（电力系统及其自动化专业论文）基于双端不同步数据的故障测距算法与装置的研究.pdf

华北电力大学 ( 北京) 硕士论文 第一章绪论 1 。 1 高压输电线路故障测距综述 本章论述了高压 ( 架空) 输电线路故障测距的重要意义、故障测距研究的发展 历程和发展现状。 对现有的故障测距算法进行分析比较， 对现有的故障测距装置及 其性能进行评价，总体介绍了全文的研究目 标和主要内容。 1 . 1 . 1高压输电线路故障测距的研究愈义 近年来， 我国的电力事业取得了长足的发展。 作为工业命脉的电力供给， 也在 经历着巨大的变化，电力系统规模不断扩大， 输电线路的电f等级一再提高， 输电 距离越来越长。 输电线路作为能量传输的纽带， 是电力系统的重要组成部分，(ri 1 时 也是整个系统安全稳定运行的基础。 但是，由于高fk和超高压输电线路往往暴露在 不同的环境并分布在广大的地理区域， 运行环境恶劣，因此， 它也是电力系统中发 生故障最多的地方。据统计，1 9 8 1 年飞9 9 1 年，我国大区电网和主要省电网共发生 8 7 次稳定事故， 其中6 2 次是由 输电 线路短路故障引起的， 占7 。 % 左右 一 ” 。 输电线 路故障对电力系统、 工农业生产和人民日 常生活具有深远的影响，国内外都曾有过 因高压输电线路故障而导致整个电力系统瓦解的例子。 如果在高压输电线路发生故 障后，能快速、 准确地排除故障，就能提高电力系统运行的可靠性，并减少因停电 造成的 :- t, 大损失。 要排除故障， 首先要找到故障点。 但是高压输电线路输电距离长， 沿线地理环 境复杂， 有时需翻越崎岖山林， 有时需跨越河流湖泊， 一旦线路发生故障，巡线人 员的工作不但艰苦、n难，并需要花费大量时间。 更有甚者， 有些地方地形恶劣到 人迹难? 即使使用直升飞 机来巡视，也往往由于恶劣的天气难以实现。另外，闪 络等瞬时性故障( 占线路故障的9 ( % - 9 5 0! o ) j 虽然常会给线路留下损伤， 造成局部 绝缘缺陷， 但是往往没有明显的破坏痕迹。 n此不借助输电 线路故障测距装置的帮 助，输电线路故障点的查找将是十分困难的。 高压输电线路故障测距装置也称故障定位装置， 是一种测定输电线路故障点位 置的装置。 它能根据不同的故障特征迅速准确地判定故障点，及时发现绝缘隐患， 帮助人们排除输电线路故障。 准确的高压输电线路故障测距装置不仅能有助于及时 修复故障线路， 确保整个电网的安全稳定运行， 减少因输电线路故障带来的经济损 失， 而且能大量节省巡线的人力和物力， 减轻巡线人员繁it的体力劳动。 从技术上 保证电网的安全运行，具有f大的社会和经济效益。 112输电线路的故降和对故障测距的要求 ( 1 )输电线路的故障类型 ，r， 华北电力大学 ( 北京) 硕士论文 输电线路的故障类型有单相短路接地故障、两相短路接地故障、两相相间短路 故障及三相短路故障。此外，还有断线故障和转换性故障。 单相短路接地故障的几率最多，占 输电线路故障总数的8 0 % 左右， 其次是两相 短路接地故障。两相相间短路故障几率很小，约占 2 % - 3 %，其原因多半是由于两 导线受风吹摆动造成的。三相短路故障都是接地的，几率也很小，约占 1 % - 3 %a 绝大多数三相故障都是由单相和两相故障发展来的fy l a 输电线路故障大部分是绝缘击穿和雷电造成的。绝缘子表面的污闪、湿闪， 等 也是造成输电 线路短路故障的原因。 输电线路发生纯金属性故障的几率很小， 大多 数是在故障点有过渡电阻的。 过渡电阻一般包括电弧电阻和杆塔接地电阻。根据电 弧情况可以把短路故障分为两种。 一是大电流电弧故障，闪络通过对地绝缘子或相 间发生，电弧通道较短。二是小电流电弧故障，如架空线路通过树枝对地放电等， 电弧通道较长。 研究表明， 对大电流电弧故障，电弧电阻一般为2 - 2 0 0。 但对输电 线路对外物放电的小电流电弧故障， 则过渡电阻将很大， 有几十欧姆甚至几百欧姆。 短路过渡电阻的存在是影响故障定位精确度的一个重要因素 川 。 ( 2 )对故障定位的基本要求 可靠性 可靠性有两方面的内容: 其一是指装置在发生故障后能可靠的测定故障点的位 置，不应由于测w-原理、 方法或工艺等任何问题使装置拒绝动作;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的指示或信号。同时，装置应既能 测定永久性也能测定瞬时性故障。 准确性 准确性是对故障测距装置的最重要的要求， 没有足够的准确性就意味着装置失 效当然，我们希望装置的误差越小越好，实际上由于技术和经济上的各种 j, 素的限 制和影响，现己 研制完成和正在运行的测距装置在测距精度上都存在一 定的误差， 所以，我们的目标就是进一步提高故障测y ff 的精度。 1 . 2 国内外故障测距研究及应用现状 1 . 2 . 1 故障测距的研究发展历史 长期以来， 高压输电线路的准确故障测距一直受到电网运行和管理部门和专家、 学者的普遍重视。 早在 1 9 3 5 年， 输电线路接地故障指示器就在3 4 . 