现代行波测距技术及其发展方向探讨

现代行波测距技术及其发展方向探讨二次技术部**摘要：本文详细阐述了基于单条输电线路、电流行波的单端测距法、双端测距法和三端测距法的原理及算法，并对其发展方向进行讨论。

行波测距法具有测距精度高、定位速度快的优点，在电力系统中有广泛的应用前景，是今后输电线路故障定位领域的重要发展和研究方向。

关键词：行波定位故障测距输电线路1、前言电力系统中输电线路的准确故障测距有利于迅速定位故障点，缩短故障修复时间，对提高系统供电可靠性、减少停电损失具有重要意义。

基于行波的故障测距技术受互感器饱和特性、系统运行方式、过渡电阻和线路负荷影响较小，故其研究和应用越来越广泛。

输电线路上的行波是指沿线路按一定速度运动的电压、电流波。

对于输电线路的行波故障测距有一定的发展历程：1、早期行波故障测距技术是通过测量电压行波在故障点及母线之间的传播时间进行测距，由于需专用行波信号耦合设备，价格昂贵；采用高速拍照方式记录行波波形，可靠性差等没有得到推广应用。

2、利用工频分量的故障测距技术是利用测量点的电压相量和电流相量之间的关系进行测距，其测距精度受电压、电流互感器变换误差、三相不对称等影响。

3、现代行波故障测距技术由于其使用范围广、定位速度快、测距精度高等优点，故在电力系统中获得了越来越广泛的实际应用[1]。

2、现代行波测距技术行波分为稳态行波和暂态行波，稳态行波是指系统正常运行时沿线路传播的行波；暂态行波是指系统运行过程中突然出现，而后又逐渐消失的行波，具有突变性，更利于分析研究。

利用线路发生故障时产生的暂态行波实现故障定位的行波测距具有准确性高、受系统运行方式影响小等优点，且已经成功应用于输电线路[2]。

线路故障在线路上某一点产生的暂态行波分量可以利用该点的暂态电压、电流故障分量的线性组合来提取，而电流行波相比电压行波有较大的幅值且上升速度快的特点，因此利用故障电流行波比利用电压行波检测灵敏度高。

并且科汇利用普通的电流互感器耦合电流行波，通过数字仿真分析即对实际TA进行测试，证明其实现简单、成本低、灵敏度高。

因此在本文中讨论到的行波主要是电流行波，以下主要叙述基于暂态电流行波的单端测距法、双端测距法和三端测距法。

2.1 A型单端测距法单端测距法利用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，其原理图如图1所示。

图1 A型单端测距原理图算法1：利用由故障点F所产生的暂态行波第一个行波波头（初始行波）到达本侧母线，经本侧母线反射后再由故障点反射回来到达本侧母线的时间TS2与初始行波时间TS1的时间差∆t，还有行波波速V进行故障测距。

则故障点F距母线S端的距离为：Xs=12 V∆t=12V(T s2−T s1)（1）一般情况下，初始行波与故障点反射波极性相同，而与对端母线反射波相反。

因此，从波形可以区分是从故障点反射过来的行波还是从对端母线反射过来的行波。

但是，利用这种方法在单相接地故障的情况下，行波的第二个波头很难测到。

算法2：三相线路各相之间存在着电磁耦合，一般通过相模变换将三相行波分解为线模和零模两种独立的行波模量来分析简化求解过程。

只要准确找到检测点的线模和零模波头之间的时间差，就可以算出故障位置。

仍以图1为例，设V1为线模速度，V0为零模速度，线模分量到达S点的时间为t s1，零模分量到达S点的时间为t s0，故障发生时间为t，则在S点对于线模分量有：Xs=V1(t s1−t)（2）在S点对于零模分量有：Xs=V0(t s0−t)（3）式（2）和（3）消去故障时间t有：Xs=V1V0 (t s0−t s1)V1−V0（4）式（4）即用来计算故障点F到母线S端距离的公式，故障点F到对侧母线R端的距离公式同理。

2.2 D型双端测距法双端测距法利用故障行波到达线路两端的时间差进行测距，其只需检测故障点初始行波到达两测量端的准确时间即可完成定位，不需要分析识别反射波，测距可靠性高[3]。

其原理图如图2所示。

图2 D型双端测距原理图算法1：利用由故障点F所产生的暂态行波的初始行波到达两侧母线S、R 的时间，还有线模波速V1进行测距。

设线路总长为L，故障发生时刻为t，行波初始波头到达两侧母线S和R的时间分别为TS 和TR，则利用故障点F到母线S的距离与故障点F到母线R的距离之和为线路总长L的关系，即可求解故障点F 到母线S的距离为：Xs=12[(T S −T R)V1+L]（5）以上算法是以线模波速受各种因素的影响很小为基础，即其波动在工程误差范围之内。

