（电力系统及其自动化专业论文）基于dsp的输电线路行波故障测距研究.pdf

s u b j e c t ：r e s e a r c ho nt r a v e l i n gw a v ef a u l tl o c a t i o no ft r a n s m i s s i o n l i n eb a s e do nd s p t e c h n o l o g y s p e c i a l t y ：p o w e rs y s t e m & a u t o m a t i o n n a m e：z h a nk a i i n s t r u c t o r ：f uz h o u x i n g ( s i g n a t u r e ) ( s i g n a t u r e ) a b s t r a c t b e i n gt h ef r e q u e n tf a u l ta r e a ，t r a n s m i s s i o nl i n e sw h i c hh a v el o n gd i s t a n c e sa l w a y sc r o s s m o u n t a i n sa n da r eh a r dt of i n dt h ef a u l tl o c a t i o n i ti si m p o r t a n tf o rt r a n s m i s s i o nl i n e st o q u i c k l ya n da c c u r a t e l yl o c a t ef a u l t sw i t ha s p e c t st ot h e i rs a f ea n de c o n o m i c a lo p e r a t i o n c o m p a r e d w i t hc o n v e n t i o n a lf a u l tl o c a t i o nb a s e do nf u n d a m e n t a l c o m p o n e n t s ， t r a v e l i n g w a v eb a s e df a u l tl o c a t i o ni sm o r ea c c u r a t ea n dn o ta p tt ob ea f f e c t e db yt r a n s i t i o n r e s i s t o r ，f a u l tt y p e ，d i s t r i b u t e dc a p a c i t a n c e ，b u sc o n f i g u r a t i o na n dc ts a t u r a t i o n ，e t c i n r e c e n ty e a r s ，f o l l o w i n gw i t l lt h ed e v e l o p m e n to ft h et r a v e l i n gw a v e ，w a v e l e t s ，m a t h e m a t i c a l m o r p h o l o g yt h e o r ya n dd s pt e c h n o l o g y ，f a u l tl o c a t i o nb a s e do nt r a v e l i n gw a v em a k eg r e a t p r o g r e s s e s s o m es i n g l ea n dd o u b l ee n d e da p p r o a c h e sb a s e do nt r a v e l i n gw a v eh a v eb e e n p r e s e n t e d s o m el o c a t i o nd e v i c e sb a s e do nt r a v e l i n gw a v eh a v eb e e nd e v e l o p e da n db r i n g i n t os e r v i c e i nt h ep a p e r ，am o d e li 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 ( a l t e r n a t i v e t r a n s i e n tp r o g r a m ) b a s e do nad o u b l e e n d e ds u p p l ys y s t e ma n dac u r r e n tt r a v e l i n gw a v ei s s i m u l a t e dw i t hd i f f e r e n tf a u l tt y p ea n dt r a n s i t i o nr e s i s t o r ，w h i c hf o c u so nc a s e so fp o l l u t e d s i