5 k v和2 3 0 w 的 输电线路投入运行，尽管该故障定位器是指针式仪表，并需与调度中心交换信息， 但对测定故障点位置仍有较大帮助c s 1 。 在a i e e c o m m it t e e 1 9 ,5 5 年的报告“ 故障定 位方法总结和文献目 录”中，给出的 1 9 5 5 年前的故障测距文献就有 1 2 0 篇 ( 含电 缆)(= 1 。受科技和生产力发展水平的限制，早期故障测距装置的测距精度不高， 并 需要工程技术人员的实际操作经验才能作出判断t , 。二战后，故障测距技术的开发 2， 华北电力大学 ( 北京)硕士论文 步伐加快， 在美、法、日 等国取得了不少新进展t a , 。 在科技进步的推动下，经过6 0 多年的研究和改进，故障测ll f i 技术有了很大发展， 产生了 许多测距原理和方法， 很 多故障测距装w己投入运行。 特别是七十年代中期以来，随着计算机技术在电力 系统的应用， 尤其是微机保护装置和故障录波装置的开发和大量投运， 给高压架空 输电线故障测距的研究注入了新的活力，加速了故障测距实用化的进程。近年来， 基于微机或微处理装置的故障测距方 ( 算) 法研究在国内外都非常活跃，已成为最 热门的课题之一。 但微机故障测距技术出现的时间不长， 无论在理论上还是在实际 应用中都有不少待改进之处2 3 1 早期的故障定位是通过测量线路的故障阻抗值折算为线路的长度， 因此输电线 路故障定位又称作故障钡 i 距。故障测距技术依据其发展过程的经历，可以分为以下 四个阶段。 第一阶段: 模拟式故障定位阶段。 最早期电力系统中的对输电线路的故障测距 是由机电式或静态电子器件构成的模拟式装置来实现的， 其定位精确度很差。 早期 的故障录波器是以光电转换为原理， 以胶片为记录载体的模拟式录波器， 而有现场 中采用的故障定位手段就是根据故障录波图记录的电压和电流波形来粗略地估计 故障点位置，因此无法满足现场的实际需要 们 。 第二阶段: 采用输电线路一端信号的数字式故障定位阶段。 1 9 6 9 年， r o c k e l c l l c r 把计算机技术应用到了电力系统的继电保护中 。 1 9 7 6 年， 瑞典斯德哥尔摩皇家t . 学院的w e s t l i n和b u b e n k o 发表文章， 提出了 利用计算机对输电线路进行故障定位 的方法 ， 。 其后， 国内外很多学者提出了 各自 的利用计算机进行故障定位的算法 ? ， 这些算法虽然多种多样、各不相同，但是它们有两个共同点: ( 1 )将电压电流的模拟信号转化为数字信号， 输入计算机后进行计算处理， 得出故障点位置。 ( 2 )只采用线路一端的电压和电流信号，无法克服过渡电阻的影响。 考虑到计算机超强的运算处理能力， 各种单端定位算法又都提出了各自的修正 方法以提高定位精确度，有的一些算法己 被应用于系统中实际的故障定位装置中。 第三阶段: 采用线路两端信号的故障定位阶段。 由于采用线路一端电气量的 单端法不能保证定位的精确度， 许多学者考虑采用两端信号进行故障定位。 加拿 大s a s k a t c h e w a n 大学的s a c h d e v 和英国b a t h 大学的a g a r w a l 于1 9 8 9 年最早提出 了采用输电线路两侧的电气量进行故障定位的方法c2 11 。其后，英国学者j o h n s , 我国学者董新洲和葛耀中于 1 9 9 5 年也相继提出了基于输电线路双端电气黛采样 同步的测距算法。采用双侧电流、电压信号的算法，从理论上讲可以完全消除过 渡阻抗和对侧助增电流引起的测量误差， 但由于当时91侧信号采样的同时性无法解 决，同时缺乏线路两侧数据交换手段，使得这种方法难于付诸实施。 近些年随着全球定位系统 ( g p s ) 逐渐地在电力系统中得到应用，使得利用线 一3. 华北电力大学 ( 北京) 硕士论文 路两端信号来定位所必需的高精度同步时钟有了保证， 再加上通讯技术的发展和应 用， 从而使得双端法故障定位有了付诸于实践的可能。 近些年来双端法因其固有的 优势正逐渐成为故障定位研究领域的热点 112 6 ) a随着全球卫星定位系统 ( g p s )对 民用开放，为全球各地提供了一个高精度时钟， 它能保证两地间的时间误差在 工 u 、 以内， 使输电线路两侧信号高精度同步采集有了保证。 加上计算机间通信技术的 发展，采用调制解调器 ( ti t o d e m 通过电话线，可实现计算机远距离数据互换， 基于以上技术的发展，双端定位方法才真正进入了实施阶段 t a 当前电力系统中， 故障录波装置已经开始应用于很多变电站， 录波装置除了能 够记录故障时的电压电流波形，兼有故障测距功能。 变电站综合自 动化更是把故障 测距和录波设为了 一个必不可少的项目， 故障测距装置有着很好的市场前景。 计算 机和网络通讯的发展，为微机型故障录波装置进一步扩大信息量， 提高可靠性、 准 确性、灵活性、实时性，以及共享信息资源， 提供了必要的有利条件。