（控制理论与控制工程专业论文）基于dsp的电力电缆故障测距方法研究.pdf

论文题目： 专业： 硕士生： 指导老师： 基于d s p 的电力电缆故障测距方法研究 控制理论与控制工程 淮文军 汪梅 摘要 ( 签名) ( 签名) 电力电缆在电力系统中应用日益广泛，由于电缆绝缘老化和机械损坏等因素，随着 运行时间增长，故障发生概率会有逐年增加的趋势。因此，对电力电缆在线故障测距的 需求越来越紧迫。本课题通过对电力电缆故障测距的常用方法及新的故障测距技术进行 系统分析比较，发现要实现小电流接地系统电力电缆在线故障测距，需要深入考虑以下 几个问题：故障行波在传播过程中的特性；故障点的特性对故障行波的影响；故障特征 在测量点的变化特性以及如何准确确定故障行波到达时刻。 本课题以1 0 k v 交联聚乙烯绝缘电力电缆为原型，用a t p e m t p 建立了一个电力电 缆系统仿真模型，并仿真了不同故障接地方式下的故障电流波形特征，分析了故障点的 特性对故障行波的影响。故障分析过程中采用小波变换局部模极大值的方法检测故障行 波的突变点特征，通过小波的故障点奇异性判据判断是否发生故障，如果有故障发生则 采用改进的测距算法计算出故障距离。另外，还分析了影响在线故障测距精度的因素和 消除这些因素影响的措施。 为了测试论文研究的可用性，设计了电力电缆故障测距数据处理系统。数据处理系 统硬件主要包括d s p 工作电路设计、a d 转换电路设计、电源模块电路设计、存储器 模块电路设计、逻辑模块电路设计。数据处理系统软件以d b 小波作为故障行波时刻检 测算法，以d s 证据推理方法作为电缆系统故障类型分类算法，在c c si d e 中编写了 程序，与硬件联机调试证明该算法具有一定的可行性，可以达到预期的效果。 关键词：电力电缆；小波分析； 行波法；a t p ；d s p ；d s 证据推理理论 研究类型：应用研究型 s u b j e c t：s t u d yo ff a u l t e dc a b l ef a u l tl o c a t i o nm e t h o db a s e d o nd s p t e c h n o l o g y s p e c i a l t y ：c o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o le n g i n e e r i n g n a m e：h u a iw e n j u n i n s t r u c t o r ：w a n gm e i a b s t r a c t ( s i g n a t ur e ) ( s i g n a t u r e ) p o w e rc a b l ei sa p p l i e di np o w e rs y s t e me x t e n s i v l y p r o b a b i l i t yt a k i n gp l a c ei nc a b l ef a u l t i sg r e a t l yi n c r e a s e da l o n gw i t hr u n t i m e ，a sm a n yf a c t o r s ，s u c ha sp o w e ri n s u l a t i o na g i n ga n d m a c h i n e r yd a m a g e o n l i n ef a u l tl o c a t i o nt e c h n o l o g i e sa r eu r g e n tn e e di np o w e rc a b l e s y s t e m s i nt h i sp a p e r , o n - l i n e f a u l tl o c a t i o nm e t h o da n dn e wt e c h n o l o g i e sa r ea n a l y z e da n d c o m p a r e ds y s t e m a t i c a l l y s e v e r a li m p o r t a n ta n dd i f f i c u l tp r o b l e m ss h o u l db et h o u g h t o f c a r e f u l l ya b o u to n - l i n ef a u l tl o c a t i o ni nc a b l ep o w e rs y s t e m ，w h i c ht r a n s f o r m e rn e u t r a lp o i n t n o td i r e c t l y g r o u n d e d f i r s t l y , w h a t st h ec h a r a c t e r i s t i co ft h et r a v e l i n gw a v ed u r i n gi t s p r o p a g a t i o n ；s e c o n d l y , w i l lt h ef a