（高电压与绝缘技术专业论文）基于数学形态学的铁路电力线路故障诊断新方法.pdf

摘要 铁路电力线路也就是铁路自闭贯通线。自闭贯通线是为铁路自动闭塞区间 信号设备及车站负荷等提供电源的，如果发生供电中断，会导致自动闭塞信号混 乱，影响铁路正常运输，因此供电可靠性要求非常高，是国家一级负荷。如何能 够快速切除故障快速恢复供电是科研工作者要达到的目的，具有理论研究意义和 实际应用意义。 论文在研究自闭贯通线的特点及其故障定位研究现状，以及各种故障测距定 位方法的原理的基础上，提出了数学形态学变换用于自闭贯通线的故障诊断，包 括故障测距、滤除干扰和故障选线。 本文搭建了p s c a d e m t d c 的自闭贯通线仿真模型，侧重于分析自闭贯通 线发生单相接地短路故障时的暂态和稳态特点，并针对铁路自闭贯通线的各种影 响故障测距的精度的可能原因给予了分折和对策，并分析了电压互感器或电流互 感器的频率特性对行波法测距的影响。 行波法测距过程中在线路两端采集到的故障行波信号具有丰富的故障信息， 但是需要一定的信号处理工具加以识别。本文用m a t l a b 的m 语言构造了数学 形态学中的多分辨形态梯度变换用于检测行波信号的突变点，认为行波到达时间 点是多分辨形态梯度变换后的模极大值点。仿真表明测距精度另人满意。对于高 阻接地或电压过零点时发生故障的故障行波信号比较微弱的情况下，本文构造了 用级联多分辨形态梯度的算法，仿真表明有比较好的检测微弱信号的能力。本文 用数学形态学变换中的t o p h a t 算子构造了峰谷检测器，对基于暂态量的单相接 地故障线路的故障选线具有非常灵敏的检测能力。另外，本文还利用形态学的开 闭运算构造了滤波器，选择合适的结构元素后可以达到非常满意的滤波效果。 最后，为了把上述原理应用到工程实际中，本文还提出硬件装置的设置方案， 论文研究了硬件设计方案的设计目标和硬件各部分的设计方法。 关键词：铁路自闭贯通线；行波法；数学形态学；多分辨形态梯度变换；级联多 分辨形态梯度；滤波；单相接地短路故障；p s c a d e m t d c ；m a t l a b ； 分类号：t m 7 7 1 v a b s t r a c t n er a i l w a ya u t o m a t i cb l o c k i n ga 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 ss u p p l yt h e e l e c t r i c a lp o w e rt ot 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 dt h el o a d sa l o n gt h el i n e s ， e t c i no r d e ri oi n s u r et r a n s p o r t a t i o ns a f e t y , h i 曲r e l i a b i l i t yo f t h ep o w e rs u p p l ys y s t e m a n dq u i c ke i i m i n a f i o no f f a u l ti sr e q u i r e d e a c ho f t h eb l a c k o u t s ，e v c na s h u t t i n go f f f o r as h o r tt i m e ，m a y b el e a d st 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 , t h e n , i n t e r r u p t st h e r 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 om a k e t h ed i s t r i b u t i o nn e t w o r kr u ns a f e l y , r e l i a b l ya 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 e f o u n da n db ee l i m i n a t e da sq u i c k l ya sp o s s i b l e 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 i 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 em e a s u r e m e n t a 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 i th a st h e o r ys t u d ya n da l s of a c e t op r a c t i c a la p p l i c a t i o n , w h i c hh a sg r e a tt h e o r ys t u d ya n dp r a c t i c a la p