（电力系统及其自动化专业论文）配电网行波故障测距的研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 随着社会的发展，用户对用电质量和可靠性的要求越来越高，电网故障 对社会生活造成的影响愈来愈大，经济损失难以估计。因此快速准确找出故 障点，对电力系统安全可靠地运行非常重要。配电网单相接地故障定位一直 是人们关注和研究的焦点，但至今尚没有一种实用有效的配电网故障定位方 法。本文通过对现有故障定位方法的研究，提出一种适合配电线路的，在系 统发生单相接地故障时，能快速、准确进行故障定位的方法一一g 型行波定 位方法，并利用a t p 软件进行仿真分析，从而验证了该方法的有效性。 关键词：配电网，单相接地故障，敲障定位，g 型行波 a b s t r a c t w i mt hd e v e l o p m e 芏l to fo u rs o c i e t y n l cc o n s 啪e r so fe l e c t r i c 时q u a l i t ya n d f e l i a b i l i t yh a v eb e c o m ei n c r s i n d yd e m a n d i n 粤r h cf _ a u l to fp o w 盯l i n ci m p a c t s o ns o c i a ll i f c ，m o r ca n dm o r e ，a i l di ti sd i m c u l tt oe s t i m a t ee c o n o m i ci o s s e s t h e r e f o r eq u i c k l ya n da c c u r a t e l yi d e n t i f yt h ef a u l t yp o i n ti sv e 叫i m p o r t a n tt om e p o w c fs y s t c lf o rt h es a f e 姐dr e l i a b l eo p e r a t i o n t h es i n g l e p l m s e 乒o u n d e df _ a m t l o c a t i o ni s i ef o c 璐w ：m c hr e s e 耐l e r sp a ya t t 咖i o nt ot 1 1 ed i s t r i b u t i o nn c t 、阳r k m l ds of - 盯，t h e r ei sn o tak i n do fp m d i c a l 粕de f f e c t i v e 舢tl o c a t i o nm e 血o dt o d i s t r i b u t i o n1 i n e 1 1 l i sp 印盯p r o p o s 髓af - a u l t1 0 c a t i o nm e t h o df o fd i 曲r i b i i t i o nl i n e g t r a v e l i n gw a y ef a l 小l o c a t j o nb yr 器e 盯c b i n gv 蚵。岫m e 也o d so f f a u l tj o c 撕o n i tc a nf a s t 孤da c c u r a t e l yf 棚tl o c a t i o nw h e ns y s t 锄o c c u 室s i n 茸e p h a s e 目广o i m d e d f _ a u l t t h r o u 曲柚a l y z eb ys o r w a r ca t ps i m u l a t i o na n dv e r i f i e st h ep r a d i c a lo f 也e m e f h o d z mx i u x i “e l e c t r i cp o w e rs y s t 锄a i l di t s 凯l t o ma t i o n ) d i r e c t e db yp r o f h u a n gj i a d o n g k e yw or d s ：d i s t r i b u t i o nn e t w o r k ， s i n g i e - p h a s eg r o u n d e df a u i t ， f a u l t i o ca t j o n ，g - t r a v e i j n gw a v e 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文配电网行波故障测距的研究， 是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得 的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育 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。 