u l tp o i n tc h a r a c t e r i s t i ca f f e c tt h et r a v e l i n gw a v e ；t h i r d l y , h o ww i l lt h ef a u l ti n f o r m a t i o nc h a n g ea tt h em e a s u r i n gp o i n t ；a n dt h el a s tb u tn o tt h el e a s t ， h o wt od e t e r m i n ea c c u r a t e l yt h ea r r i v a lt i m eo ft h et r a v e l i n gw a v e as a m p l ep o w e rc a b l es y s t e mi sc r e a t e d ，w i t hat r a n s i e n ts i m u l a t i o nt o o la t p e m t p ( a l t e r n a t i v et r a n s i e n tp r o g r a m ) b a s e do na10 k vx l p e ( c r o s s 1 i n k e dp o l y e t h y l e n e ) c a b l em o d e l i nt h ep a p e r u n d e rt h i sm o d e l ，t h ec h a r a c t e r i s t i co ff a u l tc u r r e n ti ss i m u l a t e di nd i f f e r e n tf a u l t g r o u n d i n gm o d e s f a u l tp o i n tc h a r a c t e r i s t i c sa r es i m u l a t e dt od e t e r m i n et h e i re f f e c t t o t r a v e l i n gw a v e t h eb r e a kp o i n tc h a r a c t e r i s t i co ff a u l tt r a v e l i n gw a v ei sf o u n db yu s i n g w a v e l e tt r a n s f o r ma n dl o c a lm o d u l em a x i m u mm e t h o d ，a n d ju d g e dt h eq u e s t i o nw h e t h e ro r n o tt h ef a u l ti sh a p p e n e db yt h ec r i t e r i o no ff a u l tt r a v e l i n gw a v es i n g u l a r i t y i ft h a t st u r e ，t h e f a u l td i s t a n c ei sw o r k e do u tw i t ht h ei m p r o v e da r i t h m e t i co ff a u l tl o c a t i o n m o r e o v e r , t h e f a c t o r sa f f e c t i n gt h eo n - l i n el o c a t i o na c c u r a c yi sd i s c u s s e d ，a n dt h em e a n sw h i c he l i m i n a t et h e i n f l u e n c ea l s oi sc a n v a s s e d f o rt h eu s a b i l i t yo ft e s t i n gt h et h e s i sa n ds t u d y i n g ，d e s i g nad a t ap r o c e s s i n gs y s t e mf o r x l p ec a b l ef a u l tl o c a t i o n t h eh a r d w a r eo ft h es y s t e mm a i n l yi n c l u d i n gd s p ( d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s i n g ) m i n i m a ls y s t e md e s i g n ，a dc o n v e r s i o nc i r c u i td e s i g n ，p o w e rs u p p l ym o d u l e d e s i g n ，t h em e m o r ym o d u l ec i r c u i ti sd e s i g n e d ，a n dt h el o g i c a lc o n t r o lm