g n a l ，w h e t h e rt h es i n g l e p h a s e - t o g r o u n df a u l to c c u r s f i r s to fa l l ，i ft h et r a v e l l i n gw a v e s i g n a li sp o l l u t e db yn o i s e s ，i ti se f f e c t i v et oa d o p tt h em e t h o do fn o n l i n e a rt h r e s h o l dt oe r a s e n o i s e s s ot h er e l i a b i l i t yo ft r a v e l l i n gw a v el o c a t i o ni si m p r o v e do b v i o u s l yi nn o i s e e n v i r o n m e n t f u r t h e r m o r e ，a c c o r d i n gt ot h et r a v e l l i n gw a v et h e o r y ，t r a v e l l i n gw a v ei sn o t g e n e r a t e di nt r a n s m i s s i o nl i n e si ft h es i n g l e p h a s e t o - g r o u n df a u l to c c u r sw h e nt h ep h a s e v o l t a g ec r o s s i n gz e r o ，b u tt h ec u r r e n tt r a n s i t i o nf r o mn o r m a lv a l u et of a u l tv a l u ew i l la p p e a r a ni n f l e x i o na n dt h ea p p e a r i n gt i m et h a tt h ef a u l to c c t l e sw i l lb ec o n f i r m e d f i n a l l y ，i nt h e s i m u l a t i o n ，t h ea p p e a r i n gt i m eo ft h ei n f l e x i o ni si d e n t i f i e db yu s i n gw a v e l e tt r a n s f o r m d u r i n gf a u l ta n a l y s i s ，t h ed a t ai sp r o c e s s e d 、v i t hw a v e l e tt r a n s f o r mb a s e do nt h et o o lo f m a t l a b ( m a t r i xl a b o r a t o r y ) ，w h i c hi si n t e g r a t e dw i t hi m p r o v e df a u l tl o c a t i o nm e t h o d t h ep r o g r a mo fw a v e l e ta n a l y s i sa n dm a x i m u mm o d u l u se x t r a c t i o ni sc o m p i l e db a s e do nt h e a l g o r i t h mo fm a l l a t t h em u t a n td o t so ft r a v e l i n gw a v es i g n a la r ed e t e c t e du s e dt h e t h e o r yo fw a v e l e tt r a n s f o 咖m a x i m u mm o d u l u s ，a n dt h ea c c u r a t ef a u l tl o c a t i o ni sc a r r i e do u t c o n s e q u e n t l y ac i r c u i ti sf o u n dw i t ht h ed s po ft m s 3 2 0 f 2 812o fw h i c ht h e o p e r a t i n gc i r c u i ti s d e s i g n e d ，a n dt h ei n t e r f a c ec i r c u i tb e t w e e ne x t e r n a la n a l o g d i g i t a lc o n v e r t e ra n dd s pa r ea l s o d e s i g n e d i na d d i t i o n ，t h ep r o g r a mm i x e dcl a n g u a g ea n