目 前国内很 多公司已经开发生产了1 1 q k v以h 线路的故障录波兼测距装置， 例如四方公_i j y 南 瑞公司， 华中理工等单位都生产有不同型号故障录波装置。 在这些故障录波装置中， 一些是基于线路单端或者双端数据的工频量方法， 一些是基于行波法原理，为电力 系统的安全稳定运行起到了一定作用。 但运行中， 存在故障定位不准等问题，h 前 5 0 0 k v t程几乎无一例外地选用了进q 产品 们 a 因而， 高压输电线路的故障测距仍 然是一个值得继续深入研究的课题。 第四阶段:智能化故障测距阶段。 近年来， 人工智能技术如神经网络、 遗传算 法、 进化规划、 模糊逻辑等在电力系统各个领域都得到了应用， 在继电保护和测距 中应用的研究也已开始。 例如在输电线两侧系统电势角度摆开情况下发生经过渡电 阻的短路就是一非线性问题， 距离保护很难i确作出故障位置的判别，从fl l 造成误 动或拒动 ; 如果用神经网络方法， 经过大量故障样本的训练， 只要样本集中充分考 虑了各种情况，则在发生任何故障时都s ir 正确判别。 此外，小波变换在继电保护和测距中也得到了 应用。 继电保护技术中的首要任 务是正确检测出故障， 而电力系统中出现故障时通常都伴有奇异性或突变性。 目 前， 利用小波变换的奇异性检测及模极大值理论已提出了实现故障起动和选相方法。 纵观保护和测跟的技术发展史可以看出， 虽然继电保护和测距的基本原理早己 提出， 但它总是在根据电力系统发展的需要， 不断地从相关的科学技术中取得的最 新成果中发展和完善自 身。 保护技术和测距装置的未来趋势是向计算机化， 网络化， 智能化，保护、控制，测量和数据通信一体化发展铆 岭 a 故障定位技术在国内外许多专家学者的共同努力下， 经过了 近七十年的发展和 完善，到目 前为止已取得了很多有价值的结果。 但由于电力系统结构的复杂多样， 影响故障定位的因素有很多， 对输电线路的精确故障定位到目 前为止还没有完全解 决。因此有必要总结以前故障定位方法的优点和不足， 在此基础上探索新方法来提 ， 4- 华北电力大学 ( 北京) 硕士论文 高定位的准确率和精确度。 1 . 2 . 2 故障测距的应用现状 由于利用两端电气量的故障测距方法比基于单端电气量的故障测距方法具有 更大的优势， 近年来两端电气量故障测距方法成为国内外研究的重点。 加拿大学者 s a c h d e v 、 英国 学者a g g a r w a ! 和 j o h n s 、 美国 学者k e z u n o v i c 以 及我国学者董新洲 和葛耀中等人在利用线路两端电气量进行故障测距方面作了长期的工作， 并取得了 良好的结果。a b b公司研制了双端数据不同步的故障测距装置，t i p公司则根据 k e z u n o v i c提出的算法研制了一套故障测距装置。国内清华大学、西安交通大学、 重庆大学、昆明理工大学、 武汉水利电力大学、山东工业大学、 淄博科汇电气公司、 电力科学院等都在从事输电线路故障测距的研究，其中清华大学、淄博科汇、昆明 理工大学、电力科学院都研制成了自己的故障测距装置， 但是在实际现场的应用中 还存在一定的问题。 1 . 3 高压输电线路测距算法的分类 按采用的线路模型、测距原理、被测量和测量设备等的不同，故障测距可以有 许多不同的分类方法3 2 3 。 文献 3 3 1 将其分为行波法和 ( 广义) 阻抗法两大类; 文献 1 , 1 0 , 川则将其分为行波法、阻抗法和故障分析法三大类。由于故障分析法的称谓 比阻抗法更具有一般性，为叙述方便，本文将不严格区分故障分析法和阻抗法，把 这二者统称为故障分析法。以下将按行波法和故障分析法两大类予以综述。 1 . 3 . 1行波法 ( 1 )行波法及其发展历程 当输电线路发生故障时， 在故障点会产生沿输电线路传播的行波， 行波的传播 速度接近于光速。 行波故障定位方法就是根据行波传输理论， 通过测量由于故障扰 动而产生的行波在故障线路上的传播时间，实现输电线路故障定位的方法，其定位 的准确性在理论上不受线路类型、故障电阻及两侧系统的影响。 行波法的研究早在本世纪四十年代初就己 经开始川， 它是根据行波传输理论实 现输电线路故障测距， 一般可分为a , b , g型三类 333, 3. :3:, o a型测距原理是根据故 障点产生的行波在测量端至故障点往返的时间与行波波速之积来确定故障位置;b 型是利用通讯通道获得故障点行波到达两端的时间差与波速之积来确定故障点位 置;c型则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 故障点的往返时间实现故障测距 t4 , :31j e a , b , c三种测距方法中， a型和c型为单 端测距，不需要线路两端通讯;因都需要根据测距装置安装处到故障点的往返时间 华北电力大学 ( 北京)硕士论文 来定位， 故又称为回波定位法; c 型需外加高频或直流脉冲 也可以加调频波) ， 其 原理与雷达定位相同，故也称为脉冲雷达法3 t : a 型和b 型都是直接利用故障点产 生的行波而不需外加高频或直流脉冲， 但b 型是双端测距， 需要双端通讯川。 