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聲明 本人鄭重聲明 此處所提交的碩士學(xué)位論文 配電網(wǎng)行波故障定位技術(shù)的研究 是本人在華北電力大學(xué)攻讀碩士學(xué)位期問 在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作和取得的研究 成果 據(jù)本人所知 除了文中特別加以標(biāo)注和致謝之處外 論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā) 表或撰寫過的研究成果 也不包含為獲得華北電力大學(xué)或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而 使用過的材料 與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的 說明并表示了謝意 學(xué)位論文作者簽名 鎣絲變?nèi)掌?矽衛(wèi)生魚 關(guān)于學(xué)位論文使用授權(quán)的說明 本人完全了解華北電力大學(xué)有關(guān)保留 使用學(xué)位論文的規(guī)定 即 學(xué)校有權(quán)保管 并向有關(guān)部門送交學(xué)位論文的原件與復(fù)印件 學(xué)??梢圆捎糜坝?縮印或其它復(fù)制手 段復(fù)制并保存學(xué)位論文 學(xué)校可允許學(xué)位論文被查閱或借閱 學(xué)??梢詫W(xué)術(shù)交流為 目的 復(fù)制贈(zèng)送和交換學(xué)位論文 同意學(xué)??梢杂貌煌绞皆诓煌襟w上發(fā)表 傳播 學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容 涉密的學(xué)位論文在解密后遵守此規(guī)定 作者簽名 蒜秀曼 導(dǎo)師簽名 趕竺國(guó) 日期 塑2 叢口期 迦2 叢 華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 1 課題的研究背景 第一章緒論 在我國(guó)6 6 6 k v 配電網(wǎng)中 廣泛采用中性點(diǎn)不接地或經(jīng)消弧線圈接地的運(yùn)行方 式 即為小電流接地系統(tǒng) 此種系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí) 由于大地與中性點(diǎn)之間 沒有直接電氣連接或串接了電抗器 因此短路電流很小 保護(hù)裝置不需要立刻動(dòng)作 跳閘 從而提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性 尤其在瞬時(shí)故障條件下 短路點(diǎn)可以自行滅 弧恢復(fù)絕緣 不需要運(yùn)行人員采取什么措施 這對(duì)于減少用戶短時(shí)停電次數(shù)具有積 極意義 但是隨之而來的問題是 如果故障是永久性的 系統(tǒng)僅僅允許在故障情況 下繼續(xù)運(yùn)行1 2 個(gè)小時(shí) 此時(shí)運(yùn)行人員必須盡快查明短路線路和短路點(diǎn) 以便采 取相應(yīng)對(duì)策解除故障 恢復(fù)系統(tǒng)正常運(yùn)行 隨著系統(tǒng)容量的增長(zhǎng) 饋線增多 導(dǎo)致 系統(tǒng)電容電流增大 如果發(fā)生單相接地故障 長(zhǎng)時(shí)間帶故障運(yùn)行容易誘發(fā)持續(xù)時(shí)間 長(zhǎng) 影響面廣的間歇電弧過電壓 進(jìn)而損壞設(shè)備 破壞系統(tǒng)安全運(yùn)行 這就提出了 小電流接地系統(tǒng)的單相接地故障選線和故障定位問題 作為最早研究小電流接地系統(tǒng)單相接地故障選線技術(shù)的單位之一 我們課題組 得到了國(guó)家自然科學(xué)基金的支持 經(jīng)過了幾年的研究 選線技術(shù)取得了突破性進(jìn)展 研制了小電流接地系統(tǒng)選線裝置 采用智能比幅比相法 諧波比幅比相法 小波法 首半波法等方法進(jìn)行故障選線 融合了有效域技術(shù)和連續(xù)選線技術(shù)等先進(jìn)技術(shù) 如 今選線成功率通過實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)不低于9 5 選線裝置已在遼寧 山西 河北等地投運(yùn) 和推廣 運(yùn)行效果很好 滿足了配電網(wǎng)運(yùn)行對(duì)選線的要求 選線問題解決之后 配電網(wǎng)單相接地故障定位問題就提到日程上來了 本文以 后所指的配電網(wǎng)故障定位問題 都是特指配電網(wǎng)單相接地故障定位問題 當(dāng)前配電線路故障定位方法是在確定接地線路后 由人工沿線路尋找故障點(diǎn) 隨著配電網(wǎng)網(wǎng)架的加強(qiáng) 線路增長(zhǎng) 分支線路也增多 線路變得復(fù)雜 用傳統(tǒng)的巡 線方法找出具體故障點(diǎn)的位置非常困難 少則幾小時(shí) 甚至數(shù)十小時(shí) 不僅耗費(fèi)了 大量人力物力 而且延長(zhǎng)了停電時(shí)間 影響供電可靠性 尤其是在氣候嚴(yán)寒的冬季 或雨雪天氣 現(xiàn)有尋找故障點(diǎn)的方法勞動(dòng)強(qiáng)度非常大 難以適應(yīng)當(dāng) i 生產(chǎn)的需求 解決配電網(wǎng)故障定位問題將大大降低電氣維護(hù)人員的工作難度和工作量 大大 縮短因故障造成的停電時(shí)間 極大地降低由于停電造成的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)損失 必將產(chǎn) 生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益 華北電力大學(xué)碩十學(xué)位論文 1 2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 目前 國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)l l o k v 及其以上高壓輸電線路故障定位問題進(jìn)行了大量研 究 且已經(jīng)取得實(shí)用性進(jìn)展 而配電網(wǎng)故障定位問題還沒有真正有效的解決辦法 原因在于 首先 高壓輸電網(wǎng)采用中性點(diǎn)有效接地的接地方式 屬于大電流接地系 統(tǒng) 故障信號(hào)明顯 易于判別提取 而配電網(wǎng)采用中性點(diǎn)非有效接地的接地方式 發(fā)生單相接地故障后 故障電流為各非故障線路電容電流之和 與中性點(diǎn)接地的大 電流接地系統(tǒng)相比 數(shù)值較小 故障信號(hào)較弱 故障特征量難以獲得 其次 高壓 輸電線從線路的始端到末端是一回線到底 中間沒有分支 而配電網(wǎng)是多分支的復(fù) 雜網(wǎng)狀結(jié)構(gòu) 進(jìn)行配電網(wǎng)故障定位時(shí) 既要知道故障點(diǎn)的距離 又要知道故障點(diǎn)在 哪一個(gè)分支 滿足故障距離的分支可能有多個(gè) 要確定真故障點(diǎn) 必須排除偽故障 點(diǎn)的干擾 以上兩點(diǎn)都說明了 適用于高壓輸電線路的故障定位方法不一定能適用 于配電網(wǎng)的故障定位問題 1 2 1 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 目前 國(guó)內(nèi)對(duì)配電線路故障定位的研究按原理可以分為 阻抗法 行波法 s 注入法和 故障指示器 技術(shù) 阻抗法 其故障測(cè)距原理是假定線路為均勻線 在不同故障類型條件下計(jì)算出 的故障回路阻抗或電抗與測(cè)量點(diǎn)到故障點(diǎn)的距離成j 下比 從而通過計(jì)算故障時(shí)測(cè)量 點(diǎn)的阻抗或電抗值除以線路的單位阻抗或電抗值得到測(cè)量點(diǎn)到故障點(diǎn)的距離 阻 抗法具有投資少的優(yōu)點(diǎn) 但受路徑阻抗 線路負(fù)荷和電源參數(shù)的影響較大 