单端行波法在输电线路故障测距中的应用

刘团结++胡艳丽++杨国诗++季学斌

摘要：本文在分析输电线路故障测距方法研究现状的基础上提出了单端行波故障测距方法，并对测距原理进行介绍，这类方法不受故障电阻和线路类型的影响。另外，文章对单端行波法的三种算法的理论基础和适用范围进行了论述。通过比较，主频率法和求导数法具有一定的局限性，而小波分析法适用范围较广，方法简单，且能提高测距定位的精确性。

关键词：单端行波 故障测距 输电行路 定位

中图分类号：TM755 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2014）08-0115-01

1 引言

随着电力系统的不断发展，输电线路中电力电缆的使用范围逐渐增大，长度也越来越长，输电线路一旦出现故障，不但会影响企业生产效率，严重时会影响居民的正常生活。如果停电时间越久，工农业及企业生产造成的损失也越大。所以，能否及时找到输电线路的故障点，找到故障原因，就显得尤为重要。目前，断线、供电设备老化、两相接地、单相接地、两相短路、三相短路等故障在输电线路中发生较多。

自上世纪80年代以来，故障测距研究就成为了国内外研究的一个热门话题。原始的故障排除方法比较落后，大多是人力巡线，花费的时间较长。常用的故障测距方法有两类：阻抗法和行波法。阻抗法是虽然在技术上取得了较好的成果，但阻抗测距与线路参数联系相当紧密，比如分布电容、电压电流互感器、故障点电阻等。而且，该方法对于高阻接地及多端电源线路由一定的局限性，在直流输电线路测距中也不适用。行波测距方法不受故障电阻和线路类型的影响，测距误差小于1km，测距精度也高于阻抗法测距。经过比较，本文采用行波法研究输电线路故障测距。

2 单端行波故障测距原理

当输电线路故障发生时，在故障点处电压和电流也会发生突变，而且会产生高频暂态行波。行波测距原理如下：在输电线路一端注入一电压脉冲，脉冲在输电线路中进行传输，当遇到故障点时会发生反射，在输电线路测量端安装脉冲波形接收装置，通过分析接收到的波形，便可找出返回脉冲与发送脉冲的时间间隔，从而计算出故障距离。另外，通过反射脉冲的极性还能判断出线路故障性质。行波的反射和折射示意图如图1所示。

若为行波波速，为故障初始行波第一次到达测量点的时间，为初始行波从故障点反射回测量点的时间，为线路测量处到故障点的距离，则其计算公式为：

假设为特性阻抗，也就是行波电压与行波电流之比，即是入射波电压与入射波电流之比；为等效阻抗，也就是输电线路上任一点的总电压与总电流之比。为反射系数，反应了反射波与入射波的比值关系，其表达式如公式1。

3 单端行波故障测距算法

在输电线路故障测距中，常用的单端行波测距算法有主频率法，求导数法，小波分析法等，下面对算法进行简单介绍和比较。

3.1 主频率法

公式中，是行波传播速度，是故障距离，为主频率。该方法的基本思想是一旦输电线路发生故障，产生的行波信号中主要频率成分是故障距离的函数，也就是故障距离由行波信号中最强谱频率分量来决定。虽然该方法比较简单，但在实际故障检测中，在测量端得到的行波成分比较复杂，不但有故障点反射波，还有端母线和相邻母线的反射波。该方法对这些行波的具体性质无法区分，因此不能直接用于现场，具有一定的局限性。

3.2 求导数法

当故障发生时，反向行波信号到达检测点时会发生性质突变，在突变点导数会出现极大值，计算其一阶或二阶导数的绝对值，判断是否超过设定的阈值，这样可以检测行波到达母线的时刻。初始行波信号检测得到后，不断检测反向行波信号，判断其一阶导数是否超过阈值，根据此可以判断故障点的反射波是否到达母线。

