基于移动标准差的两端行波故障定位技术用于并入UPFC的输电系统

为何准确定位线路故障很重要

当故障——例如短路或突发击穿——发生在高压输电线上时，可能引发电力闪烁、停电扩展并损坏设备。现代电网采用了诸如统一潮流控制器（UPFC）之类的复杂电子装置，以在既有线路中输送更多电力并维持电压稳定。但这些装置也使得操作人员更难精确判断故障发生在线路的哪个位置。本文提出一种更简单、更快速的方法，即便在UPFC和电气噪声干扰信号的情况下，也能高精度地定位此类故障。

故障发生时输电线的行为

延伸数百公里的输电线有点像长金属波导。当发生故障——例如对地闪络或相间接触——会产生尖锐的电气“行波”，这些行波以接近光速向两端传播。如果工程师能精确检测到这些波到达线路两端的时刻，就可以计算出扰动的起始位置，类似于利用地震波在不同地震仪处的到时来定位震源。这种方法称为行波故障定位，在理论上非常精确，但在实践中需要极快的测量，并可能被像UPFC这样改变电压和电流波形的装置所干扰。

既有助又带来挑战的电子装置

UPFC 是一类强大的柔性交流输电（FACTS）装置，既与输电线路串联又并联。它们可以引导潮流、维持电压并增强稳定性，从而使现有走廊传输更多电力。然而，UPFC 通过受控方式注入或吸收电压，会改变由故障产生的行波的形状、时序和强度，而这些是传统故障定位方案所依赖的。现有方法常依赖复杂的信号变换、机器学习模型或详细的网络参数，在采样率较低、噪声水平高或UPFC设定变化时常常表现不佳。研究缺口在于找到一种在这些现实运行条件下既简单又稳健的方法。

读取行波的更简便方法

作者提出的故障定位技术借助一个基础的统计思想：移动标准差。首先，他们将各端测得的三相电压通过标准的数学旋转（Clarke 变换）转换为单一的“空中”模态。这一步分离出故障相关波动最为显著的信号部分。随后，不进行繁重的信号分解，而是在该空中模态波形上滑动一个短时间窗，计算每个窗内信号的变化程度。当行波到达时，局部波动性——即移动标准差——会急剧上升，形成明显的峰值。通过标记两端的峰值时刻并结合波的传播速度，该方法就能沿线路三角测量出故障位置。

在现实条件下检验该方法

为评估该方法，研究者模拟了一个500千伏、200公里的输电通道，配备了100兆伏安的UPFC和多台发电机。他们模拟了多种故障情形：沿线不同位置、所有常见故障类型（从单相到多相及接地）、宽范围的故障电阻以及与电网频率循环相关的多种起始角度。他们还考察了靠近和远端的故障、在UPFC典型工作模式间切换、改变其控制目标、将采样率降低到远低于行波方法通常所需的水平，并加入与低信噪比相当的强噪声。

结果对电网可靠性的启示

在这组严苛场景中，移动标准差方法始终能将故障定位到线路长度的一个小百分比以内，典型误差约为在200公里线段上几百米级。即便在采样率低至60赫兹——远低于行波方案通常假定的数十万赫兹——并且信号被严重噪声污染时，该方法仍保持此精度。与更复杂的小波、变换或神经网络技术相比，它在准确度上相当或更优，同时运行时间低于0.05秒且只使用端点电压测量。对于电网运行者而言，这意味着一种可嵌入现有数字保护装置或相量单元的实用工具，能快速、可靠地定位配备UPFC的线路故障，从而支持更快的恢复和更具韧性的电力网络。

引用: Mishra, S., Kumar, R., Kumari, S. et al. Moving standard deviation assisted two-terminal traveling wave based fault location estimation technique for transmission system incorporated with UPFC. Sci Rep 16, 12338 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42393-3

关键词: 电力系统保护, 故障定位, 行波, FACTS 装置, 统一潮流控制器