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1、电 子 科 技 大 学毕 业 设 计（论 文）论文题目： 110kV电力线路故障测距 学习中心（或办学单位）： 指导老师：漆强 职 称： 副教授 学生姓名：宁燃燃 学 号: 专 业：电力系统及其自动化 电子科技大学继续教育学院制网络教育学院2011年 06月 12日电 子 科 技 大 学毕业设计（论文）任务书题目：110kV电力线路故障测距任务与要求：了解高压输电面临的问题，故障测距的方法与原理，掌握 110kv输电线路的特点。时间： 2011 年 4 月18 日 至 2011 年 6 月 30 日 共 10 周学习中心：（或办学单位） 学生姓名：宁燃燃 学 号： 专业：电力系统及其自动化指导
2、单位或教研室：电子科技大学中山学习中心指导教师：漆强 职 称：副教授电子科技大学继续教育学院制网络教育学院2011年 06月 12日毕业设计(论文)进度计划表日 期工 作 内 容执 行 情 况指导教师签 字4月15日至4月20日准备良好 4月20日至5月10日撰写开题报告良好 5月10日至5月30日论文初稿良好 5月30日至6月27日论文终稿良好 教师对进度计划实施情况总评 签名 年 月 日 本表作评定学生平时成绩的依据之一。摘要本文比较全面地讨论了故障测距方法及其研究现状。高压输电线路的准确故障测距是保证电力系统安全稳定运行的有效途径之一。比较全面地讨论了故障测距方法及其研究现状。根据各测距
3、算法采用的原理不同，将其分为故障分析法和行波法两类，在简单介绍故障分析法之后，重点对行波法的行波获取、波头识别、波速确定等问题以及单端、双端和多端行波测距算法分别进行了分析、对比和讨论，并在此基础上总结得出了行波法中仍需解决的问题和可能的解决办法以及各种测距算法的优点和存在的问题。指出了每种测距算法的适用范围和应用局限性。最后，对高压输电线路故障测距的研究及应用前景进行了展望。关键词 高压输电线路 故障测距 行波法 故障分析法AbstractAccurate fault location for high voltage transmission line plays increasingly
4、 important role in power system，thedevelopment and general situation of the research in this field is reviewed in this paper. According to the different theories of faultlocation, it can be generally divided into two parts, failure analysis method and traveling wave based method. After introducing t
5、hemethod of failure analysis simply, it focused on the analysis, comparison and discussion on the problems of traveling waveacquisition; traveling wave head recognition and wave speed ascertaining as well as the single-terminal, double-terminal andmulti-terminal fault location algorithms. On these b
