（农业电气化与自动化专业论文）输电线路单相接地故障定位系统的研究.pdf

摘要 随着电力网互联的不断进行，电力系统的规模在不断扩大，小电流接地系统也日益增多。 由于小电流接地系统的电压等级较低，极易发生单相接地故障。系统发生单相接地故障以后， 因为故障电流很小，不至于影响系统的对称运行，所以按照规程可以继续运行l 2 个小时。 但是当发生单相接地故障时，非故障相对地电压升高，如果发生间歇性弧光接地，引起弧光 过电压，系统绝缘将受到威胁，容易扩大为相间短路。发生停电事故，从而造成经济损失。 若能够快速、精确地查找故障点，排除数障，不影响对用户的供电具有很大的实际意义。因 此输电线路的单相接地故障点定位应是电力系统故障检测的一个重点 本文系统地分析了国内外现有的单相接地故障定位方法。由于阻抗法易受过渡电阻、互 感器误差、线路结构不对称等因素的影响，所以测距精度不高。行波法分为有源行波法和无 源行波法，如果采用无源行波法进行在线测距，则在电压过零点附近发生故障时，由于故障 点产生的行波突变量小，变化平缓，导致很难检测到行波波头，无法进行行波测距。利用有 源行波法进行在线测距，若采用双端测距，则存在一个线路两端基准时间要高度同步的问题， 需要配备稳定性很好的通信通道本论文基于单端行波法的测距原理，提出了向离线的输电 线路发出直流信号，从而实现单相按地故障点快速定位的方法。基于这种定位方法，进行了 定位系统的硬件和软件设计。 本课题将迅速发展并被广泛应用的一种新技术一数字信号处理技术应用其中，使用了t 1 公司生产的t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 数字信号处理芯片，以满足系统快速进行数据处理的要求。通过 对可编程逻辑芯片g a l l 6 v 8 d 的逻辑选择来有效、有序地控制系统各个模块运行的工作状 态。当输电线路发生故障时，启动系统，测得故障点位置，并将故障点数据通过r s - 2 3 2 串 行端口上传到p c 机为了适应系统的需要，本系统还外扩了程序存储器，用来存储程序代 码，使系统在上电复位后能够通过自举引导将程序加载到d s p 芯片中。系统下位机软件采用 汇编语言进行编程，上位机运用v i s u a lb a s i c6 0 作为开发平台设计用户界面，接收下位机上 传的数据并将其存储到数据库中，以方便用户对故障点进行分析。 为了验证本论文提出的故障定位方法的可行性，；f | 用现有的实验室条件，进行了模拟实 验，说明本系统的实验方案切实可行 本论文所设计的单相接地故障定位系统能够检测到行波波头信号，具有较高的精度，成 本低，具有较好的实用性和广阔的应用前景 关键词：行波法；输电线路；单相接地故障；定位系统 v r e s e a r c ho ns i n g l ep h a s e g r o u n d i n g f a u l tl o c a t i o ns y s t e mf o rt r a n s m i s s i o nl i n e a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp o w e rn e t w o r ki n t e r e o u n e e t i o n t h es c a l eo fp o w e rs y s t e mj s e x t e n d i n g , t h es c a l eo ft h en o n - e f f e c t i v e l yg r o u n d e dp o w e rs y s t e m si si n c r e a s i n g b e c a u s et h e v o l t a g ec l a s so ft h en o n - e f f e c t i v e l yg r o u n d e dp o w e rs y s t e m si sl o w e r , s i n g l ep h a s eg r o u n d i n g f a u l ti se a s i l yo c c u r r e d i f s i n g l ep h a s eg r o u n d i n gf a u l ti so c c u r r e d , f a u l tc u r r e n ti sv e r ys m a l l ，s oi t c a nc o n t i n u et or u nf o ri - - 2h o u r sa c c o r d i n gt ot h ep r o t o c 0 1 w h i l ei nt h ee a s eo fs i n g l ep h a s e g r o u n d i n gf a u l t , t h ev o l t a g et og r o u n do f n o n - f a u l tp h a s er i s e s ，i f o c c u r r i n gi n t e r m i t t e n c ea r cg r o u n d ， i tc a r lc a u s ea