（电力系统及其自动化专业论文）电力线路故障检测与定位新原理及其信息融合实现研究.pdf

华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 l o c a t i o n s c h e m e b a s e d o n t h e w h o l e g r i d i s d e v e l o p e d . t h e i n t e g r a t e d p r o t o ty p e f o r f a u l t l o c a t i o n h a s b e e n t e s t e d b y d y n a m i c s i m u l a t i o n , h i g h v o l t a g e i m p u l s e e x p e r i m e n t a n d r e a l t i m e d i g it a l s i m u l a t i o n ( r t d s ) . r e s u l t s s h o w t h a t t h e p r o t o ty p e l o c a t e f a u l t s w i t h e r r o r u n d e r 3 0 0 m . n o w t h e p r o t o ty p e w i l l b e a p p l i e d t o t h e c e n t r a l c h i n a p o w e r g r i d . s e v e r a l s c h e m e s f o r f e e d e r f a u lty s e c t i o n d e t e c t i o n i n d i s t r i b u t i o n s y s t e m s a n d t h e i r i n f o r m a t i o n f u s i o n m e t h o d s a r e a l s o p r e s e n t e d i n t h e d i s s e rt a t i o n . i n o r d e r t o c o m p e n s a t e t h e s y s t e m d i s t r i b u t i n g g r o u n d e d c a p a c i t a n c e t h a t o ft e n i n t e r f e r e s w it h g r o u n d f a u l t d e t e c t i o n , a r e s o n a n t m e a s u r e m e n t s c h e m e w i t h i n j e c t i n g s i g n a l i s d e v e l o p e d . t h e s c h e m e d e t e c t s t h e f e e d e r f a u l ty s e c t i o n a n d t h e g e n e r a t o r - s t a t o r - g r o u n d i n g - f a u l t w i t h h i g h p r e c i s i o n . i n a d d i t i o n , t w o o t h e r f a u l t d e t e c t i o n s c h e m e s b a s e d o n n e g a t i v e s e q u e n c e c u r r e n t o r z e r o s e q u e n c e a d m i t t a n c e a r e a l s o d e v e l o p e d t h a t c a n b e i n s t a l l e d i n t h e l o c a l c o n tr o l u n i t o f f e e d e r ( s u c h a s f t u ) . s i m u l a t i o n r e s u l t s s h o w t h a t a l l t h e d e v e l o p e d s c h e m e s a r e p r e c i s e 小电流接地系 统接 地故障线段的检测长期以来制约我国配电自 动化技术的发展.本章将就目 前输电线路故障定位 技术及小电流接地系 统接地故障 检测的研究现状和发展动向进行了 综述性的讨论;并对信.忽 融 合技术进行了 入门介绍;最后简述本文的主要工作及章节安排。 1 . 1 引言 电力线路分为高压输电线路和中低压配电线路。 超高压输电线路输送距离长. 暴露在旷野，且多为山 区丘陵地形，是高压输电网中故障发 生率最高的地方。输电线路故障对系统的安全运行构成较大威胁， 也给线路运行维护人员带来 了繁重的查找故障点的负担。故障点的快速、准确定位，可以大大缩短故障修复的时间，减少 因停电 造成的损失，提高系统运行的可靠性，具有重大的社会和经济效益。