（电气工程专业论文）输电线路行波故障测距的研究.pdf

r e s e a r c ho nt r a l l 烈g w 帆f a i t l o 泓o no ft ra n s s s i o nl 姗s at h e s i ss u b m i t t e dt o s o u t h e a s tu n i v e r s i 够 f o rt h ea c a d e m i cd e g r e eo fm a s t e ro f e n g i n e e r i n g b y w a n gy i c h u n s u p e r v i s e db y p r o l uy i s c h o o lo fe l e c t r i c a le n g i n e e r i n g s o u t h e a s tu n i v e r s 时 m a r c h ，2 0 1 0 东南大学学位论文独创性声明 本人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取得的研究成果。 尽我所知，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，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。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了谢意。 研究生签名：芝圣滥 日期：研究生签名：z 生缝压：日期：沙眠专哆 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 以电子信息形式刊登) 论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布( 包括以电 子信息形式刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：雄导师签名：之毒亟一日期： 锄f 口、 = ； 摘要 摘要 随着输电线路传输的功率与电压等级的不断提高，在发生故障后快速可靠地切除故 障线路，对输电线路进行故障测距并准确地找到故障点，及时修复线路，对整个电力系 统的安全稳定和经济运行都有着非常重要的作用。 输电线路发生故障后产生的向线路两端传播的暂态行波中包含着故障距离信息，采 集输电线路发生故障后的暂态行波，通过信号处理手段对行波信号进行分析，能够实现 输电线路故障的精确定位。 应用比较广泛的行波信号分析方法是小波变换的模极大值法。传统相关法在处理行 波信号时存在数据窗宽度难以确定和受行波衰减和畸变影响的问题，提出采用工程上的 互相关函数的改进方法，即单位脉冲响应法对行波信号进行分析。根据互相关函数的特 点，提出了基于此方法的单端和双端行波测距方法。通过a t p e m t p 进行仿真，将相关 分析法的测距效果与小波模极大值法的测距效果进行对比，表明单端相关分析法有着较 高的测距精度，但近端故障时可靠性不高；双端相关分析法测距精度较高，且数据处理 更加简单和方便。 在行波信号中加入了环境干扰信号，分析了低倍和高倍干扰情况下，相关分析法和 小波分析法的抗干扰能力。仿真表明，单端测距时，相关分析法的抗干扰性强于小波分 析法；双端测距时，小波分析法的抗干扰性强于相关分析法。为提高行波故障测距的精 确性和可靠性，提出综合使用两种测距方法的建议。 对t 型高压输电线路的行波故障测距方法进行了研究，提出利用t 型线路的三端测 量数据，使用双端相关分析法对三端所测行波信号进行分析，得到三端首波头之间相互 的时延，并依此提出了故障分支判别的新判据，根据双端行波故障测距的原理实现故障 测距。仿真结果表明该方法正确，且具有较高的测距精度，得出了该方法在干扰情况下 的适用范围。 论文的最后对所进行的研究工作进行了总结，并对后续工作进行了展望。 关键词：输电线路行波故障测距相关分析小波变换t 型线路环境干扰信号 a b s t r a c t a b s t r a c t 晰t l lt h et r a n s m i s s i o np o w e r 锄dv 0 1 t a g el e v e lo f 仃a n s i i l i s s i o nl i n e sr i s i n gc o n s t a i m y ，i t i so fg r e a ti m p o 彻僦o fc u n i n gt l l ef a u l tl 沁sq u i c y 锄dr e l i a b l ym e rm ef a u l t ，d o i l l g 仃a v e l l i i l g 一、v a v ef a u l tl o c a t i o na