r c i n go v e r v o l t a g e , a n di n s u l a t i o no ft h es y s t e mi s s p o i l e d i te a s i l yc a u s e s p h a s e - t o - p h a s es h o r tc i r c u i t , h a p p e n sp o w e rc u ta c c i d e n t , c o n s e q u e n t l yc a u s e de c o n o m i cl o s s i f t h e f a u l tp o i n tc a nb ef o u n dq u i c k l ya n da c c u r a t e l y , t h ec a ) n s u m e rw i l ln u tb ci n f l u e n c e dm u c h t h e r e f o r e ，i th a sp r o d i g i o u sa c t u a ls i g n i f i c a n c e a n dt h es i n g l ep h a s eg r o u n d i n gf a u l tl o c a t i o nf o r t r a n s m i s s i o nl i n es h o u l db et h ee m p h a s e si np o w e rs y s t e mf a u l td e t e c t i o n t h i sp a p e rs y s t e m a t i c a l l ya n a l y s e s 仞d 蛳n gd o m e s t i ca n df o r e i g nm e t h o d sf o rs i n g l ep h a s e g r o u n d i n gf a u l tl o c a t i o n b e c a u s et h ei m p e d a n c ef a u l tl o c a t i o nm e t h o di se a s i l yi n f l u e n c e db rt h e f a c t o rs u c h 罄f a u l tr e s i s t a n c e ，t r a n s f o r m e re r r o ra n da s y m m e t r i c a ll i n ec o n f i g u r a t i o n ，t h ef a u l t l o c a t i o na c c u r a c yi sl o w e r t r a v e l i n gw a v ef a u l tl o c a t i o nm e t h o dc a nb ec l a s s i f i e di n t oa c t i v e t r a v e l i n gw a v em e t h o da n dp a s s i v et r a v e l i n gw a v em e t h o d i ta d o p t sp a s s i v et r a v e l i n gw a v e m e t h o d t h a tm a i s u l w 3t h ef a u l td i s t a n c eo nl i n e i f f a u l ta tt h ev o l t a g ec r o s s o v e rp o i n th a p p e n e d ，b e c a u s eo f t h eq u a n t i t a t i v es u d d e nc h a n g eo f t r a v e l i n gw a v ew h i c hb r o u g h tb yt h ef a u l tp o i n ti sv e r ys m a l la n d i t sv a r i a t i o ni sm i l d ，i tc a u l st h ef r o n to f t r a v e l i n gw a v ei sh a r dt ob ed e t e c t e d 。t h e r e f o r e 。i tc a n n o t m e a s u r et h ed i s t a n c eb a s e do nt r a v e l i n gw a v e i ta d o p t sa c t i v et r a v e l i n gw a v em e t h o dt h a tm e a s u r e s t h ef a u l td i s t a n c eo nl i n e i f m e a s u r i n gt h ed i s t a n c eb yt h es i g n a lc o m i n gf r o mb o t hs i d e s ，t h e r ei sa p r o b l e mt h a