p l i c a t i o n s i g n i f i c a t i o n o nt h eb a s i so f s t u d y i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h er a i l w a ya u t o m a t i cb l o c k i n ga n d c o n t i n u o u st r a n s m i s s i o nl i n e sa n dt h ep r e s e n tr e s e a r c hs i t u a t i o no fi t sf a u l tl o c a t i o n , a n da n a l y z i n gt h et 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 n m e t h o d s ，t h i sp a p e rp r o p o s eaf a u l td i a g n o s i su s i n gt h em a t h e m a t i c sm o r p h o l o g i c t r a n s f o r m a t i o n ，i n c l u d i n gt h ef a u l tl o c a t i o n , d i s t u r b a n c ef i l t e ra n dt h ef a u l t e df e e d e r s e l e c t i o n t h em o d e lo ft h er a i l w a ya u t o m a t i cb l o c k i n ga 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 b 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 ea n a l y s e so ft h et r a n s i e n ta n d s t a b l es t a t ea 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 de m p h a s i z ep a r t i c u l a r l y o nt h es i n g l ep h a s et og r o u n ds h o r tc h - e n i tf a u l to c 眦a n dt h ea n a l y s i sa n d c o u n t e r m e a s u r e ，w h i c hr e s u l t si nt h ep r e c i s i o no f t h ef a u l tl o c a t i o nf a l l ，a r ep r o v i d e di n t h i sp a p e r a tt h es a m et i m e , t h ep a p e rp r e s e n tt h a th o wt h ef r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i co f t h ep to rc tb r i n go nt h ep r e c i s eo f t h et r a v e l i n gw a v ef a u l tl o c a t i o nr e d u c e d t h e t r a v e l i n gw a v es i g n a l sc o l l e c t e df r o mt h ee i t h e rs i d eo f t h el i n eh a v ep l e n t yo f t h ef a u l ti n f o r m a t i o ni nt h ef a u l tl o c a t i o nu s i n gt h ew a yo ft h et r a v e l i n gw a v e b u ti n o r d e rt oo b t a i nt h ef a u l tl o c a t i o nr e s u l to f g o o dp r e c i s i o n , w es h o u l di d e n t i f yu s i n gt h e a p p r o p r i a t es i g n a l sp r o c e s st o o l s rp r e s e n t sam u l t i - r e s o l u t i o nm o r p h o l o g i c a lg r a d i e n t t r a n s f o r m a t i o nt ot r a v e l i n gw a v es i g n a l sm u t a t i o n i no r d e rt o f i n dt h ev e r