学位论文作者签名：丝碰日 期：醚缉埘 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩 印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借闷； 学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方 式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：塾丝益 日 期：瑚军工k 加趣物鬣础 - 名 期 签师导 日 华北电力大学硕士学位论文 1 1 研究背景和意义 第一章引言弟一早jl 曰 电力系统按中性点接地方式的不同可以分为中性点有效接地系统和中性点非 有效接地系统：电压等级较高的电力系统中性点一般采用有效接地方式，电压等级 较低的系统为了提高供电可靠性，中性点一般采用非有效接地方式。国内l l o k v 及 以上的电力系统中性点直接接地，6 6 k v 及以下的电力系统中性点一般不直接接地。 中性点非有效接地系统，由于其发生单相接地故障时接地电流较小，又叫做小 电流接地系统。据电力部门对小电流接地系统的故障的统计，此系统绝大多数故障 是单相接地短路故障。此系统在发生单相接地短路故障时，由于大地与中性点之间 没有直接电气连接或串接了电抗器，因此短路电流很小，保护装置不需要立刻动作 跳闸，从而提高了系统运行的可靠性。尤其在瞬时故障条件下，短路点可以自行灭 弧恢复绝缘，不需要运行人员采取什么措施，这对于减少用户短时停电次数具有积 极意义。但是随之而来的问题是：故障如果是永久性的，系统仅仅允许在故障情况 下继续运行1 2 个小时，此时运行人员必须尽快找出短路线路和短路点，以便采取相 应对策解除故障，恢复系统正常运行。由此提出了小电流接地系统的单相接地故障 选线和故障定位问题。 目前选线问题已经有了很大的突破，而中性点非有效接地系统中的线路单相接 地故障定位是一个长期以来人们致力于解决但至今尚没有很好解决的难题。当前配 电线路故障定位方法是在确定接地线路后，由人工沿线路寻找故障点。随着配电网 网架的加强，线路增长，分支线路增多，线路变得尤其复杂，利用传统的巡线方法 找出具体故障点的位置非常困难，少则几小时，甚至数十小时，不仅耗费了大量人 力物力，而且延长了停电时间，影响供电可靠性。尤其是在气候严寒的冬季或雨雪 天气、路况艰难时，人工沿线寻找故障点的方法劳动强度非常大，难以适应当前生 产的需求。因此开展配电线路故障定位技术的研究具有重大意义。 1 2 输电线路故障定位方法分析 电力线路包括高压输电线路和中低压供配电线路。国内中性点非有效接地系统 实际上只包括中低压供配电电网，所以中性点非有效接地系统单相接地故障定位方 法的研究也就是对中低压供配电线路单相接地故障定位方法的研究。 高压输电线路输电距离长，输送功率大，线路故障直接影响系统的安全性和可 靠性，在线路故障后迅速准确地找到故障点，及时排除故障，对系统的安全稳定和 可靠运行都有重要意义。中压供配电线路分布范围广，每条线路较短、供电区域小， 华北电力大学硕士学位论文 与输电线路故障相比，条线路停电影响的范围也较小，对系统的安全性不会造成 重大影响，所以，多年来人们尤其重视对高压输电线路故障定位问题的研究，在这 方面的研究也取得了很大成就【卜3 1 ，一些故障定位方法可以在中压线路的定位方法中 借鉴。为了找出适用于中性点非有效接地系统的中压线路单相接地故障定位的方 法，有必要对已知的高压输电线路故障定位方法进行分析。 1 2 1 线路故障的分类 电力系统的故障主要有瞬时性故障、永久性故障和闪络性故障。发生瞬时性故 障时，输电线路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损坏，鸟类以及树枝造成的短时导体之间或导体对地接触也 会引起这类故障。永久性故障是导体之间或导体与地之间的短路故障，发生这类故 障时，线路不能成功地进行重合闸，这类故障主要由外力，如施工、风暴、地震等 造成。闪络性故障一般是在绝缘薄弱环节发生闪络性击穿，由于冰、雪、绝缘老化、 污染以及瞬时过电压闪络等破坏原因，使得线路某一点绝缘下降，在正常运行电压 下绝缘击穿，造成短路。 1 2 2 各种故障定位方法的介绍 故障定位方法也称为故障测距方法，按工作原理可以分为几种：阻抗法、故障 分析法、电压法和行波法0 1 。阻抗法是根据故障时测量到的电压、电流来计算故 障回路的阻抗，根据线路长度与阻抗成正比的关系来估算故障距离。故障分析法是 利用故障时记录下来的电压、电流，经过分析计算来求出故障距离，因为在系统运 行方式确定和线路参数已知的情况下，线路故障时，检测点的电压、电流是故障点 距离的函数，所以故障距离可以通过分析计算求出。电压法的依据是在输电线路上 发生短路故障时，故障处的电压有最小值，如果能找到一种方法对故障线上各点的 电压进行计算，则电压的极值点就是故障点。行波定位法分为单端和双端两种，单 端行波法根据波的传输理论，在波速已知的情况下，利用故障产生的初始行波和故 障点反射波到达检测点的时间差来计算故障点的位置；双端行波法是在线路双端检 测故障产生的初始行波，利用行波到达双端的时间差和波速通过计算来得到故障距 离。 