電力系統(tǒng)輸電線路故障測距研究方法

1、電力系統(tǒng)輸電線路故障測距方法研究摘要：本文首先全面地介紹了故障測距在國內外發(fā)展歷程和研究現狀。根據各測距算法采用的原理不同，將現有的各種測距算法分為行波法、阻抗法、故障分析法以及智能法，然后逐類對各種算法的理論基礎和應用條件上進行了分析、對比和討論，并在此基礎上總結得出了各測距算法的優(yōu)點及存在的問題，指出了每種測距算法的適用范圍和應用局限性。 其次設計了一套高壓輸電線路新型故障測距裝置，該測距裝置采用專門設計的高速采樣單元捕獲暫態(tài)電流行波信號，采用全球定位系統(tǒng)GPS為線路兩端提供精度高達1 s的統(tǒng)一時標,從而可實現高精度的雙端行波法測距。為了驗證本論文提出的故障定位方法的可行性，通過分析研究，

2、其結果說明本系統(tǒng)的實驗方案確實可行。理論和仿真結果表明，本文所作的工作提高了行波故障測距在不同線路結果情況下的適應性、精度和可靠性。關鍵詞：輸電線路；故障測距；電力系統(tǒng)；行波；全球定位系統(tǒng)(GPS)Research about the measure of faultlocation in power system transmission lineAbstract：The development and general situation of the research in this field in China and in other countries is introduced i

3、n this paper. All the existing algorithms can be classified into 4 main methods those are traveling wave location, impedance location, fault analysis location and Intelligence location .Then the principle and application condition of each algorithm are presented and discussed. Based on the analysis

4、and comparison of each algorithm, the corresponding merits and application limitation are concluded.In this article, a new design scheme of the fault locator for HV transmission lines is presented. By using high-speed data acquisitioning unit designed specially to capture traveling waves of transien

5、t current, using Global Positioning System (GPS) to supply high precise time tagging for both ends and using wavelet transform theories to identify the head of the traveling waves, the fault locator can realize high precise double-ended traveling waves location. At the same time, using two-terminal

6、voltages and currents sampled by the medium-speed sampling and processing unit synchronized by the Pulse Per Second (1PPS) of GPS, can realize accurate double ended steady state location.In order to verifying the feasibility of the fault location method, which is presented in this thesis, the experi

7、ment is performed based on the locale condition. The result shows that the experimental scheme of this thesis is feasible. The analysis and simulation results indicate that the studies in this dissertation can improve the accuracy, reliability and adaptability of traveling wave fault location.Keywor

8、ds: power transmission line; Traveling wave; power system；Global Positioning System (GPS) ；fault location第1章 緒 論1.1 引言電能作為潔凈的二次能源，在當代社會的能源比重原來越發(fā)揮著它不可替代的作用。電力行業(yè)是國民經濟的支柱產業(yè)，優(yōu)質可靠的電力供應是現代化社會持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展的重要保證。因此，保證電力系統(tǒng)運行的安全性，可靠性，快速性等至關重要。而輸電線路負擔著傳送電能的重要任務，是電力系統(tǒng)的經濟命脈，其故障直接威脅到電力系統(tǒng)的安全運行，同時也是電力系統(tǒng)中發(fā)生故障最多的地方。1.2 輸電線路

9、的背景和意義隨著我國電力行業(yè)的飛速崛起，現代電力系統(tǒng)結構的日益復雜，輸電線路的輸送容量和電壓等級不斷提高，遠距離輸電線路日益增多，輸電線路故障對電力系統(tǒng)運行，工農業(yè)生產和人民日常生活的危害也與日俱增。所以，及時排除輸電線路故障并及時排除各種隱患，不僅對修復電路和保證持續(xù)可靠供電，而且對保證整個電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定和經濟運行都有是有十分重要的意義1。電力系統(tǒng)輸電線路上經常發(fā)生各種短路故障，在故障點有些故障比較明顯，容易辨別，有些故障則難以發(fā)覺，如在中性點不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，由于接地電流小，所以在故障點造成的損害小，當保護切除這一故障后，故障點有時很難查找，但這一故障點由于絕緣已經發(fā)生變化

10、，相對整個線路來講比較薄弱，很可能就是下次故障的發(fā)生地，因此，仍然需要盡快找到其位置。其次，輸電線路穿越的地形復雜，氣候惡劣，特別是遠距離輸電線路，難免要穿越山區(qū)，沙漠這些人跡罕至的偏僻地帶，交通十分不便。再者，多數故障往往發(fā)生在風雪，雷雨等較為惡劣的天氣中發(fā)生。另外，我國電力系統(tǒng)的巡線裝備簡陋，使得故障測距的準確度，對故障巡線工作起了關鍵性的作用2。概況起來，輸電線路故障測距的意義主要包括以下幾個方面：（1）對于永久性故障，準確的故障測距結果能夠幫助巡線人員快速查找故障點，及時排除故障，快速恢復供電，提高供電可靠性和連續(xù)性，減少停電帶來的巨大經濟損失和巡線所耗費的大量人力、財力、物力。（2）

11、對于瞬時性故障，準確的故障測距有助于分析故障原因，發(fā)現絕緣隱患，從而采取積極的預防措施，避免形成永久故障，節(jié)約檢修時間和費用。（3）如果故障測距算法精度高，運算量小，那么故障測距本身就可以作為距離保護的元件，從而對提高保護性能、保證系統(tǒng)安全運行有重要的意義。1.3 輸電線路故障測距研究的發(fā)展和現狀1.3.1 故障測距的發(fā)展和分類長期以來，輸電線路故障測距的研究一直受到學術界和電力工業(yè)部門的重視。早在1955年前，經統(tǒng)計有關故障測距的文獻就有120多篇。在五十年代中后期，人民就開始了利用行波對架空線路的故障測距研究。六十年代的中期，人們對多傳輸的行波傳輸規(guī)律有了較為深刻的認識，加上電子技術的發(fā)展