6、ases, problems should to be solved in the future and its possible solutions totraveling wave method and advantages and disadvantages of serious fault location methods are concluded. The scope of applicationand its limitation are presented. At last, the prospects of fault location are described.KEY W
7、ORD ： high voltage power transmission lines fault location traveling wave law failure analysis 目录第一章 绪论1第一节 引言1第二节110kv输电线路故障精确测测距的意义1第二章 故障测距的要求1第三章 故障测距的方法及原理2第一节 故障测距的具体方法2总结84.结束语9致谢10参考文献11第一章 绪论第一节 引言近年以来，110kv输电线路的故障测距逐步受到重视，尤其“十一五”以来，随着电子、通信技术和计算机技术的越来越成熟，基于微机或微处理装置的故障测距方法研究已成为国内外的探索热门。大量专业人
8、员提出了许多故障测距原理和方法，高压输电线路的准确故障测距是从技术上保证电网安全、稳定和经济运行的重要措施之一，具有巨大的社会经济效益。输电线路故障测距按采用的线路模型、测距原理、被测量与测量设备等的不同有多种分类方法。根据测距原理分为故障分析法和行波法；根据测距所需的信息来源分为单端法、双端法和多端法；按采用的线路模型分为集中参数模型、考虑分布电容的模型和分布参数模型等。第二节110kv输电线路故障精确测距的意义随着国民经济的发展和社会的进步，电力工业在整个社会经济生活中起着不可替代的作用，电力系统的安全经济稳定运行对于保证社会的持续稳定健康发展起着至关重要的作用。随着电力系统规模的扩大，1
9、l0kv远距离输电线路日益增多。我国电压等级在110KV以上的输电线路总长近100万公里。110kv输电线路分布范围广，穿越地区地形复杂，气候条件多变，容易导致故障的发生。现代电力系统装机容量大、电压等级高，输送容量越来越大，因而输电线路故障所造成的损失十分巨大。如果能快速、准确的进行故障定位，一方面可以缩短查找故障点的时间，节约人力物力，减轻巡线人员的劳动强度，另一方面对于瞬时性故障，故障测距可以帮助人们分析故障原因，发现绝缘隐患，以便及时采取措施防止故障的发展，使故障及时得到处理保证迅速恢复供电，提高运行的可靠性，并减少因停电而造成的巨大损失。因此，对于110kv输电线路进行精确的故障测距
10、是保证电力系统安全稳定运行的有效途径之一，具有巨大的社会和经济效益。第二章 故障测距的要求为了充分发挥故障测距的作用，故障测距要满足以下4个方面的要求。(一)可靠性：测距装置的可靠性包含不拒动和不瀑动两方面的内容，其中不拒动是指被监视线路内部发生各种可能的永久性或者瞬时性故障时，测距系统应能正确的动作，并给出正确的测距结果；不误动是指被监视线路外部发生故障及系统遇到各种干扰时，装置不会错误的发出测距指示信号，同时装置应既能测定永久性也能测定瞬时性故障。(二)准确性：准确性是对故障测距装置最重要的要求，没有足够的准确性就意味着装置失效，提高测距精度。（三)经济性：装置应具有较高的性价比，随着微电
11、子技术的迅速发展，各种故障测距装置的硬件成本会越来越低，而各种数字信号处理技术的广泛应用又会使得测距装置的性能得到不断提高和完善。(四)方便性：装置应便于调试和使用，并且在线路故障后能够自动的给出测距结果。实际中以上4种要求很难同时满足，一种合适的测距装置应该是以上几种指标的综合平衡，但是可靠性和准确性是任何一种测距装置都必须满足的要求。第三章 故障测距的方法及原理故障测距的具体方法一、故障分析法故障分析法根据系统在运行方式确定和线路参数己知的条件下，输电线路故障时测量装置处的电压和电流是故障距离的函数，利用故障录波记录的故障数据建立电压、电流回路方程，通过分析计算得出故障距离。（一）利用单端