线路故障定位方法按电气量在输电线路上的采集位置可以分为两种：单端定位 法和双端定位法，虽然利用行波定位的方法也有单端和双端两种，但因为利用的是 行波传输理论，所以单列为行波法。由于按电气量的采集位置对输电线路的定位方 法分类比较清晰简单，故下面按单端和双端定位法对定位方法的原理和特点进行介 绍，最后介绍行波法。 1 ) 单端定位方法 2 华北电力大学硕士学位论文 单端定位法利用在输电线路一侧测量的电压和电流，并综合故障前测量的电气 量，在一些假设条件下，来计算故障距离，其中最典型的方法是阻抗定位法。 阻抗定位法利用线路故障时测量的电压、电流计算故障回路的阻抗，在忽略线 路的分布电容和电导时，故障回路电抗与故障距离成正比，据此求出测量点到故障 点的距离，故障点的过渡电阻会造成阻抗的误差。 2 1 双端测距方法 利用双端定位的方法在国内外均有研究，这类算法是典型的故障分析法。利用 两端数据的定位算法可分为三种，一种是利用近端电压、电流和远端电流工频量； 第二种是利用两端电压、电流工频量；第三种是不需要两端数据同步采样或采样数 据同步化处理的定位方法，而前两者均需要两端数据同步采样或采样数据同步化处 理。 双端定位方法存在着线路分布电容造成的定位误差；两端数据不同步和线路参 数不对称因素也会影响其精度，定位方程也有伪根问题。 3 ) 行波法 行波法是利用行波理论来进行故障定位的方法。如果是单端行波定位法，在线 路一端检测行波，无论是捕捉故障瞬间产生的暂态行波，还是检测人工注入脉冲后 在故障线路中产生的行波，其原理均是在母线处检测行波信号，在识别出来自故障 点的反射波后，根据波在母线处和故障点之间往返一次所用的时间和波的传播速 度，计算得到故障距离。双端行波定位法是在双端同时检测故障产生的行波，利用 行波到达线路两端的时间差来实现定位。在下一章的行波定位原理中，对行波法将 作进一步的介绍。 1 2 3 各种故障定位方法的评价 输电线路广泛使用阻抗法进行故障定位，随着传感器技术和高速数据采集技术 的发展，近几年行波定位日益受到重视。阻抗法定位原理简单，电气量容易得到， 可靠性好，可以做到自动化，装置构成相对简单，投资不大，并且可以利用目前投 入的距离保护和故障录波装置来加入定位功能，该方法的主要缺点是精度低。运行 实践表明，定位误差最大可达1 0 ，生产厂家给出的精度小于2 ，是在无过渡电阻、 线路绝对平衡对称、无变换测量误差等理想条件下的精度；现场运行表明，实际定 位误差可能远大于该指标，有时甚至达l o 。影响阻抗法定位精度的主要因素有故 障点的过渡电阻、故障点非检测侧的运行阻抗以及负荷电流。对单端定位法来说， 前两个问题是很难克服的。虽然两端定位法可以解决上述问题，但需要一定的通讯 手段和电气量的同步采样，在技术上和经济上的要求较高，而且阻抗法不能用于带 有串补电容或直流输电线路【i 们。 暂态行波法与利用工频量实现定位的方法相比较，有几个不同的特点，行波利 3 华北电力大学硕士学位论文 用故障产生的暂态量，而后者将故障过程产生的这些高频信号作为噪声干扰信号将 其滤除；前者硬件投资大，但定位精度不受过渡电阻和线路不对称等因素的影响， 对各种线路均适用，后者相对容易实现，可以利用目前已有的设备和数据，但定位 精度易受线路不对称、接地阻抗、两端系统阻抗等诸多因素的影响；前者也存在特 殊的问题，如行波信号的不确定性，行波传输的色散问题，反射波的正确识别，上 兆甚至上百兆赫兹的高速数据传变和采集问题，后者的特殊问题是须克服电流互感 器非线性、非周期分量、过渡电阻、系统运行方式等因素的影响。 单端和双端定位方法相比较，单端不需要通讯通道，但过渡电阻和系统运行方 式对该方法的定位精度有很大的影响，双端定位方法虽然硬件投资大，需要通讯通 道和更多的信息，但定位精度高。 1 3 配电线路故障定位方法分析 - 当线路发生短路故障时，由于故障特征明显【i l l ，检测原理简单，利用线路故障 点前出现过电流，而故障点后不存在过电流的现象就可以实现故障点的定位。目前 主要有两种实用方法实现短路故障定位：实现配电自动化( f a ) ，利用线路负荷开 关处装设的f t u 实现故障分段定位。文献 1 1 提出通过线路f t u 检测测量t a 二次电流 是否出现间断角判断线路过流故障，并将检测结果送至s c a d a 系统，系统主站根据 各f t u 上报信息利用相应的故障定位算法确定故障所在区段1 1 2 l 。对于利用f t u 实现 线路故障定位，只适合于实现了配网自动化的地区，但实现配网自动化造价太高， 限制了此方法的大面积使用。沿线悬挂故障指示器，根据故障点前后指示器检测 信息的不同实现故障分段定位【1 3 - 1 4 1 。文献 1 3 给出了利用故障指示器检测短路故障 的故障启动条件，即突增电流应大于允许的过负荷电流而小于线路末端短路的电 流，同时还必须具备继电保护装置动作最短或最长时间内电流突降为零。文献f 1 4 】 介绍了根据故障电流幅值大于正常情况电流幅值的现象实现电缆线路故障定位的 一种故障指示器。利用故障指示器实现线路短路故障的定位，具有成本低，安装方 便的优点，但目前的故障指示器不具有故障信息自动上报功能，故障后需要根据线 路上故障指示器的指示状态，人工沿线查找故障所在区段，费时费力。