用于输电线路故障定位的导线监测装置的研制硕士学位论文1.doc

5f55706d5c337ac224ac7035000d753b.pdf 用于输电线路故障定位的导线监测装置的研制 申请上海交通大学硕士学位论文 用于输电线路故障定位的导线监测装置的研制用于输电线路故障定位的导线监测装置的研制 学学 校校：上海交通大学 学学 院院：电子信息与电气工程学院 系系 别：别：电气工程系 专专 业：业：高电压与绝缘技术 班班 级：级：B0603193 学学 号：号：1060319085 学生姓名：学生姓名：邵庆祝 指导老师：指导老师：盛戈皞 答辩日期：答辩日期：2011 年 1 月 上海交通大学电子信息与电气工程学院 2011 年 1 月 5f55706d5c337ac224ac7035000d753b.pdf 用于输电线路故障定位的导线监测装置的研制 A Dissertation Submitted to Shanghai Jiao Tong University for the Degree of Master DEVELOPMENT OF CONDUCTOR MONITORING DEVICE USED FOR TRANSMISSION LINE FAULT LOCATION Author：Shao Qingzhu Advisor：Sheng Gehao Specialty: High Voltage and Insulation Technology School of Electronic, Information and Electrical Engineering Shanghai Jiao Tong University Shanghai, P.R.China January,2011 5f55706d5c337ac224ac7035000d753b.pdf 用于输电线路故障定位的导线监测装置的研制 上海交通大学上海交通大学 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。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作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 5f55706d5c337ac224ac7035000d753b.pdf 用于输电线路故障定位的导线监测装置的研制 上海交通大学上海交通大学 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并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。本人授权上海交通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 或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密保密，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 5f55706d5c337ac224ac7035000d753b.pdf 用于输电线路故障定位的导线监测装置的研制 用于输电线路故障定位的导线监测装置的研制用于输电线路故障定位的导线监测装置的研制 摘摘 要要 随着输电线路电压等级和输送容量的不断提高，输电线路故障不仅严重危 及电力系统的安全、稳定运行，而且对社会的经济生活造成的影响也越来越大。 当输电线路发生故障时，如果能够根据不同的故障特征快速准确地判定故障点， 不仅能有助于及时修复故障线路，而且能大量节省巡线的人力和物力，确保整 个电网的安全稳定运行，具有巨大的社会和经济效益。目前的输电线路故障定 位装置大多采用行波定位法，包括单端法和双端法，行波信号的采集多利用变 电站内部已有的电压电流互感器。但传统互感器存在频带较窄，易饱和，高频 响应差等问题，不易检测故障后的暂态行波波头，影响定位精度。 本文的前两章首先对目前国内外输电线路故障定位的基本方法及其发展状 况进行了综合分析与总结，比较了各种定位方法的应用情况及其优缺点。在传 统行波定位法的基础上提出了分布式行波故障定位法，并对算法进行详细的推 导和分析。 本文的第三、四章主要是针对故障定位装置中的硬件设计进行了较为全面 的研究。其中重点研究和介绍了故障电流数据采集模块的硬件设计，包括基于 无磁滞、线性程度高、暂态响应好的Rogowski线圈的电流采样通道、故障数据 高速采集与存储单元和暂态行波采样触发单元。 本文的第五章主要介绍了行波故障定位装置中的软件设计进行了较为全面 地研究。在阐述小波变换理论的基础上，重点研究了基于小波变换的奇异点的 检测理论，采用模极大值线的方法来检测行波信号的奇异点，判断行波的波头。 本文的第六章，进行了一系列实验，模拟实际工作环境检测装置存在的问 题并提出解决方案，确保了装置工作的可靠性。最后，总结全文的研究成果并 在当前研究的基础上提出几点改进。 