對(duì)于帶 有多分支的配電線路 阻抗法無法排除偽故障點(diǎn) 只適合于結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單的線路1 1 行波法 根據(jù)行波傳輸理論實(shí)現(xiàn)故障定位 一般可分為a b c 型幾類 a 型行波法是利用故障點(diǎn)產(chǎn)生的行波 根據(jù)測(cè)量點(diǎn)到故障點(diǎn)往返一次的時(shí)l 日j 和行波波 速來確定故障點(diǎn)的位置 b 型行波法是利用故障點(diǎn)產(chǎn)生的行波到達(dá)線路兩端的時(shí)刻 并借助通信聯(lián)系實(shí)現(xiàn)故障定位 c 型行波法是在故障發(fā)生后由裝置發(fā)射高壓高頻或 直流脈沖信號(hào) 根據(jù)高頻脈沖從裝置至故障點(diǎn)往返時(shí)問進(jìn)行定位f 2 1 文獻(xiàn) 3 提出了 一種綜合利用故障初始電流 電壓行波線模分量實(shí)現(xiàn)配電線路雙端測(cè)距的方法 文 獻(xiàn) 4 通過對(duì)故障產(chǎn)生的暫態(tài)行波進(jìn)行檢測(cè) 分析來實(shí)現(xiàn)故障定位 文獻(xiàn) 5 提出了在 線檢測(cè)電壓行波的雙端故障測(cè)距方法 s 注入法 其原理是通過母線p t 向接地線的接地相注入信號(hào)電流 其基波頻率 處于工頻n 次諧波與n 1 次諧波之間 然后利用專用的信號(hào)電流探測(cè)器查找故障線 路和故障點(diǎn)1 6 j 文獻(xiàn) 7 考慮到線路停電后絕緣可能恢復(fù) 在基于注入信號(hào)法的基礎(chǔ) 上 提出了一種離線故障定位新方法 該方法首先通過外加直流高壓使接地點(diǎn)處于 保持擊穿狀態(tài) 然后注入交流檢測(cè)信號(hào) 通過尋蹤注入的交流信號(hào)找出故障的準(zhǔn)確 2 華北電力大學(xué)碩十學(xué)位論文 位置 s 注入法的缺點(diǎn)在于 注入信號(hào)的能量有限 如果故障點(diǎn)經(jīng)很大電阻接地 或者故障點(diǎn)距離線路始端很遠(yuǎn) 那么信號(hào)將很微弱無法準(zhǔn)確測(cè)量 8 1 s 注入法在接 地過渡電阻較小的情況下 有較高的定位精度 注入信號(hào)電流后 沿接地線路進(jìn)行 探測(cè) 注入信號(hào)電流消失點(diǎn) 即接地點(diǎn) 對(duì)于有分支線的情況 只要離開分支點(diǎn)6 m 對(duì)每一分支進(jìn)行探測(cè) 探測(cè)到信號(hào)電流的分支即接地點(diǎn)所在分支 6 1 故障指示器 技術(shù) 9 該技術(shù)得到了實(shí)用化 其原理為在變電站故障相母線 上注入信號(hào)電流 該信號(hào)電流由變電站發(fā)送 經(jīng)故障路徑通過接地點(diǎn)流入大地返回 信號(hào)源 掛在故障路徑的故障指示器檢測(cè)到該信號(hào)立即給出指示 翻牌 掛在非 故障路徑上指示不動(dòng) 牌不翻 指示器翻牌表示接地點(diǎn)在該指示器的下游 在分 支點(diǎn) 根據(jù)指示器的動(dòng)作與否 判斷出哪一分支是故障分支 運(yùn)行人員按指示器的 引導(dǎo)向前巡視 直至找到故障接地 故障分支和接地故障點(diǎn) 最早的故障指示器用 于尋找短路故障分支和短路故障點(diǎn) 隨后故障指示器推廣應(yīng)用到小電流接地電網(wǎng)單 相接地故障選線 稱為接地故障指示器 接地故障指示器和短路故障指示器在我國(guó) 中壓配電網(wǎng)都有所應(yīng)用 故障指示器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)和原理簡(jiǎn)單 價(jià)格便宜 安裝容 易 用戶反映短路故障指示器的實(shí)用效果還是比較好的 而接地故障指示器的使用 效果則不很理想 正確率不高 電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時(shí)常常沒有反應(yīng) 可見 接 地故障指示器技術(shù)不能圓滿解決配電網(wǎng)故障定位問題 1 2 2 國(guó)外研究現(xiàn)狀 同本 美國(guó)和歐洲的許多國(guó)家都在研究和使用短路故障指示器 主要用于指示 配電線路短路電流的路徑 給巡線人員指明短路故障所在的出線 分支和區(qū)段 在 這方面國(guó)外的技術(shù)水平和國(guó)內(nèi)相近 國(guó)外對(duì)接地故障指示器的研究和應(yīng)用較少 另外 歐洲一些地區(qū)的故障定位技術(shù)主要是利用饋線自動(dòng)化裝置確定故障區(qū) 段 然后由人工尋線來找到故障點(diǎn) 配電系統(tǒng)安裝饋線自動(dòng)化裝置 即在線路上安 裝有自動(dòng)分段開關(guān)和檢測(cè)裝置 故障后利用自動(dòng)分段開關(guān)的相互配合 確定故障區(qū) 段并將故障區(qū)段隔離 但是這種方法只能確定故障區(qū)段 并不能確定故障位置 而 且饋線自動(dòng)化投資大 維護(hù)復(fù)雜 國(guó)外的學(xué)者關(guān)于行波定位法在配電網(wǎng)中的應(yīng)用也進(jìn)行了大量的研究 文獻(xiàn) 1 0 卜一 1 5 分別提出利用故障自身產(chǎn)生的行波信號(hào)進(jìn)行單端定位或雙端定位的方法 其中文獻(xiàn) 1 0 1 4 通過仿真進(jìn)行驗(yàn)證 文獻(xiàn) 1 5 利用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證 1 3 存在的難點(diǎn) 國(guó)內(nèi)外對(duì)配電網(wǎng)故障定位的研究 雖然有一定進(jìn)展 但都沒有取得突破 離圓 滿解決還有相當(dāng)距離 調(diào)查表明 目前尚沒有哪一種定位方法在實(shí)際運(yùn)行中取得了 華北電力大學(xué)碩十學(xué)位論文 滿意的定位效果 配電網(wǎng)故障定位技術(shù)的研究任重而道遠(yuǎn) 需要更進(jìn)一步的研究 根據(jù)大量的試驗(yàn)和研究 發(fā)現(xiàn)配電網(wǎng)故障定位問題存在的難點(diǎn)包括以下內(nèi)容 1 建模難 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)難 分布參數(shù)線路的數(shù)學(xué)模型屬于偏微分方程 配電網(wǎng)分支線眾多 結(jié)構(gòu)復(fù)雜 尚 未見到有關(guān)配電網(wǎng)數(shù)學(xué)建模的相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)表 如果數(shù)學(xué)模型不能實(shí)現(xiàn) 隨之而來的 就是物理模型也不能實(shí)現(xiàn) 因?yàn)槲锢砟P投际窃跀?shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的 研究配 電網(wǎng)故障定位問題如果既不能用數(shù)學(xué)模型 又不能用物理模型 那么唯一的出路就 是進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)了 而電力系統(tǒng)關(guān)系到國(guó)計(jì)民生 停電影響千家萬戶 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)一 直難以進(jìn)行 2 如何從采集到的行波數(shù)據(jù)中辨識(shí)出故障點(diǎn)的信息 對(duì)于行波定位法來說 如何從采集到的行波數(shù)據(jù)中辨識(shí)出故障點(diǎn)的信息是一個(gè) 難題 第一 由于行波以近似于光速傳播 十萬分之一秒的微小誤差 給定位帶來 的都將是1 公里的距離誤差 如何排除波速不確定帶來的定位誤差是一個(gè)難點(diǎn) 第 二 配電網(wǎng)的眾多分支導(dǎo)致了反射波太多 分支節(jié)點(diǎn)和端點(diǎn)都有反射波 難以分清 哪個(gè)是故障點(diǎn)反射波 