（电力系统及其自动化专业论文）双端行波故障测距方法的深入研究.pdf

山东大学硕士学位论文 富的频率成分，由于线路和大地的集肤效应，各模量不同频段的分量有不同的波 速，因此各尺度小波变换下应选用不同的波速。本文给出了测距中使用的各模量 在所用尺度下的波速的计算方法，经仿真得到了较好的测距结果。 理论和仿真结果表明，本文所作的工作提高了行波故障测距在不同线路结果 情况下的适应性、精度和可靠性。 关键词：故障测距、行波、小波变换、同杆并架双回线、波速 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h et h e o r yo f u s i n gt r a v e l i n gw a v ei nt r a n s m i s s i o nl i n ef a u l tl o c a t i o nh a se x i s t e d f o ral o n gt i m e b u tf a u l tf r a y e l i n g r a v es i g n a li sc o n s i d e r e dt ob eak i n do fs i n g u l a r n o n - s t a t i o n a r ys i g n a la n dh a sc o m p l e xf r e q u e n c yd i s t r i b u t i o na n dh i g hl r a v e l i n g v e l o c i t y i na d d i t i o n , t r a d e rt h ei n f l u e n c eo ft h ee l e e l r o m a g n c t i ec o u p l i n gb e “嗍 p h a s e so ft h es i n g l e - c i r c u i t a n dd o u b l e - c i r c u i t p a r a l l e l t r a n s m i s s i o nl i n e , t h o i m b a l a n c ea n df r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i co ft h et r a n s m i s s i o nl i n ep a r a m e t e r s ，d i f f e r e n t c o m p o n e n to ft r a v e l i n g r a v ch a 8d i f f e r e n tg r a d eo fa t t e n u a t i o n , a b e r r a t i o na n d t r a v e l i n gv e l o c i t y a l lo f t h e s ec h a r a c t e r sb r i n gd i t f i e u l t i o st oc l a o o s ot h ev e l o c i t ya n d m e a 吼l 把t h et r a v e l i n gw a v ea r r i v i n gt i m e b a s e do nt h ee x i s tt h e o r i e s t h i sp a p e rf o c u s o nt h er e s o l u t i o no fa ut h ed i 街e u l t i e sm e n t i o n e da b o v ea n di l l u s l r a t 簋am o l e i n t e g r a t e da n dr e l i a b l em e t h o dt ol o c a t et h et r a v e l i n gw 甜ef a u l t , b yu s i n gw a v e l e t a n a l y s i sa n dp h a s e - m o d et r a n s f o r m a t i o na sr e s e a r c ht o o l s t h em a j o r i t yo fw o r ki n t h i ss t u d yi sl i s t e d 蠲f o l l o w s ： a n a l y z i n ga n ds t t m m a r i z i n gt h ec a p a c i t yo ft aa n dt vt ol r a n s f o r mh i g h f r e q u e n c yl r a v e l i n gw 钢es i g n a l ；t l a e o r e t i e a l l ya n a l y z i n ga n ds i m u l a t e dc o m p a r i n gt h e s i n g l e - e n d e da n dd o u b l e - e n