高压直流输电线路故障定位研究综述

高压直流输电线路故障定位研究综述

沈文平

国网青海省电力公司超高压公司

摘要：高压直流输电是我国的重点发展方向之一。快速、准确的高压直流输电线路故障定位对保障高压直流系统运行可靠性、减少停运时间具有重要意义。对目前应用于高压直流输电线路以及柔性直流配电网故障定位的主要技术，包括行波测距法、固有频率法、故障分析法和非精确同步测距法，进行了详细的分析和综述。探讨了不同故障定位技术在高压直流输电线路故障定位应用中的优缺点。

关键词：高压直流输电，故障定位

前言：由于具有输送容量大、输电距离远等特点，高压直流输电系统是解决我国一次能源与负荷中心逆向分布的关键。随着“碳达峰-碳中和”正式成为国家战略，跨区输送清洁能源的力度将进一步加大，高压直流输电工程将在构建坚强智能电网中发挥重要作用。受经济因素影响，除海上输电项目外，高压直流输电线路仍以架空线路为主。

一、行波测距法

（一）行波测距法原理

当输电线路发生故障时，受导线分布电容和电感影响，故障点产生向线路两侧传播的行波，即为故障行波。利用故障行波的传播特性检测故障行波波头，以及行波波头到达的时间差和介质中波速进行计算即可实现对故障点的精确定位。从行波法原理上可分为单端法和双端法。

（二）多测点行波测距法

目前行波测距装置一般安装在高压直流线路两端的整流站和逆变站内。理论上，这种安装方式可满足双端行波测距法的实施，但对于长距离输电线路，分析可知，仅采用站-端获取的行波信息进行故障测距结果存在较大误差，解决该问题的直接方法便是在线路上安装多个行波测距装置，减少故障行波到行波测距装置的传播距离，即多测点行波测距法。多测点行波测距法将输电线路分为多个测距区段，故障点近端的多个行波测距装置的数据可以对故障点进行精确定位文Rosowski线圈作为行波检测单元，利用邻近故障点的3个检测点获取的故障行波到达时刻数据减少了波速度和线路长度变化对故障测距精度的影响。利用空间磁场传感器实现非接触式故障行波采集，克服了在高压直流输电线路中沿线布置测距终端安装与维护困难的缺点。

二、展望

目前，实际应用于高压直流输电线路故障定位的方法仍以故障行波作为判据的行波法为主，但其受故障行波特性限制，在长距离的高压直流输电线路中误差较大，存在测距失败的风险，且测距过程中需要人员参与故障行波波头到达时间的标定，难以实现自动化。随着多端电压源高压直流输电系统的建设，高压直流输电线路的结构将会更为复杂化；在全球气候异常的背景下，长距离输电线路的故障率将会进一步上升，且存在同一时间段内发生多次故障的可能，进一步增加故障定位的难度。因此，无论是从提高定位精度还是从可靠性出发，都应在现有应用技术的基础上做进一步提升，以满足工程需要。1)多端行波测距随着微电子与传感技术的发展，行波测距装置的安装位置将不再局限于“站-端”，可在高压直流输电线路应用多端行波测距法，将线路分为多个测距区段，减少线路长度和边界特性对行波波头和波速度的影响。工程应用中不可避免地要考虑成本、器件的体积和重量，目前多端行波测距应用尚未推广，其中重要的一个因素就是成本偏高，有的传感器的重量和体积难以满足线路安装。但随着传感器技术等的发展，成本将逐步下降，体积进一步减小，环境适应能力等性能进一步提升，多端行波测距法有望得到进一步的推广应用。2)主动式行波测距高压直流输电系统具备使用换流阀产生的行波进行测距的基本条件，且换流阀高度可控，无需外加信号注入装置，可利用换流阀进行主动式行波测距，避免因故障过渡电阻过大导致故障初始行波未达到检测装置的动作要求而造成测距失败；若与多端行波测距法搭配应用，可利用行波到达测距装置的时间差确定行波的波速度，同时减少因长距离线路造成的误差。3)利用行波的色散进行故障定位在现有的大多数直流线路故障定位方法研究中，行波色散会带来负面作用。实际上，故障初始行波的波头中包含大量故障位置信息，对其进行分析也可以实现目标。例如，对故障初始行波的曲率和高频量衰减特性进行研究，发现故障初始行波和其高频量衰减与故障点到测量点的距离有关，进而推导出相关公式，计算出故障点的精确位置。利用故障初始行波波头的特性进行故障定位，无需对时系统和故障点的反射波，可靠性较高，可能是一种有前景的直流线路故障定位方法。4)人工智能技术应用固有频率法和故障分析法需要有人工智能方法予以辅助。目前的应用尚处于拿来主义阶段，其现状是因计算量过大，处理器计算能力不足，完成这些计算所花费的时间长，难以满足技术要求。对此，有两条路径可予以解决。一方面，随着计算机技术的发展，处理器的计算能力越来越强，计算能力获得进一步的提升；另一方面，随着研究的进一步深入，充分利用应用背景条件，并将其与现有人工智能方法相结合，有助于降低人工智能方法的计算量，从而提升固有频率法和故障分析法的实时性，从而使其得到实用化。整体而言，充分利用人工智能技术研究成果，尤其是深度学习的非线性拟合特性，可提高固有频率法和故障分析法的工程应用性。5)多种线路故障定位方法综合应用随着传感器技术、计算能力与直流线路故障定位智能方法的提升，固有频率法和故障分析法可与行波测距法相互补充，形成多种定位法的综合应用，从而进一步实现高压直流线路的自动故障定位，避免因人工识别和标定造成的测距误差，同时为高压直流输电系统的智能化提供基础。

结束语：长距离高压直流输电线路的安全稳定运行对解决我国一次能源与负荷中心呈逆向分布问题、达成“双碳”目标具有积极作用，而快速准确地定位故障发生位置是保障长距离高压直流输电线路供电连续性的关键。本文对现有的高压直流输电线路故障定位方法进行了较为全面的总结和分析，并对技术的发展做了展望。

参考文献：

[1]陈磊,何慧雯,王磊,等.基于限流器与断路器协调的混合直流输电系统故障隔离方法[J].电力系统保护与控制,2020,48(19):119-127.

[2]李欣悦,李凤婷,尹纯亚,等.直流双极闭锁故障下送端系统暂态过电压计算方法[J].电力系统保护与控制,2021,49(1):1-8.