da s s e m b l yl a n g u a g ei sc o m p i l e d u n d e rt h ec o n d i t i o no fc c s ( c o d e c o m p o s e rs t u d i o ) k e yw o r d s ：t r a n s m i s s i o nl i n ef a u l tl o c a t i o n w a v e l e ta n a l y s i s d s pt e c h n o l o g y t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 要科技大学 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： 飙叫。l - - l 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。 学位论文作者弛戌钆 指导教师舭7 冰 2 朗，c 1 年s 其f | b ， 1 绪论 1 绪论 1 1 课题的目的及意义 随着我国电力工业的飞速发展，电力系统的规模不断扩大，输电线路的电压等级和 输送容量逐年提高，输电线路也越来越长。一旦发生输电线路故障，将很难查找故障位 置，在夜晚和恶劣天气的情况下就更加困难。由于输电线路故障而造成的停电事故严重 地危及电力系统的安全、稳定运行。 在电力市场竞争的日渐形成以及越来越多对供电可靠性要求极高的用电设备投入 使用的今天，传统测距方法效率低下，日益显示出其弊端。准确、可靠的故障测距一方 面可以缩短查找故障点的时间，节约查线的人力、物力，减轻巡线人员的劳动强度；另 一方面还能及时发现线路的薄弱环节，使故障及时得到处理，保证迅速恢复供电，降低 因停电造成的经济损失。因此，输电线路故障测距具有巨大的社会效益和经济效益，是 一项具有重要技术、经济意义的课题，也一直是国内外电力生产部门及科研单位密切关 注的研究课题之一。现有的故障测距系统大多基于阻抗法，在原理上受线路参数、系统 运行参数及过渡电阻的影响很大，很难保证测距精度。近些年来，随着计算机技术、数 字信号处理( d s p ) 及全球定位系统( g p s ) 等技术的发展及其在电力系统中的广泛应用，对 输电线路故障测距的方法及测距装置的研制已成为最热门的研究课题之一，其中以行波 测距法的研究和应用最为广泛。 随着对输电线路研究的深入，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，本文首先分析了行波故障测距的基本原理，采用小波变换的方 法对其进行分析处理，并进行了行波故障测距的改进算法仿真研究，基于d s p 芯片设 计了行波故障测距装置的软、硬件电路，达到精确测距的目的。 1 2 输电线路的故障类型 输电线路三相故障是指三相导体之间或者每相导体对地之间的绝缘的降低。按其原 因，输电线路故障分为以下几种j ： ( 1 ) 瞬时性故障 此类故障发生时，能成功地进行重合闸。该类故障多属于雷电等过电压引起的闪络， 但没有造成致命的绝缘伤害。鸟类以及树枝造成的短时的导体之间或导体对地接触也会 引起这类故障。 ( 2 ) 永久故障 西安科技大学硕士学位论文 指导体之间以及包括一个或多个导体对地的短路故障，此类故障发生时，不可能成 功地重合闸。此类故障的原因多是由于外力，象施工、风暴、地震等对线路造成的机械 损害。 ( 3 ) 绝缘击穿 由于冰雪、老化、污秽以及瞬时过电压闪络破坏等原因，使得线路某一点绝缘下降， 在正常的运行电压下绝缘击穿，造成短路，重合闸不成功。此类故障在低电压下是不会 出现故障状态，在故障切除后，它们多没有明显的破坏迹象。 ( 4 ) 隐性故障 此类故障不妨碍系统的正常运行，但会缩小线路绝缘承受电压冲击的设计余量。一 般的绝缘老化，在正常电压下不击穿，属于此类故障。在发展到瞬时闪络或击穿造成永 久故障之前，该类故障一般是不可测的。 本文中所述的故障测距主要针对前三种故障。 1 3 输电线路故障测距方法概述 按采用的线路模型、测距原理、被测量和测量设备的不同，故障测距技术可以有多 种分类方法。本文从研究的角度出发，把输电线路测距方法分为阻抗法、故障分析法、 行波法三种方法【3 1 。 ( 1 ) 阻抗法 阻抗法是根据故障时测量到的电压和电流量而计算出故障回路的阻抗。由于线路的 长度与阻抗成正比，因此可以求出故障点的位置。此方法比较简单而且可靠，但是阻抗 法受故障类型、故障电阻和线路对端负荷阻抗的影响较大，故误差一般较大，且阻抗法 要从复杂的暂态信号中提取所需信息，需增加滤波算法的难度，因此测距的精度不够高。 ( 2 ) 故障分析法 故障分析法是利用故障时记录的电压和电流量，通过分析计算来计算出故障点的位 置。此方法经济简单，但其算法都是建立在理想基础之上，而这些条件都与系统实际情 况有所差别，故必然会带来一些误差，所以故障分析法的测距准确度有待进一步提高。 ( 3 ) 行波法 行波测距是建立在考虑输电线路的分布参数，直接利用故障产生的行波信号，并对 其进行分析和计算的基础之上的。