输电线路故障定位 研究长期以来受到人们的重视，国内外提出了许多故障定位算法，也研制出不少故障定位装置 m 。 大多 数故障定 位算法荃于简化线路模型的 数值求解， 理论上具 有较高的定位精度。 但受系 统 运行方式的变化、线路参数的变化、t a和 c v t传变特性的误差、故障过渡电阻的变化等一些 不确定因素的影响及装置本身的缺陷，输电线路故障定位装置一直难以满足现场运行的要求 1 2 1 1 3 1 中压配电线路分布广，绝缘水平低，易发生接地故障。我国配电网一般采用中性点非有效 接地方式 ( 通常称为i n e ff e c t iv e ly g r o u n d e d s y s t e m非有效 接地系统， 也 称为小电 流 接地系统 ) ， 能 够自 动 熄弧、 限 制 故障 残 流， 在 一 定 程度 上 提高用 户 供电 可 靠 性14 15 1 。 但非 有 效接 地电 网， 接 地 故障残流小， 故障检测困 难。 随配电自 动化改 造的 开展， 接地故障 检测的 实现显得尤为 重要14 1-7 1 单相接地故障占配电网故障的 8 0 %以上， 接地故障线段自 动隔离是馈线自 动化的一个主要功 能，缺少接地故障检测功能的配电自 动化不是真正意义上的配电自 动化。目 前，国内外研制的 小电流接地故障选线装置灵敏度低，一般需集中比较变电站所有出线的零序电流大小或方向， 不易在现场控制单元 ( 如f t u ) 上安装， 难以 满足配电自 动化对接地故障线段自 动隔离的要求。 在9 8 年中国电机工程学会配电自 动化专委会学术讨论中己 经肯定了小电 流接地系统单相接地故 障检测是我国实现配电自 动化的一个难题，呼吁进行小电流接地系统接地故障检测的攻关研究 18 1 。 我国 发电机变压器组一般采用中 性点不接地、 高阻接地、 消弧线圈接地等几种接地方式， 也 属于小电流接地系统。发电机定子单相接地故障也是发电 机最常见的一种故障，由于接地故障 电流小 ( 尤其中性点附近发生高阻接地故障)，故障检测更为困难。对于大型水轮发电机，定 子绕组对地电容大，定子接地保护灵敏度低。目 前随着我国一批大型水电站的建设，要求对定 子接地保护进行进一步研究， 提高保护灵敏度，以 满足水轮发电 机安全运行的要求1 9 )- 1 4 1 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 1 . 2 输电线路故障定位概述 1 . 2 . 1墓于故障称态f的基波故障定位方法1 5 1-16 6 1 基于故障稳态量的故障定位方法的基本思路是:利用线路端部测量到的故障电压、电 流量 及系统和线路参数，基于基本方程:长线传输方程、基尔霍夫定律的电压电流方程、欧姆定律 的电 压电 流方程等， 求解故障距离。在求解过程中， 至少存在两个未知数:故障过渡电阻和故 障距离l 。如果知道线路及系统的参数， 并能够测量线路一端或两端的电压、电流值，只要建立 两个电压或电流方程，就可以求出故障距离。 由于单端或双端测量到的电压、电流信息是冗余的、相互关联的，因此只要利用其中部分 信息就可以 建立两个电压或电 流方程， 进行故障定位。 利用不同的 信息， 采用不同的数学处理 方法，就可得到不同的故障定位方法。同理基于不同精度的线路参数模型，也得到不同复杂程 度的求解方法。故障定位的方法很多， 求解的难易、收敛速度、鲁棒性一般不一样。国内 外在 故障定位的长期研究过程中， 寻找到一些易于求解、易于收敛， 鲁棒性好的故障定位方法。 1 ) 单端故降定 位1 1 5 1- 13 5 1 单端故障定位算法仅采用输电 线路一端的电压、 电流量进行故障定位， 不需要远程传输对侧 数据， 所需硬件设备费用少，易于在故障录波装置中实现，因此得到了相当多的应用，目 前国 内 运行的线路故障定位装置大多基于该原理设计。 早期的故障定位方法建立在假设对侧助增电流与本侧的故障电 流同相位的基础之上， 提出故 障定 位的近似算法11 5 11 16 1 。 后来， 详细考虑对侧助增电 流的影响， 提出了故障定位的 精确算法 i 1 8 1 . 9 0 年代， 文 献 1 9 一 2 2 l 于向 量 关 系， 提出 包 含 故障 距 离的 一元 二次 方程， 推导了 故障 距离的直接计算公式，大大简化故障定位算法。 这种方法很好的处理了 接地故障时对侧助增电 流的影响， 只要给出 对端电源的等值阻抗，即可求得故障距离的精确解。对于故障几率相对较 高的 接地故障， 该方法仅利用不受负荷变化影响的零序阻抗进行故障定位， 稳定性较好。 最近， 文献 2 3 1 提出了 仅利用单侧信息的 解一阶 方程故障定 位方法。 具体做法是利用了 故障点的 边界 条 件，消除故障点电压 ( 过渡电阻)的影响，导出由零序电流 ( 或负序电流)与故障相的故障电 流变化量及线路和两侧系统的正序、负序、零序阻抗计算故障点距离的方程。该方法需要利用 的系统参数多，计算结果对参数变化敏感，现场实现难度较大， 但该方法直接求出故障距离， 不存在真根、伪根的判别问题。 单端定位法一般基于集中参数模型计算， 对于 长距离输电线路， 分布电 容的影响较大， 采用 集中 参数模型存在较大的模型误差，影响定位精度。 