现在有人也 提出设计具有信息自动上报功能的故障指示器，但增加通讯功能后，故障指示器的 成本将会大大增加，从而限制其大面积推广应用【1 5 】。 配电网小电流接地故障发生几率最高，且故障定位困难。目前对于小电流接地 系统故障定位的研究也大多集中在单相接地故障定位方面。 对于配电网小电流接地故障点的定位，许多学者做了大量研究，按照定位利用 的信号方式不同可分为主动式故障定位方法与被动式故障定位方法两大类。主动式 故障定位方法是在线路故障发生后向系统注入特定信号，根据相应的定位原理确定 4 华北电力大学硕士学位论文 故障位置；被动式故障定位方法则是利用线路故障前后线路本身电压、电流信号特 征的变化设计定位判据，确定故障位置。以下是按此种分类方法做详细介绍【15 1 。 1 3 1 主动式定位方法 ( 1 ) 注入信号寻迹法 注入信号寻迹法简称注入法，是在故障发生后，通过母线p t 向接地线路注入特 定频率的电流信号，注入信号会沿着故障线路经接地点注入大地，用信号探测器检 测每一条线路，有注入信号流过的线路被选为故障线路。选出故障线路后，手持探 测器沿线查找，利用信号寻迹原理即可确定故障点的位置。 该方法的优点是不受消弧线圈的影响，不要求装设零序电流互感器，适合于线 路上只安装两相电流互感器的系统，在现场应用中取得了比较理想的效果。其缺点 在于：注入信号的强度受t v 容量限制；接地电阻较大时线路上分布电容会对注入的 信号分流，给故障定点带来干扰；如果接地点存在间歇性电弧现象，注入的信号在 线路中将不连续，给检测带来困难。该方法寻找故障点花费时间较长，有可能在此 j ：期间引发系统的第2 点接地，造成线路自动跳闸。不少电力部门要求在系统出现单 。相接地时选出接地线路后立即停电，在停电状况下进行接地点定位。针对此种情况， 文献【1 6 】在基于注入信号电流定位法的基础上，提出了“直流开路，交流寻踪”的离 ? 线故障定位新方法。考虑到线路停电后绝缘可能恢复，该方法首先通过外加直流高 乏压使接地点处于保持击穿状态，然后注入交流检测信号，通过寻踪注入的交流信号 找出故障的准确位置。此种方法需要制造大功率的一次设备，成本太高，且不适于 长距离的线路。 ( 2 ) 中电阻法 中电阻法是在接地故障发生后，人为在系统中性点投入一定值电阻，在故障线 路故障相与系统母线间形成人为的故障工频电流，故障线路故障点上游可以检测到 此故障电流，而故障点下游和非故障线路检测不到此故障电流，通过检测工频电流 突变量就可以实现线路接地故障的定位。 该方法人为增大了接地故障电流，使得接地点容易检测，目前与消弧线圈配合 使用，得到了比较理想的效果。但该方法所需的中性点电阻设计困难，所需投资较 高，增大了系统安全隐患和对通讯系统的干扰，也不利于人身安全。 ( 3 ) 加信传递函数法 文献 1 7 】提出在故障线路出线处加方波诊断信号，根据故障后电路拓扑结构的 变化，用频域分析进行定位的单端测距算法。该方法基于频谱分析的原理和线路的 分布参数模型，从线路首端施加方波激励信号源，在首端测量时域的零序电压和电 流数据，计算得到频域传递函数，根据各分支端的传递函数频谱的频率、相位和波 形特征实现接地故障定位。 华北电力大学硕士学位论文 文献 1 8 】详细推导了三相配电线路接地故障定位的传递函数表达式，并给出了 依据传递函数波形的频率、相位和幅值特征进行故障定位的判据。 为了实现多分支线路的故障定位，文献【1 9 】在利用系统传递函数作为故障分析 的基本方法的基础上，提出了解决多分支配电网接地故障定位的特征向量法。它是 通过数字信号处理手段获得传递函数频谱特性，结合对网络结构以及波过程的分 析，对一个分支的传递函数频谱特征做出总结和归纳，并通过与其它分支得到的频 谱特征比较，选择合适的特征值来构造不同分支的分支特征向量和故障距离特征向 量，利用分支特征向量判定故障所处的分支，利用故障距离特征向量获得故障距离 传递函数法对中性点不接地系统具有测距结果不受负载参数变化影响的优点。 但由于取其地模网络作为故障定位信息依据，不能解决只存在线模分量的相间短路 故障的定位问题。其在理论上可行，但在实用性方面还存在不少困难和限制，尚未 得到推广应用。 ( 4 ) 端口故障诊断法 文献【2 0 将模拟电路故障诊断理论应用于分布参数传输网故障诊断，提出利用 单相接地后的故障电压和电流的特点进行测距和定位，从端口方程出发，通过加音 频正弦信号，以比较传输网可测端口故障前后测试信号的变化量为根据，实现自动 在线定位故障分支。文献 2 l 】详细描述了端口故障诊断法的原理及算法。端口故障 诊断法的优点是故障诊断测后工作量小，适用于较大网络的故障诊断，缺点是分支 上的故障点位置只能归结为分支与主支的联接点，确切故障距离无法确定，且采用 线路两侧信息，需要数据通信，实用性不强。 1 3 2 被动式定位方法 ( 1 ) 阻抗法 阻抗法故障测距原理是假定线路参数单一，在不同故障类型条件下计算出的故 障回路阻抗或电抗与测量点到故障点的距离成正比，从而通过计算故障时测量点的 阻抗或电抗值除以线路的单位阻抗或电抗值得到测量点到故障点的距离【2 2 粕】。 阻抗法具有投资少的优点，但受路径阻抗、负荷电流、系统运行方式等因素的 影响，故障测距误差较大。