td a t u mt i m ea tt h eb o t hs i d e sm u s tb es y n c h r o n i z a t i o n s oi th i n d st oe q u i p c o m m u n i c a t i o nc h a n n e l sw i t hg o o ds t a b i l i t y , t h i sp a p e rp r e s e n t saf a u l tl o c a t i o nm e t h o dt h a ti s b a s e do nt r a v e l i n gw a v em e t h o dw i t ho n es i d e ，s e n d i n gt h ed i r e c tc u r r e n ts i g n a lt ot r a n s m i s s i o nl i n e t h a ti so f fl i n e i nt h i sw a y , i tc a na c q u i r et h et i m em a r g i nf r o ms e n d i n go u tt h es i g n a lt or e t u r n i n g t h et r a v e l i n gw a v e ，s c c o r d i n g l yc a r r yi to u tt h a ts i n g l ep h a s eg r o u n d i n gf a u l tp o i n tl o c a t ef l e e t l y b a s e do nt h i sl o c a t i o nm e t h o d , i tp m e n t st h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r es y s t e mi nd e t a i l t h ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s st e c h n o l o g yi sa p p l i e di nt h ep r o j e c t i ti san e wt e c h n i q u et h a t d e v e l o p sr a p i d l ya n db eu s e dw i d e l y t h e1 m s 3 2 0 v c 5 4 0 2d a t as i g n a l 舢ro f t ic o m p a n yi s u s e dt om e e tt h ed e m a n d so fd i g l h a lp r o c e s s i n g e f f e c t i v ea n do r d e r e dc o n t r o lo ne v e r y m o d u l ec a nb ei m p l e m e n t e db yt h ec h o o s i n gl o g i cs e l e c t i o no f g a l l 6 v s d - - ap r o g r a m m a b l e c h i p i ft r a n s m i s s i o nl i n eo c c u r sf a u l t , s t a r t ss y s t e m ，a n dm e a s u r e st h ef a u l tp o i n tl o c a t i o n ， t h e nt r a n s m i t st h ea c q u i r e df a u l tp o i n td a t at op cb yr s 一2 3 2s e r i a lp o r t r o mh a sb e e na d d e d j u s tb e c a u s eo f t h es y s t e mn e e d e x t e n d e dp r o g r a mm e m o r yi su s e dt os t o r ep r o g r a mc o d e a n d l o a dt h ep r o g r a mt od s pc h i pa u t o m a t i c a l l ya f t e rs y s t e mi se l e c t r i f i e da n dr e s e t t h e s u b o r d i n a t ec o m p u t e rs o f t w a r ei sp r o g r a m m e db ya s s e m b l el a n g u a g ea n dt h eh o s tc o m p u t e r s o f t w a r ei sp r o g r a m m e db yv i s u a lb a s i c6 0 t h eh o s tc o m p u t e rr e c e i v e sd a t af r o md s