l l dl o c a t 堍也e 洲tp o 缸a c c 哪t e l y 锄dr e p a i r m gl 硫si n t i m et ot h es a f i e 哆s t a b i l i 够a i l de c o n o m i co p e r a = t i o n0 fm e 训r ep o w e rs y s t e m t i r a n s m i s s i o nl i n e sp r o d u c e s 仃a n s i e n t 仃a v e l i n gw a v e sw m c hc o m 砒n sf a u l td i s t a i l c e i n f o 肌a t i o np r o p a g a t i i l ga j o n gb o me n d so fl i n e sm e rf a u l t t h e n 仃a i l s i e n t 缸a v e l i i 培w a v e s a r e rf a u l ti ss a i i l p l e da n dt r a v e l l 试gw a v es i 驴a li sa n a l y z e db ys i g i l a lp r o c e s s i n gr n e a n s ，i i l o r d e rt ol o c a t et l l ef i a u l ta c c u r a t e l y w r a v e l c t 位m s f o 肌m o d u l u sm a x i m 唧a 1 9 0 r i m mi sv e 巧c o m m o nf o r 位a v e l l i n gw a v e s i 印a la i l a l y s i s c r o s s c o r r e l a t i o nf 吼c t i o ni m p r o v e dm e t h o da p p l i e di 1 1p r 巧e c t ，n 锄e l yt h e a 1 1 a j y z i n g 仃a v e l i i l gw a v es i 印a l sb yu i l i ti m p u l s er e s p o n s em e t l l o di sp r o p o s e db e c a u s em a t d a t a 诵n d o w 晰d t hi sd i 伍c u l tt 0d e t e m i n ea l l da 腩c t e db ym ew a v e l e ta t t e n u a t i o n 锄d d i s t o n i o nw h e n 缸a d i t i o n a lc o r r e l a t i o nm e t l l o dp r o c e s s e s 仃a v e l i n gw a v es i 驴a l s s i n g l ea i l d b o m 朋d s 仃 w e l i n gw a v ef a u l tl o c a t i o nb a s e do nt h em e m o di sp r o p o s e da c c o r d i i l gt 0t h e c h 娥l c t 嘶s t i c so fc r o s s c o 盯e l a t i o n 缸l c t i o n t 1 1 ea t p - e m t ps i i n u l a t i o n so fc o m p a r i n gm e f a u l tl o c a t i o ne 舵c to fc o n e l a t i o n 觚a l y s i sa i l dw a v e l e tm o d u l u sm a ) 【i m 啪t l l e o 巧s h o wm a t s i n g l ee n d e dc o 鹏l a t i o n 觚a l y s i sh a sh i 曲l o c a t i o na c c u r a c ya 1 1 dl o ws h o r td i s 啪c ef a u l t l o c a t i o nr e l i a b i l i 吼、7 v ：i l i l eb o me n d sc o 盯e l a t i o na i l a l y s i sh a sh i 曲l o c a t i o na c c u r a c ya i l ds i 珈【p l e 趾dc o n v e l l i e n td a t ap r o c e s s a n t i i n t e r f 宅r