o d u l ec i r c u i ti s d e s i g n e d d a t ap r o c e s s i n gs y s t e m ss o f tm a i n l yi n c l u d i n ga na l g o r i t h mt op i c k - u p t h ea r r i v a l t i m eo ft h et r a v e l i n gw a v eb a s e do nd b ( d a u b e c h i e s ) w a v e l e t ，a n dd - s ( d e m p s t e rs h a f e r ) d e c i s i o n t h e o r e t i ca p p r o a c ha st h ec a t e g o r i s e da l g o r i t h m f o rx l p ec a b l e c o m p i l e dt h e p r o g r a mi nc c si d e ( c o d ec o m p o s e rs t u d i oi n t e g r a t e dd e v e l o pe n v i r o n m e n t ) ，a n dt h u s o v a l i d a t et h ef e a s i b i l i t yo fo n 1 i n ef a u l tl o c a t i o nb yo n - l i n ed e b u g k e yw o r d s ：p o w e r c a b l ew a v e l e ta n a l y s i s a t pd s pt e c h n o l o g y t h e s i s d e m p s t e r - s h a f e r d e c i s i o n - t h e o r e t i ca p p r o a c h ： a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 要料技史学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：，1 金军日期： 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。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电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 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 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名： 班缉 指导教师签名：缎 年月日 1 绪论 1 绪论 1 1 课题的目的和意义 电力电缆和架空线路相比较，具有受外界环境影响小、安全可靠和隐蔽耐用等优点。 随着经济建设发展，电力电缆不但被用作发电厂、变电所以及工矿企业的动力连结线， 而且在城网供电中所占的比例越来越大，许多城市的市区已逐步取代架空输电线路，电 力电缆应用的电压等级也越来越高。近年来，随着电缆运行数量增多，由于电缆绝缘老 化特性等因素，随着运行时间增长，故障发生概率会大大增加。目前，架空线路在线故 障测距和电力电缆离线故障测距技术己比较成熟并得到广泛地应用，而电力电缆在线故 障测距技术尚在发展中。因此，对电力电缆在线故障测距的需求越来越紧迫。 电缆在运行过程中可能因为多种原因发生故障。一旦发生故障，故障点的寻找将十 分困难，往往需要花费大量的人力物力和很长的时间。将给社会生产带来巨大的损失， 也给人民生活带来很多不便。因此，如何尽早的检测出故障点的准确位置，把故障消除 在萌芽状态，成为保障可靠供电的重要问题。 随着对电力电缆特性研究的深入，许多故障测距和定位的方法都开始应用于实际工 程中。但是，成熟的技术大多适用于离线的电力电缆，这仍然会造成电缆所在支路的供 电中断。针对目前的现状，本课题作为陕西省科技攻关项目( 2 0 0 3 k 0 6 g 1 9 ) “智能电缆故 障预测与定位装置的研制”的一部分。以“基于d s p 的电力电缆故障测距研究”为题，研究 在基于电缆绝缘在线检测的前提下，故障形成初期，根据电力电缆暂态故障信号尽早确 定电缆故障的精确位置，使供电部门能较早的排除故障，以确保安全、可靠的电力供应。 1 2 电力电缆故障的类型及原因 1 2 1 电力电缆的故障类型 电力电缆故障的分类方法很多，文献【1 心将电缆故障分为：开路故障、低阻故障和 高阻故障三种类型。下面分别作以简单介绍。 ( 1 ) 开路故障。电缆相间或相对地绝缘电阻在要求的规范值范围内，但工作电压不 能传输到终端；或者虽然终端有电压，但是负载能力较差。开路故障的典型例子就是断 线故障。 ( 2 ) 低阻故障。电缆相间或相对地绝缘受损，其绝缘电阻小到能用低压脉冲法测量 的一类故障。故障电阻一般小于1 0 z 。