架空輸電線路現(xiàn)代行波故障測距技術及其應用

1、現(xiàn)代行波故障測距技術及其應用現(xiàn)代行波故障測距技術及其應用淄博科匯電氣有限公司淄博科匯電氣有限公司陳陳 平平 國家電力公司科技開發(fā)服務中心國家電力公司科技開發(fā)服務中心主主 要要 內(nèi)內(nèi) 容容 輸電線路故障測距技術發(fā)展過程輸電線路故障測距技術發(fā)展過程 行波基本概念行波基本概念 現(xiàn)代行波故障測距基本原理現(xiàn)代行波故障測距基本原理 現(xiàn)代行波故障測距關鍵技術現(xiàn)代行波故障測距關鍵技術 XC-2000行波故障測距系統(tǒng)及其應用行波故障測距系統(tǒng)及其應用實例實例輸電線路故障測距技術發(fā)展過程輸電線路故障測距技術發(fā)展過程 早期行波故障測距技術早期行波故障測距技術 利用工頻分量的故障測距技利用工頻分量的故障測距技術術 現(xiàn)代

2、行波故障測距技術現(xiàn)代行波故障測距技術早期行波故障測距技術早期行波故障測距技術 20世紀（世紀（5060）年代）年代 基本原理：通過測量電壓行波在故障點及母線之間的基本原理：通過測量電壓行波在故障點及母線之間的 傳播時間測距。傳播時間測距。沒有得到推廣應用，原因是：沒有得到推廣應用，原因是： 對行波現(xiàn)象的研究認識不充分；對行波現(xiàn)象的研究認識不充分； 測量電壓行波信號，需專用行波信號耦合設備，價格測量電壓行波信號，需專用行波信號耦合設備，價格昂貴；昂貴； 采用高速拍照方式記錄行波波形，裝置構成復雜，可采用高速拍照方式記錄行波波形，裝置構成復雜，可靠性差；靠性差； 行波信號的分析處理手段有限行波信號

3、的分析處理手段有限 利用工頻分量的故障測距技術（利用工頻分量的故障測距技術（1） 20世紀世紀70年代年代 基本原理：利用測量點的電壓相量基本原理：利用測量點的電壓相量和電流相量之間的關系測距。和電流相量之間的關系測距。 分為阻抗法和故障分析法兩大類。分為阻抗法和故障分析法兩大類。 利用工頻分量的故障測距技術（利用工頻分量的故障測距技術（2） 阻抗法阻抗法 根據(jù)故障后線路一端的測量阻抗估根據(jù)故障后線路一端的測量阻抗估算故障距離。算故障距離。 測距精度受以下因素的影響：測距精度受以下因素的影響： 1 1）過渡電阻）過渡電阻 2 2）電壓、電流互感器變換誤差）電壓、電流互感器變換誤差 3 3）三相

4、不對稱）三相不對稱利用工頻分量的故障測距技術（利用工頻分量的故障測距技術（3） 故障分析法故障分析法 根據(jù)故障后線路一端或兩端的工頻根據(jù)故障后線路一端或兩端的工頻電壓、電流估算故障距離。電壓、電流估算故障距離。 測距精度受以下因素的影響：測距精度受以下因素的影響： 1）電壓、電流互感器變換誤差）電壓、電流互感器變換誤差 2）三相不對稱）三相不對稱 3）系統(tǒng)阻抗）系統(tǒng)阻抗現(xiàn)代行波故障測距技術（現(xiàn)代行波故障測距技術（1） 20世紀世紀90年代年代 A、D、E、F四種基本測距原理四種基本測距原理 發(fā)展原因發(fā)展原因 1）計算機仿真技術使人們對行波現(xiàn)象的認識不斷）計算機仿真技術使人們對行波現(xiàn)象的認識不斷

5、 深入、完善；深入、完善； 2）普通電流互感器（）普通電流互感器（TA）高頻傳變特性的發(fā)現(xiàn)和驗）高頻傳變特性的發(fā)現(xiàn)和驗證證 使得行波耦合方式得以大大簡化；使得行波耦合方式得以大大簡化； 3）現(xiàn)代微電子技術使行波信號的采集、記錄、處理）現(xiàn)代微電子技術使行波信號的采集、記錄、處理 成為可能；成為可能； 行波基本概念行波基本概念 輸電線路上的行波是指沿線路傳播的電壓、電輸電線路上的行波是指沿線路傳播的電壓、電流波。沿參考方向傳播的行波稱為正向行波流波。沿參考方向傳播的行波稱為正向行波（或前行波），沿參考方向的相反方向傳播的（或前行波），沿參考方向的相反方向傳播的行波稱為反向行波（反行波）。行波分為穩(wěn)

