（电力系统及其自动化专业论文）10kv铁路自闭贯通线路故障测距方法研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 | 页 种基于注入法的自闭贯通线故障定位系统方案，对其系统组成、工 作原理、功能及特点等进行了研究分析，并阐述了系统研究及实现 的关键技术，分析表明，该系统定位精度高，适应性强，可望有一 定的应用前景。 关键词：自闭贯通线：故障测距；p s c a d e m t d c ；阻抗法：行波法； 小波变换：s 注入法 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 ij 页 a b s t r a c t r a i l w a y a u t o m a t i c b l o c k i n g a n dc o n t i n u o u st r a n s m i s s i o nl i n e s ( r a b c l ) s u p p l yp o w e rf o r t h er a i l w a ya u t o m a t i cb l o c k i n gs i g n a la n d t h el o a d sa l o n gt h el i n e s ，e t c i no r d e rt oi n s u r et r a n s p or t a t i o ns a f e t y ， h i g hr e l i a b i l i t yo ft h ep o w e rs u p p l ys y s t e ma n dq u i c ke l i m i n a t i o no f f a u l ti s r e q u i r e d e v e r yb l a c k o u t ，e v e ns h u t t i n g o f ff o ras h o r tt i m e ， w o u l dh a v el e dt oa u t o m a t i cb l o c k i n gs i g n a lc o n f u s i o n ，a n di n t e r r u p t e d t h er a i l w a yt r a n s p o r t a t i o n ，e v e nc a u s e ds e r i o u sl i f ea n dp r o p e r t yl o s s s oi no r d e rt oa v o i da c c i d e n t s ，a n dt om a k et h ed i s t r i b u t i o nn e t w o r kr u n s a f e l y ，r e l i a b l y a n de c o n o m i c a l l y ，f a u l tp o i n tm u s tb ef o u n da n db e e l i m i n a t e da s q u i c k l y a s p o s s i b l e f a u l t d i s t a n c em e a s u r e m e n ta n d l o c a t i o n d i r e c t l yp r o v i d e i n f o r m a t i o nr e l a t e dt of a u l t p o i n t ，i t i s c o n v e n i e n tf o rf a u l te l i m i n a t i o n w i t ht h er e q u i r e m e n to fi m p r o v i n gt h e r e l i a b i l i t yo fp o w e rs u p p l ya n dt h ea u t o m a t i o nl e v e l ，t h ef a u l td i s t a n c e m e a s u r e m e n ta n df a u l tl o c a t i o nb e c o m em o r ea n dm o r ei m p o r t a n t o nt h eb a s i so f s t u d y i n g t h ec h a r a c t e r i s t i c so fr a b c la n dt h e p r e s e n t r e s e a r c hs i t u a t i o no fi t sf a u l t l o c a t i o n ，a n da n a l y z i n g t h e t h e o r i e so fs o m ek i n d so ff a u l td i s t a n c em e a s u r e m e n t l o c a t i o nm e t h o d s ， t h ea d a p t a t i o no ft h e s em e t h o d si s a n a l y z e dw h e nt h e ya r ea p p l i e di n t o r a b c l t h em o d e lo