12、，進一步促進了行波測距的發(fā)展。七十年代以來，隨著計算機技術在電力系統(tǒng)的應用，尤其是微機保護和故障錄波裝置的開發(fā)和運用，加速了故障測距技術的實用化的進程。于此同時，故障測距算法也得到了較快的發(fā)展。1979年M.T.Sant和Y.G.Paithanka首次提出了利用一端電壓和電流的適用于單端電源系統(tǒng)的故障定位方法。1982年Takagi和1983年A.Wisznicwski先后提出利用故障前后的電氣量，將電力網絡分解成正常狀態(tài)網絡和故障分量網絡，考慮負荷電流的影響，并且求取故障分量電流分布系數解決兩側系統(tǒng)阻抗的影響。1985年L.Eriksson考慮了系統(tǒng)的運行方式變化的影響，提出了遠端饋入補償算

13、法，應用解二次方程的方法求解故障距離。1988年Sachdev和Agaral提出了最早的雙端測距思想。國內從八十年代也開始了故障測距的研究。利用暫態(tài)行波對輸電線路的故障測距進行了深入的研究，促進了行波測距的應用和發(fā)展。對另外對單端故障測距進行了系統(tǒng)的研究，對雙端測距、T型線路、直配線路等進行了全面的研究。故障測距又稱故障定位，對于輸電線路來說，是指在線路發(fā)生故障后，根據不同的故障特征，迅速準確地測定出故障點的位置?，F有的故障測距算法按其工作原理可以分為行波法、阻抗法、故障分析法、智能化測距法。由于阻抗法和故障分析法本質上沒有區(qū)別，都是分析短路后的故障特征量，利用短路計算的逆運算求解故障距離。因

14、此把阻抗法和故障分析法統(tǒng)稱為故障分析法。1.3.1.1 行波法行波法是根據行波理論現實的測距方法，始于上個世紀五十年代，隨著六十年代多傳輸線的行波傳播規(guī)律的更為深入的研究和計算機技術的應用，行波測距的理論和技術得到了長足的發(fā)展，行波測距的裝置現已廣泛應用于電力系統(tǒng)。行波測距方案可分為A、B、C三類。A型測距原理是根據測量點到故障點往返一次的時間和行波波速確定故障點的距離。這個測距裝置比較簡單，只能裝置在一端，不要求和線路對側進行通信聯(lián)系。不受過渡電阻影響，可以達到較高的精度。但是，A型測距要求記錄行波波形，而故障暫態(tài)信號只持續(xù)很多的時間，為保證有足夠的精度，應采用足夠高的采樣率，因此A型行波測

15、距對硬件要求比較高。B型測距是根據故障點產生的行波到達線路兩端的時間并借助于專用通道的通信聯(lián)系實現測距的。由于這種測距裝備利用的是故障點產生的行波第一次到達兩端的信息，因此不受故障點投射波的影響，實現起來困難較小。但是B型測距對通道有高要求，使得投資巨大，目前難以在國內廣泛采用。C型測距裝置是故障發(fā)生后由裝置發(fā)射高壓高頻或直流脈沖，根據高頻脈沖由裝置到故障點往返時間進行測距。這個裝置的工作原理和雷達相同，只是行波沿電力線路傳播而已。對于瞬時性故障，C型測距靠人為施加雷達信號往往測不到故障。另外，高壓脈沖信號發(fā)生器造價昂貴。由于通道技術條件的限制，高壓脈沖信號強度不能太高，故障點反射脈沖往往很難

16、與干擾相區(qū)別，種種因素都限制了C型測距的發(fā)展。1.3.1.2 故障分析法故障分析法依據電壓電流的測量值，通過故障分析根據各種特征構造各種原理（如阻抗與距離成正比，用兩端數據計算到的故障點電壓相等，過渡電阻的純阻性等）的測距方程，進行故障測距。事實上，在線路參數已知的情況下，輸電線路某處發(fā)生故障時，線路兩端的電壓電流均為故障距離的函數，其實質是短路電流的逆運算。故障分析法由于簡單易行，對設備要求較低，投資小，獲得了廣泛的運用。早起的故障分析方法主要是利用單端電氣量的測距算法，常見的單端算法主要有工頻阻抗法3，解微方程算法4，零序電流相位修正法5，故障電流相位修正法5,6，解二次方程法7,8，對稱

17、分量法9，解一次方程法10，網孔方程法11。上述單端測距算法都無法從原理上同時消除過渡電阻和對側系統(tǒng)阻抗的影響。制約了單端測距的發(fā)展。隨著通道的發(fā)展，能夠較為容易的獲得對側的電壓電流，因此雙端測距方法逐漸發(fā)展起來。1.3.1.3 智能化測距法近年來，將智能理論引入故障測距的算法研究越來越多，其中神經網絡和模糊理論居多。各種智能技術之間的交叉結合，如模糊專家系統(tǒng)，模糊網絡神經，神經網絡專家系統(tǒng)等相繼提出，但大多數還處于研究階段，還有待于各種智能技術的發(fā)展和成熟，相關科學成果如小波變換、遺傳算法、卡爾曼濾波技術、模式識別技術、概率與統(tǒng)計決策方法等也被引入到故障測距中。1.3.2故障測距的基本要求在