6、態(tài)行波稱為反向行波（反行波）。行波分為穩(wěn)態(tài)行波和暫態(tài)行波；行波和暫態(tài)行波； 穩(wěn)態(tài)行波是指系統(tǒng)正常運行時沿線路傳播的行穩(wěn)態(tài)行波是指系統(tǒng)正常運行時沿線路傳播的行波，它是由系統(tǒng)的電源產(chǎn)生的。電能的傳輸和波，它是由系統(tǒng)的電源產(chǎn)生的。電能的傳輸和交換是通過穩(wěn)態(tài)行波的傳播來實現(xiàn)的；交換是通過穩(wěn)態(tài)行波的傳播來實現(xiàn)的；現(xiàn)代行波故障測距技術（現(xiàn)代行波故障測距技術（2） 發(fā)展趨勢發(fā)展趨勢 智能化智能化 自動波形分析自動波形分析 采用小波分析、神經(jīng)網(wǎng)絡和專家系統(tǒng)等。采用小波分析、神經(jīng)網(wǎng)絡和專家系統(tǒng)等。 4）應用）應用GPS技術可以實現(xiàn)技術可以實現(xiàn)1us精確對時；精確對時； 5）現(xiàn)代通信技術的發(fā)展；）現(xiàn)代通信技術的發(fā)

7、展； 6）現(xiàn)代數(shù)字信號處理技術的發(fā)展；）現(xiàn)代數(shù)字信號處理技術的發(fā)展； 7）小波分析技術的發(fā)展。）小波分析技術的發(fā)展。 暫態(tài)行波是指系統(tǒng)運行過程中突然出現(xiàn)，而后暫態(tài)行波是指系統(tǒng)運行過程中突然出現(xiàn)，而后又逐漸消失的行波，它是由系統(tǒng)的擾動，如短又逐漸消失的行波，它是由系統(tǒng)的擾動，如短路、斷線、開關操作、雷擊及雷電感應等引起路、斷線、開關操作、雷擊及雷電感應等引起的；的； 行波現(xiàn)象可以用建立在分布參數(shù)線路模行波現(xiàn)象可以用建立在分布參數(shù)線路模型基礎上的電報方程來描述。通過求解型基礎上的電報方程來描述。通過求解電報方程所得到沿線各點的電壓和電流電報方程所得到沿線各點的電壓和電流均包含正向和反向兩部分行波分

8、量；均包含正向和反向兩部分行波分量； 由線路故障在線路上某一點產(chǎn)生的暫態(tài)由線路故障在線路上某一點產(chǎn)生的暫態(tài)行波分量可以利用該點的暫態(tài)電壓、電行波分量可以利用該點的暫態(tài)電壓、電流故障分量（突變量）的線性組合來提流故障分量（突變量）的線性組合來提??；取； 暫態(tài)行波分量含有從低頻到高頻的各種頻率分暫態(tài)行波分量含有從低頻到高頻的各種頻率分量。不同頻率的行波分量具有不同的衰減時間量。不同頻率的行波分量具有不同的衰減時間常數(shù)，因而暫態(tài)行波在線路上傳播時必然要發(fā)常數(shù)，因而暫態(tài)行波在線路上傳播時必然要發(fā)生波形的畸變（稱為幅值畸變）。另一方面，生波形的畸變（稱為幅值畸變）。另一方面，不同頻率的行波分量還具有不同

9、的傳播速度，不同頻率的行波分量還具有不同的傳播速度，這同樣會導致暫態(tài)行波波形的畸變（稱為相位這同樣會導致暫態(tài)行波波形的畸變（稱為相位畸變）；畸變）； 暫態(tài)行波的傳播特性隨頻率變化的現(xiàn)象稱為頻暫態(tài)行波的傳播特性隨頻率變化的現(xiàn)象稱為頻散（散（frequency dispersion）。）。 行波浪涌到達線路上波阻抗不連續(xù)點行波浪涌到達線路上波阻抗不連續(xù)點( (如母線、如母線、故障點等故障點等) )時將同時產(chǎn)生反射和透射現(xiàn)象，相時將同時產(chǎn)生反射和透射現(xiàn)象，相應反射波和透射波的性質(zhì)與該點的網(wǎng)絡結構有應反射波和透射波的性質(zhì)與該點的網(wǎng)絡結構有關；關； 三相線路各相之間存在著電磁耦合，描述每一三相線路各相之