另外基于单端信息的定位研究原理上无法 克服对端系统运行阻抗的变化对定位精度的影响。最近几年，随计算机技术、通讯技术、信息 处理技术的发展，逐步采用两端电 气量进行精确故障定位， 可从原理上消除对侧系统阻抗变化 的影响。 2 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 一巴 竺 竺 巴 竺 竺 竺 巴 竺 竺 竺 竺 竺 竺 竺 2 ) 双端故障定位 双端故障定位利用两侧的故障信息进行故障定位，比单端定位所测量的电 压、电流信息多 一倍，从原理上可以消除过渡电阻、系统阻抗等因素的影响，故障定位精度高。但双端测量的 信息中， 很多是相关的，冗余的。利用不同的故障信息， 采用不同的数学处理方法， 可以得到 很多不一样的故障定位算法。 双端故障定位方程一般建立在: ( a ) 由两端电压、 电流推算到故障点的电 压相等， 或 必 )由 两端电压、电流推算到故障点的电压、电流，计算的故障点过渡电抗为零 ( 即故障点消耗的无 功功率为零)。 利用双端故障信息进行故障定位的方法很多，一般按是否要求同步采样测量分为两类: l . 基于同步采样测量的定位方法。 早期远距离输电线路两端同步测量困 难， 一般采用故障前数据计算两端相位差， 进而测量同 步 误差， 把不同 步 采样的数据进行同 步化处 理。 文献3 6 将两端数据同 步化处理， 利用分布参数 模型求解 故障距离。 文献 3 7 通过 迭代求解相位差， 进而求得故障 距离。 文献 3 8 通过消除 相位 差， 由 序等效网络建立一元二次方程， 求解故障距离。 文献 3 9 直接采用故障后的数据求解两端 测量相位差，直接计算故障位置，无需解一元二次方程。 后来随g p s 同步时钟的广泛应用， 远距离同步测量己 得到解决，但需要增加额外的有关同 步 测量的 硬件设备。 文献 4 0 基于分相差动保护己 具备的同 步测量功能， 利用近端电 压电 流和 远 端电 流工 频量 进行故障定位。 文献 4 l - 4 4 利 用两 端电 压电 流的g p s同 步采样值构 造的 微分 方程进行故障定位。解微分方程故障定位方法受采样值 ( 暂态信号)的干扰影响大， 且一般基 于 集中 参数的 线路模型求解，没有考虑分布电容的影响，不易用于长线故障定位。 z 、不需两端数据采样同 步或采样同步化处理的 故障定位方法。 在算法中消除两端不同步测量的影响，从而无需进行故障定位同步化处理。 文献 4 6 1 - 5 3 采用序分量法，由 线路两端计算故障点的电 压，由 模值相等推导故障点的距离表达式。 该方法 不需 双端同 步mr， 相对来说 更易于实 现。 文献 5 5 1 采用了r l c全分布线路，由 两 端推得的电 压模量相等，建立复数方程， 通过复数方程的求解计算故障点位置，求解过程较为复杂。 文献 5 6 5 7 则建立了 故 障距离的 一元二次方 程， 进行故障 定位。 但文献【 5 6 采用集中 参数线路模型， 文献 5 7 考虑分布电 容的 影响。 文献 5 8 需要解方程 组， 求解过程相对困 难， 装置实 现较为困 难。 近来，一些 科研工作者对以 上方法 进行整理， 提出 序电 压分 布法5 9 60 ， 根 据线路故 障时电 压在线路上有特定的分布特性，在故障点处电 压具有极值的特点进行故障定位。为简化计算， 具体实现为:分别利用线路一端测量的电压、电流信号推算整个线路电压的分布，由两端推算 的线路电 压模值相等的一点即为故障点。序电 压分布法，原理非常简单，定位约束条件少， 不 受系统运行方式和故障类型的影响，装笙易于实现，因而具有广泛的适用性。 文献 6 1 建立在 分布 参数线路模型 上， 利用幅值比 较和 搜索法 计算故障 距离， 模型 相对较为复 杂。 文 献 5 9 提出 一种基于i i 形模型的故障定位方法， 通过建立电 气参数的迭代方程从输电线路一端的电 气量求 出线路全程的电 气量分布，从原理上避开了故障边界条件以 及故障前的运行工况的影响，计算 简单，易于收敛， 但是故障定位精度直接受迭代步长的影响，减小迭代步长将导致计算量的大 幅增加。 一 一， 一一一. 一一， 一一一. 一 3 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 上述故障定位方法在一定线路模型下，仿真侧试，精度很高;但现场运行受系统参数的变 化， 电 流电压测量误差等因素的影响，定 位精度和可靠性难以 保证。 最近文献 2 比 较了 几种故 障定位方法，讨论线路参数变化等因素对故障定位精度的影响， 提出故障定位的鲁棒性问 题， 并 提出鲁棒性好的分式型工频双端定位新算法，形式上该方法与本课题组提出的序电 压分布改 进算 法6 0 1有所差别， 实质上二者是一 致的。 文献 3 针对线路参数 变化对故 降定位精度的 影响， 提出实时测量线路参数的方法。该方法取变化的线路长度为固定的杆塔间的水平距离，而把所 有影响线路参数变化的因素当作一个整体， 全部归 算为参数的变化; 根据每天2 4 小时系统负荷 的变化，建立输电 线路分布参数方程组，在线求解输电 线路分布参数大小。 