18、不同場合，對故障測距的要求也不盡相同。但是要滿足現場應用的需要，對算法有以下幾點基本要求：（1）可靠性要求在故障發(fā)生后能可靠地進行測距，無論何種故障類型和故障條件，不能因為測距方法內在缺陷出現測距結果的發(fā)散情況。而在無故障情況下，不能錯誤地啟動故障測距。（2）準確性保護裝置中，為了滿足繼電保護的技術要求，除了測距的精度外，更注重的則是如何快速地得到這一結。而在繼電保護信息管理系統(tǒng)中，由于是離線（或準在線）系統(tǒng)，對于時間無嚴格要求，所以更注意的是測距精度，沒有足夠的準確性就意味著測距失敗。（3）實用性要求故障測距算法不受故障類型、系統(tǒng)運行方式、過渡電阻及其故障距離等的影響，在各種情況下均能獲得較

19、高的精度。在實際使用中，能減少人的工作量，方便易用。（4）經濟性易于實現，且轉化成裝置時對元件、材料等要求適當，成本低，生產的測距裝置物美價廉，運行維護費用低，能夠推廣使用。1.3.3輸電線路故障測距研究的現狀迄今為止，國內外已有大量探討輸電線路故障測距的文章發(fā)表，有些測距裝置已投入現場運行。而且隨著通信技術和數字計算機的發(fā)展，故障測距已經能夠方便的獲得對側的信息并且測量裝置的硬件計算處理能力大大增強，能夠滿足復雜的運算。1.3.4行波法存在的問題眾觀現有的行波故障定位法，尚有幾個問題有待解決：(1) 線路兩端非線性原件的動態(tài)延時電流互感器是提取電流行波的耦合元件，其二次側的時間常數按試驗數據

20、估計一般約為百微秒12，但要受鐵芯飽和及剩磁影響，這將使電流互感器的動態(tài)時延具有較大的分散性；行波起動元件也有分散延時，在新型B型故障定位算法中，1微秒的時間誤差所對應的最大定位誤差約300米，而這種由耦合和啟動等非線性元件引起的分散性動態(tài)時延對行波法定位精度的影響，在現在的文獻中還幾乎沒有定量考慮。(2) 波速的影響在行波故障定位方法中波速是主要的影響因素，而其計算取決于大地電阻率和架空線的配置。高壓線路線的地質條件相當復雜，不同的地質段的土壤電阻率有不同取值，且與氣候密切相關。而現在的行波故障定位法是建立在假設行波在輸電線路上固定的傳播波速13。1.4論文研究的主要內容對于電力系統(tǒng)輸電線路

21、的故障測距研究，至今還要一些尚未很好解決的問題。本文的研究工作正是圍繞著這些問題展開。主要的內容和安排如下：(1)在查閱大量參考文獻的基礎上，總結了目前國內外輸電線路故障測距的基本方法和原理，并對各種測距方法的應用情況和優(yōu)缺點進行了分析比較;對輸電線路的波過程基本理論和行波測距的基本原理進行了較詳細的闡述。(2)分析行波發(fā)法單端和雙端測距的基本原理，分別分析影響單端測距和雙端測距的因素。(3)在信號采集中，本文首先對信號進行變換，其次進行濾波和放大，最后通過比較器進行比較，這樣可以消除外界因素的干擾及裝置誤啟動現象，提高了裝置測距的可靠性。(4)對以往各種高速采集電路的工作原理和性能特點進行了

22、分析，并結合當前微電子技術，提出了一種CPLD現場可編程器件等技術，設計出了高速數據采集電路，實現了多次連續(xù)、無死區(qū)記錄超高速暫態(tài)數據采集系統(tǒng)，克服“漏記故障”現象，提高基于暫態(tài)信號的電力系統(tǒng)監(jiān)視、控制、保護裝置的可靠性。(5)通過試驗驗證了該實驗裝置的可行性和采集結果的可信性。其用于輸電線路故障測距，成功捕捉到了現場的實際故障波形，進一步證明系統(tǒng)的開發(fā)是成功的。第2章 現代行波測距原理2.1行波的基本概念在傳輸線間加上電壓并有電流流過時，在傳輸線及其周圍空間建立了電場 和磁場。如果激勵電壓隨時間變化，則上述電場和磁場也將隨時間變化。時變 電磁場的普遍規(guī)律決定了傳輸線上的電壓和電流隨時間和空間

23、而變化的規(guī)律。 因此，可以說傳輸線上的電流電壓的變化規(guī)律，就是電磁場在空間變化的體現。 電磁場是以波的形式向周圍傳播的，所以電流電壓也是以波的形式在傳輸線上 傳播的。當在電力系統(tǒng)沒有故障的時候，電流電壓的波形是50赫茲的正/余弦 波。當電力系統(tǒng)發(fā)生故障時，電壓電流波形將發(fā)生畸變，在這些畸變的電流電 壓行波中，包含著豐富的系統(tǒng)故障信息。若能成功提取并分析這些故障信息，這ui+ri-=Lxt 當輸電線路發(fā)生故障時，由于輸電線具有分布電容和電感的存在，所以故 iu-=C+gu障電壓會以電場的形式以一定速度向線路兩端運動，即形成電壓波。同時又會 tx有與電壓相對應的電流流過，并形成磁場，這個運動的電流

24、就是電流波。圖2.1 單導線等值電路現在以單導線等值電路為例，在具有分布參數輸電線路中，若假設每單位長度導線的電感及電阻為L及r，每單位長度導線的對地電容及電導為c及g， 則線路的等值電路如圖 (2.1)所示。嚴格地說，輸電線的L、x、c、g都是頻率的函數。但一般輸電線的對地 電導g較小，而以地為回路的線路電阻:要引起波形的衰減和變形，其影響將隨 波的傳播距離而增加，為了分析方便，假設L、r、C、g均為常數，且r=0，g=0。 此時線路為無損，本文僅論及無損線路的行波過程。這樣對單相無損的分布參數線路的波動方程可簡寫為：式（2.2）對式（2.2）進行拉式變換求解，可得：式（2.3）式中， v=