fr a b c lb a s e do np s c a d e m t d ci sb u i l ti nt h i st h e s i s ， s o m es i m u l a t i o n sa r ec a r r i e do u tt os h o wt h ef a u l tc h a r a c t e r i s t i c sa n d t h e d i f f i c u l t y i n r e a l i z i n gf a u l t d i s t a n c em e a s u r e m e n t l o c a t i o nw h e n s i n g l ep h a s et og r o u n df a u l to c c u r t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r et h es a m e a st h e o r e t i c a lr e s u l t s ，i tm e a n st h es i m u l a t i o nm o d e lc a nr e f l e c ts y s t e m c h a r a c t e r i s t i cf a c t u a l l y i m p e d a n c em e t h o di s i n t r o d u c e dt or a b c l ，s i m u l a t i o n sa r ec a r r i e d o u tw h e n s i n g l ep h a s e t o g r o u n d f a u l to c c u rw i t h v a r i a b l ef a u l t i m p e d a n c e i no r d e rt or e d u c et h ei n f l u e n c eo ff a u l ti m p e d a n c ea n dl i n e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1v 页 c o n d u c t o r ，d o u b l ei m p e d a n c em e t h o di su t i l i z e d ，s i m u l a t i o n r e s u l t s s h o wt h a t u t i l i z i n gv o l t a g e a n dc u r r e n ta tb o t he n d st oc a l c u l a t e i m p e d a n c ec a nr e d u c et h ei n f l u e n c eo ff a u l ti m p e d a n c e ，l i n ec o n d u c t o r a n dl o a di nl i n ei ns o m ee x t e n t ，s oi m p e d a n c em e t h o dc a nm e a s u r ef a u l t d i s t a n c er o u g h l y ，b u ti t sp r e c i s i o ni sn o ts og o o d a l s o t r a v e l i n g w a v em e t h o di s a p p l i e d i n t of a u l td i s t a n c e m e a s u r e m e n ti nr a b c l t h ep a r t i c u l a r i t i e so fa p p l y i n gt h e t r a v e l i n g w a v et ot h ef a u l tl o c a t i o no fr a b c l ，i et h ei n f l u e n c e so fi t sl i n e s t r u c t u r e ，p o w e rs u p p l ym o d e ，l o a d a n df a u l t i m p e d a n c eo nt h e f a u l t l o c a t i o n ，a r er e s e a r c h e d o nt h i sb a s i s ，an e wt r a v e l i n gw a v eb a s e df a u l t l o c a t i o nm e t h o d ，i nw h i c ht h ea e r i a lm o d ei sc o m b i n e dw i t ht h eg r o u n d m o d e ，i sp r o p o s e d a sf o rl i n em i x e du po fo v e r h e a dl i n ea n dc a b l e ，t h e t r a v e l i n gw a v eh a so b v i o u s l yd i f f e r e n tc h a r a c t e r s ，s of a u l tm e a s u