（电气工程专业论文）具有故障测距功能的光纤电流差动保护研究.pdf

山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t a c c u r a t ef a u l tl o c a t i o nw i i il i g h t e nt h ew o r ko fs e e k i n gf o rt h ef a u l t a n df a c i l i t a t eq u i c k e rr e p a i ra n dr e s t o r a t i o nt or e d u c et h ed a m a g e sd u e t os t o po fp o w e rs u p p l y ，o n c ef a u l t so c c u ro nt h et r a n s m i s s i o nl i n e t o e n s u r ep r o p e r o p e r a tio no ft h es y s t e m ，itiso fg r e a ti m p o r t a n c et o d e t e r m i n et h ee x a c tf a u l tl o c a t i o nw h e nf a u l th a p p e n s f o rm a n yy e a r s ， a c c u r a t ef a u l tl o c a t i o no ft r a n s m i s s i o n1 i n eh a sb e e np a i dm u c ha t t e n t i o n t oo nt h eb a s i so fal o to fp r e d e c e s s o r s a c h i e v e m e n t s t h ep r i n c i p l eo fd i f f e r e n t i a lc u r r e n tp r o t e c t i o ni ss i m p l e ，a n dt h e d i f f e r e n t i a lc u r r e n tp r o t e c t i o ni si m m u n et op o w e rs y s t e mo s c i l l a t i o n s ， s e r i e sc o m p e n s a t i o n ，m u t u a li n d u c t a n c e ，t w op h a s eo p e r a t i o na n ds i n g l e p o w e rs u p p l ys y s t e m s ，a n di th a sa ni n s t i n c tf o rp h a s es e l e c t i o n s oi t i ss u i t a b l ef o ra c t i n gm a i np r o t e c t i o no ft r a n s m i s s i o nl i n e s t h eo p t i c a l 。f i b e rd i f f e r e n t i a lc u r r e n tp r o t e c t i o nw i l lb ea d o p t e d w i d e l y o nt r a n s m i s s i o nl i n ew i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g ya n dt h er e d u c t i o no ft h ec o s tf o rc o m m u n i c a t i o nd e v i c e a n d t h i sm a d et h em e t h o d so ft r a n s m i s s i o n1 i n ef a u l tl o c a t i o nr e a c han e w l e v e l i nt h ec a s ea b o v e ，t h et h e s i si sf o c u so nt h er e s e a r c ho ft h e o p t i c a l 。f i b e rd i f f e r e n t i a lc u r r e n tp r o t e c t i o nt h a th a st h ef u n c t i o no f t h ef a u l tl o c a t i o n a tf i r s t ，s o m ee x i s t i n gm e t h o d so ft r a n s m i s s i o nl i n e f a u l tl o c a t i o na r es u m m a r i z e da n dt h o s em e t h o d s p r i m a r m e r i t sa n d d i s a d v a n t a g e sa r ea n a l y z e da sw e l l ：a ts e c o n d ，s o m eo p e r a t i o nc r i t e r i o n s o ft h ed i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o na r ea n a l y z e dt h e o r e t i c a l l y ：a tl a s t ，b yt h e d i s s e r t a t i o no ft h ed f 3 3 2 2 e ao p t i c a l 。