10、間存在著電磁耦合，描述每一相行波的電報方程是不獨立的。一般通過相模相行波的電報方程是不獨立的。一般通過相模變換將三相行波分解為線模和地模（零模）兩變換將三相行波分解為線模和地模（零模）兩種獨立的行波模量來分析簡化求解過程；種獨立的行波模量來分析簡化求解過程； 地模行波分量在傳播過程中將發(fā)生嚴重的衰減地模行波分量在傳播過程中將發(fā)生嚴重的衰減和畸變，其傳播速度也不穩(wěn)定，而線模行波分和畸變，其傳播速度也不穩(wěn)定，而線模行波分量在傳播過程中的衰減和畸變程度較小，其傳量在傳播過程中的衰減和畸變程度較小，其傳播速度也比較穩(wěn)定。因而在行波故障測距中一播速度也比較穩(wěn)定。因而在行波故障測距中一般選用線模行波分量來

11、構造測距算法；般選用線模行波分量來構造測距算法； 暫態(tài)行波的傳播過程可以利用行波網(wǎng)格圖來描述。暫態(tài)行波的傳播過程可以利用行波網(wǎng)格圖來描述?，F(xiàn)代行波故障測距基本原理現(xiàn)代行波故障測距基本原理 單端（單端（A A型）測距原理型）測距原理 雙端（雙端（D D型）測距原理型）測距原理 單端（單端（E E型）測距原理型）測距原理 單端（單端（F F型）測距原理型）測距原理單端（單端（A型）測距原理型）測距原理根據(jù)到達母線的故障初始行波脈沖S1與由故障點反射回來的行波脈沖S2 之間的時間差測距RSt初始行波故障點反射波TS1TS2TS3Ft)(2121SSLTTVX)(2121SSLTTVX優(yōu)點：只需要在線

12、路一端安裝裝置優(yōu)點：只需要在線路一端安裝裝置缺點：波形分析困難，可靠性差缺點：波形分析困難，可靠性差雙端（雙端（D型）測距原理型）測距原理 利用故障初始行波到達線路兩端的時間計算故障距離：RSFTrtTst)(21LVTTXRSL優(yōu)點：可靠性高，測距準確。缺點：需要在線路兩端安裝裝置及通信配合。單端（單端（E型型）測距原理測距原理通過測量重合閘脈沖在故障點的反射到達時間測距：適用于測量永久短路及斷線故障tvXL21RSFt合閘脈沖故障點反射脈沖t現(xiàn)代行波故障測距關鍵技術問題（現(xiàn)代行波故障測距關鍵技術問題（1） 行波信號的耦合行波信號的耦合 1 1）專用耦合設備）專用耦合設備 2 2）光電壓、電

13、流互感器）光電壓、電流互感器 3 3）常規(guī)保護）常規(guī)保護TATA 科匯在世界上首次提出利用普通的電流互感器科匯在世界上首次提出利用普通的電流互感器耦合電流行波，并通過數(shù)字仿真分析及對實際耦合電流行波，并通過數(shù)字仿真分析及對實際TATA的測試證明之。的測試證明之。 優(yōu)點：實現(xiàn)簡單、成本低、靈敏度高。優(yōu)點：實現(xiàn)簡單、成本低、靈敏度高?，F(xiàn)代行波故障測距關鍵技術問題（現(xiàn)代行波故障測距關鍵技術問題（2）電壓行波電壓行波暫態(tài)測量電流暫態(tài)測量電流暫態(tài)測量電壓暫態(tài)測量電壓現(xiàn)代行波故障測距關鍵技術問題（現(xiàn)代行波故障測距關鍵技術問題（3） 行波分量的提取行波分量的提取 正向行波（母線到線路方向）：正向行波（母線到

14、線路方向）： u+ = (u + i u+ = (u + i * * ZcZc)/2)/2 i+ = u+ / i+ = u+ / ZcZc 反向行波（線路到母線方向）：反向行波（線路到母線方向）： u-u- = (u - i = (u - i * * ZcZc)/2)/2 i- = -u- / i- = -u- / ZcZc現(xiàn)代行波故障測距關鍵技術問題（現(xiàn)代行波故障測距關鍵技術問題（4） 高速采集技術高速采集技術 1 1）可以實現(xiàn)單端行波故障測距；）可以實現(xiàn)單端行波故障測距； 2 2）可以補償雙端行波測距誤差。）可以補償雙端行波測距誤差。 GPSGPS同步技術同步技術 1 1）線路兩端裝置要