r e m e n t c a nb er e a l i z e d b u tt h ei n f l u e n c eo fn o i s ea n da c c u r a c yo fc u r r e n t t r a n s d u c e ri sn o tc o n s i d e r e di nt h i sp a p e r f i n a l l y ，b a s e do nw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，as c h e m eo fr a b c l f a u l t l o c a t i o n s y s t e m i s p r o p o s e d ，t h es y s t e mc o n f i g u r a t i o n ，o p e r a t i n g p r i n c i p l e a n df u n c t i o n sa r e a n a l y z e d ，a n d r e l a t e d t e c h n o l o g i e s a r e d e s c r i b e d a n a l y s i s s h o w st h e s y s t e m h a s g o o dp r e c i s i o n a n d g o o d a d a p t a t i o na n dw i l lh a v es o m ea p p l i c a t i o np r o s p e c t k e yw o r d s ：r a b c l ；f a u l td i s t a n c em e a s u r e m e n t ；p s c a d e m t d c ； i m p e d a n c em e t h o d ；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 ；s i g n a l i n j e c t i o nm e t h o d 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 自闭贯通线路特点 我国铁道配电网采用自动闭塞和电力贯通线路( 简称自闭贯通 线) 为铁路系统调度集中、大站电气集中联锁、自动闭塞、驼峰信 号等i 级负荷提供电源。自动闭塞电力线路是指对自动闭塞区段信 号设备供电的1 0 k y 专用电力线路。贯通线是指连通铁路沿线两个相 邻变电所、配电所间的1 0 k v 或3 5 k y 电力线路，它主要对沿线的车 站和区间负荷供电，兼做信号设备的备用电源。为保证铁路运输安 全，对自闭贯通线的可靠性和故障快速恢复的要求很高，如产生供 电中断，将会导致自动闭塞信号混乱，影响铁路的正常运输，严重 时将会造成重大生命财产损失。 在我国，为了实现安全可靠、经济合理地供电，铁路自闭贯通 配电网在系统构成和功能上与常规电力系统配电网有所区别，图卜l 为一实际的贯通线路的一段。自闭贯通线简化其示意图如图卜2 所 示，它主要的特点有： 53 0555 0 1 0 5z o 1 05 0 1 0 2 0 韶1 02 03 0 图1 ，1 铁路1 0 k v 贯通线路 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 ( 1 ) 供电线路长。1 0 k v 自闭贯通线的供电臂一般为4 0 6 0 k m ， 有的地方供电臂长达7 0 8 0 k i n 。 ( 2 ) 供电点多，供电负荷小。1 0 k v 自闭贯通线路经过的车站都有 接入点，但信号负荷很小，如图卜1 中在两个变电站问，沿线有许 多信号电源接入点，信号负荷由一台变压器将1 0 k v 降至2 2 0 v 供电。 一般情况下，负荷容量不大，但数量多。 ( 3 ) 系统接线形式简单，但线路为架空线和电缆混合线路。自闭 贯通供电系统的接线是一个沿铁路敷设的单一辐射网，在各变( 配) 电所沿线基本均匀分布且互相连接，构成手拉手供电方式。自闭贯 通线沿铁路架设架空线，通常为了不影响城区景观或出于安全方面 的考虑，在特定的地方将架空线改为敷设电缆，如图卜2 中粗线条 所示。因此，自闭贯通线常常由架空线与电缆交替分段连接，组成 姜汰a 竺堕塑竺! 聋2 配电所| 一_ _ 一里型_ - _ 口一配电所 嗡鼍p 百守 信号点信号点佰甘点 图1 2自闭贯通线示意图 了架空线与电缆的混合线( 简称混合线) 。混合线路与单一架空线或 电缆线相比较，混合线电气参数的分布特征更为显著而复杂。 ( 4 ) 运行环境差，地区偏远，日常维护困难，旦故障发生，其 维修较困难。 ( 5 ) 电压等级低，变( 配) 电所结构单一，但供电可靠性要求高。 1 2 自闭贯通线路故障定位的意义及研究现状 据现场调查，自闭贯通线投入以来，各种故障屡有发生，如线 路上瓷瓶、悬垂的绝缘子由于各种原因，经常遭受破坏，有的明显， 有的隐蔽；避雷器数量多，造成击穿的机率较大：1 0k v 电缆绝缘 薄弱，北方地区温差大和机车偶尔正对电缆头排气，电缆头常发生 击穿故障；风季铁丝、树枝类常被刮到线条或变压器上引起接地或 短路；气温骤然降低造成线条断线等。