輸電線路故障測距的研究

PAGE輸電線路故障測距的研究入學(xué)年級：2014秋學(xué)生姓名：范曉晨電氣工程及其自動化學(xué)號：142512001012007所學(xué)專業(yè)：電氣化及其自動化東北農(nóng)業(yè)大學(xué)中國·哈爾濱2016年11月摘要：對高壓架空輸電線路進行準(zhǔn)確的故障測距是保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的有效途徑之一。為此，文章全面地介紹了國內(nèi)外在此方面的研究現(xiàn)狀。根據(jù)各種測距算法采用的原理不同，將現(xiàn)有的各種測距算法分為阻抗法、故障分析法、和行波法。阻抗法是根據(jù)故障時測量到的電壓、電流量而計算出故障回路的阻抗，由于線路長度與阻抗成正比，因此便可求出由裝置裝設(shè)處到故障點的距離；故障分析法是利用故障時記錄下來的電壓、電流量，通過分析計算，求出故障點的距離；行波法是根據(jù)行波傳輸理論實現(xiàn)輸電線路的故障測距方法，按其原理可分為A、B、C型3種方法，然后利用小波變換對輸電線路故障測距進行模擬仿真。最后，對高壓架空輸電線路故障測距的研究及應(yīng)用前景進行了展望。關(guān)鍵詞：故障測距；行波；輸電線路；小波變換1.概述高壓輸電線路是電力系統(tǒng)的命脈，它擔(dān)負(fù)著傳送電能的重任。同時，它又是系統(tǒng)中發(fā)生故障最多的地方，并且極難查找。因此，在線路故障后迅速準(zhǔn)確地把故障點找到，不僅對及時修復(fù)線路和保證可靠供電，而且對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定和經(jīng)濟運行都有十分重要的意義。根據(jù)故障測距裝置的作用，對它提出以下幾點基本要求[1]。1)可靠性2)準(zhǔn)確性3)經(jīng)濟性4)方便性目前已有的輸電線故障測距裝置按其工作原理可以分為以下幾種。1)阻抗法2)故障分析法3)行波法本論文的主要工作如下：1）對基于電氣量的輸電線路故障測距進行研究。2）了解輸電線路行波的產(chǎn)生和傳播原理、電力系統(tǒng)故障分析。3）具體掌握基于行波法的輸電線路故障測距原理，利用小波變換對行波突變點檢測進行研究，并對輸電線路故障測距進行模擬仿真。4）總結(jié)并對輸電線路故障測距應(yīng)用前景進行了展望。2阻抗法圖4-2C型行波法測距原理示意圖4.1.1行波信號源為了實現(xiàn)行波測距，首先要有行波信號源[5]。根據(jù)行波法進行故障測距的信號源有兩種，其一是外加信號，另一是利用故障時產(chǎn)生的信號，前者用于C型測距儀，后者用于A和B型測距儀中。4.1.2行波信號的提取方法目前提取行波信號的方法有[6]：1)利用高頻通道的耦合設(shè)備2)專用線性耦合設(shè)備3)利用電壓或電流互感器4.1.3行波測距法存在的缺陷縱觀現(xiàn)有的行波測距方法，特別是新型測距方法，尚有幾個問題有待解決：1)線路兩端非線性元件的動態(tài)時延[7]2)參數(shù)的頻變和波速的影響因素3)行波到達時間。4)行波反射波的識別。5)采用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）的成本較高4.2線路故障的行波過程4.2.1波動方程圖4-4單導(dǎo)線等值電路波動方程可簡寫為:（4-7）對式(4-7)進行拉式變換[8]求解，可得:（4-8）由上述方程組可以得出無損單導(dǎo)線中波過程的一些基本規(guī)律，(4-9)4.2.2行波的反射與透射圖4-5故障點的反射和透射對于線路有(4-13)對于線路，因上的反行電壓波u2f=0，故(4-14)在結(jié)點A處只能有一個電壓和電流值，故(4-15)綜上所得[9]：(4-16)4.2.3三相線路故障的行波過程由于三相電力系統(tǒng)的線路之間存在著電磁耦合，描述每一相的波動方程[10]，相互之間不是獨立的，電壓電流的求解比較復(fù)雜。模變換法是一種對三相系統(tǒng)進行解耦的方法，解耦后，三相系統(tǒng)的波動方程分解為三個獨立的模量[11]，從而可以把單相系統(tǒng)的分析結(jié)果推廣到三相系統(tǒng)中。