yd o to ft h et i m et h et r a v e l i n gw a v ea r r i v e dt h et w o v 北京交通大学硕士论文 m e a s u r e m e n te n d ，t h i sp r e s e n tam u l t i - r e s o l u t i o nm o r p h o l o g yg r a d i e n tt r a n s f o r mu s i n g t h e mp r o g r a mi na p p l i c a t i o ns o f t w a r em a t l a b t h ee m u l a t o r sc o n f i r mt h a tt h e p r e 贮i s ei ss a t i s f i e d t h ep a p e re m p h a s i z e st h es e r i e sm u l t i - r e s o l u t i o nm o r p h o l o g i c a l g r a d i e n tt od e a lw i t ht w oe x c a p t i v es i t u a t i o n s , t h eo n ei st h a tt h ee a r t h i n g - r e s i s t a n c ei s t o og r e a t , o v e r3 0 0 f 2 ，a n o t h e ri st h a tt h ef a u l te m e r g ew h e nt h ev o l t a g ei sa r o u n dz e r o t h ee m u l a t o r sc o n f i r mt h a tt h es e r i e sm u l t i - r e s o l u t i o nm o r p h o l o g i c a lg r a d i e n tc a l l a m p l i f yt h ef e e b l es i g n a lt o 如b n l ee x t e n t t h et o p - h a to p e r a t o ri nt h em a t h e m a t i c s m o r p h o l o g yc a nb et r a n s a c t e da st h ea p e x - v a l ed e t e c t i o n i tc 姐b eu s e di nf a u rl i n e s e l e c t i o ns m a r t l y b yt h ew a y , t h ep a p e rp r e s e n t st h ef i l t e ru s i n gt h em o r p h o l o g y o p e n i n ga n dc l o s i n gt r a n s f o r m , w i t ht h es t r u c t u r ec l e m e n ts e l e c t e dm o r ea p p r o p r i a t e l y , t h ev a l i d i t yo f t h ef i l t e rm a n i f e s t e d i nt h ee n d ，t h ep a p e ra p p l i e dt h eh a r d w a r ed e s i g ns c h e m eo ft h ef a u l td i a g n o s i s e q u i p m e n t t r a n s i e n tp r o t e c t i o nh a r d w a r es c h o n ei s d e s i g n e di no r d e r t ou t i l i z et h e t r a n s m i s s i o nl i n ep r o t e c t i o np r i n c i p l eb a s e do nt r a n s i e n tc u r r e n tp u l a r i t yc o m p a r i s o n w h i c hi sp r e s e n t e di nt h i sp a p e rt oe n g i n e e r i n gp r a c t i c e t h ep a p e rs t u d i e st h ed e s i g n t a r g e ta n dd e s i g nm e t h o d sf o re a c hp a r to f t h ep r o t e c t i o nh a r d w a r ed e s i g ns c h e m e t h e s y s t e mc o n f i g u r a t i o n , o p e r a t i o np r i n c i p l ea n df u n