各种行波测距方法主要分为a 、b 、c 、d 四类【4 】：a 型是根据故障点产生的行波到达母线后反射到故障点，再由故障点反射后到达母线的时 间差来测距，如图1 1 所示；b 型是在远端设置信号发生装置，在近端接收到故障行波 后开始计时，远端接收到故障行波后发射脉冲信号，近端接收到脉冲信号后停止计时， 从而故障距离是所测时长与行波波速乘积的一半；c 型是在故障发生后从线路一端注入 高频脉冲信号或直流脉冲信号，利用故障点波阻抗不连续产生的反射波实现测距；d 型 2 1 绪论 是根据故障点产生的向两侧母线运动的行波到达母线的时间差来判断故障位置，如图 1 1 所示。其中a 型和c 型是单端法，b 型和d 型是双端法。其中b 型和c 型需要使 用脉冲和信号发生装置。b 型需要单独的通信信道，而c 型中注入的高频脉冲信号的检 测会受到本身故障行波的影响。这两种方法在行波测距发展早期得到过应用，但投资较 大。近几年的研究主要集中在a 型和d 型行波测距方法上，也就是现在我们通常所指 的单端测距和双端测距方法。 f 图1 1 故障行波传播示意图 1 4 本课题所做的主要工作内容 本课题首先概述了输电线路故障测距的国内外研究现状和故障诊断的一般方法，采 用上述中a 、d 两种方法进行研究，介绍了输电线路的行波的基本概念，并总结了行波 在不同类型母线处的反射规律，以及近区故障与远区故障的判别方法，并在以下几方面 给予了重点研究： ( 1 ) 对于被噪声污染的行波信号，采用非线性阈值法对含噪的行波信号进行去噪， 提高了白噪声下行波测距的可靠性。 ( 2 ) 根据行波理论，电压过零时发生单相接地短路不会产生故障行波，但线路电流 由故障前的正常值过渡到故障值会产生一个拐点，本文在仿真条件下利用小波变换检测 出了母线测量点处该电流拐点出现的时刻。 ( 3 ) 深入介绍了单端与双端两种测距算法，并从理论上对算法的优缺点进行了分析。 用a t p e m t p 以及m a t l a b 对其进行仿真，通过小波变换的分析方法，对这两种算法 的优缺点进行了分析。 ( 4 ) 引入了改进的单端测距算法，用a t p e m t p 以及m a t l a b 对其进行大量仿真 比较，引入小波变换的分析方法，对算法的精度以及可靠性进行分析。 ( 5 ) 绘制硬件原理图和p c b 图，搭建硬件电路，基于c c s 编写c 语言程序进行装 置的软、硬仿真。 3 西安科技大学硕士学位论文 2 输电线路的行波过程 本章介绍电压、电流波在输电线路上的传播过程，了解基于电压、电流波传播原理 的输电线路故障测距技术。 2 1 行波的基本概念和等效电路 在传输线间加上电压并有电流流过时，在传输线及其周围空间建立了电场和磁场。 如果激励电压随时间变化，则上述电场和磁场也将随时间变化。时变电磁场的普遍规律 决定了电流电压的变化规律，就是电磁场在空间变化的规律。因此，可以说传输线上的 电流电压的变化规律，就是电磁场在空间变化的体现。电磁场是以波的形式向周围传播 的，所以电流电压也是以波的形式在传输线上传播的。在电力系统没有故障的时候，电 流电压的波形是5 0 h z 的正余弦波；当电力系统发生故障时，电压电流波形将发生畸变， 在这些畸变的电流电压波形中，包含着丰富的系统故障信息。若能成功提取并分析这些 故障信息，这对维护系统的稳定和安全将十分有利。 输电线路可看成由许许多多电阻r 、电导g 、电容c 、电感l 元件( 等效元件) 相联 结组成的，这些元件称为输电线路分布参数，使用分布参数电路模型的精度高于集中参 数电路模型【5 j 。单导线线路的等值电路如图2 1 所示。 r l rl 图2 1 单导线线路的等效电路 当信号电流流过每一段电路上的串联电阻r 与电感l 时，就会产生电压降，信号电 流在每一段线路上还会通过电容c 和电导g 从中途返回。如果忽略线路的传播耗损， 即r = g = 0 ，则线路称为无损耗线路。其单位长度上电容、电感值分别用c n 和厶表示。 分布参数线路上任意电压、电流值实际上是许多个向两个不同方向传播的电压、电 流波数值的代数和。这些电压、电流波以一定的速度运动，因此称为行波。我们把运动 方向与规定方向一致的行波，叫做正向行波，而把运动方向与规定方向相反的行波，叫 做反向行波。如图2 2 所示，假定有一条输电线路m n ，规定坐标x 的方向为从m 端到 n 端，则线路上向着n 端运动的波叫正向行波，线路上向着m 端运动的波叫反向行波。 4 2 输电线路的行波过程 m且 - 卜 x 图2 2 正向与反向行波 2 2 波速度与波阻抗 n 波速和波阻抗是输电线波过程中的两个最基本的物理概念。为了方便物理概念的理 解，通常以单根无限长架空线为例讨论架空输电线的波过程【6 1 。 2 2 1 行波速度的确定方法 线路故障时产生的行波可分解成零模分量和线模分量，无论选用何种模分量或何种 方法来进行故障测距，均需要测定波速，根据波速与时间的关系来确定故障点的距离。 但是各种模分量在线路上的传播速度是不确定的。波速是影响行波测距的主要因素之 一，其大小取决于输电线路的结构和大地电阻率的分布【7 】，线路的分布电感因不同的地 区和线路结构而异。