15、有）線路兩端裝置要有1 1usus的時間同步精度，的時間同步精度， 以保證測距精度；以保證測距精度； 2 2）使用）使用GPSGPS同步時鐘可以實現(xiàn)同步時鐘可以實現(xiàn)1 1usus時間同步。時間同步。現(xiàn)代行波故障測距關鍵技術問題（現(xiàn)代行波故障測距關鍵技術問題（5） 遠程通信技術遠程通信技術 1 1）裝置之間可以使用電話網(wǎng)、）裝置之間可以使用電話網(wǎng)、INTERNETINTERNET數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)網(wǎng)、電力系統(tǒng)專用通信通道等廣域通信網(wǎng)互聯(lián)，網(wǎng)、電力系統(tǒng)專用通信通道等廣域通信網(wǎng)互聯(lián)，交換數(shù)據(jù)，實現(xiàn)雙端測距；交換數(shù)據(jù)，實現(xiàn)雙端測距； 2 2）由于不需要在故障后立即動作，不要求為）由于不需要在故障后立即動作，不要

16、求為測距裝置之間設置常備通信通道。測距裝置之間設置常備通信通道?，F(xiàn)代行波故障測距關鍵技術問題（現(xiàn)代行波故障測距關鍵技術問題（6）行波故障測距系統(tǒng)行波故障測距系統(tǒng)廣域通信網(wǎng)測距裝置測距裝置測距裝置測距裝置PC主站現(xiàn)代行波故障測距關鍵技術問題（現(xiàn)代行波故障測距關鍵技術問題（7） 行波分析技術行波分析技術 1 1）人工分析技術）人工分析技術 2 2）相關分析技術）相關分析技術 3 3）小波分析技術）小波分析技術 4 4）計算機仿真技術）計算機仿真技術XC-2000行波故障測距系統(tǒng)行波故障測距系統(tǒng) 系統(tǒng)構成系統(tǒng)構成 應用實例應用實例電話網(wǎng)/廣域網(wǎng) Modem/網(wǎng)卡 Modem/網(wǎng)卡 Modem/網(wǎng)卡

17、Modem/網(wǎng)卡調(diào)度中心PC機科匯技術服務PC機XC-2000系統(tǒng)構成系統(tǒng)構成XC-2000XC-2000站端行波采集與分析系統(tǒng)站端行波采集與分析系統(tǒng)GPSGPS同步時鐘同步時鐘XC-21XC-21行波采集單元行波采集單元當?shù)靥幚頇C當?shù)靥幚頇C中央處理單元中央處理單元高速采集電路高速采集電路GPSGPS接口電路接口電路I/OI/O接口電路接口電路鍵盤顯示鍵盤顯示接口電路接口電路TATATVTV 專用專用電流電流耦合耦合器器當?shù)靥幚頇C當?shù)靥幚頇C調(diào)度調(diào)度線路對端線路對端所在變電所所在變電所XC-2000調(diào)度端行波分析系統(tǒng)調(diào)度端行波分析系統(tǒng) 自動雙端測距 人工波形分析 計算機輔助分析 行波數(shù)據(jù)庫管理X

18、C-2000應用實例應用實例（交流線路）（交流線路）平均絕對誤差：平均絕對誤差： 400 m 400 m典型實際故障及典型實際故障及XC-2000測距結果測距結果序號序號故障時間故障時間故障線路故障線路分析距離分析距離（kmkm）實際故障距離實際故障距離（kmkm）絕對誤差絕對誤差（m m）11997-06-30/08:01:30500kV董遼線（董家變遼陽變）129.3（距遼陽）128.5（距遼陽）80021997-07-05/16:23:45臨邑變110kV黃一臨線23.722372031997-12-14/02:17:49隴西變330kV隴馬線75.8（距對端）75.5（距對端）3004

19、1998-04-28/20:35:48九里變220kV龔九一線6.56.5858551998-07-04/21:28:54董家變500kV元董一線177.617760061999-06-23/11:29:18浮石變110kV麻浮線44.9（距對端）44（距對端）90071999-06-25/10:12:50趙莊變110kV趙石線1.42142081999-07-11/14:36:53洛埠變110kV楊埠線6.7（距對端）6.5（距對端）20091999-07-25/13:36:33臨邑變220kV濟臨線15.5915.2390102000-04-27/17:30:08500kV雙玉二回*（雙河變玉賢變）0.2（距雙河）雙河側(cè)出口故障（CT爆炸）200112000-06-21/15:36:04金鎖變330kV金延線7.58500122000-06-23/17:36:17110kV埠屯線*（洛埠變浮石變）6.3（距洛埠）6.2（距洛埠）100132000-09-17/17:49:28碧口電廠220kV成碧線47.247.4200142001-06-12/18:06:10隴西變330kV隴雍線75.7（距對端）76（距對端）300152001-07-04/14:57:38隴西變330kV隴炳一線108.2108200 注：帶“*”線路的兩端裝有同步的測距裝置，