架空 输电线的故障大体上可分为瞬时性 ( 暂时性)和永久性 ( 持续性)故障， a型和 b 型法适用于所有输电 线故障，c 型法只适用于永久性故障。对于行波初始波头的检 测方法主要有求导数法、相关法、匹配滤波器法、主频率法以及小波变换法。 ( 2 )行波法存在的问题 行波定位的优点是定位准确性高，但是定位结果不可靠也是行波法突出的缺 点，虽然近年来许多学者在行波测距方面作了很多工作， 但是行波测距要获得很高 可靠性，还需要解决好如下几个问题 tp , i l; 障产生的行波的不确定性: 故障发生时刻是随机的，当在电压过零时发生故 障，零起始的正弦变化电压行波，将使行波故障测距失效。 故障点反射波的识别: 线路上存在大量的干扰， 其特性与故障点的反射波极 为相似。对于单端行波定位，在近区存在无法识别反射波的问题。 波信号的提取: 常规的电压互感器和电流互感器的截止频率较低， 没有足够 快的响应速度，很难满足传变暂态行波信号的要求，尤其是电压互感器i;3 0 参数的频变效应: 波速是影响行波定位准确定的主要因素， 地模波速受大地 电阻率的影响很大，而且是频率的非线性函数。 陷波器的滤波效应: 变电站母线外侧装设的陷波器阻碍了 行波的传播， 对行 波故障定位有影响。 1 . 3 . 2 故降分析法 在系统运行方式确定、 线路参数e知的条件一f ，当输电线某处发生故障时，线 路两端的电压和电流均为故障距离的函数， 其实质是短路电流计算的逆运算， 属于 短路计算的反间题。 这类方法的研究早在三十年代初就己开始，目前已有了较大的 发展，已提出了多种不同的测距原理和方 ( 算) 法，如零序电流修正法、零序电流 相位修正法，解二次方程法、解一次方程法、解微分方程法和智能化测 v 方 ( 算) 法等。按所采用电路模型来看，可分为集中参数法和分布参数法;按所使用的物理 量的特征分，可分为工频 ( 相)st方法和瞬时值方法 ( 大部分使用工频量) ;按所 需要的测量信息来分类， 可分为利用单端数据的测距算法和利用双端或多端数据的 测距算法等。为叙述方便，本文将按单、双端测距算法分类，并对主要的故障分析 法故障测距作简要评述。 ( 1 )单端测距算法 根据单端 ( 本端)的电压和电流及必要的系统参数，计算出故障距离。由于 只使用单端信息， 且测量设备与保护装备及故障录波装置共用同一套p t , c t 等设 ， 6 华北电力大学 ( 北京)硕士论文 备，硬件投资小，现场实现简单方便，也不受系统通讯条件的限制，因此，6 0多 年来一直受到人们的重视。 所见的故障测距参考文献中， 国内8 0 %以 上、 国外6 0 % 以上都是研究单端测距算法的。 纵观现有的单端测距算法， _上 要还存在以下三个问题: 故障过渡电阻或对端 系统阻抗变化对侧距精度的影响: 输电线路及双端系统阻抗的不对称性对测n p. 的 影响; 测距方程的伪根问题。 造成测距误差的根本原因是存在故障过渡电阻。 要 消除其影响，就要引入对端系统的阻抗，那必然要受到对端系统阻抗变化的影响， 这是单端测距方法长期以来一直没有解决的一个难题。 利用单端数据的测距算法不受通信技术条件的限制，曾得到极大关注与应用， 但原理上很难克服对端系统运行方式对测距精度的影响。随着电网自 动化水平提 高，以及微波通信、 光纤通信在电力系统的积极采用， 基于通道的利用双端工频量 的测距算法相继提出。 ( 2 )双端测距法 随着电力系统自 动化水平的提高和通讯技术的发展， 人们相继提出了a端或多 端故障测距算法。 双端阻抗故障测距方法不存在原r 性误差， 较单端阻抗测 r; 算法 更具有优势。 它克服了短路过渡电阻的影响， 在保证线路参数和采样数据准确的前 提下能够实现准确地故障测距。 但利用双端数据阻抗测距算法的硬件实现成本较高， 并且需要用通讯手段， 两 端数据同步还需要 g p s提供始终同步。3于双端数据不同步的故障测距算法，计 算相对比较复杂。 近年来， 随着通讯技术的发展和电网自 动化水平的提高， 双端测 距算法由于其高精度的优良 性能， 己逐步在系统中得到应用。 下面就笔者检索到的 多种双端测距算法进行比较。 传统的双端测距算法大体分为两大类， 即利用两端电流或两端电流、 一端电,! j ;- 的测距方法和利用两端电压和电流的测距方法。 仔细的划分，按双端法两侧采样数 据是否同不可以分为双端同步算法与双端不同步算法; 按采取的线路模型可分为集 中参数线路模型和分布参数线路模型。 集中参数模型的双端同步算法 坑价， 厂扫、 n z 。 一 二一i 畏寻|rlllj 狱 0 一 ， ) z 一 二 二一 一 图1 t 双电源系统 华北电力人学 ( 北京硕士论文 图1 - 1 为双电源系统， 文献f l -1 1 中的算法利用本端和对端的电压和电流进行故障 测距计算，由图 1 - 1 可得: u , = i , , m z + 右 凡 u 。 二 i (1 一 m ) z + l t.r i ( 1 一 1 ) ( 1 - 2) 式中， z 是 线 路的 总 阻 抗; 。 