但是无论哪种模波，在线路上传播的速度都是不确定的，各模量的波速度受气候和线路的运行条件影响也很大，基于此提出消去波速的测距算法 [4]。

算法2：以图2为例，设V1为线模速度，V0为零模速度，线模分量到达S点的时间为T S1，到达R点的时间为T R1，零模分量到达S点的时间为T S0，到达R 点的时间为T R0，线路总长度为L，故障发生时刻为t。

则在S和R点对于线模分量分别有：Xs=V1(T S1−t)（6）L−Xs=V1(T R1−t)（7）在S和R点对于零模分量分别有：Xs=V0(T S0−t)（8）L−Xs=V0(T R0−t)（9）由式（6）和（7）可得：设A=T S1−T R1=Xs V1−L−XsV1（10）由式（8）和（9）可得：设B=T S0−T R0=Xs V0−L−XsV0（11）由式（6）和（8）可得：设C=T S0−T S1=Xs V0−XsV1（12）式（10）、（11）和（12）消去V0和V1有：Xs=LCA−B+2C（13）式（13）即用来计算故障点F到母线S端距离的公式，这种方法完全消除了波速变化对测距精度的影响。

2.3 三端测距法三端测距法[5]是在双端测距原理的基础上提出的一种新型测距方法。

利用检测故障点初始行波到达故障线路本端S、对端R以及相邻线路对端P的时间TS、T R 、TP进行测距，其原理图如图3所示。

图3 三端测距原理图图3中，X1为故障线路，X2为相邻线路，故障点F距本侧母线S端、对侧母线R段的距离分别为d2和d1。

设电流行波的传播速度为V，故障发生时刻为t，故障行波初始波头到达两侧母线S和R的时间分别为TS 和TR，到达相邻母线P的时间为TP。

假设故障行波在线路SR、SP上的传播速度是相同的，均为V，根据图3中各关系即有：d2=V(T S−t)d1=X1−d2=V(T R−t)（14）X2=V(T P−T S)由式（14）即可计算出故障点F距离本侧母线S 端的距离为：d2=X12+X2(T S−T R)2(T P−T S)（15）利用该方法，在已知相邻两段输电线路长度的情况下，只需测量故障初始行波到达三个测量端的时间即可测量出故障点距离测量点S的距离，可达到较高的测距精度。

3、存在问题及发展方向行波测距法具有操作方法简单、成本较低、精度较高等优点，因此越来越受到国内外学者的关注。

但在实际中，也存在一些问题尚待解决：反射波的自动识别问题；行波信号及波速的不确定性问题；用于行波传变的电子式互感器的成熟研制；精准对时的行波测距装置的研究；波速确定的精确性与测距误差之间的有效控制；不同波头检测方法的相互配合与行波测距的有效结合等问题[3]。

基于存在以上问题，未来行波测距法的研究空间很大，其方向主要有：自动识别故障行波波形进行故障定位算法的研究；有效获取行波暂态信号的电子式互感器的研制；精准对时的行波测距装置的研制；基于如何针对不同的线路及故障类型选择算法分析可得到最好的效果；混合的综合电力系统故障测距方法的研究；新的行波理论和相关新技术的应用结合等。

针对现有直流输电工程中，直流输电线路保护在直流输电控制与保护平台中嵌入运行，未来将研究设计独立的直流输电线路保护屏柜；由于数字化行波测距装置所需求的高频波信号的频带较宽，而目前的物理网络宽带有限，未来将研究更加实用的行波采样值传输方法。

总体来讲，未来会进一步扩展原有行波测距系统的功能，提高行波测距系统的灵活性、实用性和可靠性。

4、结束语输电线路故障测距的方法及故障测距装置的研制已成为当今最热门的研究课题之一[4]。

尤其是近些年来，随着小波理论的成熟以及计算机技术的发展，基于行波法测距来定位输电线路的故障将是一个非常有效的方法。

并且随着行波测距系统运行经验的不断积累和完善，相信行波测距法将会被进一步发掘完善，成为未来输电线路故障的主要精确定位方法。

参考文献[1] 梁睿，靳征，刘建华. 基于故障特征频率的单端行波测距新方法[J]. 电力系统保护与控制，2013，41（15）：7-13.[2] 葛耀中. 新型继电保护和故障测距的原理与技术[M]. 2版. 西安：西安交通大学出版社，2007.[3] 何军娜，陈剑云，艾颖梅，林鹏，冯秋实. 电力系统行波测距方法及其发展[J]. 电力系统保护与控制，2014，42（24）:149-150.[4] 时昌盛，苏良虎. 行波测距在电力系统中的应用. 湖北：三峡大学. 2010.[5] 郭安明，钟俊，王永洪，等. 基于复小波的输电线路行波三端测距算法[J]. 电力系统保护与控制，2012,40（7）：100-104，111.。