（电力系统及其自动化专业论文）高压输电线行波测距的研究及实现.pdf

武汉大学硕士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t p o w e rt r a n s m i s s i o nl i n e sa r et h ev i t a ll i n k sf r o mg e n e r a t i n gp l a n t st oe n d u s e r s i ti si m p o r t a n tt od e v e l o paf a u l tl o c a t o rw h i c hc a nl o c a l ea l lt y p eo ff a u l t s i m m e d i a t e l ya f t e rf a u l to c c u r r e n c ei nap o w e rs y s t e mw i t hh i 曲a c c u r a c y m e t h o d s o ff a u l ti o c m i o nb a s e do n t r a v e l l i n gw a v e so v e r c o m et h ei n a c c u r a c i e sa n dl i m i t a t i o n o f i m p e d a n c e b a s e dm e t h o d s ，a n dn o wh a v eb e e nu s e dm o r ea n dm o r ew i d e l y w h e naf a u l to c c u r s ，a na c u t ec h a n g ei nv o l t a g ea n dc u r r e n ta tt h ef a u l tp o i n t g e n e r a t e sah i g hf r e q u e n c ye l e c t r o m a g n e t i cs i g n a lc a l l i n gt r a v e l l i n gw a v ew h i c h p r o p a g a t ea l o n gt h el i n ei nb o m d i r e c t i o n sa w a yf r o mt h ef a u l tp o i n t t h e r ei se n o u g h f a u l ti n f o r m a t i o ni nt h o s ew a v e s t oc a p t u r ea n dt op r o c e e d et h o s ew a v e si st h e f o u n d a t i o no ft h u l tl o c a t o r t h i sp a p e rm a i n l yd e s c r i b e sd a t aa c q u i s i t i o na n dd a t a p r o c e s s i n gu s i n gw a v w l e tt r a n s f o r mo f t r a v e l l i n gw a v e i nt h es e c t i o no fd a t aa c q u i s i t i o n ，t h i sp a p e rd i s c u s s e san e wh i g h - s p e e dd a t a a c q u i s i t i o nc a r dw h o s ea c q u i s i t i o nr a t er e a c h e s5 ma n dm e m o r yi s1 mb y t e t h i s c a r d h a sg p si n t e r f a c ea n d p e r i p h e r y a s s i s t a n te l e c t r o c i r c u i tr e a l i z e dw i t h c p l d c h a p t e r5d i s c u s st h es t r u c t u r ea n df u n c t i o ni nd e t a i l s w a v e l e tt r a n s f o r mi sa l le f f e c t i v et o o lf o rt r a n s i e n ts i g n a l ，a n di tc a na n a l y z e s i g n a li nt i m e d o m a i na n df r e q u e n c y - d o m a i nw i t ha n ys c a l e f i r s t , w ed i s c u s st h e s i n g u l a r i t yd e t e c t i o nt h e o r yo fw a v e l e tt r a n s f o r m ；a n dt h e n ，p r i c i p l e so ff a u l ts t a r t ， f a u l tl i n