统计起来自闭贯通线的短路 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 故障有三相短路、两相短路、单相接地短路 ，1 ，其中9 0 以上的故 障是单相接地故障l a 。 由于自闭贯通线采用中性点不接地的方式，属于小电流接地系 统 sj ，当自闭贯通输电线路发生单相接地时，故障电流较小，并且三 相线电压仍然保持对称，不影响向负荷供电，电力系统安全规程 规定允许继续运行0 5 2 小时1 6 1 ，有效地保证了系统供电的可靠性。 但单相接地会引起非故障相的对地电压升高，对设备绝缘构成威胁， 尤其是弧光接地引起的过电压高达数倍甚至数十倍相电压，极易造 成两相或三相短路事故，直接影响正常供电，造成列车堵塞等事故， 打乱运输计划，甚至造成巨大的经济损失。 因此，为保证铁路运输安全以及沿线车站设备的正常运行，要 求尽快找到故障点并排除故障，及早恢复故障区域的供电，提高配 电网的安全、可靠、经济运行。可见，随着铁路供电可靠性要求及 自动化水平的提高，自闭贯通线路的故障测距与定位变得同益重要。 然而在测距装置方面，目前自闭贯通配电所内仅装设了老式保 护，当线路发生故障，特别是单相接地故障时，主要采用人工拉合 线法、巡线目测法、阻抗法、翻牌信号巡视法、手持探测器法及柱 上单元编码回送法等实现故障查找。由于自闭线路长、自闭信号点 多、开关数量多，加之交通不便，使故障排除时间长，影响自动闭 塞信号正常运行。据调查，铁路配电网的故障测距装置目前投入运 行的较少，部分投入装置也是沿用电力配电网的产品，装置中没有 提出针对铁路自闭贯通线路的特殊解决方案，因而其测量精度难以 保证，误差相当大，甚至没有实用价值，而且目前的产品研究也仅 停留在故障区段的查找这一层面，如广深电力远动系统中，我们在 国内首先实现了故障区段查找切除 ，l 。 在技术研究方面，一些学者及工程技术人员对故障测距方法及 其在自闭贯通线的应用进行了研究，并取得了一定的成果。文献 4 ，8 】 对自闭贯通线测距提出了一些指导性意见；文献【9 】对自闭贯通线测 距方法进行了进一步探讨，介绍了阻抗法、行波法及智能测距法在 自闭贯通线测距中的适应性：文献【1 0 ，1 1 】提出了混合线结构的速度 单一化方法：文献 3 提出自闭贯通线分段查找方法，通过检测开关 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 站内的电气量，利用功率方向来进行故障区段的判断。总结起来， 目前的研究未充分考虑实际线路的情况，如线路结构、一次设备对 测距效果的影响等。因此，探讨自闭贯通线路的特殊性，针对实际 贯通线的线路结构、建立自闭贯通线的模型、提出适用的故障测距 算法，对贯通线进行精确的故障定位是十分必要和迫切的。 为此，本文对当今应用较广泛的几种测距方法的原理及应用现 状加以分析，包括阻抗法、行波法、s 注入法、智能法和区段查找法， 并分别对它们在自闭贯通线中应用的适应性进行了分析。 1 3 各种测距定位方法的适应性分析 1 3 1 阻抗法及其适应。眭分析 阻抗法的原理基于输电线路为均匀线的假设，即假设故障回路 阻抗或电抗与测量点到故障点的距离成正比【1 2 】。故障时，测距装置 由启动元件启动，测得故障时的电压和电流等参数，进而计算出故 障回路的阻抗。由于线路长度与阻抗成正比，因此可以求出由装置 安装处到故障点的距离。 故障阻抗的计算可以利用线路两端信息进行，也可以仅利用单 端( 本端) 信息进行近似处理。后者在工程应用中，费用较低，且 不受系统通信技术的限制，因此长期以来一直是人们关注的热点， 阻抗法的主要优点是简单、方便、经济、可靠。 文献 1 2 1 7 介绍了阻抗法在输电线路故障测距中的应用， 并为消除过渡电阻、系统对端阻抗及负荷电流的影响、提高精度提 出了多种算法。文献 13 阐述了利用故障分量电流消除过渡电阻影 响的阻抗测距原理，并将其应用于牵引网馈线故障测距；文献 1 4 对一种输电线路常见的两端电源单回线故障测距模型进行了分析， 比较了单端测距法和双端测距法的优缺点：文献 1 5 提出一种利用 输电线路单端电压及电流的测量值来进行精确故障定位的新算法； 文献 1 6 采用牵引网电抗最优分段线性化故障测距模型，提出了一 种针对电力牵引网的故障测距方法；文献 1 7 提出了一种不经电压 互感器注入不同频率信号，在供电一侧便可实现故障定位的新方法。 但实际应用中由于故障的过渡电阻、分布电容、线路不完全对称， 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 以及电压、电流变换器误差等因素的影响，使测距误差远远不能满 足实际使用的要求“”。 以上文献探讨的阻抗测距法大多应用于中性点接地系统，将这 些方法应用于自闭贯通线中，应充分考虑过渡电阻、分布电容及负 荷的影响，减小它们对测距造成的误差。 1 3 2 行波法及其适应性分析 行波法是利用高频故障暂态电流、电压的行波或故障后用脉冲 频率调制系统以及断路器断开或重合时产生的暂态信号等等来间接 判定故障点的位置 1 2 ，1 8 - ”i 。 早期行波法在2 0 世纪5 0 年代到6 0 年代期间曾被认为是当时 最为理想的故障测距方法，但受当时人们对行波现象的认识水平以 及客观技术条件的限制，早期的行波故障测距装置在可靠性、准确 性、经济性以及方便性等方面都存在一系列问题。