故障录波器及故障测距算法研究

1、 本科生毕业论文（设计）题 目 故障录波器及故障测距算法研究 学 院 电气信息学院 专 业 电气工程及其自动化 学生姓名 冯士雨 学 号 0843031381 年级 08 级 指导教师 黄 勇 教务处制表二一二 年 五 月 二十八 日故障录波器及故障测距算法研究专业名 电气工程及其自动化学生 冯士雨 指导老师 黄勇【摘要】 在电力系统故障行中，线路故障占了其故障的很大一部分，电力部门需要点位出故障的准确位置（无论是瞬时故障还是永久故障），以便进行查线，从而解决故障，避免不必要的经济损失和事故发生。要想加速线路的修复，减少经济损失，避免重大事故发生，就必须使用准确可靠的故障录波器和测距算法。本文

2、从故障录波器的核心控制器和结构两个方面出发，分析总结了故障录波器的发展历程，对故障录波器在各个发展阶段的特点进行了介绍。重点讨论了故障录波器的研究现状，阐明了数字化分布式故障录波器在数字化变电站中的位置，并给出了当前最新数字化分布式故障录波器的模块构成，针对其数据采集模块与管理分析模块的结构和功能进行了分析介绍；从而引出了故障测距的方法，以及如何分析故障录波数据；通过对几种测距算法的研究和分析，阐述了如何实现准确可靠的故障测距。关键词：故障录波器、故障测距算法、单端测距、双端测距The research of fault recorder or range algorithm Electric

3、al engineering and its automationStudent：Feng Shiyu Instructor：Huang YongAbstract： In power system fault line, line fault accounted for a large part of its fault, the power sector needs to point out the exact locati

4、on of the fault (transient fault or the permanent fault)，in order to check the line，so as to solve the fault，avoiding unnecessary economic losses and the accident occurred。But the accurate reliable breakdown records the wave and the range finder can reduce the attendants to patro

5、l the line inspection time, speeds up line's restoration, reduces economic loss which, First embarks from the breakdown oscillograph's core controller and the structure two aspects, carried on the analysis to the breakdown oscillograph's development process to summarize, introduced the b

6、reakdown oscillograph in each development phase characteristic. Discussed the breakdown oscillograph's research present situation with emphasis, had expounded the digitized distributional breakdown oscillograph's in digitized transformer substation position, and has given the current newest

7、digitized distributional breakdown oscillograph's module constitution, Have carried on the analysis introduction in view of its data acquisition module and the management analysis module's structure and the function; Thus directs to crash range finder's method, as well as how to analyze

8、the breakdown to record the wave data; Through to several kind of range finder algorithm's research and the analysis, elaborated how to realize the accurate reliable breakdown range finder. Key Word: Breakdown oscillograph、Breakdown range finder algorithm、Single end range finder、 Double-end rang

9、e finder 目录故障录波器及故障测距算法研究2第一章 绪论51.1故障录波器的应用意义51.2 故障录波器的特点61.3故障录波器的工作原理和作用61.4故障录波器的历史71.5国外故障录波器发展现状91.6 国内故障录波器发展现状121.7 国内外故障录波器的比较及建议14第二章 故障测距方法172.1 行波测距法172.2 阻抗测距法182.3 行波测距原理202.4 故障录波器数据分析及双端测距算法22第三章 各种测距算法举例及比较283.1基于三迭代算法的输电线路测距算法283.2基于双端电压故障分量的输电线路测距实用算法323.3基于小波变换和行波发的电缆故障测距方法343.4

10、算法总结分析36第四章 结论37致 谢38参考文献39 第一章 绪论故障录波器是电力系统发生故障及振荡时能自动记录的一种装置,它可以记录因短路故障、系统振荡、频率崩溃、电压崩溃等大扰动引起的系统电流、电压及其导出量,如有功、无功及系统频率的全过程变化现象。主要用于检测继电保护与安全自动装置的动作行为,了解系统暂态过程中系统各电参量的变化规律,校核电力系统计算程序及模型参数的正确性。多年来,故障录波已成为分析系统故障的重要依据。1而及时的保存上报故障录波图，也是发生电力系统运行事故后事故现场保护和相关资料移交的重要措施之一。2 1.1故障录波器的应用意义随着国民经济的发展.电力系统不断扩大,电网

11、规模不断增强，电力系统的各种故障通常会造成较严重的影响。因输电线路故障而停止供电，不仅影响生产，也危及电力系统的安全稳定、运行。准确、可靠地进行故障录波，可明显节约查线的人和物力，减轻劳动强度，并能使故障处理及早进行，保证迅速恢复供电，大大降低因停电造成的综合济损失。因此输电线路故障录波具有巨大的社效益和经济效益，是一项具有重大技术经济意义课题。这样就要求在发生故障后对故障性质及其关故障情况做出准确的判断，从而缩短故障处理时间，迅速地恢复供电，减少对用户造成的损失。3电力系统故障录波装置是常年投入到运行监视运行状况中的一种自动记录装置。利用电力系统现场的录波数据就可以正确的评价和验算继电保护装