es e l e c t i o na n df a u l tp h a s es e l e c t i o nb a s e do nm o d u l u sm a x i m u m p o i n ta r e p r o p o s e d ；a tl a s tc a r e f u lm a t l a bs i m u l a t i o nc a s e sp r o v et h a tt h o s ep r i c i p l e sa r e c o r r e c t k e yw o r d s ：f a u l t l o c a t i o nw a v e l e tt r a n s f o r m h i g h s p e e d d a t a a c q u i s i t i o n c p l d m a t l a bs i m u l a t i o n 武汉大学电气工程学院 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的申请趁兰学位的论文是本人在导师 的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注 引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写 的成果作品。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文 中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：列迎算日期：m 3 年，月 j 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、使用学位论文大纲规 定，同意学校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，允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉大学可以将本学位论 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。 本学位论文属于 保密 弘在二年解密后适用本授权书。 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名：i 逆耳日期：沙；年j 一月 曰 导师签名：张本旱 日期：泖弓年! 月；f 目 武汉大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 电力输电线是电力运行的大动脉，是发电厂与终端用户的纽带，是电网中 的一个重要环节。由于电力线路长期暴露于风、雨、雷、电等恶劣自然环境中， 不可避免发生各种各样的故障。当输电线路发生故障后，继电保护装置将动作， 把故障线路从系统中分离出去。因此，故障线路所带负荷将失去电能供应，给 生产生活和经济发展带来极大的影响。随着电力系统的发展，输电线的电压等 级和输送容量逐步提高，输电线路故障对社会经济生活造成的影响也愈来愈大。 高压输电线路故障的准确测距，可以减轻巡线负担，节省大量的人力物力；能 够缩短故障修复时间，提高供电可靠性，减少停电损失。对于占绝大多数的能 够重合成功的瞬时性故障来说，准确的测出故障点位置，可以区分是雷电过电 压造成的故障，还是由于线路绝缘子老化、线路下树枝摆动造成的故障，以及 时发现事故隐患，采取有针对性的措旄，避免更严重故障发生。 1 1 故障测距方法概述 故障测距( 又称故障定位，本文通称为故障测距) 的任务就是当线路的某 处发生故障时，通过线路实测电流、电压等参数来计算出故障点的位置。经过 国内外学者几十年的探讨和研究【1 1 【1 7 1 博】，在输电线路故障测距领域取得了很大 的成果。总的来说，输电线路的故障测距按其工作原理可分为三类：一类是直 接计算故障阻抗或其百分比的阻抗法；再一类是利用高频故障暂态电流、电压 的行波来间接判断故障点位置的行波法；第三类是人工智能测距方法。早期的 研究主要集中在阻抗法，但由于阻抗法内在的局限性，在测距精度方面难以令 人满意。近十年来，随着计算机技术和全球定位系统( g p s ) 的发展，利用故 障后产生的暂态行波信号的测距方案得到了长足的发展，成为目前故障测距研 究的热点。人工智能测距方法现在正处于理论探讨阶段，离实际应用还有一段 距离。 1 1 1 阻抗测距法1 1 7 i 对于单端电源供电线路来说，由故障时母线处测量到的电压、电流计算出 的电抗分量x l 与母线到故障点线路长度成正比，用x 。除以单位长度上电抗值， 即可得到故障距离。阻抗测距可以作为电力系统中广泛使用的微机保护及自动 装置的附加功能，具有投资少的优点，但阻抗测距方法存在测距误差大、适应 能力差的缺点。 堕堡奎兰堕圭兰篁笙兰要= 兰 堕堡 以一个简单的单回双电源线路为例说明阻抗测距法的原理。假设在线路的 某一点k 发生经过渡电阻的a 相接地短路，k 点距线路本端的距离与线路全长 的比为p ，其集中参数等效电路如图l 一1 。 图i i 单回双电源集中参数的等效电路 在该网络中，已知量只有m 侧的实测电流、电压及线路阻抗参数互、互。