为m端到 故 障点f 占 线 路总 长的比 值; u r , 1 ， 为 线 路m端的 电 压 和电 流 ; 拭 ， 、 i ， 为n端 的 电 压 和电 流 ;凡为 过 渡 电 阻 ;凡 为 故 障 点的短路电流。线路总长为1 . 联立 ( 1 - 1 )和 ( 1 - 2 ) ，消去 r f ，可得: u ， 一 u 。 十 i 2 ( i . + 了 。 ) ( 1 ， 3 ) 式 ( 3 - 3 )表明，两端电气量法完全不受过渡电阻的影响，而且也与线路两侧系统 综合阻抗无关，即不受系统运行方式的影响。 集中参数模型的双端不同步算法 上面提到的算法要求线路两端电压和电流同步， 即线路两端数据同步采样， 如 果使两端数据同步，目 前有两种方法:一种是利用g p s( 全球卫星定位系统) 使线 路两端测距装置时钟同步，从而实现数据同步采样， 该方法技术上比较复杂，且费 用较大，从现场应用看误差较大， 效果并不理想;另一种是利用任一端故障前的电 流和电压实现同步， 根据两端线路电压相位关系， 确定两端电压在故障前的过零时 刻， 以该时间作为两端同步的参考时间， 但该算法计算量达， 精度也很难令人满意。 在文献1 1 3 1 中 提到的另 一种方法是利用两端电 气量虽然不同 步， 但是从任一端推算到 故障点的幅值相等的。所以，由图 1 - 1 可得: 10 、 一 l ie m z l一 lo ,， 一 ， ， . e a (1 一 。 洲 a p ， 十 b p + c = 0 ( 卜4 ) 解上面的方程可得: ( 卜5 ) 式中，9 , 和0 2 分别为 线路m端和n端电 压和电 流的相位， 其它和上述相同。 由上式可分别求出a, b , c和p a 分布参数模型的双端同步算法 在文献 2 6 1 中提出了一种基于分布参数模型的双端同步算法， 利用g p s 保证双 端采样数据完全同步。 利用故障后两端的电压值可用线路传输方程求得短路点f 的 电压值: zj 。 二 u 探 c h y ,二 一 i (r z , rs h p , x ( 1 - 6 ) 0 、 二 ti . , s h y , (i - x ) 一 i ?c h 7 , ( 1 - x ) ( 1 - 7 ) 华北电力大学 ( 北京)硕士论文 利用电压的连续性: 珍 探 味 养 : 一 k un z , s h y , 二 二 0 ,(v,s h y, ,(l 一 x ) 一 p u r) c h r, , r 一 .x ) 方程 ( 1 - 8 )是故障距离x的方程，利用数学方法可以求出x . ( 1 - 8 ) i z , ., 表示 传播系 数和 特性阻 抗的 序分量 值， s = 1 , 2 表示正 序和负 序。 l表示线路总长，x 表示从m端到故障点的y f 离。 从上面的式子， 可以进行实部和虚部展开得到4 个方程， 所以方程可以用迭代 法求解。 上述的几种算法中， 方法和采用的集中参数线路模型， 集中参数模型对一于 华北电力大学 ( 北京)硕士论文 短线路的系统是可以接受的， 但是不能真实地反映高电压大容量长距离的系统， 这 两种方法的误差较大， 测量精度有待提高。 方法采用的基于分布参数模型的测距 算法要求使用的双端数据同步， 即使使用c p s 同步采样， 但现场中电压互感器( p t ) 和电流互感器 ( c t ) 、电缆以及保护装置对电压、电流的传输仍具有一定的时延， 因此两端数据很难做到真正意义上的同步， 故在应用上具有一定的局限性。 方法 的测距算法结构比较复杂， 而且需要用迭代方法进行计算容易造成测距结果不收敛 的问题。 此外， 纵观现有双端测距算法， 在双端 ( 或多端) 数据同步和伪根判别等方面， 尚有待进一步改进之处。 采用准确分布参数线路模型及不要求数据同步的双端 ( 或 多端) 测距算法在原理上具有更大的 优越性1 “ 弟 t10331 ， 是值得进一步深入研究的方法。 上面论述的各种测距算法的精度和准确率仍然是高压测距算法和工程实践9k 待解决的问题。 究其原因， 主要是第一基于分布参数模型的测距算法比基于集中参 数的测距算法在理论上具有更大的优势; 第二个原因是没有考虑到线路参数， 长度， p t . c t等各种测量工具等因素造成的综合误差的影响，它们把给定的系统当作一 个理想的系统进行运算。 本文致力于研究各环节误差进行综合修正的测 p 算法， 以 提高测距的精度。 1 . 4 本文的主要研究内容 高1 e 输电线路是电力输电系统的命脉， 其故障直接威胁现代电力系统的安全运 行。在高压输电线路发生故障时，故障测距 ( 也称故障点定位)结果是查找输电线 路故障点的重要依据， 准确的故障测距可大大地减少排除故障时间，对保证电力系 统的快速恢复供电有着重要的实用价值和经济意义。 本文经过大最的文献阅读， 针对现有的故障测y算法中普遍存在的没有进行参 数修正并且忽略线路实际长度与系统所给长度存在误差以及各测i环节和传输环 节中的一些误差问题， 提出了一种新的基于双端不同步数据的故障测距算法。 