12、置工作的正确性，记录系统大扰动如短路故障、频率崩溃、系统振荡、电压崩溃等发生后的有关系统电参量的变化过程以及继电保护与安全自动装置的动作行为，特别是在发生转换性故障时和非全相运行再故障时，更需要用录波数据来正确的评价继电保护和重合闸装置的工作。利用录波装置提供的零序短路电流值，较准确的计算出故障发生点，以便缩小巡线范围，有利于迅速找到故障点，消除故障，同时也可以最大程度的减轻工人巡线的劳动强度。另外，通过对录波数据的分析还可以发现电力系统二次设备的缺陷，好及时进行消除并且改进装置的功能和接线。电力系统由于故障和误操作等常常引起内部过电压，录波装置可记录其波形曲线，在分析研究之后为确定限制内部过

13、电压的措施提供可靠的依据。4-61.2 故障录波器的特点故障录波器和继电保护、监控及远动相比具有自己的特点:a.在数据采集方面【7】,当判定为故障后,保护在取得足够的数据后可以短时停止对数据的采集转去作保护运算,而故障录波则不允许数据采集的任何中断;故障录波器为保持数据的真实性,应尽可能减少滤波,保护为判明故障则要消除各次谐波,因此在硬件上和软件上都要采取措施,特别是软件滤波在保护的CPU时间分配中占有较大比重。b.在启动判据上,保护要求在故障当时即刻准确判定,所以对启动判的准确性和快速性要求很高;故障录波器不需执行跳重合闸,对启动判据的准确性和快速性要求不高,较之保护其判据可大大简化。故障录

14、波器不仅记录故障过程还要记录故障前的波形和数据,所以在故障录波器中要开辟一定容量的环行内存缓存区,不断地以采取最新数据刷新这个环行缓存区,一旦判明故障,就首先将缓存区中的内容(包括故障前和故障过程的数据)保存起来,直到故障结束。c.与发电厂变电站自动化监控系统中的事件顺序记录功能相比,故障录波装置一般可取代前者,因此在既有自动化监控系统又有录波装置的场合,希望录波装置提供与监控系统的通信接口。录波装置还要配备相应的通信软件,以便将录制的数据和分析结果及时传送给监控系统。d.和远动中的开关量相比,故障录波中的开关量着眼于事故分析的需要,局限于故障时短时的记录,而远动中的开关量偏重于整个系统的正常

15、运行,虽然也有故障时的开关量信息,但它是着眼于宏观系统的需要。e.现在的一些微机保护也具有故障录波功能,但由于保护功能的限制,采集的电气量简单,录波时间较短(多为35s) ,一般不具有谐波分析能力,有故障定位但精度不高。故障录波器则要考虑系统分析的需要,采集量全面准确,录波时间较长,分析功能也强。1.3故障录波器的工作原理和作用故障录波器的结构和工作原理8：故障录波器是用来记录电力系统中电气量和非电气量，以及开关量的自动记录装置。通过记录和监视系统中模拟量和事件量，来对系统中发生的故障和异常等事件生成故障波形，储存并发送至远方主站，通过分析软件的处理对波形进行分析和计算，从而对故障性质故障、发

16、生点的距离、故障的严重程度进行准确地判断。故障录波器的作用9：故障录波器在电力系统中的作用有以下三种。第一种为系统发生故障,继电保护装置动作正确，可以通过故障录波器记录下来的电流量电压量对故障线路进行测距,帮助巡线人员尽快找到故障点,及时采取措施,缩短停电时间,减少损失.第二种情况为线路不明原因跳闸，通过对故障录波器记录的波形进行分析，可以判断出开关跳闸的原因，从而采取相应措施，将线路恢复送电或者停电检修 ，避免盲目强送造成更大的损失，同时为检修策略提供依据。第三种情况为判断继电保护装置的动作行为。当系统由于继电保护装置误动造成无故障跳闸或系统有故障但保护装置拒动时，就要利用故障录波器中记录的

17、开关量动作情况来判断保护的动作是否正确，并可以据此得出有问题的部分， 对于较复杂的故障，可以通过记录下来的电流电压量对故障量进行计算，从而对保护进行定量考核。1.4故障录波器的历史自上世纪60年代末以来，我国电力系统开始应用以光电转换为原理、120胶片为记录载体的故障录波装置，录波装置在电网故障及继电保护动作行为分析方面发挥了重要作用。特别是80年代中期以来，随着计算机技术被引入继电保护领域，故障录波装置有了更加迅猛的发展。历经10余年，微机型故障录波装置已经完全取代了光电式录波装置，成为电网故障信息记录的主力，在许多重大事故的调查和分析中发挥了重要作用。由于计算机技术的飞速发展和进步使得微机