( z 。为电缆的波阻抗，一般4 0 f 2o 短路故障是低 阻故障的特例。 西安科技大学硕士学位论文 ( 3 ) 高阻故障。相对于低阻故障，电缆相间或者相对地绝缘受到损坏，但其绝缘电 阻较大，不能用低压脉冲法测量的一类故障。故障电阻一般大于1 0 z 。它包括泄露性高 阻故障和闪络性高阻故障两种类型。据统计这两类故障约占整个电缆故障的9 0 。 1 2 2 电力电缆故障的原因综述 电力电缆故障的原因大致有以下几点 3 - - 6 1 ： ( 1 ) 绝缘老化变质。由于长期在电场的作用下，受到热、化学及机械作用，使绝缘 介质发生物理、化学变化，导致绝缘水平下降。电缆使用到一定年限后，都会发生绝缘 老化故障。 ( 2 ) 绝缘受潮。中间接头或终端头在结构上不密封或安装质量不好，制造电缆包铅 ( 或铝) 时留下的砂眼或裂纹等缺陷，都会使绝缘受潮。尤其在我国南方及沿海地区敷设 的地下电缆中，由绝缘受潮造成的电缆故障占很大比例。 ( 3 ) 电缆过热。造成电缆过热的原因是多方面的，内因主要是电缆绝缘内部气隙游 离造成局部过热使绝缘碳化。外因是电缆过负荷或散热不良，多发生于安装在电缆密集 地区、电缆沟及电缆隧道等通风不良处的电缆。合理的设计及施工方案可降低这类故障 发生的概率。 ( 4 ) 机械损伤。这类损伤主要是敷设过程中造成的损坏，包括直接受外力作用造成 的破坏，自然力造成损坏等。要减少这些因素的影响，需要高水平的施工队伍和科学的 技术规划来作保障。 除此外，护层的腐蚀、过电压、材料缺陷、中间接头和终端头的设计和制作工艺问 题，也是电力电缆故障的重要原因。需要通过改进制造技术、提高施工技术来尽量避免。 1 3 电力电缆故障测距与定位理论的研究与应用现状 随着电力电缆在电网中应用规模的增大、应用电压等级的升高，准确、及时的电力 电缆故障定位是提高电网安全经济运行的重要措施。目前，国内外对x l p e 电力电缆的 故障测距方法很多，但主要应用在离线测距中。大致可以分为行波法和阻抗法两类。 1 3 1 行波法 行波法是输电线故障测距中比较重要的方法。行波法根据行波理论，利用测量行波 的传播时间来确定故障位置的测距方法。电力电缆发生故障后的暂态行波中包含着丰富 的故障信息：故障点产生的初始行波到达测量点标志着故障发生；三相行波的幅值和相 位包含着故障相信息；线路两端行波的极性标志着反射波头的反射位置；初始行波和随 后的反射行波到达检测点的时间差代表着故障距离。正确识别和充分利用这些故障信 息，就可以实现精确的故障测距。 2 l 绪论 传统的基于行波法的装置根据行波时延的原理可分为a 、b 、c - - - 类p j ，随着研究的 深入，许多学者利用由测量点测量暂态故障分量产生的行波浪涌与故障点之间的时延实 现单端输电线路测距。【8 】【9 】【l o 】 ( 1 ) a 型测距装置。根据故障点产生的故障行波在测量点和故障点之间往返一次的 时间和行波速度来确定故障点的距离。这种方法原理简单，所用装置少，不受过渡电阻 以及对端负荷阻抗的影响，理论上可以达到较高精度。目前使用最多的是利用a 型测距 方法实现电缆故障测距，主要有脉冲电压法( i v e ) 和脉冲电流法( i c e ) 。 脉冲电压法( i m p u l s ev o l t a g ee x p e r i m e n t t a i o n ) ，又称闪测法。此方法是6 0 年代发 展起来，用于测量高阻故障与闪烙故障的方法。 脉冲电压法的优点是：不需将故障点烧穿，直接利用故障击穿产生的瞬时脉冲信号， 测试速度快，测量过程也简单，是电缆故障测试技术的重大进步。但是这种方法也有自 身的缺点，例如：安全性差，仪器通过一个分压器分压测量电压脉冲信号，仪器与高压 回路有电耦合，容易发生高压信号串入，损坏仪器；为了得到电压信号，使接线的复杂 性增加，降低了高压电容放电时加在故障电缆上的电压，使故障点不容易击穿；故障放 电时，分压器藕合的电压波形变化不尖锐，难以分辨。 脉冲电流法( i m p u s ec u r r e n te x p e r i m e n t a t i o n ) ，该方法是8 0 年代初发展起来的。 以安全、可靠、接线简单等优点显示了强大的优势。通过线性电流耦合器采集电缆故障 击穿时产生的电流脉冲信号。通过分析电流信号在测量点与故障点之间往返一次所需的 时间来计算故障距离。该方法用线性电流耦合器实现了仪器与高压回路的电耦合，得到 的信号也比较容易分辨。且省去了电容与电缆之间的串联电阻，所以得到了广泛应用。 ( 2 ) b 型测距装置。利用故障产生的第一个行波波头信号，借助通信通道获取波头 到达电缆两端的时间差实现测距。其优点是不受故障点透射波的影响。同a 型测距法一 样，准确确定行波到达时刻至关重要。可以利用g p s 定位技术，也可以利用小波分析 确定到达时间。 ( 3 ) c 型测距装置。借助脉冲发射装置向离线的故障线路发射高压高频或直流脉冲， 根据高频脉冲从发射装置到故障点往返时间进行测距。目前，出现的c 型测距法有低压 脉冲反射法( l v p r m ) 矛1 2 次脉冲法( s i m ) 。 