d e dt r a v e l i n gw a v em c a s u l t ：m e t h o d s i n a s p o c to f r e l i a b i l i t y , p r e c i s i o n a n da d a p t a b i l i t y b a s e d0 1 1t h i s p a p e r sr e s e a r c h e s , t h e d o u b l e - e n d e dm e a 蜘l r em e t h o du s i n gc u r r e n tt r a v e l i n gw a v ei sc o n s i d e r e dt ob em o l e l e a s i b l ea n dl e f t a b l e f o rt h oe l e c t r o m a g n e t i cc o u p l i n gb e t w e e np h a s e so ft h e 缸羽1 锄i s s i l i n e , d i f f e r e n tc o m p o n e n t so f t r a v e l i n gw a y i ，h a v ed i f f e r e n tt r a v e l i n gp a t h s , d i f f e r e n tg r a d e s o fa t t e n u a t i o na n da b e r r a t i o na n dd i f f e r e n tt r a v e l i n gv e l o c i t i e s i t e n e ei ti si m p o r t a n t t oc h o o s es u i t a b l et r a v e l i n gw a v ec o m p o n e n t sf o rf a u l t i n gl o c a t i o n b a s e d0 1 1t h e p h a s e - m o d o t r a n s f o r m a t i o no fs i n g l e - e i r e u i t t a - a n s m i s s i o n l i n e , p h a s e - m o d e t r a n s f o r m a t i o no fd o u b l e - c i r c u i tt r a n s m i s s i o nl i n ei se m p h a s i z e di nt h i sp a p e r t h o s u i t a b l em o d e so f c u r r e n tt r a v e l i n gw a v ef o rf a u l tl o c a t i o n 黜c l a o s c na c c o r d i n gt ot h o 山东大学硕士学位论文 r e s e a r c h e si np a r a m e t e r s c h a r a c t e r i s t i co f e v e r ym o d e f a u l tt r a v e l i n gw a v eo nt r a n s m i s s i o nl i n ei sak i n do fs m g u l a rn o n - s t a t i o n a r y s i g u a l w a v e l e ta n a l y s i si sw i d e l yu s e dt od e t e c ts i n g u l a rp o i n to ft h i sk i n do fs i g n a l , p r o f i tf r o mi t sf a v o r a b l el o c a l i z a t i o np e r f o r m a n c ei nb o t l it i m ea n df r e q u e n c yd o m a i n t r a v e l i n gw a v eh a sh i g hv e l o c i t i e sa n df l e q u a n c i e s ；t i n ye r r o ri ns i n g u l a rp o i n t p o s i t i o nw i l lc a u $ eb i ge r m ri nf a u l tl o c a t i o n s oi ti si m p o r t a n tt oc h o o s es u i t a b l e w a v e l e tf u n c t i o n s i nt h i sd i s s e r t a t i o n , a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co ft r a v e l i n g w a v