18、型故障录波装置的功能得以进一步拓展，满足了故障录波快速采样和大容量存储空间的要求，由原来的故障录波单项功能扩展成为集故障录波、故障分析、数据通讯于一体的综合装置，在系统发生扰动时能以不同的采样速度记录系统发生大扰动后暂态及动态过程各阶段的系统电参量变化过程，同时又可保证各时段的记录有足够的解析度能记录下整个长动态过程，数据分析包括故障分析如故障测距、故障选相以及各种电气量的计算如谐波分量、有效值、功率、序分量等。特别是故障测距和选相已成为故障录波器最重要的功能之一，也是衡量故障录波器性能的一项重要指标。故障录波测距装置作为变电站综合自动化的一个重要组成部分，在我国电力行业中得到了越来越普遍的推

19、广和引用。在110kV及以上的变电站(所)中，对于被录对象范围以及需记录的电量内容，国家已经有了明文要求，并且制定了产品检验、审核的详细标准。10国内对故障录波器的研制和开发已经有许多年的历史，目前微机故障录波测距系统处于发展阶段，技术更新很快，原有的故障录波系统由于受到当时计算机技术水平的限制，已经不能适应现代电力系统的要求，目前现场运行的80年代末90年代初的第一代微机型故障录波器(含光纤式录波器、机电式录波器和采用固态数据存储器的录波器)已经大多淘汰，取而代之的是以功能更强运行速度更快的新型录波器或原有录波器的改进型，分析软件也大多数实现了由DOS向WINDOWS的或NT的转移，实际应用

20、的产品有南京银山电子有限公司生产的YS-8A故障录波器、南瑞公司的WDS-2E故障录波器、北京四方立德保护控制设备有限公司生产的WLB-2000故障录波器、北京许继自动化公司的WGL-3故障录波器等。11国外的故障录波器一般采用分散式结构，标准化模块设计，可以分散安装在开关柜或者保护小室内，通过以太网可以接到一台所级计算机或远传到调度中心。实际应用产品有西门子公司的SIMEAS R智能故障录波器、美国MetaTech.公司生产的TRANSCAN故障录波器、比利时国际电子仪器公司生产的BEN5000故障录波器、BBC公司生产的INDACTIC 65C型故障录波器和ABB公司生产的INDACTIC

21、65故障录波器等。目前，国内变电站综合自动化的发展，对故障录波器提出了更高的要求。各厂家已经开始使用DSP技术，用专门的DSP芯片代替模拟量采集前置机，用以提高数据采集的速度和精度。同时，随着计算机硬件水平的提高和网络技术的发展，将保护和监控等功能按照电气间隔划分、分布实施，相互之间通过串行通信或网络通信组成一个系统，形成面向对象的分布式结构。在这种结构中，微机保护和监控发展为安装在电气间隔附近(开关柜上)，这样就可以节省大量的二次电缆，二次回路负载将进一步减轻，设计、安装简便，降低变电站的造价，构成分散分布式系统。故障录波器也是变电站综合自动化组成的一部分，随着微机保护的分散安装，相对应的故

22、障录波器也应随微机保护分散安装，实现分布式功能，满足变电站综合自动化的要求。12-131.5国外故障录波器发展现状国外的故障录波器一般采用分散式结构,标准模块化设计,可以分散安装在开关柜或保护小室内,通过以太网可以联到一台所级计算机或远传到调度中心。计算机配有通用分析软件包,可集中进行数据处理。1.5.1西门子公司的故障及数字录波系统SIMEASR是西门子公司推出的智能化录波器。它可用于监视发电机及超高压、高压和中压变电站的电能质量,记录电网故障和电网质量,监视二次和一次技术设备。多个SIMEASR可分散安装在开关柜上,也可集中组屏,通过LAN或V124接口连接到一个集中故障数据管理装置DAK

23、ON。通过DAKON或直接由SIMEASR将数据远传到主控室或调度所实现远方控制和管理。其结构如图1-1所示。 图1-1. SIMEAS和DAKON实现分散式故障录波系统和配置1.5.2 SIMEASR录波器 SIMEASR录波器选用32位微型工控板,内插电源板、各种智能数据采集板构成完全的模块化设计。通过改变装置配置的数据采集模块,可以调节装置容纳的模拟量和数字量通道。它有两种机箱,482.6mm的机箱最多可安装4块数据采集模块,241.3mm的机箱只能安装一块采集模块。前者适合于集中组屏式故障录波系统的安装,后者利于实现分散式安装。每块采集模块有8路模拟量通道和16路开关量通道或32路开关