低压脉冲反射法( l o wv o l t a g ep u l s er e f l e c t i o mm e t h o d ) ，利用传输线的行波反射现 象，通过计量发射脉冲与阻抗不匹配点反射脉冲之间的时差出来进行测距。己知脉冲在 电缆中的波速度v ，则阻抗不匹配点到测量点的距离l 为： 三= 竽 ， 该方法主要用于测定电缆中的低阻、开路故障，其优点是简单、直观，无需详细的 电缆的原始资料；缺点是受闪络型、间歇型和高阻故障的制约，应用非常有限。 西安科技大学硕士学位论文 二次脉冲法。二次脉冲法( s e c o n d a r yi m p l u s em e t h o d ) 是9 0 年代发展的新的电缆 故障与定位方法。其测距原理是：先利用回波仪释放一个发射脉冲，由于闪烙时维持低 阻状态有一段时间( 可达5 0 0 m s ) 。在这段时间内，发射的脉冲在高阻或间歇性电缆故障 点不能被反射，测距装置可以将整个电缆长度的波形存储起来，此波形称作“完好轨迹”。 设备高压电容放电，使故障点闪络，故障点的电弧表现为低阻值。同时，回波仪释放出 第二个低压脉冲，这个加在高压信号上的脉冲将从故障点发射。这样只要叠加两条轨迹， 有差异的发散点就是故障点的反射波形点。 s i m 的优点是：可以避开故障点闪烙时引起的强烈电磁干扰，并且低压脉冲宽度可 以调节，在电缆较长时能纪录到清晰的信号波形，大大提高了测量的精度。 该方法的缺点是所用仪器较多，如果故障点绝缘受潮严重，故障点击穿过程较长， 测试时间相应增加。另外，故障点维持低阻状态的时间也不确定，给施加二次低压脉冲 的控制带来一定的困难。 目前，国内基本上只采用电流行波进行故障测距，原因是电压行波信号不易获取， 当母线上出线较多时电压信号比较弱，而电流信号却很强叫，电流行波信号比较容易获 取。 1 3 2 阻抗法 阻抗法是通过测量和计算测量端到故障点之间的阻抗，然后根据线路的参数，求解 特定的故障定位方程求得距离。这种方法多以线路集中参数模型为基础，原理简单，易 于实现。实际应用中常用电桥法来实现。它一直是人们关注的热点。 电桥法是最早采用的电缆故障测距的经典方法。其原理是：根据惠斯登电桥原理， 将被测电缆终端故障相与非故障相短接，电桥两臂分别接故障相与非故障相。调节电桥 两臂上的一个可调电阻使电桥平衡，利用比例关系和电缆长度可得出故障距离。电桥法 接线如图1 1 ( a ) 所示，等效电路如图1 1 ( b ) 所示： ( a ) 测试线路 图1 1 通过调节电阻r 。数值使电桥平衡， 可得： c ( b ) 等效电路 电桥测距原理图 即c d 之间的电位差为零，此时由电桥平衡原理 4 1 绪论 一r 1 ：堕 r 2 r 3 ( 1 2 ) 足，尼为己知电阻，设月，足= k 。由于电缆的直流电阻于长度成正比，设电缆导 体的电阻率为r 。，l 表示电缆全长，厶，厶分别为电缆故障点到两端的距离，则r ，可用 ( 三+ 厶) r 表示，由式( 1 2 ) 可知： 三+ l o = k l x( 1 3 ) 又l o = l 一三，贝0 ： ：二l 1 ( k + 1 ) r 14 、 该方法适用于低阻故障的探测，一般要求故障点的电阻不超过1 0 0 k f f ，最高不得超 过5 0 0k f f 2 ，通常以2k f f 以下为宜。电缆短路故障可以用电容电桥测量，原理与电阻电 桥相似。 电桥法仅能用于离线测距，具有简单、方便、精确度高等优点，但也存在不适用于 高阻故障与闪烙性故障的限制。然而，许多电缆在定期离线检测中反映出来的故障正是 高阻故障故障与闪烙性故障。而且，在使用电桥法之前，需要用高压设备将故障点烧穿， 会出现许多不良后果。电桥法还需要知道电缆的准确长度等原始资料，当一条电缆线路 内是由导体材料或截面不同的电缆组成时，还需要进行换算，且电桥法不能用于测量三 相短路故障。随着技术不断进步，现在电桥法用得越来越少【1 2 】【13 1 。 1 4 电力电缆在线测距方法【1 4 】【1 6 】 随着电力电缆故障检测技术的发展，通过采用高速a d 转换器、精确的时钟系统和 先进的分析工具来分析暂态故障信号，获取电力电缆故障点的特征信息。在这种思路的 引导下产生了许多在线的测距方法。 ( 1 ) 日本学者采用脉冲电流法，用光纤电流互感器感应出故障时产生的浪涌电流信 号，利用采集速度为1 6 m h z 的快速a d 技术实现测距。目前他们可以实现不带分支出线 电缆的在线故障测距。下一步目标是实现带分支出线系统的在线故障定位。 ( 2 ) 美国学者为克服高压脉冲法可能对电缆的健全部分进一步造成危害的缺陷，也 提出了将环形线路开路或在线路末端设置开路点，利用故障时产生的浪涌电压或电流在 开路点发生正或负的全反射，通过设于开路点附近的传感器得到脉冲信号，测出脉冲间 隔时间实现测距的在线故障测距方法。但这种方法在实际电网中存在局限性。 ( 3 ) 利用分布式光纤温度传感器( f o d t ) ，通过检测故障点附近温度变化情况来实现 电缆故障定位的新方法。由张晓虹等提出的“分布式光纤温度传感器在交联聚乙烯绝缘 地下电缆故障检测中的应用”的方法，可对阻性接地系统故障进行快速定位，最大可测 距离为1 0 k m ，定位精度为l m ，定位时间不超过3 0 s 。