25、1L稱為波阻抗；為電壓和電流行波沿輸電線路 ZC=ui-=LLCCxtu傳播的速度，u+-分別表示正向行波電壓和反向行波電壓；i+i-分別表示正向電-i=Cxt流 和反向行波電流。由上述方程組可以得出無損單導線中波過程的一些基本規(guī)律。其為：導線上任何一點的電壓或電流，等于通過該點的正向行波和反向行波電壓或電流之和；正向行波電壓與正向行xxu=ut-+u+ - t+Zc；反向行波電壓與反波電流之比等于正向波阻抗 vvx。 向行波電流之比等于反向波阻抗x-Zi=it-+it+ - vv 但是均勻傳輸線的波阻抗與電路中阻抗的概念不同。因其具有阻抗的量綱， x1xit-=u+ t-L。和對地電容 vZ

26、cvc。，波阻抗與線路長度無關。在真空中，波速為300，000Km/s，對電纜來說，因其單位長it+x=-1ut+x- -較大，故電纜中的波速一般約為vZv度對地電容C1/22/3光速。 cO0xu1 t-= v C式中，C為常數。 t<xv 式（2.4） xtv當時間由t1，變到t2時，電壓值不變，就必須滿足t-x=C，再微分可得： vdx=v 式（2.5） dt由前可知，正向電壓行波u1，與正向電流行波i1，同極性;反向電壓行波。u2與反向電流行波i2極性相反。線路上的正向行波和反向行波，并非在任何時刻和任何情況下都同時存在。有時可能只有正向行波，例如直流電勢合閘于線路，將有一與電源

27、電壓相同方向的正向電壓行波，自電源側向線路末端運動。在正向電壓行波到達線路末端之前，線路上只有正向行波，沒有反向行波。需要強調的是，當線路上某點的正向行波與反向行波同時存在時，則該點的電壓與電流之比并不等于波阻抗，即 u1+u2ZCi1+i2 式（2.6）從電磁場的角度來說明行波在無損線路上的運動。當行波在無損導線上傳播時，在行波到達處的導線周圍空間建立了電場和磁場，電場強度和磁場強度向量互相垂直并且完全處于垂直于導線軸的平面內，成為平面電磁場。因此，行波沿無損導線的傳播過程就是平面電磁場的傳播過程。2.2 行波源在電力系統(tǒng)發(fā)生接地故障的瞬間，故障點的電壓為零。根據迭加原理，故 障點電壓可視為

28、故障前的瞬間電壓穩(wěn)態(tài)和與其反相的同幅值故障暫態(tài)電壓的迭 加。因此，故障后的電力系統(tǒng)可以分成兩部分，一部分是正常運行的系統(tǒng)網絡； 另部分是故障附加狀態(tài)網絡。正常運行的系統(tǒng)網絡就是故障前正常運行的網絡， 故障附加狀態(tài)網絡只在故障后發(fā)生出現，作用在該網絡中的電源就是與故障前該點電壓數值相等但方向相反的等效電壓源(設為E(t)。該電源稱為行波源，在該電源的作用下，故障附加網絡將只包含故障分量的電壓和電流。因此分析故障后系統(tǒng)的暫態(tài)行波，就是分析故障后電力系統(tǒng)的故障附加狀態(tài)網絡中的行 波。2.3行波的發(fā)射和折射2.3.1反射波和折射波產生的原因輸電線路發(fā)生故障時，故障產生的電壓和電流行波在故障點及母線之間

29、來回反射，大多還將發(fā)生折射。輸電線上各點電流電壓波形是反射和折射疊加的結果。如架空輸電線路為無限長均勻輸電線，電壓行波u和電流行波i之間的關系由波阻抗Z決定。此時，電磁波在傳播過程中向周圍介質散發(fā)功率，對波源的電源而言，無限長均勻輸電線可以用一等值電阻R=Z來表示。若將輸電線路看作是一個均勻的分布參數元件，行波在沿線路傳播時，所遇到的波阻抗是不變的。但是當行波傳播到線路與其它電力設備的連接點時，電路參數會發(fā)生突變，波阻抗也隨之發(fā)生突變，電壓和電流行波在線路上建立起來的傳播關系也就被破壞。這時會有一部分行波返回到原輸電線路上，另一部分則通過連接點傳至其它電路環(huán)節(jié)中，這種現象稱為行波的反射和折射現

30、象。由線路傳向連接點的行波稱為入射波，由連接點返回到原線路上的行波稱為反射波，而傳播到其它電路設備上的行波稱為折射波。并且這些行波在連接點處都滿足基爾霍夫定律。2.3.2反射波和折射波的計算輸電線路上的行波沿線傳播時，若通過具有不同波阻抗的兩條線路連接點時，即遇到線路參數或波阻抗不連續(xù)時，必然發(fā)生電壓與電流的變化，即發(fā)生行波的反射和折射現象，如圖 (2.2)所示。圖2.2行波的反射和折射現象當電壓正向行波u1r；沿線路1傳播時，為了保持單位長度導線的電場和磁場能相等的規(guī)律，在線路1和線路2參數不相等的情況下，必然發(fā)生電壓與電流的變化，即發(fā)生行波的反射和折射現象。如圖(2.2)所示，電壓波沿輸電

31、線1入射，在到達點F之前，輸電線上只存在正向前行電壓波u1r;和與之相對應的電流波前行波I1r，在到達點F后發(fā)生反射和折射，產生了沿輸電線1反行的電壓波u1f、電流波I1f以及沿輸電線2前行的電壓波u2z和電流波I2z。由于點F處電壓和電流的連續(xù)性，且滿足基爾霍夫電壓電流定律。則可列以下表達式：u1r+u1f=u1zI1r+I1f=I1z 式（2.7） 在由電壓波和對應的電流波之間的關系可列以下表達式：u1r=z1I1r u1f=-z1I1f u2z=z2I2 式（2.8） 由式（2.7）和式（2.8）可得F點出折射電壓和電流和反射電壓和電流與入射電壓和電流之間的關系，其如以下表達式所示：z2