24、量通道。开关量输入以2kHz的频率采样,分辨率为1ms;模拟量采样频率为1218kHz,分辨率为16位。每一路输入都装有放大器、抗混叠滤波器和一个A/ D转换器,数字信号处理器以40MHz的时钟频率进行测量。数据采集模块通过高速的16MB/s的总线跟中央处理器连接。SIMEASR的CPU是至少带8M内存的32位处理器,它协调所有的数据采集板完成如下功能:a.故障启动判断;b.故障前、故障变化和故障后的过程记录;c.计算并记录电气测量值(电压、电流、有功、无功、功率因数)；d.计算并记录正负序分量、谐波量、直流分量和相位;e.记录频率变化过程,频率通道的精度为±1mHz;f.对记录进行

25、管理以方便分析程序对故障记录的使用。SIMEASR在硬件配置和软件设计方面都有与众不同的特点。概括起来,主要有以下几个方面:a.一个新的变送器原理允许电流的测量范围为有效值0400A,这种互感器使得记录200A的同时可有100%的直流偏移分量。b.测量误差小于012%,1218kHz的采样频率,具有50次谐波的分析能力。c.使用PCCARD技术使SIMEASR具有至少300MB的硬盘容量。采用数据压缩技术,使大量数据减少为原来的2%5%。现代化LAN网提高了存贮能力,这有利于分布数据归档和向电力控制中心的快速数据传输。d.使用GPS实现同步,为实现多点录波数据的综合分析提供了方便,直接以GPS

26、对时信号控制采样脉冲,将相误差降至1s。对于50Hz的电力频率,相应的相角误差仅为0.018。e.每个SIMEASR设备都装有一个以太网PC2CARD转换器板,通过它可以和DAKON,LAN及模拟或数字ISDN电话网连接。f.一般的故障录波器录波过程分为故障前、故障时、故障后动态过程和长过程动态记录4个阶段,每个阶段的时间一旦设定就被用于系统任何故障的数据记录过程。而SIMEASR采用智能化的顺序控制和抑制时间设定,可以根据不同的故障灵活地调整数据记录的时间。另外,它还可以对不同的触发通道设置不同的记录方式,例如对某些会出现短时状态变化的开关量设定特殊的记录过程。这种设计有利于故障分析和存贮单

27、元的充分利用。1.5.3 诊断系统西门子故障录波系统装有自动计算程序,当数据被记录后,程序自动启动并产生一个目录文件,包括所有需要的信息,对每一条馈线都进行诊断。DAKON故障数据管理装置能实现这一功能,它装有OSCOPP故障分析软件包,能实现高精度测距、谐波分析、电能质量分析等功能。如果在调度端装有O2SCOPP程序包,就可以实现远方控制和管理。1.5.4 ALSTOM公司的MiCOMM840数字式故障录波器 MiCOMM840的结构和功能与SIMEASR相似,也是完全模块化设计,一个装置最多可配置4块数据采集模块。多个装置使用标准通信接口通过专用光纤(电话线等)连接到一台PC机上。PC机装

28、有基于Windows95/ 98NT操作平台的管理分析软件WinDR,具有远方设置、记录分析、多窗口显示、集中计算等功能,相当于故障数据管理装置DAKON。其系统结构如图1-2所示。 图1-2. MiCOMM840故障系统配置M840具有以下特点:a.有专门的频率输入模板,用于记录频率变化过程和作为内部同步信号,其分辨率为±0101Hz精度为±011Hz。b.采样频率从112Hz到10kHz可变,对不同的故障和故障过程的不同时段,M840会自动调节其采样频率。另外,它还有01012Hz慢采样频率,用于长过程的动态记录。c.没有使用以太网PCCARD转换器板,通过Modem连

29、到标准的局域网、专用网、电话网上或直接通过RS2232串行口连到一台标准的打印机或一台PC机。d.录波系统通过SCSI总线外扩1G或2G的硬盘容量,采用IEEECOMTRADE标准格式,可与具有相同格式的其它故障处理装置通信。1.5.5 国外其它公司的故障录波器 美国Hathaway公司生产的数字式故障录波器IDM是一种分散式多功能的故障数据采集装置,其基本结构与SIMEASR类似,不同之处在于一个IDM有10路或16路模拟量输入通道,采样频率614kHz,中性点电流由计算得到而不专门配置输入通道;另外,IDM有SCADAI/ O口通过Modbus规约可与RTU进行通信。加拿大APT公司生产的