对于带有多分支的配电线路，阻抗法无法排除伪故障点， 它只适合于结构比较简单的线路。 ( 2 ) 零序电流幅值法 小电流接地系统发生单相接地故障时，故障点上游检测到的暂态零序电流的幅 值大于其一f 游检测到的暂态零序电流幅值，通过检测故障点前后暂态零序电流幅 值的变化就可以确定出故障位置【2 7 2 8 1 。 文献【2 9 】根据配电网络结构和各分支点的零序电流大小进行故障分支的定位，其 只适用于中性点不接地系统，不适用于中性点经消弧线圈接地系统。 6 华北电力大学硕士学位论文 文献 3 0 】， 3 l 】提出利用接地点前后零序电流所产生的磁场大小来确定故障点。 发生接地故障时，接地故障点前的线路周围存在由负荷电流产生的垂直磁场和由接 地故障电流产生的水平磁场，由于接地故障电流产生的磁场比负荷电流产生的磁场 的垂直衰减速度慢，由此，在故障点上游可以检测到接地故障电流产生的磁场，而 故障点下游将检测不到此磁场信息。由于零序电流与电网的分布电容大小及接地方 式有关，此方法探测精度不高。国外对此已有研究和应用，如挪威分段悬挂在线路 和分叉点上的悬挂式接地故障指示器等，其投资较大，不利于大面积推广。 ( 3 ) 5 次谐波法 文献 3 2 根据故障点前向支路、后向支路和非故障支路的零序电压、零序电流 的特点，提出通过测量空间电场和磁场的5 次谐波并分析其幅值和相位关系判断小 电流接地系统单相接地故障点。但由于5 次谐波幅值较小，不易检测，如何提高检 测装置的灵敏度和抗干扰能力，是其推广应用的关键。 ( 4 ) 暂态无功功率方向 线路的检测阻抗随频率变化而呈阻容变化，利用某一选择频段的信号作为测量 信号( 在此频段下线路检测阻抗呈容性) ，定义暂态无功功率为电压信号的h i l b e r t 变 换与电流信号在暂态时段内的平均功率【3 3 】。 该方法检测效果比较理想，不受系统接地方式的影响。但其需要同获取暂态零 序电压和零序电流信号，而实际中又不容易同时获取这两个信号，从而限制了此方 法的推广应用【l5 1 。 1 4 论文主要工作及章节安排 实际的行波定位方法有两大类，一类是利用故障产生的行波进行双端或单端故 障定位。另一类是人工向故障系统注入脉冲信号，捕捉由故障点反射回来的行波， 找到故障点反射回来的行波，从而找到故障点。利用故障产生的行波进行单端故障 定位的方法称为a 型行波定位方法，利用故障产生的行波进行双端故障定位的方法 称为b 型行波定位方法，人工注入脉冲信号的方法称为c 型行波定位方法。 高压输电线路的故障定位是对一条中间无分支的线路进行的，也称为无分支线 路的定位。6 6 k v 和3 5 k v 配电线路都没有分支，与输电线路非常相似，因此对于该类 配电线路的接地故障定位可以参照输电线路故障定位方法。阻抗法及a ，b 型行波定 位都可以作为该类线路故障定位的方法。 配电输电线路与长距离无分支的高压输电线路相比，其线路的供电距离较短， 一般在几k m 到几十k m 之内，并且一般带有多个分支。中性点非有效接地系统中的 变电站中压母线上有数条乃至数十条线路同时运行；线路上既有直接连接在主干线 路上的用户变压器，又有安装在分支末端的用户变压器；除了个别专用线，线路一 7 华北电力大学硕士学位论文 般为树枝型结构，各条线路的结构、长度以及线路参数各不相同，即使是在同一条 线路上，不同的分支所用的导线截面也不尽相同。 这种带多分支配电线路，确定故障分支是一个公认的难点【9 1 。针对此种线路文 献【1 0 提出了利用线路故障后产生的行波，根据故障行波传播的机理分两步来确定 故障点的：第一步确定故障区段，第二步是在第一步基础上来确定故障分支。文献 1 0 】提出的方法缺点是：随着分支的增多、故障距离的变化会出现故障点的误判， 并且当线路增长、接地电阻增大，此方法不再适用。文献【3 4 】提出了c 型行波定位的 方法，此种定位方法采用模糊识别的方法来确定故障分支。随着分支的增多，线路 增长，模糊识别的方法来确定故障分支的可靠性不高，难以满足实际需要。为了解 决这个问题，本人汲取了前人双端测距的经验，提出了双端不同时c 型行波测距方 法，本文定义此种定位方法为g 型行波定位法。 本论文的主要研究工作分以下几个部分： 1 结合行波定位的原理，根据带分支线路的结构特点提出了一种g 型行波 定位方法，并做了理论分析，证明了其可靠性高。 2 利用a t p 建立仿真模型，分析了仿真得到的图形和数据，验证了g 型行 波定位方法的正确性和可靠性。 3 对于不带分支的线路，本文提出了单端行波测距法。 4 利用小波去噪和提取故障特征量。 根据以上研究工作，论文安排了以下几个章节： 第一章为引言，介绍了本课题研究背景及意义，在分析了高压输电线线路故障 定位方法和现有配电线路定位方法的基础上，提出了g 型行波定位的方法。 第二章介绍了小波分析理论。 第三章分析了行波在传输线路中的波动过程、传输特性以及行波传输过程中在 波阻抗不连续点发生反射、折射的原理。并介绍了几种利用行波进行故障定位的方 法。针对带分支配电线路提出g 型行波故障定位的方法，并做了理论分析对不带 分支和少量分支且介质单一的线路提出了a 型行波测距法。 第四章主要针对g 型行波故障定位方法，对各种单相接地故障进行了仿真分析。 利用a t p 仿真软件建立了各种单相接地故障的仿真模型。