e n c ea b i l i 够o fc o r r e l a t i o na n a l y s i sa n dw a v e l e ta n a l y s i si s 删y z e da tl o w a i l db j 曲m a 鲥f i c a t i o ni n t e m r e n c e sw h e na d d i n ge n v 拍1 1 1 1 1 e n td i s 劬a i l c es i 印a l st 0 t m v e l i l l g w a v e s i 印a l s s i m u l a t i o ns h o w st l l a tc o r r e l a t i o n a 1 1 a l y s i s h a u s s n 0 n g e r 砌i n t e 疵r e n c ea b i l 毋t h a nw a v e l e t 删y s i si i lt h es i n g l ee n d e df a u l t1 0 c a t i o n ；w l l i l e 、a v e l e t a l l a l y s i sh 嬲s 仃o n g e r 眦i - i n t e 疵r e n c ea b i l 时t 量1 a l lc o 丌e l a t i o n 锄2 l l y s i si nm ed o u b l ee n d e d f a u l tl o c a t i o n n l i sp 印e rp u t sf o m 聊r dt 1 1 ec o m p r e h e n s i 、伧u s eo ft 、 ，o l 【i i l d so fm e m o d s u g g e s t e da b o v et oi i n p r o v et l l ea c c u r a c y 锄dr e l i a b i l 埘o f w a v e l e tf a u hl o c a t i o n 1 1 u o u 曲ag t u d yo n 仃a v e l l i i 玛- 、) l ，a v ef a u l tl o c a t i o no ft l l et e e d c i r c u i ta n db yu s i n gt i l r e e t e r n l i n 2 l lm e 舔u r e m e n td a t ao f廿l et e e d c i r c u i ta 1 1 d锄i i l l p m v e dm e t h o do ft l l e c r o s s c o r r e l a t i o nf u n c t i o nw h j c hi s 砌ti r n p u l s er e s p o n s em e m o dt 0g e tm ec o r r e l a t i o n a l l a l y s i so ft l l ef i r s tw a v ef b n to ft l l r e et e m l i n a l 仃a v e l l i n gw a v e ，t l l u so b t a i l l i n gm em u t l l a l t i i i l ed e l a yo ft l l r e et e n n i n a lf i r s tw a v e 舶n t ，a c c o r d i i l g l yt h i sp 印e rp r o p o s e san e w 嘶t e r i o n f o rf a u l tl i n es e l e c t i o no fi m p l e m e n t i n gf i a u l tl o c a t i o nb yt w o - t e 加i n a lt r a v e l l i n gw a v ef a u n l o c a t i o nt l l e o r y t h ea t p e m t ps i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt l l a tt h i sm e t h o di sc o 玳c tw i t hg o o d t l a b s t r a c t l o c a t i o na c c l l r a c y a tl a s t ，t l l er e s e a r c hw o r ka c c o m p l i s h e di i lt ：h i st h e s i si ss u m m 碰z e d ，a n dt h em t u r e i