12、数据的故障分析法利用单端数据的故障分析法包括阻抗法、电压法和解方程法。阻抗法是利用故障时在线路一端测到的电压、电流计算出故障回路的阻抗，其与测量点到故障点的距离成正比从而求出故障距离。电压法根据输电线路上发生故障时，故障点处的电压有最小值，通过计算各故障相电压的沿线分布，找出故障相电压的最低点实现故障测距。据此又提出计算正序故障分量、负序和零序分量的电压沿故障线分布，找出电压的最高点实现故障测距。对比两种方法后者更为简单。解方程法是根据输电线路参数和系统模型，利用测距点的电压、电流，用解方程的方法直接求出故障点的距离。解方程法包括解复数方程和解微分方程，前者在频域内求解后者在时域内求解。如下论
13、述了在不同参考模型下解方程法的具体算法。1.阻抗法阻抗法是目前应用最广泛的一种测距技术，它是建立在工频电气量基础之上，通过求解以差分或微分形式表示的电压平衡方程，计算故障点与测距装置安装处之间的线路电抗，进而折算出故障距离的测距方法。根据所使用的电气量，阻抗算法可分为单相电气量算法和双相电气量算法。阻抗法测距方法简单，容易实现，但同时存在一些问题：A.由于受到故障点弧光电阻、电压、电流互感器变换误差和线路不对称（换位）影响，以及长线分布电容、线路走廊地形变化引起零序参数变化等多种因素影响，测距误差大；B.由于不宜用于直流输电线路、带串补电容线路、T 接线、部分同杆架设双回线等线路，其适用性差。
14、2.电压定位法当线路发生短路故障时，其沿线各点电压有效值在故障点处值最小。当已知线路模型参数时，可利用线路一端的电压、电流计算沿线各点的电压、电流，进而构造一个关于位置（距离）的测距函数，其最小值点所对应的位置即为故障点。其主要缺点同阻抗法相似，易受到各种环境因素的影响，测距误差大，精度低。（二）利用双端数据的故障分析法利用双端数据的故障分析法可分为利用两端电流或两端电流、一端电压的方法；利用两端电压和电流的方法；解微分方程的方法。以上方法可分别建立在三种输电线路模型上，且又可分为需要两端数据同步或不同步两种。1.影响故障分析法测距精度的因素A.线路参数的测量问题。故障分析法中输电线路参数计算
15、方法都是在多种假设条件下进行的，很难保证与现场实际情况一致。高压输电线路的参数还受沿线地质、气候、大地电阻率分布不均等因素的影响，甚至线路长度也是随季节变化的，这是造成测距误差的一个重要原因。B.工频电气量的采集问题。由于算法中电流、电压采用工频电气量，而在故障暂态过程电流、电压包含非周期分量、工频量和各次谐波分量，因此在故障测距前必须对所采集的数据进行数字滤波。C.采样数据的同步性问题。两端同步的双端法为采用简单精确的同步算法，首先必需解决线路两端的同步采样问题。传统的时钟同步方法难以满足要求。利用GPS传递的精确时间信号为实现双端量高精度故障测距奠定了坚实基础。但需要增加GPS接收装置等硬
16、件设备，造价高昂，同时实际测距还有赖于GPS的可靠运行。另外，现场中的硬件对采集的信息仍具有一定的时延，因此两端很难做到真正意义上的数据同步，故在应用上有一定的局限性。单端法硬件要求简单，具有投资少，实现容易等优点。但是这种方法除单端供电线路外，仅使用本侧信息不能消除对侧系统阻抗变化和故障点过渡电阻的影响，会给测距结果带来较大的误差，甚至失效。双端法由于使用了双端信息，因此不必引入对端系统参数，在原理上完全不受故障过渡电阻大小、性质和双端系统阻抗的影响，从原理上保证了测距的精度。但其在数据同步和伪根判别等方面尚有进一步改进之处。二、行波法行波法是根据行波传输理论实现的测距方法。如图1，当输电线