分析了仿真得到的图形和 数据，验证了g 型行波定位的可行性。利用小波来去噪和提取故障信号的突变点。 针对不带分支的本章提出了a 型行波测距法，并作了仿真分析。 第五章对全文做的工作进行总结。 华北电力大学硕士学位论文 2 1 概述 第二章小波分析 小波分析是一种时间窗和频率窗都可以改变的时频局部化分析方法。与小波变 换相比，小波包算法能够为信号提供一种更加精细的分析方法，它将频带进行多层 次划分，对小波变换中没有细分的高频部分作进一步分解，在低频和高频段均有较 高的分辨率。小波分析的重要应用之一是用来提取出信号中的奇异点和不规则的突 变部分，所以它成为行波定位方法中用来检测阻抗不连续点反射波的重要工具。 小波分析是应用数学的一个分支，十几年来被许多领域研究并应用。与f o u r i e r 分析相比，其主要特点是在时一频域中同时具有很好的局部化特性，因此成为分析 非平稳变化信号或具有奇异性信号的有力工具。 由于注入信号是电压脉冲信号，因此在线路端点处检测到反射行波表现为突变 的、具有奇异的信号。故可以利用小波分析来检测突变点的位置和突变时刻。 2 2 小波变换 2 2 1 连续小波变换 小波分析方法是一窗口面积固定但其形状可以改变，时间窗和频率窗都可以改 变的时频局部化分析方法，在低频部分具有较高的频率分辨率和较低的时间分辨 率，在高频部分具有较高的时间分辨率的和较低的频率分辨率【3 5 m 】，连续小波变换 的定义如下。 设x ( t ) 是平方可积函数，、i ，( t ) 是被称为基本小波的函数，则 暇“f ) - 去p ( r 炒( 等卜( 蚺( r ) ) ( 2 1 ) 称为x ( t ) 的小波变换。式中口是尺度因子，且a d ；f 是位移，其值可正可负，qy 表示内积，它的定义是： ( 工( f ) y ( f ) ) = p ( f ) ，( f ) 出 ( 2 2 ) “，) = - 去( 等) 是基本小波的位移与尺度伸缩。公式( 2 1 ) 中r 、口和r 均是连续 变量，因此，公式( 2 1 ) 称为连续小波变换，记为c w t 。 尺度因子口的作用是将基本小波缈( f ) 作伸缩，口越大，i 三l 越宽。对于一个持 、口， 续时间有限的小波，叭f ) 与，( f ) 的关系如图2 1 所示。在不同尺度下，小波的持续 9 华北电力大学硕士学位论文 时间，也就是分析时间的区段口的加大而增宽，幅度与石成反比，但波的形状保持 不变。，r ( f ) 表示式中因子击的作用是使，r ( f ) 在不同的4 值下能量保持相等。 ji 缈【f ) o vv 7 j 、，一鼍 vv y口一一 一 j- y i 了j 图2 1 小波的位移与伸缩 2 2 2 离散小波变换 在实际应用中，尤其在计算机上实现，需要能在一些离散的尺度因子和位移值 下计算小波变换，而又不致丢失信息的离散小波变换。通常，把连续小波变换中的 尺度参数口取作口= l ，赢，磅，矗。此时相应的小波函数是口。於 f ，f 啄( ，一f ) i ，= o l ，2 ，。 位移的离散化就是当口= 罐= l ，即，= o 时，f 以某一基本间隔f o 作均匀采样，f o 的选 择原则是使信息不丢失。在其余各尺度下，由于啄，f ) 的宽度是少( f ) 的倍( 相 当于其频率降低) ，因此采样间隔可以扩大口i f 倍，也就是说，在某一_ ，值下，沿f 轴 以间隔口3 f o 作均匀采样可以保证信息不丢失。这样。，( f ) 可以写成： 孔 丽一磁) = 张p 咖| 记作枷( f ) ( 2 - 3 ) 在这些点上计算得w t 称为离散小波变换，记作暇( ，钒) = 卜( f k ，( f ) 疵， j = 0 ，l ，2 ，七z ，z 为正数集合。 实际使用中，一般取印= 2 ，= 1 ，此时得到的小波变换称为二进制小波变换， 记作 华北电力大学硕士学位论文 暇( _ ，七) = p ( f 昧( f ) 出 2 2 3 多分辨率分析 ( 2 4 ) 上面介绍的小波理论，包括连续小波变换和离散小波变换，在影射到计算域的 时候存在很多问题，因为两者都存在信息冗余，在对信号采样以后，需要计算信息 的信息还是相当的大，尤其是连续小波变换，因为要对精度内所有尺度和位移都做 计算，所以计算相当的大。而二进制小波变换虽然在离散的尺度上进行伸缩和平移， 但是小波之间没有正交性，各个分量的信息掺杂在一起，为我们的分析带来了不便 【4 2 】 o 多分辨率分析就是要构造一组函数空间，每组空间的构成都有一个统一的形 式，而所有空间的闭包则逼近( r ) 。在每个空间中，所有函数都构成该空间的标准 化正交基，而所有函数空间空间闭包中的函数则构成产( 尺) 的标准化正交基。那么，如 果对信号在这类空间上进行分解，就可以得到相互正交的时频特性。而且由于空间数目 是无限可数的，可以很方便地分析我们所关心的信号的某些特性【4 2 】。 关于多分辨率的理解，我们在这里以一个三层的分解进行进一步分解，其小波分解 树如图2 1 所示。 ? i 匕 il i i 既 l _ i 八 i 甄 图2 2 三层多分辨率分析结构图 从图2 2 所示我们可以明显看出，多分辨分析是只对低频部分部分进行进一步的分 解，而高频部分不予以考虑。