直到2 0 世纪9 0 年 代，随着小波变换等现代时频分析技术在电力系统中广泛的应用， 行波测距法才重新受到瞩目1 1 8 也7 1 ，这就是现代行波测距法( m t w f l l 。 输电线路行波故障测距技术因其测距精度高、适用范围广，不受过 渡电阻、系统参数、串补电容、线路不对称及互感器变换误差等因 素的影响，一直为国内外继电保护科研工作者所关注。 文献 1 8 2 7 探讨了行波法在电力系统测距中的应用，介绍 了单端、双端和多端量测距原理，分析了常用的a 、b 、c 型等测距 方法的应用，研究了利用行波小波变换后的幅值和极性等特征的电 力系统继电保护解决方案，并针对实际应用时出现的问题及线路情 况进行了剖析。如：文献 2 6 利用小波变换进行了故障特征提取， 并有效地剔除噪声干扰的影响；文献 2 7 针对多端母线系统的反射 波波头识别进行了研究，提出了有效的识别方法；文献 1 0 。1 1 提出 对架空线及电缆混合线建模，利用双端电气量，提出了解决混合线 中速度不一致的速度单一化方法。 自闭贯通线混合线及站间负荷造成了线路上的特性阻抗不连 续，行波将在阻抗不连续处发生反射、折射，由于自阔贯通线单端 供电方式使得其只能采用单端型行波测距法，这使提取及识别放障 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 点产生及反射的行波的难度加大。可分析故障发生在不同的区段时， 行波经波阻抗不连续点反射及折射后产生的特征，总结其规律，将 行波法应用于自闭贯通线测距中。考虑自闭贯通线的混合线对波速 的影响，可将架空线和电缆进行波速单一化，即将电缆按行波在架 空线及电缆中传播的波速比归算为架空线，按等效线路计算后，再 将计算得到的距离换算为实际故障距离。 1 3 3 “s 注入法”及其适应性分析 文献 2 8 提出，在系统发生单相接地时，可以人为地向系统注 入一个特殊电流信号，通过检测注入信号的路径和特征来实现接地 选线、测距和定位故障，称之为“s 注入法”。 “s 注入法”由山东大学桑在中等人提出，旨在解决两相c t 出 线的小电流接地系统单相接地选线、测距和定位问题1 2 b i ，通过检测 注入信号的路径和特征来实现故障选线、测距和定位。s 注入法自上 世纪九十年代中后期由山东大学提出并研制t y 系列装置应用以来， 历经近十年的发展完善，现已是一门较为成熟的技术，而国内各大 电网及油田的实际使用证明它比传统方法的确具有明显的优势，大 大提高了故障定位效率m 】。 “s 注入法”测距通过对注入端信号电压的检测，计算信号注入 端到接地故障点之间的阻抗，从而实现故障测距。“s 注入法”测距 与阻抗法在检测到电压电流信号后的处理方法是一样的，都是通过 电压电流计算变电站( 测量点) 到接地故障点之间的电抗，它们的 区别在于信号的检测方法上。针对实际自闭贯通线，应用“s 注入法” 测距时，为减小自闭贯通线的混合线路结构和信号电源点变压器的 影响，拟采用的解决方案与阻抗法相同。 故障定位通过人工手持探测器沿线查找或在线路上安装检测装 置指示线路中是否流过注入信号来实现。这种方法可靠性较高，但 耗时费力，无法适应当今自动化水平的要求。针对实际自闭贯通线， 可考虑应用通信技术，在自闭贯通线上安装信号探测装置，采集并 实现对注入信号检测结果的自动传输，实现故障的自动定位。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 1 3 4 智能法及其适应性分析 为解决故障测距问题，许多学者引入优化方法、卡尔曼滤波技 术、模式识别技术、概率和统计决策、模糊理论、模拟退火算法、 分形分维分析、人工神经网络、专家系统等智能分析方法和手段。 基于规则的专家系统和人工神经网络的发展为智能化测距提供了新 途径，但目前还处于研究开发阶段。文献 3 3 - 3 6 用小波网络、冗余 纠错及遗传算法等技术对高压输电线路及配电网故障检测、定位进 行了研究，文献 3 53 采用一端电压电流信息作为输入量，利用神经 网络对故障距离进行识别，选择e m t p 仿真数据作为样本训练神经网 络，该方法有一定的意义，但是训练用的故障距离样本的选择是一 个问题，且离实际的应用还有一定的距离。 应用于铁路自闭贯通线路故障定位，一方面，可建立线路的结构 参数、设备的信息库，在实测时，根据采集的瞬时值，动态调整线 路模型参数，便于自适应测距。另外，可以结合小波分析的特征提 取及神经网络的自适应学习能力强的优势，将小波神经网络应用于 铁路自闭贯通线测距中。在铁路自闭贯通线的测距系统中，可将小 波变换、神经网络、各种智能算法及专家系统结合起来，建立智能 故障识别及测距系统。 1 3 5 故障区段查找法及其适应性分析 文献 3 提出区段查找法，通过安装在馈线上具有测量和通信功 能的馈线终端( f t u ) 检测各分段开关处内的电气量，来进行故障区 段的判断，实现故障区段的判断和迅速隔离，在一定程度上减小了 故障影响范围，缩短了故障查找时问，但是，受故障电流数值较小， 影响其判断结果准确性，而且它仅将故障点定位在两个分段开关之 间，精度还不能满足实际的要求。 为进一步提高测距定位精度，可缩短检测点的距离，并借助通 信通道将故障信息传送至开关站以及配电所。现代通信技术的发展 及其应用，尤其是无线通信技术的应用，为其实现提供了可能。 