m p r 0 v e m e n tw o r ki sp o i n t e do u t 嬲、e 1 1 k e yw o r d s ：t r a n s m i s s i o nl i n e s ；仃a v e l i n gw a v e s ；f i a u l tl o c a t i o n ；c o f r e l a t i o na n a l y s i s ；w a v e l e t 咖s f o 珊；t e e d c i r c u i t ；e n v i r o 啪e n td i 鼬a i l c es i g i l a l s i u 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录 第一章绪论1 1 1 输电线路故障测距的意义1 1 2 故障测距装置的基本要求1 1 3 输电线路故障测距研究现状2 1 3 1 阻抗法2 1 3 2 行波法2 1 3 3 典型测距系统简介：4 1 4 本文的主要工作一5 1 5 本章小结6 第二章输电线路故障行波分析理论7 2 1 输电线路行波过程7 2 1 1 均匀无损导线的行波过程【3 7 2 1 2 三相线路的行波过程及相模解耦8 2 2 行波在输电线路上的传输特点1 1 2 2 1 行波的折射与反射【3 1 3 3 1 1 1 2 2 2 等值集中参数定理。1 3 2 2 3 行波传播过程中的衰减与畸变1 3 2 3 母线接线方式对行波传播过程的影响【2 ，3 6 1 1 5 2 4 输电线路行波故障测距基础：1 5 2 4 1 行波中的故障距离信息l5 2 4 2 行波信号获取装置一1 6 2 5 本章小结1 7 第三章暂态行波检测理论18 3 1 相关分析法1 8 3 1 1 互相关函数法【5 4 1 一1 8 3 1 2 互相关函数的改进方法【5 3 】2 0 3 1 3 互相关函数法在行波故障测距中的应用2 0 3 2 小波分析法2 2 3 2 1 小波分析理论2 2 目录 3 2 2 小波分析法在行波故障测距中的应用。2 7 3 3 本章小结2 8 第四章暂态行波故障测距的方法研究2 9 4 1 单端行波测距方法2 9 4 1 1 单端行波测距原理。2 9 4 1 2 不同故障情况下的故障行波特点。3 0 4 1 3 单端行波测距算法的实现3 2 4 2 双端行波测距方法3 5 4 2 1 双端行波测距原理3 5 4 2 2 双端行波测距算法的实现3 6 4 3 无干扰下的行波故障测距仿真3 7 4 3 1a t p e m t p 介绍3 7 4 3 2 单端行波故障测距仿真3 7 4 3 3 双端行波故障测距仿真4 4 4 4 干扰情况下的行波故障测距仿真4 7 4 4 1 干扰信号4 7 4 4 2 仿真研究4 8 4 5 相关分析法与小波分析法的比较。5 0 4 6t 型高压输电线路行波故障测距51 4 6 1 故障分支的判别及测距5 1 4 6 2 仿真算例5 2 4 7 本章小结5 5 第五章总结与展望5 7 致谶一鹦 参考文献6 0 作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文6 4 v 第一章绪论 1 1 输电线路故障测距的意义 第一章绪论 随着我国电力事业的迅速发展，输电线路传输功率与电压等级在不断提高。1 0 0 0k v 晋东南南阳荆门特高压交流试验示范输电线路工程已于2 0 0 9 年1 月顺利投入运行。而 规划中我国国家电网特高压骨干网架计划将由1 0 0 0k v 级交流输电网和8 0 0k v 级直 流输电系统构成。高压输电线路不仅担负着传送巨大功率的任务，还作为各大电网联网 运行的联络线使用，其运行的可靠性将影响整个电网的可靠性【l j 。然而输电线路的工作 环境极为恶劣，是电力系统中发生故障最多的地方。输电线路的故障一般可分为瞬时性 故障和永久性故障。其中瞬时性故障占9 0 9 5 ，这类故障可以通过重合闸熄灭电弧， 重新供电，其造成的局部绝缘损伤一般没有明显的痕迹，往往发生在线路的薄弱环节， 要求尽快查找并加以处理，以防再次发生故障而危及系统的安全稳定运行。当输电线路 发生永久性故障，需要维修人员尽快地赶到事故现场，排除故障并恢复供电。一方面， 争” 超高压输电线路穿越地形复杂，经常要穿越山区等偏僻地带，交通非常不便；另一方面， 随着输电电压等级的提高以及高速继电保护装置和断路器的应用，线路故障切除时间大 大缩短，这使得大部分故障没有明显迹象，因此，超高压输电线路的故障查找是非常困 w 难的。所以，在发生故障后快速可靠地切除故障线路，并准确地找到故障点，及时修复 线路，对整个电力系统的安全稳定和经济运行都有着非常重要的作用。 