f i b e r d i f f e r e n t i a lc u r r e n t p r o t e c t i o n ，t h ei m p e d a n c ef a u l tl o c a t i o nh a sb e e nd i s c u s s e dm a i n l yi n t h i st h e s i s ，t h ea u t h o rp r e s e n t e dt h ea l g o r i t h m su s i n gt w o t e r m i n a ld a t a f o rl o c a t i n gf a u l tp l a c eo ft r a n s m i s s i o nl i n eb a s e do nt h ed f 3 3 2 2 e a ，a t t h es a m et i m e ，t h em a i np r o t e c t i o ns c h e m ea b o u td f 3 3 2 2 e al i n ed i f f e r e n t r e l a yi si n t r o d u c e di nd e t a i l l o t so fr t d st e s tr e s u l t sa n da c t u a l o p e r a t i o ns h o wt h a td f 3 3 2 2 e ah a sh i g hr e l i a b i l i t ya n ds a t i s f a c t o r y p e r f o r m a n c e ，t h ef e a s i b i l i t ya n da d v a n t a g eo f t h i ss c h e m eh a sb e e n v e r i f ie d 山东大学硕士学位论文 t h ed e v i c eh a sp a s tt h es t a t i ct e s ta n dt h ed y n a m i ca n a l o gt e s ti nn c q t r ， a n dw h i c hh a sb e e nw i d e l yu s e d k e yw o r d s ：t r a n s m i s s i o nl i n e ；f a u l tl o c a t i o n ； o p t i c a l ；d i f f e r e n t i a l c u r r e n tp r o te c tio n 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：监 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：韭导师签名： 日 山东大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 众所周知，输配电网络的安全、经济运行具有重要的社会意义和经济意义， 输电线路发生故障后，准确、及时的故障定位对供电的快速恢复和整个电力系统 的安全稳定都起着至关重要的作用。但与此相对应的是，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，其穿越区域地形复杂、运行环境恶劣，一旦 发生故障，巡线工作艰苦困难，并需要花费大量时间，尤其是闪络等瞬时故障占 9 0 - 9 5 ，而这类故障造成的局部绝缘损伤一般没有明显的痕迹，给故障点的查 找带来极大困难。因此，准确、及时的故障定位不仅大大减轻了人工巡线的负担， 而且还能及时发现输电线路的薄弱环节及绝缘隐患，及早采取防范措施。它给电 力生产单位带来的社会、经济效益是难以估计的。故障测距算法的性能对故障定 位起决定作用，因此，研究性能优越的故障测距算法是继电保护工作者的一个重 要任务。 电流差动保护，比较线路两侧的电流量，其不受负荷电流的影响，不反应系 统振荡，具有良好的选择性，能快速切除全线故障，一般情况下也具有较高的灵 敏度。电流差动保护最早的应用就是传统的导引线保护，其可作为中、低压电网 中的短距离线路的全线速动主保护。对于中长距离的输电线路，由于难以测量线 路对端的电流，而在相当长的时间内，难以应用电流差动保护原理。