c t i o n sa r oa n a l y z e d , a n dr e l a t e d t e c h n o l o g i e sa r ed e s c r i b e d k e y w o r d s ：t h er a i l w a ya u t o m a t i cb l o c k i n ga 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 ； t r a v e l i n gw a v e ；m a t h e m a t i c sm o r p h o l o g y ；, m u l t i - r e s o l u t i o nm o r p h o l o g y ；s e r i e s m u l t i - r e s o l u t i o nm o r p h o l o g y ；f i l t e r ；, s i n g l ep h a s ee a r t h i n g - s h o r tf a u l t ；p s c a d e m t d c ； m a t l a b ； c l 船0n o ：t m 7 7 1 v m 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩日j 或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅，同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：卯z 锋 导师签名：参u 目目尧 签字日期：z o o 年，2 月二j 日 签字日期：彻7 年f 二月z ，j 日 北京交通大学硕士论文 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除 了文中特别加以标注和致谢之外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得北京交通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：弄p 它牟签字日期；z 哆年，2 月日 致谢 本论文的工作是在我的导师刘明光教授的悉心指导下完成的，刘明光教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年半 以来刘老师对我的关心和指导。 刘明光教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，在此向刘老师示衷心的谢意。 中国电力科学研究院覃剑博士对我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵 意见，在此表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，谢敏华、郭宁明、徐自强、秦晓灵、陈新军、 陈丽勤、赵楠、吕洋、任艳霞、杨罡等同学对我论文中的课题研究工作给予了热 情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢家人对我的学业给予了极大的支持，他们的理解和支持使我能够 在学校专心完成我的学业。 再次感谢所有给予我帮助的师长、同学、亲人和朋友。 i i i 引言 1 1 课题的背景和意义 1 引言 我i 虱第一条电气化铁路宝成铁路宝鸡至凤州段，于1 9 6 1 年8 月1 5 日建成通 车。初期主要局限在隧道多、坡度大的山区铁路。到1 9 8 0 年底，全国共建成电气 铁路1 6 7 6 k m ，其发展十分缓慢。改革开放后，电气化铁路开始从山区向平原， 由低标准的边远地区铁路向主要长干线、重载、高速发展。到2 0 0 5 年底，我国铁 路总里程7 5 万公里，电气化铁已达到2 万公里。2 0 0 6 年先后建成京沪、武嘉、 郑徐、胶济、沪杭、浙赣等电气化铁路。截至2 0 0 6 年9 月底我国共建成开通 4 9 条电气化铁路。目前，我国铁路电气化率已经达到2 7 ，承担运输量4 3 ，成 为继俄罗斯之后世界第二大电气化铁路国家。 按国家发展与改革委员会批准的中长期铁路网规划，到2 0 2 0 年，我国铁 路总罩程将达到l o 万公里。其中电气化铁路5 万公里。包括将建设2 0 0 k m h 及 以上的电气化客运专线1 2 万公里。在“十一五”期间，将修建1 1 条客运专线， 按3 0 0 k m h 及以速度设计的超过5 千公罩。另一方面为缓解煤电运输的紧张局 面，我幽2 0 0 5 年对大同至秦早岛电气化铁道完成了2 亿吨扩能改造，并开始了并 行重载列车的试验，4 亿吨的可行性研究也已经肩动。 铁路自闭贯通线主要为车站信号电源、区间信号电源、枢纽供电电源、电气 集中设备以及铁路沿线生活设施等供电。截止到2 0 0 0 年为止，全路电力贯通线拥 有量己达4 4 3 7 0 k m ，占铁路营运里程的8 0 4 ，其中干线3 9 7 5 2 k m ，占干线营业 里程的9 4 1 ，自动闭塞线路1 1 3 7 2 k m ，可见，白闭贯通线占据铁路行车运输中 的一席重要之地。