该算 法主要考虑了输电线路受天气、 环境、温度等问题的影响而产生的不确定性;以及 线路长度的不确定性和其它的一些误羞， 而采取了非线性映射的方式对影响测距的 多种误差进行综合修正，即把各种误差对测y e 的影响分配到全线路当中去， 有效地 提高算法的测距精度，保证算法的鲁棒性。该算法通过大量的数据仿真，证实了它 的有效性。 本文的最终目 标是设计制作一套多功能的架空线路故障测距装置， 要求装w可 以实现以下功能， 线路正常运行时可以进行实时监测， 当线路发生故障或者扰动时， 能够记录整个动态过程，并建立故障数据库;在不rp 的故障情况下，可有效的进行 较准确的故障定位。 本文的主要研究内容如下: ，i 0， 华北电力大学 ( 北京) 硕士论文 ( 1 )阅读大量的文献资料，分析现有的各类测距算法。 ( 2 )针对多种误差对现有的输电线路故障测距精度的影响，提出了能够对线 路的参数和长度和多种测量和传输环节误差进行综合修正 ( c i e )的算法，并可利 用修正后的参数来求解两端的不同步角差。 c 3 )编写算法程序，对算法进行大量的e m t p仿真，验证在不同条件下算法 的有效性。 c 4 )设计制作一套故障测距装置。 华北电力大学 ( 北京)硕士论文 第二章故障定位新算法c i e的研究与仿真 对故障测距装置而言， 测距算法是它的核心部分， 测距算法的好坏直接影响着 装置的测距精度。因此， 测距装置必须选择合适的测距算法，以保证装置的可靠运 行和较强的鲁棒性。 双端测nv算法在原理上完全消除了故障过渡电阻和对端系统阻抗的影响。目前 大部分双端测距装置都采用基于g p s 同步采样的双端测距算法， 因而需要增加g p s 接收装置等硬件设备，提高了测距装置的成本，同时装置的测距还要依赖于 g p s 的可靠运行。因而利用双端不同步数据的测距算法更应当得到关注。 双端阻抗故障定位算法不存在原理性误差， 在保证线路参数和采样数据准确的 前提下能够实现准确故障定位。 但是， 在实际的输电线路中，要保证线路参数和采 用数据的绝对准确几乎是不可能的。 高压输电线的线路参数要受到沿线地质、 气候、 大地电阻率分布不均等因素的影响; 线路的实际一长 度也随着季节的变化而变化;即 使在相同季节，由于高压线路的距离比较长，经常要穿越不同的地形和气候环境， 线路的参数和长度的变化也是不均匀的;p t , c t特别是 c t也会引入不能忽略的 误差 。 针对以上问题， 迫切需要一种算法能够实时的修正线路参数和线路的长度的变 化12 1 和采样值误差等各种影响故障测距精度的误差。 本文所提出的基于分布参数模 型的双端数据不同步的故障定位算法通过对故障前数据的处理， 可以把线路参数和 线 路长 度变 化等多 种影响 测 距 精 度的 误 差 ( c i e : c o r r e c t i o n o f i n t e g r a t e e r r o r ) ， 基 于一种非线性的映射， 反映在长度的变化当中， 并把这种长度的变化分配到全线路 当中，同时，利用修正后的参数来求得两端采样数据的不同步角差，这样求得的不 同角差比没有进行误差修正求得的不同步角差具有更高的准确性。比依靠 p t , c t 特性进行修正的算法具有更简单、 方便、 有效的可操作性。仿真试验证明， 这种算 法具有较高的测距精度和准确率。 2 . 1 新算法的基本原理 2 . 1 . 1 r l c全分布线路模型 高压长距离输电线路的参数有四个: 反映线路通过电流时产生有功功率损失效 应的电阻;反映载流导线周围产生磁场效应的电感:反映线路带电时绝缘介质中产 生泄漏电流及导线附近空气游离而产生有功功率的电导; 反映带电导线周围电场效 应的电容。对于集中参数的单端故障测距来说，当线路较长时，分布电容的影响很 大， 采用集中参数对故障测距的精度影响很大 2 1 。 本文考虑到沿线分布的藕合电容， 采用r l c全分布线路模型。 同时，考虑到高压输电线路 ( 单回)的简单的故障类型有十种，即;三种单相 ，1 2， 华北电力大学 ( 北京) 硕士论文 故障、三种相间故障、 三种两相对地故障和一种三相故障。不失一般性，以一个简 单的单回双电源线路为例，假定故障为单相接地故障。 一奋 -，了f 双电源单回线单相接地故障示意图 一l 、曰今白 产介从图 以图2 - 1 所示的双电源单回线的单相接地故障模型为例， 介绍本章提出的工频 量测距的基本原理。为突出重点，假设线路完全换位，故障过渡电阻为实数。 2 . 1 . 2 综合误差的非线性映射 各种误差 ( 采样值误差、线路参数误差、 长度距离的误差) 对线路测距的精确 度必然造成影响。 各环节误差对故障测距的影响是非线性的， 但其最终的表现形式 是测距误差，即距离增量。 所谓对各环节误差的综合抑制或综合修正，本质上就是 有效地减少这个距离的增量。因此， 把这种影响进行一种非线性的映射， 假定各种 误差对测距的影响反映为线路长度的一种变化，设其大小为f i x o 那么线路的总长度为1 + a x ( a x 为实数，可以为正，也可以为负) ，线路的电 阻、 电抗和电容分别为r , x和c ， 我们把a x 进行全线路分配( 认为线路参数均匀) ， 那么相当于单位公里的电阻、电抗和电容各增加了a x l l 。