总体而言，用阻抗法、行波法、智能法、s 注入法、区段查找法 等方法对故障点进行定位测距各有优缺点，在不同的场合得到应 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 用，但应用于自闭贯通线时，需针对自闭贯通线的特点解决相应的 问题。 1 4 本论文所作的工作 本论文的主要研究对象是自闭贯通线，其研究重点是当线路发 生单相接地故障时，进行故障测距或定位。本论文的部分研究工作 是四川省应用基础研究课题基于小波分析的输电线路单端量暂态 保护技术研究( 0 2 g y 0 2 9 0 3 9 ) 的研究内容之一，即自闭贯通线 e m t d c p s c a d 模型建立和行波测距在自闭贯通线中的应用研究。 本论文主要完成了以下内容： ( 1 )对自闭贯通线的功能结构特点进行了深入的研究，了解自闭 贯通线的故障定位的研究现状以及各种故障测距定位原理， 并在此基础上，对各种测距定位原理在自闭贯通线中的适应 性进行了分析： ( 2 ) 建立了基于p s c a d e m t d c 的自闭贯通线仿真模型；分析了自 闭贯通线单相接地故障特征，指出自闭贯通线发生单相接地 时故障测距定位的难点； ( 3 ) 将阻抗法应用于自闭贯通线的故障测距，对不同过渡电阻时 发生单相接地故障进行了仿真分析，利用两端电气量来削减 过渡电阻及线路对地电容的影响； ( 4 ) 将行波法应用于自闭贯通线的故障测距，对架空线路及架空 线和电缆混合线发生单相接地故障进行了仿真分析；基于 m a t l a bg u i ，建立了行波法测距的演示系统： ( 5 )将“s 注入法”应用于自闭贯通线的故障定位，借鉴传感器网 络的思想，给出一种基于注入法的自闭贯通线故障定位系统 方案，介绍了该系统的组成、工作原理及功能特点，并阐述 了系统研究的关键技术。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 第2 章基于p s c a d e m t d c 的系统建模与仿真 2 1 p s c a d e m t d c 简介 p s c a d e m t d c t ”4 9 1 是一个在世界各国广泛应用的电力系统 仿真软件，p s c a d 是其用户界面，e m t d c 即直流系统电磁暂态 ( e l e c t r o m a g n e t i c t r a n s i e n ti nd cs y s t e m ) 。它在曼尼托巴大学 ( u n i v e r s i t y o f m a n i t o b a ) 高压直流输电研究中心( m a n i t o b a h v d c r e s e a r c hc e n t e r ) 的d e n n i sw o o d f o r d 博士的领导下开发完成，经多年 的开发，其元件模型库和功能不断完善，使之发展为既可以研究交 直流电力系统问题，又能够完成电力电子仿真及非线性控制的多功 能工具。用户还可以自定义元件所以也可以作为电力产品开发的 辅助工具。p s c a d e m t d c 拥有大规模的计算容量、完整而准确的 元件模型库、稳定高效的计算内核、友好的界面和良好的开放性等 特点，已经被世界各国的科研机构、学校和电气工程师所广泛使用。 2 2 基于p s c a d e m t d c 的建模方法 建模时可直接在m a s t e rl i b r a r y 中找到所需模块，复制一粘贴 至用户项目，用户也可以自定义元件。通常由库内所带模块即可满 足用户需求，所有的模块都应根据具体应用场合进行参数设置，力 求构建的模型与真实系统接近，反映实际情况，参数准确设置直接 影响用户关心的特性。下面介绍建模时常用模块及数据存取方法。 1 电源模块 电源是建模中不可缺少的元件，可分为电压源和电流源，又可 分为三相和单相电源。电源的内阻抗类型有五种：电阻；电容；电 感；电阻、电感、电容的串联组合或是电感、电阻并联后再与一阻 抗串联。电源的控制类型有三种：固定控制，外部控制，自动控制。 一般需设置的参数为电压等级和内阻抗参数和基准容量、基准 电压和基准频率以及中性点接地方式。 2 输电线路模型 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 在e m t d c 中有三种基本的传输线或电缆模型：n 型等值模型、 b e r g e r o n 模型、频率相关( f r e q u e n c yd e p e n d e n t ) 模型。 ( 1 ) n 型等值模型将线路作为集中参数处理并等值为一个n 型电 路，它仅能较近似地反映较短线路的工频特性，不能正确描述 当频率变化时的线路参数，因而其应用范围受到限制。 ( 2 ) b e r g e r o n 模型把线路作为分布参数处理考虑其波过程，可粗略 地看成是无数的n 型部分的等效，它可以较好地反映线路某一 频率特性。其计算速度较快，在求解复杂电网和非线性元件方 面，有较大的适应能力，适于研究暂态的全过程。 ( 3 ) 频率相关模型也是把线路作为分布参数处理考虑其波过程，与 b e r g e r o n 模型不同的是，它能较准确地表现线路对各种频率的 响应，若要精确考虑线路在一系列的频率区段内随频率变化的 特性，则应采用这种模型，但此模型在模拟中花的时间要比采 用b e r g e r o n 模型长。 