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张怿宁. 架空-电缆混合输电线路故障定位方法综述[J]. 电力工程技术, 2020, 39(6):44-51.
ZHANG Yining. A review of fault location methods for hybrid overhead and cable transmission lines [J]. Electric Power Engineering Technology, 2020,39(6):44-51.
对国内外学者关于架空线-电力电缆混合线路故障定位的研究进行了梳理和综述。首先分析了混合线路故障定位存在的特殊问题，然后对架空-电缆混合输电线路故障定位方法的研究现状进行了总结。现有的混合线路故障定位方法有故障分析法、行波法、频率分析法以及智能法等。其中，故障分析法和行波法的准确性主要受混合线路参数不均一的影响；行波法因故障行波会在线缆连接点处发生复杂的折反射过程而导致反射波头难以识别；能否准确地确定故障暂态信号的固有频率值将直接影响频率法故障定位精度；智能法需对样本集进行离线训练，且需存储大量数据，应用起来较为困难。最后，对下一步需要开展的研究工作进行了展望。
架空-电缆混合输电线路故障定位方法综述
张怿宁
中国南方电网有限责任公司超高压输电公司检修试验中心
随着架空-电缆混合线路的广泛应用，其故障的快速准确定位具有越来越重要的意义。文中结合国内外学者对架空-电缆混合线路故障定位的研究，首先介绍了混合线路故障定位方法的研究现状，归纳总结为故障分析法、行波法、频率分析法以及智能法4类；然后分析了这4类方法存在的问题和难点；最后，对下一步需要开展的研究工作进行了展望。
由于架空线与电缆线在制作工艺、架设或敷设位置、几何架构等方面都存在很大差异，因此架空-电缆混合输电线路测距存在以下特殊问题：(1)架空线与电缆电气参数明显不同。相对于架空线路，电缆线工频电抗值较小，电容值较大，波阻抗较小。因此，架空-电缆混合线路测距存在沿线阻抗参数不均一，即参数呈现多区段分散特性的问题。(2)混合线路架空线与电缆连接点处为波阻抗不连续点，导致故障行波在连接点发生复杂的折反射过程，增加了故障点反射波识别的难度。由于电缆参数具有依频特性，使得行波初始波头陡度降低，也增加了行波波头识别的难度。(3)由于电缆本身的绝缘介质，导致电缆中的行波波速较低，一般为架空线行波波速的1/2~2/3。因此，对于架空-电缆混合线路，存在各段线路行波波速不同的问题，使得行波测距不能直接使用传统的单端、双端行波测距方法，而是需要根据混合线路的参数进行分段处理。
故障分析法利用线路发生故障时采集到的工频电压和电流量，结合已知的线路参数以及故障特征进行分析计算，从而实现定位。根据所需要的电气量不同，可分为单端法和双端法。单端法仅使用线路一侧电气量，根据系统运行方式以及线路参数，建立故障测距方程或函数，通过求解得到故障点与测距点之间的距离。双端法采用的是线路两侧的电气量进行故障测距。
行波测距法利用输电线路的故障行波传输特性实现故障位置的判别。由于提取行波信号的时间窗很短，行波测距法基本不受系统运行方式的影响，较故障分析法测距精度高，因此得到了国内外学者的普遍重视。(1)单端行波法。单端行波法是通过记录由故障点向母线传播暂态行波的到达时间以及母线发射波被故障点再次反射后到达母线的时间，然后根据这2个时间的差值计算故障距离的方法。其测距原理如图1所示。![]()
图1中，F为故障点；L为线路全长；LM为线路M侧保护安装处至故障点的线路长度；LN为线路N侧保护安装处至故障点的线路长度；TS1为初始波到达时间；TS2为反射波到达时间。
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(2)双端行波法。双端行波故障定位是通过计算故障行波到达线路两端的时间差来计算故障位置，测距原理如图2所示。其中，TM为初始波到达线路M侧的时间；TN为初始波到达线路N侧的时间。双端行波故障定位不受故障类型、线路长度、接地电阻等影响，其精度比阻抗法高。因此，混合线路双端行波故障定位方法被广泛研究。行波法具有快速高效的特点，但行波法存在准确识别波头困难甚至波头识别失败的概率，因此些学者提出了基于工频量和行波的组合算法。
频谱分析法利用线路发生故障后暂态信号中丰富的频域信息，使用信号分析方法进一步得出故障信息，然后通过分析计算进行故障定位。对于架空线电缆混合输电线路，由于波阻抗不连续，会形成混叠的固有频率频谱，给正确识别和提取故障行波固有频率主成分带来困难。相关文献将集合经验模态分解( ensemble empiricalmode decomposition，EEMD)方法运用到混合线路故障测距中，通过EEMD分解克服频谱混叠的问题，从而准确有效地提取行波固有频率主成分。相关文献提出了一种考虑自然频率和使用变分模态分解(variational mode decomposition，ⅤMD)算法的混合线路测距新方法。该方法对行波信号进行了经验模态分解(empirical mode decomposition，EMD)，利用赫斯特指数筛选本征模态分量( intrinsicmode function，IMF)作为VMD分解的模态参数，准确地分解了行波信号；引入多信号分类( multiplesignal classification， MUSIC)算法对VMD分解结果进行频谱分析，提取岀故障信号主自然频率及其谐波次频率；最后利用其对应关系计算出故障距离。