e , t h ep r i n c i p l e so fc h o o s i n gw a v e l e tf u n c t i o na n ds c a l e 撇s u m m a r i z e da n dt h e f a u l tl o c a t i o np e r f o r m a n c eo ft w ok i n d so fg a u s sw a v e l e tf u n c t i o n , m o r l e tw a v e l e t f u n c t i o na n dt w ok i n d so f b - s p l i n ew a v e l e tf u n c t i o na r oa n a l y z e da n ds i m u l a t e d a n d t h ed e r i v a t i o no f e q u i v a l e n tf i l t e rc o e f f i c i e n t so f b - s p l i n ew a v e l e ti sp r e s e n t e d 1 1 坞r e s e a r c h e si nc h o o s i n gt r a v e l i n gw a v ev e l o c i t ya n da c q u i r i n ga r r i v i n gt i m e o n l ym a k e8 9 n s ow h e nt h e ya b a n d e dt o g e t h e r w a v e l e tt r a n s f o n mi nd i f f e r e n t s c a l e sm a t c hd i f f e r e n tf r e q u e n c ys e g m e n t so fs i g n a l t h et r a v e l i n gw a v es i g u a lh a s c o m p l e xf r e q u e n c i e s s i g n a l sw i md i f f e r e n tf r e q u e n c i e so fd i f f e r e n tm o d e st r a v e li n d i f f e r e n tv e l o c i t i e s i nt h i sd i s s e r t a t i o n , t h ec a l c u l a t i o nm e t h o d so fm o d ev e l o c i t i e s u n d e rd i f f e r e n ts c a l e sa r ep r e s e n t e d 皿圮t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a tt h es t u d i e si nt h i s d i s s e r t a t i o nc a r li m p r o v et h ea c c u r a c y , r e l i a b i l i t ya n da d a p t a b i l i t yo ft r a v e l i n gw a v e f a u l tl o c a t i o n k e y w o r d s ：f a u l tl o c a t i o n ；t r a v e l i n gw a v e ；w a v e l e tt r a n s f o r m ；d o u b l e - c i r c u i t t r a n s m i s s i o nl i n e ；t r a v e l i n gw a v ev e l o c i t y 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。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。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：薹亚墨丝 日 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或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；本人授权山东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、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：至# 薹竺导师签名： 日期：二= 2 ：竺：2 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 高压输电线路的故障测距是在高压输电线路发生故障后，迅速找出故障位 置，从而可以快速排除故障，减少因停电造成的损失的工程问题。