， 而如何通过已知量，比较精确的估算出故障距离p 就是故障测距的任务。根据 故障条件得方程： u m = ( ，脚+ k ，。o ) 。p z 门+ 3 r ，o ( 1 一1 ) 又根据零序网络得： ，=f(zo而+z虿o+丙zoo)fo ，。 ( 卜2 ) 。3 而丽忑而“ “ 其中： u 。、，。、l 。：线路m 端实测的电压、电流及零序电流： 互。、z 0 ：线路正序、零序阻抗参数： 乙0 ， 线路m 侧及n 侧系统的零序阻抗参数； k = 兰! = _ 塑：零序补偿系数； ，小 叫1 故障支路中流过的零序电流，不可测。 结合方程( 1 1 ) ( 1 2 ) 消去，。得： u。=c，。+ki。，z，t+。尺，i；：!：黜，。 ( 1 3 ) 从式( 1 3 ) 可以看出：该方程中包含3 个未知数p 、r ，、乙。，无定解。 要求出故障距离p ，首先必须通过其它途径褥到对侧系统参数乙。，由于系统运 行条件的时变性，不采用通信通道是难以解决的，所以一般只能得到p 的一个 近似解，不同的测距算法采用了不同的近似手段，但都未能从根本上解决测距 所面临的问题： l 、故障点电阻 对于单端电源供电线路来说，由于是利用测量到的电抗测距，因此基本不 壁堡查兰堡主兰垡垒壅 蔓二垦堕堡 受故障电阻的影响：但输电线路一般都是双端电源供电，线路故障时对端电源 向故障点提供助增电流，助增电流与本端电流相位不一致，在本母线处测量阻 抗中增加一附加的电感分量，造成测距误差。尽管研究出许多补偿方法，由于 无法测到故障电阻值或对端助增电流，因此，基于单侧电气量的测距方法是不 可能完全消除故障电阻的影响的。 2 、电压、电流互感器( t v ，t a ) 的误差 电流互感器1 a 要求有较高的动态范围，电流变换精度较差，特别是当故 障电流很大，使1 a 进入或接近饱和状态时，电流测量误差明显增大，造成较 大的测距误差。 3 、线路结构不对称 实际输电线路的架设是不对称的，靠线路换位来获得较均匀的三相线路参 数，但这是对线路全长来说的，在线路中某一点故障时，故障点到母线之间三 相参数是不对称的，影响测距精度。 4 、线路分布电容的影响 阻抗测距方法一般是不计线路分布电容的影响，在线路较长时，分布电容 较大，会影响阻抗测距精度。 5 、线路走廊地形的变化 输电线路线路走廊地形较复杂，有高山、河流，土壤性质变化比较大，造 成线路零序参数沿线路变化不均匀，会显著地影响测距精度。 阻抗测距法另一个缺点是实用性差，有些线路阻抗法测距难以胜任。例如 直流输电线路、带串补电容的线路、t 形分支线路、部分同杆双回线路等。 1 1 2 行波测距法1 8 1 人们很早就认识到检测电压、电流行波在母线与故障点之间的传播时间可 以测量故障距离。由于行波的传播速度接近光速，且不受故障点电阻、线路结 构及互感器变换误差等因素的影响，因此有较高的测量精度。 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暂态行 波信号，对其进行分析和计算的基础上的。经过几十年的发展，行波测距法主 要分为a 、b 、c 三种类型： a 型测距方法是利用故障点产生的行波，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的。这种测距装置比较简单，只在线路一侧装 设，不要求和线路对端进行通讯联系。 b 型测距方法是利用故障点产生的行波，到达线路两端后借助于通讯联系 来实现测距的。该方法不受故障点反射波的影响，实现起来困难较少，但需要 1 武汉大学硕士学位论文第一章绪论 借助于两端的通讯联系。 c 型测距方法是在故障发生后由装置发射高压、高频或直流脉冲，根据高 频脉冲由装置到故障点的往返时间进行测距。 在这三种方法中，a 型和c 型为单端测距；b 型是双端测距，需要两端通 信；a 型和b 型对于线路的瞬时性和永久性故障均有较好的实用性，c 型则只 适用于永久性故障。这几种算法都是假定波速恒定不变，而实际上，不管线模 波速还是零模波速，都随外界环境的不同而改变。基于这种考虑，文献 2 7 】提 出了一种与行波波速无关的接地故障测距方案。 在文献【2 0 】 2 l 】中还介绍了一种f 型测距原理，它是利用测量点感受到的故 障开断初始行波浪涌与其在故障点反射波之间的时延实现单端输电线路故障测 距。该方法克服了a 型测距受对端反射波的影响。但该文也指出，此方法还处 于原理阶段，有待实际的检验。 1 1 3 人工智能测距法1 3 3 1 1 3 4 1 1 3 6 l 随着计算机技术的发展，通过建立知识库、数据库和规则库，可以使计算 机模拟专家的行为，近年来这种方法也用到了故障测距领域。 文献f 3 6 1 提出了一种串补电容电路的人工神经网络故障测距方法，文中提 出根据母线处的电压电流运用前馈神经网络的方法在线计算线路的电压，进而 求得故障点的距离。 文献 3 3 】提出了一种基于专家系统的故障测距方法，文章中，作者设计了 一个模拟有经验的调度员的专家系统，将断路器和其它的主要设备的位置和参 数放入此专家系统的知识库中，而将一些由调度员得出的规律性的东西放入规 则库中。根据规贝f j 库中的规则就可以判断出故障点的位置。 文献 3 4 】提出了一种基于模糊集理论的故障测距方法，基本思想是将调度 员积累的经验和设备的参数来构造成员函数，通过对成员函数的求解就可以大 体上确定故障点的位置。 