法研究越来越多，其中神经网络和

模糊理论居多。

各种智能技术之间的交叉结合，如模糊专家系统，模糊网络神

经，神经网络专家系统等相继提出，但大多数还处于研究阶段，还有待于各种

智能技术的发展和成熟，相关科学成果如小波变换、遗传算法、卡尔曼滤波技

术、模式识别技术、概率与统计决策方法等也被引入到故障测距中。

1.3.2 故障测距的基本要求

在不同场合，对故障测距的要求也不尽相同。

但是要满足现场应用的需要，

对算法有以下几点基本要求：

（1）可靠性

要求在故障发生后能可靠地进行测距，无论何种故障类型和故障条件，不能因为测距

方法内在缺陷出现测距结果的发散情况。

而在无故障情况下，不能错误地启动故障测距。

（2）准确性

保护装置中，为了满足继电保护的技术要求，除了测距的精度外，更注重的则是如何

快速地得到这一结。

而在继电保护信息管理系统中，由于是离线（或准在线）系统，对于

时间无严格要求，所以更注意的是测距精度，没有足够的准确性就意味着测距失败。

（3）实用性

要求故障测距算法不受故障类型、系统运行方式、过渡电阻及其故障距离等的影响，

在各种情况下均能获得较高的精度。

在实际使用中，能减少人的工作量，方便易用。

（4）经济性

易于实现，且转化成装置时对元件、材料等要求适当，成本低，生产的测

距装置物美价廉，运行维护费用低，能够推广使用。

1.3.3 输电线路故障测距研究的现状

迄今为止，国内外已有大量探讨输电线路故障测距的文章发表，有些测距装置已投入

现场运行。

而且随着通信技术和数字计算机的发展，故障测距已经能够方便的获得对侧的

信息并且测量装置的硬件计算处理能力大大增强，能够满足复杂的运算。

1.3.4 行波法存在的问题

众观现有的行波故障定位法，尚有几个问题有待解决：

（1） 线路两端非线性原件的动态延时

电流互感器是提取电流行波的耦合元件，其二次侧的时间常数按试验数据估计一般约

为百微秒[12]，但要受铁芯饱和及剩磁影响，这将使电流互感器的动态时延具有较大的分散

性；行波起动元件也有分散延时，在新型 B 型故障定位算法中，1 微秒的时间误差所对应

的最大定位误差约 300 米，而这种由耦合和启动等非线性元件引起的分散性动态时延对行

波法定位精度的影响，在现在的文献中还几乎没有定量考虑。

（2） 波速的影响

在行波故障定位方法中波速是主要的影响因素，而其计算取决于大地电阻率和架空线

的配置。

高压线路线的地质条件相当复杂，不同的地质段的土壤电阻率有不同取值，且与

气候密切相关。

而现在的行波故障定位法是建立在假设行波在输电线路上固定的传播波速

[13]。

1.4 论文研究的主要内容

对于电力系统输电线路的故障测距研究，至今还要一些尚未很好解决的问题。

本文的