17、路发生故障时，会产生沿线传输的故障行波，在故障点和其它阻抗不连续点发生折、反射，利用故障行波的传输时间计算故障距离。（一）行波法的分类根据检测行波的方式，各种行波定位方法主要分为A、B、C、D四种类型：A型是根据故障点产生的行波传到母线和从母线反射到故障点，再由故障点反射后到达母线的时间差来定位；B、C型包括脉冲或信号发生器，故障后施加高频或直流信号，根据雷达原理制成，其中B型是双端法，C型是单端法；D型根据故障点产生的向两侧母线运动的行波到达两侧母线的时间差来判断故障位置。B型和C型已得到实际应用。近年来主要是针对A型和D型进行研究，由于仅利用故障产生的行波来定位，不用附加其它设备，A型和D
18、型定位显示出一定的优越性。根据故障线路分合闸产生的暂态行波提出了E、F型故障测距方法，但易受保护动作的影响，此外对于瞬时性故障，可能线路分合闸时故障已经消除，无法找出线路故障点，不利于查找和分析线路可能存在的隐患。图1 行波网格图另外根据故障行波的物理性质，有电压行波法和电流行波法。根据获取故障行波的来源又可分为单端法和双端法。（二）行波法的研究现状及技术问题行波法主要解决好行波的获取、波头的识别、行波到达时刻的标定、波速的确定等问题。（三）行波的获取暂态行波所覆盖的频带很宽，从几千赫兹到几百千赫兹。为了能够在二次侧观察到线路上的暂态行波，要求电压、电流信号变换回路有足够快得响应速度。例如，假
19、定行波传输速度等于光速，为了将测距分辨率控制在500 m 以内，电压和电流暂态信号变换回路输出信号的上升时间必须在3.3 s 以内，相应变换回路的截止频率不能低于25 kHz。因此受超高压线路上广泛采用的电容式电压互感器（CVT）行波传变特性不佳的影响，电压行波法的应用受到了较大的限制。通过将电感线圈串入CVT 接地导线中抽取暂态电压行波。采用专用行波传感器来耦合CVT 接地线的电流间接提取故障电压行波。常规的电流互感器（CT）可以传变100 kHz 以上的暂态电流信号，因而完全能够满足行波测距的要求。基于电流行波的故障测距装置已经逐步实用化研究了行波测距的失效点问题，当在电压过零点附近故障或
20、两相电压相等处发生两相短路故障时,故障产生的行波将很微弱,并且叠加在很大的工频量信号上,再加上各种干扰,可能难以检测的到，此时行波测距算法失效。其利用输电线路发生故障跳闸后自动重合闸脉冲及重合时差，提出了两种在行波测距失效点处的故障定位方法。（四）行波波头的识别变换方法 分解类型自适应性基函数成熟度小波变换 时间-频率受小波基函数和分解尺度限制，不具有。需选择合适的基函数成熟HHT时间-瞬时频率EMD分解从信号本特征出发，具有。无较成熟需提高表1小波变换和HHT的比较行波波头的识别有基于硬件和软件两类方法。传统检测波头的方法有导数法、相关法、匹配滤波器法。这些算法使用时都受到一定条件限制，特别
21、是对于单端行波法故障点反射波不易检测和识别，严重影响了故障测距精度。论述了加拿大采用电压行波利用硬件波形辨识电路辨识行波波头。利用小波变换模极大值与信号奇异点对应检测波头。提出采用Hilbert-Huang变换(HHT)对故障行波信号进行检测。两种变换的比较如表1。可见HHT可克服小波变换存在的问题值得进一步去研究。由于采集到的行波信号往往含有大量噪声信号，这给行波波头的准确捕捉带来了困难。提出了在非线性阀值法去噪的基础上利用模极大值线的方法来检测含噪声行波信号的奇异点，并通过实例证明了这种方法比传统的单尺度寻找奇异点方法要合理和准确。但是不同的短路时刻和不同的短路类型的经验系数可能随选用不同
22、的小波而不同，在实际选取中还有待于进一步研究。（五）行波的传播及波速的确定在实际输电线路中,行波的传播受到多种因素的影响。行波在三相输电线路上的传播可分为线模分量和零模分量。对大地电阻率、分段地线、分裂导线、过渡电阻和换位点对地模和线模行波传播的影响进行了研究，并得出由于影响行波地模的因素太多, 而线模受到的影响较小,因而把线模作为故障定位用行波比较合适。在其测距算法中采用线模分量进行计算。指出实际中从故障点来的零模行波能否到达检测点,需要做进一步的探讨。零模行波的衰减规律也尚需做进一步的研究。研究了行波传输的色散特性，得出行波色散主要由地模所引起。行波传播过程中,由于高频分量衰减快, 故行波