准确而快速的故障测距是查找输电线路故障点的重要依据，有助于运行人员快速地 确定故障的地点，减少维修人员巡线检查的时间，及时发现线路绝缘隐患，加速线路故 障排除，节省大量的人力、物力和财力，尽快恢复供电。对于瞬时性故障，故障测距能 发现线路上由于绝缘子污染或线路下树枝的摇摆等因素引起的故障隐患，及时采取措 施，从而避免形成永久性故障，提高电网运行的可靠性。 因此，输电线路故障测距是从技术上提高电网安全可靠运行的重要手段，具有巨大 的社会效益和经济效益，是一项具有重大技术经济意义的课题，一直是国内外电力生产 部门及科研单位密切关注的研究课题。 1 2 故障测距装置的基本要求 输电线路故障测距装置的基本要求有以下几点嘲： ( 1 ) 可靠性 故障测距装置的可靠性包含不拒动和不误动两方面内容，其中不拒动是输电线路内 部发生各种可能的故障时，测距系统应能正确动作；不误动是指系统受到干扰或外部线 路发生故障时测距系统不动作。 l 东南大学硕士学位论文 ( 2 ) 准确性 准确性是对故障测距装置最为重要的要求。准确性一般用测距误差来衡量，即相对 误差和绝对误差。一般来说，由于技术和经济原因，测距误差不可能做到太小。从实际 应用的角度来看，当绝对误差在1k m 以内时，就能较好地满足现场要求。国家电网公 司颁布的全国电力调度系统“十五 科技发展规划纲要对输电线路故障测距提出了 更高的要求，即要求综合误差不超过1 。 ( 3 ) 经济性 故障测距装置应有较好地经济性，随着微电子技术的迅速发展，各种故障测距装置 的硬件成本会越来越低，各种数字信号处理技术的广泛应用，又会使得故障测距装置的 性能得到不断提高和完善，这将使故障测距装置的性价比获得进一步的提高。 ( 4 ) 方便性 故障测距装置应方便调试和使用，在发生故障后能够自动且直观的给出测距结果。 以上所述的4 个基本要求是互相联系的，一种合适的故障测距装置应该是这4 个指 标的综合平衡，但可靠性和准确性是任何一种故障测距装置必须满足的要求。 1 3 输电线路故障测距研究现状 长期以来，高压输电线路的故障测距受到普遍重视。一般来说，输电线路故障测距 按原理的不同可以分为故障分析法和行波法；按照测距信息的来源不同则可以分为单端 法和双端法【3 】。 1 3 1 阻抗法 故障分析法是在输电线路发生故障时，根据系统有关参数和测距点的电压、电流列 出测距方程，然后进行分析计算，求出故障点到测距点之间距离的一种通用方法。阻抗 法是故障分析法中比较典型的一种方法。阻抗法类似于距离保护，是利用故障时的稳态 信息计算出故障阻抗，然后根据它与输电线路的全线路阻抗的比例来确定故障距离。 阻抗法具有硬件投资少，容易实现的优点，但是它受故障点过渡电阻、电流互感器 误差、线路结构不对称等因素的影响，实际应用效果不理想，而且还存在着不适用于 直流输电、带串补电容及部分同杆并架的线路的缺点【4 。8 1 。 1 3 2 行波法 行波法早在2 0 世纪5 0 年代就已经提出【9 1 ，由于行波的传播速度比较稳定( 约为光 速的9 8 ) ，人们认识到检测故障线路上暂态行波在母线与故障点之间的传播时间可以 测量故障距离，于是开始利用暂态电压行波和电流行波进行精确故障定位。对于行波的 到达时刻和传播时间，早期主要采用电子计数器或者阴极射线示波器来测量，现在则主 要利用各种数字信号处理方法来测量。 2 第一章绪论 1 3 2 1 行波法的分类 行波法自提出以来，随着微电子技术和数字信号处理技术的进步，获得了很快的发 剧1 0 。1 2 1 。早期的行波法主要有a 、b 、c 、d 型4 种原理，后来经过发展，又有了e 和f 型原理。其中，a 、c 、e 、f 型为单端原理，b 、d 型为双端原理1 1 3 1 刀。 a 型原理是根据故障点产生的行波在测量点至故障点之间往返的时间来确定故障 位置；b 型原理是利用通信通道和收发信机获得故障点行波到达发信端母线的时间差来 确定故障点位置；c 型原理是在故障发生时于线路的一端施加高频或直流脉冲，根据其 从发射装置到故障点的往返时间来实现故障测距；d 型原理通过载波同步方式实现两端 的时间同步，测量故障行波到达线路两端母线的时间差确定故障点位置；e 型行波测距 原理利用断路器重合闸于故障线路时产生的暂态行波在测量点与永久性故障点之间往 返一次的传播时间计算故障距离；f 型行波测距原理则利用断路器分闸时产生的暂态行 波在测量点与故障点之间往返一次的传播时间计算故障距离。 行波法按测距信息的来源也可分为单端法和双端法。单端法利用一端母线测得行波 的首波头和故障点反射波( 或对端母线反射波) 来实现测距，双端法则是利用两端母线 所测量到得首波头来实现侧距。单端法因所需信息量较少，无需通信通道传输对端信息， 所以实现起来较为简便。但单端法却存在需要正确检测第二个波头是故障点反射波还是 对端母线发射波甚至是非故障线路母线折射波的问题。