哪個(gè)是節(jié)點(diǎn)和端點(diǎn)反射波 第三 經(jīng)過分支衰減后的行波信 號(hào) 已經(jīng)非常微弱 然而線路上存在著電磁干擾 這些干擾的幅值有時(shí)甚至和信號(hào) 的強(qiáng)度接近 因此如何去除這些干擾的影響變得至關(guān)重要 第四 因?yàn)榉种Ь€眾多 滿足所測(cè)故障距離的點(diǎn)往往不止 個(gè) 而是多個(gè) 要找到真正的故障點(diǎn)就需要排除 偽故障點(diǎn) 1 4 解決問題的整體思路 針對(duì)配電網(wǎng)故障定位問題存在的難點(diǎn) 解決該問題的整體思路如下 1 從簡(jiǎn)單到復(fù)雜 配電網(wǎng)單相接地故障定位是個(gè)復(fù)雜的問題 復(fù)雜問題的解決是個(gè)逐步實(shí)現(xiàn)的過 程 不可能 蹴而就 要從簡(jiǎn)單到復(fù)雜 逐步深入 逐步完善 配電網(wǎng)有1 0 k v 3 5 k v 和6 6k v 幾個(gè)級(jí)別 l ok v 配電線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)最復(fù)雜 接地故障也最頻繁 最需 要故障定位技術(shù) 但解決起來困難也最大 3 5k v 線路和6 6k v 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 節(jié) 點(diǎn)少 分支也少 研究工作從3 5k v 電網(wǎng)的故障定位問題入手 容易取得突破 3 5 k v 電網(wǎng)的故障定位問題如果取得成功 就可以為解決1 0 k v 電網(wǎng)的故障定位問題奠 定基礎(chǔ) 2 根據(jù)配電網(wǎng)自身的特點(diǎn) 采用合適的定位方法 輸電網(wǎng)行波定位技術(shù)的成功給了我們很大鼓舞和啟發(fā) 但直接把輸電網(wǎng)行波定 位技術(shù)轉(zhuǎn)化為配電網(wǎng)行波定位技術(shù)并不可行 因?yàn)榕潆娋€路帶有分支 行波在配電 線路上的流動(dòng)遠(yuǎn)不像在輸電線路上那樣簡(jiǎn)單 要解決配電網(wǎng)故障定位問題 就應(yīng) 4 華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 根據(jù)配電網(wǎng)自身的特點(diǎn) 采用合適的定位方法 1 5 本文的主要工作 本文主要研究配電網(wǎng)單相接地故障定位問題 在了解了國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 充分 認(rèn)識(shí)該問題難度的基礎(chǔ)上 針對(duì)研究對(duì)象的特點(diǎn) 展開研究工作 本文的主要研究 工作分為以下幾個(gè)部分 第一部分 本文的第二章 在研究和比較了現(xiàn)有故障定位方法的基礎(chǔ)上 根據(jù)配 電網(wǎng)的自身特點(diǎn) 結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn) 選擇了c 型行波法作為主要研究對(duì)象 c 型行波 法的主要優(yōu)點(diǎn)是不需要巡線 定位速度快 可以進(jìn)行多次定位 提出了 特征波 的概念來分析注入脈沖信號(hào)在帶分支線路上的傳播過程 經(jīng)過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn) c 型行波 法適用于接地過渡電阻不大于3 垃的配電網(wǎng)故障定位問題 為了進(jìn)一步提高定位精 度 提出將c 型行波法和s 注入法結(jié)合起來 優(yōu)勢(shì)互補(bǔ) 實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確的綜合定位 該方案的可行性在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中得到了驗(yàn)證 第二部分 本文的第三章 主要研究了行波故障定位數(shù)學(xué)模型 為了徹底解決配 電網(wǎng)故障定位問題 只有建立行波故障定位數(shù)學(xué)模型 深入了解行波在配電線路上 的傳播過程 在介紹了傳輸線波動(dòng)方程的基礎(chǔ)上 利用偏微分方程的數(shù)值解法 分 別建立了無損線模型和有損線模型的離散格式 并分析了離散格式的穩(wěn)定性 確定 了不同情況下的邊界條件 進(jìn)行了數(shù)值試驗(yàn) 效果較好 第三部分 本文的第四章 主要研究了配電網(wǎng)行波故障定位信息辨識(shí)處理技術(shù) 主要對(duì)c 型行波法采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理 得到故障點(diǎn)的信息 由于配電網(wǎng)帶 有分支 故障點(diǎn)的信息就包含了故障點(diǎn)與測(cè)量點(diǎn)之 日j 的距離 故障點(diǎn)所在線路的區(qū) 段 確定行波在線路上的傳播速度后 再比較線路正常時(shí)的行波波形與線路故障時(shí) 的行波波形 就可以確定故障點(diǎn)與測(cè)量點(diǎn)之間的距離 通過識(shí)別行波的特征波 可 以確定故障點(diǎn)所在的區(qū)段 對(duì)行波信號(hào)的采樣率往往取得較高 高采樣頻率容易受 到各種噪聲影響 使定位的準(zhǔn)確性降低 小波變換是處理行波信號(hào)的有力工具 采 用了軟閾值化算法對(duì)行波信號(hào)進(jìn)行消噪處理 形成了完整的配電網(wǎng)行波故障定位信 息辨識(shí)處理方法 通過將該方法應(yīng)用到對(duì)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析中 驗(yàn)證了其有效性 第四部分 本文的第五章 主要介紹配電網(wǎng)故障定位裝置的設(shè)計(jì)與開發(fā) 詳細(xì)說 明了故障定位裝置的總體框架的設(shè)計(jì) 各模塊的功能 接口及通信規(guī)約的擬定 介 紹了該裝置對(duì)行波信號(hào)進(jìn)行高速采集的過程 采用了四川中科動(dòng)態(tài)儀器有限公司的 p c l 4 7 1 2 數(shù)據(jù)采集卡 其最高采樣率達(dá)到4 0 m h z 能滿足行波定位的要求 設(shè)計(jì)并 開發(fā)了配電網(wǎng)故障定位裝置主控軟件 該主控軟件采用了d e l p h i 可視集成開發(fā)環(huán)境 由面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì) 在w i n d o w s 系統(tǒng)下進(jìn)行開發(fā) 實(shí)現(xiàn)了故障定位主控軟件的可 視化 使現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行人員能夠方便有效地找出故障點(diǎn) 提高工作效率 華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章配電網(wǎng)故障定位實(shí)用方法的研究 配電系統(tǒng)中線路單相接地故障定位問題是一個(gè)至今在國(guó)內(nèi)外還沒有很好解決 的難題 16 1 在研究和比較了現(xiàn)有故障定位方法的基礎(chǔ)上 根據(jù)配電網(wǎng)的自身特點(diǎn) 結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn) 選擇了c 型行波法作為主要研究對(duì)象 詳細(xì)介紹了c 型行波法的相 關(guān)原理 并對(duì)c 型行波法的適用范圍進(jìn)行了試驗(yàn)分析 為了進(jìn)一步提高定位精度 提出將c 型行波法和s 注入法結(jié)合起來 進(jìn)行綜合定位 2 1 配電網(wǎng)故障定位實(shí)用方法的選擇 近年來 有學(xué)者嘗試將輸電網(wǎng)的故障定位技術(shù)應(yīng)用于配電網(wǎng) 輸電網(wǎng)故障定位技術(shù) 目前較為成熟 主要分為阻抗法和行波法兩大類 1 7 