32、-z1= = u u 1 f uu 1 r 式（2.9） 1r z2+z1 u1f z I = 1-z2I 式（2.10） i=-=1fi1x1r z 1 z 2 +z1u 2 z1 式（2.11） i2z=aii1r=2t=i1r z 2 z +z12 2z2u2z=auu1r=u1r式（2.12） z1+z2-z1z-z式中， z 稱為電流反射系數； u= 2 稱為電壓反射系數；i=-21z2+z1z2+z12z22z1= a i = a u z1+z2z1+2z2根據彼德遜法則，還可求出具有波阻抗的線路和一個集中等值電路相連時，接點處的電壓和電流。此時，反射和透射系數可用LAPLACE函

33、數表示為如下形式(以電壓行波為例)： ( s ) = 21 式（2.13） z(s)-zz2(s)+z1= 2 式（2.14） ( s )2z(s)z1+z2(s)式中，z2(s)為不連續(xù)點，除線路1之外所以元件的等值阻抗。2.3.3行波反射和折射的特點通過對反射波與折射波計算公式的推導，可總結出反射波與折射波由以下幾個特點：（1）當無限長均勻輸電線路末端短路(即z2=0)時18，按上式計算可得：u1f=-u1f I1f=I1r u2z=0 I2z=2I1r由此可得入射電壓波u1r在短路點發(fā)生了負的全反射，反射電流與入射電流 相等但從而使線路末端折射電壓降為0，折射電流上升為入射電流的2倍。結

34、合 波過程的物理概念可知，此時線路末端的電場能量全部轉化為磁場能量。（2）當無限長均勻輸電線路末端開路(即z2=)時，同樣根據上式分別計 算可得：u1f=u1r I1f=-I1r u2z=2u1r I2z=0由此可得入射電壓波u1r在線路末端發(fā)生了正的全反射，使得入射電壓等于 反射電壓，同時電流波發(fā)生了負的全反射，即入射電流等于負的反射電流。但從而使折射波的波頭降低。（4）對于雙電源的輸電線路，線路中間某一點F發(fā)生接地故障時，由上述分析可知，故障點將同時產生向線路兩端傳播的同極性的電壓反射波，此反射波的極性與故障前點F的電壓極性相反。而從能量轉換的角度看，故障點出現了 電場能量向磁場能量的轉化

35、，從而使故障處的電流上升，并逐步向線路兩端發(fā)展。通常情況下，由于故障點存在過渡電阻，由上述的分析可知，在線路的兩個端點測量得到的電流或電壓隨時間變化的波形中包含了復雜的波的折射和反射過程。2.4 波的衰弱和變形圖2.3均勻有損輸電線分布參數等效電路如前所述，前面己討論過無損輸電線的波動過程的規(guī)律2。但是由于實際輸電線路并非均勻無損傳輸線，因此當行波沿著實際線路傳播時會由于輸電線電阻、大地電阻、輸電線對地電導，以及電暈等損耗而發(fā)生衰減和變形。由前述的行波的物理概念可知，波在波阻抗均勻的無損輸電線路中傳播時，電壓波和電流波之間的關系由波阻抗決定，輸電線路上單位長度介質空間獲得的電場能量和磁場能量相

36、等，而波在經過兩種不同的波阻抗介質交界處時，由于發(fā)生了磁場能量和電場能量的相互轉化而形成了波的折射和反射。下面從能量轉化的角度來分析電壓波和電流波的衰減規(guī)律。如圖(2.3)所示。假設幅值為U的電壓波沿均勻有損輸電線傳播時，由物理知識可知單位長度輸電線周圍空間電場能量為Cu，輸電線在單位長度對地電導上消耗的電能為gu，于是，由于電場能量的損耗而引起的電壓波衰減規(guī)律以如下式所示的指數衰減變化： 22gxu=Uexp(-)式（2.15） cv式中：x為波的傳播距離；g為單位長度對地電導；c為單位長度輸電線周圍空間電場；v為波速。同理，幅值為I的電流波沿均勻有損輸電線路傳播時，單位長度輸電線路周圍空間

37、的磁場能量為Li2，輸電線路在單位長度電阻上消耗的電能為ri而引起的電流波衰減規(guī)律如下所示： 22。于是，由于電磁能量的損耗i=Iexp(-)式（2.16）由上面分析可知，由于電壓波和電流波總是相伴傳播的，在二者初始到達輸電線的某一點時，空間的電場能量與磁場能量相等。此后，電導g和電阻r對 rLxv電場能量和磁場能量的消耗，空間電場能量密度將大于磁場能量密度。因此，行波在有損輸電線的傳播過程中將不斷發(fā)生電場能量向磁場能量的轉化。即電壓波在前進的過程中不斷發(fā)生負反射，而電流波在前進的過程中不斷的發(fā)生正反射，從而使波前電壓不斷降低而波前電流則不斷增大，以維持電磁波在前進方向上首端電壓波和電流波的比

38、例為波阻抗的關系式。因此，電壓波和電流波在實際的傳播過程中由于衰減，使波頭逐漸削平。2.5現代行波測距方法2.5.1單端A型測距方法A型現代行波測距原理為單端原理10,11。根據所檢測反射波性質的不同，可以將A型現代行波測距原理分為三種運行模式，即標準模式、擴展模式和綜合模式。結果表明，其誤差一般不超過500m。2.5.1.1 標準模式當被監(jiān)測的線路發(fā)生故障時，故障產生的電流行波會在故障點及母線之間來回反射。裝設于母線處的測距裝置接入來自電流互感器二次側的暫態(tài)行波信號，使用模擬或數字高通濾波器濾出行波波頭脈沖，形成如圖 (2.4)所示的電流行波波形。其原理是利用線路故障時在測量端感受到的第1個