目前大部分的人工智能测距法还处于理论的探讨阶段，离实际应用还有一 段距离。 1 2 行波测距法的发展及存在的问题 从工作原理讲，行波测距技术是可行的，且有很多优点。尽管人们早在5 0 年代就开始进行行波测距装置的研究，但由于受当时人们对线路行波现象的认 识及技术条件的限制，这些装置还很不成熟，存在着可靠性差、复杂、投资大 4 武汉大学硕士学位论文 第一章绪论 等问题，基本上没有得到推广应用。进入9 0 年代，阻碍行波测距技术发展的关 键技术问题都有了经济可行的解决方案，行波测距技术已趋向成熟，进入了商 业化应用阶段。 1 2 1 行波测距的关键技术及其解决方案 l 、利用普通的电流互感器测量电流行波 常规继电保护及测距装置利用的信号频率一般在i k h z 以下，国外8 0 年代 研制出行波保护所利用的信号频率也只不过在5 k h z 以内，而行波测距技术是 通过检测行波脉冲到达的时间测距，要达n s 0 0 米以上的测距分辨率，脉冲到 达时间的检测分辨率至少要在3 u s 以内，因此所利用的行波信号频率范围要在 3 0 0 k h z 以上。长期以来，人们认为普通的用于测量工频信号的电压、电流互感 器( t v 、t a ) 很难传变测距使用的暂态高频行波信号，因此，就需装设专用的 测量耦合设备，影响了行波测距技术的推广。 大量的丁v 、t a 传变特性的仿真分析研究表明电容式电压互感器不能有效 的传变电压行波信号，而电流互感器能够很好的传变电流行波信号。这一发现 是推动行波测距技术实用化的关键，利用普通的t a 测量行波信号，行波测距 装置可象普通的保护装置那样，直接接入t a 的二次回路，不需要装设任何附 加设备，具有简单、经济、可靠等优点，很容易被现场所接受，有利于行波测 距技术的推广应用。 2 、超高速数据采集 为了保证行波测距精度，行波信号数据采集频率一般不应少于5 0 0 k h z ，现 在都达到m h z 级，而使用常规的由微处理器直接控制模数转换器的方式是很难 实现如此高速的数据采集，因此需要专门设计高速数据采集电路来记录线路故 障电流行波数据。在高速数据采集电路捕捉到暂态数据后，c p u 用较慢的速度 读取记录下的数据并存入工控机的内存或硬盘中，解决了这一矛盾。 3 、时间同步 对于双端b 型测距方法来说，如果要达到不少于5 0 0 m 的测距分辨率，两端 装置的时间同步精度应该达至0 3 u s ，长期以来由于没有相对经济可靠的时间精确 同步技术，双端测距方法没有得到很好的发展。全球卫星定位系统( g p s ) 是 一种理想的时间同步技术，因此，可以利用基于g p s 技术的同步时钟输出来实 现两端测距装置的精确同步，现在g p s 的时间同步已达5 0 n s ，测距分辨率达到 3 0 m 。 4 、通信问题的解决 双端b 型测距功能的实现需要知道线路两端的故障电流行波到达的时间，因 武汉大学硕士学位论文 第一章绪论 此，需要解决装置测量数据的通信远传问题。由于不象线路保护装置那样需要 在故障后立即动作，因此，不需要为测距装置之间设置常备通信通道，这使得 行波测距通信问题相对容易解决。一般的做法是在控制中心配置一台p c 机作为 行波测距系统工作站，与辖区内所有的现场行波测距装置构成行波测距系统。 在条件具备的前提下，可以利用s c a d a 或故障录波信息系统上传装置测量数 据，实现双端b 型行波故障测距或对单端故障电流行波数据进行分析。 5 、行波信号的分析与处理 行波是一种具有突变性质、非平稳变化的高频暂态信号。析取故障后电压 电流中的行波故障分量，准确提取其故障特征是实现行波测距的前提。遗憾的 是，先前的数学方法很难做到这一点。常规保护中经常采用的傅立叶变换属于 纯频域的分析方法，但许多行波测距方法都是基于行波的时间特征，像来自于 故障点的初始行波和反射行波到达检测母线的时刻、幅值和极性等；纯粹的时 域分析方法( 如相关法) 不能提供行波信号的任何频率信息。但是，行波确实又 是频率的函数。换句话说，为了全面、准确地提取行波故障信息、描述行波故 障特征，仅仅使用传统的数学方法是不够的。 行波既是时间的函数，又是频率的函数，因此时频分析方法一小波变换 成为行波分析的有力工具。当对行波信号进行小波分解后，行波及其各种反射 波到达母线的时间由小波变换的模极大值点表示：而不同频带下的行波分量则 由不同尺度下的小波分量来表示。这样，复杂多样的行波现象就有了简洁的数 学表达。譬如，需要检测故障发生的时刻或者初始行波的到达时刻，只需检测 其第1 个小波变换模极大值点；如果需要考虑母线电容的行波反射作用或者对 于高频分量的分流作用，只需要观察不同尺度下的小波分量：如果需要考察行 波的线路参数依频率变化特性或者线路阻波器对于行波的阻波作用，同样只需 要分析不同尺度下的小波分量或者小波变换模极大值。 1 2 2 目前行波测距存在的问题 1 、行波信号的获取问题 由于c v t ( 电容分压式电压互感器) 传变暂态信号的能力较差，而t a ( t 电流 互感器) 被证明其有传变高频暂态信号的能力，因此a 、b 型行波测距可采用1 a 获取行波信号。电流互感器二次侧的时间常数按试验数据估计一般约数百微 秒，且要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，从而使t a 对行波信号的波形产生畸变。