經(jīng)過研究分析 發(fā)現(xiàn)阻抗法和a b 型行波法雖然已在輸電網(wǎng)故障定位中得到廣泛的應(yīng)用 但卻不能適用于配電網(wǎng)故 障定位 對(duì)于阻抗法來說 受路徑阻抗 線路負(fù)荷和電源參數(shù)的影響較大 對(duì)于帶有多 分支的配電線路 阻抗法無法排除偽故障點(diǎn) 它只適合于結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單的線路 1 對(duì)于a 型行波法 由于配電網(wǎng)分支多 從測(cè)量端到故障點(diǎn)往返兩次將產(chǎn)生大量反射 行波 不易進(jìn)行區(qū)分 對(duì)于b 型行波法 由于線路含有多個(gè)終端 因此不易進(jìn)行多 個(gè)信息源的信號(hào)同步 如果在多個(gè)終端采用g p s 進(jìn)行同步 投資太大 配電網(wǎng)對(duì)于單相瞬時(shí)接地故障不用進(jìn)行故障定位 故障能夠自動(dòng)消失并恢復(fù)絕 緣 對(duì)于永久性接地故障一般需要先將線路斷開 然后進(jìn)行故障定位 針對(duì)這個(gè)特 點(diǎn) 我們發(fā)現(xiàn)c 型行波法能夠適用于配電網(wǎng) 該方法有以下優(yōu)點(diǎn) 首先 該方法不 需要巡線 定位速度快 其次 該方法在進(jìn)行故障定位時(shí)可以重復(fù)的判斷 如果某次 檢測(cè)因受到較大干擾影響了定位分析 可以重新發(fā)一個(gè)行波信號(hào)再進(jìn)行一次定位 這也 是c 型行波法所特有的優(yōu)勢(shì) 因?yàn)樵谄渌鼘?shí)時(shí)定位方法中 故障點(diǎn)處產(chǎn)生的行波是不可 重現(xiàn)的 甜 因此 本文主要以c 型行波定位法作為主要研究對(duì)象 現(xiàn)詳細(xì)介紹了c 型行波 定位法的相關(guān)原理 2 2c 型行波法 2 2 1 行波在波阻抗不連續(xù)節(jié)點(diǎn)上的折射與反射過程 通常線路都是一段一段連接而成的 有時(shí)相鄰兩段導(dǎo)線的波阻抗會(huì)不相同 行 6 華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 波在線路上傳播過程中在波阻抗不連續(xù)處會(huì)產(chǎn)生全部或部分反射 圖2 1 是行波在 兩個(gè)波阻抗不相同的導(dǎo)線連接處產(chǎn)生的折射和反射 幽2 1 行渡在波阻抗不連續(xù)節(jié)點(diǎn)的穢r 射和反射過程 在圖2 1 中 4 為兩段波阻抗不同導(dǎo)線的連接點(diǎn) 左側(cè)導(dǎo)線波阻抗為五 右側(cè) 導(dǎo)線波阻抗為z 為入射波 蠔 為反射波 為越過波阻抗不連續(xù)點(diǎn)的透射波 現(xiàn)將波阻抗為毛的線路合閘于直流電源u 合閘后沿線路而有一與電源電壓相同的 前行電壓波 自電源向節(jié)點(diǎn)爿傳播 到達(dá)節(jié)點(diǎn)爿遇到波阻抗為z 的線路 在節(jié)點(diǎn)4 前后都必須遵守單位長(zhǎng)度導(dǎo)線的電場(chǎng)能量與磁場(chǎng)能量相等的規(guī)律 但線路z 與z 的 單位長(zhǎng)度電感與對(duì)地電容都不相同 因此 到達(dá)爿點(diǎn)處要發(fā)生行波的折射與反射 反射電壓 自節(jié)點(diǎn)爿沿線路z 返回傳播 折射電壓波則自節(jié)點(diǎn)爿沿線路z 繼續(xù)向 前傳播 此時(shí)折射電壓波也就是線路z 上的前行電壓波 以 表示 通過下面分析 可以求得反射電壓波 和折射電壓波 我們假設(shè)折射電壓波 尚未到達(dá)線路z 的末端 即線路z 上尚未出現(xiàn)反行電壓 波 于是對(duì)于線路z 有 r 1 1 口 l i f l g 1 碼 f l l l 一z l 2 1 對(duì)于線路z 因?yàn)閦 上的反行電壓波 o 所以有 j o l 2 9 z 2 k 2 2 在節(jié)點(diǎn)處只能有一個(gè)電壓和電流值 故 刮 l 毛 f 2 2 3 于是有 廠 i 口 2 9 l f l 2 f z 0 記為 我們稱其為空間步 長(zhǎng) 平行于工軸的直線也假定是等距的 設(shè)距離為 f o 記為f 稱其為時(shí)間步長(zhǎng) 這樣兩組網(wǎng)格線可以寫為 x x i j 缸 j h j o 2 f f h f 甩f 玎 o l 2 網(wǎng)格節(jié)點(diǎn) 石 f 簡(jiǎn)記為 如圖3 3 所示 行f 2 f f 0 l 一町 圖3 3 網(wǎng)格圖 對(duì)于無損線 g 和j r 都為零 因此波動(dòng)方程 3 2 式可以簡(jiǎn)化為 蘭 里塑奎蘭堡主蘭堡堡苧 一 f 厶妄 一罷 3 3 1c o 詈一罷 仔4 f 厶纂一窘 p s 1c o 害 一篆 p 將 3 6 代入 3 5 中 得到厶c 0 窘 窘 轉(zhuǎn)慨窘 去等 仔 又因?yàn)樾胁ㄔ诰€路上傳播速度v 告 將其代入 3 7 得到 f 叼v o 氅 v z 氅 3 8 西2 敘2 同理 由 3 3 3 4 消去 可得到籌 v 2 警 3 9 c f 一聊 無損線模型的數(shù)值解問題即轉(zhuǎn)化為求解 3 8 3 9 聯(lián)立的偏微分方程組 對(duì)于 3 8 中的偏微分窘 窘用中心差商來逼近 得到差分格式 型二型 型一v 墮二型 墮 o j 1 0 f 2矗2 對(duì)于 3 9 中的偏微分籌 籌用中心差商來逼近 得到差分格式 型二鴛笪 一 魚二墨 墊 o 3 1 1 f 2 j i l 2 3 3 2 模型的穩(wěn)定性 下面柬討論差分格式 3 1 0 的穩(wěn)定性 可以把波動(dòng)方程 3 8 化為一階對(duì)稱雙曲 型方程組 令 p 詈一v 罷 其憶志 那么有f 魯一v 謇 o l 塑一 至 o l 新 缸 華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 祟 罷 o 3 1 2 西玉 7 她 匕卅 容易驗(yàn)證 3 1 0 式等價(jià)于逼近方程組 3 1 2 的一個(gè)顯式差分格式 3 1 3 1 9 r 型二墮一 盤 二魚 o lf矗 l 啦一 掣 o 3 1 3 i f矗 其中 竺絲 g 二 竺三三蘭蘭 因此只要討論差分格式 3 1 3 的穩(wěn)定性就可以了 根據(jù)文獻(xiàn) 1 9 差分格式 3 1 3 1中 的穩(wěn)定條件為以 l 其中 2 艿亍 a 由于 3 1 0 式等價(jià)于逼近方程組 3 一1 3 l 0 0 以 因此 3 1 0 式的穩(wěn)定條件為以 l 同理可得 3 1 1 式的穩(wěn)定條件也為以 o 當(dāng)口 o 州一 一 4 盟 o 4 j o 晟 型 o 令 麗 志對(duì)式 3 2 3 采用迎風(fēng)格式進(jìn)行離散 得到 差分格式 3 2 5 為有損線方程 3 2 的數(shù)值解計(jì)算格式 它是顯式迭代式 3 2 1 3 2 2 3 2 3 3 2 4 3 2 5 吐 蛉 吆 廄一啡彤一碥 強(qiáng) 眩 喀 正2 爭(zhēng) 塒 爭(zhēng)瞎 叫 i i 礦 華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 3 4 2 模型的穩(wěn)定性 為了保證差分格式 3 2 5 在計(jì)算中的穩(wěn)定性 現(xiàn)討論其穩(wěn)定條件 根據(jù)文獻(xiàn) 1 9 如果印 l 其中五 f j 1 則差分格式 3 2 5 滿足v o n n e 啪a n n 條件 因?yàn)関 o n n e u m a 衄條件是穩(wěn)定的必要條件 所以當(dāng)五p 爿 l 時(shí) 差 分格式 3 2 5 穩(wěn)定 要滿足印 一 1 則a 石茜 又因?yàn)殂莸膬蓚€(gè)特征值分別為 2 了乏i 和五2 了云殺 而y 2 i 南 所以 穩(wěn)定條件為y 2 瓦7 露i 1 計(jì)算時(shí)應(yīng)在滿足穩(wěn)定條件的基礎(chǔ)上選擇時(shí)間步長(zhǎng)和空間步長(zhǎng) 3 4 3 邊界條件 對(duì)于有損傳輸線 