3 ) 常规定 位存在的问 几 上述方法在特定的线路模型上分析， 具有较高的定位精度， e m t p仿真结果表明:定位误 差都在线路全长 1 %的范围内。但在现场运行中或多或少存在下列问题: ( 1 ) 线路模型的 误差 采用集中参数模型，忽略分布电容的影响带来的误差: 线路参数的不对称产生的误差。 ( 2 )电压、电流互感器的传变特性的影响 超高压线路电 容式电压互感器的暂态响应特性差， 保护级电 流互感器的测量精度低。 ( 3 ) 受线路参数及系统参数的影响 线路参致随气候、运行年限，受污染程度等因素有一定的变化，一年内最大变化范围 可达 1 0 % .系统参数随系统运行方式变化， 整定困难。 ( 4 ) 故障暂态谐波影响测量精度 基于故障稳态量的故障定位方法， 一般采用故障后第二周波数据计算，故障数据中 含有一 定的暂态谐波分量， 把工频里从故障暂态信号中滤波出来， 精度会受到一定的影响。 ( 5 ) 弧光接地故障接地电阻的变化。 弧光接地，过渡电阻非线形，存在大量的暂态信号，故障定位精度受到影响。 比较以上故障定位方法，本文选择易于实现、鲁棒性好的单端解方程故障定位方法，双端 负序电 压分布定位算法，并将对这两种方法进行改进， 进一步提高故障定位适应现场运行的能 力，并应用于输电线路故障综合定位装置。 1 .2 .2 基于行奋行波的故降定位方树6 7 -19 2 1 1 ) 羞本原理川 行波法是根据行波理论实现的定位方法。 当输电线路发生故障时， 由故障点产生的行波以 接 近光速的速度传向在整个电力系统，在传输过程中，在母线、设备等阻抗不连续的地方发生反 射与折射，根据行波传输的时间计算故障距离。行波定位由于受过渡电阻的影响小，可以达到 较高的定位精度。行波定位装置可分为a . b . c . d型四种， 其中应用较为广泛的是a型和d 型两种。 a型定位装置利用故障点产生的行波， 传输到测量点 ( 测量行波第一次到达时刻) ，由 测量 点母线反射的行波传向故障点，又在故障点发生反射，重新传向 测量点 ( 测量行波第二次到达 时刻)，根据测量点到故障点往返一次的时间和行波波速确定故障点距离。这种定位装置比较 ， 一-一一 一一一一一 一一一一一一-一 一 - 一一一 a 、一 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 一一一一一竺 简 单 ， 只 在 线 路 一 端 装 设 ， 不 要 求 和 线 路 对 端 进 行 通 信 联 系 。 但 因 受 到 其 它 波 阻 抗 不 连 续 地 方 产 生 的 反 射 、 折 射 行 波 的 干 扰 ， 第 二 次 行 波 波 头 判 定 困 难 ， 现 场 实 现 较 为 困 难 如 : 运 行 于 葛 洲 坝 到 上 海 的 直 流 输 电 线 路 ， 行 波 定 位 装 置 频 繁 误 动179 1 d 型 定 位 装 置 利 用 故 障 点 产 生 的 行 波 到 达 线 路 两 端 的 时 间 差 进 行 故 障 定 位 ， 该 方 法 需 要 借 助 通 信 来 实 现 。 由 于 这 种 定 位 装 置 利 用 的 是 故 障 点 产 生 行 波 第 一 次 到 达 线 路 两 端 的 信 息 ， 不 受 故 障 点 透 射 波 的 影 响 ， 较 易 测 量 。 d 型 故 障 定 位 装 置 要 求 两 端 时 间 同 步 ， 近 年 来 ， 由 于g p s 全 球 定 位 系 统 等 高 新 技 术 在 电 力 系 统 中 的 推 广 应 用 ， 同 步 问 题 得 到 了 解 决 。 目 前 研 究 的 重 点 则 转 移 到 如 何 更 准 确 地 检 测 初 始 行 波 波 头 17 1 卜 18 0 1 2 ) 应用研究 由 于 行 波 定 位 模 型 简 单 ， 不 受 系 统 运 行 参 数 、 故 障 过 渡 电 阻 的 影 响 ， 定 位 精 度 高 ， 倍 受 国 内外关注。 早 期 ， 国 内 采 用 单 端 电 流 行 波 进 行 故 障 定 位 ， 并 研 制 了 行 波 定 位 装 置 17 11随 小 波 分 析 研 究 的 发 展 ， 为 了 提 高 对 行 波 波 头 的 识 别 能 力 ， 提 出 了 小 波 分 析 提 取 行 波 波 头 173 卜 179 1后 来 随g p s 同 步 时 钟 的 应 用 推 广 ， 提 出 了 g p s 同 步 的 双 端 故 障 定 位 方 法 。 近 几 年 ， 对 不 同 频 率 行 波 在 输 电 线 路 上 传 输 速 度的 不 同 进 行 研 究 ， 提 出 行 波 传 输 的 色 散 特 性 ， 并 采 用 小 波 分 析 提 取 行 波 波 头 一 定 频 率 的 分 量 ， 利 用 一 定 频 率 的 行 波 波 头 的 传 输 时 间 与 其 对 应 的 波 速 进 行 故 障 定 位 179 118 0 1但 没 有 提出 如 何 选 取 用 于 故 障 定 位的 具 体 行 波 频 带 及 与 该 频 带 相 对 应 的 行 波 波 速 的 测 量 方 法 国 外 加 拿 大 采 用电 压 行 波 定 位 方 式， 利 用 硬 件 波 形 辨 识电 路 辨 别 行 波 波 头 在b .c h y d r o的 5 0 0 k v输 电 网1 4 个 变 电 站 安 装 ， 每 个 变 电 站 只 需 安 装 一 套 行 波 定 位 装 置 ， 就 能 准 确 检 测5 3 0 0 公 里 线 路 上 的 各 种 故 障 。 