采用求导数法，容易实现故障测距，但是该方法对噪声干扰极为敏感，而且对于故障距离较远时，测距不准确，测距精度也不高。

3.3 小波分析法

输电线路一旦发生故障，其暂态行波具有突变的性质。传统的一些分析方法（比如求倒数法，微分法等）具有一定的局限性，它们受输电线路频率特性和噪声的影响比较大。小波分析法能够捕捉信号的突变点（奇异点），而且在时域和频域范围能同时适用。奇异性检测理论内容如下：如果函数在某点间断或某阶导数不连续，则称该函数在该点有奇异性；如果函数在它的定义域内无限次可导，则称函数不具有奇异性。一个突变的信号在其突变点必定是奇异的。如果想要检测一个信号的奇异点，对此信号进行小波变换，通过变换找到模极大值，该点就是信号的一个奇异点。信号的奇异点检测是小波在故障测距信息分析中的优势。小波变换同时具有良好的消除噪声的功能和分频特性，能快速地提取行波信息。对行波信号进行噪声消除是提高故障测距可靠性的一个重要手段。

与其他方法比较，小波变换法可以提高判断行波到达时刻的准确性及可靠性，也能提高对抗干扰能力的正确判断，适用性广泛。

4 结语

本文对输电线路发生故障时产生的暂态行波过程进行了理论分析，并介绍了行波法测距的基本原理，再此基础上介绍了主频率法、求导数法及小波分析法的适用范围及优缺点。通过比较发现小波分析算法能在复杂的输电线路故障情况下判断出故障的位置和性质，测量信息精确且方法简单，具有一定的发展前景。

参考文献

[1]肖东晖，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）：46-53.

[2]党锴钊.行波技术在配电线路接地故障检测中的应用[J].低压电器，2013，12：47-50.

[3]蒋涛.基于暂态行波的输电线路故障测距研究[D].南京：东南大学，2005年.

[4]何正友，钱清泉.电力系统暂态信号的小波分析方法及其应用[J].电力系统及其自动化学报，2002，14（4）：1-6.endprint

摘要：本文在分析输电线路故障测距方法研究现状的基础上提出了单端行波故障测距方法，并对测距原理进行介绍，这类方法不受故障电阻和线路类型的影响。另外，文章对单端行波法的三种算法的理论基础和适用范围进行了论述。通过比较，主频率法和求导数法具有一定的局限性，而小波分析法适用范围较广，方法简单，且能提高测距定位的精确性。

关键词：单端行波 故障测距 输电行路 定位

中图分类号：TM755 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2014）08-0115-01

1 引言

随着电力系统的不断发展，输电线路中电力电缆的使用范围逐渐增大，长度也越来越长，输电线路一旦出现故障，不但会影响企业生产效率，严重时会影响居民的正常生活。如果停电时间越久，工农业及企业生产造成的损失也越大。所以，能否及时找到输电线路的故障点，找到故障原因，就显得尤为重要。目前，断线、供电设备老化、两相接地、单相接地、两相短路、三相短路等故障在输电线路中发生较多。

自上世纪80年代以来，故障测距研究就成为了国内外研究的一个热门话题。原始的故障排除方法比较落后，大多是人力巡线，花费的时间较长。常用的故障测距方法有两类：阻抗法和行波法。阻抗法是虽然在技术上取得了较好的成果，但阻抗测距与线路参数联系相当紧密，比如分布电容、电压电流互感器、故障点电阻等。而且，该方法对于高阻接地及多端电源线路由一定的局限性，在直流输电线路测距中也不适用。行波测距方法不受故障电阻和线路类型的影响，测距误差小于1km，测距精度也高于阻抗法测距。经过比较，本文采用行波法研究输电线路故障测距。

2 单端行波故障测距原理

当输电线路故障发生时，在故障点处电压和电流也会发生突变，而且会产生高频暂态行波。行波测距原理如下：在输电线路一端注入一电压脉冲，脉冲在输电线路中进行传输，当遇到故障点时会发生反射，在输电线路测量端安装脉冲波形接收装置，通过分析接收到的波形，便可找出返回脉冲与发送脉冲的时间间隔，从而计算出故障距离。另外，通过反射脉冲的极性还能判断出线路故障性质。行波的反射和折射示意图如图1所示。

若为行波波速，为故障初始行波第一次到达测量点的时间，为初始行波从故障点反射回测量点的时间，为线路测量处到故障点的距离，则其计算公式为：

假设为特性阻抗，也就是行波电压与行波电流之比，即是入射波电压与入射波电流之比；为等效阻抗，也就是输电线路上任一点的总电压与总电流之比。为反射系数，反应了反射波与入射波的比值关系，其表达式如公式1。