始端集中參數(shù)電路模型為 卜 一出 爿 一出 剖 圖3 1 0 有損線始端集中參數(shù)電路 始端電壓 仍然滿足基爾霍夫電壓定律 虬 f e r 啪 f 厶魯出 z f 且 l f f 一r f 對(duì)始端電流應(yīng)用f i 向歐拉公式 9 墮 盥 d t7 代人 3 2 6 式得 e 彳 厶二l 1 i l 一 推出 云阱叫 爭(zhēng)一疋毗w 將 3 2 8 代入 3 2 7 得到 一冠礦 因此 3 2 8 式和 3 2 9 式就是始端邊界條件 對(duì)于不同的負(fù)載 終端邊界條件是不同的 3 2 6 3 2 7 3 2 8 3 2 9 華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 l 線路末端短路的情況 卜出 剖 一凼 刊 圖3 1 l 有損線末端短路的集中參數(shù)電路 電壓的邊界條件 o 電流的邊界條件 2 l 2 線路末端開路的情況 卜 一出 卜 一出 刊 圖3 1 2 有損線術(shù)端開路的集中參數(shù)電路 根據(jù)基爾霍夫電壓定律并采用后向歐拉格式 篙 一蘭絲 貓 一啦 一r t 由終端開路有 r o 因此 3 3 2 式和 3 3 3 式為線路木端開路的終端邊界條件 3 4 4 數(shù)值試驗(yàn) 3 3 0 3 3 1 3 3 2 3 3 3 根據(jù)上述算法 進(jìn)行數(shù)值試驗(yàn) 有損線的算法流程與無損線的算法流程相似 仿真線路全長(zhǎng)為2 0 k m 在f i o 時(shí)刻 在線路首端加一個(gè)脈沖電壓信號(hào) 脈沖 寬度5 微秒 脈沖幅值l o o o o v 脈沖信號(hào)源內(nèi)阻為5 0 0 q 仿真過程中每公里線 路參數(shù)取電感厶 o o o l 3 3 h k m 電容c o 0 0 8 7 6 u f k m 電阻凰 o 4 q l m 電導(dǎo) g n 0 時(shí)間步長(zhǎng)為o 1 微秒 空問步長(zhǎng)為3 0 0 m 通過觀測(cè)線路首端電壓隨時(shí)間變 化的情況來驗(yàn)證該算法的可靠性 1 仿真線路末端為開路的情況 線路首端電壓隨時(shí)間變化的波形如圖3 1 3 所示 圖3 1 3 中 第一個(gè)上升波頭為注入的脈沖信號(hào) 第二個(gè)上升波頭為末端開路 華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 反射波 圖中 兩個(gè)波頭到達(dá)線路首端的時(shí)問差約為1 3 6 微秒 根據(jù)c 型行波法計(jì) 算距離公式x v 4 f 一0 2 已知仿真線路總長(zhǎng)為2 0 k m 因此可計(jì)算出對(duì)應(yīng)的 行波波速約為2 9 4 1m 加 u n 圖3 1 3 有損線仿真 線路末端開路 與2 0 0 6 年6 月2 5 日的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)波形進(jìn)行比較 試驗(yàn)線路為單根線 全長(zhǎng)3 5 k m 如圖3 1 4 所示為單根線線路末端開路的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)波形 從圖3 1 3 和圖3 1 4 的比較 中可見 仿真結(jié)果與實(shí)際波形較為相似 圖3 1 4 中 第一個(gè)上升波頭為注入的脈沖 信號(hào) 第二個(gè)上升波頭為末端開路反射波 兩個(gè)波頭到達(dá)線路首端的時(shí)間差約為2 4 微秒 已知線路全長(zhǎng)為3 5 k m 因此可計(jì)算出對(duì)應(yīng)的行波波速約為2 9 1 7 m 臚 這 個(gè)結(jié)果與通過仿真計(jì)算得到的行波波速較為接近 t l w 圖3 1 4 有損單根線現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)波形 線路末端開路 2 仿真線路末端為短路的情況 線路首端電壓隨時(shí)問變化的波形如圖3 1 5 所示 圖3 1 5 中 上升波頭為注入的脈沖信號(hào) 下降波頭為末端短路反射波 兩個(gè) 波頭到達(dá)線路首端的時(shí)間差約為1 3 6 微秒 根據(jù)c 型行波法計(jì)算距離公式 x v 0 一f 2 已知仿真線路總長(zhǎng)為2 0 k m 因此可計(jì)算出對(duì)應(yīng)的行波波速約 華北電力大學(xué)碩十學(xué)位論文 為2 9 4 1m 餾 圖3 1 5 有損線仿真 線路末端短路 與2 0 0 6 年6 月2 5 日的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)波形進(jìn)行比較 如圖3 1 6 所示為單根線線路末 端短路的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)波形 從圖3 1 5 和圖3 1 6 的比較中可見 仿真結(jié)果與實(shí)際波形 較為相似 圖3 1 6 中 上升波頭為注入的脈沖信號(hào) 下降波頭為術(shù)端短路反射波 兩個(gè)波頭到達(dá)線路首端的時(shí)間差約為2 4 微秒 已知線路全長(zhǎng)為3 5 k m 可計(jì)算出對(duì) 應(yīng)的行波波速約為2 9 1 7 m 坤 這個(gè)結(jié)果與通過仿真計(jì)算得到的行波波速較為接近 t l m 3 5 小結(jié) 圖3 1 6 有損單根線現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)波形 線路未端短路 本章采用了偏微分方程的數(shù)值解法 分別建立了無損線模型和有損線模型的離 散格式 并分析了離散格式的穩(wěn)定性 確定了不同情況下的邊界條件 最后進(jìn)行了 數(shù)值試驗(yàn) 得到了以下結(jié)論 l 對(duì)于無損線 離散化過程使用了解決偏微分方程非常經(jīng)典的顯式格式 對(duì) 線路末端為開路和短路情況分別進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算 得到的數(shù)值結(jié)果和理論分析結(jié)果 華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 較為吻合 2 對(duì)于有損線 離散模型時(shí)先要把波動(dòng)方程處理為向量形式 再利用迎風(fēng)格 式進(jìn)行離散 對(duì)線路末端為開路和短路情況分別進(jìn)行數(shù)值計(jì)算 仿真結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)試 驗(yàn)波形較為接近 為了進(jìn)一步完善行波故障定位數(shù)學(xué)模型 需要在單根線的基礎(chǔ)上增加線路分支 使之更接近實(shí)際配電網(wǎng) 可考慮在本章建立的無損線模型和有損線模型的離散格式 的基礎(chǔ)上 改變邊界條件來實(shí)現(xiàn) 華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 第四章行波故障定位信息辨識(shí)處理技術(shù)的研究 對(duì)于行波定位法 如何從采集到的行波信號(hào)中辨識(shí)故障點(diǎn)的信息是非常關(guān)鍵 的 由于配電網(wǎng)帶有分支 故障點(diǎn)的信息就包含了故障點(diǎn)與測(cè)量點(diǎn)之間的距離 故 障點(diǎn)所在線路的區(qū)段 線路上存在著電磁干擾 而且為了能夠捕捉行波波頭來準(zhǔn)確地判斷行波波頭的 到達(dá)時(shí)刻 對(duì)行波信號(hào)的采樣率往往取得較高 而高采樣頻率容易受到各種噪聲影 響 有效去除噪聲干擾 是提取有用行波信號(hào)的第一步 本章從這兩方面入手 提出了行波故障定位信息辨識(shí)處理方法 并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn) 數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析處理 4 1 