光纤通道具 有很好的抗电磁干扰能力和大容量传输数据的优点，因此随着光纤通信技术的日 益成熟以及光纤数字网络在电力系统中逐步形成，电流差动保护的各种天然优势 得以充分展现，基于光纤数字通信技术的线路电流差动保护也越来越多的应用到 各电压等级的电网中，并逐步在电力系统各电压等级中占据主保护的地位。 1 2 故障测距的发展及现状 长期以来，输电线路故障测距技术受到普遍重视。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 k v 输电线路中投入运行；尽管当时的故障定 位器是指针式仪表，并需要与调度中心交换信息，但对测定故障点位置仍有较大 帮助。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，且 需要丰富的实际操作经验才能做出判断。二战后，故障测距技术的开发步伐加快， 山东大学硕士学位论文 美、法、日等国都取得了不少新近展。经过6 0 多年的研究和改进，故障测距技 术有了很大发展，人们提出了许多测距原理和方法，很多故障测距装置己经投入 运行。尤其是2 0 世纪7 0 年代以来，随着计算机技术的普遍应用，基于微机和微 处理器的故障测距算法研究已经成为国内外继电保护工作者的热门研究课题之 一，并且这给输电线路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。 1 9 7 9 年m t s a n t 和y g p a i t h a n k a 首先提出利用一端测量电压和电流的 方法，1 9 8 2 年t a k a g i 和1 9 8 3 年a w i s z n i e w s k i 先后提出利用故障前、后基波电 流和故障后基波电压的计算方法，将故障网络分解为故障前和故障网络来考虑负 荷电流的影响，用求故障分量电流分布系数来解决两侧系统阻抗的影响。这期间， s c h w e i t z e r 等人利用迭代方法求故障距离。1 9 8 5 年，l e r i k s s o n 等人考虑系统 运行方式变化对测距的影响，提出远端馈入补偿算法，需要存储故障前负荷电流 采样值来补偿对精度的影响，同时储存电源阻抗典型值，借助于系统模型，通过 解二次方程的方法来求解故障距离。国内，随着微机技术的发展，故障测距算法 的研究不断深入。文献 4 6 为记及过渡电阻的影响，首先提出了当己知系统参数 时，可通过有限次迭代计算修正故障电流的相位进行测距的新方法。由于输电线 路故障大部分表现为单相接地，且经高阻对测距精度影响很大，文献 4 7 提出在 解微分方程的基础上，利用测量电阻分量实现高阻接地短路的测距算法，文献 4 8 为克服故障电流相位修正法可能收敛至伪根而造成误测距的缺陷，从接地距离保 护的角度提出反应高阻接地故障的解方程算法，并针对这种算法的主要问题提出 如何识别真根的原则。文献 4 9 等利用故障产生的暂态行波实现a 型测距装置， 并在此基础上研制出新的测距装置，后来又相继提出了现代a 型、d 型等测距算 法，从而推动了现代行波故障测距技术的发展。 近几年来，在应用研究领域，为了进一步提高行波故障测距精度，人们将小 波变换应用于故障测距方法，小波模极大值检测理论在行波故障测距方法中的广 泛应用给行波测距方法带来了广阔的发展前景。后来又有人提出了将各种算法集 为一体的综合测距装置。 输电线路故障测距技术在无数继电保护工作者的不懈努力下，取得了长足的 发展，迄今为止，国内外已有大量探讨输电线路故障测距问题的文献发表，有些 测距装置己投入现场运行。但是我们看到，输电线路故障测距是一个传统的课题， 同时又是将来长期不好解决的问题，继电保护工作者在这些传统的方法上不断改 进，以期提高故障测距精度。近年来，基于微机或微机处理装置的故障测距方法 研究已经成为最热门的研究课题之一。但是微机故障测距技术出现的时间毕竟不 长，无论在理论上还是实际应用中都有不少改进之处，从目前己有的故障测距方 2 山东大学硕士学位论文 法来看，在测距准确性、可靠性以及硬件的投入方面，还不能满足电力系统运行 和管理部门的要求，有必要做进一步的研究。 1 3 线路电流差动保护的发展与现状 电流差动保护原理，对于电力系统继电保护来说，是最为理想的一种判据。 它己被广泛地应用于电力系统的发电机、变压器、母线等诸多重要电气设备之中。 可以毫不夸张的说，凡是有条件实现的地方，均毫无例外的使用了这种原理的保 护，而且都是主保护。这种保护原理具有灵敏度高、简单可靠和动作速度快等诸 多优点。从继电保护的故障信息的观点来看，电流差动保护原理最为理想，差动 电流中完全消除了非故障状态下的电流分量( 不计线路分布电容电流时) ，因此， 以差动电流作为动作量的电流差动保护能适应电力系统的振荡、非全相等各种复 杂的故障运行状态，可反应各种类型的故障。这一突出优点是目前输电线路上所 采用的其它各种原理的保护所无法比拟的。正因为如此，差动保护的逻辑设计相 比于高频距离、零序或者方向高频保护均要简单的多，其所需的电气量也最少， 可以做到不受p 1 i 断线的影响等。同时理论上基于基尔霍夫电流定律的分相电流 差动保护原理，对于电力系统的线路保护来说，它具有良好的“天然 选相功能 和良好的网络拓扑适应能力( 能适应任何形式的输电线路) ，能很好的解决目前 输电线路在保护选型时所遇到的同杆并架双回线、串补电容线路以及t 型分支线 路等的保护配置的困难和城域网中的短线路保护难以整定的问题，以及还能较好 的适应架空线路与地下电缆混合输电系统等等。