运 行 经 验 表 明 定 位 精 度 己 达 到 或 超 过 土 3 0 0 m 1 1 0 另 外国 内 外 成 功 运 行的 雷 电 定 位系 统， 这 种 系 统 在 多 个 观 测 站 测 量 雷 电 所 产 生 的 空 间 电 磁 波 到 达 的 时 间 差， 计 算 出 雷 击 发 生 的 地 点 。 我 国 现 有 的 这 种 雷 电 定 位 系 统 的 定 位 精 度 最 高 的 可 达1 - 2 公 里。 因 为 这 种 系 统凭 借 雷电 产 生 的 空 间 电 磁 波 作 判 断， 因 此 信号 强 度 的 测 定 受 地 形 和 近 区 环 境 的 影 响 较 大， 且 只 能 测 量 线 路 的 雷 击 闪 络， 不 能 定 位 非 雷 击 故 障 采 用 波 形比 较 判 断 启 动 ， 启 动 灵 敏 度 高 ， 并 易 受 噪 音 千 扰 ， 经 常 误 启 动 . 有 些 年 启 动 达1 万 次 以 上 19 3 卜 19 9 几 3 ) 行波定位存在的问 题 行 波 定 位 早 在 五、 六 十 年 代 提出 ， 但 现 在 仍 很 少 现 场 应 用。 主 要 存 在以 下问 题: ( i ) 开 关 操 作 、 感 应 雷 等 干 扰 都 会 产 生 行 波 信 号 ， 如 何 可 靠 的 获 取 和 识 别 故 障 行 波 波 头 ? ( 2 ) 电 容 式 电 压 传 感 器c v t 满 足 不 了 行 波 测 量 的 要 求 h ” 卜 11 ” 如 何 测 量 电 压 行 波 ? ( 3 ) 采 用 软 件( 如 小 波 变 换 ) 查 找 行 波 波 头 ， 数 据 采 集 的 精 度 和 频 率 决 定 故 障 定 位 精 度 11 151- 112 41 如何实现海量存储的同 步高 速采 集系 统? ( 4 ) d 型 装 置 中 通 常 采 用g p s 同 步 时 钟 信 号 ito o 1-0 0 6 1如 何 消 除g p s 短 时 失 步 、 卫 星 信 号 调 整 天线干扰等的影响? ( 5 ) 受 数 据 采 集 频 率 的 影 响 ， 近 区 故 障 定 位 困 难 川 ， 如 何 消 除 近 区 故 障 的 定 位 死 区 ? ( 6 ) 故 障 前 后 电 压 行 波 突 变 平 缓 的 故 障 ， 行 波 波 头 查 找 困 难 19 11， 如 何 消 除 电 压 过 零 时 刻 发 生 的 故障的定位死区? ( 7 ) 行 波 定 位 需 要 实 际 线 路 长 度 及 行 波 波 速 ， 长 度 随 气 候 变 化 ， 波 速 与 行 波 频 率 有 关 17 9 118 0 ) 些 一 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 一 = 竺=竺=竺=巴巴=巴= 竺 何 准 确测 量线 路的 实际 长 度 及不同 频 率 的 行 波波 速? 本 文 将 就以 上 几 个问 题 进 行 研究， 采 用 小 波 包 分 析， 研 制多 尺 度 信 息 融 合 的 电 流 行 波 故 障 定 位 方 法 : 研 制 专 用的 行 波 传 感 器， 实 现 基 于 整 个 输电 网 的 电 压 行 波 故 障 定 位 县 1 .3 小电 流接地系统接地故障植侧方法棍述 小电流接地系统接地故障检测的研究长期以来是国内外关注的一直尚未解决的一大难题。 国内科研院所、继电 保护制造厂家先后提出零序电流大小、零序功率方向、注入信号法、零序r 暂态电 流、 暂态能 量、小波分 析、人工智能等故障选线方法i 1- 6 1 。国 外 ( 如 俄罗斯、 法国、德 国、 丹麦等) 专门成立研究小 组，进行小电 流接地系统接地保护的研究，并就此课题撰写了 相 关博士论文1 1 5 5 1 6 3 1 西方国家中的大部分国家( 如美国，日 本等) 的配电网一般采用中性点低阻接地方式或直接 接地方式， 接地故障检测方便。 而欧洲( 德国、 法国、 芬兰等) 部分配电网采用中 性点经高阻或经 消弧线圈并联电阻接地方式，中性点接地电阻的接入， 增大了故障接地残流，有利于接地故障 检 测 4 16 3 1 。 我国 配电 网 普 遍采用中 性点 不 接 地或 经 消 弧线圈 直 接接 地方 式， 接地 故障 残流小， 故障残 流方向随 补偿度变化， 接地故障 检铡最为困难 15 6 1 .3 .1小电流接地系统接地故障枪侧方法1 14 9 1- 11 6 8 1 接地故障检测通常采用零序状态量进行判断，如:零序电 压、零序电 流、零序功率方向、 零序暂态能量、注入信号测量零序信号电流等。最近随着人工智能技术的发展，先后提出了 基 于知识推理及小波分析的故障线路检测方法。 1 ) 零序电 流大小和方向的 接地故障 位洲方法 .