电力输电线路是电网系统中覆盖范围广、运行环境复杂的组成部分，雷击、外力破坏、绝缘老化等因素都可能引发线路故障，不仅会影响电网供电稳定性，还会给故障排查带来极大的时间成本。行波故障在线监测技术作为当前输电线路故障定位领域的主流技术之一，能够实现故障的实时感知与精准定位，为快速隔离故障、恢复供电提供数据支撑。

一、行波故障监测的物理基础

当输电线路发生短路、接地等故障时，故障点会因为电压突变产生频率丰富的暂态行波，这种行波会以接近光速的速度沿着输电线路向两端变电站方向传播。暂态行波的传播特性是行波故障监测的核心基础：一方面，行波的传播速度不受线路负荷电流、系统阻抗等因素的影响，仅与线路的介质参数相关，速度稳定且数值可测，为后续的时间差计算定位提供了稳定前提；另一方面，故障行波的频率远高于系统工频信号，能够通过滤波技术从复杂的背景信号中分离出来，降低了工频信号对故障识别的干扰。

暂态行波在传播过程中遇到波阻抗不匹配的节点，比如线路分支、变电站母线、故障点本身时，会发生折射与反射，这一特性也被应用到故障定位计算当中。目前主流的行波定位方法分为A形定位、双端定位两种，其中双端定位法因为不需要依赖反射波的识别，仅需要记录行波到达线路两端的时间差，就可以计算出故障点距离两端的位置，定位精度更高，抗干扰能力更强，也是当前在线监测装置普遍采用的定位方法。

二、行波故障在线监测装置的系统组成

一套完整的行波故障在线监测装置通常由前端采集单元、时钟同步模块、数据处理单元、通信传输模块四个核心部分组成，不同模块协同配合完成从信号采集到故障输出的全流程工作。

1.前端信号采集单元

前端采集单元是装置获取行波信号的入口，核心部件是高速电流互感器或者行波传感器，能够提取线路上的暂态行波电流信号。不同于常规的工频互感器，行波传感器的带宽能够覆盖kHz到MHz级的暂态信号，保证高频故障行波不会出现信号失真。前端采集单元通常安装在变电站的线路出线间隔，直接对接线路的电流二次回路，不需要对一次线路进行改造，安装与维护都比较方便。江苏宇拓电力行波故障在线监测装置的前端采集单元就采用了宽频带传感设计，能够适配不同电压等级的输电线路，稳定提取微弱的故障行波信号。

2.时钟同步模块

采用双端定位法的行波监测装置，对时间同步精度的要求非常高，仅仅1微秒的时间误差就会带来约150米的定位误差，因此高精度时钟同步是保证定位精度的核心环节。目前主流装置普遍采用北斗+GPS双模时钟同步技术，能够实现亚微秒级的时间同步精度，满足不同运行环境下的时钟同步需求，即使其中一个卫星定位信号受到遮挡，也可以自动切换到另一个定位系统，保证时钟同步不中断。

3.数据处理单元

数据处理单元承担着信号滤波、故障识别、定位计算的核心功能，是装置的“大脑”。前端采集单元采集到的原始信号中除了故障行波，还包含工频干扰、空间电磁干扰等噪声信号，数据处理单元首先会通过数字滤波算法分离出有效的故障行波信号，再通过小波变换、阈值触发等算法识别真实的故障行波，排除干扰信号引发的误触发，利用双端时间差计算出故障点的具体位置。

4.通信传输模块

通信传输模块负责将前端采集到的原始数据和计算完成的故障信息传输到后台监控主站，目前常用的通信方式包括光纤通信、4G/5G无线通信等，能够适应不同站点的通信条件。当发生故障时，装置会第一时间将故障告警信息、定位结果发送到主站平台，通知运维人员及时处置。

三、行波故障在线监测装置的故障监测完整流程

行波故障在线监测装置从信号采集到输出故障结果，是一个连续的自动化处理过程，具体可以分为信号实时采集与预处理、行波信号触发识别、故障真实性校验、定位计算与结果上传四个核心环节。