如果自闭贯通线出现故障，将会造成列车撞车、堵塞、误点等 事故打乱运输计划，甚至出现难以挽回的经济损失。目前，铁路运输正向高速度、 高密度方向发展，保证自闭，贯通线可靠供电，可使列车安全正点运行。 铁路自闭贯通线供电系统的负荷是一级负荷，参照输电线路在线故障测距的 成功经验，若能找出故障处理周期短且定位精度高的铁路自闭贯通线故障处理方 法，将具有重大意义： ( 1 ) 当铁路自闭贯通线发生故障时，迅速确定故障线路，迅速精进行确故障 故障定位，迅速隔离故障，减小停电时间，具有十分重要的意义。获取自闭贯通 线故障时产生的暂态信号作为输入量，迅速输出故障线路和故障点位置，从而迅 速隔离故障，迅速恢复供电，排除故障所带来的经济损失。 北京交通大学硕士论文 ( 2 ) 运行中的故障缺陷通过暂态信号反映出来的特点，可迅速找到别的故障处 理方法难以计算的瞬时性故障，可以提高故障诊断装置的实时性和实用范围。 本课题对铁路自闭贯通线故障暂态信号，和自闭贯通线故障诊断技术进行 研究，期望开发数学形态学变换处理的铁路自闭贯通线故障诊断打下基础，并且 为输电线路或者自闭贯通线行波保护的研究提供一些依据。研究的目标为： ( 1 ) 利用有效的仿真工具进行铁路自闭贯通线故障时暂态信号进行仿真研 究，确定这些暂态信号的相关特性。完成暂态信号的特性研究。 ， ( 2 ) 选用数学工具，实现铁路自闭贯通线故障时暂态行波信号的处理。 ( 3 ) 完成关于铁路自闭贯通线的理论研究报告。 1 2 国内外研究的现状与进展 1 2 1 铁路自闭贯通线的故障类型 电力系统中性点接地方式可划分为两大类：中性点有效接地方式和中性点非 有效接地方式。中性点有效接地和中性点低阻抗接地，系统的零序阻抗和正序阻 抗比值疋五3 ，中性点非有效接地方式包括，中性点不接地、中性点经消弧线 圈接地和中性点经高阻抗接地，系统的零序阻抗和正序阻抗比值五五 3 ，在我 国称为小电流接地系统。 铁路自闭贯通线的供电系统电压等级为l o k v ，采用中性点不接地的接地方 式，属于小电流接地系统。铁路自闭贯通线的故障类型主要有以下几种： ( 1 ) 单相接地短路故障：单相接地短路故障占故障总数的9 0 以上：小电流接 地系统单相接地故障的类型多，主要可分为稳定性接地故障和非稳定性接地故障。 稳定性接地故障又包括金属性接地故障、低阻接地故障和高阻接地故障等类型； 而非稳定性接地故障又包括短时性的电弧接地故障( 如绝缘子闪络、电器元件弱 绝缘击穿、架空线受雷击造成击穿或避雷器动作、风雷使导体短时与树枝接触等 接地故障) 和不稳定的间歇性电弧接地故障。 ( 2 ) 两相相间短路；( 3 ) 三相相问短路；( 4 ) 高压断相故障。 铁路自闭贯通线是的电气结构见后面的2 1 节，因此本课题的故障测距是中 性点不接地系统的测距，电缆和架空线混合联接的测距，有分段有分支线路的测 距，这三种本身在输电线路上没有很好地被解决，而在这里是三者的结合。 2 引言 1 2 2 铁路自闭贯通线故障处理的国内研究的历史与现状 1 、人工寻找法 我国铁路里程长，技术装备相对较差，容易发生故障。铁路贯通线由于其具 有的分段式结构特点，多年来，故障定位大多采用的是人工沿线寻找的办法。它 是在线路故障跳闸停电后，通过检修人员沿线寻找，多次拉开分段点开关，进行 试送电，以确定故障发生的大概位置。采用这种方法有时需要翻山越岭，耗费大 量时间，查找故障相当困难。另外，这种方法存在不安全隐患，在多次试送电过 程中，线路无规则的停电供电会引发行车信号系统混乱，易造成人身意外伤亡。 2 、远动监控法 随着馈线自动化水平的提高，有些铁路供电线路在沿线分段点开关上装设智 能终端，即配电终端单元( f t u ) ，并通过通信系统实现集中式馈线自动化。贯通 线由于采用分段供电方式，f 1 u 具有故障检测功能。在出现故障时，通过f t u 对出线开关、分段肝关的实时监控，控制中心根据f t u 上报的这些检测结果，进 行各分段开关的故障特性分析，判断出故障位置。然后，将故障点两侧开关跳开， 隔离故障区段。该方法要求线路的开关要具有电动执行机构，沿线需要设置专用 信号通道，f t u 需要专用电源，工程造价高。而且还存在当线路发生故障时，可 能提供不了p t u 所需电源的情况。 3 、阻抗法与故障分析法 阻抗法是利用线路一端或两端的电压、电流与线路单位长度的阻抗、故障距 离的函数关系进行故障位置推算的方法。故障分析法则是利用故障时记录下来的 电压、电流对故障进行分析计算，由于故障电压、电流与距离满足一定的函数， 依据此函数关系可计算出故障位置。它与阻抗法的主要区别是不以测量阻抗或电 抗为基础，而是直接求出故障距离。由于两者都是依据线路参数和电压、电流关 系进行故障位置推算，因此，在此将两者统称为阻抗法。对于阻抗法的研究早在 上世纪三十年代初就已经开始，目前已经取得了较大的进展，提出的算法和原理 层出不穷。根据测量利用的信息量不同可以将这些方法划分成两大类：单端定位 算法和双端或多端定位算法。下面按这种分类方法介绍阻抗法的国内外研究状况。 ( 1 ) 单端法 单端定位算法是根据线路某端电压和电流及相应的系统参数进行故障距离计 算的方法。