它是保障电力 系统安全稳定运行的重要途径，是电力系统继电保护体系的重要组成部分。本章 介绍了输电线路故障测距研究的背景和意义；概括分析了已有的故障测距方法： 将其分为利用故障后电力系统稳态量的常规测距方法和利用故障暂态行波的行 波测距方法，比较了各种方法的优缺点；并依据现有行波测距方法的精度和待解 决的问题，介绍了本文所作的主要工作。 1 1 输电线路故障测距研究的背景和意义 随着电力系统的不断发展，输电线路电压等级和输送容量逐步提高。而高压 输电线路( 1 l o k v 及以上电压等级的架空输电线路) 是电力系统的命脉，承担着 主要的电能传输的责任，高压输电线路故障对社会经济生活造成的影响和损失越 来越大。因此发生故障后快速找到故障点，切除故障，恢复系统正常供电十分重 要【1 1 1 2 从现有的恢复运行的经验来看，花在设备维护的约一半时问是找出故障位 置，这一方面是因为我国幅员辽阔，如东北、西南、西北等地区山地和丘陵地带 较多，一旦发生输电线路故障，难以查找位置，而若故障发生在夜间、冬季等恶 劣的条件下，更会给巡线人员的工作带来很大的困难【1 1 另一方面，随着快速继 电保护装置与断路器的应用，故障切除时间大大缩短，使得大部分故障没有明显 的破坏迹象，尤其是闪络等瞬时性故障约占9 0 - - 9 5 1 3 1 ，这类故障造成的局部 绝缘损伤一般没有明显的痕迹，这就要求故障定位结果尽可能的准确，同时配合 现场人员的运行经验和其他现场检测设备，才能保证故障被快速发现。 综上所述，准确的输电线路故障测距技术可以帮助快速查找故障并及时修复 故障，从而节省了故障巡线所消耗的人力、物力，减少了停电损失：同时故障测 距还可以帮助分析故障发生的原因，提醒维护人员注意绝缘薄弱点，采取预防措 施，从而提高供电的可靠性【2 】。 山东大学硕士学位论文 1 2 输电线路的故障类型 输电线路的故障可以从两个方面进行分类，依据故障的形式将其分成：单相 接地短路故障，相间短路故障，多相接地短路故障，断相故障，对于多回线线路 还存在跨线故障。其中单相接地短路故障发生频率最高，是测距研究和仿真的重 点，而相间短路故障和多相接地故障往往造成的影响更大、更恶劣。在目前高压 输电线路中普遍应用的同杆并架双回线路还存在着跨线故障，跨线故障的情况比 较复杂。因为单回线路的简单故障只有1 1 种，而双回线路的故障则多达1 2 0 种， 其中接地故障6 3 种，不接地故障5 7 种；单回线路故障2 2 种，跨线故障9 8 种。 虽然跨线故障在分类中占多数，但单回线故障的比例仍占8 0 以上【4 】。同时由于 多回线比单回线具有更复杂的线间电磁耦合，因此对其进行电磁暂态的分析与计 算更加困难。 依据故障的性质和影响，还可以将架空线路故障分为以下几种嘲： ( 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 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，像施工、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 在低电压时不会出现故障状态，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。 常规的故障测距主要针对前三种故障。 2 山东大学硕士学位论文 1 3 对故障测距装置的要求 故障测距装置应满足可靠性，准确性，经济性，易操作性和通用性等方面的 基本要求【2 】。其中准确性是最重要的要求。由于绝大多数故障点都位于某一杆塔 的绝缘部位，因而故障测距只要能够定位到离故障点最近的杆塔或档距( 要求绝 对误差一般不超过3 0 0 m ) 就非常理想。从实用的角度来看，只要绝对误差不超 过l k m 就可以较好地满足现场要求。实际上测距的准确性与可靠性是相关联的， 如果测距误差过大，比如超过线路全长的2 0 0 时，我们说测距结果是不可靠的 国家电力公司颁布的全国电力调度系统“十五”科技发展规划纲要对线路故 障测距提出了比以往更高的要求，即要求综合误差不超过i 。另外，由于线路 的参数和所处环境不同，造成了线路之间，特别是长线路上高频分量的衰减与畸 变情况有很大区别，这就对利用故障后暂态分量进行测距的方法提出了更高的要 求，要求测距装置和测距算法能适应不同的线路状况实际上，让一种测距技术 或装置同时满足以上几点要求是很困难的。一种合适的测距技术或装置应该是以 上所有指标的综合平衡，但可靠、准确是任何一种测距装置必须满足的要求。 1 4 故障测距方法的概述和总结 故障测距的任务就是当线路的某一点出现短路时，设法通过线路两端的实测 电流、电压及线路阻抗等参数来计算出故障距离。其研究方法大致有两类：一类 是利用故障后的稳态量，计算故障阻抗从而求得故障距离，或者直接将待测故障 距离作为未知量，利用单端或两端所测到的电压和电流稳态量数据构造线路方程 或方程组求解得到。另一类是利用高频故障暂态电流、电压行波及其折、反射波 到达测量点的时间和波速来确定故障距离。 