pa n d s t o r e si ti nd a t a b a s ea n dt h ef a u l tp o i n ti n f o r m a t i o ni sa n a l y z e dc o n v e n i e n t l yb yt h ed e s i g n e d u s e ri n t e r f a c e i no r d e rt ov e r i f y i n gt h ef e a s i b i l i t yo ft h ef a u l tl o c a t i o nm e t h o d ，w h i c hi sp r e s e n t e di n t h i st h e s i s ，t h ea n a l o ge x p e r i m e n tw a sp e r f o r m e db a s e do nt h el a b o r a t o r yc o n d i t i o n i ts h o w s t h a tt h ee x p e r i m e n t a ls c h e m eo f t h i st h e s i si sf e a s i b l e t h es i n g l ep h a s eg r o u n d i n gf a u l tl o c a t i o ns y s t e mi nt h i st h e s i sc a l ld e t e c tt h ef r o n to f t r a v e l i n gw a v e ，h a sh i g ha c c u r a c y , l o wc o s ta n dg o o da p p l i c a t i o nf o r e g r o u n d k e yw o r d s ：t r a v e l i n gw a v em e t h o d ；t r a n s m i s s i o nl i n e ；s i n g l ep h a s eg r o u n d i n gf a u l t ；p o s i t i o n l o c a t i o ns y s t e m c a n d i d a t e ：z h e n gn a s p e c i a l i t y ：a g r i c u l t u r a le l e e t r i z a t i o na n da u t o m a t i z a t i o n s u p e r v i s o r ：p r o f z h a oy u l i n 独创声明 本人声明所星交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得 ! 蕉! 翅递直基丝益墨挂型直盟鲍：奎拦亘窒2 或其他教育机构的学位或证 书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名。冲谰_ p日期：砌年6 月罗日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。 本人授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解 密后适用本授权书) 。 学位论文作者签名：却玄刁户日期：蜥g 月7 日 导师 签名：赵2 书卜日期：如占年占月夕日 1 引言 1 1 研究的目的和意义 人类已经步入2 l 世纪，所面临的最大挑战是实现经济和社会的可持续发展，而保证优 质可靠的电力供应是现代社会实现可持续发展的必要条件之一。随着电力网互联的不断进行， 电力系统的规模在不断扩大，小电流接地系统也日益增多。由于小电流接地系统的电压等级 较低，极易发生单相接地故障，而发生故障以后，接地电阻难以确定，且配电网结构复杂、 分支较多。给单相接地故障的定位带来了较大难度，所以研究输电线路的单相接地故障定位 系统对提高电网供电可靠性具有重要意义 单相接地故障多发生在潮湿、多雨天气。它主要是由于树障、配电线路上绝缘子单相击 穿、单相断线以及小动物危害等诸多因素引起的。发生单相接地后，故障相对地电压降低， 非故障两相的相电压升高，但线电压却依然对称，因而不影响对用户的连续供电，系统可运 行i 2 小时 当发生单相接地故障时，一般具有以下特征( 谯坤，2 0 0 5 ) ： 1 当发生一相( 如a 相) 不完全接地时，即通过高电阻或电弧接地，中性点电位偏移，这 时故障相的电压降低，但不为零。非故障相的电压升高，它们大于相电压，但达不到线电压。 2 如果发生a 相完全接地，则故障相的电压降到零，非故障相的电压升高到线电压 3 电压互感器高压侧出现一相( a 相) 断线或熔断件熔断，此时故障相电压降低，但指示 不为零，非故障相的电压并不高。这是由于此相电压表在二次回路中经互感器线圈和其它两 相电压表形成串联回路，出现比较小的电压指示，但不是该相实际电压，非故障相仍为相电 压。 4 串联谐振。由于系统中存在容性和感性参数的元件，特别是带有铁芯的铁磁电感元件， 在参数组合不匹配时会引起铁磁谐振，并且继电器动作，发出接地信号可通过改变网络参 数，如断开、合上母联断路器或临时增加或减少线路予以消除。 