1 9 7 9 年m t s a n t 和y gp a i t h a n k e r 首先提出了利用一端测量电压和电 流的单端定位算法。1 9 8 2 年t a k a 垂和a w i s z n i e w s k i 先后提出将故障网络分解为 故障前网络和纯故障网络，以此来计算故障前、故障后基波电流和故障后基波电 压，用求故障分量电流分布系数来解决两侧系统阻抗的影响。同时，s c h w e i t z e r 北京交通大学硕士论文 等人在l e e h 和m o u s a a m 的研究基础上提出了迭代程序求解故障距离的方法。 1 9 8 5 年l e r i k s s o n 等人为克服系统运行方式变化对定位精度的影响，提出了远端 馈入补偿算法，以故障前负荷电流采样值补偿定位精度，以电源阻抗典型值补偿 阻抗角的变化，借助于系统模型，应用解二次方程的办法求解故障距离。 随着计算机技术的不断发展，国内对故障定位算法的研究也不断深入，提出 了不少有助于提高定位精度的算法。典型的如：1 9 8 2 年蔡德礼、叶一麟为计及过 渡电阻的影响，首先提出当已知系统参数时，可通过有限次迭代计算修正故障电 流相位进行定位的新方法；1 9 8 5 年杨奇逊提出了利用解微分方程的阻抗算法实现 距离保护【射。1 9 8 8 年王绪昭提出在解微分方程基础上利用测量电阻分量实现高阻 接地短路的定位算法。1 9 9 2 年张哲为克服故障电流相位修正法可能收敛至伪根而 遗失真根的缺陷，从接地距离保护的角度提出反映高阻接地故障的解方程算法， 并针对该算法的主要问题提出如何识别真根的原则。1 9 9 4 年刘劲等提出利用线路 阻抗、测量端电流和电压建立网孔在时域中求解的算法。 此外，还有基于微分方程的电流相位修正法、解二次方程法、基于电流相位 修正的解二次方程法、基于分布参数模型的算法等。 ( 2 ) 双端法 双端阻抗法是利用线路两端采集到的电压、电流量计算故障距离。由于需要 采集线路两端的数据，因此，根据数据采样的一致性差异相应地可以划分为数据 同步采样和数据不同步采样两类算法。典型的基于同步采样的算法如：s c h w e i t z e r 的集中参数网络定位法，j o h na t 的分布参数法；不同步采样如加拿大学者 s a c h d e v 和英国学者a g a r w a l 提出的通过两侧系统阻抗和视在测量阻抗，避开同 步问题的双端定位算法，以及a b b 公司研制的双端数据不同步的故障定位装置， 由此开创了双端量故障定位的新领域。其后，英国学者j o h n s 、美国学者k e z u n o v i c 以及我国学者葛耀中、董新洲等先后提出了各自的双端定位算法。除了上述方法 以外，还有如解微分方程算法，贝杰龙法，基于分布参数模型的解一次方程法和 基于分布参数模型的最小值法等多种算法。 4 、行波法 行波法是利用行波理论进行故障定位的方法。由于故障产生的暂态行波具有 比较稳定的传播速度，而且不受故障过渡电阻、对侧系统运行阻抗、线路不对称 等因素的影响，因而一直被认为是比较理想的定位方法。对于行波法的研究早在 2 0 世纪4 0 年代初就已经开始，主要有a 、b 、c 、d 四种基本类型。a 型定位装 置是利用测量端检测到的初始行波信号启动电子计数器计数，在该行波信号的反 射波从故障点返回测量端时停止计数器计数。由此计算出行波从故障点到测量端 的传播时问，进而得到故障距离。基于该原理的定位装置1 9 4 7 年在美国b o n n e v i u e 4 引言 电管局投入运行。b 型装置则是由收信端初始行波启动电子计数器，由另一端( 发 信端) 在检测到行波后启动发信机向收信端发信，通知收信端电子计数器停止计 数，从而得到行波在故障点与发信端之间往返一次的传播时间。b 型装置1 9 4 8 年在日本电力系统投入运行【4 2 】。c 型装置是在故障时将一高压高频脉冲或高压直 流脉冲由测量端注入故障线路，利用电子计数器测量信号在测量点和故障点之间 往返一次的传播时间。根据该脉冲信号在发射端与故障点间的往返时间实现故障 定位。c 型故障定位装置1 9 4 6 年在加拿大安大略通过现场试验【l 】。d 型装置是通 过载波同步方式实现两端定位装置的同步计时，在此基础上实现初始行波浪涌到 达两端测量点的时间标定。 早期的这些行波定位装置由于受到当时的技术条件( 如行波信号的获取方法、 精确定时问题、数据处理方法等) 和认识水平的限制，在可靠性、准确性、经济 性以及灵敏度等方面都存在一系列问题。到了2 0 世纪7 0 年代，随着计算机继电 保护技术的发展，早期行波法逐渐被阻抗法所取代。2 0 世纪7 0 年代末和8 0 年代 随着电力系统电磁暂态计算理论和数字信号处理技术的发展嘲，行波技术广泛应 用于距离保护算法，由此诞生了现代行波法。这一阶段的行波定位法在行波信号 的检测方法上取得了一定的突破，其研究的重点在于通过构造各种数字信号处理 算法来实现故障点反射波的识别，以此获得故障暂态行波在线路一端测量点与故 障点之间往返的传播时间。具体算法主要有相角差法、行波相关法、匹配滤波器 法、主频率法、求导数法和波形畸变法等几类【9 1 ”。 