基于暂态电流的高压输电线的故障检测

单金灿，王爱玉，胡亚超，赵峰印（山东科技大学电气与自动化工程学院，山东青岛，66590）



基于暂态电流的高压输电线的故障检测

单金灿1，王爱玉2，胡亚超3，赵峰印4
（山东科技大学电气与自动化工程学院，山东青岛，266590）

摘要：针对高压输电线故障存在检修困难、故障点定位误差较大和易受外部因素影响等问题，本文根据行波传输理论以故障电流行波为测量对象，提出一种基于暂态电流的高压输电线路单端故障测距算法。现以某区电网高压输电线路故障为例，利用MATLAB构建仿真模型进行仿真。由仿真结果可以看出：所采用的故障测距算法不仅计算简单，而且测距精度较高。

关键词：故障测距；小波变换；测距误差；仿真分析

0　引言

随着我国电网规模的日益扩大，高压输电线路越来越多。高压输电线路是输电系统的命脉，对电力系统的安全稳定运行具有重要作用。由于高压输电线路分布范围比较广，所以高压输电线路故障巡检十分困难，且难以分析故障特点。因此，良好的故障点定位算法既保证了电网的安全稳定运行，又节约了故障处理时间。

故障测距方法按照测距原理可分为阻抗法、故障分析法和行波法。阻抗法是根据测量故障电压与电流量来确定线路故障点，此方法比较简单，但精度较低。故障分析法与阻抗法一样，虽然方法简单经济，精度却不高。行波法是依据故障行波在输电线路中传播来实现故障测距的，其精度不受线路故障电阻的影响。

本文通过分析暂态电流行波，把小波变换方法应用到行波测距中，提出了基于暂态电流的单端故障测距算法。

1　暂态电流行波分析

在电力系统中，输电线路发生故障时在故障点会产生暂态行波，如图1所示，其沿着输电线路从故障点向线路两端传播。

图1　暂态行波沿输电线的传播示意图

在分析故障行波传播过程时，可以将输电线路进行等效，其参数等效电路如图2所示。

图2　输电线参数的等值电路

若输电线路为无损线路，则由此可得到如下波动方程组：

由波动方程组可解得线路M端和N端的故障电流行波解析表达式为：

2　小波变换

由于检测到的信号是奇异的，所以小波变换十分合适分析这类信号。设表示故障电流行波（或），为基小波函数，为伸缩因子，b为平移因子。

二进小波变换具有平移不变性，因此本文采用Daubechies （dbN） 小波系为基小波，进行小波变换。

3　故障测距算法

在电力系统中，由于故障点产生的行波沿着线路向线路两端运动，所以输电线路故障测距精度容易受到暂态行波传播波速的影响。根据小波的奇异性原理，利用小波变换实现对暂态电流行波的分析，并通过检测故障行波到达测量端的时刻，来实现单端故障测距，如图3所示。

图3　单端故障测距原理示意图

图4　高压输电线的仿真模型图

由图3所示，可以列出如下方程组：

解方程组得：

由测距公式可以看出:故障点距M端的距离与行波传播波速无关，从而避免了行波的传播波速影响故障测距。同时，该方法不需要同步GPS时钟，减少了设备，降低了投资成本。

4　仿真分析

为了验证本文所提出的测距算法，本文以在0.01s时刻发生A相接地故障为例。接地电阻设置为4，采样频率为1MHz，并利用MATLAB构建模型进行仿真分析，其仿真模型图如图4所示。

表1　仿真输电线路单位参数

图5　电流行波的线模分量

图6　电流行波线模分量的4层小波分解

图7　模极大值点序列

由上图可以看出模极大值点所在的采样序列分别为：10051、10112、10094。由于故障时刻等于信号对应奇异点的采样序列除以采样频率，所以、、

。

由测距公式（3-2）可求出故障点位置：

相对误差为：

同理可求得高压输电线路发生不同类型故障时的仿真测距结果及其相对误差，如表2所示。由表2可以看出，本文采用的故障测距算法具有较高的定位精度。

5　总结

本文分析了高压输电线路故障暂态电流行波，通过分析行波在线路中的传输过程，提出了不受波速影响的单端行波测距算法。利用MATLAB构建模型仿真分析，并对电流行波的线模分量进行多尺度小波分解，从而根据行波波头到达母线测量点的时刻及测距公式，求出故障点位置。由仿真结果可以看出：本文所采用的故障测距算法不仅提高了测距精度，而且减少了投资成本。

参考文献

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［5］董新洲，刘建政，余学文.输电线路暂态电压行波的故障特征及其小波分析［J］，电工技术学报，2001，16（3）：57-61.

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［7］李清改.基于行波法的输电线路故障测距研究［D］.河南：河南理工大学，2010.

The Fault Location of High Voltage Transmission Line Based on Transient Current

Shan Jincan1，Wang Aiyu2，Hu Yachao3，Zhao Fengyin4
（College of Electrical Engineering and Automation，Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266590，China）

Abstract：According to the theory of travelling wave transmission，this article puts forward the singleended fault location algorithm of high voltage transmission based on transient current，which isn’t affected by the line wave velocity.The method mainly aims at the problems that the faults of high voltage transmission line are difficultly inspected by the artificial and affected easily by natural factors， whose error is bigger in positioning the fault point.This article takes the high voltage transmission line fault of a district power grid for example to build a simulation model for simulation and analysis by MATLAB. The algorithm of fault location adopted by the article is effective and able to improve the precision of ranging by the results of simulation and analysis.

Keywords：fault location；wavelet transform；range error；simulation and analysis

作者简介

单金灿（1991-），男，山东人，硕士研究生，主要从事电力系统及其自动化等方面的研究。

王爱玉（1988-），男，山东人，硕士研究生，主要从事电力传动及其控制系统、电力系统及其自动化等方面的研究。

表2　不同位置发生不同类型故障时的仿真测距结果