5 空载母线虚假接地现象。在母线空载运行时，也可能会出现三相电压不平衡，并且发 出接地信号但当送上一条线路后接地现象会自行消失。 6 电弧接地。如果发生a 相完全接地，则故障相的电压降低，但不为零，非故障相的电 压升高到线电压。 若发生单相接地故障时，电网长期运行，会造成的危害主要有以下几点： 1 由于非故障相对地电压升高( 完全接地时升至线电压值) ，系统中的绝缘薄弱点可能击 穿，造成短路故障，使事故扩大，影响用户的正常用电。 2 故障点产生电弧，会烧坏设备，破坏系统安全运行，并可能发展成相间短路故障 3 故障点产生间歇性电弧时，在一定条件下，产生串联谐振过电压，其值可达相电压的 2 5 3 倍，对系统绝缘危害很大。 4 还可能使电压互感器铁芯严重饱和，导致电压互感器严重过负荷而烧毁。 基于上述原因，迅速查找故障点、排除故障是十分重要的。而现在对于单相接地故障 的查找方法比较落后，大多数都采用巡线的方式，查找时间长、人力物力耗费很大尤其是 闪络等瞬时性故障占9 0 9 5 ，而这类故障造成的局部绝缘损伤一般没有明显的痕迹，给 故障点的查找带来极大困难一般一次接地故障点的查找就要几个小时，远远超过了规程中 “单相接地故障允许继续运行2 小时”的规定。因此输电线路的单相接地故障检测应是电力 系统故障检测的一个重点。 输电线路的故障测距是近年来的热门研究课题之一如果能够实现快速、精确的故障测 距，则可以大大减轻运行维护人员的巡线负担，有利于迅速查找故障点，缩短故障排除时间、 停电时间，从而提高电网运行的可靠性，减小故障所带来的经济损失国内外都发生过由于 输电线路故障而诱发的电力系统瓦解事故，故障测距可以帮助人们分析故障原因，发现绝缘 隐患，以便及时采取措施防止故障的发展。高精度的故障测距装置能够快速、准确地发现故 障点，使有关人员以最少的人力、物力排除故障，消除隐患，同时提高电力系统的供电可靠 性和运行稳定性。具有巨大的社会和经济效益 1 2 国内外研究动态和趋势 长期以来，高压输电线路的故障测距受到普遍重视。在a i e e ( a s s o c i a t i o no f i n t e r n a t i o n a l e d u c a t i o n a le x c h a n g e ，国际教育交流促进协会) c o m m i t t e e1 9 5 5 年的报告中给出的1 9 5 5 年 前有关故障测距的文献就有1 2 0 篇( 禽电缆) ( a i e e c o m m i t t e e r e p o r t ，1 9 5 6 ) 二战后，测距 技术有了很大发展，尤其是7 0 年代以来随着计算机技术的应用，微机保护和故障录波装置的 开发及大量投运，更加速了故障测距的实用化进程。基于微机或微处理装置、通信技术、g p s 等高新技术的故障测距方( 算) 法研究也己成为国内外的热门课题之一，推动了故障测距技术 的不断发展但是由于微机故障测距技术出现的时间不长，无论是理论还是实际应用都有待 改进。 纵观故障测距技术的发展过程，大致可分为三个阶段( 吕艳萍等，1 9 9 9 ) ： 1 模拟式故障测距装置采用的是模拟技术，其基本原理是阻抗法，即基于输电线路为 均匀线的假设，用保护安装处的母线电压与流过保护的电流的比值来反映故障点距母线的距 离。发生故障时，测距装置由启动元件启动，测得故障时的电压和电流等参数，进而计算出 故障回路的阻抗。由于线路长度与阻抗成正比，因此可以求出由装置安装处到故障点的距离。 由于模拟技术的诸多缺陷以及只采用线路单侧电流、电压信号，在双侧电源系统中，其测量 精度受过渡阻抗和对侧助增电流的影响，测距精度很差，难以满足输电线路故障测距要求。 2 单侧信号数字式故障测距随着计算机的应用与普及，一些国家开始将微机用于高压 输电线路的故障测距。1 9 7 6 年，瑞典皇家工学院的w e s t i n 和b u b e n k o 采用计算机进行故障 测距的论文发表。其后，国内外许多学者都提出了各自使用计算机进行故障测距的算法。尽 管这些算法多种多样，各不相同，但有两点是共同的：一是通过数据采集系统，将连续变化 的模拟电流、电压信号转变为离散的数字信号，送入计算机处理；二是只采用了线路一侧的 电流、电压信号。数字式故障测距利用计算机高速的运算功能和逻辑判断能力，辅以相应的 “ “ 修正方法，提高了测距精度。但这些方法( m a u r a n g z e b 等，2 0 0 0 ) 仍采用单侧电流、电压 信号，无法获取故障点的短路电流值和过渡阻抗的大小，不能从根本上消除过渡阻抗和助增 电流对测距精度的影响，其测距仍不够精确，不能满足日益发展的电力系统的需要 3 双侧信号故障测距1 9 8 8 年加拿大学者s a e h d a v 和a g a r w a l 首次提出一种采用双侧 2 电气量进行故障测距的方法( m s s a c h d a v 等，1 9 8 8 ) 。其后，很多学者先后提出了各自的双 端测距算法( a t j o h n s 等，1 9 9 0 ) 。采用双侧电流、电压信号的算法，从理论上讲可以完全 消除过渡阻抗和对侧助增电流引起的测量误差。