许跃颖

（北京师范大学珠海分校，广东 珠海 519000）

0 引言

输电线路是电力系统中不可或缺的一部分，该线路发生故障后，将直接破坏电力系统的稳定性，以何种方法精准锁定故障、高效处理故障是值得探讨的问题。其中，行波故障定位装置在锁定故障点位方面的性能突出，可根据波头到达两端变电站的时间差加以计算，确定故障的发生部位。装置采用分布式结构布置方式建立定位网络，用于及时感知故障部位的行波信号。考虑到故障定位的高效性和准确性要求，该文依托.NET平台建立高效的电网故障行波定位软件，以期及时发现电网故障，便于专员采取针对性的处理措施，力争在最短时间内使电网恢复正常工作状态。

1 电网故障行波定位网络结构分析

以变电站的定位装置和服务器为核心，共同构成电网故障行波定位网络，具体如图1所示。

图1 电网故障行波定位网络结构

定位网络运行时的稳定性较好，即便少量定位装置存在故障，整体网络依然可保持正常运行状态，其故障定位功能仍可顺利实现。定位装置的定位精度较高，配套的GPS时钟可记录故障状态下相应行波波头的到达时刻，接收各定位装置发出的行波数据，全面汇总各项数据，建立一套完善的故障信息数据库，对故障的分析、处理有重要的参考价值。从用户端的角度来看，其在获得特定的权限后可借助Web浏览器访问故障信息，对故障实际状况形成准确的认识。

2 行波信号的获取

行波波头的正确获取方式主要有配套传感器、电流互感器2种，前者用于采集电压信号，后者用于采集电流信号。输电线路故障状态下的暂态行波信号能得到有效的记录，根据小波变换模极大值原理进一步明确行波到达的时刻。

2.1 电流行波信号的获取

常规继电保护电路、测距装置均为1kHz以内的信号频率，但通过对波测距原理的分析可知，如果要满足150m以上的测距精度要求，必须保证分辨率超过1μs。此外还需考虑线路存在故障的情况，此时的暂态行波信号频率在300kHz以上，为满足运行要求，有必要配套专门的行波信号获取装置。

经过大量仿真试验后发现，电容式电压互感器传变行波信号的性能欠佳，相比之下电流互感器在该方面的性能突出，此装置还具备高效传变高频电流行波信号的能力，由此来看，电流互感器是首选对象，可作为行波故障测距中的关键工具。电流互感器的电流信号响应时间在1 μs以内，行波传输距离约300 m，测距分辨率达到故障定位要求。应用电流互感器测量线路在故障状态下的行波信号，并且能够直接接入行波测距装置，这期间未涉及任何形式的附加设备，具有作业便捷、稳定可靠和经济高效的特点。

2.2 电压行波信号的获取

在配套电流互感器后，行波故障测距中的关键分析对象仅为电流行波信号，但也有局限性。如果输电线路存在故障，需要同步考虑电压行波信号和电流行波信号，对两者加以分析，明确电压与电流的对应关系，确定更具参考价值的行波故障测距结果。总体来看，在行波故障测距中引入电压行波信号有突出的应用优势，表现如下。1） 输电线路普遍由三相或六相线路组成，流经每项输电线路的电流存在差异，在此条件下，如果用电流行波信号组织故障测距工作，采集数据体量偏大，与输电线路的母线电压相关的采集数据有所减少。2） 接地故障是输电线路中的常见故障形式，如果通过较大阻抗接地时，两端母线的电压信号比电流信号强，有利于行波波头的检测。3） 部分输电线路的电压较高，在日常使用中可能出现电压故障，此时采用电压行波信号的方式具有可行性。4） 根据输电线路的配置方案，其母线两端有阻波器，在此硬件配置方式下，用电压行波信号做故障测距是较合适的方法。

3 故障行波在带分支线路上的传播特性分析

输电线路存在故障时，故障信号会向远离故障点方向传播，如果故障线路带分支，此时不连续点的类型较多，除了故障点外，还须考虑母线、线路的终端及分支的节点和端点。故障信号的传播路径示意图如图2所示。