双端法由于需要使用两端的数 据，信息量较大，不受故障类型和线路参数的影响，测距的可靠性较高，但是却需要专 门的通信通道以及两端的数据通信设备，同时为了解决采样同步化的问题，还需要全球 定位系统( g p s ) 等，另外线路两侧有时隶属于不同的电力部门，受电力管理体制所限， 实际操作起来也不是很方便。综合比较，单端法不受两端设备和硬件时间不同步的影响， 测距精确度较高，然而在很多线路和故障情况下，行波的极性无法判别，幅值无法获取， 导致测距失败；双端法则具有较高的测距可靠性，然而双端法比单端法的成本却要高很 多，经济性不好。虽然现在投运的行波故障测距装置大多采用双端法，但单端法却是测 距式行波保护的重要基础，测距结果将对继电保护的动作性能产生直接影响【1 3 1 9 】，因此， 电力系统学术界一直致力于单端法的研究。 1 3 2 2 影响行波法故障测距精度的几个因素 行波基本不受过渡电阻、系统运行方式、线路负荷等因素的影响，但亦有一些因素 能影响到行波法故障测距的精度【2 睨1 1 。 ( 1 ) 行波的波速度陋。2 3 j 无论对于单端法还是双端法行波故障测距，行波的波速度是测距必不可少的参数， 行波波速度的准确度将会影响到测距系统的精度。虽然文献【2 4 】提出了不受波速度影响 的输电线路单端行波故障测距方法，但是文献 2 4 】中所用判据局限于当且仅当两侧母线 均为开路且不考虑变压器及母线分布电容的特殊情况下，不具有普遍性。输电线路的行 3 东南大学硕士学位论文 波波速与线路的实际参数有关，即架空线的结构和大地电阻率的分布，而输电线路的参 数是随频率变化的，精确计算行波的波速度存在困难。 此外，线路参数的依频特性导致了发生故障后线路的暂态行波具有从几十到几百 m z 甚至上m h z 的连续频谱，而不同的频率分量的行波的传播速度是不同的。行波分 量的频率越低，传播速度越慢；行波分量的频率越高，传播速度越快，并且趋于光速。 因此如何确定到达测量点的行波分量的的行波波速以及到达时刻是实现行波测距准确 测量的关键【2 5 之6 】。 ( 2 ) 雷电波的影响 行波故障测距所用的暂态行波往往包含着丰富的故障信息，而行波故障测距装置往 往以数字信号处理技术为核心算法，在雷击故障情况下，线路上存在多个行波源，产生了 暂态特征不同的几种行波，这就影响了行波故障测距的精度。 ( 3 ) 故障时电压相位的影响 故障时电压相角大小主要影响行波的大小。如果发生故障时电压相角较小，将会导 致故障行波数值较低，容易使测距装置产生误判，也无法保证测距精度。当电压相角过 零或者接近零时发生故障时，行波信号会很微弱，可能导致测距失败。不过，由于绝大 多数线路故障是绝缘击穿导致的故障，故障发生在初始电压相角1 0 。以下的几率非常 低，9 5 发生在电压峰值附近的3 0 。范围内，因此电压过零或接近于零时的故障概率非 常低。当这种情况发生时，利用重合闸产生的行波在故障点的反射可能测出故障距离， 也可以将行波法辅以阻抗法进行联合测距。 1 3 3 典型测距系统简介 尽管已经提出的各种行波测距算法还不很完善，但行波故障测距在暂态信号耦合、 高速采集、时间同步、暂态波形存储和远传等方面技术的实现早已变得十分容易，因此 国内外已有行波故障测距装置和系统投入实际运行2 7 1 。 ( 1 ) h a ：t l l 蹁，a y 行波测距系统网 1 9 9 2 年，哈德威仪器公司研制出利用电流暂态分量的行波故障测距装置原型样机， 并在苏格兰电网投入试运行。1 9 9 3 年，该公司推出正式的行波测距系统，它由行波采集 单元和行波分析系统组成，并且集成了a 、d 和e 等3 种行波测距原理。到1 9 9 7 年， 行波测距系统已经覆盖了苏格兰电力系统中所有2 7 5k v 、4 0 0l ( v 及部分重要的1 3 2k v 线路。实际运行表明，该系统可以将故障定位到3 0 0 m 以内。 ( 2 ) b c h y d r o 行波测距系统【2 9 】 1 9 9 3 ，加拿大的不列颠哥伦比亚水电局( b r i t i s hc o l u m b i ah y d r o ) 已研制出基于d 型g p s 的行波定位装置，其定位精确达到3 0 0m ，并已经成功运行于5 不列颠哥伦比 亚省的1 4 个5 0 0i ( v 变电所。 ( 3 ) 科汇行波测距系统【3 0 】 4 第一章绪论 1 9 9 5 年，淄博科汇电气有限公司和西安交通大学等单位联合研制出利用电流暂态分 量的x c 1 l 型输电线路行波故障测距装置，并在辽阳5 0 0 k v 变电所投入试运行。该装 置利用专门研制的高速数据采集与处理模块以及电力系统同步时钟( 内置g p s 接收模 块) 分别实现对线路电流暂态信号的采集以及精确时间同步，并集成了a 、d 和e 等3 种 行波故障测距原理以及匹配滤波器和小波模极大值等行波分析算法。