39、正向行波浪涌與其在故障點反射波之間的時延計算測量點到故障點之間的距離。由于母線阻抗與線路波阻抗不一樣，電流行波在母線與故障點都是產生正反射，故故障點反射與故障初始行波同極性，而故障初始行波脈沖與故障點反射回來的行波脈沖之間的時間差t對應行波在母線與故障點之間往返一趟的時間，可以用來計算故障距離。設故障初始行波與由故障點反射波到達母線的時間分別為Ts1，和Ts2，行波波速v(接近為光速，具體取決與線路分布參數)則故障距離Xs如下式所示：圖2.4A型測距原理示意圖Xs=vt=v(Ts2-Ts1) 式（2.17）為了實現標準模式下的A型現代行波故障測距原理，在測量端必須能夠準確、可靠地檢測到故障引起

40、的第1個正向行波浪涌在故障點的反射波。2.5.1.2擴展模式當故障點對暫態(tài)行波的反射系數較小時，在測量端可能檢測不到本端第1個正向行波浪涌在故障點的反射波，從而導致標準模式下的A型現代行波故障測距原理失效。但在這種情況下，擴展模式下的A型現代行波故障測距原理卻能很好地發(fā)揮作用。擴展模式下的A型現代行波故障測距原理，是利用線路故障時在測量端感受到的第1個反向行波浪涌，與經過故障點折射過來的故障初始行波浪涌在對端母線反射波之間的時延，來計算對端母線到故障點之間的距離。若當故障點在線路中點以內時，由于來自故障線路方向的第二同極性行波波頭是故障點反射波，根據它與故障初始行波的時間差t，利用式 (2.1

41、7)來測距。當故障點在線路中點以外時，來自線路方向的第二個行波波頭是來自故障線路對端的反射波，由于觀察到的對端反射波與故障初始行波反極性，故時間差t'對應行波在故障點與對端母線間往返一趟的時間，因此，計算出故障點距對端的距離如下式所示： 1212XR=vt'=v(TS2-TS1)式（2.18）S 11圖2.5故障點存在透射時A型測距原理示意為了實現擴展模式下的A型現代行波故障測距原理，在測量端必須能夠準 確、可靠地檢測到經故障點透射過來的故障初始行波浪涌在對端母線的反射波。2.5.1.3綜合模式綜合模式下的A型現代行波故障測距原理是利用線路故障時，在測量端感受到的第1個正向行波

42、浪涌，與第2個反向行波浪涌之間的時延來計算本端測量點或對端母線到故障點之間的距離的。分析表明，無論母線接線方式如何，故障初始行波浪涌到達母線時都能夠產生幅度較為明顯的反射波?？梢?，當線路發(fā)生故障時，測量端感受到第1個正向行波浪涌和第1個反向行波浪涌的時間是相同的。測量端感受到的第2個反向行波浪涌，既可以是第1個正向行波浪涌在故障點的反射波(當故障點位于線路中點以內時)，也可以是經過故障點透射過來的故障初始行波浪涌在對端母線的反射波(當故障點位于線路中點以外時)，還可以是二者的疊加(當故障點正好位于線路中點時)。對于高阻故障(故障點反射波較弱)，即便故障點位于線路中點以內，在測量點感受到的第2個

43、反向行波浪涌也有可能對端母線反射波對于故障點電弧過早熄滅的故障(故障點不存在反射波)，無論故障點位置如何，在測量點感受到的第2個反向行波浪涌均為對端母線反射波。因此，當線路故障時，如果在測量端能夠正確識別所感受到的第2個反向行 波浪涌的性質，即可實現單端行波故障測距。具體說來，當第2個反向行波浪涌 為本端第1個正向行波浪涌在故障點的反射波時，二者之間的時間延遲對應于本 端測量點到故障點之間的距離;當第2個反向行波浪涌為對端母線反射波時，它與本端測量點第1個正向行波浪涌之間的時延，便對應于對端母線到故障點之間的距離。 可見，為了實現綜合模式下的A型現代行波故障測距，在測量端必須能夠準確和可靠地檢

44、測到故障引起的第2個反向行波浪涌，并且識別其性質。2.5.2雙端D型測距方法D型現代行波故障測距原理為利用故障暫態(tài)行波的雙端測距原理12，它利用 線路內部故障產生的初始行波浪涌到達線路兩端測量點時的絕對時間之差，來計算故障點到兩端測量點之間的距離。設線路長度為L，行波波速為v，故障產生的初始行波波頭到兩測母線的時 間分別為TS和TR，如圖 (2.6)所示。裝于線路兩端測距裝置記錄下故障行波波頭到達兩端母線的時間，則故障點到母線S及R的距離XS、XR分別如下式所示：式（2.19） XS=(TS-TR)v+L/2式（2.20） XR=(TR-TS)v+L/2從上式可以看出D型現代行波故障測距原理是

45、利用線路長度、波速度和故障初始行波浪涌，到達故障線路兩端母線時的絕對時間之差值計算故障距離。不需要考慮后續(xù)的反射與折射行波，原理簡單，測距結果可靠。但是運用這種方法，需要在線路兩端裝設數據采集及時間同步裝置(GPS時鐘)，且其兩側還要進行通信，以交換記錄到的故障初始行波達到的時間信息，而后才能測出故障距離來。若不具備自動通信條件，當然可借用電話方式進行聯(lián)系，人工交換記錄到的故障初始行波到達的時間，再利用公式計算故障距離。這樣，能否獲得準確的線路長度、波速度和故障初始行波浪涌的到達時刻，將直接影響到測距的準確性。各因素的影響分析如下：首先是線路長度的影響，嚴格來講，無論是傳統(tǒng)的故障測距原理，還是