图2 故障信号沿线路传播路径

结合图2分析，点存在故障时，行波具有向F点两侧传播的特点，存在于点两侧的行波进行传播，尽管在穿过点后向对方传播，但此时的信号能量微小，可不考虑。对传播轨迹在点与母线间的行波信号，其在传播时若遇到阻抗不连续点和，将会发生透射、反射，经此类变化后存在某些特殊的行波，例如行波S，其是首个到达母线的行波，以直接投射过点的方式并按照“→→”的路径发生运动；在点处，S具有反射现象，产生特定的运动路径，回到点并于该点反射回点，即此时按照“（S）→→”的顺序传播。初始故障行波信号主要存在2条运动路径：一是透射至点并在反射后回至点，此后继续运动，到达母线，设具有此类运动迹象的为波S；还有透射和反射的行波，根据点检测的行波信号可以得知其存在丰富的透射波和反射波。

4 故障定位新方法

4.1 故障定位原理

识别到达线路母线端的行波波头，据此确定故障的位置，实现行波定位。纵观整个定位流程，首要内容在于明确大体故障区段，再综合考虑故障点相关的2个反射波，最终精准锁定故障的发生位置。

4.2 故障区间的判断

如图3所示，在针对输电线路的故障检测中，重点在母线M端检测故障可测得故障的行波。在明确波的传播速度的前提下，综合考虑线路总体规划和各区段长度，分别确定各波头到达检测端的时刻。故障产生的行波遇到阻抗不连续点后有透射和反射现象，如果检测到分支端点的反射波，则可以认为其下方区段属于故障区；反之，则表明故障发生在上方区段。根据该思路分析来确定故障区间。

图3 B～C区段故障时特征波传播路径

相邻的2个不连续点形成线路的区段，以线路M～C为例，则存在～、～、～、～和～共5个区段。为了便于分析，将故障区段的波视为特征波，在检测中确定其到达检测端的时刻，获取此时该部分波的信息，建立矩阵，以便判断故障的具体发生区段。在建立大矩阵后展开分析，能够明确特征波的顺序及数值。

4.3 信号的局部能量与特征矩阵

大矩阵中的数据在故障检测中具有重要的参考价值，为此需要确定具体的数据，此方面的关键工作内容在于计算特征波的局部能量，并在此基础上确定特征矩阵。为便于直观对比局部能量的大小，该文考虑的是归一化的局部能量。行波信号的奇异点的信号能量比周边信号的能量高，因此可以重点识别信号的局部能量，根据此方面的情况确定阻抗不连续点的反射波波头。根据特征波的局部能，确定大矩阵的数据，即为“1”还是“0”，并以门限值为参照，局部能量高于它的属于有效数据，为“1”，否则视为无效数据，为“0”。

5.NET平台概述

.NET平台的功能丰富，提供包括开发、管理和XMLWeb服务应用等内容。在编辑相应的应用程序后，在XMLWeb服务的支持下，能实现高效的互联网通信功能，此时数据的共享水平将大幅提高，整个过程无须顾及编程语言差异性所造成的干扰。XML Web服务的功能丰富，且在集各项功能于一体的特性下不存在过于复杂的问题，富有可行性。NET Framework处于通信协议之上、开发工具之下，活动服务器页面属于网络编程结构，其特点在于提升建造、运行、发布网络的便捷性，以较高的效率完成相应的操作。

在.NET Framework的组成中，语言运行库和基本类库是不可或缺的部分，其中CLR极为重要，其能够创设统一的编程环境，以便工作人员高效应用各类编程语言，打破了因编程语言差异化导致的工作进程受阻的僵局。基本类库的涵盖内容丰富，关键有Java的Windows基础类、独立框架C++的微软基础类及VB的应用编程接口，也正是得益于基本类库的丰富性，才降低了开发人员的工作难度，可以根据实际情况选择C++、Basic等各类编程语言，整个工作的灵活性增强，相关人员无须再投入时间和精力用于学习多种Framework。从.NET平台的应用情况来看，其在分布式系统监控、电力市场仿真等软件环境中均发挥出了显著的作用。