到2 0 0 0 年为止， 该装置已有数十套在我国辽宁、山东、甘肃、四川、广西、湖北以及陕西等电网投入运 行，其平均实测误差不超过4 0 0m 。 2 0 0 0 年，科汇电气有限公司和西安交通大学又联合研制出功能更为强大的x c 2 0 0 0 行波故障测距系统。到目前为止，x c 2 0 0 0 系统所监视的线路已经涵盖了普通交流线路、 双回线路、串联补偿线路、直流输电线路以及t 型线路。实际运行表明，该系统可以 将故障定位到士2 0 0m 以内( 在直流线路上的测距误差不超过1k m ) 。 1 4 本文的主要工作 经济性与精确性较好的a 型原理是行波测距式保护的重要基础，本文致力于提高a 型原理的可靠性和精确性；d 型原理为目前大多数测距装置所采用，有着较好的可靠性， 本文致力于提高d 型原理的测距精度。行波故障测距中，干扰是不能回避的问题，本文 也将致力于研究环境干扰对行波故障测距的影响。为此，展开的工作如下： ( 1 ) 对故障行波波头识别方法进行研究和比较。目前a 型原理和d 型原理对故障行 波波头的识别主要采用小波模极大值法，但是对于近端故障和干扰很大的情况，该方法 的测距精度会受到很大的影响。在此之前，很多学者采用相关法来处理行波信号，即利 用故障点初始行波在检测母线的反射波和该行波在故障点的反射波波形相似的关系来 求出行波在母线与故障点之间运行一次所用的时间，通过时间和波速的关系求出故障位 置。但是这种相关法有以下问题：第一，相关算法的数据窗宽度难以确定；第二，受行 波衰减和畸变的影响。本文提出采用工程上的互相关函数的改进方法，即单位脉冲响应 法进行行波故障测距，并就此方法在a 型和d 型原理中的应用进行了研究。对于a 型 原理，根据不同的采样率使用标准波形与故障电压行波进行相关，则不存在数据窗和相 关系数的问题，并且能够定位初始行波、故障点反射波和对端母线反射波到达的时刻， 具有理想的测距精度；对于d 型原理，则对两端检测到的行波信号进行相关处理，由于 仅仅利用首波头进行相关，可靠性和精确性都大为提高。同时，分别采用小波分析法和 相关分析法对行波信号进行分析，对2 种方法进行比较。 ( 2 ) 行波故障测距中，干扰是个不可回避的问题，本文将研究环境干扰信号对行波 故障测距的影响，并对比小波分析法和相关分析法在环境干扰信号下的测距精度、可靠 性和适应性情况。 ( 3 ) 对t 型线路的行波故障测距方法进行了研究。t 型线路越来越多的出现在电力 系统中，由于t 型线路故障时，折、反射波较多，特别是t 节点附近故障时，波形较为 5 东南大学硕士学位论文 复杂，所以目前针对t 型线路故障测距的研究大多都是基于阻抗法。本文提出了利用t 型线路的三端测量数据，使用互相关函数的改进方法一单位脉冲相应法对三端所测行 波的首波头进行相关性分析，得到三端首波头之间互相的时延，并以此提出了故障分支 判别的新判据，根据双端行波故障测距的原理实现故障测距。在此基础上，在行波信号 中加入环境干扰信号，对方法的抗干扰性进行研究。 1 5 本章小结 本章介绍了输电线路故障测距的意义、测距装置的基本要求，对输电线路故障测距 的研究现状进行了分析，着重介绍了行波法在故障测距中的研究和应用现状，最后阐明 了本论文工作的主要内容。 6 第二章输电线路故障行波分析理论 第二章输电线路故障行波分析理论 2 1 输电线路行波过程 厶出厶出厶出 篓一厶罴 ， 【掣一c o 掣 一 ia 2 甜( x ，f )a 2 z ，( x ，) i 一= 一 ，彬 ，1 ，j 酽( 2 固 ia 2 f ( x ，f ) a 2 f ( x ，) 、7 i 一= = 一 c o 出“= 洫 同理，有 7 ( 2 3 ) 东南大学硕士学位论文 厶出f _ 础 ( 2 4 ) 由式( 2 3 ) 和式( 2 4 ) 消去m 、出，可得反映电压波与电流波关系的波阻抗为 厅 z = 旦 、g 由式( 2 5 ) 可知，波阻抗仅与导线的单位长度电感厶和单位长度电容c o 有关， 线的长度无关。 由式( 2 3 ) 和式( 2 4 ) 可知，出出为波在导线上的传播速度1 ，则可改写为 f ，= z ，c 0 1 ， h = 如y ( 2 5 ) 与导 ( 2 6 ) ( 2 7 ) 对于波速，在真空无损的条件下，波速与光速相同，均为3 0k l l l s 。 由式( 2 2 ) 可知，线路上任意点的电流、电压为 材( x ，f ) = “f ( x w ) + z 气( x + w ) f ( x ，) = 【蜥 一w ) 一( x + w ) 】z ( 2 8 ) = ( x w ) + 毛( x + w ) 其中，蜥 一w ) 表示线路上沿正方向传播的电压前行波，蚝o + w ) 表示线路上沿反 方向传播的电压反行波；o v f ) 表示线路上沿正方向传播的电流前行波，乇 + v f ) 表 示线路上沿正方向传播的电流反行波。 