行波故障定位信息辨識(shí)的關(guān)鍵問題 4 1 1 確定故障距離 要得到故障點(diǎn)的信息 需要比較線路正常時(shí)的行波波形與線路故障時(shí)的行波波 形 但當(dāng)發(fā)生實(shí)際故障時(shí) 線路正常時(shí)的行波波形難以得到 近似認(rèn)為三相線路的 參數(shù)相同 在迸j 亍c 型行波定位時(shí) 分別在三相的線路首端注入脈沖信號(hào) 并采集線 路首端的行波信號(hào) 比較三個(gè)信號(hào) 與另兩個(gè)信號(hào)明顯不同的信號(hào) 即為故障相的信號(hào) 由此可區(qū)分出故障相和j 下常相 由于三相線路參數(shù)近似相同 可將采集到j(luò) 下常相的行 波信號(hào)作為故障相在線路正常時(shí)的行波信號(hào) 線路參數(shù)隨頻率變化 行波信號(hào)中不同頻率成分的運(yùn)動(dòng)速度不同 行波波速對(duì) 定位精度有直接的影響 從理論上來說 行波波速v 可以根據(jù)v 1 厶c 0 計(jì)算得到 但配電線路單位長(zhǎng)度的電感值厶和電容值c 0 并不是定值 因此 我們考慮通過分析 采集到的正常相行波數(shù)據(jù) 來確定行波在線路上的傳播速度 由于某些配電線路沒有分支點(diǎn) 如某些3 5 k v 線路 為了全面考慮 因此根據(jù) 線路結(jié)構(gòu) 按照線路有分支點(diǎn)與無分支點(diǎn)兩種情況來確定行波在線路上的傳播速 度 當(dāng)線路無分支點(diǎn)時(shí) 首先尋找發(fā)脈沖時(shí)刻f 再尋找線路正常時(shí)末端開路的特 征波到達(dá)線路首端的時(shí)刻f 己知線路總長(zhǎng) 根據(jù)石 v f 一f 2 即可得到當(dāng) 前波速v 當(dāng)線路有分支點(diǎn)時(shí) 首先尋找發(fā)脈沖時(shí)刻f 尋找線路分支節(jié)點(diǎn)的反射 波到達(dá)線路首端的時(shí)刻f 已知線路分支點(diǎn)與首端的距離x 根據(jù) x v f 一f 2 即可得到當(dāng)前波速v 計(jì)算行波波速的流程圖如圖4 1 所示 華北電力人學(xué)碩士學(xué)位論文 圖4 1 計(jì)算行波波速流程圖 在得到當(dāng)前行波波速的基礎(chǔ)上 比較正常相的行波信號(hào)和故障相的行波信號(hào)來 計(jì)算故障距離 從故障相行波信號(hào)中 找出故障特征波對(duì)應(yīng)的時(shí)刻f 因?yàn)樵谝淮?試驗(yàn)中 采集設(shè)備的觸發(fā)電平都設(shè)為一致 所以對(duì)于故障相行波信號(hào)的發(fā)脈沖時(shí)刻 也為 p 根據(jù)x f v f f f p 2 式得到故障距離 算例詳見4 4 節(jié)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析 4 1 2 確定故障點(diǎn)所在區(qū)段 在2 2 4 節(jié)中提到 將波阻抗不連續(xù)點(diǎn)產(chǎn)生的第一個(gè)到達(dá)線路首端的反射波稱 為該點(diǎn)的特征波 在確定故障距離的基礎(chǔ)上 通過分析特征波確定故障點(diǎn)所在區(qū)段 后 即可準(zhǔn)確定位故障所在位置 如果能檢測(cè)到某分支端點(diǎn)的特征波 就可以確定 故障點(diǎn)在該分支點(diǎn)的下方區(qū)段 如果檢測(cè)不到某分支端點(diǎn)的特征波 就可以確定故 障點(diǎn)在該分支點(diǎn)的上方區(qū)段 對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的配電線路 由于其分支非常多 行波發(fā)生了多次透射和反射過 程 透射波和反射波與原有信號(hào)疊加 此時(shí)通過分析特征波較難判斷故障區(qū)段 此 時(shí)可通過s 注入法來確定故障點(diǎn)的確切位置 在c 型行波法計(jì)算出故障距離后 劃 定滿足故障距離的幾個(gè)點(diǎn) 通過s 信號(hào)檢測(cè)器對(duì)這幾個(gè)點(diǎn)附近線路的檢測(cè) 找出真 故障點(diǎn) 以線路有一個(gè)分支點(diǎn)為例 說明確定故障點(diǎn)所在區(qū)段的流程 流程圖如圖4 2 所示 3 0 華北電力大學(xué)碩十學(xué)位論文 圖4 2 確定故障點(diǎn)所在區(qū)段流程圖 算例詳見4 4 節(jié)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析 4 2 利用小波變換對(duì)行波信號(hào)進(jìn)行消噪處理 行波定位法對(duì)行波信號(hào)的采樣率往往取得較高 高采樣頻率容易受到各種噪聲 影響 使定位的準(zhǔn)確性降低 有效去除噪聲干擾 是提取有用行波信號(hào)的第一步 小波變換近年來在電力系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用 2 0 1 因此 考慮運(yùn)用小波分析處理 行波信號(hào) 以消除噪聲的影響 2 舶 4 2 1 小波變換的基本概念 小波分析是2 0 世紀(jì)數(shù)學(xué)研究成果中最杰出的代表之一 由于它在理論上的完 美性和應(yīng)用上的廣泛性 受到了科學(xué)界和工程界的高度重視 并很快在眾多學(xué)科領(lǐng) 域中取得了重大進(jìn)展 小波分析屬于時(shí)頻分析的一種 傳統(tǒng)的信號(hào)分析是建立在傅罩葉變換的基礎(chǔ)之 上的 由于傅里葉分析使用的是一種全局的變換 要么完全在時(shí)域 要么完全在頻 華北電力大學(xué)碩十學(xué)位論文 域 因此無法表述信號(hào)的時(shí)頻局域性質(zhì) 而這種性質(zhì)恰恰是非平穩(wěn)信號(hào)最根本和最 關(guān)鍵的性質(zhì) 為了分析和處理非平穩(wěn)信號(hào) 人們對(duì)傅里葉分析進(jìn)行了推廣乃至根本 性的革命 提出并發(fā)展了一系列新的信號(hào)分析理論 短時(shí)傅里葉變換 g a b o r 變換 時(shí)頻分析 小波變換 r a n d o i r w i g i l e r 變換等 小波變換是一種信號(hào)的時(shí)間一尺度 時(shí)間一頻率 分析方法 它具有多分辨率 分析 m u l t i r e s o l u t i o na n a l y s i s 的特點(diǎn) 而且在時(shí)域和頻域都具有表征信號(hào)局部特 征的能力 是一種窗口大小固定不變但其形狀可改變 時(shí)間窗和頻率窗都可以改變 的時(shí)頻局部化分析方法 2 3 1 即在低頻部分具有較高的頻率分辨率和較低的時(shí)間分辨 率 在高頻部分具有較高的時(shí)間分辨率和較低的頻率分辨率 很適合于探測(cè)正常信 號(hào)中央帶的瞬態(tài)反?,F(xiàn)象并展示其成分 所以被譽(yù)為分析信號(hào)的顯微鏡 利用連續(xù) 小波變換進(jìn)行動(dòng)態(tài)系統(tǒng)故障檢測(cè)與診斷具有良好的效果 2 小波分析優(yōu)于傅里葉變換的地方是 它在時(shí)域和頻域同時(shí)具有良好的局部化性 質(zhì) 2 5 1 設(shè)y f r r r r 表示平方可積的實(shí)數(shù)空間 即能量有限的信號(hào)空間 其傅里葉變換為驢 當(dāng)?shù)V 國(guó) 滿足允許條件 a d m i s s i b l e c o n d i t i o n c 產(chǎn)f 慳 墮白 肅 i m l 時(shí) 我們稱y f 為一個(gè)基本小波或母小波 m o t h e r w a v e l e t 將母函數(shù) f 經(jīng)伸縮和 平移后 就可以得到一個(gè)小波序列 4 2 2 小波基的選擇 與標(biāo)準(zhǔn)傅罩葉變換相比 小波分析中所用到的小波函數(shù)具有不唯一性 即小波 函數(shù)妒 工 具有多樣性 小波分析在工程應(yīng)用中 一個(gè)十分重要的問題是最優(yōu)小波基 的選擇問題 這是因?yàn)橛貌煌男〔ɑ治鐾粋€(gè)問題會(huì)產(chǎn)生不同的結(jié)果 目 j i 主 要是通過用小波分析方法處理信號(hào)的結(jié)果與理論結(jié)果的誤差來判定小波基的好壞 并由此選定小波基 小波基函數(shù)具有以下幾個(gè)主要特征 緊支性 消失矩 正則性和對(duì)稱性等 2 如果尺度函數(shù)和小波函數(shù)只在有限區(qū)間非零 稱小波函數(shù)具有緊支性 緊支性是小 波函數(shù)的重要性質(zhì) 緊支小波不需要做人為的截?cái)?