但由于当时双侧信号采样的同时性无法解决， 并且缺乏线路两侧数据交换手段，使得这种方法难于付诸实施。g p s ( g l o b a lp o s i t i o ns y s t e m ， 全球定位系统) 系统( 李小民等，1 9 9 7 ) 是美国开发的新一代卫星导航与定位系统，它通过 接收、计算来自导航卫星的导航电文与时间差来提取移动目标的精确经度、纬度、速度和时 间等信息，它不仅具有全球性、全天候、连续的精密导航与定位能力，而且具有良好的抗干 扰和保密性，它从根本上解决了导航与定位问题，可以满足不同的需要。鉴于g p s 系统可以 快速、精确地给移动目标定位，该系统在电力系统的故障测距中得到了迅速应用。它能保证 两地间的时间误差在1 | i s 以内，使输电线路两侧信号高精度同步采集有了保证。加上计算机 间通信技术的发展，采用调制解调器( m o d e m ) 通过电话线可实现计算机远距离数据传送， 基于以上技术的发展，双端测距方法才真正进入了实施阶段( 高厚磊等，1 9 9 5 ) 。 目前，许多学者都对电力系统的故障定位做出了深入的研究，提出了优化的测距理论以 及先进的测距方法。例如，有入提出了利用双端的电压电流量精确地计算沿线路电压分布的 测距方法( a g o p a l a k r i s h n a n 等，2 0 0 0 ：束洪春等，2 0 0 2 ) 而只用单端量是不可能求出整条 故障线路的电压沿线路的分布的，用单端量求得的电压分布在故障点以前是真实的，但在故 障点以后，由于故障点后侧的电流发生了变化，求得的电压分布是虚假的然而，鉴于这种 原理，又有人提出了一种新的单端故障测距原理( 哈恒旭等，2 0 0 3 ) 。该原理利用单端电压电 流计算沿线电压对距离导数的范数在线路上的分布进行故障点定位。虽然这个电压分布是虚 假的，但是它对距离的导数与真实的电压分布对距离导数有相似的变化规律。同时研究还发 现，故障线路上电压对距离导数的范数( 有效值) 在故障点呈现最小值，从而得知这个利用 单端量计算的电压分布导数的范数最小值点就是故障点。 在文献( 李白品等，1 9 9 7 ) 中提出，根据高压输电线在故障点附近的温度比无故障位置 的温度高，且该温度增量呈一以故障点为中心的抛物线分布的原理来进行故障点的定位。 由于g p s 的出现，把时间的测量精度提高到了璐级，从而提高了双端定位的精度。在 文献( 曾祥君等，1 9 9 9 ) 中，提出采用一种专用行波波头检测传感器，并与高精度的g p s 时 钟和一种直接存储行波波头时刻的高效存取方法相配合，进而在电力网中构成g p s 行波测量 网络，从而进行精确的双端定位。 超声波是频率在2 0 k h z 以上，人耳感觉不到的声波。与可闻声相比，它的特点是频率高、 波长短，在传播中具有良好的束射性和方向性。在文献( 杨斌虎等，2 0 0 4 ) 中，利用超声波 进行测距。它是通过测量回波时间的长短和强弱来确定目标或者障碍物的位置与军事、大 型工业领域广泛采用的微波雷达测距、激光测距技术相比，这种检测技术难度相对较小，成 本低廉，不受环境的限制，应用起来比较迅速，方便、计算简单、易于做到实时控制，并且 在测量精度方面能达到工业实用的要求。 小波变换是目前应用非常广泛的一种理论。它是一种信号的时间一尺度( 时间一频率) 分析方法，能够把任何信号映射到由一个母小波伸缩( 变换频率) 、平移( 搜索非平稳性) 而形 成的一组基函数上去，实现信号在不同时刻、不同频带的合理分离而不丢失任何原始信息。 这些功能为动态信号的非平稳性描述、机电设各零部件故障特征的分离、提取以及实现早期 故障诊断提供了高效、有力的工具文献( 王立国等，2 0 0 2 ) 中指出，一般来说，被检测的 信号由确定性信号和平稳随机噪声叠加而成，其小波变换是两部分小波变换之和。其中，确 定性信号边沿对应的小波变换的极值随着尺度因子的增大将增大，或由于噪声的影响而缓慢 衰减。由上述预备定理，平稳噪声作为平稳随机信号的一种特例，其小波变换的极值随着尺 度因子的增大将迅速衰减。因此，在大尺度下，信号的小波变换的极值点将主要属于确定性 信号的边沿。所以，可利用此性质区分信号的边沿与平稳噪声，从而实现故障检测。还有文 献( c h a e - k y u nj u n g 等，2 0 0 4 ) 中对于由架空线路和地下电力电缆构成的复合式电力传输系 统运用离散小波变换和行波理论进行故障定位。 利用行波法进行故障定位，能克服阻抗法易受对侧系统运行阻抗、负载电流、系统运行 方式等因素影响的缺点，使得测距精度得以提高( m s n e d d o m 等，1 9 9 7 ) 而准确捕捉行波 波头到达时刻则是此方法的关键所在利用小波变换检测行波信号奇异点是国内外常采用的 方法( h a s s a n n o u r i 等，2 0 0 l ；c h a e k y u nj u n g 等，2 0 0 4 ) 由于采集到的行波信号含有大量 的噪声信号，这给行波波头的准确捕捉带来了困难。而对于含有噪声的行波信号利用小波理 论进行去噪，效果显著。其基本原理是噪声在每个尺度下的小波系数将小于菜一定值，并有 良好的统计优化特性。