30、TESLA故障录波器,采样频率418kHz,分辨率13位,具有1000个记录存贮能力,通过Modbus,DNP310或RS2232能和监控系统通信,除了常规的触发方式外还有谐波水平触发畸变率触发。美国通用电气公司的EPMO7700具有60次谐波分析能力,除常规的录波功能外还能进行电能计费。美国RiS公司的TRO2000是一种功能综合的录波器,具有采样频率195kHz的暂态记录功能,可用于特殊的场合,例如闪电研究、SVCs中的快速开关和FACTS的监视。 1.6 国内故障录波器发展现状 国内对故障录器的研究和开发已经有多年的历史,早期的录波器有机电式录波器、光纤式录波器和采用固态数据存储器的录波

31、器,现在普遍使用的是用微处理器实现的录波器。1.6.1 YSO8A型微机故障录波测距装置该装置适用于220kV以上的变电站、发电厂及其它对录波要求极高的场所。原理框图如图1-3所示。 图1-3. YSO8A故障录波器的原理框图装置采用以单片机为前置机,工控机为后台机的模块化结构,后台机与各前置机相对独立,每个模拟量前置机可管理8路模拟量,每个开关量前置机可管理64路开关量,前置机的数量可根据用户的不同要求而配置,最多可配置8个模拟量前置机和2个开关量前置机。输入装置的开关量信号、模拟量信号分别经过光电隔离和电磁隔离进入前置机数据采集系统,前置机再通过高速通信接口传给后台机,后台机把这些数据存盘

32、、分析、打印并通过RSO232接口向上级部门传送。YSO8A具有如下特点:a.模拟量前置机是一个独立的数据采集单元,主要包括8032CPU、数据存贮器、隔离放大器、A/ D574转换器、多路转换开关。它主要负责将输入的电流、电压、高频等电量经过整理变换成数字信号并存入数据存贮器。b.开关量前置机将开关接点信号经过光耦隔离变换成数字信号,存入数据存贮器,然后传给后台机。c.后台机是整个录波器的核心,它负责录波器的人机对话、数据的处理和存贮、和各前置机交换数据、与上级部门通信等,后台机是32位386/ 486工控机。d.高频信号采样频率是2kHz,模拟信号采样频率为1kHz,分辨率为12位,谐波分

33、辨率7次,开关事件分辨率1ms。e.电流、电压波形采样频率优于2%,故障测距精度优于5%。f.除高频信号外,所有输入信号都可作为启动量,越限启动量精度优于5%,突变启动量精度优于30%。g.装置配有两个集成软件包,录波屏上配有一个在线软件包,以多任务控制系统为软件核心,任务项包括录波、故障自动分析、打印、参数修改、通信等。在调度部门的主机上配有基于平台的离线软件包,功能包括故障波形分析、谐波分析、测距、参数整定、通信监控等。所有软件均汉化,人机界面好、操作简单。h.装置上设有GPS接口,可接收GPS对时信息。1.6.2 WDS型数字式故障录波器它是国内较早出现的数字式故障录波器,其结构如图1-

34、4所示。图1-4. WDS型数字式故障录波器的结构从功能上, 可将装置分成3部分。ASTU部分相当于YSO8A型录波器的变送器层, 不同之处在于它只完成模拟信号的变送和隔离, 将现场的高压大电流信号和高速通道信号变换成适合于计算机处理的小电压信号。开关量隔离输入板在DSSU单元中, DSSU部分是数据采集启动控制单元,它相当于YSO8A型录波器前置机,完成数据采集、存贮及录波启动等工作。不同之处在于它基于MULTIBUS模板设计,采用8086CPU插件构成了一个独立的智能模块,但它跟M840和SIMEASR相比其运算能力和存贮功能远不及后者,另外它也没有显示和面板操作功能。DAU部分是一台标准

35、的32位工业控制计算机,它的功能包括:a.与DSSU通信,询问DSSU状态,如果DSSU单元已启动,则索取录波数据；b.定时与DSSU时钟同步；c.录波数据存盘,分析处理和打印输出;d.装置自检及工作报告。由于国内变电站综合自动化的发展,对故障录波器提出了更高的要求。许多厂家开始使用DSP技术,用专门的DSP芯片代替模拟量采集前置机,以提高数据采集的速度和精度。除已开发的集中式故障录波器外,一些单位正在开发分散式故障录波器。分散方式中的数据传输格式和录波网的选择都有待进一步探讨。 1.7 国内外故障录波器的比较及建议同国外相比,国内的故障录波器还存在一定的差距,概括起来,主要有以下几点:a.录