46、行波 故障測距原理，其測距結果都表示故障點到線路末端的實際導線長度。但巡線時往往將測距結果當作地理上的水平距離，并以此作為查找故障和計算測距誤差的依據，而并不考慮線路弧垂的影響。同樣，線路全長也是以水平距離的形式預先給定，當線路較長時，計算弧垂影響后的實際導線長度與導線水平長度相差較大。可是D型行波故障測距方法需要利用線路全長，因而其測距誤差往往比其它不需線路全長的行波故障測距方法(如A型原理法)的測距誤差要大。較理想的做法是利用線路設計數據計算出不同溫度條件下沿線各檔距內的實際導線長度，進而獲得實際線路導線的總長度(用于D型測距)，并最終將故障測距結果換算為故障所在檔距或桿塔號。其次是波速的

47、影響，故障暫態(tài)行波具有從低頻到高頻的連續(xù)頻譜，其中不同頻率分量的傳播速度是不相同的。行波分量的頻率越低，其傳播速度越慢;行波分量的頻率越高，其傳播速度也越快，并且越趨于一致(接近光速)。隨著電壓等級的不同，輸電線路暫態(tài)行波中高頻分量的傳播速度大約在光速的97%一990%范圍內變化，具體可以利用線路結構參數進行計算，也可以實際測量。最后是初始行波浪漏的到達時刻的影響。為了獲得準確的測距結果，故障初始行波浪涌的到達時刻，應定義為其中能夠到達測量點的最高頻率分量的到達時刻。從時域來看，故障初始行波浪涌的到達時刻，就是其波頭起始點所對應的時刻，該時刻的測量誤差取決于采樣頻率和GPS對時誤差。采樣頻率越

48、高，對故障初始行波波頭起始位置的標定誤差越小;GPS對時誤差越小，對故障初始行波波頭起始時刻的標定誤差越小。但是，由于暫態(tài)行波中的高頻分量在傳播過程中隨傳播距離的增加會發(fā)生較大程度的衰減，因此當采用固定的波速度時，到達線路兩端的故障初始波頭時間差越大(即故障點越靠近線路某一端)，其測量誤差也越大。此外，研究發(fā)現GPS接收機普遍存在輸出信號瞬時不穩(wěn)定、衛(wèi)星失鎖以及時鐘跳變等問題，因而其輸出的時間信息和秒脈沖信號(IPPS)不能直接利用，必須附加高穩(wěn)定度守時鐘，且需要消除偏差超過某一限定范圍的時間同步信號。綜合考慮以上因素，D型現代行波故障測距原理的準確性將略低于A型現代 行波故障測距原理的準確性

49、，但測距誤差一般不會超過1km，這一點也己經被實測故障分析所證明。然而，現在一些文獻中提出了一種帶補償量的D型測距方法，其利用故障初始行波浪涌波頭起始點對應的絕對時刻，與測距裝置直接檢測到該行波浪涌到達絕對時刻之間的相對差值對測距結果進行補償，這給測距算法的實時應用帶來了方便。2.6幾種測距的比較上述幾種行波測距方法，都是通過測定行波在線路中傳播時間來確定故障點。A型利用重合閘動作產生的行波和利用斷路器動作產生的行波進行故障測距，所用儀器最少(前端只用一個高采樣率采集器即可)；D型需要配備穩(wěn)定性很好的通信通道。從處理信息過程來看，A型則需要有效區(qū)分是從故障點反射來的行波，還是對端母線反射來的行

50、波，以及連于同一母線上的其它線路上傳播并透射到此線路上的行波；D型利用的是故障點產生的第一個行波浪涌，較容易取得，且不存在上述問題。A型先利用故障點反射波存在一定的盲區(qū)，但如果利用對端母線反射的行波或信號模量有望消除盲區(qū)；D型不存在盲區(qū)問題。各種類型的行波法都存在一個準確測定行波到來時刻的問題。另外，D型還存在一個線路兩端基準時間要高度同步的問題。行波信號源與故障發(fā)生時刻也有很大關系;在電壓過零附近故障時，暫態(tài)行波十分微弱，此時A型和D型測距方法將失效。實際故障記錄表明，線路的絕大多數故障都發(fā)生在電壓峰值前約40角以內，在電壓過零點的故障是十分罕見的。另外，借助其它測距法（如阻抗法）可消除此問

51、題。各種行波法面臨的一個共同問題是外界干擾問題。D型增加了通道線，抗干擾工作也相應增加。綜上所述，目前A型、D型都有使用價值。A型測距技術已經成熟，但仍需進一步提高準確度和降低裝置的使用難度。在線測距法還有很大的發(fā)展空間，其中A型測距法在以后的開發(fā)研制中可能是主要方法?？梢哉J為，開發(fā)價格較低、可靠性高，且在線實時測量的故障測距裝置，選用A型行波測距法為主，其它方法為輔的測距方法較為適宜3,4。如果把測距分為單端和雙端，那么上面所述中的二種測距方法中，A型測距是屬為單端測距，而D型測距是雙端測距?，F在從它們的裝置本身的特點以及設計的原理來比較一下它們的優(yōu)缺點。 02.6.1單端法優(yōu)缺點由上述分析