光学互感器的出现使传变高 频暂态电压行波成为可能，由于其抗电磁干扰能力强、频率响应特性好等特点， 光学互感器已经越来越多地应用到电力系统继电保护和故障测距领域【4 引j 。 6 武汉大学硕士学毽论文 第一章绪论 2 、行波信号的不确定性 行波信号的不确定主要表现在故障的不确定和母线结构的不确定。故障暂 态行波信号的强弱与故障时刻和故障类型有关，而故障时刻和故障类型是随机 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( 即母 线结构) 有关，其幅值又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。例如，电压过零点附近的接地故障存在测距死区。 3 、行波波速的不确定性 在行波测距的算法中，都假定行波的传播速度是恒定的，而实际上，不管 是零模( 有的文献称为地模，在本文中通称为零模) 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，行波波速的不确定是影响行波测 距精度的主要因素。在目前的测距算法中，使用的线模波速具有一定的主观性， 如文献 2 8 】取o 9 8 3 0 9 8 6 c ( c 为真空中的波速，约为2 9 8 1 0 5 k m s ) ，文献【2 9 】 取0 9 3 6 c 。我们在实验仿真部分根据线路参数计算得到的波速为2 8 9 9 4 1 0 5 k m s ，大约为o 9 7 3 c 。 4 、行波信号的采集和处理 由于暂态行波信号存在的时间很短( 1 0 m s ) ，频率很高( 几十到几百k h z ) ， 因此必须采用高这采集装置对其进行采样和处理，如果采样频率在m h z 数量 级，故障信息存储量太大。从经济性方面考虑，对于发展性故障，即第一次故 障后很短时间内发生的第二次故障，采集系统将无法记录，存在数据丢失问题， 因此不能对第二次故障进行测距。 5 、在电压过零点附近的接地故障不能进行测距。 由于在电压过零附近发生的故障多为永久性单相接地故障，故障点产生的 电压行波、电流行波突变量小，变化平缓，因此很难检测到行波波头，不能进 行行波测距。 6 、由于g p s 短时失步、卫星信号调整、天线干扰等导致时钟信号失真，可 导致测距失败。 1 3 对测距装置的基本要求 文献 1 1 x 寸测距装置提出了四点基本要求： 1 、可靠性 可靠性有两方面的内容：其一是装置在故障发生后能可靠的测定故障点的 位置，不因任何原因而使装置拒绝动作；其二是指装置在需要测距以外的任何 条件下不应错误的发出测距指示或信号。测距装置既能测定永久性故障也能测 7 武汉太学硕士学位论文 第一章绪论 定瞬时性故障。 2 、准确性 准确性是对故障测距装置最基本的要求，没有足够的准确性就意味着装置 的失败。采用基于g p s 的双端行波测距原理的测距装置的误差主要来自两方面： 一是测距算法本身系统的误差，主要是指波速不准确带来的误差。二是装置的 误差，包括两端g p s 对时不准、两端所用晶振不完全一致、采样率和转换精度 上的误差等。前一种误差靠基础理论的突破来解决，后一种误差在装置的设计 中要尽量减小。 3 、经济性 装置应物美价廉，并且运行维护费用低 4 、方便性 方便性主要表现在调试和使用上，装置应自动给出测距结果，不用或尽量 减少运行人员的工作量。 4 本文所做的工作及意义 精确的故障测距装置在故障恢复过程中扮演着十分重要的角色，依靠它的 帮助，可以减少因输电线路故障带来的停电损失，确保整个电网的安全稳定运 行。近十年来，行波测距的理论和算法都有了长足的发展，特别是检测两端初 始行波波头的b 型测距算法由于原理简单、实现起来相对比较容易，已经在现 场得到应用。但是b 型测距算法的实现需要在两端同时装设启动元件、需要有 精确的时间同步技术、需要对两端行波数据高速采样并准确提取行波波头。由 于受当前技术条件的限制，上面提到的问题，现场的行波测距装置还不能很好 的解决。因此，测距装置还存在可靠性差和测距精度不高等问题。本文针对双 端b 型测距算法的实现中存在的问题，提出了相应的解决方案，这些方案能在 一定程度上提高测距装置的可靠性和精度。 本文的内容分为三个部分，第一部分回顾了故障测距理论的发展，并着重 讨论了采用故障暂态行波的测距理论的发展，在行波传播理论的基础上，比较 了各种行波测距方法的优缺点和适用范围。第二部分讨论了行波信号的分析和 处理，基于时一频分析的小波变换是分析暂态行波信号的理想工具。在这一部 分中，首先介绍了小波变换的奇异值检测理论，在此基础上提出了基于小波变 换模极大值的行波启动和行波选线、选相原理，在最后的实验结果部分，详细 的讨论了根据此原理构成的行波测距算法的m a t l a b 仿真结果。第三部分阐述 了行波信号的获取，即行波测距装置的软硬件实现。在分析行波信号特点的基 r 武汉大学硕士学位论文第一章绪论 础上，研制出了基于c p l d 的行波测距用高速数据采集卡并通过实验调试，在 本文的第五章中，详细的介绍了本数据采集卡的构成和工作原理。其中第二和 第三部分是本文的重点内容，所做的工作也集中在这两部分。 本文主要做的工作： 1 、根据行波信号的特点，说明了基于时一频分析的小波变换是分析行波信 号的理想的数学工具，通过，j 、波交换的奇异值检测理论建立起了故障行波的波 头与小波变换模极大值之间的关系。