基波零序电 流大小14 一 16 适合在中性点不接地电网中应用。 但当配电网出 线较少且对地电容大小相差悬殊时， 电 容电 流较大的馈线继电 器整定困难。 2 . 零序谐波 ( 一般选五次谐波)电流方向 1 1 6 1 1 适用于 消弧线圈 接地方式。 但五次 谐波信号一般比 较小， 不会超过零序电 流的百 分之三 5 116 1 精确的测量比较困 难，考虑谐波污染的影响 ( 如带可控硅负载)，现场运行精度有限。 3 . 零 序暂态电 流1 16 1 1 故障暂态高频变化过程中，消弧线圈感抗大，可以忽略，相当于中性点不接地系统，可以 采用暂态电流的流向进行接地故障检测。这种方法对于电压过零瞬间故障，检测困难:且易受 系统冲击负荷、可控硅负载等产生的谐波的影响。 2 ) .序能f大小和方向 的 接地故障 位洲方法 . 零序功率方向14 1- 16 1 适合在中性点不接地电网中应用， 性能优于零序电流大小故障选线方法。 一般在继电器中把 二者联合起来进行故障选线。由于弧光接地故障中电弧熄灭后，零序回路存在强烈的衰减振荡 - . 一一一-一一一一一- 6 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 一=巴巴巴=巴巴竺竺三竺竺竺 过程，影响零序电流大小和方向的准确测量，接地故障检测困难。 2 、比 较零序有功电 流分量1 1 6 3 1 故障线路的零序有功电流等于非故障线路零序有功电 流与消弧线圈零序有功电流之和， 且二 者方向相反。采用零序有功电 流大小和方向进行接地故障检测。国外为了 增大故障有功电流， 在消弧线圈上并联一高阻，以提高检测灵敏度。 3 、 故障相有功电 流变化量1 1 6 2 比 较故障相电流的有功电 流变化量， 最大者为故障线路。由于金属性接地或高阻接地故障 时，故障点损耗的有功电流小，选线精度低。 4 、能it法故障线路检测 1 5 8 1 根据故障后零序能量的大小和流向进行接地故障检测， 适合弧光接地故障、 消弧线圈 接地系 统故障的检测。但在高阻接地故障中，非故障相电容充电能量小，故障检测灵敏度有限。 3 ) 注入摘号 服路法故障的路位侧17 111 59 1 注入零序谐波信号大部分由故障点流入大地，比 较各条出 线的信号电流， 最大者则为故障 线路。当高阻接地故障时，可能相对于 注入信号频率非故障线路的对地容抗小于过渡电 阻，导 致非故障线路的零序电流反而大于故障线路的零序电 流，接地故障检测失败。对于弧光接地故 障时，故障产生谐波信号， 干扰注入频率信号的测煲，影响故障检测精度。 4 ) 荃于断型救学工其的故阵晚路植洲方法 1 、 采用p r o n y算法1 6 7 111 6 8 1 把故障暂态过程看成一些衰减正弦分a之和， 利用p r o n y算法计算各分it的频率、阻尼、 幅值和相位等参数， 进行故障线路检测。 p r o n y算法计算复杂， 满足不了实时计算要求， 且 对 噪音敏感，鲁棒性差，实际很小应用。 2 、小波分析法 1 6 9 1- 1 1 7 1 1 利用小波分析提取故降发生后一定频带范围内的零序电压及零序电流的复合波形， 根据它们 之间的大小和方向 关系进行故障检测。小波分析适合弧光接地故障的分析， 但对电压过零故障 检测不便， 且对硬件要求高， 技术上还不成熟。 3 、 人i智能方法1 1 7 2 1 7 3 1 随人工智能技术的发展和成熟， 科研工作者开始把人工神经网络方法、 基于知识推理的方法 应用于配电线路接地故障检测，已 进行了有关理论探讨，但离实际应用还相差甚远。 以 上故障线路检测方法，金属性接地故障试验时，都能准确动作。 但实际运行中， 准确度 不高。一个主要原因是接地故障过渡电阻造成接地残流小 并受系统谐波的干扰， 检测困难。 据法国调查:1 2 %的故障接地电阻大于4 k q，如此大的接地电 阻， 传统接地保护很能正确动作 1 1 6 3 1 .3 .2 配电自 动化中接地故降找段隔 离的实现1 17 4 1- 1 8 2 1 目 前， 配电自 动化改造正席卷全球。西方国家 ( 如美国等) 配电网中性点采用直接接地或 经小电阻接地，单相接地故障电流大，容易通过过流保护或零序功率方向保护进行接地故障检 测， 转移负 荷， 隔 离故障线段， 实 现馈线自 动化17 5 1 。 另外， 法国 等欧洲国 家配电网 采用中 性点 - 一- -一. 一一一一-一 7 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 一一一一一 经 高 阻 或 消 弧 线 圈 并 联 电 阻 ， 保 证 了 一 定 接 的 故 障 残 流 以 满 足 接 地 保 护 继 电 器 的 正 确 动 作 116 3 1 我 国 也 正 在 进 行 配 电 自 动 化 改 造 。 但 由 于 我 国 配 电 网 普 遍 采 用 中 性 点 不 接 地 或 经 消 弧 线 圈 接 地 方 式 ， 接 地 故 障 残 流 小 故 障 检 测 困 难 。 因 此 在 我 国 目 前 进 行 的 配 电 自 动 化 改 造 电 一 般 还 没 有 实 现 单 相 接 地 故 障自 动 隔 离 功 能 。 