23、中的有效频率分量范围反比于故障距离而且和故障类型有关。波速的计算取决于架空线的配置和大地电阻率的分布。分析了几种行波波速的确定方法：利用线路参数计算波速，实测线路的行波波速，使用已有文献的实测波速，并在分析以上测速方法的基础上提出了利用外部故障在线调整波速的思想，在一定程度上提高了测速的精度。利用线路的实测参数计算波速，并用人工施加的信号实测出线路的实际长度，避免了由于线路架设的挠度而引起误差，进一步提高了测距精度。（六）单端行波法单端行波测距利用在线路一端测量到的数据计算故障距离，如图2 所示，M 为测量端， l 是线路长度。介绍了单端测距的两种算法。MNk图2x =vt 2 （1）x =
24、v v(t t)(vv) （2）其中：v v 是行波线模、零模波速； t 是初始行波与故障点反射波到达M端的时间差；t 、t是线模、零模行波到达M端的时刻。在许多场合, 同一母线上接有多条出线。背侧相邻线路对端的反射波与故障点的反射波极为相似，当背侧相邻线路的长度小于检测点到故障点的距离时，将使故障点反射波的检测受到影响。以同母线上任一“有限长”非故障线路作为参考线路,通过比较由故障线路暂态电流行波与该参考线路暂态电流行波形成的反向行波浪涌与其对应的正向行波浪涌的极性,识别来自故障方向的行波浪涌,消除了来自参考线路远端母线及各种扰动的影响,而且对参考线路的选取没有任何限制。利用小波变换模极大值
25、原理识别故障点反射行波。以故障线路模量电流行波作为基本行波,以相邻最长非故障线路模量电流行波作为比较行波，观察基本行波和比较行波波形以及小波变换下的模极大值分布，从而识别出哪些是故障点反射波,哪些是相邻线路远端母线反射波。（七）双端及多端行波法介绍了两种双端测距算法 (3) (4)其中：、：变量含义同上。虽然算法2取消了波速的影响但仿真分析指出算法一的测距误差更小。双端行波法的关键是准确记录下电流或电压行波到达线路两端的相对时间，需要专用的同步时钟单元。随着GPS的广泛应用，利用接收GPS的卫星信号可以获取精度在0.2 s以内的时间脉冲，因此GPS可作为双端法的同步时间单元。根据双端行波定位算
26、法设计了故障测距装置，给线路两端提供统一的GPS 同步时钟和线路间高速信道。虽然GPS是一种较好的时间同步单元，但是GPS授时的连续性、可靠性和抗干。扰性对于电力系统稳定控制而言仍显得比较薄弱，此外更重要的问题是GPS是由美国军方掌控的系统，其可靠性和授时精度受制于美国的GPS政策。有专家提出基于我国研制的北斗卫星定位系统开发精确的时间同步装置，以保证我国电网的安全运行。针对双端行波测距法中行波波速难以准确获得，提出了一种不受波速影响的三端法。图3如图3 所示，测量端2 为本端。该方法取消了波速的影响；由于只测量故障行波第1 次到达测量端的绝对时刻 、 和 ，行波波头突变明显，可达到较高的测量
27、精度；其故障距离计算式在塔杆挡距和弧垂相近情况下可以近似消除线路弧垂的影响。仿真结果表明利用该方法可使测距误差控制在150 m 以内，与双端法相比，克服了因波速数值选取的主观性造成的近、远端故障误差偏大的问题,并且误差数值整体上比双端法偏小。该方法的难点是检测相邻线路对端母线测量点处波头的到达时刻。随着光电电压、电流互感器的逐步实用化，数字化变电站已不再遥远，故障行波定位将走向网络化和智能化的道路。提出了基于电压行波的整个输电网的综合故障定位思想，采用专门设计的行波传感器捕捉母线电压行波，每个变电站只需要装设一套电压行波定位系统，便可以形成故障行波记录网络。基于整个输电网的故障行波定位系统具有