建模时应根据具体情况对线路模型进行选择。本论文中，应用 阻抗法测距时采用n 型等值模型，应用行波测距时采用b e r g e r o n 模 型。 3 故障模型 ( 1 ) 短路故障可由元件库f a u l ts 中的f a u l t 模块实现，由逻辑控 制模块控制控制故障的持续时间。 ( 2 ) 断路故障可由b r e a k e r s 中的b r k 模块实现，由逻辑控制模块 控制b r k 的动作特性及时问。 4 测量仪表及输出装置 测量仪表在m e t e r s 库中，常用的为电压表和电流表。根据需要 将表接入线路即可。 输出装置包括p g b 通道，若要观察输出波形，则要用到p g b 通 道，其作用是能够使p s c a d 往e m t d c 中添加代码程序，这种程序记 录与p g b 通道相连的信号，当模拟运行时，信号就能被探测到。 例如：若需观测仪表e a 的波形，则需先添加d a t al a b e l ，将其 命名为e a ，再添加c h a n n e l ，即输出通道，将d a t al a b e l 与c h a n n e l 连接即可，如图2 一l 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 小 鬯 一一圈s i g n a l n a m e c h a n n e 图2 1 信号输出 5 数据存取 应用p s c a d e m t d c 对系统进行故障暂态仿真时，在默认情况 下，并没有创建输出文件，但有时为了对仿真结果进一步处理，必 须对输出数据进行存储。 具体操作如下：在p r o j e c tt r e e 中找到文件，点击右键，选择菜 单中的p r o p e r t i e s ，在弹出的对话框中，有一选项为：s a v ec h a n n e l st o d i s k ? 选择y e s ，并键入文件名，文件名后缀为o u t ，点击o k ，则仿 真运行完成后，输出文件+ o u t 被存放在该项目e m t 文件夹中。 注：输出文件是以矩阵的格式保存的，第一列始终代表时问， 其它列则代表仪表的输出数据。由于一个文件最多只能有1 l 列，若 p g b 的个数 1 0 ，则输出文件不止一个。仪表的输出数据在数据文件 中的顺序可由项目下的选项d a t as t o r a g e 指示。 输出文件的长度由r u n t i m es e t t i r i g s 中的d u r a t i o n0 fr u n ( 仿 真的总时间) 和p s c a dp 1 0 ts t e p ( p s c a d 图形时间步) 决定。 例如：设置d u r a t i o no fr u n 为0 2 s ，p l o ts t e p 为2 t as ，则 数据总长1 0 0 0 0 0 。 2 3 自闭贯通线系统建模与仿真 2 3 1 自闭贯通线系统模型 图2 2 为应用阻抗法测距时所建的自闭贯通线系统模型，选择 中性点不接地电源，设置电源电压等级1 0 k v ，内阻抗为纯电阻形式， 阻值为1 0 欧。线路采用b e r g e r o n 模型，对线路结构参数进行了设 置。设置接地故障时，选用f a u l t 模块，另外，由于需对仿真所得 的信号用m a t l a b 程序进行处理，对相应的数据进行了存储。 2 3 2 部分仿真结果及分析 对自闭贯通线单相接地故障进行仿真，设霹c 相发生单相接地 故障，当过渡电阻为0 q 和t 0 0 0q 时，分别分析故障时线路i 及线 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 路i i 的相电压、相电流以及零序电压、零序电流变化，其波形分别 如图2 - 3 图2 8 所示。 ( | ： 强 ： -良 f 中： 1 il 揣。 il 卫i 盐 龇。尸啦 a f再 向 。 l j 一 l - 一 l - 一 山 珏山g 、l 悄_ l - 一l卜 ；婚蝴婚 餐 一 l ii 图2 - 2 基于模型的自闭贯通线e m t d c 模型 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 1 过渡电阻为0 o ( 1 ) 馈线i 的电压电流变化规律。图2 3 ( a ) ( b ) ( c ) ( d ) 可见， 馈线i 非故障相电压升高为3 倍相电压，故障相电压为o ，零序电 压升高为相电压。由图2 3 ( e ) ( f ) ( g ) ( h ) 可见，相电流变化较小，系 统中有零序电流产生，但数值较小。另外，在故障时刻，相电流及 零序电流的暂态量幅值比稳态量大，因此，在小电流接地系统中可 采用暂态量进行分析。 ( 2 ) 馈线i i 的电压电流变化规律。由图2 4 ( a ) ( b ) ( c ) ( d ) 可见， 馈线i i 的电压变化规律与馈线i 相同，这是由于两条馈线接于同一 母线。由图2 4 ( e ) ( f ) ( g ) ( h ) 可见，在故障时刻，电流信号暂态量比 馈线i 的小。 ( 3 ) 馈线i 及馈线i i 零序电压、电流相位关系。由图2 5 ( a ) ( b ) 可 得零序电压相位角约为一l5 0 。，零序电流相位角约为1 2 0 。，即馈线i 中零序电流滞后零序电压9 0 0 。