这里强调一点，这里是以一个三层分解进行说明的，如果 要进行进一步的分解，则可以把矿。进一步分解下去。 在数字化实现中，人们需要的是离散滤波器。而多分辨分析能够提供低通滤波 器和高通滤波器，可用于信号的分解和重构【4 2 1 。 华北电力大学硕士学位论文 2 3 小波分析用于检测信号奇异性 信号( 函数) 奇异性是指信号( 函数) 在某处有间断或某阶导数不连续。反过 来，无限次可导的函数是光滑的或没有奇异性。奇异点即突变点，往往包含了信号 的重要特征【4 2 1 。 在数学上，信号的奇异性通常用“p c h i t z 指数函数来刻画。在小波分析出现之 前，人们常用f o u r i e r 变换衰减的速度来研究信号在某处的间断、有奇异的情况， 根据f o 嘶e r 变换对信号的表示速度来确定该信号的有无奇异性并判断奇异性的大 小。由于f o 嘶e r 变换对信号的要么在时域，要么在频域，缺乏空间局部特性，因 而f o u r i e r 变换只能确定信号奇异性的整体性质，无法确定信号奇异点的空间分布。 小波变换具有时一频局部化特性，能够有效地分析信号的奇异性，确定奇异点的位 置与奇异度大小【4 2 】。 通常情况下，信号的奇异性分两种情况：一种是信号在某一时刻内，其幅值发 生突变，引起信号的非连续，幅值的突变处是第一类间断点；另一种是信号外观上 很光滑，幅值没有突变，但是，信号的一阶微分是不连续的，称为第二类间断点【3 5 1 。 小波变换的模极大值点对应于信号的奇异点( 突变点) ，通过检测模极大值点 来找到信号的奇异点。基于小波变换的奇异性检测可以应用于故障诊断、图像的多 尺度边缘提取、信号恢复与去噪、语音基音周期检测等领域。 2 4 小波分析用于信号消噪处理 2 4 1 噪声信号的小波分析特性 运用小波分析进行一维信号消噪处理是小波分析的一个重要应用之一，下面我 们将其消噪的基本原理作一个简要的说明【3 5 1 。 一个含噪声的一维信号的模型可以表示成如下的形式： s ( f ) = 厂( f ) + j e ( f ) ( 2 5 ) 其中f = o ，l 一1 ，厂( f ) 为真实信号，e ( f ) 为噪声，s ( f ) 为噪声的信号。 在这里我们以最简单的噪声模型加以说明，即认为e ( f ) 为高斯白噪声( 0 ，1 ) ， 噪声级( n o i s el e v e l ) 为1 。在实际工程中信号通常表现为低频部分或是一些比较平 稳的信号，而噪声信号则通常表现为高频的信号，所以消噪过程可按如下方法进行 处理：首先对信号进行小波分解( 如进行三层分解，分解过程如图2 1 所示) 则噪 声部分通常包含在，弼，中，因而，可以以门限阀值等形式对小波系数进 行处理，然后对信号进行重构即可以达到消噪的目的。对信号s ( f ) 的消噪的目的就 是要抑制信号的噪声部分，从而在j ( f ) 中恢复出真实信号厂( f ) 。 一般来说，一维信号的消噪过程可分为三个步骤进行： 1 2 华北电力大学硕士学位论文 ( 1 ) 一维信号的小波分解。选择二个小波并确定小波分解层次，然后对 信号s 进行层分解。 ( 2 ) 小波分解高频系数的阀值量化。从第1 层到底层的每一层高频系数 选择一个阀值进行软阀值量化处理。 ( 3 ) 一维小波的重构。根据小波分解的第层的低频系数和经过量化处理 后的第1 层到第层的高频系数，进行一维信号的小波重构。 在这三个步骤当中，最关键的是如何选取阀值和如何进行阀值量化，从某种 程度上说，它直接关系到信号消噪的质量。 2 4 2 噪声在小波分解下的特性 在这里我们将噪声看成普通信号，并对它进行分析，那么有三个主要的特征 需要注意，即相关性、频谱和频率分布【”】。 总体上来说，一个一维离散的信号，它的高频部分影响的是它的小波分解的高 频第一层，低频部分影响的是它的小波分解的最深层及其低频层。如果对一个只是 。由白噪声组成的信号进行小波分解，则可以看出：高频系数的幅值随着分解层次的 增加而很快地衰减，并且高频系数的方差也很快地衰减。当通过滤波器将有色噪声 引入后，该信号就不是白噪声了。对于小波分解系数用c 阢砂表示，其中，代表小 波尺度，后代表时间，我们可以对噪声信号引入一些常用的性质。 ( 1 ) 如果所分析的信号是一个平稳、零均值的白噪声，则其小波分解系数是 不相关的。 ( 2 ) 如果分析信号是高斯噪声，则小波分解系数是独立，也是高斯分布的。 ( 3 ) 如果所分析子信号是有色、平稳、零均值的高斯噪声序列，则其小波分 解系数也是高斯序列。对于每个尺度，其系数是一个有色、平稳序列。 ( 4 ) 如分析信号是一个零均值的a r m a 的固定模型，则对于每一个小波分解 尺度_ ，c 仍砂( 七是整数) 也是固定的、零均值的a r m a 模型，它的特性取决于尺 度 2 5 小结 本章介绍了小波变换的定义及其性质，根据小波的性质我们具体分析了小波分 ， 析的两个应用：一是检测信号的奇异性；二是消除信号的噪声。这为我们后面g 型 行波测距法的实现提供了理论支持。 华北电力大学硕士学位论文 3 1 引言 第三章行波定位原理及其定位方法的研究 本章分析了行波在传输线路中的波动过程、传输特性以及行波传输过程中在波 阻抗不连续点发生反射、折射的原理；介绍了几种利用行波进行故障定位的方法， 并对各种定位方法进行比较。