36、波器在故障时没有正常运行的主要原因是元器件质量不过关,占总数的70%。b.硬件配置不合理14。国内故障录波器一般采用单片机完成数据的采集、计算和判断,而国外普遍采用专门的DSP芯片。c.系统容量小。由于受到系统本身结构的限制,无论是模拟量的输入、开关量的输入、还是故障数据存储容量,其冗余度小,不利于增容和升级。而国外录波器的模块式结构使以后的扩展能简单地集成到现有的结构中,且采用数据压缩技术,存储容量大。d.国外的故障录波器一般是多功能的智能化装置,能记录短路故障、低频振荡、暂态故障,还能进行故障定位、谐波分析和电能质量分析,而国内的录波器数据分析能力差,故障测距结果不准15。e.远传技术不完

37、善16,国内的故障录波器机型各种各样,录波的数据格式、远传实现的格式各不相同,缺少统一的远传技术规范。存在差距的同时,我们也有自己的优势:a.与国外产品相比,国内录波器在价格上有一定优势。b.国外故障录波系统除前置录波器外,还要配置专门的故障分析软件,构建独立的录波网,投资大,技术要求高,不适合目前仍以集中组屏式结构为主,网络功能不健全的变电站系统。c.国内厂家在现场调试、培训和售后服务方面比国外厂家更具优势。现就录波器的关键技术提出几点建议:a.提高数据测量的精度,这可以从硬件和软件两个方面着手。在硬件上,可选用分辨率是16位的A/D转换器和高速高精度DSP芯片,若要降低成本,也可以采用几个

38、低速A/ D转换器并联工作的技术。在软件上,减小滤波算法误差关键是消除非周期分量的影响,现在有一种将差分和博氏变换相结合的算法具有很高的可靠性和准确度;谐波分析的算法比较多,一般的FFT算法,快速抗混叠的FAFT算法和减少泄露误差地加窗2插值技术,关键是在编程时如何有效快速地实现这些复杂的算法17。还有一个需要重视的问题是故障非周期分量引起的TA饱和问题,在不能改变现有一次配置的情况下考虑能否从算法上减小误差。b.保证装置的准确启动。故障录波器的启动判据很多,如整定得不好,就会出现拒动或系统稍有波动就启动的情况,为此在整定时可以参照保护整定的方法,以求达到较高的准确性和可靠性。c.拥有强大的网

39、络功能和通信能力。从硬件上要求录波器装置具有多个RSO232及RSO485接口,可与当地的监控系统或专用处理器通信,内置Modem能与远方调度中心通信,同时提高远传通道的质量;从软件上要求采用标准的数据记录格式和统一的远传技术规范,采用数据压缩以提高传输容量。d.拥有丰富的后台分析能力。进行后台分析的基础是对时时钟精确,为此应采用GPS,它可将时间误差减小到1ms以下。故障测距的精度是影响后台分析能力的关键技术,目前双端测距是一个比较好的办法。第二章 故障测距方法目前，我国正处于建设坚强智能电网的关键时期，电网正向超(特)高压、大容量、大系统发展，对供电可靠性、安全稳定性要求越来越高输电线路发

40、生短路故障时，能否实时在线地进行故障测距、快速准确地找到短路点的位置对运行检修部门来说相当重要18-19，同时输电线路故障测距是电力系统在线监测与故障诊断的一个重要分支，是加快推进实施电力系统在线监测与故障诊断体系的关键一环。早期的故障定位一般是根据模拟式录波器记录的故障录波图粗略的估计故障点的位置。随着计算机技术的普遍发展及应用，基于微机的保护装置和故障录波装置应用的越来越广泛，由于当时的故障定位方法还不是很完善，且受其他因素的影响，测距精度仍得不到保障。近年来，高速数字信号处理器及其他新型技术的发展，为各种测距算法的发展提供了保证。本文分析了各种故障定位方法的优缺点，并由此提出了发展输电线

41、路故障定位技术的研究思路。目前的故障定位方法可以分为行波测距法和阻抗测距法。2.1 行波测距法行波法最早诞生于20世纪40年代，它是通过测量故障产生的行波在故障线路上的时间来实现测距的方法。由于早期受许多相关技术的限制，比如行波信号的提取、信号处理方法、数据处理方法等等，一直没有得到推广。随着近年来科学技术的发展，GPS的商业化，高速处理芯片的应用，为行波分析方法在电力系统相关技术领域内的运用提供了基本手段。行波分析法可分为A、B、C、D四种方法20，其中A 型和C型采用的是单端信号定位；B型和D型采用双端信号定位。对于单端信号的行波测距法而言，由于 行波到达故障点后会发生反射，也会折射到对端

42、的母线，折射到对端母线的行波经过一段时间后又会反射到测量点，使得行波分析有较大的误差。由于影响因素较多，后面几次的行波辨识比上一次的辨识更加困难，因此单端法难以精确记录两次行波到达测量端的时间，以致测量存在较大的误差。双端法由于是故障后记录电流或电压行波到达线路两端的时间，而行波的传输速度近似于光速，1s就会造成150m的误差，因此这种测距原理对线路两侧的GPS对时系统要求非常高。故障行波信号是一个突变的、具有奇异性的、含有大量高频分量的信号，并且行波在不同的模式下传播时，各频率分量的传播速度和衰减也各自不同，从而造成行波的到达时间难以准确判断，这些是影响行波法故障测距精度得重要原因之一。小波