2 0 世纪9 0 年代以来，行波研究取得重大进展，很好地解决了行波定位的两 个关键问题：第一，暂态行波这类非平稳变化信号的描述；第二，精确确定故障 行波的到达时间和行波传播速度【l9 1 。这些问题的解决离不开相关领域技术的发 展，主要包括：现代微电子技术、全球定位系统( g p s ) 技术脚1 、现代通信技术 和现代数字信号处理( d s p ) 技术等。现代微电子技术的应用解决了电压、电流 暂态信号的高速采集和存储问题【2 l 】；g p s 技术的应用为现代电力系统同步时钟的 研制创造了条件，从而使得双端定位成为可能【2 2 2 3 】；现代通信技术的应用奠定了 定位系统的网络基础；d s p 技术的应用则促进了各种实时高性能行波故障定位算 法的发展。由此衍生出的相关算法如：反向行波浪涌识别法【2 4 】、最大似然估计法 【2 8 】和小波模极大值法等【2 。2 7 掳划。 其中，全球定位系统( g p s ) 用在双端行波测距，可以使得线路两端的时间 同步。g p s 系统在每颗卫星上装置有十分精密的原子钟，并由监测站校准。g p s 同步卫星向地球发射高精度脉冲信号( 被称为c a 码) ，安装在测距终端的计时 器，利用高精度晶体振荡和脉冲信号的同步，实现各个终端对时间的同步。这种 方法用于行波法测距时，可以提高测距精度，时间可以准确到1 0 - t s ，如果没有其 5 北京交通大学硕士论文 它因素的理想状况下，可以使测距精度到达1 0 m 数量级。 基于这些技术、原理和算法的突破，开发的相应行波故障定位装置也越来越 广泛的应用于实际。1 9 9 2 年，英国h a t h a w a yi n s t r u m e n t s 公司的利用暂态电流分 量的定位装置应用于苏格兰s c o t t i s h 电网【3 5 问。1 9 9 3 年，加拿大b r i t i s hc o l o m b i a h y d r o 研制的d 型行波定位系统运行于b r i t i s h c o l o m b i a 省的1 4 个5 0 0 k v 变电所， 覆盖线路总长超过5 3 0 0 k m 3 7 。行波定位装置在我国的应用也比较普遍，早在1 9 9 5 年，山东淄博科汇电气有限公司和西安交通大学等单位联合研制的x c 1 1 型输电 线路行波故障定位装置就在辽阳5 0 0 k v 变电所投入试运行，随后，又开发了功能 更强大的x c 2 0 0 0 型系统，这些装置广泛应用于我国的山东、四川、湖北、广东、 北京等地的电网【3 8 郴】。此外，还有清华大学1 4 1 删、中国电力科学研究院系统安全 控制公司】等单位也都在从事这方面的研究，也都研制出了各自的实际装置。总 之，各种行波故障定位装置的实际应用不仅取得了极为丰富的现场运行经验，同 时也产生了较大的经济效益。 5 、智能化定位方法 随着计算理论和人工智能技术的发展，数据处理、信号分析的各种算法层出 不穷，近年来，许多学者开始将这些智能化的算法、原理引入输电线路故障定位 的研究中，希望以此解决故障定位问题。提出了如：优化方法( 典型算法有基于 最小绝对值的参数估计算法【4 5 1 、分层分量法【4 6 1 、最优积分近似技术1 4 7 】等) 、人工 神经网络1 鹌- 4 9 、模糊理论 f 叮- 5 “、卡尔曼滤波技术【5 2 。7 4 、概率和统计决策方法 5 3 洲、 模式识别技术1 5 5 - 5 6 1 、电弧理论 5 7 - 5 卿与光纤定位方法【删等智能分析方法和手段。此 外，还有文献 5 ，6 提出的将s 注入法和无线传输节点相结合，利用传感器网络构 建无线节点通信网络的自闭贯通线故障定位系统；文献 7 提出了将p e t r i 网与 冗余纠错技术结合的配电系统故障区段定位方法。这些方法从不同的角度丰富了 故障定位的研究，为精确故障定位注入了新的活力，但且前大部分还仍然处于研 究开发阶段，离实际应用还有一定距离。 1 2 3 行波法故障测距中信号分析工具的进展 1 、时域和频域相结合的信号分析工具 能够进行时频分析【硒】的数学工具主要有窗口傅立叶变换( w i n d o w e df o u r i e r t r a n s f o r m ) 、短时傅立叶变换( s h o r tt i m e f o u r i e rt r a n s f o r m ) 和d 、波变换【3 0 ) ( w a v e l e t t r a n s f o r m ) ，其中目前小波变换应用比较广泛。小波变换具有表征信号突变特征 的能力以及对非平衡信号的良好的处理效果，可以从不同的尺度下信号小波变换 的结果进行干扰分析和抑制、提取信号故障特征参数，实现故障的精确测距。用 6 引言 小波变换来检测故障行波波头的准确到达时间，在输电线路上已有经成功应用， 相同的原理也可以铁路自闭贯通线的故障测距。因此，小波变换是比较理想的突 变点检测信号分析工具。 2 、时域上的信号分析工具 2 0 0 2 年英国利物浦大学的吴青华等提出将数学形态学用于电力系统的信号 的分析检测【椰删之后，在国内将数学形态学运用在故障测距上的研究大有发展。 