对于分支较多的配电线路提出了双端不同时c 型行波 故障定位的方法，本文定义此种定位方法为g 型行波定位法。 3 2 传输线的波过程 线路上的任何扰动，例如短路，其电气量均以行波的形式向系统的其它部分传 播，经过多次的反射和衰减，进入一个新的稳态。两个稳定状态之间是信号的暂态 过程，这个过程是行波运动过程【1 0 1 。 在很多时候我们讨论电路问题的时，用集中参数进行表示。根据电磁场的理论， 电磁波是以一定速度，传播的，这个速度是光速，在真空中约为3 1 0 8 m s 。电磁波 的波长兄= w 厂，其中厂为频率。频率越高，波长越短。当一个实际电路的外形和 波长相比“很小 ，而可以忽略不计时，电磁波沿电路传播的时间几乎为零。在有 线通信或电力传输中使用架空线或电缆传递信号能量。这类传输线的“尺寸 比之 波长就不一定“很小一了【4 3 】。因此我们讨论传输线的波过程时需采用分布参数。 图3 1 为一单相均匀无损线路及其分布参数等值电路图： 图3 1 单相均匀传输线分布参数电路图 图中3 1 是一条单相均匀无损线路，在f 点对地有一直流电源，k 为开关。下 面部分是其分布参数等值电路。c o c 2 表示单位长度线路对地分布电容，厶一丘表 示单位长度导线电感。 1 4 华北电力大学硕士学位论文 当开关闭合时，电源首先对c o 充电使岛上的电压上升为u ，c o 带电后在其周 围建立起电场，电荷在电场的作用下向两边运动，同时电感中将有电流流过，在导 体周围建立磁场。经一定时间后，c l 、c 2 上的电压为【，厶，厶上则流过电流为，。 所以u 是以一定速度向+ x 和方向运动的，即电场是以一定速度运动的。当电压 以一定速度运动时，对应的电流也以一定的速度运动，即存在以一定速度运动的磁 场。 当u ，j 运动到某一点时，该点获得电压、电流及一定的电磁场。这个运动着 的u 和，称为电压行波和电流行波，行波沿无损导线的传播过程就是平面电磁场的 传播过程，对架空线路来说周围介质是空气，电磁场的传播速度接近光速【4 3 1 。故电 压行波和电流行波在架空线路中都以接近光速向前传播。 3 3 波动方程 电阻、电导、电容、电感沿线到处相等的传输线，这种传输线就称为均匀传输 线。以单相线路为例，设其单位长的参数为：岛，c o ，岛，g o ，设想均匀传输线是由 一系列的集总元件构成的，也就是设想它由无穷小的长度的单元出组成的，每一长 度单元出具有电阻出、电感岛出、电容c o 出和电导g o 出。这样就构成了图3 2 所示电路模型。 图3 2 线路分布参数的等值电路 设在出左端的电压和电流为和f ，在出右端的电压和电流为“+ 孚出和 c f + 昙出，根据k c l ，对于节点b ，有 c r 一( ，+ 妾出) = g o ( “+ 妻出) 出+ c o 言( “+ 塞出) 出 对于回路a b c d 应用k v l ，则有 一( “+ 塞出) = 民派+ 如塞出 ( 3 1 ) ( 3 2 ) 华北电力大学硕士学位论文 略去二阶无穷小量并约去出后，得到下列方程： 一罢哪+ 岛鬈 一妾= g o “+ c o 警 ( 3 3 ) 慝 。3 4 ， 【一罢= 岛害 “ l 一窘蝴窘 l 一鲁= 岛c o 箬 f “( 毛r ) = 石( ，一詈) + 正( r + 詈) = “+ + “一 【z ( 薯r ) = 石( r 一考) 一厶( ，+ 詈) ，z ：= 广一厂 把( 6 ) 式写成频域形式： iu ( 五功) = u + ( 五彩) + 旷( 而功) 【f ( 而彩) 一，+ ( 毛缈) + 厂( 五缈) 舯归赤亍z c = 历 经分析上面的式( 3 6 ) 和( 3 7 ) ，我们不难看出：旷为沿工轴正方向运动的 电压行波，故称为正向行波，旷为沿x 轴负方向运动的电压行波，故称为反向行波： 同理，+ 为正向电流行波，厂为反向电流行波；1 ，= 喜实际上为行波的波速度， q 简称波速，对于无损线路，v 等于光速。 对于正向电压波u + 与电流波，+ 之间，满足关系： u + 广= z c ( 3 8 ) 对于反向电压波u 一与电流波厂之间，满足关系： )、，、 5 6 7 - 2 j 2 j f _ j ( ( ( 华北电力大学硕士学位论文 u 一| i 一= 一z c ( 3 9 ) 由式( 3 8 ) 与( ( 3 9 ) 看出，正向电压、电流波同极性，而反向电压、电流波反极 性。 而电压行波与电流行波的比值：乙= 岛c 0 被称为线路的波阻抗。线路的波 阻抗z c = 岛岛，取决于线路单位长度的电感岛和电容c o 、岛、c o 除与线路所 用介质材料、介电系数与导磁系数有关外，还与线路芯线的截面积和芯线与外皮之 间的距离有关。不同规格和种类的线路，其波阻抗也不同。线路芯线截面积越大， 波阻抗值越小。一般架空线路的波阻抗值在3 0 0 5 0 0 欧左右，电缆线路的波阻抗 变化较大，一般在l o 1 0 0 欧左右。行波信号在架空线和电缆中的传播速度不同， 对于架空线路的波速度接近光速，而电缆线路的波速度约为光速的一半【4 4 1 。 线路的波阻抗与线路本身的结构与绝缘介质及导体材料有关，而与长短无关