3 单端行波故障测距算法

在输电线路故障测距中，常用的单端行波测距算法有主频率法，求导数法，小波分析法等，下面对算法进行简单介绍和比较。

3.1 主频率法

公式中，是行波传播速度，是故障距离，为主频率。该方法的基本思想是一旦输电线路发生故障，产生的行波信号中主要频率成分是故障距离的函数，也就是故障距离由行波信号中最强谱频率分量来决定。虽然该方法比较简单，但在实际故障检测中，在测量端得到的行波成分比较复杂，不但有故障点反射波，还有端母线和相邻母线的反射波。该方法对这些行波的具体性质无法区分，因此不能直接用于现场，具有一定的局限性。

3.2 求导数法

当故障发生时，反向行波信号到达检测点时会发生性质突变，在突变点导数会出现极大值，计算其一阶或二阶导数的绝对值，判断是否超过设定的阈值，这样可以检测行波到达母线的时刻。初始行波信号检测得到后，不断检测反向行波信号，判断其一阶导数是否超过阈值，根据此可以判断故障点的反射波是否到达母线。

采用求导数法，容易实现故障测距，但是该方法对噪声干扰极为敏感，而且对于故障距离较远时，测距不准确，测距精度也不高。

3.3 小波分析法

输电线路一旦发生故障，其暂态行波具有突变的性质。传统的一些分析方法（比如求倒数法，微分法等）具有一定的局限性，它们受输电线路频率特性和噪声的影响比较大。小波分析法能够捕捉信号的突变点（奇异点），而且在时域和频域范围能同时适用。奇异性检测理论内容如下：如果函数在某点间断或某阶导数不连续，则称该函数在该点有奇异性；如果函数在它的定义域内无限次可导，则称函数不具有奇异性。一个突变的信号在其突变点必定是奇异的。如果想要检测一个信号的奇异点，对此信号进行小波变换，通过变换找到模极大值，该点就是信号的一个奇异点。信号的奇异点检测是小波在故障测距信息分析中的优势。小波变换同时具有良好的消除噪声的功能和分频特性，能快速地提取行波信息。对行波信号进行噪声消除是提高故障测距可靠性的一个重要手段。

与其他方法比较，小波变换法可以提高判断行波到达时刻的准确性及可靠性，也能提高对抗干扰能力的正确判断，适用性广泛。

4 结语

本文对输电线路发生故障时产生的暂态行波过程进行了理论分析，并介绍了行波法测距的基本原理，再此基础上介绍了主频率法、求导数法及小波分析法的适用范围及优缺点。通过比较发现小波分析算法能在复杂的输电线路故障情况下判断出故障的位置和性质，测量信息精确且方法简单，具有一定的发展前景。

参考文献

[1]肖东晖，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）：46-53.

[2]党锴钊.行波技术在配电线路接地故障检测中的应用[J].低压电器，2013，12：47-50.

[3]蒋涛.基于暂态行波的输电线路故障测距研究[D].南京：东南大学，2005年.

[4]何正友，钱清泉.电力系统暂态信号的小波分析方法及其应用[J].电力系统及其自动化学报，2002，14（4）：1-6.endprint

摘要：本文在分析输电线路故障测距方法研究现状的基础上提出了单端行波故障测距方法，并对测距原理进行介绍，这类方法不受故障电阻和线路类型的影响。另外，文章对单端行波法的三种算法的理论基础和适用范围进行了论述。通过比较，主频率法和求导数法具有一定的局限性，而小波分析法适用范围较广，方法简单，且能提高测距定位的精确性。

关键词：单端行波 故障测距 输电行路 定位

中图分类号：TM755 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2014）08-0115-01

1 引言

随着电力系统的不断发展，输电线路中电力电缆的使用范围逐渐增大，长度也越来越长，输电线路一旦出现故障，不但会影响企业生产效率，严重时会影响居民的正常生活。如果停电时间越久，工农业及企业生产造成的损失也越大。所以，能否及时找到输电线路的故障点，找到故障原因，就显得尤为重要。目前，断线、供电设备老化、两相接地、单相接地、两相短路、三相短路等故障在输电线路中发生较多。

自上世纪80年代以来，故障测距研究就成为了国内外研究的一个热门话题。原始的故障排除方法比较落后，大多是人力巡线，花费的时间较长。常用的故障测距方法有两类：阻抗法和行波法。阻抗法是虽然在技术上取得了较好的成果，但阻抗测距与线路参数联系相当紧密，比如分布电容、电压电流互感器、故障点电阻等。而且，该方法对于高阻接地及多端电源线路由一定的局限性，在直流输电线路测距中也不适用。行波测距方法不受故障电阻和线路类型的影响，测距误差小于1km，测距精度也高于阻抗法测距。经过比较，本文采用行波法研究输电线路故障测距。