6 电网故障行波定位软件的核心功能及实现

该软件具有层次化的结构特点，包括数据层、业务层和表示层，并联合应用了XML、Web服务等技术。在PC机的“媒介作用”下，用户以Web浏览器与服务器实现交互操作。此外，服务器能完成故障数据的接收、位置判断等操作，整个流程用户均无法干预，规避了主观因素的影响，保证了操作数据库系统的运行质量。

6.1 故障数据的高效接收

基于Winsock控件实现故障数据接收功能，此类控件与Sockets完全兼容，给用户带来的便捷化优势在于可高效访问TCP和UDP网络服务。在本次电网故障行波定位软件的设计中，即用TCP/IP进行通信。Server通过非对称数字用户线连接Internet，再执行IP地址采样操作，获取具体的IP地址后，与Server建立数据传输通道。软件采用基于GPRS的通信方式，尽管此类方式在实际应用中存在延时明显、安全性欠佳的问题，但其具有操作便捷、经济高效的特点，总体来看，优势大于劣势，且能够满足日常故障定位要求，因此其仍是故障定位系统的最优通信方式。

6.2 故障定位计算

采样单元传送故障行波数据由Server接收后再匹配，从中确定最适宜的数据，针对该部分数据展开计算，达到故障定位的效果。具体原理如图4所示。

图4 故障原理图

经过计算后，确定的具体值，即明确故障点与母线的距离，再进行查找，确定距定位端的距离与最近的杆塔（2个），在此基础上进一步明确存在于故障点前后的杆塔，更准确地判断故障的发生位置。

6.3 功角实时测量

功角是衡量电力系统稳定状态的关键指标，加强功角测量具有必要性，在有效测量后，可明确母线电压间相交和发电机功角的变化，调度人员需要掌握具体的变化特征，视实际情况及时发出调度命令，主动采取调控措施，以免出现系统失稳的异常状况。随着相角的变化，自动调节装置及时响应，灵活控制发电机功角，使其始终处于合理的状态。自动安全装置的动态响应能力较强，可根据系统稳定裕度灵活调控，必要时采取紧急控制措施，防止事故的发生，减少事故对系统的不良影响。在确定电压、电流相量后，基于2项指标进行估算，得到线路两端相对相角差，再将该结果与实测结果做对比分析，以便判断测量结果是否合理。在线路正常运行的状态下，功角测量还可用于判断定位装置的工作状态，对评估装置性能有参考作用。

6.4 故障信息数据库

电网的地理信息和历史故障数据丰富，两者均由关系型数据库保存。其中，地理信息涉及具体内容包括变电站名称、距离信息和地理位置等。在妥善保存信息数据后，用户可明确电网的结构特性，也可根据工作需求及时查询变电站、线路的数据，在获得数据的支持后，更加合理地开展工作，保证电网的安全运行。

6.5 Web服务

通过Web服务的应用，丰富电网信息化系统，为用户日常工作的开展提供良好的条件，例如可借助浏览器实现与系统的交互式操作。调度人员可及时查阅历史故障信息，不再受到时间和空间的束缚。用户可以向Web服务器发出请求，通过开放式数据库互连接口访问数据库，可得到满足其需求的信息。

7 结语

基于.NET平台的故障行波定位软件在实际应用中具有如下特点。1）提供统一的输电线路接地故障信息平台，高效整合数据，提供数据的共享水平。2） 应用B/S模式，充分发挥出其在兼容性和扩展性方面的优势。3） 践行人机交互理念，操作难度低，工作效率提高。4） 故障信息的获取途径更便捷，从用户角度来看，可以通过Web浏览器获取信息。

总体来看，基于.NET平台的故障行波定位软件有利于提高安全防控水平，有效保证输电线路的运行安全，具有显著的现实意义，可供参考。