数学形态学摒弃了传统的数值建模及分析的观点，从集合的角度来刻画和分析图 像，借助灰度形态学，可对电力系统的一维信号进行分解提取或变形。数学形态 ，学是一种非线性变换，完全从时域出发，针对信号本身的特点进行特征分析。数 学形态学中的基本形态梯度变换上发展起来的多分辨形态学梯度( m u l t i r e s o l u t i o n m o r p h o l o g i cg r a n d i 锄t ) 变换，具有对行波信号进行突变点检测的功能。 1 3 电力系统保护中的行波法 电力系统暂态可以分为两大类：一类是不影响电网、线路或设备正常运行的 扰动暂态，如影响电能质量的振荡暂态、脉冲暂态、电力电子开关设备动作及非 线性设备运行等引起的噪声等；另一类是由于线路或设备异常所产生的故障暂态， 如故障行波暂念、电弧故障暂态等。扰动暂态的持续时问就视不同的产生原因而 不同。 表卜1 暂态行波的产生原因与持续时间 t a b l e1 - 1c a u s ea n dt h ed u r i n gt i m eo f t h et r a n s i e n tt r a v e l i n gw a v e 故障暂态包括：输电线路故障暂态和设备故障暂态，其中高压输电线路故障 时产生的高频故障分量包含频带范围比较宽的频率分量( 直流分量到几百k h z ) 。 它的产生有三个原因： 第一，由于故障瞬间相当于在故障加上一个与故障前瞬间大小相同、方向相 反的电源，造成线路电压的突变，而这一突变信号在频域中包含整个频谱。 第二，由于线路中的分布参数造成电压、电流行波的来回折射、反射及透射， 7 北京交通大学硕士论文 导致电压或电流在暂态过程中波形畸变，在频域中也反映为较宽频带的高频分量。 第三，由于短路造成的弧光产生弧光电路的非线性，直接产生了大量频率范 围较大的高频分量。 r 一反应工频电气量，方向高频保护( 包括距离高频保护) ll 电流相位差动高频保护 高频保护1f 高频电流保护 【反应非工频电气量反应暂态分量的高频保护( 行波) i 故障反射原理的高频保护 电力系统暂态可用如下式来模拟： i t = i “f 或i = i 。t e - 椭一l 皑e - 屯“t 电力系统的振荡衰减暂态可以用下式来模拟： 1 2 = ls i n ( 2 # ：+ 口) e 。“或2 = ls i n ( 2 # i _ + 口) ( e 一7 1 一e - 忆) 电力系统暂态信号般为连续信号，且具有高阶奇异性。 方向高频保护的原理是比较线路的两端的故障功率方向，电流相位差动高频 保护的原理是比较线路两端电流的相位。 高频电流保护原理是反应故障时高频电流的变化，反应暂态分量的高频保护 的原理是反应故障时出现的暂态分量或行波的。 1 4 自闭贯通线故障诊断装置体系 图1 1 铁路电力线路故障测距体系图 f i r g u r e1 - 1s c h e m eo f t h ef a u l tl o c a t i o no f t h er a i l w a ye l e c t r i c a ll i n e 引言 铁路电力线路的故障测距故障测距系统如图1 1 所示，其中从c t 或p t 采集 到的信号要经过调理电路，然后经过高速数据采集系统也就是a d 转换变为数字 量信号，形态滤波后，经过相模变换把相量变换为模量，并取线模分量，进行多 分辨形态梯度变换找到行波头到达时间，从而得出测距结果；经过对称分量变换， 取零序分量，利用数学形态学的开闭构造峰谷检测器，得出选线结果，从而输出 故障诊断结果。 行波的传播速度与光速相当，如果采样步长为坤数量级( 假设其它原因没有 引起测距误差) ，测距误差也在3 0 0 m 数量级。 本文所采用的方法是高频电压或电流保护，感兴趣的部分是故障时暂态分量， 一方面滤波时要尽量保留故障时的高频部分，也就是行波部分，导致数据采集a d 转换时要采用高频数据采集系统，也加大了测距成本：另一方面，要滤除干扰信 号，以减少干扰信号对测距结果的影响。同时考虑两个方面，做到又保留行波部 分的又要滤去噪声是比较难的。 1 5 本课题采用的研究方法 本课题充分利用铁路自闭贯通线故障瞬间表现出来的特性来进行故障测距。 故障瞬| 日j 表现出来的特性，包括故障点特性、故障信息从故障点到测量端的传播 特性、从干扰背景中检测出故障信息等，从而充分利用这些故障信息实现准确故 障测距研究。 整个研究过程，可测量的量只有在测量端( 自闭贯通所) 捕捉到的从各个地 方反射过来的电压或电流行波信号。因此，要充分研究各种情况下的行波，结合 合适的数字信号处理技术，实现铁路自闭贯通线的测距。铁路自闭贯通所的电 磁环境复杂，捕捉到的行波信号叠加了干扰信号，需要合适的滤波技术，消除其 对测距结果的影响。 实际运行的铁路自闭贯通线型号种类多，参数特性也不同，本课题搭建模型 时以实际电气结构为依据，电气参数用相同电压等级的l o k v 的配电线路的电气参 数，理论上是可行的。本课题选用e m t d c 现有的与实际基本相符的线路的频率 相关模型，引入必要参数，形成数据文件，将数据导入m a t l a b 进行波形绘图 处理以及数字信号处理。 1 6 本论文研究完成的主要工作 本文主要做以下几个方面的工作： 9