1.信号实时采集与预处理

装置进入运行状态后，前端采集单元会始终保持高速采样状态，采样频率通常在1MHz到10MHz之间，保证能够捕捉到上升沿极陡的暂态行波信号。采集到的原始模拟信号会转换为数字信号传入数据处理单元，数据处理单元首先完成预处理工作，第一步是滤除线路上的工频基波信号，因为工频信号的幅值远高于行波信号，如果不进行滤除会覆盖行波信号，影响后续识别；第二步是抑制背景噪声，比如空间电磁干扰、设备本身的热噪声等，通过小波去噪等算法提升行波信号的信噪比，避免弱信号被噪声淹没。

预处理环节并不会对原始信号进行完全丢弃，装置通常会将预处理前后的原始数据都存储下来，方便后续故障反演与分析，为线路故障分析提供完整的数据支撑。

2.行波信号触发识别

预处理完成后，装置会实时监测信号的幅值变化，当信号幅值超过预先设定的触发阈值时，就会判定有暂态行波到达，记录下当前的精确同步时间戳。触发阈值的设定需要兼顾灵敏度与抗干扰性：阈值设置过低会导致频繁误触发，把干扰信号判定为行波；阈值设置过高则会漏判小故障产生的弱行波信号。目前主流装置都会采用自适应阈值调整算法，根据线路当前的背景噪声水平自动调整触发阈值，在保证灵敏度的同时降低误触发概率。

对于双端监测系统来说，线路两端的装置都会独立记录行波到达的时间戳，当某一端装置触发后，会主动向对端装置发起对时数据召唤，获取对端装置记录的行波到达时间，为后续计算做准备。

3.故障真实性校验

暂态行波的产生并不一定都是由线路故障引发，雷击、开关操作、附近的雷电感应等也会产生暂态行波，如果误将这些干扰判定为线路故障，就会产生误告警，影响运维效率，因此装置需要对识别到的行波进行真实性校验，判断是否真的发生了线路故障。

常见的校验方法包括三种：第一种是结合行波的波形特征进行判断，故障产生的行波和雷击、操作产生的行波在波形上升沿、幅值衰减特性上存在差异，通过机器学习算法可以对波形特征进行分类，区分故障行波与干扰行波；第二种是结合变电站的保护动作信号进行联动校验，装置会通过通信接口获取变电站保护装置的动作信息，如果行波触发的同时对应线路保护也发出了跳闸告警，则可以确认故障真实发生，如果没有保护动作，则大概率是干扰，可以排除；第三种是结合行波的传播路径判断，真实故障产生的行波会沿着线路传播，两端装置都会记录到行波信号，如果只有单端触发，没有对端的对应行波信号，则大概率是装置安装位置附近的局部干扰，不会判定为线路故障。

通过多层校验，能够大幅降低装置的误告警率，提升装置的可靠性，避免给运维人员带来不必要的工作负担。

4.定位计算与结果上传

当确认故障真实发生后，装置就会基于双端时间差法完成故障位置的计算，核心计算公式为：故障距离本端的距离L=(v×Δt + L)/2，其中v是行波在输电线路中的传播速度，Δt是行波到达本端与对端的时间差，L是线路的总长度。传播速度v可以根据线路的参数预先计算得到，对于架空输电线路来说，行波传播速度接近光速，大约为3×10^8m/s，对于电缆线路来说，速度大约为光速的四分之一到二分之一，具体数值可以根据电缆绝缘介质参数确定。

计算得到故障位置后，装置会将故障发生时间、故障线路名称、故障距离、原始行波波形等信息打包，通过通信模块上传到后台监控主站，主站会在电子地图上标注出故障点的具体位置，同时弹出告警提示，通知运维人员前往指定位置排查故障。对于永久性故障来说，精准的定位结果能够将故障排查范围从几公里甚至几十公里缩小到几十米范围内，大幅降低故障排查的时间，缩短停电时间，提升供电可靠性；对于瞬时性故障来说，监测装置也能够记录故障点的位置，帮助运维人员提前排查隐患，避免故障再次发生。

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