應(yīng)用精度很高 如果小波函數(shù) 有n 階消失矩 則可突出信號(hào)的高階起伏和n 階以上高階導(dǎo)數(shù)中可能存在的奇異點(diǎn) 下則性表現(xiàn)為小波基的可微性 小波的每一種特性在處理問題中都發(fā)揮著特有的作用 但是這些特性之間又是 存在矛盾的 事實(shí)上構(gòu)造一個(gè)既具有正交性 又具有緊支集 平滑性甚至對(duì)稱性的 小波函數(shù)是難以做到的 d a u b i c h i e s 首先證明了 當(dāng)由一個(gè)多分辨率分析所決定的 尺度函數(shù)和小波函數(shù)都是實(shí)函數(shù)且都有緊支集時(shí) 小波函數(shù)和尺度函數(shù)都不再具備 對(duì)稱性或反對(duì)稱性 其次 緊支集小波的光滑性也較差 如上所述 光滑性與頻域 華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 局部性是一致的 而海森堡測(cè)不準(zhǔn)原理說明 頻域局部性變好 必然要增大時(shí)域支 集的長(zhǎng)度 對(duì)于正交小波 光滑性與衰減性也是一對(duì)矛盾的特性 一個(gè)無窮階光滑 并具有指數(shù)衰減的j 下交小波是不存在的 分析行波定位數(shù)據(jù)時(shí)需要選擇對(duì)稱小波 減少不同尺度下的時(shí)移 從而保證暫 態(tài)定位的準(zhǔn)確性 而緊支小波不需要做人為的截?cái)?應(yīng)用精度很高 因此本文選用 h a a r 小波 即d b l 小波 作為小波基進(jìn)行行波信號(hào)的分析處理 h a a r 函數(shù)是具有緊 支性 對(duì)稱性 正交性和消失矩為l 的小波函數(shù) h a a r 函數(shù)的定義為 廣1 o 石 1 2 y h 一1 l 2 x 1 l o其他 2 l o 1 2 圖4 3 h a i r 小波函數(shù) 4 2 3 對(duì)行波信號(hào)進(jìn)行消噪處理 運(yùn)用小波分析進(jìn)行一維信號(hào)消噪處理是小波分析的重要應(yīng)用之一 下面將其消 噪的基本原理作一個(gè)簡(jiǎn)要的說明 一個(gè)含噪聲的一維信號(hào)的模型可以表示成如下的 形式 s f 廠 f 盯 p f 4 1 其中 f 為真實(shí)信號(hào) e f 為噪聲 j f 為含噪聲的信號(hào) 在這罩 以一個(gè)最 簡(jiǎn)單的噪聲模型加以說明 即認(rèn)為p j 為高斯白噪聲 o 1 噪聲級(jí) n o i s el e v e l 為1 對(duì)信號(hào)j f 消噪的目的就是要抑制信號(hào)中的噪聲部分 從而在s f 中恢復(fù)出真 實(shí)信號(hào)廠 f 一般說來 一維信號(hào)的消噪過程可分為三個(gè)步驟進(jìn)行 1 一維信號(hào)的小波分解 選擇一個(gè)小波函數(shù)并確定小波分解的層次n 然后對(duì)信 號(hào)s f 進(jìn)行n 層小波分解 2 小波分解高頻系數(shù)的閾值量化 對(duì)第1 到第n 層的每一層高頻系數(shù) 選擇一個(gè) 閾值進(jìn)行閾值量化處理 3 一維小波的重構(gòu) 根據(jù)小波分解的第n 層的低頻系數(shù)和經(jīng)過量化處理后的第l 層到第n 層的高頻系數(shù) 進(jìn)行一維信號(hào)的小波重構(gòu) 其中 如何選取閨值和如何進(jìn)行閡值的量化 直接關(guān)系到信號(hào)消噪的質(zhì)量 給 華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 定一個(gè)閾值j 所有絕對(duì)值小于某個(gè)閾值萬的小波系數(shù)被看成 噪聲 它們的值用 零代替 而超過閾值的小波系數(shù)的數(shù)值用閾值艿縮減后再重新取值 根據(jù)信號(hào)小波 分界的這個(gè)特點(diǎn) 對(duì)信號(hào)的小波系數(shù)設(shè)置一個(gè)閾值 大于它的認(rèn)為屬于第二類系數(shù) 可以簡(jiǎn)單保留或進(jìn)行后續(xù)操作 而小于閾值的則去掉 這樣達(dá)到了降低噪聲的目的 同時(shí)保留了大部分信號(hào)的小波系數(shù) 因此可以較好的保持信號(hào)細(xì)節(jié) 目前常用的有 軟閾值化算法和硬閾值化算法1 2 7 2 8 1 軟閾值化算法用數(shù)學(xué)式表魏 器篇 l 判引副 4 2 其中形表示原始信號(hào)的小波系數(shù) 職表示閾值化后的小波系數(shù) 硬閾值化算法用數(shù)學(xué)式表魏 瞄蜀譬 4 3 本文采用h a a r 小波進(jìn)行9 層分解 并采用軟閡值化算法對(duì)行波信號(hào)進(jìn)行消噪處 理 圖4 4 是根據(jù)小波變換對(duì)某次試驗(yàn)采集到的行波數(shù)據(jù)進(jìn)行消噪的效果 從圖4 4 中可以看出 消噪效果較好 圖4 4 某次現(xiàn)場(chǎng)行波信弓的消噪效果 華北電力大學(xué)碩十學(xué)位論文 4 3 行波故障定位信息辨識(shí)處理方法 綜上所述 形成了完整的配電網(wǎng)行波故障定位信息辨識(shí)處理方法 進(jìn)行c 型行 波定位時(shí) 分別在三相的線路首端注入脈沖信號(hào) 并采集線路首端的行波信號(hào) 按照 下列步驟分析行波數(shù)據(jù) 1 對(duì)采集到的三相行波數(shù)據(jù)分別進(jìn)行小波消噪處理 比較三個(gè)信號(hào) 與另兩個(gè)信號(hào) 不同的信號(hào) 即為故障相的信號(hào) 由此可區(qū)分出故障相和正常相 2 分析正常相波形得到當(dāng)前行波波速 3 由于三相線路參數(shù)近似相同 可將采集到正常相的行波信號(hào)作為故障相在線路 正常時(shí)的行波信號(hào) 比較正常相波形與故障相波形 找出故障特征波 計(jì)算故 障距離 4 分析特征波確定故障所在區(qū)段 5 結(jié)合步驟3 和步驟4 的結(jié)果即可確定故障點(diǎn)位置 如果線路結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜 可 在計(jì)算出故障距離的基礎(chǔ)上 劃定滿足故障距離的幾個(gè)點(diǎn) 通過s 注入法來確 定故障點(diǎn)的確切位置 根據(jù)上述方法 對(duì)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算 本文列舉其中的兩次試驗(yàn) 對(duì) 其數(shù)據(jù)分析過程進(jìn)行詳細(xì)介紹 4 4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析 4 4 1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)1 數(shù)據(jù)分析 2 0 0 6 年1 月1 9 日 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)線路為3 5 k v 線路 總長(zhǎng)7 8 k m 在7 5 k m 處有一 個(gè)長(zhǎng)為1 0 0 米的分支 在線路首端m 點(diǎn)采用脈沖信號(hào)發(fā)生器離線注入脈沖電壓信號(hào) 注入脈沖幅值為3 0 0 v 脈沖寬度為1 2 微秒 在m 點(diǎn)采集線路正常時(shí)的行波信 號(hào) 4 點(diǎn)金屬性單相接地故障的行波信號(hào) 數(shù)據(jù)采樣率為5 0 mh z 彳點(diǎn)與m 點(diǎn)之 間的距離為3 5 5 0 米 