除去小于某一定值的小波系数，用余下的小波系数进行重构即可达到 去噪效果( 姜晟等，2 0 0 4 ) 随着电力系统的发展，超高压输电线路的精确故障测距技术日益受到关注文献( a a g i r g i s 等，1 9 9 2 ；d n o v o s e l 等，1 9 9 6 ) 采用集中参数线路模型，文献( 崔静安等，1 9 9 6 i 梁军等，1 9 9 7 ) 基于对称分量法。然而，超高压输电线路结构上不换位，导致三相参数不对 称，对称分量法不能在各序分量之间解耦；大多数故障类型是经高阻接地的故障，电容电流 不能忽略。而采用双端信息测距所面临的主要问题是两端采样数据不同步，卸使采用g p s 同 步采样技术，考虑硬件延时，采样率差别等因素引起的误差，也很难得到完全同步的数据。 因此，不同步双端测距技术具有极大的实用价值于是文献( 杜召满等，2 0 0 4 ) 根据分布参 数线路模型和相一模变换技术，考虑了双端数据的不同步问题，利用拟牛顿法迭代求解非线 性方程组，来实现超高压输电线路的双端不同步精确测距 还有许多研究者把相关学科的成果引进来，提出了许多新颖的智能化测距方法，如优化 方法、卡尔曼滤波技术、模式识别技术、概率和统计决策、模糊理论( m a j i dj a m i l 等，1 9 9 9 ) 和光纤测距等方法，目前多处于研究阶段。文献( ku r a s a w a 等，1 9 8 9 ) 开发的采用组合架 空地线的光纤测距技术是较新颖的一种智能化测距方法，已有两套测距系统投运。该方法采 用复合光纤中的感应电流为识别信息，由于该信息沿线分布的模糊性，采用模糊理论处理故 障信息得出故障区段。 现有的各种测距算法备有其优缺点，为了达到准确测距的目的，都有需要进一步解决的 技术问题。准确性不高的故障测距方法，不能满足电力系统运行和管理的要求；准确性较高 的测距方法成本太高，不适合中国的国情。研究开发更加经济实用、测距精度更高的故障测 距方法就显得尤为迫切。 “ 行波法测距早在1 9 3 1 年就有报导，它的可靠性和精度在理论上不受线路类型、故障电 阻及两侧系统的影响，是早期研究的一个热点利用行波法实现输电线路故障测距是建立在 下述基础之上的：即行波在输电线路上有固定的传播速度( 约等于光速) 。根据这一特点，测 4 引言 量和记录线路故障时行波到达母线的时间实现精确故障测距行波法原理简单，测距精度比 阻抗法要高的多，所以本文采用行波法进行单相接地故障的定位 1 3 本论文的主要工作 本课题要研究的是一种基于行波法的测距原理，应用于1 0 k v 配电网无分支输电线路的 单相接地故障定位系统。具体研究内容如下： 1 基于行波法单端测距的理论研究； 2 输电线路单相接地故障测距系统的硬件设计以d s p 芯片为核心控制器，对系统各个 模块进行设计，采用r s - 2 3 2 串口进行数据通信； 3 系统的软件设计。其中包括d s p 工作时钟的设定，采用a b e l 软件对g a l 进行编译， 采用汇编语言对计时程序和数据通信模块进行编程，并将故障点数据上传，存入p c 机，采 用v i s u a lb a s l e6 0 进行上位机设计，建立数据库以便工作人员对故障点数据进行查询分析， 并采取相应的措施。 5 2 输电线路单相接地故障定位方法的研究 按采用的线路模型、测距原理、被测量与测量设备等的不同，故障测距可以有多种分类 方法。根据故障的测距原理，现有的故障测距方法可以分为两类：一类是阻抗测距法，一类 是行波测距法。 2 1 阻抗测距法 2 1 1 阻抗测距法的基本原理 阻抗测距法又称为广义的故障分析法。在系统运行方式确定，线路参数己知的条件下， 当线路某处发生故障时线路两端的电压和电流均为故障距离的函数。阻抗法就是利用线路故 障时测量的电压、电流，通过分析和计算求出故障点的距离 现以图2 - 1 所示的双端电源系统来说明单端阻抗法测距的基本原理。 图2 - 1 双端电源等效系统电路图 f 嘻2 - 1d o u b l e - e n dp o w e rs u p p l ye q u i v a l e n ts y s t e mc i r c u i t 图中坑，吭分别为故障时母线s 、r 侧电压： ，s 、1 月分别为故障时线路s 、r 侧流向故障点的电流； z s 、z a 分别为s 、r 侧系统等效阻抗； z “、z m 分别为母线s 、r 至故障点的线路正序阻抗，且z 聒+ z 2z ， 假设线路上f 点经过渡电阻见发生故障，f 点距母线s 的距离为d ( 线路全长的百分比) 测距装置安装在s 端，则测量阻抗可表示为： 一。；一小鼍咄一争函订一 式中r “为故障点的过渡电阻； 6 质； t 为故障点的短路电流： ， a z 为测量误差，a z = 二上r j 。 l s 对式( 2 1 ) 进行分析可见： 1 当r - - - - - 0 时，a z = o ，z 。= z “，测距结果准确： 2 当r 0 时，a z 0 ，测距结果有误差z ： ( 1 ) 在单端电源条件下，h ；0 ，z 。= z j 3 + r f ，z = r ”测距误差具有纯电阻性 ( 2 ) 在双侧电源条件下，由式( 2 1 ) 有z ：阜马? ，测距误差不仅与研大小有关，还 i s 受故障电流与测量点电流的向量比的影响。