此方法适用于低阻接地系统。 西安科技大学硕士学位论又 “) 英国学者提出基于脉冲电流法的实时专家系统来实现电力电缆故障测距方法。 ( 5 ) 有学者提出的“基于电弧特性的电力电缆故障在线测距方法”，是根据电缆故障 点电弧呈纯电阻特性的一种在线故障测距方法，并进行了数字仿真和试验。结果表明该 方法可改变现有电缆离线测距方式，且具有较高的精度。 ( 6 ) 基于输电网的g p s 行波故障定位方法是将电缆的地理信息系统( g i s ) 幂d 全球定位 系统( g p s ) 结合起来，形成了电缆故障自动定位系统。当运行中的电力电缆发生故障时， 故障点产生的行波信号沿线路向两端传输，利用g p s 提供的精确时钟信号记录到达两端 的时间差，即可确定故障点距离。该系统的智能化程度较高，可以实现对电缆故障的自 动测试，并直接给出故障点的地理位置信息。但是实际应用还有许多问题要解决。 1 5 小波分析在电力电缆测距中的应用 将小波变换应用于电力系统的研究最近几年才得以发展。虽然分析和处理暂态信号 是一个崭新的课题，但小波变换已显示出优越性和广阔的应用前景。电力系统暂态信号 分析包括滤波与去噪、信号检测与分类识别、数据压缩等内容。小波具有表征信号突变 特征的能力以及对非平稳信号的良好处理能力，可以从不同尺度下信号小波变换的结果 进行干扰的分析和抑制、提取信号故障特征参数，实现故障的精确测距。 目前，中国电力科学研究院和辽宁省电力有限公司利用小波变换技术、全球定位系 统( g p s ) 及行波模量理论来分析输电线路故障时产生的行波信号，开发和研制了精确确 定故障距离的新型测距装置，己达到国际领先水平j 。 此外，为解决故障测距问题，有许多学者引入优化方法、卡尔曼滤波技术、模式识 别技术、概率和统计决策、模糊理论和光纤测距、模拟退火算法、模糊神经网络等方法， 但目前都处于研究阶段【博j 。 综上所述，中压电力电缆系统故障在线测距问题的研究相对较少，目前的故障测距 方法普遍存在一定的局限性，真正用于现场实际的测距装置更是有限，这同目前配电网 自的动化水平不相适应，对此进行进一步的研究是必然的。随着电力系统自动化整体水 平的提高，新的数学工具和分析技术不断出现，研究高效的测距方法是必然的，基于小 波分析和行波反射理论实现故障测距将是有效的。本文将对电力电缆运行时发生故障产 生的暂态信号更好的运用在电力电缆故障测距中。 1 6 论文主要内容 针对电力电缆使用越来越广泛，随着运行时间的增加，发生故障的概率将会有逐年 增加的趋势。本文选择1 0 k v 电压等级，利用a t p ( a l t e m a t i v et r a n s i e n tp r o g r a m ) 建寺- x l p e 的模型、组建电缆仿真系统，主要研究系统的各种接地故障。通过小波分析研究故障的 暂态信号，检测出故障距离及故障点的精确位置。并利用数字信号处理技术设计了数据 6 1 绪论 处理系统，完成了硬件电路和软件算法的模拟运行。 整个论文可分为五大部分： 第一部分：概述了电力电缆系统故障测距和定位的国内外研究现状和故障诊断的一 般方法，明确论文要解决的问题和研究目的。确定了课题所采用的理论和研究工具。 第二部分：根据暂态信号的特点，选出适合做仿真的软件a t p 。建立x l p e 电缆线 路模型，并验证了其可行性；进而组建了简单的电力电缆系统，对电力系统中最常发生 的接地故障进行了分析。 第三部分：介绍了小波变换工具，利用小波变换的模极大值理论及奇异性特点对暂 态信号进行分析，确定了故障行波波头的到达时刻，计算出故障点的距离。 第四部分：根据暂态信号实时处理的要求，采用t i 的t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2d s p 芯片设计 了数据处理系统的硬件电路，完成模拟电缆系统采集数据的实时处理。 第五部分：软件设计中引入了数据融合思想，仿真表明对于故障类型的清晰化有一 定的分辨能力。编写了小波分析模块的算法，在数据处理系统中模拟运行结果良好。 西安科技大学硕士学位论文 2 电力电缆中的行波过程及仿真系统模型的建立 2 1 电力电缆中的行波过程 传输线本身的长度与其所传播的信号的波长可以比拟时，称为长线。电力电缆是传 输线的一种，对于传输中的脉冲电流、电压行波来说，其脉冲宽度小于1 微秒，而行波 的波速度小于2 0 0 m , u s ，所以需要在研究电压、电流行波的传输过程中把电力电缆看 成长线。长线需要采用分布参数线路模型来表示。如图2 1 所示，图中r 、l 、g 、c 分 别为单位长度电缆电阻、电感、电导及对地电容。通常r 会引起行波的衰减和形变，其 影响将随着线路的增加而增加，而对地电导g 较小。当线路的r 、g 忽略不计时，该传 输线通常称作无损传输线。 图2 1 单位电力电缆的等效电路 2 1 1 行波波动方程及其解 对于无损传输线，从等效电路可列出下面的方程： 一娑：三罢 ( 2 1 ) 一2l i 二1j a x a f 、 a f 锄 一一2 l 一 出讲 ( 2 2 ) 应用拉氏变换解上述方程得到： 。