在此基础上，提出了基于小波变换模极大 值理论的行波启动、行波选线和行波选相原理，为故障测距的实现奠定了理论 基础。 2 、针对行波启动元件难以区分线路分合闸操作以及雷击产生的行波与故 障行波的缺点，本文提出了采用相电流差突变量启动元件作为行波测距装置的 启动元件，而不采用继电保护装置的出口跳闸信号，减少了启动元件的动作时 间，提高了测距精度。 3 、结合行波的特点，对行波测距装置的硬件组成和软件流程进行了深入的 研究，提出了基于g p s 双端测距算法的硬件框架，并设计出了以a d u c s l 2 为 主控制器，外围电路用c p l d 实现的行波测距用高速数据采集卡，该数据采集 卡成功的实现了高采样率( 5 m ) 和大存储容量( 1 m 1 6 b i t ) 的统一。在该采 集卡中，通过其内部计数器的值，可以灵活确定r a m 中故障前、后的数据量， 这样在数据处理时，就可只选用故障发生时刻附近的行波信息，降低了外界对 行波信息的干扰机会，保证了行波数据的准确。 4 、针对7 4 ，4 0 0 0 等小规模的器件存在可靠性差、速度低的特点，本文对 c p l d 应用于高速数据采集系统进行了探讨，并提出了一种将c p l d 应用于高 速数据采集卡中的新方案，实验调试证明，该方案完全满足设计要求。 5 、对高采样率获得的庞大数据进行小波变换，c p u 要有强大的数据处理 能力，一般的单片机难以实现。本文采用了一种利用i s a 口上传数据，工控机 处理数据的方案。该方案有很大的通用型，可以广泛应用于各种对数据实时性 要求不高的场合。 6 、对本文提出的行波测距算法在不同的故障类型、不同故障位置和不同接 地电阻的情况下进行了m a t l a b 仿真，给出了详细的波形图和计算结果。仿真 实验证明，采用高采样率的行波采集并对其进行小波变换可以准确的定位行波 初始波头的到达时刻，为行波测距装置的准确性提供了保证。 9 武汉大学硕士学位论文 第二章行波及行渡测距原理 第二章行波及行波测距原理 2 1 暂态行波的产生 所谓行波就是沿输电线传播的电压电流波。行波分为稳态行波和暂态行波， 稳态行波是指系统正常运行时沿输电线路传播的行波，它是由系统中的电源产 生的。电能的传输，系统之间的联络，都是以稳态行波的形式实现的。暂态行 波是指系统运行过程中突然出现，而又逐渐消失的行波。暂态行波是由于系统 的扰动，例如短路、断线、操作、雷击和雷电感应等引起的，它们是系统处于 非正常状态的特征。行波测距用到的是暂态行波。 暂态行波是由系统的扰动产生的，扰动点的扰动性质和接入方式的不同， 所产生的暂态行波的特征也不同，图2 一l 表示了短路故障时行波的产生过程。 图2 一i 短路故障及其附加网络 ( a ) 故障系统：( b ) 等值网络；( c ) 稳态网络：( d ) 故障时的附加网络 在图2 1 ( a ) 所示线路上的f 点发生短路故障时，该点的电压为零，这时 故障系统可用图( b ) 所示的等值网络来代替，图2 一l ( b ) 中两附加电源的电压大 小相等，方向相反，其大小可以为任意值，根据叠加原理，图2 一l ( b ) 所示的 网络又可以分解成图2 - - l ( c ) 和图2 1 ( d ) 所示的两个子系统。 若令故障点附加电压源等于故障前的电压值，则图2 1 ( c ) 所示的系统完 全等价于故障前的稳态系统，各点的电压电流均与故障前稳态系统一致。这样 图2 一l ( d ) 就是故障引入的附加系统，该系统各点的电压电流就是由于短路故 障而引起的系统电压电流的偏移量，也就是故障引入的暂态行波电压电流。 可见，对短路故障，暂态行波的波源就是突然并接于故障点的虚构电压源， 故障引入的暂态行波，相当于图2 一l ( d ) 所示的无激励系统对故障点突加虚构 1 0 尚 且： 誓罨 学 武汉大学硕士学位论文 第二章行波及行渡女i 距原理 电压源的响应。断线故障、倒闸操作、雷击和雷电感应引起的暂态行波都可以 用类似的方法进行分析。 2 2 行波的传播 电力系统中的任意点受到扰动时。都会引起暂态行波，沿输电线路向扰动 源的两侧传播。假定所讨论的输电线路为无损线路，其单位长度线路的电感和 电容分别为厶、c 0 ，注意到电压“和电流f 都是距离x 和时问f 的函数，可以得 出： 一塑：厶旦 o x”a 一鱼：c 塑 缸”a 将式( 2 一1 ) 分别对x ，r 微分，经变换可得波动方程： 爵o z u l 。o c 。a 西2 u ： 酽a 2 i = ll i 矿a 2 i 以上的二元一次偏微分方程的解为； 其中： u ( x ，f ) = u 1 ( 工一a t ) + u 2 ( 工+ 日，) i ( x ，t ) = f i ( x 一甜) + f 2 ( x + a t ) 2 去【州p 甜) 叫z ( 肘讲) 】 弘居 l a = ；= 一。 三。c 0 ( 2 一1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 式( 2 3 ) 表明：输电线路上某点的电压电流波均由两项组成，其中一项 是伍一口f ) 的函数，另一项是似+ a t ) 的函数，它们分别表示沿x 轴正方向和负方 向传播的行波。 