这些优点对于提高电力系统的安 全稳定性和输供电的灵活性为目标的复杂电网的建设，具有非同寻常的意义。 按电流差动保护采用的通信技术划分，电流差动保护有传统的导引线电流差 动保护、微波电流差动保护和光纤电流差动保护。它们各自的特点可以简述如下： ( 1 ) 导引线电流差动保护( 简称导引线保护) 需要铺设电缆，当线路较长( 超过十余公里) 时显得不经济，且线路故障引 起的过电压会使保护安全性降低。并且导引线的电缆必须有足够的绝缘水平，从 而使投资增大。导引线直接传输交流电量，对差动保护原理的实现提供了便利， 但导引线的参数直接影响保护的性能，从而在技术上也限制了导引线保护用于较 长的线路。 ( 2 ) 微波电流差动保护( 简称微波保护) 微波通道与输电线没有直接的联系。微波通道是一种多路通信系统，可以提 供足够的通道，彻底解决通道的拥挤问题。微波通信具有很宽的频带，线路故障 时不会影响信号系统，信号不会中断，并可以传送交流电流的波形。采用脉冲编 山东大学硕士学位论文 码调制( p c m ) 方式可以进一步扩大信息传输量，提高抗干扰能力，也更适合于 数字保护。微波通信是较为理想的通信系统，但是在目前状况下，为保护架设专 用微波通信设备不经济，而是与通信、远动等共用。另外，微波通信也会受到气 候、地形等因素的影响。 ( 3 ) 光纤电流差动保护( 简称光纤保护) 光纤通道与微波通道有相同的特点，也广泛的采用p c m 调制方式。利用光纤 通道，更有以下特点：( a ) 传输容量大，速率高；( b ) 传输损耗小，中继距离 长；( c ) 抗干扰能力强，安全可靠性高；( d ) 体积小，重量轻，结构简单，耐 腐蚀等。另外，由于光与电之间互不干扰，所以光纤保护没有导引线保护存在的 那些问题。如果光纤与微波通信结合应用，可以达到事半功倍的效果。最近发展 的在架空输电线的接地线中架设光纤的方法既经济又安全，很有发展前途。 在国外，最早是在七十年代，日本研究了分相式微波电流差动保护。我国也 较早的开展了输电线路的微波电流差动保护的研究，早在1 9 7 9 年左右就有相应 科研报告发表。由于通信技术的限制，最开始的研究，主要是研究采用频率调制 方式下的模拟式微波电流差动保护。随着微机保护和数字通信技术的迅速发展应 用，从七十年代中期开始，日本最先研究采用脉码调制( p c m ) 方式的数字式微 波电流差动保护装置。直到八十年代初，日本k a n s a i 电力公司和m i t s u b i s h i 电 气公司合作，又较早的研制出采用光纤传送数据的p c m 数字式电流差动保护装置。 八十年代末以来，又有日本的东芝、日立公司、英国的g e c 公司，以及著名的a b b 公司相继推出相应的产品。 与国外相比，我国一直到八十年代末、九十年代初，才开始研制数字式电流 差动微波保护装置。我国的第一套数字式微波电流差动保护装置，wxh - 1 4 型 高压线路微机微波保护装置，于1 9 9 4 年完成并通过部级鉴定，但当时并没有充 分产品化，因而没有得到推广投运。另外南京自动化研究院南瑞公司研制的 l f p 一9 3 1 a 型数字式分相电流差动保护装置，北京四方继保自动化公司研制的 c s l - 1 0 3 型高压线路数字式分相电流差动保护装置己在国内开始得到应用。 目前随着计算机及通信技术的向前发展和光纤等通信设备的成本下降，尤其 是光纤通道抗电磁干扰的能力强，光纤纵联电流差动保护在我国电力系统继电保 护中正越来越多地被采用；在国外，电流差动保护的应用也较多，尤其是在日本 和英国，数字式电流差动保护是输电线路主保护中应用最多的保护。 4 山东大学硕士学位论文 图1 - 1 光纤直连示意图 通信网 图1 - 2 复接p c m 示意图 1 4 我国微波与光纤通信网的现状“1 1 近些年来，随着全世界的计算机和通信技术的迅速发展，通信设备的费用急 剧下降；我国的电力通信系统也在加速发展，尤其是光纤通信系统的发展是前所 未有的。目前，数字微波主干通信网已覆盖了除台湾以外的全国各省、自治区和 直辖市的电力系统单位，“八五”期末电力系统专用通信网内微波通信电路总长 已超过3 3 0 0 0 k m ，微波通信站数量约11 0 0 个，数字微波通信电力在微波电路中所 占的比例已由“七五 期末的3 0 上升到“八五”期末的约8 0 ；电力卫星通信 网己建成卫星地球站3 2 座，形成了以北京为中心的全国电力系统卫星通信网。 光纤通信在我国己逐步得到应用，目前正处在“爆炸性”发展阶段。至1 9 9 5 年底，我国建成了总长为3 7 0 0 0 k m 的京汉广早已开通，另外我国东西向和南北向 分别各有8 条光缆干线己陆续建成、部分投产和进入前期准备阶段。最近，在我 国华东地区架设了o p g w 光纤网，在东北地区，也将随5 0 0 k v 的贯穿东北电力“大 马路”架设光缆线。未来若干年，我国的光缆铺设工作将以2 2 的平均年增长率 增长。“十五”期间，建成以光纤通信为主的现代化电力通信传输干线网络。