人工智能算法也被应用于混合线路故障测距，其主要思路是将测量的电压电流数据组成样本集，建立故障发生时所测量得到的各种故障特征量与故障距离间所存在的某种对应关系，然后利用人工智能技术对样本数据进行学习、训练，寻找数据间深层关系并获得模型结构参数。当线路发生故障时，结合测量的数据和已建立的模型以实现最终的故障定位。神经网络结构如图3所示。
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由于架空-电缆混合线路具有更为复杂的特征，利用故障分析法进行混合线路故障定位还存在以下问题：
(1)对于单端故障分析法，过渡电阻和系统运方式会严重影响该方法的测距精度。而双端故障分析法虽原理上不受过渡电阻的影响，但必须使用通信通道来传递两端的测量信息，需要解决两端测量信息的同步问题。(2)假设混合线路参数已知，但实际混合输电线路电缆参数受环境影响会发生变化，从而对测距结果造成较大误差，电缆参数的不准确性造成的故障定位误差不可忽视。(3)该方法所建立的故障测距函数一般较为复杂，易受电气量采样值精度的影响。(4)由于混合线路参数的不均一，该方法会出现伪根识别问题。部分文献提出改进方法消除伪根问题，但计算量较大，较为耗时。
和工频故障信息不同，故障行波具有高频、暂态特性，较难分析，并且不可重复。基于故障行波的混合线路故障定位方法存在以下问题:(1) 故障行波在架空线与电缆的连接处存在复杂的行波折反射问题，且电缆的依频特性突出，导致行波波头难以准确捕捉；(2) 故障行波具有衰减特性，在经过较长的输电线路传播后，波头幅值较小，反射波衰减更为明显，导致波头识别困难，且容易受周围信号影响；
与行波法相比，频谱分析法不需要对行波的波头进行识别，避免了混合线路存在的波头难识别的问题。但当存在干扰信号，且干扰信号在一个或者多个频点的能量高于故障行波固有频率的能量时，频谱分析法测距结果误差较大。固有频率主成分的识别决定了该方法的可靠性，若行波频谱主成分的频率过高，可能会超过行波采集装置的采样率，导致该方法存在测距的死区。同时，能否准确确定故障暂态信号的固有频率值将直接影响频谱分析法的故障定位精度。
基于智能算法的故障定位方法有明显的局限性，其定位精度容易受系统结构的影响，且需要对样本数据进行离线学习及训练，需要进行大量的线路故障仿真或采集大量故障录波数据，因此应用较为复杂。
综上所述，目前混合线路故障定位方法的优缺点如表1所示。
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由表1可知，现有混合线路故障定位方法虽各有优点，但都存在一定局限性。因此，还需对混合线路故障定位方法开展进一步研究工作。
虽然针对架空-电缆混合线路故障定位已有大量相关研究，但仍有很多问题需要解决，有必要开展以下几个方面的研究工作。(1)由于已有方法各有优缺点，可将几种方法相结合，取长补短进行混合线路的故障定位。(2)可考虑在架空线与电缆连接点处增加行波传感器或电流、电压互感器，能够彻底解决混合线路参数不均一、波头识别困难等问题的影响。(3)由于架空线路的故障大多是瞬时性故障，而电缆的短路故障大部分属于永久性故障。对于架空-电缆混合高压输电线路，若故障位置处于电缆部分，开放重合闸将造成更严重事故；若全线闭锁重合闸，对于架空线路部分故障又丧失了重合机会，可能危及系统的稳定和安全运行。因此，对于混合线路，是否开展重合闸也是当前面临的难题之可进一步开展自适应重合闸方式、重合闸时间及时序等方法的研究。(4)随着我国配电网的发展及升级改造，配电网中也出现了大量架空-电缆混合线路，因此，配电网架空-电缆混合线路的故障定位需进一步研究。
架空-电缆混合线路沿线阻抗参数分布不均一、行波波速不一致以及架空线路和电缆连接处会形成多次行波反射，使得许多已有的基于线路均匀参数的故障测距方法受到了挑战。文中讨论了混合线路故障定位存在的问题，并将现有的混合线路故障定位方法归纳总结为4类：故障分析法、行波法频率分析法以及智能法，梳理分析了这4类方法的优缺点和难点，最后提出了下一步需要开展的架空电缆混合线路故障定位研究内容。
张怿宁：博士，教授级高级工程师，从事超高压交、直流输电线路故障测距，继电保护与控制等相关工作。
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因版权原因，文章详细内容请点击左下角的“阅读原文”。来源：电力工程技术杂志
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