三相无损换位线路中的电压、电流的变化也可以表示成时间f 和距离x 的函 数，如式( 2 4 ) ( 2 5 ) 所示。 武汉大学硕士学位论文第二章行渡及行渡i l 距原理 孔。 缸 抛 良 钆。 彘 8 i ， 缸 巩 觑 8 t ? 苏 r 钆 阻l 一万 2 畦堰 l 百 ia c ，e k | 万 2 雌雄 i i a t l 百 ( 2 4 ) ( 2 5 ) 其中：足、= c o + 2 c 。：参考相与其它两相之间电容以及参考相与地间电容之和； 足。= - c 。：相间电容的负值； 。：每相导线以大地和地线为回路的自感( h ，l ( m ) ： 、：相间的互感( h 儇m ) ； g ：每相对地电容( 1 = n c m ) 。 写成矩阵形式，如下： 一掣：【纠掣 o x珊 一警书，掣蕊优 ( 2 6 ) 由于矩阵、c 中存在非对角元素，形成了三相电压、电流之间的耦合关 系，因此需要通过相一模变换，将系数矩阵的非对角元素化为零，这时的方程 式就和单根导线时相同。 令： 1 g 】= 跚【甜。】 ( 2 7 ) f 】= 【q 】【i 。】 ( 2 8 ) 式中【吲、 q 】为电压、电流的模量变换矩阵，将其代入式( 2 6 ) 可得： 2 一必：研一m ip 1 鲥1 一! = r 舢。，蕞，】 q _ 9 ) 一掣螂恸吲掣j “ 噼讲i c“。，=兰，c ，= 乏 c ：一t 。， ：器篇i t 矧a t 沪 出研i ，一 、 一掣- q 一僻【q 掣f 一 饼。 i 坚【】 c 跚引 ( 2 - - 1 2 ) 【q 】旺】_ c 纠= d j 】j c s ，= t q ，= r i _ ：z _ ： ；r 刚= r q 一：；n ，三。 c z z ， 吲= 回= il o l 一! 尘 2 2 i 一三一鱼 22 酣制= ；融- i 立1j 沪t 。，酣制2 轭拈易 q 1 。， 原则上，能将式( 2 - - 6 ) 的非对角线上的元素化为零的矩阵都可以采用 垦婆查兰鐾圭兰堡笙奎 薹三兰堑鎏垒盈堡! ! 堑壁堡 选择的唯一根据就是计算量的多少。 将式( 2 1 3 ) 代入式( 2 - 1 1 ) ，并考虑自感。、互感三，自电容量、互电 容k 。，以及正序、负序和零序参数间的关系 厶= t 一厶：l o = t + 2 k i，、 c i = k 。一k m ；c 0 = k + 2 以j 其中1 、q 分别为正序和负序的电感和电容，0 、c 。分别为零序的电感 和电容，可得： 掣= 褂铲。 裂= 褂三静 ( 2 一1 6 ) u o ( t ) 2 u t 0 一v o t ) + u 2 ( x + v o t ) j ( f ) = 一屹，) + 如o + 比f ) ( 2 - - 1 7 ) ( f ) 2 i d i o v p t ) + u 2 ( x + v p t ) j 乇o ) ：上【“。( z 一f ) + “2 ( x + ，) 】 ( f ) = 士h ( x - v a t ) + ( x + v j ) 】 ( r ) = 士h ( x - v p t ) + “：( x + v b t ) 】 ( 2 一1 8 ) 由此可见，三相换位线路可分解为a 、b 、0 三个独立的模分量，各模阻 抗和波速分别为： z 口吻2 捂，k 功= 鬲1 ，z 。= 辱 l 2 丽露。 线模分量以导线为回路，波阻抗小，波速度接近光速，且较稳定，衰耗较 小。零模分量以大地为回路，波阻抗磊较大，波j , 速v o 小，衰耗比较大：因此， 行波测距算法中的波速一般选择线模波速。 茎堡查兰堡主兰堡鲨兰苎三兰堑婆垒堑望翌堡璺翌 实际三相输电线路中由于导线不均匀、不完全换位、线路参数的变化、行 波的衰减等因素，使得实际系统中的行波现象更加复杂，分析更加困难，这也 是限制行波故障特征利用的一个重要因素。 2 3 行波的反射和折射 输电线路是一个均匀的分布参数元件，行波在沿线路传播时，所遇到的波 阻抗是不变的，但当行波传播到线路与其它电力设备的连接点时，电路参数发 生突变，波阻抗也发生突变，行波电压、电流在线路上建立起来的传播关系被 破坏，这时会有一部分的行波返回到输电线路上，另一部分通过连接点传至其 它电路环节中，这种现象称为行波的反射和折射现象。由线路传向连接点的行 波叫做入射波；扶连接点返回到线路上的行波叫反射波；传播到其它电路设备 上的行波叫折射波。这些行波在连接点满足基尔霍夫定律，在线路上满足式 ( 2 一1 ) 。 现以图2 2 所示的电路连接点为例，来讨论这些行波之间的关系。 图2 2 行波反射和折射原理图 假定输电线路为无损线路，其波阻抗为五，线路端部所连的元件可以是电 感、电容、电阻或其它输电线路，也可以是这些元件的组合，其等值波阻抗为互。 入射波电压电流之间的关系为： ”一z c i 。= 0 反射波电压电流之间的关系为： u 2 + z 。i 2 = 0 在连接点，各行波电压电流之间满足基尔霍夫定律 “= i t l + “2 = z l i i ， i = i t + j 将式( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) 代入式( 2 2 1 ) 可以得到： ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) 茎翌查堂堡主兰垡堡奎蔓三皇堡茎墨堑婆型里堕里 铲糍驴m 一箍驴叫， 如= 籀仁mf _ 茏枷f “ 其中： 足。