在 该通信网络上建设高速宽带数据传输网，2 0 0 3 年底，建成覆盖全国电网的光纤通 信网络，骨干网传输速率不低于l o g b p s 。建立由核心层、骨干层和接入层三层结 构组成的技术先进、比较实用的高速信息传输平台，满足电力生产、经营、管理 等信息化需要。因此，采用光纤传送数据的电流差动保护装置的使用条件正在逐 步迅速的成熟。 山东大学硕士学位论文 光纤通信与输电线路无直接联系，不受电磁干扰的影响，可靠性高，同时， 其通信容量大，随着成本的下降，毫无疑问，它将是电力系统通信的发展方向。 事实上，i e e e 电力系统继电保护分委会，早在1 9 9 5 年发表的一份调查报告就己 经显示：未来的光纤通道多路传输不同用途的信号将成为一种趋势；将在继电保 护、声频通信、数据传输及其它设备之间共享光纤；这种通信方式将是最为经济 实效的。 1 5 本论文的主要工作 随着光纤应用的普及，为实时准确地获取线路两端的信息提供了高效的信息 通道，大大推动了电流差动保护的应用；同时长期以来，输电线路的准确故障测 距受到电网运行和管理部门以及专家学者的广泛重视。鉴于此，本文以具有故障 测距功能的光纤电流差动保护为研究内容，在总结前人研究成果的基础上，主要 做了以下工作： 1 、概述了输电线路故障测距的作用、意义，回顾了输电线路故障测距的发 展过程，论述了故障测距方法的现状和前景；综合阐述了输电线路电流差动保护 的发展、现状和前景；分析了数字通信系统的发展趋势；并提出了本文的主要工 作； 2 、通过阅读大量现有故障测距方法文献，总结了现有的故障测距方法，分 析了他们各自的特点和存在的问题，并重点对双端测距法进行了研究； 3 、从项目研发背景入手，对差动保护原理及保护判据用比较多的篇幅进行 了研究分析； 4 、研制开发了基于新平台的数字式光纤电流差动保护装置d f 3 3 2 2 e a ( 以下 简称d f 3 3 2 2 e a ) ，该装置以三相电流差动、负序电流差动、零序电流差动作为主 保护，以三段复压闭锁方向过流、四段方向零序过流保护等作为后备保护，而且 配备有故障测距、重合闸、后加速、过负荷、低周减载、低压减载等功能。所研 制的产品直接用于具体的工程实际，因此，有着很大的理论意义和实际意义。本 课题主要集中研究该装置故障测距、电流差动保护原理及其相关部分的实现。本 人在实际工作中，参与了该装置研制的全过程，并主要负责该装置保护及辅助功 能的软件设计和调试等工作； 5 、在文章的最后，对论文工作进行了总结和展望，并提出了要进一步研究 的问题。 6 山东大学硕士学位论文 2 1 引言 第二章故障测距方法分类及其比较 近几十年来，许多学者基于对线路模型、被测量和测量手段的不同考虑，提 出了许多测距方法。这些方法从不同的侧面可以进行不同的分类。按采用的线路 模型、测距原理、所使用设备等的不同，故障测距方法的分类有很多种，如依据 所利用的电压、电流的来源，可分为单端测距和双端测距；依据采用的线路模型 可以分为集中参数和分布参数模型；依据测距原理的不同则可分为阻抗法n 2 0 1 和 行波法。本文依阻抗法和行波法两大类方法进行阐述。 2 2 阻抗法 2 2 1 单端测距算法 利用故障前后输电线路一端的电压、电流等电气量进行故障定位，就是单端 故障测距。1 9 7 9 年m t s a n t 和y g p a i t h a n k a r 首先提出利用一端测量的 电压和电流的方法，它仅适用于单侧电源的线路 1 。对于两侧电源，当过渡电 阻受到对侧助增电流的影响后，测距结果将产生较大误差。1 9 8 2 年t a k a g i 4 和1 9 8 3 年a w i s z n i e w s k i 5 先后提出利用故障前、后基波电流和故障后基波电 压的计算方法，将故障网络分解为故障前和纯故障网络，来考虑消除负荷电流的 影响，用求故障分量电流分布系数来解决两侧系统阻抗的影响。实际上，系统阻 抗是随运行方式而变化的，因此故障电流分布系数也是变量。其中，s c h w e i t e r 等 人 6 在文献 4 的基础上形成迭代程序求解故障距离。1 9 8 5 年l e r i k s s o n 等 人 7 为考虑系统运行方式的影响，提出远端馈入补偿算法，需要存贮故障前负 荷电流采样值用以补偿对精度的影响，同时存贮电源阻抗典型值用以补偿阻抗角 的变化，借助于系统模型，应用解二次方程的办法来求解故障距离。 国内，随着微机技术的发展，故障测距算法的研究不断深入。文献 8 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 障电流相位进行测距的新方法。文献 9 利用解微分方程的阻抗算法实现距离保 护装置。由于输电线路故障大部分表现为单相接地，且经高阻接地对测距精度影 响颇大，文献 1 0 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 的测距算法。文献 11 为克服故障电流相位修正法可能收敛至假根而遗失真根的 7 山东大学硕士学位论文 缺陷，从接地距离保护的角度提出反应高阻接地故障的解方程算法，并针对这种 算法的主要问题提出如何识别真根的原则。上述这些算法几乎都是建立在已知系 统参数的条件下。