43、分析法的出现使行波的信号处理有了一个很好的解决办法。小波分析法21具有伸缩、平移和放大功能，它在时域和频域上同时具有良好的局部化性质。它可以对信号进行多尺度分析，具有很强的特征提取功能，尤其对突变信号的处理优势非常明显，另外,由于随机噪声信号和有效信号的小波变换在特征上有明显的区别，因此小波分析法具有很强的消噪功能。这些优势为小波分析法在微机保护中的应用提供了可靠性。2.2 阻抗测距法阻抗测距法广义上又称为故障分析法，是根据故障时的系统自身参数以及故障点的电压、电流求得故障阻抗的一种通用方法。阻抗法也包括单端量法和双端量法。2.2.1单端量测距法 单端量法一般是在系统运行方式确定和线路参数已知

44、的情况下，利用线路一端测得的电流、电压计算出故障阻抗的一种算法。由于保护装置、测量装置和录波装置公用一套电流、电压互感器，硬件投资少，且不受系统通信条件的限制，在早期的测距装置中应用的较多。但是单端测距法只使用了一侧的故障信息，故 障过渡电阻和对侧系统阻抗变化对测距精度有着较大的影响。现代的单端测距算法可细分为迭代法、解微分方程法、解二次方程法等。迭代法是从分析故障时系统序网络结构人手，根据边界条件，得出测量端短路电流与故障支路同类电流之间或者它们的相角之间存在的关系式，再与测量端电压方程构成方程组，得到一个值，最后利用所得值反复迭代，求得一个最优近似值。文献22提出利用迭代法来求解故障距离，

45、通过一定次数的迭代来修正故障电流相位，虽然解决了电流不同相位而带来的误差问题，但缺点是迭代结果不一定收敛于故障距离，且 定位精度受过渡电阻等因素的影响。 解微分方程法是基于被测线路的分布电容可以忽略的情况下提出的，它利用两个不同时刻的采样值，获得两个独立的方程，从而求得故障距离。该方法无需 双侧系统参数和故障前的数据，由于是采样两个时刻的瞬时值，响应时间短，且不必滤掉非周期分量。但该方法忽略了分布电容的存在，因此对长线路失效，并且在高阻抗故障时，测距精度影响较大。文献23则利用正序和负序故障分量的相位代替故障电流的相位，使之适应于高阻抗接地。但同时测距精度也会受对侧 系统运行方式和过渡电阻的影

46、响。因此要减小其影响，就要引人对端系统的阻抗，那必然要受对侧系统阻抗变化的影响，这是单端测距算法长期没有解决的难=-题。2.2.2双端量测距法 双端量测距法是利用线路两端的电气量实现的故障测距算法。由于这类算法是利用两端电流电压推算倒故障点电压相等的条件获得的故障位置信息，因此 从原理上不存在过渡电阻和对侧系统运行方式变化影响的问题。目前的双端测距法主要分为双端数据同步和不同步两种。 (1)基于双端数据同步采样数的测距算法 这类算法的特点是算法简单，但由于要求两端数据采样同步，对硬件要求较高，数据采样的非同步误差会影响这类算法的测距精度，通常利用GPS对时系统保证两端数据采样同步或进行采样同步

47、化来处理解决该问题。文献24是基于微分方程的算法，它利用两端的暂态数据进行分析，在短线路中，用差分代替微分，采用最小二乘法提高精度；长线路中，利用贝瑞龙模型，故障距离也通过最小二乘法进行校正，此方法采用两端电流电压的瞬时值，灵活方便，且对硬件的要求 比行波法低，只需要两端数据同步即可。文献25，26提出基于模分析理论的精确故障定位法，该方法利用相一模变换原理很好地克服了输电线路参数实际上的 不平衡对故障测距精度的影响，既适用于不换位线路， 也适用于各种换位线路，还可以推广到耦合平行双回线路的故障测距。 (2)基于双端数据不同步采样的测距算法 不同步数据采样算法是先在计算中引人相角差，在故障点处

48、列些两端电压方程式，得到关于相角差和故障距离的两个方程，然后使用迭代法求出相角差，进而得到故障距离；或消除相角差，建立故障距离的二次方程求得故障点。文献27利用本端电压、电流和对侧的电流实现故障测距，由于是直接利用分相式电流差动保护已有电流信息，因此可以不必考虑双端数据的同步问题。 (3)带有串补电容补偿的输电线路故障测距 串联电容补偿技术是一项十分成熟的技术，在电力系统中已有8O多年的应用历史。在输电线路中加入串补电容不仅能提高线路的输送能力，还可以提高电力系统的稳定运行水平。研究表明：串联电容补偿技术不仅在技术上具有优势，而且经济效益也非常明显，常规串补电容补偿的造价通常不到架设一条新输电