2 单端行波故障测距原理

当输电线路故障发生时，在故障点处电压和电流也会发生突变，而且会产生高频暂态行波。行波测距原理如下：在输电线路一端注入一电压脉冲，脉冲在输电线路中进行传输，当遇到故障点时会发生反射，在输电线路测量端安装脉冲波形接收装置，通过分析接收到的波形，便可找出返回脉冲与发送脉冲的时间间隔，从而计算出故障距离。另外，通过反射脉冲的极性还能判断出线路故障性质。行波的反射和折射示意图如图1所示。

若为行波波速，为故障初始行波第一次到达测量点的时间，为初始行波从故障点反射回测量点的时间，为线路测量处到故障点的距离，则其计算公式为：

假设为特性阻抗，也就是行波电压与行波电流之比，即是入射波电压与入射波电流之比；为等效阻抗，也就是输电线路上任一点的总电压与总电流之比。为反射系数，反应了反射波与入射波的比值关系，其表达式如公式1。

3 单端行波故障测距算法

在输电线路故障测距中，常用的单端行波测距算法有主频率法，求导数法，小波分析法等，下面对算法进行简单介绍和比较。

3.1 主频率法

公式中，是行波传播速度，是故障距离，为主频率。该方法的基本思想是一旦输电线路发生故障，产生的行波信号中主要频率成分是故障距离的函数，也就是故障距离由行波信号中最强谱频率分量来决定。虽然该方法比较简单，但在实际故障检测中，在测量端得到的行波成分比较复杂，不但有故障点反射波，还有端母线和相邻母线的反射波。该方法对这些行波的具体性质无法区分，因此不能直接用于现场，具有一定的局限性。

3.2 求导数法

当故障发生时，反向行波信号到达检测点时会发生性质突变，在突变点导数会出现极大值，计算其一阶或二阶导数的绝对值，判断是否超过设定的阈值，这样可以检测行波到达母线的时刻。初始行波信号检测得到后，不断检测反向行波信号，判断其一阶导数是否超过阈值，根据此可以判断故障点的反射波是否到达母线。

采用求导数法，容易实现故障测距，但是该方法对噪声干扰极为敏感，而且对于故障距离较远时，测距不准确，测距精度也不高。

3.3 小波分析法

输电线路一旦发生故障，其暂态行波具有突变的性质。传统的一些分析方法（比如求倒数法，微分法等）具有一定的局限性，它们受输电线路频率特性和噪声的影响比较大。小波分析法能够捕捉信号的突变点（奇异点），而且在时域和频域范围能同时适用。奇异性检测理论内容如下：如果函数在某点间断或某阶导数不连续，则称该函数在该点有奇异性；如果函数在它的定义域内无限次可导，则称函数不具有奇异性。一个突变的信号在其突变点必定是奇异的。如果想要检测一个信号的奇异点，对此信号进行小波变换，通过变换找到模极大值，该点就是信号的一个奇异点。信号的奇异点检测是小波在故障测距信息分析中的优势。小波变换同时具有良好的消除噪声的功能和分频特性，能快速地提取行波信息。对行波信号进行噪声消除是提高故障测距可靠性的一个重要手段。

与其他方法比较，小波变换法可以提高判断行波到达时刻的准确性及可靠性，也能提高对抗干扰能力的正确判断，适用性广泛。

4 结语

本文对输电线路发生故障时产生的暂态行波过程进行了理论分析，并介绍了行波法测距的基本原理，再此基础上介绍了主频率法、求导数法及小波分析法的适用范围及优缺点。通过比较发现小波分析算法能在复杂的输电线路故障情况下判断出故障的位置和性质，测量信息精确且方法简单，具有一定的发展前景。

参考文献

[1]肖东晖，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）：46-53.

[2]党锴钊.行波技术在配电线路接地故障检测中的应用[J].低压电器，2013，12：47-50.

[3]蒋涛.基于暂态行波的输电线路故障测距研究[D].南京：东南大学，2005年.

[4]何正友，钱清泉.电力系统暂态信号的小波分析方法及其应用[J].电力系统及其自动化学报，2002，14（4）：1-6.endprint