文献 1 2 提出利用线路阻抗、测量端电流和电压建立网孔方程 在时域中求解的算法，它具有唯一解且不需事先存贮网络参数进行查询的特点。 文献 1 3 利用功率平衡的原理提出了一种新的故障测距原理，与行波法和阻抗分 析法有着本质的不同。但这种测距算法有其局限性，只能适用于单侧电源。这种 新原理能否扩展到双测电源，则有待于进一步的研究。 围绕着过渡电阻和对端系统阻抗提出了众多的不同原理的单端测距算法，纵 观现有的单端测距算法，存在的问题主要有：过渡电阻或对端系统阻抗的不可 知性：输电线路及双端系统阻抗的不对称性的影响；测距方程伪根的判别。 解方程算法的伪根出现在区外时，很容易判别真伪。当两个方程的根都出现在区 内时，尚无有效的剔除伪根的依据。 对单端测距算法而言，过渡电阻和对端系统始终是模糊的，因此，也就无法 从原理上消除这些影响。随着电力技术和通信技术的发展，人们相继提出了双端 或多端故障测距算法。 2 2 2 双端及多端故障测距算法 利用输电线路两端的电压、电流等电气量构成的测距算法就是双端测距算 法。由于利用双端数据的测距算法，在原理上完全不受故障过渡电阻( 阻抗) 的 大小、性质及双端系统阻抗的影响，可以保证足够高的精度。尽管需要通道传输 对端的数据信息，但随着各种通信技术的发展，这些不再是制约双端测距的瓶颈， 已可以方便地获得对端的信息u 钔。 文献 1 5 利用两端零序电流有效值之比测定单相接地位置；文献 1 6 是针对 多端双回线系统的一种方法，它采用忽略分布电容的集中参数等效电路，证明了 任一端两回线电流之差同相，导出了以各端差电流有效值表示的一次测距方程， 并采用线路长度和线路阻抗补偿技术提高测距精度，同时它还介绍了多端系统变 换为三端系统的方法。文献 1 7 利用本端电压、电流和另一端的电流实现故障测 距，直接利用了分相式电流差动保护已有的电流信息，可不再考虑双端数据的同 步问题。文献 1 8 是解微分方程的双端测距算法，其利用暂态数值的两种方法颇 有创造性：在短线路解法中，用差分代替微分，采用最小二乘法提高精度；长线 路中，采用长线方程的贝瑞隆法，故障距离也通过最小二乘法得到。由于引入了 一个与故障后一端电压和电流对应的非故障线路，简化了分析计算；它采用两端 电压和电流的瞬时值，灵活方便，且对硬件的要求比行波法低。此方法既不同于 传统的解微分方程法，又不同于行波法，只是需两端数据同步，且长线路法亦为 8 山东大学硕士学位论文 考虑线损。文献 1 9 基于分布参数模型，依据输电线路方程，提出一种新型的高 压输电线路故障测距的精确算法。依据故障时沿线电压的分布规律，使用搜索迭 代的方法计算出故障点的位置，不需要双端的数据同步，能消除过渡电阻的影响， 无需解长线方程，也不存在伪根的判别问题。由于双端测距算法不存在原理误差， 而且可以进行离线的故障测距，因此采用精确的分布参数模型对准确的故障测距 是必需和有益的。尽管在双端数据的同步上还需改进，但双端测距算法原理上的 准确性值得进一步研究。 由于单端测距算法在原理无法消除过渡电阻和对端系统阻抗的影响，因此， 双端故障测距得到了蓬勃的发展。 2 3 行波法【2 】 行波法是根据行波传输理论，利用故障时产生的由故障点沿输电线路向两侧 传输的行波，达到故障测距的目的。输电线路行波故障测距方法的发展经历了早 期和现代两个阶段。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，而现代行波方法则利用各种数字信号处理算法来测 量暂态行波的到达时刻和传播时间。 2 3 1 早期的行波法 早期的行波法诞生于2 0 世纪4 0 年代末，相应的行波故障测距装置为a 、b 、 c 、d 四种基本类型。其中a 、c 原理为单端原理；b 、d 为双端原理。 a 型：根据故障点产生的行波在测量端至故障点之间往返的时间与行波波速 之积来确定故障位置。其主要缺点是不能区分来自故障点的反射波和系统中其他 的波阻抗不连续点的反射波，可靠性差。 b 型：利用通信手段获得对端的故障点行波到达时间，利用两端的行波到达 时间差来进行故障定位。此方法最大优点是不受来自系统中波阻抗不连续点反射 波的影响，但是需要实时通道，测距精度受通道影响。 c 型：故障时在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 点的往返时间来实现故障测距。这种原理的主要问题是受故障本身产生暂态行波 以及线路上其他各种干扰的影响，而且设备成本高。 d 型：通过载波同步方式实现两端测距装置的同步计时，并在此基础上测量 故障初始行波浪涌由故障点到达故障线路两端的绝对时刻，二者之间的差值可以 计算出故障点到线路两端的距离。d 型原理不受来自系统中波阻抗不连续点反射 波的影响，但需要建立始终同步机制，另外还需要通道以实现两端故障信息的交 9 山东大学硕士学位论文 换。 由于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、方便性等方面都存在一系列问题。 另外，早期行波故障测距装置均通过高频通道的耦合设备或附加的耦合设备获取 电压暂态信号，由于受母线分布电容及其他线路影响，电压暂态信号上升速度慢， 幅度小，因而测距灵敏度低。直到2 0 世纪9 0 年代，行波测距才重新受到瞩目， 这就是现代行波测距。 