同时，由于气候条件的影响，线路沿线的不均匀电晕分布影响了线 路的分布电容，分布电容与分布电感的变化又会影响行波线模分量和零模分量的传播速 度。 ( 1 ) 利用线路参数计算行波速度 由于零模分量存在着较为严重的衰减和参数随频率变化较大的问题，导致行波损耗 大且波速不稳定，对定位精度影响也较大【引。线模分量的波速在不考虑频率的影响时， 相对比较稳定，它可由线路参数近似计算得到。 输电线路近似为无损线路，且不考虑参数的频率相关性时，输电线路的线模分量和 零模分量的波速v l 和v o 计算公式分别为： 1 v l = 鬲 v 0 ：了! ( 2 2 ) 2 丽 u z 其中，厶、c 1 、- o 、c o 分别为单位长度线路的正序电感、正序电容、零序电感、零序 电容，电容与电感的单位分别为f 与h 。 5 西安科技大学硕士学位论文 ( 2 ) 实测线路的行波波速 为进一步提高行波测距系统的测距精度，运行行波测距系统之前在线路上实测行波 的波速。实测行波波速需要大量的准备工作以及设计合理的测量方法，还需要在线路的 一段进行合闸或跳闸等一次系统的操作以及采用大量仪器设备进行测量，实现起来比较 困难，且测量方法、测量仪器和测量环境对测量精度的影响比较大，使用性较差。 ( 3 ) 参考文献提供的波速 文献 7 】中给出了实测的输电线路行波波速以及行波波速高频分量的范围。但是行波 波速与输电线路的实际参数、结构以及大地电阻率的分布有关。文献【7 】所依据的线路与 目标线路往往存在区别，其不具有通用性，而且精度取决于实测或计算的精度，因此只 能为确定行波波速提供参考。在加拿大的b c h a y d r o 行波定位系统中，线模分量的行 波波速通常为2 9 5 1 0 8 m s 2 9 9 1 0 9 m s 。 综上所述，根据本文情况，选用利用线路参数来计算行波波速。 2 2 2 波阻抗 输电线路中的电压波在向前运动时，对分布电容不断充电产生伴随的向f j 运动的电 流波。一对电压、电流波之间的关系，可以用波阻抗( 也称特性阻抗) z 来描述【9 1 。 经分析可知，输电线路的波阻抗可表示为： 旷 z = f 竺 、c 0 ( 2 3 ) 对于正向电压波u + 与电流波l 之间，满足关系： 以i = z ( 2 4 ) 而对于反向电压波u 一与电流波，一之间，则有： u 一t = 一z( 2 5 )-，_、， 由式( 2 4 ) 与式( 2 5 ) 可以看出，正向电压、电流波同极性，而反向电压、电流波反极 性。 假定电压行波极性为正，线路上电流行波的流动方向是电压行波i j 进的方向。规定 电流的正方向与距离坐标x 的正方向一致。显然，正向电流行波流动方向与距离坐标方 向一致，为正极性，如图2 3 ( a ) 所示：而反向电流行波流动方向与距离坐标方向相反， 为负极性，如图2 3 ( b ) 所示。 输电线路的波阻抗与其本身的结构、绝缘介质及导体材料有关，而与输电线路的长 度无关。即使很小一段线路，它的波阻抗也处处相等。波阻抗是输电线路中一对正向或 反向电压、电流波之间的幅值之比，而不是任一点电压、电流瞬间幅值之比。因为输电 线任一点电压、电流的瞬时值，是通过该点的许多个正向与反向电压、电流行波相迭加 而形成的。 6 2 输电线路的行波过程 u i x _ 卜 u i 一 ( a ) 正向电流行波 x 卜 ( b ) 反向电流行波 图2 3 电流行波的极性 2 3 行波的反射与透射 当故障发生时，产生的电压和电流行波将沿着输电线路进行传输，遇到阻抗不连续 处( 例如对端母线、故障点等) ，将会发生透射和反射现象，如图2 4 所示，u 为入射波， u 为返回的反射波，u t 为越过故障点的透射波。 ll 匡 坠- 雾 一 缓 一 u f 图2 4 行波的反射和透射 7 西安科技大学硕士学位论文 2 3 1 行波的反射系数 令z 1 表示出射波阻抗，z ：表示入射波阻抗，则电压反射系数可以用反射波电压和 入射波电压之比来表示【1 0 】： 成专= 臻 类似的，电流反射系数为： 房= 等= 糍一成 可见，阻抗不匹配点的电流反射系数与电压反射系数大小相等方向相反。 2 3 2 行波的透射系数 行波的透射系数可用透射电压( 电流) 波与入射电压( 电流) 波的比值表示， 与电流行波的透射系数相同，故叙述时不再加以区别。 ( 2 6 ) ( 2 7 ) 电压行波 设两段线路的波阻抗分别为z 1 、z ，时，则透射系数： 1 + 成= 一y ( 2 8 ) 2 3 3 行波在故障点的反射 在前面已经进行了分析，行波在故障点的反射受到过渡电阻的影响。根据反射系数 的定义，在故障点处，行波的反射系数为： 1 成一赢一层 ( 2 9 ) 其中k = r ，z o 可见对于电流行波，在故障点反射系数为正值；而对于电压行波，在故障点反射系 数为负值。 2 4 相模变换理论 由于三相线路各相之间存在电磁耦合，每一相的基本方程和波动方程是不独立的， 因而需要通过相模变换来求解。