1 4 1 利用故障后稳态量的常规测距 利用故障后稳态量计算故障距离的方法有故障阻抗法、故障分析法和电压分 布法，它们可以利用线路两端的测量信息，也可仅利用单端测量信息。 ( 1 ) 阻抗法 线路故障时故障回路的阻抗( 电抗) 与故障距离成正比，阻抗法即通过故障 3 山东大学硕士学位论文 时测量到的电压、电流计算出故障回路阻抗( 电抗) 来估算故障距离。单端阻抗 测距法多以线路集中参数模型为基础，从计算的角度而言，可简单归结为迭代法 和解二次方程法。迭代法有时可能出现收敛到伪根或难以收敛甚至不收敛的情 况，解二次方程法存在区内伪根的问题。它们的定位精度不高主要是由于不能消 除故障点过渡电阻、对侧系统运行阻抗、负荷电流等因素的影响。双端阻抗测距 算法有很多，一般可以分为两类，一是基于两端同步采样数据的算法，算法简单， 但同步采样不易实现：二是基于两端非同步采样数据的算法，算法复杂，计算量 大。双端法都必须使用信道来传递线路两端信息。一般对通道的实时性要求不高， 只须用调制解调器与简单的通讯线路来实现数据的传递即可。利用双端信息的阻 抗法原理上可以消除过渡电阻等的影响，做到精确测距，虽然在实际应用时还存 在一些问题，但相对而言，它比单端阻抗测距法精度高些【l l 。 ( 2 ) 故障分析法 单端故障分析法与阻抗法类似，它利用测量端的电流故障分量分布系数来消 除过渡电阻的影响。电流分布系数一般为复数，而且是故障线路两端系统阻抗及 故障距离的函数，因此当故障线路两端系统阻抗已知时故障距离可以通过迭代法 或求二次方程法得到。从原理看，利用单端电气量的故障分析法难以实现准确故 障测距。目前比较常用的一种近似做法是通过假定故障支路的电流与测量点的电 流故障分量具有相同的相位，即假定测量端的电流故障分量分布系数为实数来减 小过渡电阻的影响。但实际上由于长线路分布电容和对侧系统助增电流的影响， 故障支路的电流与测量点的电流故障分量不同相位，针对这个问题，人们又提出 了多种不同的处理方法，包括：实时对称分量法、利用傅氏和拉氏变换的方法、 零序电流相位修正法等。它们共同的局限是：未考虑线路分布电容；受对端系统 运行阻抗变化影响；受过渡阻抗性质和大小的影响；测距方程的增根问题等等。 双端故障分析法同时利用线路两端的测量电压和测量电流( 也可仅利用两端 电压和近端电流) 来消除过渡电阻的影响，而且不需要线路两端的系统参数，但 需要解决两个问题：一是两端测量信号的同步，而是两端测量信号的信息交换。 目前对于同步问题有三种处理方法：一是利用g p s 技术实现同步采样，进而利 用线路两端电压和电流向量构造测距算法，或者直接利用线路两端电压和电流值 构造测距算法。二是不需要同步采样，而利用线路故障前任意一端电压和电流向 量之间的关系构造数据同步的测距算法。三是利用线路两端的正序和负序电压、 4 山东大学硕士学位论文 电流相量直接构造不需数据同步的测距算法。 利用稳态量的故障测距方法存在以下影响因素： ( 1 ) 过渡电阻 存在于利用单端稳态电气量的故障测距中输电线路一般采用双端电源供 电，线路故障时对端电源向故障支路提供助增电流，这使得故障支路电流与本端 量测电流相位不一致，因此过渡电阻的存在使得本端测量阻抗中增加了一项难以 消除的非电阻性分量，从丽造成测距误差。 ( 2 ) 线路分布电容 阻抗法一般采用线路的r - l 集中参数模型，不计线路分布电容的影响。随着 线路电压等级的升高和线路长度的增加，分布电容也随之增加，从而影响测量精 度。为了计及分布电容的影响，必须采用线路的型模型或分布参数模型，但相 应算法复杂，求解困难。 ( 3 ) 暂态故障分量 在高压输电线路发生故障时，线路电压和电流中除了工频分量外还含有大量 的谐波分量和衰减非周期分量，因而为了提高测距准确性，必须设计高性能的数 字滤波算法，以削弱这些故障暂态分量的影响。 ( 4 ) 线路结构不对称 在需要根据故障类型的不同选择合适的对称分量来构造测距算法时，由于实 际输电线路的架设是不对称的，靠线路换位来获得较对称的三相线路参数也只是 对于线路全长来说的。当线路中某一点故障时，故障点到母线之间的各相参数是 不对称的，从而导致测距误差 ( 5 ) 大地电阻率的影响 输电线路的走廊地形复杂，造成线路零序参数沿线路变化不均匀，从而显著 影响接地故障的测距精度。 ( 6 ) 适应性较差 首先，基于工频电气量的故障测距方法不能适用于直流输电系统；其次，在 有串补电容的输电线路上，当故障电流较大时，串补电容两端的电压也较大，因 而造成保护间隙不均匀击穿，这给串补电容所导致的测距误差的补偿带来困难； 第三，t 型线路中的分支线会影响测量阻抗，并且不容易补偿 5 山东大学硕士学位论文 ( 3 ) 电压分布法 在输电线路上发生故障时，故障点处的电压有最小值。电压分布测距法是对 故障线路上各点电压进行计算，则电压的极值点就是故障点。为了达到精确故障 定位的目的，输电线路应采用分布参数模型进行计算，以克服因不考虑线路分布 电容时，集中参数模型带来的误差。以故障线路一端( 或两端) 的电压和电流为 边界条件，通过求解描述线路电磁暂态过程的电报方程可以获得故障线路沿线各 点的电压分布。在此基础上，利用一特定的故障测距函数，可以找出线路上的电 压最低或最高点，该点即为故障点。 