实 际 上 ， 单 相 接 地 故 障 占 配 电 网 故 障 的8 0 % 以 上 ， 缺 少 接 地 故 障 检 测 功 能 的 配电自 动 化 难以 成 为 完 整的 配 电自 动 化。 国 内 外 在 实 现 馈 线自 动 化 的 改 造 中 ， 一 般 需 要 把 线 路 分 段 ， 各 段 之 间 由 分 段 器 连 接 。 一 般 分 段 器( 相 当 于 负 荷 开 关 加 控 制 设 备 ) 具 有 简 单 的 灭 弧 装 置 ， 可 以 接 通 或 断 开 负 荷 电 流 ， 但 不 能 断 开 故 障 电 流 。 一 般 故 障 电 流 由 线 路 出 口 处 安 装 的 重 合 器( 相 当 于 断 路 器 加 控 制 设 备 ) 切 断 ， 故 障 线 段 由 分 段 器 隔 离 ， 隔 离 方 式 有 两 种 1174 权 1 、无通讯结构 这 是 早 期 的 一 种 控 制 方 式 ， 分 段 器 不 能 与 配电自 动 化 主 站 通 讯 按 控 制 方 式 可 分 为 : ( a ) 电 流 控 制 型 ， 靠 分 段 器 纪 录 的 故 障 电 流 次 数 来 确 定 故 障 线 段 ; 归 ) 电 压 控 制 型 ， 靠 分 段 器 计 录 开 关 的 通 电 和 断 电 之 间 的 时 间 差 来 确 定 故 障 线 段。 这 两 种 方 式 都 需 要 重 合 器 反 复 动 作， 才 能 判 定 故 障 线 段 。 对 用 户 产 生 多 次 来 电 、 停 电 冲 击 : 对 开 关 ， 通 过 多 次 故 障 电 流 ， 并 多 次 合 闸 、 分 闸 ， 影响开关寿命。目 前使用较少。 2 、有通讯结构 采 用 远 方 通 信 通 道， 具 有 数 据 采 集 和 远 方 控 制 功 能 。由 安 装 在 分 段 器的 现 场 终 端 单 元f t u ( f ie ld t e r m in a l u n it ) 检 测 是 否 有 故 障 电 流 流 过 该 分 段 器 ， 并 把 该 信 息 传 给 配 电 自 动 化 主 站 ， 由 主站判断和隔离故障线段。 实 际 上 ， 在 我 国 运 行 的 小 电 流 接 地 系 统 中 ， 接 地 故 障 残 流 小 ， 可以 直 接 采 用 分 段 器 进 行 故 障 线 段 隔 离 。 由 故 障 选 线 装 里 判 断 故 障 线 路 ， 比 较 通 过 故 障 线 路 沿 线f t u 的 故 障 电 流( 如 零 序 电 流) ， 判 断 并 隔 离 故 障 线 段。 但目 前国 内 运 行 的 小 电 流 接 地系 统 故 障 选 线 装 置， 可 靠 性 不 高 : 且 一 般 需 要比 较 各出 线 的 零 序电 流大 小 或 方向 ， 使 得 仪 器 接 线 复 杂。 如 要 求 判 断 是 否 有 故 障 电 流 流 过 分 段 器， 一 般 需 要 测 量 整 个配电 网 所 有 分 段 器 的 零 序电 流 ， 并 进行比 较 后， 才 能 确 定 ， 这需要强有力的通信支持，实现困难。 1 .3 .3 发电 机定子接地故阵植月方法11 9 h 1 4 111 8 3 h 9 1 1 发电 机定子接地保护主要包括两大类: 双频式零序电 压型定子接地保护和外加电源式定子接 地保护。 国内对双频式零序电压型定子接地保护研究得较多， 开发的微机式自 适应三次谐波定子接地 保 护具 有 一 定的 保 护功 能， 能 够满 足大 多 数 发电 机的 要 求 1 1 9 卜 ( 14 1 。 但 对于 大型 水 轮发电 机组， 定 子对 地电 容大 ( 可达6 13 f . 5 0 h z 容抗5 3 1 5 2 ) ， 而中 性点 接地阻抗不大，( 如 接地电阻5 0 0 。 左右 或消弧线圈电 抗5 5 0 5 2 左右)， 在中性点附 近发生高阻接地故障 ( 如8 k .0 )， 相当于 ( 8 k o) 故 障电阻与 ( 5 0 0 5 2 ) 接地电阻的并联， 对工频零序电 压、 三次谐波零序电压影响很小， 检测困难， 难以 满足 大型 水轮发电 机组定 子高阻接地保护的 要求 1 8 9 1 对于外加电 源式定子接地保护，国内 应用相对较少。主要有采用注入信号跟踪测量的方法， 比较注入信号的电压和电流大小，测量发电机定子回路的零序阻抗、零序导纳、注入信号的能 _ _ 一一一. 一 一一一-一_ g 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 一竺 巴 竺 竺 竺 巴 竺 巴 巴 竺 = 竺 竺 竺 = 量 损 耗 等 方 法， 保 护 原 理 不 受 故 障 点 位 置 的 影 响 。 但 注 入 恒定 频 率 的 低 频 或 高 频 信 号( 1 2 .s h z . 2 0 h z , 1 0 0 h z 等) ， 同 样 受 发 电 机 定 子 绕 组 对 地电 容 的 影 响 。 发电 机 高 阻 接 地 故 障 时 ， 相 对 于 注 入 信 号 频 率 ， 定 子 绕 组 对 地 容 抗 小 于 故 障 接 地 电 阻 ， 注 入 信 号 大 部 分 通 过 定 子 绕 组 对 地电 容 流 回 ， 只 有 很 小 一 部 分 通 过 故 障 电 阻 流 回 。 