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，将相问存 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：零模分量和线模分量。相量和模量之间通 8 2 输电线路的行波过程 吐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【1 2 】： = 瓦木 同理，对于三相电流信号，进行相模变换则采用以下公式： i m = t i 毒ip 其中， u 。、，。分别为模电压和模电流，u 矿i p 分别为相电压和相电流， 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。 ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 乏为相 输电线路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 a r k e ) 实变换矩阵作为模式变换矩阵。 z = z = 1 压 l 2 2 1 一! 一鱼 22 ( 2 1 2 ) 暂态三相信号经上式变换可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，零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。为了避免零模分量的影响，本文故障测距中主要采用线模分 县 里o 2 5 小结 在本节中，主要对输电线路行波过程的基本概念以及行波的反射与透射现象进行了 较为详细的阐述和讨论，并介绍了相模变换理论，为行波故障测距提供了有力的理论支 持。 9 西安科技大学硕士学位论文 3 行波故障测距的发展与基本原理 在分析了电力系统暂态波过程以及行波在电力线路上的传播过程之后，可以很明显 的发现，行波到达各个母线的时刻，和故障点的位置是相关的。根据这个特点，发展出 了基于暂态行波的单端法和双端法两种故障测距方法。单端法是测量故障产生的行波在 故障点以及母线之间往返一趟的时间来计算故障距离；双端法是利用故障行波到达线路 两端的时间差来测距。本章还针对行波测距的关键技术问题的解决以及行波测距技术实 际应用中的若干问题进行了详细阐述。 3 1 行波测距法的发展 长期以来，人们为寻求精确有效的故障测距方法进行了大量的研究，提出了多种故 障测距原理和方法。随着新技术的发展，故障测距算法的研究不断深入，已成为国内外 研究的热点之一。 ， 在早期，电力系统大多采用阻抗法测量输电线路故障距离。因为故障距离是故障电 流、电压的函数，阻抗测距法利用线路单端或双端电压、电流测量值，然后推导出特定 的故障定位方程进行定位。阻抗法测距精度受故障电阻、互感器误差、线路结构不对称、 零序参数沿线路分布不均匀等因素影响，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、t 接及部分同杆并架的线路的缺点。 利用行波进行故障测距的方法早在2 0 世纪5 0 年代就己被提出，但由于技术及设备 限制，应用很少。二战后，测距技术有了很大发展，尤其是2 0 世纪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。2 0 世纪9 0 年代初，我国提出利用故障暂态电流的高压输电线路行波故障测 距技术，从而推动了现代行波故障测距的发展，并迅速商业化。这些装置在实际运行中 一般误差不会超过5 0 0m ，基本可以实现两根杆塔之间的定位。但是也存在检测线路数 量少，波头捕捉能力有待进一步提高等缺点。 目前的行波法故障测距也分为单端法和双端法两种。单端测距法不需通道传递对侧 数据、不受通信技术条件限制，具有很大的优越性，利用单端数据的行波测距法需要考 虑行波的衰减因素及母线的反射条件。双端测距法与单端测距法相比数据量增加了l 倍， 故障的信息量也增加了l 倍，可以很好地解决单端测距存在的问题，其缺点是测距时必 须有两端数据的交换通道和两端时间同步设备，故在应用上有一定的局限性。近年来随 着小波变换理论的不断成熟和人工智能技术在电力系统各领域的广泛应用，其在故障测 距领域的研究、应用也取得了很大进展。 8 0 年代末9 0 年代初，小波理论的提出给非平稳信号的检测带来新的变革。因为小 l o 3 行渡故障测距的发展与基本原理 波变换的模极大值点与信号的尖锐变化点相对应，因此可以将小波分量的模极大值出现 时刻确定为电流行波信号的到达时刻。而根据不同尺度下小波变换的模极大值的大小以 及极性可以进一步识别被检测信号的性质，判断它是来自故障点的有效电流行波脉冲还 是其他干扰脉冲等，据此可以有效地消除噪声提取信号1 1 3 】。随着小波理论的发展，行波 故障定位的数字基础也逐渐成熟起来。小波模极大值描述方法为电力系统故障信号分析 提供了一条系统、有效的途径【1 4 】【”】。文献 1 6 将小波分析理论应用于行波故障测距，并 取得了很好的效果。 3 2 行波测距法的基本原理 3 2 1 单端行波测距原理 利用单端数据的行波测距算法主要有以下两种【l7 j ： 方法一：利用故障点行波的反射波进行测距。