文献【6 】利用单端测量的电压电流计算电压沿线分布函数对距离的导数，而 电压分布函数对距离导数的范数在故障点呈现最小值的思想，提出了只利用单端 量的电压分布测距方法。但是该方法要求采样率较高且没有考虑电压经过电压互 感器( t v ) 时发生的畸变。 由于受过渡电阻以及线路参数的影响，电压分布法难以保证测距结果的精 度。 1 4 2 利用故障暂态行波的行波测距 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，并对其进行分析和计算的基础上的。各种行波测距方法主要分为a 、b 、 c 、d 四类：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；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。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 方法在行波测距法发展的早期得到过应用，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 6 山东大学硕士学位论文 距方法。值得一提的是根据故障后断路器的分闸和重合闸所产生的行波又发展出 了e 型和f 型测距方法【2 】 1 5 行波测距方法的发展和影响其精度的关键技术问题 1 5 1 行波测距技术的发展 人们很早就认识到，输电线路故障时会产生向两端母线传播的行波。行波测 距法的基本思想就是利用所检测到的故障行波到达母线的时间差，与波速的乘积 来确定故障发生的位置。暂态行波的传播速度比较稳定( 接近光速) ，因此行波 故障测距方法具有很高的测距精度。 早期行波法利用电子计数器或者阴极射线示波器来测量暂态行波的到达时 刻和传播时间，受到当时技术条件的限制，早期研制的行波测距装置结构复杂、 可靠性差、投资大，没有获得大面积的推广和应用。 而现代行波法则利用各种数字信号处理算法来测量暂态行波到达时刻和传 播时间现代行波测距法是在2 0 世纪7 0 年代末和8 0 年代所提出的行波距离保 护算法的基础上发展起来的，它的发展得益于电力系统电磁暂态计算理论【7 】、数 字信号处理( d s p ) 技术以及微机、微电子技术的发展。以b e r g e r o n 特征线法为 基础的电磁暂态计算程序( e m t p ) 的日臻完善，促进了人们对暂态行波特性的认 识深化和应用；随着微机、微电子技术的发展，实现高速数据采集和记录处理已 不是难事，为行波测距装置的研制提供了硬件基础；而数字信号处理技术的发展 为行波测距提供了多种可选择的算法( 如行波相关法、匹配滤波器法、小波变换 模极大值法等) 。 1 5 2 行波测距中影响测距精度的关键技术问题 1 暂态电压、电流行波的获取 暂态行波所覆盖的频带很宽，从几千赫兹到几百千赫兹为了能够在二次侧 观察到线路上的暂态行波现象，要求电压、电流信号变换回路要有足够快的响应 速度。长期以来，人们认为普通的测量工频信号的电压互感器( t 、，) 、电流互感 器( 1 a ) 很难传变暂态高频行波信号，因此，早期的行波测距装置设计专用耦 7 山东大学硕士学位论文 合设备测量电压行波信号，这样需要改造高压回路，投资大、复杂、不易推广。 但实际上，随着近几年的研究，这种看法有所转变。 ( 1 ) t v 的高频传输特性 经过研究和分析，高压输电线路上普遍采用的电容分压式电压互感器虽然确 实导致电压行波信号的衰减和畸变，但对于突变量检测来说，其二次侧信号还是 可以在一定程度上反映出行波浪涌的到达时间，归纳如下： 电容分压式电压互感器( a 仃) 在高压超高压，特高压输电线路中广泛采用。 早期的文献多认为c v t 的截止频率太低，不能满足行波传变的要求。 文献 8 】依据实际的7 5 0 k v 的c v t 的参数建立c v t 模型，对影响c v t 高频 响应特性的因素进行了分析，影响因素主要有； 1 铁磁谐振阻尼电路的阻值； 2 变压器的变比； 3 分压电容和调节电抗； 4 互感器的负荷。 文献 8 】中仿真发现，在实际参数下，超过l k h z 的高频分量会产生较大的幅 度衰减和相移。但实际行波的频率成分集中在几千赫兹到几百k h z ，因此实际使 用检测行波波头会产生错误。但调整互感器的参数可以优化c v t 的高频响应特 性。将铁磁谐振阻尼电路的阻值设为1 0 0 h m ，分压电容和互感器变比增加5 0 ， 用小波变化求取模极大值，可以发现在原互感器参数下，二次侧的行波波头电压 模极大值幅值是一次侧的十分之一，调整参数后可上升为二分之一左右。 文章得出的结论是c v t 传变高频电压信号确实会带来衰减和相移，但通过 调整互感器参数可以在一定程度上优化他的高频响应特性。但实际应用中，失误 终究很难避免。需要在应用c v t 二次侧输出结果检测和还原行波波头的算法上 作进一步研究。 尽管如此，在实际的现场试验中仍然有利用c v t 捕捉电压行波实现故障测 距的成功范例。文献【9 】中就记录了利用c v t 二次侧实测数据对两侧葛岗线单相 接地故障成功捕捉到波头实现测距的现场实验。