( t - 争- 1 - z f ( ，+ 争 ( 2 3 ) f = q ( t - 言) + 。o + 軎) ( 2 4 ) 其中v ：l 广- 称为波速度。 4 l c 由式( 2 7 3 ) 、( 2 4 ) 口- - j $ l j ，线路上任一点的电压由正向电压波“。和反向电压波“，叠加而 成，任一点的电流由正向电流波和反向电流波0 叠加而成。与“，与t 之间的关 系为： 2 电力电缆中的行波过程及其仿真系统模型的建立 屯( 卜三) = 土z q ( 卜兰) ( 2 5 ) yzy i f ( t + 三) ：一三甜，( ，+ 兰) vzv ( 2 6 ) 其中z = 称为波阻抗。明显看出z 的值取决于单位长度线路的电感l 和对地电容c ， 而与线路长度无关。波阻抗本身不消耗能量，但决定了单位时间内导线获得电磁能量的 大小。当同一条线路的波阻抗不相等时，在不匹配点会产生能量的交换，从而产生发射 波和透射波。 综上所述，可得到无损单导线行波过程的基本规律有下边四个方程决定： 2 1 2 电力电缆的波速度与波阻抗 ( 1 ) 电力电缆中的波速度。电力电缆中行波的波速度可表示为： 1c 1 ，= 了三1 兰 ( 2 8 ) 0l c0 u s 其中s 一光的传播速度 一电缆芯线周围介质的相对导磁系数 s 一电缆芯线周围介质的相对介电系数 可见，电缆中的波速度仅与电缆的绝缘介质性质有关，而与导体芯线的材料及截面 积无关。 ( 2 ) 电力电缆的波阻抗。电力电缆的波阻抗值除与电缆的介质材料、介电常数与导 磁系数有关外，还与电缆芯线和芯线与外皮之间的间距有关。所以，不同规格的电力电 缆，其波阻抗也不同。电缆芯线截面积越大，波阻抗值越小。一般电力电缆的波阻抗在 1 0 4 0 欧。 2 2 行波的反射、透射规律 不同波阻抗的两条线路相连接时，由于波阻抗的不匹配，会在连接处出现行波的反 射和透射。如图2 2 所示，a 点为波阻抗分别为z ，、z ，的两段电力电缆的连接点，电压 波沿阻抗为互线路的前进，到达a 点时发生反射和透射现象，反射电压波为u ，透 射电压波为u 。下边来分析“r 、“。的物理过程。 9 劢 吁0：-，利一巩 0 = = = = 07 户吁 西安科技大学硕士学位论文 i i ；i ；i i ；i i i ；i i ；i i ；i i i i ；i i i i ；i ；i i i i i ；i i ；i i i i i ；i i i ； _ u 0 式有 射系 u f 图2 2 行波的反射和透射 2 电力电缆中的行波过程及其仿真系统模型的建立 入射电压波的比值，称为电压反射系数，同理，屈：三凸称为电流反射系数。透射系 毛+ z 2 数口与反射系数之间满足下列关系： 口= 1 + ( 2 1 4 ) 2 3 基于行波法的电力电缆故障测距算法分析 电力系统输电线路发生故障后，故障行波将在输电线路上传播，并在两端母线和故 障点处发生反射和透射。通过分析输电线路暂态行波的特点来区分故障波和各种干扰 波，并与小波分析的奇异性检测原理相结合，准确检测出故障行波及其各种折反射波到 达检测点的时间，计算出故障距离。 2 3 1 传统的故障测距算法 如图2 3 所示，以f 。为故障初始行波到达a 端母线的时刻，乞为b 端母线反射波到 达a 端母线的时刻，岛为故障点反射波到达a 端母线的时刻。 。tli：|i：l-ii=：1 。 一一一一 图2 3 故障波的反射原理 传统的单端行波故障定位方法，通过小波变换提取最初连续两个模极大值之间相对 极性和时延计算故障距离。 第一个小波变换模极大值点对应入射行波波头到达的时间“第二个小波变换模极 大值点对应来自故障点或对端母线的反射波头到达的时间t ，。时延为a t = t 2 一，1 。 如果厶对应来自对端b 母线的反射行波，则故障距离计算公式为： x = l v 木出2 f 2 1 5 1 如果厶对应来自故障点f 的反射波，则故障距离计算公式为 x = v 卑出2 ( 2 1 6 ) 式中x 表示故障距离；址表示最初连续2 个小波变换模极大值点问的时间间隔；v 表示 行波线模分量的传播速度；l 表示被检测的电缆线路全长。 西安科技大学硕士学位论文 2 3 2 故障测距算法的改进 测距算法是已知参数保证测距结果精度的重要保障。传统的测距算法，在测距计算 过程中用到前两个故障行波波头到达的时刻和电力电缆的波速度，这种算法测距结果的 误差主要来源于获取故障波头到达时刻所产生的误差和电缆本身波速度的误差。电力电 缆的长度和架空线相比非常短，波速度因绝缘介质的性质不同而有所差别【1 9 】，这两个因 素都会导致测量结果的误差增大。为此，考虑采用以下方法改进为不受波速影响的单端 行波故障测距方法。 重新研究图2 3 ，可以得到以下方程： i ( ，3 一t 1 ) v = 2 x 【( 乞一r 1 ) v = 2 ( t x ) f 2 1 7 ) 解方程组2 1 7 得： x ： 垒二! ! ， 气一2 ，l + ，2 ( 2 1 8 ) 这里假定b 端母线的反射波先到达测量a 端的情况，反之，如果故障点反射波到 达a 端母线比b 端母线的反射波时间短，则根据对称原理，将上式中，厶调换即可。 