过渡电阻月f 、故障点电流以及两端电流 之间的相位关系决定了误差的大小和性质。由于误差可能在相当大的范围内变化，因此必须 采取有效措施减小，才能满足测距精度的要求 2 1 2 阻抗测距法的分类 阻抗测距方法就其采用的电气量可分为两大类：单端测距方法和双端测距方法。 单端测距方法又可分为时域法和工频电气量法。时域法以测量点电流电压满足的微分方 程为分析基础，通常假设故障点电流与测量点电流故障分量同相位，求解出故障点到测量点 的电感，进而求出故障距离；文献( 索南加乐等，2 0 0 4 ) 方法是以全网络微分方程为基础， 消去对端电流而保留对端系统参数，通过求解非线性方程组得到故障距离。工频电气量法的 基本思想是通过求解故障稳态网络方程得到故障距离，由于测距方程中包括故障距离、过渡 电阻、线路对端电流相量共4 个未知量，而根据故障稳态网络仅可列出2 个方程，因而不满 足定解条件通常做法是根据电力系统特点将受对端系统参数影响的有关电气量做一定的假 设，减少未知量个数，求解故障距离。常见的有工频阻抗法( t 诎a g i 等，1 9 8 2 ) 、故障电流 ( 相位) 修正法( 全玉生等，2 0 0 0 ) 、解方程法( 李志民等，1 9 9 7 ；毛小明等。1 9 9 8 ) 、网孔方 程法( 刘劲等，1 9 9 4 ) 等。这类工频算法从原理上不能消除对端系统阻抗变化对测距结果的 影响。文献( 索南加乐等，2 0 0 4 ) 所提时域方法可从原理上消除对端系统阻抗的影响，具有 较高的铡距精度，但该方法需进行导数的计算，因而对采样速率有较高的要求，同时必须以 电流电压次信号无畸变地传变至二次侧为基础，这是目前系统中使用的电流电压互感器不 能满足的( 康小宁等，2 0 0 5 ) 随着通讯技术和g f s 同步技术的发展，利用双端电气量的测距算法得以实现，双端算法 可以克服单端算法原理上的缺陷，因而在精度上有所提高。双端算法按照数据同步的方式， 可以分为g p s 同步算法、自同步算法和不同步算法。在调度中心安装故障信息系统可以把各 变电站的录波信息采集上来，利用双端测距算法可以给出故障点的准确信息，为调度决策提 供有力支持。 2 2 行波测距法 电信号( 电流、电压信号) 在沿导线传输过程中，由于分布电感、电容和电阻的存在，导 线上各点的电信号并不能马上建立，而是有一定的滞后，离起点越远，电压波和电流波到达 的时间越晚。这样，电波在线路上以一定的速度传播开来，从而形成行波( 刘刚，2 0 0 3 ) 利用行波法实现输电线路故障测距是建立在下述基础之上的：即行波在输电线路上有固定的 传播速度( 约等于光速，一般为2 9 8 x 1 0 5 k i n s ) 。根据这一特点，测量和记录线路故障时行 波到达母线的时间实现精确故障测距。 2 2 1 行波法的测距原理 当利用单端电气量进行测距时，如图2 - 2 所示的简单系统。 一l 叫 测量点卜_ 上专一 图2 - 2 单端行波测距示意图 f i g 2 - 2s c h e m a t i cd i a g r a mo f d i s t a n c e m e a s u r i n gb a s e do ns i n g l e - e n dt r a v e l i n gw a v e 假设在f 点发生故障，设测量点到故障点的距离为l ，行波在线路中的传播速度为v ， 发出信号的时刻记为t 。，信号到达故障点发生反射，反射波到达测量点的时刻为t 2 ，则可以 得到f 点到测量点的距离为： l ：垒2 = ! ! 坐( 2 - 2 ) 当利用双端电气量进行测距时，如图2 - 3 所示。 l l 薹 1 甚砷 1 0 0 k m ) 难以满足 寻线要求( 曾祥君等，1 9 9 9 ) 。 2 行波法由于行波法受线路类型、接地阻抗等因素的影响小，原理简单，测距精度较 高，因此越来越受到国f 1 ) l 学者的关注，目前国内也有不少研究机构正在进行这方面的研究。 但行波测距法也存在一些问题，主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 行波信号的获取由于电容分压式电压互感器( c v t ) 传变暂态信号的能力较差， 而电流互感器( 1 a ) 被证明具有传变高频暂态信号的能力，电流互感器二次侧的时间常数按 实验数据估计一般在几微秒左右，且受铁芯饱和及剩磁的影响，这将使电流互感器的动态时 延具有较大分散性，使得1 a 对行波信号波形产生畸变。光学互感器的出现使传变高频暂态 电压行波成为可能，其抗电磁干扰能力强、频率响应特性好等特点，但离实用化还有一定的 距离。 ( 2 ) 行波信号的不确定性行波信号的不确定性主要表现在故障的不确定性和母线结构 的不确定性。故障暂态行波信号的强弱与故障时刻及故障类型有关，而故障时刻和故障类型 却是随机的。电压、电流行波波头的形状和极性又与线路两端的波阻抗的变化情况有关，其 幅值与故障发生的时刻密切相关因此，必须注意到行波信号的强弱对测距的影响。 ( 3 ) 行波波速的不确定性在行波测距的算法中，一般假定行波的传播速度是恒定的。 而实际上，不管是零模波速还是线模波速都受环境因素和气候因素的影响。难以保持恒定值， 行