對于平衡換位的三相線路，線路的阻抗與導(dǎo)納矩陣是對稱的，電壓與電流的模變換矩陣相同。模變換矩陣有多種，其中常用的是Clark變換[12](又稱、、0變換)[1]。4.2.4行波測距信號的選擇三相線路的行波包含地模和線模兩個分量[13]。地模分量存在著嚴(yán)重的損耗和參數(shù)隨頻率變化的現(xiàn)象[14]，行波衰耗大，波速不穩(wěn)，影響測距的精度，因此，三相線路的故障測距一般選擇損耗較小，參數(shù)比較穩(wěn)定的線模量作為檢測信號[1，17]。1)多相故障[15]AB相(4-19)BC相(4-20)CA相(4-21)在發(fā)生三相故障時，測量信號可以選擇上面三組中的任何一個。2)單相故障[6]線路在發(fā)生單相故障時，測量信號選擇為故障相與另兩相中之一的信號差。如A相故障時，測量信號為：(4-22)4.3行波經(jīng)小波變換線路故障測距法4.3.1小波變換基本原理與奇異性檢測信號的連續(xù)小波變換定義為[18]-[21](4-23)式中s和x分別是尺度參數(shù)和時間參數(shù)；是滿足允許條件的母小波。設(shè)是信號的小波變換，在尺度s下，若對于任意x，有(4-24)則稱為小波變換在尺度s下的模極大值點，為小波變換的模極大值。(4-25)式中A是常數(shù)。以上關(guān)系式表明信號突變點(此時)的小波變換模極大值隨著尺度s的增大而增大或保持不變；而由白噪聲(此時)產(chǎn)生的小波變換模極大值隨著尺度s的增大而明顯減小。這表明小波變換有很強的去噪能力。信號的奇異點與不同尺度下小波變換模極大值的關(guān)系如圖3-3所示。圖中1，2點的Lipischitz指數(shù)均大于0。3點為函數(shù)，其Lipischitz指數(shù)小于0，實際信號中噪聲信號多為這一類函數(shù)，其小波變換模極大值隨著尺度的增大而明顯減小，因而可判斷為噪聲。4.3.2小波變換故障測距原理考慮到電容式電壓互感器的頻寬滿足不了行波測量的要求，而電流互感器能有效地傳送高頻信號[22]，因此則使用電流互感器獲取電流行波進行故障定位。在三相輸電線路中，行波是相互耦合的。每一相行波都是幾種速度不同的行波分量的混合，不適合用作故障測距，必須將測得的相信號變換成模信號。每一模信號的傳輸速度是一定的。在此采用了Clarke變換。根據(jù)反射波與入射波的小波變換模極大值的相對極性[23]，可判斷反射波是來自故障點還是對端母線。通過確定由故障點反射波分別到達線路兩端的時間，根據(jù)公式，求的故障點。5．小波雙端法故障測距的仿真電力系統(tǒng)中經(jīng)常發(fā)生斷路故障[24]，其中包括三相短路、兩相短路、兩相接地短路及單相接地短路。故本文對四種短路故障測距進行仿真研究。設(shè)故障網(wǎng)絡(luò)接線如圖5—1所示：圖5—1故障網(wǎng)絡(luò)接線圖應(yīng)用Matlab仿真軟件對本系統(tǒng)進行仿真，其中模擬示波器中，黃色代表A相電流，紅色代表B相電流，綠色代表C相電流，模塊結(jié)構(gòu)如5-2圖所示圖5-2Matlab仿真模塊圖波速度，在三相系統(tǒng)中應(yīng)用行波方法時應(yīng)先進行相模變換。然后根據(jù)行波模量的波形和速度來進行故障定位。在本文中采用的是克拉克變換。在 Matlab對數(shù)據(jù)進行編程：M=1/3*[111;1-10;10-1];ImA=Im(:,2);ImB=Im(:,3);ImC=Im(:,4);Im012=M*[ImA';ImB';ImC'];Im1=Im012(2,:);InA=In(:,2);InB=In(:,3);InC=In(:,4);In012=M*[InA';InB';InC'];In1=In012(2,:);仿真得到不同故障情況下的故障數(shù)據(jù)，利用第4章中的小波檢測算法，采用雙端行波故障測距原理對所得到的故障數(shù)據(jù)進行了測距仿真，并給出了測距結(jié)果。測距誤差全部都控制在幾十米以內(nèi)，能夠滿足現(xiàn)場運行的需要。故障點的接地電阻對行波法輸電線路故障測距影響很小，可以忽略不計。

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