研究工作正是围绕着这些问题展开。

主要的内容和安排如下：

（1）在查阅大量参考文献的基础上，总结了目前国内外输电线路故障测距的基本方法和

原理，并对各种测距方法的应用情况和优缺点进行了分析比较;对输电线路的波过程基本理

论和行波测距的基本原理进行了较详细的阐述。

（2）分析行波发法单端和双端测距的基本原理，分别分析影响单端测距和双端测距的因

素。

（3）在信号采集中，本文首先对信号进行变换，其次进行滤波和放大，最后通过比较器

进行比较，这样可以消除外界因素的干扰及装置误启动现象，提高了装置测距的可靠性。

（4）对以往各种高速采集电路的工作原理和性能特点进行了分析，并结合当前微电子技

术，提出了一种 CPLD 现场可编程器件等技术，设计出了高速数据采集电路，实现了多次

连续、无死区记录超高速暂态数据采集系统，克服“漏记故障”现象，提高基于暂态信号

的电力系统监视、控制、保护装置的可靠性。

（5）通过试验验证了该实验装置的可行性和采集结果的可信性。

其用于输电线路故障测

距，成功捕捉到了现场的实际故障波形，进一步证明系统的开发

是成功的。

第 2 章现代行波测距原理

2.1 行波的基本概念

在传输线间加上电压并有电流流过时，在传输线及其周围空间建立了电场

和磁场。

如果激励电压随时间变化，则上述电场和磁场也将随时间变化。

时变

电磁场的普遍规律决定了传输线上的电压和电流随时间和空间而变化的规律。

因此，可以说传输线上的电流电压的变化规律，就是电磁场在空间变化的体现。

电磁场是以波的形式向周围传播的，所以电流电压也是以波的形式在传输线上

传播的。

当在电力系统没有故障的时候，电流电压的波形是 50 赫兹的正/余弦

ri

∂t

丰

对维护系统的稳定和安全将十分有利。

当输电线路发生故障时，由于输电线具有分布电容和电感的存在，所以故

障电压会以电场的形式以一定速度向线路两端运动，即形成电压波。

同时又会

有与电压相对应的电流流过，并形成磁场，这个运动的电流就是电流波。

图 2.1单导线等值电路

现在以单导线等值电路为例，在具有分布参数输电线路中，若假设每单位

长度导线的电感及电阻为 L 及 r，每单位长度导线的对地电容及电导为 c 及 g，

rdxLdxrdxLdxrdx

则线路的等值电路如图 （2.1）所示。

由等值电路图可描述出行波的数学表达式，得如式（2.1）所示的如下方程：

Ldx

Cdx

gdx

Cdx

gdx

式（2.1）

式中：

x 为测量点的位置坐标；

t 为观察时的时刻；

L、r、C、g 为等值线路中的参数；

u、i 为故障分量电压与电流。

严格地说，输电线的 L、x、c、g 都是频率的函数。

但一般输电线的对地

电导 g 较小，而以地为回路的线路电阻:

要引起波形的衰减和变形，其影响将随

波的传播距离而增加，为了分析方便，假设 L、r、C、g 均为常数，且 r=0，g=0。

此时线路为无损，本文仅论及无损线路的行波过程。

这样对单相无损的分布参数线路的波动方程可简写为：

式（2.2）

对式（2.2）进行拉式变换求解，可得：

式（2.3）

式中， v =

⎧ ∂u ∂i

⎨

称为波阻抗；

ZC =

L

C

为电压和电流行波沿输电线路

传播的速度，称为波速。

u+，u-分别表示正向行波电压和反向行波电压；i+i-分别表示正向

电流和反向行波电流。

⎪

电压或电流，等于通过该点的正向行波和反向行波电压或电流之和；正向行波电压与正向

⎪⎝v ⎭v ⎭

1

+

但是均匀传输线的波阻抗与电路中阻抗的概念不同。

因其具有阻抗的量纲，

称为均匀输电线路的波阻抗，单位为欧姆，其值取决于单位长度线路的电感 L。

和对地电

容 c。

，波阻抗与线路长度无关。

在真空中，波速为 300，000Km/s，对电缆来说，因其单

位长度对地电容 CO 较大，故电缆中的波速一般约为 1/2~2/3 光速。

⎛

⎝

⎛

⎝

t <

t ≥

x

v

x

v

式（2.4）

式中，C 为常数。

当时间由 t1 ，变到 t2 时，电压值不变，就必须满足 t -

x

v

= C ，再微分可得：

dx

dt

= v

式（2.5）

由前可知，正向电压行波 u1 ，与正向电流行波 i1 ，同极性;反向电压行波。

 u2 与反向电流

行波 i2 极性相反。

线路上的正向行波和反向行波，并非在任何时刻和任何情况下都同时存在。

有时可能

只有正向行波，例如直流电势合闸于线路，将有一与电源电压相同方向的正向电压行波，

自电源侧向线路末端运动。

在正向电压行波到达线路末端之前，线路上只有正向行波，没

有反向行波。

需要强调的是，当线路上某点的正向行波与反向行波同时存在时，则该点的

电压与电流之比并不等于波阻抗，即

ZC ≠

u1 + u2

i1 + i2

式（2.6）

从电磁场的角度来说明行波在无损线路上的运动。

当行波在无损导线上传

播时，在行波到达处的导线周围空间建立了电场和磁场，电场强度和磁场强度向量互相垂

直并且完全处于垂直于导线轴的平面内，成为平面电磁场。

因此，行波沿无损导线的传播

过程就是平面电磁场的传播过程。

2.2行波源

在电力系统发生接地故障的瞬间，故障点的电压为零。

根据迭加原理，故

障点电压可视为故障前的瞬间电压稳态和与其反相的同幅值故障暂态电压的迭

加。

因此，故障后的电力系统可以分成两部分，一部分是正常运行的系统网络；

另部分是故障附加状态网络。

正常运行的系统网络就是故障前正常运行的网络，

故障附加状态网络只在故障后发生出现，作用在该网络中的电源就是与故障前

该点电压数值相等但方向相反的等效电压源（设为 E（t））。

该电源称为行波源，在该电源的

作用下，故障附加网络将只包含故障分量的电压和电流。

因此分析

故障后系统的暂态行波，就是分析故障后电力系统的故障附加状态网络中的行

波。

2.3 行波的发射和折射

2.3.1 反射波和折射波产生的原因

输电线路发生故障时，故障产生的电压和电流行波在故障点及母线之间来

回反射，大多还将发生折射。

输电线上各点电流电压波形是反射和折射叠加的

结果。

如架空输电线路为无限长均匀输电线，电压行波 u 和电流行波 i 之间的关系

由波阻抗 Z 决定。

此时，电磁波在传播过程中向周围介质散发功率，对波源的电

源而言，无限长均匀输电线可以用一等值电阻 R=Z 来表示。

若将输电线路看作是

一个均匀的分布参数元件，行波在沿线路传播时，所遇到的波阻抗是不变的。

但是当行波传播到线路与其它电力设备的连接点时，电路参数会发生突变，波

阻抗也随之发生突变，电压和电流行波在线路上建立起来的传播关系也就被破

坏。

这时会有一部分行波返回到原输电线路上，另一部分则通过连接点传至其

它电路环节中，这种现象称为行波的反射和折射现象。

由线路传向连接点的行

波称为入射波，由连接点返回到原线路上的行波称为反射波，而传播到其它电

路设备上的行波称为折射波。

并且这些行波在连接点处都满足基尔霍夫定律。

2.3.2 反射波和折射波的计算

输电线路上的行波沿线传播时，若通过具有不同波阻抗的两条线路连接点

时，即遇到线路参数或波阻抗不连续时，必然发生电压与电流的变化，即发生

行波的反射和折射现象，如图 （2.2）所示。

U1

I1r

U 2

I2z

Z1

r                          z

1                          2

U1

I1 f

f

Z2

图 2.2 行波的反射和折射现象

当电压正向行波 u1r ；沿线路 1 传播时，为了保持单位长度导线的电场和磁场能相等的

规律，在线路 1 和线路 2 参数不相等的情况下，必然发生电压与电流的变化，即发生行波

的反射和折射现象。

如图（2.2）所示，电压波沿输电线 1 入射，

在到达点 F 之前，输电线上只存在正向前行电压波 u1r ;和与之相对应的电流波前行波 I1r ，

在到达点 F 后发生反射和折射，产生了沿输电线 1 反行的电压波 u1 f 、电流波 I1 f 以及沿输

电线 2 前行的电压波 u2z 和电流波 I2