得到故障距离计算公式如下： x ：垒二1 2l ， x = = 一 ，3 2 + f 2 f 2 1 9 1 由式2 1 8 和2 1 9 可看出，计算故障距离的公式中不含波速度v 。因而，在理论上消 除了波速对测距精度的影响。时间精度的提高可以借助于小波函数对于信号奇异点特性 和模极大值理论来实现。利用小波窗函数的“显微镜”功能，在反射波到达时刻，增大时 间参数的分辨率，来确定更精确的时刻。 2 4 选择仿真建模工具和数据分析工具 在国内外在电力系统电磁仿真软件中，具有代表性的软件包括a t p e m t p ( e l e c t r o m a g n e t i ct r a n s i e n tp r o g r a m ) 电磁仿真计算程序、中国电力科学研究院改进的 e m t p e ( e l e c t r o m a g n e t i ct r a n s i e n t & p o w e re l e c t r o n i c s ) 电磁暂态仿真软件，n e t o m a c ( n e t w o r kt o m i o nm a c h i n ec o n t r 0 1 ) 仿真计算程序、p s c a d e m t d c ( e l e c t r o m a g n e t i c t r a n s i e n ti nd cs y s t e m ) 仿真软件和m a t l a b 等。 a t p 是目前世界上使用最广泛的一个版本。诞生于1 9 8 4 年，由d r s w s c o t tm e y e r 和 t s u h u e il i u 所组成小组发展而成，具有模型的可扩展性和兼容性。e m t p 是a t p 的基 础，采用贝瑞隆算法。首先根据各种元件电压、电流的微分方程，导出个元件的诺顿型 2 电力电缆中的行波过程及其仿真系统模型的建立 暂态电路，按照个元件在系统中的实际位置，求出整个系统的暂态等值电路，然后利用 节点电压法，列出节点电压方程，从一个已知初始状态开始，利用递推方法，计算整个 暂态过程中的各节点电压和各支路电流【2 。 p s c a d e m t d c 直流电磁暂态计算程序是目前世界上广泛使用的一种离线仿真电 力系统分析软件，是分析、研究直流输电系统和交直流相互影响等问题的有力工具。还 能够完成电力电子仿真及非线性控制的多功能工具，特别是p s c a d 图形界面( g u i ) 的开 发成功，使用户能更方便地使用e m t d c 进行电力系统仿真计算。用户可以在一个完全 集合的图形环境下构造仿真电路、运行、分析结果、处理数据，从而保证研究工作的质 量和效率。 m a t l a b 是强大的科学计算工具，其语言表达简洁易用，s i m u l i n k 内置的工具箱为 不同领域的科学研究和科学计算提供了有力工具。其中电力系统模块库( p o w e rs y s t e m b l o c k s e t ) 可以进行复杂电力系统的建模和稳态、暂态计算，同时小波分析工具箱( w a v e l e t t o o l b o x ) 可以很方便地进行数据分析处理。 a t p 具有支持用户构建自己的元件模型，适合于暂态仿真的优点，但是数据分析的 能力有限；m a t l a b 中没有合适的电力电缆模型，但它有强大的数据处理功能。所以， 论文选择a t p 构建仿真系统，得到接近于实际的暂态故障信号，采用m a t l a b7 0 作 为数据处理、波形分析的工具。 2 5 相一模变换理论 传输线中三相行波之间是互耦的，在电缆中更为明显。，根据矩阵理论和模式传输理 论，在任意结构的n 根平行于地面的导线传输系统中，存在n 个独立的传输模式，每一 模式的电压、电流在各导线中传播具有相同的传播常数，称为等传播常数模。可以采用 矩阵相似变换，将相间存在耦合的相量变换为相互独立的模量，即对多相混合系统解耦。 把存在耦合的多相线路模型分解为去掉耦合的多个单模量回路，从而达到用频率相关分 布参数电路原理求解多相耦合线路方程的目的。模量主要分为两类：地模分量和线模分 量。相量和模量之间通过相一模转换矩阵来完成转换。 对于三相电压信号，采用下式进行相模变换： o d 。= z 术v p h a s 。 o ) 对于三相电流信号，则用下式进行相模变换： ， 一丁木， 上m o d e 一上f p h a s e f 2 2 1 ) 上式中u m o d 。、i m o d 。分别为模电压、模电流：u 触、，衄分别为相电压和相电流；瓦为 相电压到模电压的模式变换矩阵，z 为相电流到模电流的模式变换矩阵。 西安科技大学硕士学位论文 电力电缆可以认为是理想换位的，其相一模变换矩阵不会随频率的变化而变化。可 以采用克拉克( c l 扯e ) 实变换矩阵作为模式变换矩阵【7 j ： 1 瓦= 巧= l1 l 。 l0 1 , f i 22 1 , f i 22 ( 2 2 2 ) 暂态三相信号经上式变换得到对应的模式分量。经过相模变换之后，各模量之间是 相互独立的。由相模变换理论可知，地模分量以大地为回路，相当于相与大地间运动的 波，波速具有不确定性。为了避免地模分量的影响