该方法利用在检测点检测到的两个相 邻线模波头之间的时间差进行故障定位。如图3 1 所示的简单系统，在f 点发生故障后， 暂态行波分别向r ，s 运动，到达r ，s 后，暂态行波将发生反射，反射波经故障点再 到r ，s ，所以在r ，s 点将检测到两个波头，设在r 点测到两个波头之间的时间差为岔， 行波速度为1 ，由此可以得到r 点到故障点之间的距离。 x = q ( 3 1 ) 方法二：电力系统故障后，线模和零模将以不同的速度向检测点传播，而从上文所 述可知，线模波速和零模波速可以用线路的正序参数和零序参数计算，所以，只要准确 找出到达检测点的线模和零模波头之间的时间差，就可以算出故障位置。如图3 1 所示。 l 为r 点与s 点之间的线路, g - i 矢度 图3 1 接地故障测距示意图 设v 。为线模波速，v 。为零模波速，线模分量到达r 点的时刻为t 尺，到达s 点的时 刻为f s 。；零模分量到达r 点的时刻为，尺。，到达s 点的时刻为，s 。，设故障时刻为t 。 则在r 点对于线模分量有： x = v l ( f 尺l f ) ( 3 2 ) 在r 点对于零模分量有： x = 1 2 0 0 肿一f )( 3 3 ) 西安科技大学硕士学位论文 由式( 3 2 ) 、( 3 3 ) 可得： v o v l o 肿一f 刖) v 1 一v o ( 3 4 ) 这就是用来计算故障点到r 点之间的距离公式。这种方法利用了线模和零模分量的 第一个波头，行波衰减小，易于判断波头到达的准确时间，而且只要线路参数准确，计 算精度相当高。但是零模波速受天气因素的影响尚需进一步讨论，另一方面，零模分量 在线路上的衰减情况如何，也需要进一步研究。 3 2 2 双端行波测距原理 利用双端数据，使数据量增加了一倍，当然故障的信息量也增加了一倍，使我们能 够更加准确地判断故障距离。这种方法的好处是，可以不考虑行波的衰减因素、故障的 过渡电阻以及母线的反射条件。缺点是，测距装置必须有两端数据的交换通道和两端时 间同步设备( g p s ) ，增加了装置的生产成本，不利于测距装置的推广应用。 方法三：在线路发生故障后，不管线路的结构、衰减及畸变如何，到达母线处的第 一个行波波头都是最强烈和最明显的，因此很容易准确定位。以图3 1 为例，设，为线 模速度， ，。为零模速度；线模分量到达r 点的时刻为k 。，到达s 点的时刻为，剐；零模 分量到达r 点的时刻为f 肿，到达s 点的时刻为t s 。设故障时刻为t ，在r 点对于线模 分量有： x = h ( l f ) ( 3 5 ) 在s 点对于线模分量有： ，一x = v l ( f s l f )( 3 6 ) 由式( 3 5 ) ( 3 6 ) 可得： z = 导( f j r l f s l ) + i l ( 3 7 ) 方法四：方法三的基础是线模波速受各种因素的影响很小，或者说线模波速的波动 在工程误差的范围之内。无论哪种模波，在线路上传播的速度是不确定的，各模量的波 速度受气候和线路的运行条件影响很大。基于此，提出了消去波速的测距算法( 仍以图 3 1 为例) 。 设a = t j r l b l ，b = f 肿一t s o ，c = t 肿- t r l 。由双端测距公式得， 彳：三一生 v l，l 1 2 ( 3 8 ) 3 行波故障测距的发展与基本原理 b = 三一生兰 ，ov o c = 三一一x v ov l 1 ：1 ：1 ( 3 8 ) ，( 3 9 ) 解出线模和零模波速为： xz x v - = j 一了 x，一x v o = 万一了 ( 3 9 ) ( 3 1 0 ) ( 3 1 1 ) ( 3 1 2 ) 代x ( 3 1 0 ) 得测距公式为： l f 、 x = 竺二 ( 3 1 3 ) 彳一b + 2 c 这种方法的优点是完全消除了波速变化对测距精度的影响，但是仍然使用了零模的 第一个波头，仍然存在零模衰减的问题，而且也需要双端数据交换通道和同步对时设备。 3 2 3 单端与双端行波法的综合评价 由于单端测距方法二和双端测距方法四都存在零模衰减的问题，零模行波的衰减规 律尚需作进一步的研究，在实际中从故障点来的零模行波能否到达检测点，也需要作进 一步的探讨。所以本文主要就单端测距方法一和双端测距方法三从理论上分别做出综合 评价【1 8 】，见表3 1 所示。 1 3 西安科技大学硕士学位论文 表3 1 单端与双端行波法的综合评价 测距方法准确性可靠性经济性适应性 由于单端行波测 由丁二行波衰减，故 单端行波测距由单端行波测距具 距原理不受线路障点反射波和对于不需要通道及有广泛的适应性， 长度和授时系统端母线反射波的时间同步设施，因即适用于各种交 时间误差的影响，检测和识别较为而投资较小。当只流输电线路和直 因而在理论上能困难【1 9 1 ，冈而单端利用电流暂态分流输电线路，还适 单端法够提供比双端行法的自动测距可量实现行波故障用于不同的母线 ( 方法一)波测距原理更为靠性较差，但通过测距时，还可以方结构和故障类型。 准确的测距结果。 人工波形分析仍 便地检测同母线 然能够获得可靠上多回甚至全部 的测距结果。