文章认为虽然c v t 对行波波头 有平滑作用，但c v t 二次侧的数据可以反映一次侧的行波特征，同时认为一， 二次绕组间的杂散电容对c v t 的暂态响应影响较大。 8 山东大学硕士学位论文 文献【l o 】中建立了考虑c v t 各部分间杂散电容的c v t 高频等值电路进行仿 真，结果表明，虽然c v t 二次信号与一次信号相比发生了很大的变化，不能真 实的传遍一次行波信号，但在行波到达的时刻，二次侧电压信号具有明显的频率 突变和高频震荡特点，使得利用c v t 二次侧信号进行行波波头检测提供了可能。 ( 2 ) t a 的高频传输特性 文献r i l l 给出了t a 的高频等效电路，并利用安捷伦a g i l e n t l c r 测试仪( 型 号为4 2 6 3 b ) i 贝! 量了t a 二次侧线圈电容对l k h 7 _ 一1 0 0 k h z 的脉冲信号的高频传输 特性。测量结果发现，在用于行波测距的暂态信号行波的频率范围内，t a 有较 好的信号传输特性，可以用于检测高频行波信号。另外，在较早的报告中，i e e e 委员会报告指出，电流互感器传输误差直到频率为1 5 k h z 时仍小于1 ，从系统 人工接地的录波结果也发现电流互感器二次波形上升很尖锐。2 0 世纪9 0 年代初， 我国学者对常规电流互感器的暂态响应特性进行了系统、深入的理论和现场试验 研究，结果表明常规电流互感器能够传变高达1 0 0 k h z 以上的电流暂态分量嘲， 并且提出了利用电流暂态分量的行波故障测距技术【”l 。 2 暂态行波数据的采集和记录 在行波测距装置的微机实现时，为了准确检测行波波头到达母线的时间，对 信号采样频率的要求非常高。因为行波传播的波速接近光速，1 毫秒的采样误差 将带来约1 5 0 m 的测距误差。因此，通常对行波信号的采样频率要求在1 m h z 或以上，这在以前是难以做到的，但随着微电子技术的高速发展实现高速数据采 集和记录处理已经不再困难，1 2 位的a 、d 转换芯片最高转换频率可达5 0 m i - i z ， 而且价格低廉，这为实现准确的行波定位装置奠定了硬件基础 5 1 同时，g p s 技术在电力系统中的应用，为研制现代电力系统同步时钟创造了 条件，进而使得双端现代行波故障测距原理的实现成为可能。现代通信技术的应 用为行波故障测距系统的实现奠定了网络基础 3 行波浪涌到达时刻的标定 线路上的暂态行波浪涌具有从低频到高频的连续谱，其中不同频率分量的传 播速度是不同的。行波分量的频率越低，其传播速度越慢；行波分量的频率越高， 其传播速度越快。严格来讲，线路上任一行波浪涌的传播速度应定义为其中能够 到达测量点的最高频率分量的传播速度；与此相对应，线路上任一行波浪涌的到 9 山东大学硕士学位论文 达时刻应定义为其中能够到达测量点的最高频率分量的到达时刻，也就是该行波 浪涌波头的起始时刻。但是该起始时刻是很难检测到的，受行波频散、故障初始 角以及互感器或暂态耦合器响应速度等因素的影响，暂态行波信号的奇异性被大 大削弱。利用各种检测方法检测到的行波到达测量点的时刻，并不是对应予行波 的最快波速；若行波浪涌到达时闻与波速的选取搭配不当，则会产生较大的测距 误差。 以往的行波脉冲检测方法是通过比较电流行波信号是否越过门槛值实现检 测的，其抗干扰能力差，且难以精确地确定电流行波波头前沿到达的时刻。检测 行波浪涌最经典的算法是相关函数法和匹配滤波器法，但由于行波在传播过程中 其波形会发生畸变，降低了这些算法的可靠性。近年来，一种新的现代数字信号 处理算法一小波分析法在电力系统工程领域获得了广泛的应用，小波模极大值 摇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。同时，小波变 换方法由于其在时频域内都具有局部化特性，因此，很好地将行波浪涌到达时刻 的标定与波速的选择结合起来。增强了行波测距方法的波速选择问题在理论上的 依据和实际使用中的可靠性。 1 6 本文所做的工作 本文在对现有行波测距方法进行仿真和分析的基础上，对现有行波测距算法 的各个环节作了细致的研究，针对目前研究较少的方面进行了研究和仿真，并对 测距算法各个环节中所使用的方法进行了比较，所作工作归纳如下； ( 1 ) 分析总结了单端行波测距和双端行波测距所受的影响因素以及它们的精 度和可靠性。并对近期国内外学者对于电压互感器和电流互感器传变高频电压、 电流行波信号的能力进行归纳研究，在此基础上选择了更为可行和可靠的基于电 流行波的双端故障测距方法。 ( 3 ) 在阐述线路波过程和研究分析单回线路模理论的基础上，对更为复杂的 同杆并架双回线进行了模域中的研究和仿真，比较了各模量的传输特性及衰减情 况，选择了合适的模量作为同杆并架双回线的待分析量，根据实际线路搭建了同 杆并架双回线路模型并进行了仿真，得到了理想的测距精度。 ( 4 ) 仿真比较了b 样条小波、高斯小波以及m o r l e t 连续小波在检测行波波头 l o 山东大学硕士学位论文 方面的性能。总结出了用于行波测距的小波函数的选择原则 ( 5 ) 对于小波变换的不同尺度对应信号的不同频段这一特点，本文给出了测 距中使用的各模量在所用尺度下的波速的计算方法。 ( 5 ) 研究和仿真了t 接线对双端行波故障测距的影响，并与其对单端行波故 障测距的影响作了比较。 ( 6 ) 对于在以往行波检测算法和奇异信号检测中使用的n 次b 样条小波的等 效滤波器系数给出了详细的推导过程，并仿真比较了不同次b 样条小波的行波 波头检测能力。 山东大学硕士学位论文 第二章行波理论和行波测距基本原理 2 1 行波基础理论 2 1 1 故障行波源 若线路上发生接地故障，如图2 1 所示，网络所处的状态( 图2 1 a ) 为故障 状态，可用图2 - 1 b 等效。利用叠加原理，故障状态可分解为非故障状态( 图2 i c ) 和故障附加状态( 图2 i d ) 。 “2 咋+ 匕 f = + ( a ) 故障状态 m n ( b ) 故障状态等效 ( c ) 非故障状态 ( d ) 故障附加状态 图2 i 线路故障状态分解图 非故障状态是指线路故障前的正常运行状态，故障附加状态只有在故障后才 出现，作用在该网络中的电源就是与故障前该点电压数值相等方向相反的等效电 源阢，称为虚拟电源或附加电源。在该电源作用下，故障附加网络中将只包含 故障分量的电压唯和电流咯。故障分量独立于非故障分量，但仍受系统运行方 式的影响。整个故障后网络中各点的电压和电流就是故障前负荷分量( 电压蜘 和电流) 与故障分量的和，即 2 “，+ ( 2 1 ) l = 0 + 0 山东大学硕士学位论文 2 1 2 无损单导线线路中的波过程“观 当电力系统的某个部分的物理尺寸与暂态量的波长相比很小时，电磁波的行 进时间才可忽略不计。而发生故障时，产生的行波的频率分量很高，其波长与稳 态量的波长相比很小，电磁波的行进时间不能忽略。这时若使用集中参数的网络 模型则无法帮助我们理解波现象。 在分析线路的行波过程中，输电线路的模型必然是分布参数模型，分布参数 模型不仅考虑线路的电阻和电感，还考虑了导线之间的电导和电容，可以分析沿 线分布的电场和磁场以及沿线的电磁波过程。使用分布参数的模型，将线路看成 由无数个长度为d 】【的小段所组成，这时一条线路上的电流与电压在同一瞬时在 线路的全长上不一定有同一值。因此在分布参数线路模型中，各点的电压电流既 是时间的函数也是空间坐标的函数。 础厶矗f 一塑：鱼 堂o ，t ( 2 2 ) 一鱼：c 塑 。7 一墨：陋 d x ( 2 3 ) 一 一， 一_ d i = p 簖 其中，丁和玎为i 和u 的拉氏运算式。将( 2 3 ) 式合并后得： 一孽吖一 ( 2 4 ) 一墨= y 2 7 - 出2 山东大学硕士学位论文 其中，2 = p 2 l c ，即，= p z 石。 式( 2 4 ) 成为无损单导线的波动方程。对其求解得： 甜= 虬唧 x p l z 虿 + u _ e x p i 1 l 7 - = i + a x pj 一早卜唧旦1 ( 2 5 ) 冥中，虬，虬，t 函数的具体形式要由线路的边界条件和初始条件来决 定。将( 2 5 ) 式进行拉氏反变换得： 篆麓笛i v 徽) 4 - i 圳v ) f ( 毛r ) = ( 工一+ t 、。 其中，v = 击为波传播的速度a 上式即表示了图( 2 1 d ) 中故障附加状态网络 中的故障电压和电流的表达式。 从解式可以看出，当观察者沿x 轴正方向以速度v 运动时，“+ o 一忉， g 一加) 保持不变，相当于以速度v 行进的行波，称之为正向电压、电流行波， 同理，另外两项表示反向电压、电流行波。正、反向电压、电流行波的叠加即为 线路上检测到的的电压、电流行波。 由于1 ，= 兰一，对于单导线架空线而言，l 及c 如下： 4 l c 三：盟l i l 丝( 日，册) 2 ，、 c 2 器c 胁， g 乃 其中，h 为导线距离地面的平均高度，r 为导线的半径，凡和气分别为空气 的磁导率和介电常数，即波速只与导线的几何形状及周围介质的介电常数和磁导 t 4 山东大学硕士学位论文 率相关，则对于单导线线路来说， ，= ，妻一= 3 x 1 0 8 m a 即等于空气中的光 、，b f o 例如，对应于单根1 5 0 k v 的架空输电线，导线半径r - = 2 5 m m , 相间等效距离 d m = 5 5 m m , 则电感与电容的值为： 工= ( 鲁 h ( 志) = 1 1 3 m h 砌 凸而枷3 删b ，l 则可计算得架空输电线路的波速v = 2 9 3 1 1 7 k m s ，接近于光速。而在电缆中 的波速一般为( 1 2 一l 3 ) 光速。 而对于( 2 6 ) 式中的“+ ，f + ，“一，i - ，有如下关系成立 其中 弘捂 ( 2 1 0 ) 显然，z 有阻抗的性质，称为波阻抗其值取决于单位长度线路的电感和对 地电容，与线路长度无关将( 2 8 ) 式代入( 2 1 0 ) 式中，可以得到单导线架空线的波 阻抗： z = 去、臣h 等= 6 0 h 等 g m ， 值得注意的是，波阻抗与集中参数电阻物理意义不同，电阻要消耗能量，而 波阻抗并不消耗能量，当行波幅值一定时，波阻抗决定了单位时间内导线获得电 磁能量的大小 综上所述，导线上任意一点的电压或电流，等于通过该点的前行波和