2 3 2 现代行波测距 从原理来看，现代行波测距方法己经发展成为具有现代技术特色的a 、d 、e 、 f 等四种原理，a 型现代行波测距原理是对a 型早期行波测距原理的发展，利用 在线路一端测量到的故障暂态行波在故障点与本端或者对端母线之间往返一次 的传播时间计算故障点到本端或者对端母线的距离嘞1 。d 型现代行波测距原理利 用故障初始行波浪涌到达线路两端母线时的绝对时间差计算故障点到两端母线 之间的距离晦。e 型现代行波测距原理利用断路器重合闸于故障线路时产生的暂 态行波在测量点与永久性故障点之间往返一次时间计算故障距离饵朝。而f 型现代 行波测距原理则利用断路器分合闸于故障线路时产生的暂态行波在测量点与故 障点之间往返一次的传播时间计算故障距离嘲陌钔。2 0 世纪9 0 年代以来，行波测 距算法的研究重点不仅在于故障点反射波的检测，以实现单端行波故障测距，还 在于故障初始行波浪涌到达线路两端测量点的时刻的精确标定，以实现双端行波 故障测距。现己提出现代行波测距算法可以分为匹配滤波器法、第二个反向行波 浪涌识别法、最大似然估计法和小波模极大值法等几大类。 1 ) 匹配滤波器法 匹配滤波器法利用故障初始行波浪涌的高频分量在测量端母线反射后形成 的第一个正向行波浪涌波形预测它在故障点的反射波行，并构造一匹配滤波器来 检测包含在方向行波波形中的故障点反射波。由于匹配滤波器法与相关法在数学 上是等价的，因而存在着与相关法同样的问题。 2 ) 第二个反向行波浪涌识别法 第二个反向行波浪涌识别法通过在线路一端检测反向行波的l 阶或者2 阶导 数是否超过某一自适应门槛来检测继故障初始行波浪涌后方向行波信号的奇异 点，并通过判定反向行波在该奇异点附近的能量变化是否超过某一自适应门槛来 确认第二个反向行波浪涌，进而引入一置信系数来识别该行波浪涌是故障点反射 波还是对端母线反射波，从而实现测距。由于受母线接线方式以及行波波形衰减 和畸变的影响，第二个反向行波浪涌识别法难以自动的给出可靠的故障测距结 l o 山东大学硕士学位论文 果。 3 ) 最大似然估计法 最大似然估计法首先选定一基函数，将测量信号表示成一系列具有不同权数 和不同时延的基函数的线性组合，其中任意两个相邻基函数分量之间的时延对应 于行波在测量点与故障点之间往返一次的传播时间。定义一个关于测量信号的概 率密度函数，在各基函数分量权数和时延的最大似然估计就是使得该概率密度函 数达到最大值的一组解。最大似然估计法不需要任何先验知识，性能优于常规相 关法，尤其对故障初始角和故障点位置的适应能力比相关法强，但是其受线路不 对称、线路参数幅频特性和信号测量误差的影响较大，不能消除故障线路对端母 线以及相邻线路远端母线反射波的影响。另外其准确性依赖于基函数的选择。 4 ) 小波变换模极大值法 故障产生的高频电压和电流暂态行波分量实质上是一种非平稳信号，其中故 障初始行波浪涌和来自线路上包含故障点在内的波阻抗不连续点反射波到来时 将形成一次侧电压和电流暂态行波分量中的奇异点，对暂态行波分量进行奇异性 分析可以实现测距。 行波法测距的可靠性和精度在理论上不受线路模型、故障电阻及对端系统阻 抗的影响，而且随着相关理论和技术的研究进展，使得行波法测距的前景越来越 广阔。 尽管行波法测距在原理上有其优势，但在理论和实际应用中，还存在着以下 问题： ( 1 ) 受元件的影响较大 由于检测行波信号的电流互感器受铁芯饱和及剩磁的影响，因此具有动态时 延。而利用c v t 进行获取电压行波时，由于高频特性的制约，使得由c v t 传变 过来的二次侧信号并不能完全反映线路上的故障行波信号。所以，这些因素对行 波法故障测距产生了一定的影响口1 。 ( 2 ) 参数的频变和波速的影响因素 由于故障行波在传输过程中，受传输介质的影响，在不同的输电线路和地质 条件下，波速都会发生变化，因此准确的波速确定是实现准确故障定位的前提。 ( 3 ) 行波法故障测距的成本较高 由于行波法测距的关键是要准确地获得行波到达线路终端的时间，因此就必 须配备高精度的授时装置。常用的6 p s 装置的精度可达1ps ，在行波法中得到 了广泛的应用。在行波法c 型测距中，除了高精度的授时装置外，还必须有信号 注入设备，所有这些都提高了行波法故障测距装置的成本，在实际应用中，使其 受到了一定的制约。 山东大学硕士学位论文 ( 4 ) 会误动和测距失败 行波法测距的高灵敏性使得它容易发生误测距。雷击和操作产生的行波都会 使行波测距装置启动，测出故障距离。利用电压行波进行测距时，在电压过零时， 由于产生的行波波头不易被测距装置获取，造成测距的失败。尽管故障发生在电 压过零时刻的机率比较小，但为了保证故障测距的可靠性，行波故障测距必须与 常规故障测距相配合使用。 2 4 其它方法和相关研究 许多学者把相关领域的研究成果引入故障测距，如优化方法、模式识别技术、 卡尔曼滤波技术、模糊理论、光纤技术。但多数处于研究阶段口3 1 。一些日本学者 提出的利用架空地线中的光纤进行测距的技术是一种新颖的测距技术泓1 。将架空 地线在故障中感应的电流，经光电转换后，以链状的方式将全线的感应电流信息 通过光纤送回中央监控室，进行模糊识别，判断故障点。