因线路，从而获得更 此，单端法仍然值人的性价比。 得推广。 当线路较长时，双端行波测距不 双端行波测距由 双端行波测距与 计及弧垂影响后需要检测来自故 于需要通道及时 单端行波测距具 的实际导线长度障点和系统中其问同步设施，因而有同样广泛的适 与导线水平长度他波阻抗不连续如果单独使用，则应性。 相著较大，会引起点的反射波，并且相对于单端行波 双端法 误差。当采用固能够自动给出故故障测距原理来 定的波速度时，到障测距结果，因而说，其投资较大。 ( 方法三) 达线路两端的故具有很高的自动 障初始波头时间测距可靠性，这也 差越大( 即故障点是这种原理最为 越靠近线路某一 优越之处。 端) ，其测量误差 也就越大。 如表3 1 所述，单端行波测距方法只需要一台测距装置，且不需要时间同步和通信 信道，因而投资较小，是一种经济的行波测距方法。单端行波测距算法最大的缺点就是 可靠性和精度较差：故障点反射波易受行波频散、故障位置远近、故障电阻大小以及母 线端行波反射系数大小的影响。来自故障反向的行波浪涌与干扰信号的识别也是单端测 距算法的一个难点，甚至会造成测距失败，此时只能依靠人工波形识别的方法来确定故 障位置。 1 4 3 行波故障测距的发展与基本原理 在线路发生故障后，不管线路的结构、衰减以及畸变如何，到达母线处的第一个行 波波头都是最强烈和最明显的。相对于单端行波测距，双端测距行波传输距离短，波形 畸变小，行波到达测量点时刻的标定更加准确。因此，双端行波测距具有更高的准确性。 另外，双端行波测距只检测行波第一波头，不受故障点折射、反射波以及对端母线反射 波强弱的影响，可靠性方面明显高于单端行波测距原理。双端行波测距方法需要两台测 距装置，且需要时间同步和通信通道，因而投资较大。 单端行波测距装置算法复杂，装置简单，成本低；而双端行波测距装置算法简单， 装置复杂，成本相对较高。本文认为，单端行波测距原理在准确性和可靠性方面均不如 双端行波测距原理，一般来说，单端行波测距方法不宜单独使用，双端行波测距方法可 以单独实现测距，值得推广。 3 2 4 实际应用中的若干问题 ( 1 ) 测距方法的配合使用 双端( d 型) 测距法原理简单、测距可靠、精确度高，但需要安装两台现场装置。单 端测距法只需安装一台装置，投资小，但波形分析较复杂，测距成功率低。在投资允许 的情况下，应优先考虑安装双端测距装置。在安装了双端装置后，装置的单端测距功能 并不多余，而目仍有很大的使用价值，一方面可以通过分析单端故障行波波形，来确认、 校对双端测距结果，也可以利用开关重合闸产生的行波波形来确定金属性短路、断线故 障点的位置。单端测距方法的发展方向是研制自动以及计算机辅助识别故障行波波形计 算故障距离的算法【2 0 1 。 ( 2 ) 电压过零故障 长期以来，人们对行波测距或保护装置存在的疑问之一就是在电压相角过零或接近 零时发生故障，产生的电压、电流行波比较微弱，会造成保护或测距装置失败。实际上， 绝大部分线路故障是绝缘击穿故障，电压过零或接近零故障的概率相当小。即便是出现 这种情况，故障点也呈永久金属性短路性质，利用重合闸脉冲在故障点的反射仍然可以 测出故障距离。 ( 3 ) 雷电波的影响 雷电波波头在几十p s 到数百“s 之间，雷击在线路上产生电流行波，会造成行波测 距装置启动。尽管雷电波从线路故障测距的角度上讲是干扰，但能够记录一条线路遭受 雷击的次数与位置，对于线路防雷研究十分有意义，不应简单地将雷电记录作为“废物 丢掉【2 0 】。如果雷电波引起两端装置启动，可以利用双端测距原理，定位雷击点。从波形 上可以分辨所记录的是故障电流行波还是雷击线路引起的电流行波。雷击线路引起的二 相电流幅值接近，波形同极性，且一般为正极性。雷击造成线路故障时，雷电电流波与 故障点短路电流相混叠，波形复杂，增加了分析单端行波波形确定故障点位置的难度。 1 5 西安科技大学硕士学位论文 线路上出现过电压，造成避雷器放电时，行波测距系统感受到的效果和避雷器安装点出 现短路故障一样，应注意识别。 3 3 小波分析的基本原理 2 0 世纪9 0 年代以来，小波理论及其工程应用逐渐得到各国数学家和工程技术人员 的高度重视。小波分析被认为是对傅里叶分析的重大突破，与短时傅里叶变换相比，小 波变换提供了一个可调的时间一频率窗，当观察高频信号时它的时窗自动变窄，当研究 低频信号时时窗自动变宽，即具有“变焦距”的特点，被广泛的应用于模式识别、信号 检测等众多应用科学领域【2 。小波变换的另一特征就是它能表征信号的奇异性，用信号 在不同尺度上小波变换的模极大值或l i p s c h i t z 指数表示信号的突变特征，是小波变换的 另一个实用领域。小波变换应用于输电线路故障测距的研究，近年来在理论和实际中均 得到广泛的展开，小波分析应用于输电线路故障测距领域是一个新的课题，但已经在这 个领域显示了其优越性和广阔的应用前景。 3 3 1 小波变换的定义【2 2 】 髁y 出蹦足“耕眭 条件q = 咩姒佃删称为一个卦波， 其有如下性质： ( 1 ) 甲( o ) 卜( f ) 础= 0 ，此即意味着函数甲( f ) 具有一定的振荡性，即它包