因 此 高 阻 接 地 故 障 时 ， 信 号 电 流 、 电 压 及 测 量 阻 抗 变 化 都 较小 ， 受 传 感 器 等因 素 的 影 响、 检 测困 难， 仍 然 满 足 不了 大 型 发电 机 定 子 高 阻 接 地 保 护 的要求。 为 满足世界最大的水 轮发电 机 ( 如7 0 m w的 三峡发电 机) 定子接地保护的 要求，必 须研制 新的发电 机定子 接地保护原理和方法， 并 采取合适的 手段以 提高 接地故降检测灵 敏度。 1 .4 信息融合技术概述11 9 2 1- 12 3 3 1 解决上述有关输电线路故障定位及小电流接地系统接地故障检测问题， 需要综合利用故障信 息， 进行信息处理求解。近年来，随信息技术的发展和成熟，形成各种各样的信息处理方法， 各种方法有各自 的 应用范围， 信息融合技术是其中在工业控制领域应用较好， 有代表性的一种。 1 .4 .1信息胜合技术的定义 学术界对信息及信息融合的定义不一， 英国牛津辞典给信息下了 一个定义:通过各种方式 可以 被传递、 传播、 传达、感受的，以 声音、图像、文件所表征，并与某些特定的事实主题或 事件相联系的消 息、 情报、 知识都 可以 泛 称为信息 1 19 2 1 由定义可知任何一事物的任一属性的表征都表示为信息，任何一事物都含有丰富的信息， 对事物的感知，一般只是对事物某一特定信息的测量。因此反映事物的信息具有多样性和不确 定性， 测量同一事物时，可以 从不同的 侧面反映不同的信息。在测量事物时，一方面一个传感 器可以反映事物的一种或多种信息，甚至反映多种信息组合后生成的信息。如果测量同一事物 的不同传感器反映的信息可能有部分或全部重登，表现出 信息的冗余性;如果测量同一事物的 不同传感器反映的是不同信息，则表现出 信息的互补性。另一方面由于传感器本身误差、测量 的误差等其它因素的影响，导致不同传感器测量事物的同一信息互相矛盾，表现出信息的冲突 性。对测量同一事物的多传感器的测量结果互补配合、统一分析、检验其一致性、消除信息冲 突，达到正确反映事物完整的特性，并建立在对事物准确认识的基础上进行决策和控制，这些 都是多传感器信息融合技术研究的内容. 同 样，在信息处理的过程中对同一个或多个传感器测量的信息采用不同的处理方法，可以 得到不同的特征的信息。 信息融合技术是指充分利用多个传感器的特性.采用各种信息处理方法，对多个传感器检 测到的信息进行分类和集成，提取对象的有效信息，以形成对某一被测对象信息的全面和完整 的描述。信息融合系统是对人脑综合处理复杂问题的一种较全面的高水平的模仿，而所有单个 传感 器的单一信号处理是对人 脑处理问 题的 一种低水平的 模仿“ 9 4 1- 1 9 6 1 一-. 一- 一-一一一- 一一一-一 一 . - 9 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 二竺竺=竺竺=巴=巴竺=巴竺 1 .4 . 2信 息 磁 合 处 理 方 法 11 9 4 h 2 0 1 多 传 感 器 系 统 中 ， 各 传 感 器 所 提 供 的 信 息 都 具 有 一 定 程 度 的 不 确 定 性 ， 对 这 些 不 确 定 信 息 的 融 合 过 程 实 质 上 是 一 个 不 确 定 的 推 理 过 程 。 信 息 融 合 的 方 法 很 多 ， 依 据 推 理 方 法 不 同 ， 多 传 感 器 信 息 融 合 方 法 主 要 有 贝 叶 斯 估 计 、 卡 尔 曼 滤 波 、 d - s 证 据 推 理 、 模 糊 推 理 和 神 经 网 络 技 术 等方法。 信 息 融 合 是 基 于 某 种 框 架 或 方 法 对 已 获 取 的 信 息 群 进 行 去 噪 、 提 纯 、 综 合 、 加 工 以 期 获 得 其 特 征 信 息 的 过 程 。 对 于 一 个 不 同 系 统 ， 输 入 信 息 的 不 一 致 ， 信 息 处 理 框 架 或 方 法 也 不 尽 相 同 。 因 此 应 根 据 具 体 系 统 特性， 选 取 不 同 的 信 息 融 合 方 法。 1 . 4 .3 信息幽合技术的应用 1 . 信息胜合技术的 成功应用11 9 4 )- 12 1 6 ) 信息融合技术官2 0 世纪7 0 年代提出以来，不断发展完善， 越来越成为 信息处理领域的有 力工具， 许多国家纷纷将其列入科研墓金资助的重点项目。 美国 早在 1 9 8 4 年就成立了信息融合 专家组，指导、组织并协调有关这一国防关键技术的系统性研究。由于信息融合的早期研究大 多着重于 增强计算机能力和有效组合数据 ( 信息)的具体方法，并且这些研究主要基于军事应 用背景，所以很长时间内其技术一直是处于封闭状态。 随着研究的深入和应用领域的扩大， 信 息融合技术才被逐渐被公开， 现在已 成功应用于 众多研究领域。 我国自8 0 年代末以 来， 也掀起 了 研究信息融合技术的热潮。信息融合技术在导航、自 动目 标识别、多目 标跟踪、机器人、图 像处理等领域中 有着广泛