49、线路造价的1028。 由于串联补偿电容的存在破坏了输电线路的均匀性，常规的测距算法已不能满足其要求。国内外许多学者进行了有关串补电容输电线路测距算法的研究， 文献29利用单侧电压电流工频分量进行双电源线路短路点定位，原理上无法克服对侧系统运行方式阻抗随负荷波动和运行方式的改变而变化对测距精度的影响。文献30是采用双端数据，利用序分量求解的精确故障定位算法，它不需要双端信号同步，并且考虑的MOV的非线性问题。2.3 行波测距原理2.3.1 行波产生机理 设单相线路F点发生金属性短路。故障时等效网络如图2-1所示。图2-1线路F点故障时的等效网路图2-1(a)为正常时的网络图，图2-1(b)为故障

50、附加网络图。根据叠加原理，故障后的网络可等效为故障前正常运行网络与故障后故障附加网络的叠加31。故障状态等效于故障点增加了两个大小相等、方向相反的电压源，其电压数值等 于故障前F点的电压。行波测距法就是利用故障附加网络的电压源产生的行波在线路中传播这一物理特性进行的。2.3.2 双端行波测距原理双端行波测距原理利用线路内部故障产生的初始行波浪涌到达线路两端测量点时的绝对时间之差值，计算故障点到两端测量点之间的距离。为准确标定故障初始行波浪涌到达故障线路两端测量点的绝对时间，在线路两端均需装设行波采集系统。两端行波采集系统中必须配备高精度和高稳定度的实时时钟，而且需采用内置高精度授时系统(如GP

51、S接收模块)的电力系统同步时钟实现精确同步，以使得两系统的时钟误差平均不超1us。图2-2为双端测距的原理图。图2-2 双端测距的原理图当线路为单一介质线路时，行波在线路上的传播速度恒定，波速用 表示。如图6所示，当在线路MN中某一点F发生故障时，故障点产生的行波向线路两端传播。行波到达两端的绝对时间分别为t1和t2。则可得以下方程组： （2-1）式中：L是线路MN的长度；At是故障行波到达M端和N端的时差。因此故障距离可表示为： (2-2)式中：LMF是故障点到M端的距离;LNF是故障点M到N端的距离。当线路为混合线路时，行波在线路上的传播速度不恒定，上述方法失效。但是仍满足以下方程组： （

52、2-3）式中：t是故障行波到达M端和N端的时差；t是行波从M端传到N端所需要的时间。因此，故障时间可表示为： （2-4）式中：t1是故障行波传到M端所需要的时间；t2是故障行波传到N端所需要的时间。2.4 故障录波器数据分析及双端测距算法2.4.1波形再现现场采集的数据是一系列离散的点，利用以java为平台开发的基于IEEE标准的COMTRADE数据格式的面向对象的可视化程序可以计算出每个时刻对应的电压和电流瞬时值，再利用jfreechart的强大功能便可以生成电压和电流波形图。具体的单通道波形生成程序如下：JFreeChart chartA=ChartFactory.createXYLine

53、Chart("", / chart title"X", / x axis label"Y", / y axis labeldataset, / dataPlotOrientation.VERTICAL,true, / include legendtrue, / tooltipsfalse / urls);import;import ;import ;2.4.2 频率计算采样电压信号为一正弦电压，假设采样期间电压幅值保持不变，系统频率也不迅速改变，系统电压信号采样可用下式表示： （2-5）设每周波的采样点数为N，每0.1s的采样点数为n

54、，当电压信号以T为时间间隔采样时，第k, k +1, k +2, k +3的采样值可以表示为 （2-6） （2-7） （2-8） （2-9）由上式可知： （2-10） 为消除的影响，利用等比定理若，则经过n-3次计算的按上式取绝对值和进行补偿得到： （2-11） 令 （2-12） 根据采样值可以计算出每隔0.1s的x值由式（2-11）和式（2-12）可以推导出 （2-13）注：f=50Hz，T为采样周期，根据式（2-13）求出的x为x0，将在处进行泰勒展开得 （2-14） 可得：2.4.3 结合全周傅氏变换算法这是在电力系统中应用很广泛的一种较好的算法，尤其是在电力系统微机保护提取基波分量时占有重要的地位。当电力系统发生故障时往往产生较大的衰减，非周期分量全周傅氏差分算法则可以消除这种误差。为了降低直流分量的影响采用