综上所述，可以得到行波在均匀无损导线上传播的基本规律的方程： ”( x ，f ) = 蜥+ z 如，+ 屯 ( 2 9 ) 咋= z f f 。 ，7 2 一么k 其物理意义在于：导线上的任何一点的电压或电流，等于通过该点的前行波与反行 波之和；前行波的电压与电流之比为正的波阻抗；反行波的电压与电流之比为负的波阻 抗。也就是说，前行电压波和电流波的极性相同，反行电压波和电流波的极性相反。 2 1 2 三相线路的行波过程及相模解耦 对于实际的输电线路，同一架空线路杆塔上可能装设若干根地线和相线，而相线又 可能由分裂导线构成，它们组成了一个彼此之间存在电磁耦合的具有分布参数的多导线 第二章输电线路故障行波分析理论 系统【3 2 】。对于无损传输线，可以采用和无损单根导线类似的方法来分析三相线路的波过 程。 当电压电流频率固定，忽略电导的影响，可以得到描述线路各点x 处的电压瞬时值 向量甜和电流瞬时值向量f 之间关系的微分方程： 锄 ，饼 叙a a i 门加 知a ( 2 1 0 ) 伊c 妻 + 亿 告观挈 一一 ? 2 ( 2 1 2 ) l l f = 鲰 p 7 争麟挚 亿 恪呵1 观噜 一 e 黧2 仑u ( 2 1 4 ) 【q - 1 c q = a i 9 东南大学硕士学位论文 矩阵c 的对角元素、非对角元素。则矩阵尸的对角元素只、非对角元素巴可以表示为 e = 厶e + ( 刀一! ) 厶c 辨， ( 2 1 6 ) 【己= 厶c 肼+ 厶e + ( 疗一2 ) l c 朋 js = q ( 2 1 7 ) 、- ， 由式( 2 1 4 ) 和式( 2 1 7 ) ，有 此处人= d 诹( ，如， ) 为矩阵p 的特征矩阵，它满足d e t ( 尸一 ，) = o ，可以计算 得到： j 2 + j 肛! 溉 ( 2 1 9 ) 【屯= = 九= e 一己 模变换矩阵s 中的各个列相量s = 【s ，瓯】r 为矩阵p 对应于丑的右特征相 量，满足( 尸一九j ) 墨= o ，对应于九( f = 1 ，2 ，玎) ，可得： 墨，2 ，2 ， ( 2 2 0 ) 【s f + 岛f + + = o 式( 2 2 0 ) 即为相模变换矩阵要满足的条件，显然，能满足以上条件的变换矩阵不是 唯一的。目前，常用的主要有克拉克( c l a r k e ) 变换和凯伦布尔( k 鲫朗b a u e r ) 变换。 s = i 三s = 丢 茎丢三 c 2 2 ， 它将口、6 、c 三相转换为0 、a 、卢模量，结构简单，适合于三相线路的暂态计算。 = 丢( 一桃) = 丢( 一) = ( 屹十+ ) 1 0 ( 2 2 2 ) 第二章输电线路故障行波分析理论 也可以将矩阵s 变为正交矩阵，称为修正的0 、口、p 变换矩阵： s = 1l1 历垢压 一 o 压垢 ” 111 历垢压 s ： ll 1 瓜矗矗 121 孺一孺而 击 。 一击 ( 2 2 3 ) s = i 主s 一= 三 i 三 c 2 2 4 ， 2 2 行波在输电线路上的传输特点 2 2 1 行波的折射与反射【3 1 ，3 3 1 电流行波和电压行波沿着输电线路传输，在阻抗不连续处( 例如母线、故障点等) 将会发生折射和反射现象。图2 2 以电压行波为例，说明了行波在阻抗不连续处的折射 和反射情况。 图2 - 2 电压行波的折射与反射 具体分析，在波阻抗为z l 的线路l 上，有一电压行波嵋，向波阻抗为z 2 的线路2 传 东南大学硕士学位论文 播，到达结点m 的波称为入射波。在线路1 中的反行波m b 是f 在m 点的反射波所产 托+ ? n2 r ( 2 2 5 ) 卜鸯 6 ， 卜箍r 一 卜参 7 ， 【成2 爱 一 卜参 亿2 8 ， 卜糍 一 1 2 第二章输电线路故障行波分析理论 明电压反射波与入射波大小相等，方向相反，从而使得入射线路上电压降为零；电流反 射波等于入射波，从而入射线路上电流上升一倍。从能量的角度来看，即行波到达短路 的末端时，全部电场能量变为磁场能量，使电流上升一倍，电压降为零。 2 2 2 等值集中参数定理 根据式( 2 2 6 ) 中的折射电压行波“：，的表达式可得集中参数的等值电路，即可以将一 个内阻为z l ，电源为入射波电压两倍的2 与波阻抗乙相连，则z 2 两端压降即为折射 波电压吻f ，这就是等值集中参数定理，也叫彼得逊等值电路，如图2 - 3 所示。彼得逊法 则把分布参数电路问题，变成集中参数等值电路问题，由此简化了计算，在输电线路行 波过程问题中得到了广泛的应用。 ( 口) 接线 图2 3 电压源的等值集中参数定理 ( 6 ) 等值电路 等值集中参数定理的使用条件是线路z 中没有反行波，或z 中的反射波尚未到达 阻抗不连续点。 2 2 3 行波传播过程中的衰减与畸变 行波在均匀无损线路中传播时，能量保持恒定，不会发生衰减与畸变，但实际