具體試驗(yàn)線路如圖4 5 所示 mn 圖4 5 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)l 線路示意圖 采集得到的線路正常時(shí)的行波波形及其消噪后的波形 如圖4 6 所示 華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 圖4 6 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)l 線路正常時(shí)的行波信號(hào) 如圖4 6 b 所示 為所發(fā)的高壓脈沖 為分支點(diǎn)特征波 為線路末端 端點(diǎn)特征波 因此可以找出發(fā)脈沖時(shí)刻f 為6 1 伊 分支點(diǎn)特征波到達(dá)線路首端的時(shí) 刻 為1 1 2 由于分支點(diǎn)與線路首端距離j 口為7 5 0 0 米 根據(jù)x v 0 2 得到當(dāng)前波速為2 9 4 1 m 腳 利用小波消噪原理對(duì)線路一點(diǎn)故障的波形進(jìn)行消噪 如圖4 7 所示 華北電力大學(xué)碩十學(xué)位論文 圖4 7 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)1 線路彳點(diǎn)故障 消噪后 如圖4 7 所示 為所發(fā)的高壓脈沖 驕l 為彳點(diǎn)故障特征波 比較正常時(shí)的 行波波形與4 點(diǎn)故障時(shí)的行波波形 可以找出故障特征波到達(dá)線路首端的時(shí)刻f 為 8 6 心 根據(jù)x v f 一0 2 得到故障距離為3 6 7 6 米 實(shí)際故障距離為3 5 5 0 米 定位絕對(duì)誤差為1 2 6 米 相對(duì)誤差為3 5 6 由于不能檢測(cè)到分支點(diǎn)特征波 因此可以判斷4 點(diǎn)故障在分支點(diǎn)與線路首端之 問的區(qū)段 結(jié)合故障距離與故障點(diǎn)所在區(qū)段 即可確定故障點(diǎn)位置 4 4 2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)2 數(shù)據(jù)分析 2 0 0 6 年8 月2 3 日 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)線路為3 5 k v 線路 刪 枷是同桿雙回線 刪 段和枷段長(zhǎng)度相同 均為5 9 2 0 m m c 段長(zhǎng)2 3 6 9 m 變電站至肘點(diǎn)之間線路長(zhǎng) 5 2 7 1 m 在變電站站內(nèi)采用高壓信號(hào)發(fā)生器發(fā)出脈沖信號(hào) 脈沖寬度為1 2 微秒 幅 值l o k v 為了避免采集設(shè)備被高壓損壞 接入采集設(shè)備的信號(hào)經(jīng)過了分壓處理 分別在線路上設(shè)置7 點(diǎn)進(jìn)行金屬性接地試驗(yàn) 在變電站內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集 采樣率為 5 0 mh z 具體試驗(yàn)線路圖如圖4 8 所示 c 圖4 8 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)2 線路圖 3 7 華北電力大學(xué)碩十學(xué)位論文 采集得到的線路正常時(shí)的行波波形及其消噪后的波形 如圖4 9 u n b 消噪后 圖4 9 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)2 線路正常時(shí)的行波信號(hào) 圖4 9 b 中 啊為所發(fā)的脈沖信號(hào) 為分支點(diǎn)m 的特征波 為分支線路 肘c 的端點(diǎn)c 點(diǎn)的特征波 為分支線路肘b 的端點(diǎn)b 點(diǎn)和刪的端點(diǎn)爿的特征波 比礬靠前是因?yàn)橹鈉 線路長(zhǎng)度比枷線路長(zhǎng)度短 反射波較早到達(dá)檢測(cè)端 的幅值高于職是因?yàn)閯h和枷是同桿雙回線 其反射波同時(shí)到達(dá)檢測(cè)端 疊加在 一起 因此礬的幅值較高 因此可以找出發(fā)脈沖時(shí)刻f 為2 1 坤 分支點(diǎn)特征波到 達(dá)線路首端的時(shí)刻f 為5 8 聲 由于分支點(diǎn)與線路首端距離x 為5 2 7 l 米 根據(jù) 工口 v f 一f 2 得到當(dāng)前波速為2 8 4 9 m 膨 利用小波消噪原理對(duì)線路各點(diǎn)故障的波形分別進(jìn)行消噪 分析消噪后的行波信 號(hào) 找出故障特征波 計(jì)算故障距離并確定故障區(qū)段 現(xiàn)列舉其中的第l 點(diǎn) 第2 點(diǎn) 第4 點(diǎn)故障進(jìn)行說明 華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 圖4 1 0 第l 點(diǎn)故障 比較正常時(shí)的行波波形圖4 9 b 與第1 點(diǎn)故障時(shí)的行波波形圖4 1 0 驕i 是第l 點(diǎn)的故障特征波 可以找出故障特征波到達(dá)線路首端的時(shí)刻為3 6 腳 根據(jù) x v f 一f 2 得到故障距離為2 1 3 6 米 實(shí)際故障距離為2 1 1 5 米 定位絕對(duì)誤 差為2 1 米 相對(duì)誤差為1 0 3 圖4 1 0 與圖4 9 b 的區(qū)別在于 沒有 暇 而多了驕t 可見故障點(diǎn)1 是在分支m 點(diǎn)前的主干線路上 t l 吣 圖4 1 1 第2 點(diǎn)故障 比較j 下常時(shí)的行波波形圖4 9 b 與第2 點(diǎn)故障時(shí)的行波波形圖4 1 1 坼2 是第2 點(diǎn)的故障特征波 可以找出故障特征波到達(dá)線路首端的時(shí)刻為4 8 墻 根據(jù) x v f p f 2 得到故障距離為3 8 4 6 米 實(shí)際故障距離為3 8 7 9 米 定位絕對(duì)誤 差為 3 3 米 相對(duì)誤差為o 8 5 圖4 1 1 與圖4 1 0 相似 但坼2 位置比驕l 靠后 可見故障點(diǎn)2 仍是在分支肘點(diǎn)i i i 的主干線路上 但故障點(diǎn)2 與檢測(cè)端的距離大于故 障點(diǎn)1 與檢測(cè)端的距離 華北電力大學(xué)碩十學(xué)位論文 圖4 1 2 第4 點(diǎn)故障 比較正常時(shí)的行波波形圖4 9 b 與第4 點(diǎn)故障時(shí)的行波波形圖4 1 2 坼4 是第4 點(diǎn)的故障特征波 可以找出故障特征波到達(dá)線路首端的時(shí)刻為6 8 根據(jù) x v f 一f 2 得到故障距離為6 6 9 5 米 實(shí)際故障距離為6 8 7 0 米 定位絕對(duì)誤 差為 1 7 5 米 相對(duì)誤差為2 5 5 圖4 1 2 與圖4 9 b 的區(qū)別在于 沒有 而多了 所4 可見故障點(diǎn)4 在分支m 上 其余各點(diǎn)故障的分析與上述過程類似 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)2 故障定位結(jié)果如表4 1 所示 表4 1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)2 故障定位結(jié)果 4 5 小結(jié) 試 實(shí)際距離計(jì)算結(jié)果絕對(duì)誤差相對(duì)誤差 驗(yàn) 米 米 米 序 號(hào) l2 1 1 52 1 3 62 l1 0 3 23 8 7 93 8 4 6 3 30 8 5 3 5 2 9 l 5 3 0 l l o o 1 9 46 8 7 06 6 9 5 1 7 52 5 5 57 6 4 07 6 1 8 2 20 2 9 68 0 7 08 1 8 81 1 81 4 6 7l l l 9 11 1 1 l o 8 l o 7 2 本章對(duì)c 型行波數(shù)據(jù)

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