关键词：行波 分布式故障定位 Rogowski线圈 小波变换 模极大值线 5f55706d5c337ac224ac7035000d753b.pdf 用于输电线路故障定位的导线监测装置的研制 ABSTRACT With the increasing of transmission capacity and the rising of voltage grade of transmission lines, transmission line faults will not only harm the secure and stable operation of power system but also affect the living of societal economy and polity. Consequently, it becomes more and more important to rapidly and accurately determine the fault point according to different fault feature, which can not only restore power supply quickly, improve the reliability and safety of the overall power system, but also save much manpower and material of line-tracking. Therefore, it is of great social and economic benefits. At present, fault location device of transmission line mostly use traveling wave location method, including two-terminal and one-terminal fault location method. As for traveling wave signal acquisition, voltage and current transformer that already in substation are mostly used. But traditional transformer has some drawbacks, such as much narrower frequency range, easy to saturate, poor high frequency response, ect. Therefore, its not easy to detect the transient traveling wave, hence, affects the location precision. In first two chapters, the commonly used method and develop situation of transmission line fault location is comprehensive analyzed and summarized, and then compare the advantages and disadvantages of various location methods and their applications. Based on traditional traveling wave location method, this paper poses a distributed traditional raveling wave location method. The third and fourth chapter mainly introduced the hardware design of fault location device, particularly about the fault current data acquisition unit, which including current sampling channel of Rogowski coil based on no hysteresis, high linear degree and good transient response, high-speed data acquisition and storage unit, transient traveling wave sampling trigger unit. In the fifth chapter, software design of fault location device is comprehensively researched. The wavelet transform theory，espceially the singularity-detected theory is diseussed in this chapter. As for the detection of singularity and traveling wave head, the modulus maxima line is used. In the last chapter, a series of experiments is made to analysis the existing problems under real working condition, and then some solving measures are proposed. Finally, research results of this paper are summarized and based on present research some improvement is put forward. Keywords: Traveling Wave, Ditributed Fault Location , Rogowski Coin, Wavelet Transform，ModulusMaximumLine 5f55706d5c337ac224ac7035000d753b.pdf 用于输电线路故障定位的导线监测装置的研制 目目 录录 摘摘 要要.II ABSTRACT.III 目目 录录 .IV 第一章第一章 绪论绪论 .1 1.1输电线路故障定位研究的意义.1 1.2故障定位方法研究的发展.1 1.3国内外故障测距研究现状和主要方法.2 1.3.1阻抗法.2 1.3.2行波法.3 1.3.3行波定位存在的问题.5 1.4本论文研究的主要工作.6 第二章第二章 分布式故障定位装置的理论基础分布式故障定位装置的理论基础.8 2.1行波的基本理论.8 2.1.1长距离输电线路的波过程.8 2.1.2行波的反射与折射.11 2.1.3行波的衰减与变形.13 2.2分布式输电线路故障定位原理.14 2.2.1故障暂态行波的产生.14 2.2.2非金属性接地故障电流行波特性.15 2.2.3金属性接地故障电流行波特性.17 2.2.4检测点安装位置的确定.18 2.2.5测距方程的确定.19 2.2.5真伪故障点识别.20 2.3分布式行波故障定位装置的技术难点.21 2.3.1行波信号的采样与存储.22 2.3.2故障电流采集的触发.22 2.3.3行波到达时间的获取.22 2.4本章小结 .23 第三章第三章 分布式行波故障定位系统的硬件设计分布式行波故障定位系统的硬件设计.24 3.1 硬件的整体结构.24 3.2供电部分设计.25 3.2.1供电模块设计要求.26 3.2.2CT 取电工作原理.26 3.2.3 铁芯的选型和性能测试.27 3.2.4锂电池的电源控制.28 3.3主控单元设计.31 5f55706d5c337ac224ac7035000d753b.pdf 用于输电线路故障定位的导线监测装置的研制 3.4GSM 无线通信部分设计.32 3.5无线传感网络的设计.34 3.6本章小结 .37 第四章第四章 故障行波数据采集模块的设计故障行波数据采集模块的设计 .38 4.1基于 ROGOWSKI线圈的电流传感器单元.38 4.1.1Rogowski 线圈的主要特征.38 4.1.2Rogowski 线圈的工作原理.39 4.1.3Rogowski 线圈的分类45.40 4.1.4Rogowski 线圈的误差分析.41 4.2电流数据采集单元硬件设计.43 4.2.1常态电流采集.43 4.2.2高频故障电流采集单元.47 4.2.3信号调理电路.48 4.2.4采样误差分析.50 4.3故障电流采集数据的存储.51 4.4暂态行波采集的启动单元.53 4.5本章小结 .54 第五章第五章 分布式行波故障定位系统的软件设计分布式行波故障定位系统的软件设计.55 5.1基于小波算法的故障定位算法的分析.55 5.1.1小波变换的定义.56 5.1.2多分辨率分析.57 5.1.3基于小波算法的信号奇异性分析.60 5.1.4小波算法消噪分析.61 5.2系统软件总体设计.63 5.2.1数据测量部分软件设计.65 5.2.2GSM 无线通讯的实现.67 5.2.3ZigBee 通信的软件设计.70 5.3 本章小节.73 第六章第六章 系统性能测试及结果系统性能测试及结果.74 6.1数据采集精度测试.74 6.2大电流试验 .75 6.3高电压实验 .76 第七章第七章 总结与展望总结与展望 .78 7.1 总结 .78 7.2展望 .79 参参 考考 文文 献献.80 谢谢 辞辞.84 上海交通大学硕士学位论文 致谢 第一章第一章 绪论绪论 1.11.1输电线路故障定位研究的意义输电线路故障定位研究的意义 随着我国经济的快速发展，对电力的需求也与日俱增，大容量，远距离输电和大 电网互联是我国电网发展的趋势和特点。2004年12月27日，国家电网公司党组会议提 出发展特高压输电技术，建设以特高压电网为核心的坚强国家电网的战略构想。2006 年9月13日，晋东南南阳荆门1000千伏特高压交流试验示范工程变电站及线路大跨 越工程初步设计正式通过了审查，这标志着特高压交流试验示范工程进入全面建设阶 段。特高压和智能电网已成为我国电网发展的新方向。电压等级的提高对电力系统输 电线路的安全运行也提出了新的挑战。 输电线路是电力系统的重要组成部分，负责电能的输送，它的正常运行关系到整 个电力系统的安全和稳定。由于高压输电线路往往较长，而且途中地理和气候环境比 较复杂，故障的发生不可避免。特别是随着输电线路电压等级和输送容量的不断提高， 输电线路故障往往带来巨大的经济损失甚至导致电网的崩溃。 高电压等级的架空输电线路输送容量大，工作环境恶劣，尤其是在环境恶劣的高 山丛林地区，山区线路杆塔跨距和导线垂弧大，容易发生风偏短路事故;丛林地段由于 地理、气候的原因，雷雨季节经常发生对树枝放电而引起的短路故障。对于输电线路 的故障点的确定，传统的方法是运行人员通过对故障录波信息的分析，确定故障点的 可能位置，然后由巡线人员到现场对线路进行巡检，找出故障点位置，这种方法消耗 大量的人力物力，而且耗时，不能满足如今社会的电力需求，经济性很差。如果能够 根据不同的故障特征快速准确地判定故障点，不仅能有助于及时修复故障线路，而且 能大量节省巡线的人力和物力，确保整个电网的安全稳定运行，减少因停电造成的经 济损失，具有巨大的社会和经济效益1,2。 上海交通大学硕士学位论文 致谢 1.21.2故障定位方法研究的发展故障定位方法研究的发展 二十世纪五十年代中后期，人们就开始了利用行波对架空线的故障测距研制。六 十年代中期，人们对多传输线的行波传输规律有了较为深刻的认识，加上电子技术的 发展，进一步促进了行波测距的发展。七十年代以来，随着计算机技术在电力系统的 应用，尤其是微机保护和故障录波装置的开发和投运，加速了故障测距技术实用化的 进程。与此同时，故障测距算法也得到了较快的发展。1979年MTSant和 GPaithanka首次提出了利用一端电压和电流的适用于单端电源系统的故障定位方法。 