利用下面二式: z z. 二 了 牙 万二 砍 n 十 j x ) i ( g + j b ) ， y = 认 牙 万=( r + j x ) - ( g + j b ) z 。 表示的是线路的 特性阻抗，y 表示线路的 传播系数。 把这种分配了 综合非线性误差后的参数值代入上面二式， 可得: 风不变， y 的 值 增 加 为 原 来 的( 1 十 a x / 1 ) 倍。 2 . 1 . 3 利用故障前数据进行综合误差修正 对图2 一 1 所示的双电源系统，我们假设其线路的长度是l 十 酥 ，本小节的计算 用到的都是故障前的采样值计算得到的电压、电流的工频相量。 第一步:利用故障前的电压、电流值，列出m端与n端间的传输线方程 u m r 动 y t 十 a x) 一 (,) z p 动 ,1yr 一 js 2 。 “ 州= (0t1)。 16,es lj i - i m p z u.c y s n i p 一 骥 劝 l x、十 ， m ch : ，_ ，: ，。 乙 。 ( 2 - 3 ) ( 2 - 。 4 ) 第三步:利用上面的四个公式进行推导可以得到 ()， c h“ 一 i ), z ,.,s hn/ 、 “ 二 试一 116,e ( 2 一 5 ) z。 r , a x 十 刀, c h y r : 二 i (0 。 j 6, e ( 2 一 6 ) 式 ( 2 - 5 ) 和 ( 2 - 6 ) 中r 、 和乙均为己 知 量， 而m , n 端的电 压电 流可以 通过双端采 样数据求的，所以由式 ( 2 - 5 )和式 ( 2 - 6 )可以很容易求得t a x o 第四步:把求得的d x 代入下面二式中: z , =-z -/ y = 砍 r 十 j x ) l ( g + x r ) ， 这样得到的z 。 和r 进行了 修正。 r = z 目 t二 砍 r + i x ) - (g 主 m 凡不 变， 而扎 变为 原来 的(l 十 e x r ) 倍。 上面各式中， 0. i 代表电压、电 流的相量; 上标或下标5 代表3 序 ( 模) 量 的序号，s = ( 0 , l , 2 ) 代表解祸后的正、负、零三序;下标m, n , n ， 代表位置 ( m, n代表双端电 源的母线端，n 表示线路上的某一个特定的点) :下标 p ( p r e v i o u s )代表故障前，下标f ( f a u l t ) 代表故障后。 式 中 ，y $ ， z 。 分 别 为 线 路 的 传 播 常 数 和 特 性 阻 抗 ， r ， 二 y 2 1 2 。 : 二 2 心 : ; o wz 2 ,a l 孺分 别 为 故 障 前m 端 电 压 、 电 流 : 0 (y) , k v)n pi vp分 别 为 故 障 前“ 端 的 电 压、 电 流 。 o 排 , 1 ( )m n 分 别 是 满 足 特 定 关 系 的 线 路 上 某 点 的 故 障 前 电 压 和电 流 值 。 2 . 1 . 4 利用修正后的参数求出不同步角差 在上 面的 计算中， 我 们设修正 后的r 为y l ， 利 用修正 后的 参 数 求不同 步 角差， 下面求不同步角差所用的数据仍然是故障前的数据。则有: o (s)u llc h y , 一 j 0 ) z s h r , 一 0 0 ) 1,6,e 一 cv ) 17 up sh y l + c+,afin 。 : ， ，一 c., 。 s ,j ,v e 乙 。 ( 2 一 7) ( 28 ) 由以上两式子可得: 华北电力大学 ( 北京)硕士论文 口t ) 0 狱 c h y t 一 端z 月、卜， .了2、声 1ii sc 1 i i 1 .编.编编 呱.编.编 ( 2 )相间故障: 脚彻 ，r通.了 cc a b 两相故障 b c 两相故障 c a 两相故障. (ii i外 11 ， e c g . .! a 7 f g 1 1 : j (.afi 1 ii a b, 1)r l,( c ag 叫 i ( a g ) li fi(g i) 3 ) 三 相 短 路 故 障 : ! 故障选相流程图如下: j a rg ! z 7tl: 卜 ii 十 一 洲 y c , y x , 轮 巨通奔 互 一一下 一厂 一 一 变位 ， 幸一 ， 故障录波: 一 执行测距 。 上 一， 仁 a mmk a w 图5 - 2软件流程图 按系统的通信方式分类， 可以 将系统的通信状态分为三种状态:y c r y x的轮 询状态;正常录波状态和故障录波状态。 在y c , y x的轮询状态下， 可以进入主界 面查看系统的接线图， 在母线和各条出线的端口有时是刷新的电压和电流值， 和各 个开关量的状态: 在正常录波状态下，共录母线电压 ( 包括a b c三相和零序电压) 和各出线电流 ( 包括 a b c三相) ，共占 1 6个通道，每个通道 4个周波。在串口通 . . 