高壓輸電線路行波故障識別方法

寧夏送變電工程有限公司 季 鵬

為滿足社會電力產業的可持續發展需求，提高電力資源輸送的距離，高壓輸電線路開始在電力市場內推廣應用。在深入此項工作的研究中發現，高壓輸電線路在運行中的穩定性是保障電力系統安全、持續運行的關鍵，一旦輸電線路出現異常，電網將出現大規模的停電事件，從而對電力系統的整體運行帶來安全隱患[1]。因此實現高壓輸電線路故障的精準、快速識別與定位，并及時采取有效的措施進行故障排查與故障處理，以此種方式避免線路單點故障造成的大范圍停電事件。

為實現此項研究，技術單位提出了基于工頻向量計算法的故障識別方法，通過阻抗計算對不同線路流經的電流值進行計算，以此種方式進行故障線路的集中排查。但在實際工作中，線路的阻抗值很難通過直接計算得出，而采用非線性方程組進行阻抗值的求解與計算，會導致計算過程中的偽根干擾參數、很難直接消除。為實現對現有方法的優化，設計一種針對高壓輸電線路的行波故障識別方法，結合行波信號狀態量的分析實現對故障的精準定位，以此種方式實現對故障的精準定位與排查，解決高壓輸電線路在實際應用中存在的多種安全隱患，實現為終端用戶提供更加良好與優質的供電服務。

1 高壓輸電線路行波故障識別方法設計

1.1 高壓輸電線路單端行波信號采集

為實現對高壓輸電線路在運行中故障信息與故障信號的實時采集與獲取，應明確當高壓輸電線路的某個節點位置發生故障時，所產生的故障信號是呈現暫態，即信號行波將按照輸電線路的傳播方向傳播到母線觀察位置。而產生的阻抗在此過程中呈現非連續性特點，因此行波在傳輸過程中將在到達某一位置后發生反向傳輸，當再次到達母線位置后，即可使用傳感器與AD轉換器進行單端行波信號的采集[1]。

為確保對單端行波信號采集的實時性，設計如圖1所示的采集集成裝置。但行波信號在采集中發生反向傳輸行為時，同步指令將無法作用在高速AD轉換器中[2]。因此，需要將上述裝置按照規范布置在高壓輸電電路的連接端與通信端，保證兩端處于通電工作狀態后，啟動信號轉換器與時鐘電路，發送并按照行波的傳輸方向進行信號采集指令的傳輸。發送的同步指令將對高壓輸電線路的高速錄入端進行主動控制，即根據前端指令需求，允許或禁止對行波信號的采集與錄入，通過此種方式實現對采集信號的集中篩查。

圖1 高壓輸電線路單端行波信號采集

考慮到本文此次研究的錄入指令需要在AD轉換器中進行信號模數的拆分處理，而單次信號錄入的有效時間為ms單位[3]。因此，可在采集行波信號數據時，設置一個信號在網絡節點中的有效存儲空間，對所獲取的信號進行積累，當空間內存儲信號達到一定數量后，由中斷服務進行程序的終止，采用批次錄入信號的方式進行行波信號獲取。當完成一次信號的采集后，將FIFO進行復位與初始化，等到下一次信號獲取指令。將所獲取的所有信號存儲到硬盤中，進行后續的故障分析。

1.2 基于FIMD的模態信號量分解

完成對行波信號的采集與獲取后，引進FIMD技術對所獲取的模態信號進行本征分解。此項技術是一種可以對平穩信號進行主動自適應分解處理的技術，為降低或消除多種行波信號之間存在的混疊問題，可在所提取的信號中選擇一個突變信號，將信號分解成為一個呈現固有狀態的模態分量信號[4]。相比EDM分解處理方式，FIMD技術具有更強的適應性與較優的收斂性能。對基于FIMD的模態信號量分解進行描述，先隨機設定一個突變的行波信號為f(t)，將f(t)作為FIMD的輸入信號，計算該信號在高壓輸電線路中的極值點。

將原始信號量中的輸入信號進行求減計算，當原始信號減去參與量信號后，即可得到前端輸入信號的模態量函數。函數實現過程如下：將模態信號分量函數中的第i個極值點表示為E(ti)，將E(ti)作為模態量的控制點系數，假設控制點的坐標表示為P，則對P的描述可用下述計算公式表示：Pi=E(ti)titm-1，式中：Pi表示為控制點中第i個極值點的坐標。假設計算公式中的ti對應的是第i個極值點的采樣時刻，則可以通過公式ai=Pi-1Pi×Pi+1Pi對第i個極值點的模態向量乘積進行定義，式中：ai表示為第i個極值點的模態向量乘積；Pi-1與Pi+1表示為第i個極值點的鄰近點坐標。