28、N-1 容错能力，可以采用包含故障线路的任意两个变电站进行故障测距，增强了测距可靠性和适应能力。国内产品普遍采用电流行波，并可以检测多达8-9 回出线，理论上也可以实现全网综合故障定位，但无疑会增加数据分析的难度和计算量。总结目前电力系统各厂站都装有微机保护或微机故障记录装置，故障分析法所需要的分析数据可通过系统现有的设备得到，费用低，易于实现。但无论哪种常规测距算法都是建立在一种或几种假设的基础上，这些假设都会与系统的实际情况有所差别，自然会带来一些误差。通过误差补偿或者采用多端线路数据，可以在一定程度上提高算法的精度，但对高阻接地、多电源线路、断线故障、分支线路等许多情况测距效果较差，即使
29、在常规测距算法可以使用的场合，它的测量精度也无法保证在1 km 以内。行波法原理简单，理论上不易受系统运行方式、过渡电阻、T 形接线、线路分布电容的影响，测距精度高。但在实际中则受到许多工程因素的制约。母线接线方式的不确定性，相邻并列线路的互感耦合及线路两端的非线性元件等，使波过程的分析相当复杂，直接影响反射波的识别；输电线路上存在着大量的干扰，其性质与故障点行波极为相似，并与故障点的反射波交织在一起，更增加了识别的难度。在实际输电线路中,由于导线不均匀、不完全换位、输电线沿线大地电阻率变化、线路参数随频率而变化及行波色散等问题,使得行波分析和研究比较困难,故障产生行波的特点不能被充分利用。尽
30、管存在以上问题，但行波法依然是故障测距未来研究的主要方向。采用工频量与利用行波的测距方法相比较，在资金投入方面，前者可以利用现有设备，硬件投资小，容易实现；后者则需要专门设备，硬件投资大，技术较复杂。但在实现测距所需要的信息处理时间方面，行波法明显优于工频量法。从原理上看，与工频量测距算法相比行波法几乎不受过渡电阻和线路不对称等因素的影响，精度优于工频量法；但行波法存在反射波的识别，行波识别的失效点等问题，因此需要将故障分析法和行波法结合起来以满足精确测距的要求。4.结束语本文充分综合和分析了国内外输电线路故障测距现有各种方法，对各种方法进行了分析和比较，阐述了各自的理论基础及其应用条件。快速
31、准确的对输电线路进行故障测距，不仅对及时修复线路和保证供电可靠至关重要，而且高压输电线路的准确故障测距是从技术上保证电网安全、稳定和经济运行的重要措施之一。因此，输电线路故障测距应成为是电力工程界中研究的重点和难点问题。致谢本研究及学位论文是在我的导师漆强副教授的亲切关怀和悉心指导下完成的。他严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。从课题的选择到项目的最终完成，漆老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持。漆教授不仅在学业上给我以精心指导，同时还在思想、生活上给我以无微不至的关怀，在此谨向漆老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。 参考文献1 岑建明.输电线路故障测距的研
32、究D.杭州:浙江大学,2007.2 葛耀中.新型继电保护与故障测距的原理与技术（第二版）M.西安:西安交通大学出版社, 2007.3 全玉生,杨敏中,王晓蓉, 等.高压架空输电线路的故障测距方法J.电网技术,2000,24(4): 27-33.4 张小丽,曾祥君,等.基于Hilbert-Huang 变换的电网故障行波定位方法J.电力系统自动化,2008,32(8)：64-68.5 施世鸿,何奔腾.基于分布参数模型的双端非同步故障测距算法J.电网技术,2008,32(9)：84-88.6 曾祥君.电力线路故障检测与测距新原理及其信息融合实现研究D.武汉:华中科技大学,2000.7 陈平.输电线路现代行波故障测距及其应用研究D.西安: 西安交通大学,2003.8 季涛，孙同景，徐丙垠，等配电混合线路双端行波故障测距技术J中国电机工程学报，2006，26(12)：89-949 马文骐，郎燕生，马昭彦分布参数输电线路故障模拟及测距J电力系统及其自动化学报，1996，8(3)：7-16