一镶 勿 杠 为 哗 礁莫 主 型通乙一一 一 - 一， 信方式下，1 分钟左右即可完成，而以太网的速度是较快的，在十几秒的时间内可 以完成一次录波。录波完成后，pt以进行电压质量的分析，并通过报表打印;当 y x发生变位，系统就自 动开始故障录波。故障录波每次录正常录波通道的8 个周 波，故障前4 个故障后4 个。 故障录波在 1 分钟的时间内可以完成。 这就满足了我 们故障测距数据量和时间土的要求。 5 . 4 功能模块介绍 现在的w i n d o w s 程序都是模块化的设计思路， 这种设计思路按照软件各个组成 部分进行划分，模块与模块之间相互独立，通过程序调用实现交互。 f- a - r *一 .j 图5 - 3软件功能模块图 5 . 4 . 1 数据录波 利用数字故障录波器和数字式继电保护装置记录实际电力系统过程， 通过实验 记录在各种不同故障发生下的故障数据;另外， 利用我们开发的智能化输电线故障 测距装置在本校的混合模拟仿真试验室和清华动模实验室采集到了部分的数据。 5 . 4 . 2 数据计算 计算基波分量、 谐波分量和各序分量。 这和前面提刻的故障时进行复立叶差分 和数模变换不一样，主要是进行i s 常情况下的电力系统t况监测。 5 . 43 数据显示 需要显示的数据包括系统主接线的方式， 电压电流的基波和9 次以下的各次谐 波，开入量，还包括波形显示。基波和各次谐波的提取方法采用的是复立叶差分算 法， 开入量表示的是各种自 定义的逻辑开关变量， 包括线路是否投入，开关量是否 启动，是否有告警和事件发生等，波形的显示分为三种情况:正常录波的波形，故 障录波的波形和历史故障波形的重现。 用我们的实验装置采集到的电压波形如下图: 堡篓照妻塞鲎! 燕壅互堡童鎏基 一一 _一一一 僖方式下，1 分镶左右鞠褥宠戏，嚣辍太瓣斡速度楚鞍快瓣，在专题秒涎辩澜内哥 黻完成一次录波。添波宠溅髓，隧激进行嗽藤震爨懿分辑，并通避掇襄打罐；豢 y x 发黛变经，系统裁爨动开始被簿交波。梭簿滚波每次泶歪常激渡邋邀翡8 个勰 波，赦障熬个梭鞲翳唾个。敞障录波在1 分错煞髓阀蠹可潋完成。这就满足了我 钓数溅渊鼯数掇餐翱时阗土憋要求。 5 。4 魏熊模块介缓 现在麴w i n d o w s 程譬都蹩模浚傀躺设诗思路，这种设计懋貉按照软 率静个缀或 部分进行划分，模块与模块之润榴匿独立，邋过程岸调用嶷瑷交嚣。 隧5 g 敬静勰越模块溪 5 。4 。 数据录泼 铡鲻数字故障豢波器和数字式继魄傺护装餐记蒙实际魄力豢统避糕，通过实骏 记激在备种不同赦障发垒下的故障数据；翁外，剩耀我翻开发的镪麓化输电线故障 测鼹装麓在本棱的混念模拟仿粪试验塞和清牮动横实验塞采集到了部分的数据。 5 4 。2 数撼毫童算 计算基波分蠹、谐波分爨翻番痔分量。遮釉莉躐提到的故障时避行复立时麓分 穗数摸交羧不一撵，主蘩是进行荛常情况下靛瞧力系绫王溅煎测。 5 4 3 数据漫承 鬻要曼承憋数撼氛耩系统主接线瓣方式，避蘧泡滚靛鏊渡酾9 次激下熬蛰次谴 波，开入餐，还包括波形显示。蒸渡釉各次谐波酶撼取方法采鲻戆魑复立时蓑分舞 滋，_ 开入鬟表示的楚备狰鑫怒义的滋辑开关变攮，镪括线路楚镬投入，开关爨是瓷 砖动，怒否鸯告警酾事件发象等，波形麴强示分为三种愤况：正常渌液麴波澎，故 障蒙波魏波形秘嬲吏敬簿波形酶羹溅。 躅我镪的实验装凝聚集戳懿魄聪波形翔下图： |厂+，慰；曩酗等一厂一志圈 一 l熏主攘线 譬稳魄力大学( 1 矗京) 硬士论文 匿5 - 4 蔗鬻漾渡波黪 篱5 - 5 藏障蒙波波缈 5 。4 。4 数攮熟襻撩 故障蒙波漪意义农予谶黎故障数据，蹋予散障分橱帮教障蒜现，愿予选撵合适 的运行方式翻黻籍懿决策提供参考。黉纂谗潦醵数摄包措故障发嶷鹃时澜，备通道 韵电燕藏魄溅的采样馕，时溯按时润鹂类黧格式存储，魄难稻电流按照浮点数麴类 型格式存德，共7 键肖效数字，2 链熊小数链数。 华北电力大学( 北京) 硕士论文 5 。4 。5 故障测距豹算法 故障测距的算法可以与软件装置本囊震同一种程廖语言壹接编鸳麴算法，瞧可 以用其它的程序语言编译成可执行程序。软件与算法之间的调用不同予软件本身的 函数的调用，因为算法的输入包括大量的采样数据和番种控制变量，算法的输出是 故障测距的结果。采样数据是由软件提供的，输出结果提供给软件，由软件识别并 显示出来。撰圈懿下； 4 。测距结果 l 。浆襻，遴绩 2 翌鍪 r 一一磊b 测变 一 w k 一 i j 1 1 4 b - 一 3 溯鞭镣暴一- q 一一 图5 - 6 算法调用框图 在软件和算法之间的数据交换主要用的是文本文件。软件提供给算法的文本文 髂为f l i n 。t x t ，它的数搬为( 莲士3 术出线条数) 列，( 谰波数* 3 6 ) 行酶格式，列为4 歹| j 电压熬a 、b 、c 靳零痔电压，射出线条数为各爨线的电流按a 、b 、c 依次撵剃。 算法的控制变量是算法的编写者根据一熙需要来确定的，比如出线的祭数，c t 、p t 的交 艺等。算法鳇输漱结采包括故障的位嚣以及相关的故障信息量，较 孛读醚输漱 结栗并显示在