这种模糊识别的方法非 常简单有效，可将精度提高到一个杆塔范围内。利用架空地线中的光纤通讯，对 架空线路进行全线监视是一种发展趋势，因此这种方法拥有广阔的应用前景。 另外，一些智能化的的方法已在测距技术的相关领域展开d 锄1 。如专家系统、 人工神经网络、因特网技术故障诊断方面己取得很多有益的成果。文献 3 2 提出 构造神经网络专家系统进行故障诊断的方案，结合两者的优点，提高专家系统的 运行速度、容错能力、和学习能力。文献 3 9 则将因特网技术用于故障诊断。适 应性较强，并且不需维护庞大的知识库。文献 3 6 利用神经网络进行故障选线。 仿真表明，该方法不仅速度快，而且抗噪能力非常强。文献 4 0 采用小波包技术 对小接地系统进行单相接地故障选线。利用小波包良好的聚焦特性，对暂态电气 量按一定频带分解，对应于不同中性点运行方式以频带能量观点选择适当的频带 实现准确选线。 2 5 各种方法的比较 2 5 1 阻抗法和行波法 阻抗测距法可以利用现已大量投运的微机保护、录波装置以及在迅速发展中 的变电站综合自动化系统，硬件投资少，容易实现；行波测距法则需要专门设备， 投资大，技术较复杂。从测量精度上来说，行波法优于阻抗法；在实际应用中， 阻抗法精度很难优于3 ，而行波法的测量精度通常在1 左右。从测量时间上看， 1 2 山东大学硕士学位论文 量皇曼蔓曼曼曼曼曼曼i i ；m 。 m =： - - 曼曼皇曼毫皇曼曼皇曼曼曼曼曼 行波法测量的时间窗很短，而阻抗法信号测量的时问窗较长。现代电力系统由于 稳定的需要，故障切除时间越来越短。这对于阻抗法的信号提取是不利的，而再 短的切除时间，对于行波法来说也是足够的。但是行波法和阻抗法两者在测距范 围上互补性很强。在故障靠近测量端时，行波法不仅反射波识别很困难且测距有 盲区，而阻抗法在这一段测量比较准确，也比较灵敏；在故障点远离测量端时， 阻抗法误差会增加，灵敏度下降，而这又是行波法的所擅长的。 2 5 2 采用工频量与解微分方程法的比较 阻抗类测距算法中多数的研究是基于代数方程进行测距的，使用的模型较为 精确和详实，同时对电压、电流的测量要求也较高，其一般使用暂态过程结束后 的工频的参数，该算法测距精度较高。而微分方程算法为简化问题、减少计算量， 使用模型一般较为简单，并且使用暂态电压、电流测量值。电力系统暂态过程中， 由于有一些非线性元件的参与，暂态过程非常复杂，算法很难给出准确的描述。 现行的微分方程数值解法都有累计误差的问题。基于上述原因，微分方程测距算 法的测距精度难以有大的提高，相比较而言，工频量方法更有效和实用。 2 5 3 单端阻抗测距和双( 多) 端阻抗测距方法比较 采用单端测距方法与双端测距方法相比，前者在原理上存在缺陷，无法同时 消除故障过渡电阻和对端系统阻抗变化的影响，后者在原理上可以完全消除故障 过渡电阻和对端系统阻抗变化的影响；前者实现方便不依赖通讯工具，不存在双 端数据同步问题，后者需要增加部分硬件投入，需要通讯工具交换双端信息，需 要解决数据同步问题；在测距精度方面，后者比前者可以达到更为精确的测距效 果。 2 5 4 采用集中参数与采用分布参数线路模型的测距方法比较 采用集中参数线路模型的工频测距方法与采用分布参数线路模型的测距算 法相比，前者模型简化，分析计算简便：后者模型精确，计算复杂，但是精确度 高于前者。 2 6 本章小结 如前所述，阻抗法故障测距，只利用故障后母线和线路的电压、电流量，不 需要单独设计专门的装置，可直接利用电力系统中装设的保护或录波装置记录的 数据来计算故障距离，变电站综合自动化系统的快速发展更为阻抗法故障测距提 山东大学硕士学位论文 供了广阔的用武之地，而行波法必须为其测距专门设计安装一套设备。另外，从 目前的基于工频量的测距算法来看，测距精度还有待进一步提高；而行波测距方 法的可靠性和稳定性还不是很高，波头的检测还无法做到微机的智能化。总之， 利用阻抗法和利用行波测距方法各有其优缺点，为了达到精确测距的目的，都有 需要进一步解决的技术问题，目前这两种方法虽然在系统中得到实际应用，但是 均担负着提高可靠性和测距精度的任务。利用工频量的测距方法设备投资小，可 以利用现场己有的设备，如果测距精度能够满足要求，更加具有经济性的优势。 所以基于工频量的测距方法应该进一步研究下去，解决目前存在的问题，提高测 距精度，真正实现其简单、便捷、经济的优点。 1 4 山东大学硕士学位论文 3 1 引言 第三章电流差动保护原理分析与对比 输电线路电流差动保护是两个相量电流的加减，电流的正负与t a 极性的位 置密切相关，这是个很重要的问题，但在一些资料中往往回避t a 极性的位置， 而只是人为地规定电流为正，这极易造成概念混乱。本文首先简要的分析该问题， 然后对现有的输电线路所用的差动保护原理进行分析与比较。 3 2 关于t a 极性的说明 系统中输电线路或者其他电气元件( 如发电机、变压器等) 的t a 正极性端 大多位于母线侧，当t a 一次侧电流，由母线流向线路时，j 由t a 的正极性流进， 则二次电流，( 保护进行计算的电流) 由t a 的正极性流出，这个，与川司相，且 二者的大小存在着变比关系。保护的计算机规定：t a 的电流，由正极性端流出时 ，为正，由正极性端流入时，为负，这样计算机才能正确计算。这就相