：电压反射系数； k ，：电压折射系数； k ：电流反射系数； 置：电流折射系数。 相应于不同的电路元件，这些系数可以是实数或复数。式( 2 - - 2 2 ) 表明， 连接点的反射与折射情况与线路端部所连设备的波阻抗密切相关，当端部接有 电抗元件时，由于电抗为惯性元件，以上各系数均不为常数。行波折反射现象 的存在是单端a 型测距算法的理论基础。 2 4 输电线路的行波法测距原理 2 4 1 单端a 型测距法 、 0 、 f x 、 f 0 萋卜 (a ) 卜卜- 7 3 r f ；f 2 r 7 t 1 ，。2 f 3 十7 卜 b ) f ： 卜。 图2 3 单端a 型测距原理图 ( a ) 线路故障行波网格图；( b ) 近端故障时行波脉冲示意图： ( c ) 远端故障时行波脉冲示意图 6 壁堡查兰堡主兰垡垒兰苎三兰堡鎏墨堑茎塑里堕望 单端a 型测距算法原理如图2 3 所示。在被监视线路发生故障时，故障 产生的电流行波会在故障点及母线之间来回反射，装设于母线处的测距装置接 入来自电流互感器二次侧的暂态行波信号，由于母线阻抗一般低于线路波阻抗， 电流行波在母线与故障点都是产生正反射，故故障点反射波与故障初始行波同 极性，而故障初始行波脉冲与由故障点反射回来的行波脉冲之间的时间差缸对 应行波在母线与故障点之间往返一趟的时间，可以用来计算故障距离。 设线路长度为l ，波速度为y ，故障初始行波与由故障点反射波到达母线 的时间分别为f 。f 则故障距离x 。为： “= f = j 1 y ( t , 2 - t s l ) ( 2 2 3 ) 如果发生的是远端故障，则来自线路方向的第二个行波波头是来自故障线 路对端的反射波，虽然电流行波在对端一般产生正反射以及故障点折射系数为 正数，由于向对端运动的故障初始行波与向本侧运动的初始行波反极性，故对 端反射波在本侧记录下的行波波形上与故障初始行波反极性，如图2 3 ( c ) 所 示。设故障点起始行波和对端线路反射波到达母线的时间分别是t l i 、f ：，线路 对端反射波与故障初始行波的时间差址对应行波在故障点与对端母线间往返 趟的时间，因此，计算出故障点距对端的距离x 。为： = 三y 刖= 三i ，o ：一f ：，) ( 2 - - 2 4 ) 2 4 2 双端b 型测距法 双端b 型测距原理如图2 4 所示。 图2 - - 4 双端b 型测距原理图 设故障发生时刻为瓦，故障初始行波波头到达两侧母线的时刻分别为t ， 和瓦，则故障距离可由式( 2 2 5 ) 算出： ( 2 - - 2 5 ) 武汉大学硕上学位论文第二章行渡及行波i 擂i 原理 消去7 0 ，得 瓦= 盟掣 以= 半 ( 2 一1 6 ) 双端b 型测距算法由于只检测故障产生的初始行波波头到达时间，不需要考 虑后续的反射与折射行波，原理简单，测距精度高。两端测距的实现要在线路 两端装设测距装置及时间同步装置( g p s 时钟) ，并且两侧要进行通信，交换 记录到的故障初始行波到达的时间信息后根据公式( 2 2 6 ) 计算故障距离。 2 4 3c 型故障测距法 c 型故障测距法是根据脉冲反射测距原理提出，如图2 5 所示。 图2 5 单端c 型测距原理图 当线路f 点发生故障时，测距装置启动，向线路发出探测脉冲，探测脉冲以 光速沿线路传播到达故障点f 时，由于波阻抗发生变化，产生反射脉冲，反射脉 冲返回到测距装置。设由开始发射探测脉冲到反射脉冲返回到装置的时间为r 。， 则f 。：垒，由故障点到测距装置间的距离为 p x2q -f，(2-27) 当& 测定后即可决定故障点的距离x 。 c 型测距算法只能适用于永久性故障。 2 4 4 接地故障测距算法 以上的几种方法的前提是波速恒定且己知，但实际的情况下，不管是线模 波速还是零模波速都受外界环境的影响，难以保持恒定。为了消除波速误差， i r 武汉大学硬士掌位论文 第二章行渡爱行渡测距原理 文 2 7 】提出了一种消除波速影响的接地故障测距算法。图2 6 为接地故障测距示 意图。 i x f h ； i兰：! 二三 图2 6 接地故障测距示意图 设线路全长为，k m ，故障点距母线r 的距离为工k m ，距母线s 的距离为 ( 1 - x ) k m ；设全线的线模波速为，零模波速：线模分量到达母线r 的时刻 兔f ，到达母线s 懿对烈为l ：零模分量到达母续r 於对刻为f ，。烈达母线s 的对 同为r ：，根据双端测距公式得： t f l f i x l - - x ( 2 2 8 ) 实际上，若令爿= r 一，i ，b = t ：一屯，c = 屯一 ，则有以下三个方程 4 ：三一生，b ：三一生，c ：三一三成立。联立此三个方程，消 y l 嵋 v ov o v ou 去两个波速、u 可得： l c x = 一 d 一8 + z c 这样计算的结果就不受波速的影响 此只适用于接地故障。 ( 2 2 9j 但这种方法由于要检测零模波头，因 2 4 5 四种测距算法的比较 单端a 型算法原理简单，测距精度高，但需要检测行渡第二个波头的到达时 闻，在单相接迪故障的情况下，行波的第2 个波头很建烈到，原因是线路上虼电 阻使行波衰减，第2 个波头在故障点和检测点之间来回z 趟，衰减更严重。再加 上零模波头必将先于本端反射波到达检测母线以及电力