1982年Takagi和1983年AWisznicwski先后提出利用故障前后的电气量，将电力网络 分解成正常状态网络和故障分量网络，考虑负荷电流的影响，并且求取故障分量电流 分布系数解决两侧系统阻抗的影响。1985年LEriksson考虑了系统运行方式变化的影 响，提出了远端馈入补偿算法，应用解二次方程的方法求解故障距离。1988年Sachdev 和Agaral提出了最早的双端测距思想3-6。 1.31.3国内外故障测距研究现状和主要方法国内外故障测距研究现状和主要方法 故障定位技术在国内外许多专家学者的共同努力下，经过几十年的发展，己经取 得了很多有价值的成果。但是电力系统结构复杂多样，影响故障定位精度的因素很多， 对输电线路精确故障定位到目前为止还有很多问题没有完全解决。当前输电线路故障 定位方法主要有两类7:一类是阻抗法，另一类是行波法。 1.3.11.3.1阻抗法阻抗法 线路故障时故障回路的阻抗(电抗)与故障距离成正比，阻抗法即通过故障时测量 到的电压、电流通过求解以差分或微分形式表示的电压平衡方程计算出故障回路阻抗 上海交通大学硕士学位论文 致谢 (电抗)来估算故障距离。包括单端法和双端法8。单端阻抗测距法多以线路集中参数 模型为基础，其本质是本质根据测量端单端的电压、电流之间的关系，从中消去未知 量，得到含故障距离 x 的方程。从计算的角度而言，可简单归结为迭代法和解二次方 程法。若忽略被测线路的分布电容，可以采用解微分方程法计算。可以采用电流相位 修正法或者零序电流相位修正法提高定位精度。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。此方法的定位精度不 高主要是由于不能消除故障点过渡电阻、对端系统运行阻抗、负荷电流等因素的影响， 不适合长距离输电线路9-11。 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，要求对采 样数据进行同步化，算法复杂，计算量大12-14。双端法都必须使用信道来传递线路两 端信息，两端的同步误差会对定位精度带来较大影响。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，但是要求硬件成本较高，双端同步的方 法需要 GPS 提供同步时钟。 1.3.21.3.2行波法行波法15-23 15-23 行波定位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； 上海交通大学硕士学位论文 致谢 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。 (1) 单端行波测距 以电流行波作为分析对象，图 1-1 中表示了单端行波故障测距算法所用到的折、 反射波。测距装置装在 M 端母线侧，若取母线 M 到线路 N 的方向为正方向，则为从 1fm u 故障点到达母线的初始电压行波，为一反向行波信号；为经母线 M 反射的正向行波 mf u 浪涌；为经故障点又返回 M 端的反向行波; 到达 N 侧母线的初始故障行波经过 2fm u nm u N 侧母线反射，又经过故障点 F 透射而到达 M 侧母线的反向行波浪涌。 图 1-1 单端行波故障测距 该模式使用的是反向行波信号和，设在线路 M 侧测距装置的装设点处，感 1fm u 2fm u 受到故障初始行波到达的时间为，其反射波又经过故障点反射后的反向行波浪涌 1fm u 0 t 到达的时刻为 , 设行波传播的速度为 ，则故障点距离母线 M 的距离 为: 2fm u 1 tvl (1-1) 10 () 2 ttv l 上海交通大学硕士学位论文 致谢 这种模式要求必须能够精确的判断出故障初始行波再次经过 F 点反射后的反射波到 2fm u 达 M 侧的时刻。由于行波传输过程中衰减较大，使得故障点反射行波波头的辨识变得 复杂，从而可能导致定位失败。 （2） 双端行波定位 双端行波定位法在线路两端分设检测元件，两端都只检测第一个到达的行波浪涌， 因此与单端行波测距方法相比，不容易受过渡电阻的影响，也不会由于母线处出线的 特殊情况而造成测距失败，可靠性较高。双端法不考虑波的折射和反射，只要捕捉行 波的第一个波头，行波幅值大，波头容易检测。双端法要求两端采集装置同步采集数 据，近年来随着全球定位系统（GPS）技术的普遍，双端对时精度高达 1us 甚至 50ns， 可以达到很高的测距精度24。其具体方法如图 1-2 所示: 图 1-2 双端行波故障测距 双端行波故障测距利用线路内部故障产生的初始行波到达 M,N 两侧故障测距装置 测量点的绝对时间差来计算故障距离。如图所示，利用到的反射波为和。设从 fm u fn u F 点向 M 侧传播的故障初始行波到达 M 点的时刻为;从 F 点向 N 侧传播的故障初 fm u M T 始行波到达 N 点的时刻为；行波的传播速度为 ，线路全长为。则故障距离为: fn u N TvL ;（1-2） () 2 MN MF vTTL l () 2 NM MF vTTL l 1.3.31.3.3行波定位存在的问题行波定位存在的问题 行波法就是利用行波的传播距离在波速一定的情况下与传播时间成正比的这一基 上海交通大学硕士学位论文 致谢 本性质，不受线路参数的影响而实现精确故障定位。但是行波测距法也存在自身的局 限性： A. 无论是单端法还是双端法，都必须知道行波的波速。但是高频故障行波的波速 并不是固定不变的，它与架空线路周围媒质的性质有关。高压线路沿线的地质条件相 当复杂，不同地质段的土壤电阻率有不同的取值，且与气候密切相关。而在输电线路 发生的故障中，单相接地故障占总量的 70%一 90%，在该类故障中地模分量起决定性 作用，而地模波速受频变的影响很大。因此参数的频变效应和波速的不确定性成为限 制该算法精度的主要因素。 B.单端法需要检测行波经故障点反射后行波的波头，