52、可知單端法優(yōu)點是：（1）單端測距法較雙端測距法的成本降低一半以上，可不需要GPS時標系 統(tǒng)及兩端數據通訊等，測距結果的實時性高；（2）如果準確判斷出故障點反射或透射回到測量點的行波，由于測距結果基本不受線路兩端所涉及的設備和硬件的時間不一致性影響，則測距精確，能夠滿足電力系統(tǒng)對精確故障定位的要求。但是單端法還存在一些不足，其缺點主要為：單端測距法原理上存在較大缺陷。行波的極性和幅值是行波最重要的特征之一，在很多線路結構和故障情況下，無法進行單端測距。同時，單端測距還存在測距死區(qū)的問題，并且由于行波在整個電網內各個一次設備和各條線路的連接處都要發(fā)生反射和折射，且行波傳輸過程中衰減較大，使得故障點

53、反射行波波頭的辨識變得復雜。因此，行波法對硬件設施的要求限制了它的應用。若想用單端法來實現可靠測距，需要結合阻抗法進行聯(lián)合單端測距組合而成。該方法的特點是基本阻抗測距算法穩(wěn)定性可靠性高，電流行波測距算法簡捷可靠，并且它們都己經過多年實際運行的考驗。該方法綜合了二者的優(yōu)點，具有可靠性高，測距準確的特點，這樣實現可靠的故障定位。2.6.2雙端法優(yōu)缺點對于D型雙端法測距其優(yōu)點主要是：（1）由于母線兩端都只檢測第一個到達的行波，線路的過渡電阻的電弧特性、系統(tǒng)運行方式的變化（是否多分支線路等）、線路的分布電容，以及負荷電流等對測距復雜性不會造成大的影響，不用考慮行波的反射與折射，行波幅值大，易于辨識，使

54、得計算處理簡單。因此，雙端行波法比單端行波法測距結果更準確和可靠；（2）雙端法的測距結果一般能夠滿足電力系統(tǒng)對精確故障定位的要求，測距誤差可在500米以內；（3）由于輸電線路的長度參數一般都是通過設計參數或是實測參數得到的，而設計參數一般與線路施工后的實際參數會有一定差別，同時實測輸電線路長度時，都是通過測量線路的有關工頻參數來推算線路長度，因此對實驗條件要求很高，并且常常會導致實測參數結果不準確。由于雙端行波法測距的準確性，可以用它通過區(qū)外故障和區(qū)內故障校核輸電線路實際長度，該項技術的實施，對繼電保護的整定計算和EMS高級應用軟件的計算精度具有重要意義。但是雙端法也存在缺點，其主要為：（1）

55、雙端測距法的成本較高，還需要GPS時鐘系統(tǒng)及兩端數據通訊等；（2）對多回線路結構，原理上存在不足，需要單端行波法作為補充；（3）在實際應用中，即使采用GPS同步采樣，現場的電壓電流互感器及保護裝置對電壓電流的傳輸具有一定的時延，很難做到真正意義上的雙端數據同步。 1 s的時間誤差所對應的測距誤差300m，而這種由藕合和啟動等非線性元件引起的分散性動態(tài)時延對行波法測距精度的影響，在現有的文獻中還幾乎沒有定量考慮。當利用GPS雙端定位系統(tǒng)時，由于采樣部分信號傳輸特性及采樣頻率的限制，無法辨識近距故障行波，一般只能辨識低150kHZ的行波信號。而且要在廣闊的地理區(qū)域提供采用GPS的微秒級定時精度，其

56、基建和維護需要大量資金投入，故在應用上有一定的局限性。第3章故障測距裝置硬件設計3.1系統(tǒng)總體設計方案與功能當輸電線路發(fā)生故障時，故障行波會從故障點沿著故障電路向兩側母線傳播，根據行波法A型原理進行故障測距時需要準確記錄故障行波的波形，根據D型原理進行故障測距時需要記錄行波信號到達線路兩端的時間。本文行波法故障測距實驗裝置主要根據行波法的A型原理和D型原理進行設計的。圖3.1系統(tǒng)總體結構行波故障測距系統(tǒng)主要包括行波采集與處理系統(tǒng)、與PC主站相連的行波綜合分析系統(tǒng)和遠程維護系統(tǒng)，以及通信通道等4部分組成27，如圖 (3.1)所示。行波采集與處理系統(tǒng)安裝在廠站端。它采用集中組屏式結構，包括行波采集

57、裝置、T-GPS電力系統(tǒng)同步時鐘、以及當地處理機3部分21-23，如圖 (3.2)所示。行波采集裝置采用插箱式單CPU(單片機)結構，包括模擬信號變換器、高速A/D轉換器、高速數據采集單元(DSP)、SDRAM、可編程邏輯控制器、中央處理器、高精度時鐘單元以及電源等插件，它主要是功能是負責暫態(tài)電流/電壓信號的采集、緩存以及暫態(tài)啟動，并生成啟動報告，其包括暫態(tài)行波觸發(fā)時刻(精確到s觸發(fā)線路、觸發(fā)類型和暫態(tài)電流/電壓波形等信息。T-GPS電力系統(tǒng)同步時鐘內置全球定位系統(tǒng)(GPS)及全球統(tǒng)一時間信息，主要是實現兩端時間的同步。當地處理機由一臺工控機構成，它負責接收、存儲來自行波采集裝置的暫態(tài)啟動報告，并與安裝在線路的另一端的變電所內的行波采集與處理系統(tǒng)交換啟動數據，最后交到上位機進行數據處理，從而自動給出雙端行波故障測距。圖3.2行波采集與處理系統(tǒng)結構行波綜合分析系統(tǒng)一般在調度端。它由一臺普通PC機構成，主要有以下主要功能：(l)自動或人工遠程提取廠站端行波采集與處理系統(tǒng)的暫態(tài)啟動報告，并永久保存；(2)自動進行雙端行波故障測距；(3)提供人工波形分析功能及基于匹配濾波器、小波變換和計算機仿真等技術的自動波形