电力系统保护与控制 第 49 卷 第 14 期 2021 年 7 月 16 日 Power System Protection and Control Vol.49 No.14 Jul. 16, 2021 DOI: 10.19783/j.cnki.pspc.201149 基于多重分形谱的交流输电线路故障识别方法 李小鹏 1，丁宣文 1，束洪春 2，安 娜 2，董 俊 2，田鑫萃 2，张雪飞 2，代 月 2 (1.国网四川省电力公司电力科学研究院，四川 成都 610041；2.昆明理工大学电力工程学院，云南 昆明 650500) 摘要：通过对高压交流输电系统的区内、区外故障的仿真计算和分析发现：交流输电线路阻波器和母线对地电容 形成的实体物理边界对高频信号具有衰减作用，使得区外故障时量测端的故障电压高频分量含量低，在不同时间 段内质量分布概率相对均匀。而区内故障时，量测端的故障电压高频分量含量高，在不同时间段内质量分布概率 不均匀。因此利用短时窗内线路单侧故障相电压计算每次分割形成的多重分形集上各个子集质量概率分布的不均 匀程度 Δα 来识别区内外故障。该方法仅利用单端电压就可以实现区内、外故障的判别，不受通道的影响，可靠 性高，具有较大的工程意义。通过大量的 PSCAD 仿真实验分析得出，此方法可靠性高，耐受过渡电阻能力强， 对不同故障类型和远端高阻均有较好的判别能力。 关键词：交流输电系统；多重分型谱；质量分布概率；故障判别；远端高阻 A fault identification method of an AC transmission line based on a multifractal spectrum LI Xiaopeng1, DING Xuanwen1, SHU Hongchun2, AN Na2, DONG Jun2, TIAN Xincui2, ZHANG Xuefei2, DAI Yue2 (1. State Grid Sichuan Electric Power Research Institute, Chengdu 610041, China; 2. School of Electric Power Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650500, China) Abstract: Simulation and analysis of the internal and external faults of a high-voltage AC transmission system shows that the physical boundary formed by the AC transmission line wave trap and the bus-to-ground capacitance has an attenuation effect on the high-frequency signal. This makes the high-frequency component of the fault voltage at the measuring terminal at external fault low, and the probability of mass distribution is relatively uniform in different time periods. When a fault occurs in the area, the high-frequency component of the fault voltage at the measuring terminal is high, and the probability of mass distribution is uneven in different time periods. Therefore, the non-uniformity Δα of the quality probability distribution of each subset on the multifractal set formed by each division is calculated using the single-side fault phase voltage of the line within the short-time window to identify the internal and external faults. This method can distinguish between internal and external faults by only using a single-ended voltage, is not affected by the channel, has high reliability, and has great engineering significance. Through a large number of PSCAD simulation experiments, it is concluded that this method has high reliability, strong ability to withstand transition resistance, and has a good ability to distinguish different fault types and remote high resistance. This work is supported by the National Natural Science Foundation of China (No. U1202233) and the Science and Technology Project of State Grid Sichuan Electric Power Company (No. 521997180013). Key words: AC transmission system; multi-classification spectrum; mass distribution probability; fault identification; remote high resistance 0 引言 高压交流输电是解决能源大规模、远距离输送 基金项目：国家自然科学基金项目资助(U1202233)；国网四 川省电力公司科技项目资助(521997180013) 和大范围优化配置的可行技术路线，但是其输送容 量大、输电线路长[1-5]，因此故障引发系统失稳甚至 停运的风险较高，在高电压的运行环境下一旦发生 故障，输电系统很可能受到过电压过电流输电冲击， 破坏整个输电系统，从而对电力系统和人民生活造 成极为严重的危害及影响[6]。 电力系统保护与控制 -2- 高压输电线路是电力系统中发生故障概率最高 的地方，由于电力系统规模的不断扩大，越来越多 的大容量发电机组和高压输电系统不断投入运行， 系统负荷加重、输电距离增大[7-8]，系统一旦受到扰 动，极易发生系统振荡甚至故障跳闸，另一方面， 高压输电线路走廊的地理环境较恶劣，极易发生故 障。作为保障电网安全的第一道防线，继电保护需 要在故障发生后快速、正确、可靠地识别故障，并 迅速隔离故障元件，若识别元件无法准确快速地识 别出故障，则保护会误动或拒动，从而降低输电系 统的供电可靠性[9-11]。因此，快速准确地识别区内 外故障对保护正确动作具有重要意义。 根据区内外不同故障时故障回路拓扑结构的不 同，文献[12]提出了基于零序差动阻抗的线路区内、 外故障识别，此方法可以准确地识别区内外故障， 但是需要两侧的数据才能构成判据，受传输通道影 响较大。文献[13]利用行波差动电流的频率分布进 行区内、外故障识别，但由于行波信号不易捕捉和 不可重复性等这些特性大大降低了该方法的可靠 性。文献[14]利用线路两端初始方向电流行波波头 开始数十微秒内的积分作为特征值构成保护动作判 据，判别区内外故障，但是该方法需要将信息传送 到对端，存在通信延时的问题。 分形理论致力于研究自然结构的几何特征，在材 料、机械和军事等许多领域得到了广泛的应用[15-17]， 适合于非线性信号的处理和分析。多重分形作为一 种在分形基础上发展而来的复杂分形结构， 本质 上是由多个标度指数的奇异值测度所组成的无限 集合 [18]。 将多重分形引入到输电线路故障识别中，本文 提出一种基于多重分形谱的交流输电线路故障识别 方法，利用故障相电压的不均匀度来识别区内外故 障，对不同故障情况进行仿真验证，结果表明所提 方法能准确可靠地识别区内故障和区外故障。 1 C1=528 pF、C2=3 125 pF、R1=800 Ω。 图 1 交流输电线路系统结构图 Fig. 1 Structure diagram of AC transmission line system 在 500 kV 交流输电系统中，部分输电线路上加 装阻波器设备，阻波器的模型如图 2 所示。阻波器 串联在输电线路载波信号点与相邻系统元件(在本 模型中，相邻元件为母线)之间，是构成高频保护的 重要元件。阻波器串联在输电线路保护安装处与相 邻系统元件(如母线)之间，是构成高频保护和载波 通信的信号传输通道的重要设备，可阻止高频信号 向不需要的方向传送。阻波器一般由主线圈和调谐 装置组成，其中主线圈 L1 用于承载工频电流和系统 发生故障时的短路电流，调谐装置由电容器 C1 和 C2、电感器 L2、电容器 R1 组成[20]。阻波器和母线 对地电容构成的线路物理边界如图 3 所示，Cs 为母 线对地电容的电容值。 图 2 线路阻波器电路图 Fig. 2 Line wave trap circuit diagram 超高压输电线路故障特性分析 超高压输电系统由于线路两端的阻波器和母线 对地电容的存在，交流输电系统线路两侧的阻波器 和母线对地电容构成了物理边界[19-22]，使得线路保 护的区外故障和区内故障时的电气量有着显著并且 规律性的差别。本文以某 500 kV 输电系统为例，系 统结构图和物理边界如图 1 所示，架空输电线路总长 为 300 km。M、N 为线路保护的量测端，f1 为线路 故障识别元件的区内故障，为 AB 两相故障；f2 为线 路故障识别元件的区外故障，为 A 相接地故障。系统 中的阻波器具体参数为：L1=2