按照上述公式，對樣本信號進行連續三次分解，將其中的控制值與中值進行連接，將得到的殘余量數值進行修正。并使用原始信號減去殘余量信號的方式，得到修正后的模態信號分解量。按照上文所述步驟，反復進行模態信號殘余量的迭代處理，當殘余量的極值點＜3.0個時，即可認為完成對模態信號的分解處理。

1.3 基于行波轉換的故障識別與定位

完成上述研究后，采用對行波轉換的方式，進行故障的識別與定位。識別過程中，先按照上述方式，對故障點位置的信號從兩端開始傳播。

在此基礎上，使用波頭分解得到一個高頻率暫態分量信號，將所選的信號節點進行去噪處理，使用凱倫貝爾轉換法進行信號的解耦處理，解耦處理的過程如下：l=1/3(Vt×v+L)，式中：l表示為信號的解耦處理有效長度；Vt表示為解耦處理時長；v表示為解耦處理速度；L表示為高壓輸電線路長度。按照上述計算公式完成對信號的轉換，在此基礎上對行波故障進行識別與定位，步驟如圖2所示。按照上述方式實現對行波故障的識別，從而完成高壓輸電電路行波故障識別方法的設計。

2 對比實驗

針對本文上述提出的故障識別方法，在實際高壓輸電線路運行過程中利用該方法對產生的行波故障問題進行識別，并通過得出的識別結果驗證該方法的應用可行性。選擇以某供電企業中的高壓輸電線路20組行波測距用故障實錄數據作為本文實驗的測試數據，其采樣周期為1MHz。為了確保實驗結果具有可對比性，選擇將基于暫態行波的識別方法作為對照組，將本文提出的識別方法作為實驗組，分別利用兩種方法完成對20組測試數據的故障識別，以此驗證兩種故障識別方法的應用性能。已知在上述20組實驗數據當中共包含了三種不同的故障類型，其故障特征對應表現如表1所示。

表1 三種高壓輸電線路行波故障及特征表現

在明確測試數據中包含的故障類型以及相應的故障特征后，按照兩種故障識別方法的應用流程完成對實驗數據的故障識別。

從圖3中四條曲線可以看出，通過行波波頭的小波變換極大值可以得出：i0的數值逐漸降低、明顯低于零，因此說明此時電壓輸電線路出現了接地故障的問題，對應表1中的故障類型（1）；而在經過一段時間后i2逐漸大于零，說明此時高壓輸電線路出現了單相接地故障問題，對應表1中的故障類型（2）；隨后在繼續變化的過程中，i1×i3的數值逐漸小于零，此時說明高壓輸電線路出現了Bg故障，對應表1中的故障類型（3）；在隨著高壓輸電線路的持續運行，i0的數值又逐漸出現明顯低于零的現象，說明此時高壓輸電線路又一次出現了接地故障問題；最后i2又逐漸出現了大于零的現象，說明高壓輸電線路再次出現單相接地故障問題。

圖3 基于本文故障識別方法的實驗結果圖

由此可得出，按照本文故障識別方法的應用思路，針對20組實驗數據，找出了故障發生的時間點以及相應的故障類型。結合圖1所示的內容，對兩種識別方法得到的識別結果對比分析，為了方便比較，將實驗結果繪制成表2所示。

表2 實驗組與對照組兩種識別方法實驗結果對比表

從表2中記錄的實驗結果可看出，本文提出的故障識別方法在對三種故障類型進行識別后，能夠得到準確的故障發生時間范圍，并且識別結果與實際完全一致，而對照組故障識別方法與實際相差較大，在實驗過程中僅實現了對以此故障類型（1）和以此故障類型（3）的準確識別。同時，通過對故障類型（2）的第二次識別得出的實驗結果可看出，對照組發現了故障異常特征，但僅實現了對4.5min～5.0min時間范圍內的故障識別，劃分的故障發生時間并不符合實際。由此可以看出，盡管實驗組和對照組均能夠實現對三種故障類型的識別，但實驗組無論是在故障識別精度上，還是在故障識別準確性上都更優于對照組。

將本文提出的故障識別方法應用到實際高壓輸電線路的運行故障診斷當中，能夠結合識別得出的曲線圖像，實現對其行波故障的準確識別，并達到對故障特征的可視化，從而確保能夠在更短的時間發現高壓輸電線路的故障問題，為供電企業的供電服務品質提升提供更有力保障。

3 結語

本文從高壓輸電線路單端行波信號采集、基于FIMD的模態信號量分解、基于行波轉換的故障識別與定位三個方面，開展了高壓輸電線路行波故障識別方法的設計研究。在完成設計后，選擇以某供電企業中的高壓輸電線路20組行波測距用故障實錄數據作為本文實驗的測試數據，設計對比實驗。綜合實驗結果可以證明，本文此次研究所設計的識別方法能夠實現對故障的精準識別，通過此種方式為高壓輸電線路的穩定、安全、可持續運行提供進一步的安全保障。