由图2 - 5 ( c ) ( d ) ，可得零序电压相位 角约为一15 0 0 ，零序电流相位角约为一6 0 0 ，即馈线i i 中零序电流超 前零序电压9 0 。可利用这一特征进行故障选线。 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 1 d 0 1 0 州a _ - 一k 二 卜r 。一卜一 图2 - 3c 相接地故障时馈线i 电压、电流波形，r ，= 0 ( a ) a 相电压( e ) a 相电流 ( b ) b 相电压( f ) b 相电流 ( c ) c 相电压( g ) c 相电流 ( d ) 零序电压( h ) 零序电流 虱蠹 黜熊 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 i d 0 1 0 图2 - 4c 相接地故障时馈线i i 电压、电流波形，r r = o q ( a ) a 相电压( e ) a 相电流 ( b ) b 相电压( f ) b 相电流 ( c ) c 相电压( g ) c 相电流 ( d ) 零序电压( h ) 零序电流 - 、 l 登 - 二 - 、p 二一 图2 - 5 零序电压、电流相位，rr = 0o ( a ) 馈线i 零序电压相位( c ) 馈线i i 零序电压相位 ( b ) 馈线l 零序电流相位( d ) 馈线i i 零序电流相位 神 脚 o 枷 枷 啪 啪 o 鼬 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 2 过渡电阻为1 0 0 0 q ( 1 ) 馈线i 的电压电流变化规律。由图2 - 6 ( a ) ( 1 0 ) ( c ) ( d ) 可见， 馈线i 故障相电压升高小于3 倍，故障相电压不为0 ，零序电压升 高小于相电压。由图2 6 ( e ) ( f ) ( g ) ( h ) 可见，相电流变化较小，系统 中有零序电流产生，但数值较小。另外，与过渡电阻为0 时相比， 相电流几乎无暂态量变化，而零序电流信号有明显的暂态变化。 ( 2 ) 馈线i i 的电压电流变化规律。由图2 7 ( e l , ) ( b ) ( c ) ( d ) 可见， 馈线i i 的电压变化规律依然与馈线i 相同。由图2 7 ( e ) ( f ) ( g ) ( h ) 可见，相电流几乎无变化，系统中有零序电流产生，且在故障时刻， 有明显的暂态量变化。 ( 3 ) 馈线i 及馈线i i 零序电压电流相位关系。由图2 8 ( a ) ( b ) 可得零序电压相位角约为一1 8 5o ，零序电流相位角约为9 5o ，即馈线 i 中零序电流滞后零序电压9 0 0 。由图2 - 8 ( c ) ( d ) ，可得零序电压相 位角约为一1 8 5 0 ，零序电流相位角约为一8 5 0 ，即馈线i i 中零序电流 超前零序电压9 0 0 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 蛔i 黝越酬 l i j j i j 一j o 孽 0 o 1 d 1 0 o - f 0 i 匦殛竭。 图2 6c 相接地故障时馈线i ( a ) a 相电压 ( b ) b 相电压 ( c ) c 相电压 ( d ) 零序电压 电压、电流波形，r t = 1 0 0 0 q ( e ) a 相电流 ( f ) b 相电流 ( g ) c 相电流 ( h ) 零序电流 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 1 0 d 1 0 25 o 26 25 o 25 on 0 1 0 1 5 o20 2 6oo o 1 护6 n 2o2 5 图2 7c 相接地故障时馈线i i 电压、电流波形，r f - 1 0 0 0q ( a ) a 相电压( e ) a 相电流 ( b ) b 相电压( f ) b 相电流 ( c ) c 相电压( g ) c 相电流 ( d ) 零序电压( h ) 零序电流 p u l。 j ：孵 ( a ) 馈线i 零序电压相位 ( b ) 馈线i 零序电流相位 相位，r ，= 1 0 0 0 0 ( c ) 馈线i i 零序电压相位 ( d ) 馈线i i 零序电流相位 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 由上述的仿真结果可知：当系统发生单相接地故漳时，有以下 一些特点。 ( 1 ) 故障点发生金属性短路故障时，接地相电压为零，非故障相对 地电压升高3 倍，即为系统的线电压，零序电压为系统相电 压，电流变化不大，但在故障时刻有丰富的暂态量。 ( 2 ) 过渡电阻增大后，非故障相对地电压升高小于3 倍，零序电 压小于系统相电压，相电流变化不大，且暂态量不明显，但零 序量含较明显的暂态变化。 ( 3 ) 线路i i 的电压、电流变化与线路i 大致相同，只是暂态量变化 没有线路i 大。 ( 4 ) 线路i 零序电压相位超前零序电流相位9 0o ，线路i i 零序电压 相位滞后零序电流相位9 0o ，随着故障点接地电阻的增大，始 终满足这一规律。可以根据这个特征进行故障选线。 以上仿真所得规律与众多参考文献( 如文献 5 ，4 0 ) 对线路的 理论分析结果一致，表明模型的正确性，可见用p