（电力系统及其自动化专业论文）输电线路行波测距的新方法研究.pdf

摘要 摘要 输电线路发生故障时，快速、准确地找出故障点，对于减轻故障巡线负担，减少停电检修时间， 提高电网供电可靠性具有重要意义。随着特高压输电线路的建成，对及时发现并排除故障提出了更 高的要求。在深入地研究输电线路波过程和现有小波测距算法的基础上，提出了输电线路测距的新 方法，主要研究内容如下： 阐述了输电线路行波传输特性，行波的折、反射理论；分析了线路模电阻、模电感、行波模波 速、模波阻抗的频率特性；研究了行波传播的色散现象；分析了不同母线类型以及母线和变压器分 布电容对行波折反射的影响。 研究了经典小波变换、提升方案、数学形态学和形态金子塔变换的基本理论，并在此基础上分 析了形态小波理论，提出了行波信号检测的改进形态h 龃r 小波变换算法；研究了基于数学形态学的 行波消噪理论。 取得的主要研究成果如下： ( 1 ) 研究了行波检测的改进形态h a a r 小波算法。 形态小波是基于第二代小波变换和数学形态学的新理论，它通过形态学算子构造非线性提升方 案，将线性小波变换推广至非线性小波变换。该算法能够有效检测出行波信号的波头位置，从原理 和计算量来讲，形态小波简单快捷，是一种基于时域分析的方法，只有简单的加减法和极值比较运 算，便于硬件实现。 ( 2 ) 提出了基于改进形态h a a r 小波的输电线路行波测距方法。 将改进形态h a 孤小波变换应用于输电线路故障测距中。大量仿真验证表明，该算法能够有效检 测出行波信号的波头位置，具有较高的测距精度。该算法与经典m a l l a t 小波算法相比，具有相同的 测距精度，同时该算法具有结构简单、算法量小，易于实现等优点，有较高的工程应用价值。 ( 3 ) 解决了行波浪涌到达时刻的标定与行波传播速度的选取相互配合的问题。 通过h i l b 叭- h u a n g 变换提取行波信号最高频率分量及其对应的时刻，并把它作为故障行波信号 到达测量点的时刻；然后利用连续小波变换对线路两端记录的区外扰动数据在与最高频率分量对应 的尺度下进行分解，求取对应频率分量下的区外扰动到达的时间差，从而求取波速。这样把行波到 达时刻的标定与行波测距所使用行波传播速度很好地结合起来，进一步提高了行波测距的精度。 ( 4 ) 在考虑输电线路阻抗频率特性和行波在传播过程中的色散现象情况下，提供了一种更精确 的波速测定方法。 在输电线路行波测距中，波速的选取是决定测距精度的重要因素之一。由于输电线路的电阻和 电感参数随电流频率而变化，线路参数对于各个不同的频率分量呈现出不同的传输特性，使波速在 不同频率分量下具有不同的传播特性。另一方面，行波在传播过程中具有色散特性，不同模量、不 同频率的行波信号具有不同的传播速度和衰减特性，使得行波在传播过程中发生畸变，降低了行波 故障定位精度。首先对发生故障时的行波信号进行h i l b e r t h u a n g 变换，确定最高频率分量的大小； 然后利用连续小波变换对线路两端记录的区外扰动数据在相应尺度下进行分解，求取对应频率分量 下的区外扰动到达的时间差，从而求取波速。 关键词：故障测距；行波；小波变换；数学形态学；形态小波；h i l b e n h u a n g 变换；行波速度；瞬 时频率 a b s t r a c t a bs t r a c t w h e n 胁s m i s s i o nl i n ef l a u n0 c c u r s ，i ti ss i g n i f i c 锄tt 0i d e n t i 匆m ef a u l tp o i n tq u i c l ( 1 y 锄da c c u r a t e l yt 0 l i g h tt i l eb u r d e no fl i n ei n s p e c t i o n ，r e d u c ef a i l u 陀t i m e 锄di m p r o v ep o w e r 鲥dr e l i a b i l i 够、i t ht h e c o m p l e t i o no fu h v 仃i m s m i s s i o nl i n e s ，h i g h e rr e q u i r e m e n t sf 0 rt r o u b l e s h 0 0 t i n gt i m e l ya r ep u tf o n a r d n e wf a u l tl o c a t i o nm e t h o d so f 仃a v e l i n gw a v e sf o r 仃a n s m i s s i o nl i n e sa r ep r o p o s e db a s e do nm n h e rs t u d y o f 的n s m i s s i o nl i n ew a 、，ep r o c e s s e sa n d 廿1 ee x i s t i n gf a u l tl o c a t i o na l g o r i l mb a s e d w a v e l e t t h em a i n r e s e a | c hc o m e n t sa r ea sf 0 l l o w s ： t 胁s m i s s i o nl i n ew a v ep r o c e s s e s ，e c h o 锄dr e f 融i o no f 仃a v e l i n gw a v e sa r ei n 白广o d u c e d ；t l l e 舶q u e n c y c h a r a c t e r i s t i c so fm o d e 陀s i s t 锄c e ，m o d ei n d u c t 锄c e ，v d o c i t yo fm o d e 们v e l i n gw a v ea n dm o d ew a v e i i t l p e d 锄c ei sa n a l y z e d ；l ed i s p e r s i o no fw a v ep r o p a g a t i o ni ss t u d i e d ；t h ei n f l u e n c eo fd i a e r e n tb u st ) r p e s ， 勰w e l l 勰d is t r i b u t e dc a p a c i t a n c eo f b u sb a ra n d 仃a n s f o n n e f so n 也ee c h o 孤dr e 仔a c t i o n0 f 仃a v e l i n gw a v e s i s 锄a l y z e d b a s e d m a l l 她l 溉n gs c h e m e ，m 劬e m a t i c a lm o 巾h o l o g ) ra l l dm o r p h o l o g i c a lp y 舢i d 胁s f 0 n i l ， m o r p h o l o g i c a lw a v e l e ti si n t r o d u c e d i m p r o v e dm o 叩h o l o g i c a lh a a rw a v e l e t ( i m | h 、聊i sp r o p o s e dt od e t e c t n a v e l i n gw a v e t h et h e o 巧o f 仃a v e l i n 争w a v ed e n o i s i n gb 嬲e do nm a t l l e m a t i c a lm o 印h o l o g yi ss t u d i e d t h em a i nr e s e 孤c hr e s u l t so b t a i n e da r ea sf 0 n o w s ： ( 1 ) s t u d i e dm o 甲h o l o g i c a jh 硇rw a v e l e ti sp r o p o s e dt od e t e c t 仃a v e l i n gw a v e m o 叩h o l o g i c a lw a v e l e ti san e w 也e o 巧b 弱e do ns e c o n dg e n e r 缸i o nw a v e l e t 订觚s f b 咖粕dm a t h e m a t i c a l m o 叩h o l o g y w h i c hc o 咖c t sn o n l i n e a rl i r i n gs c h e m eb ym o r p h o l o g i c a lo p e 豫t o r s 锄de x t e n d sl i n e a r w a v e l e t 仃a n s f o n l lt on o n 1 i n e 盯w a v e l e t 住锄s f o 咖t h ea l g o r i t l l mc 锄d e t e c tt h ew a v e 仃a v e l i n gh e a d e 伍；c t i v e l y ，锄di ss i m p l e 卸dq u i c k i l lt h e 0 哆觚dc o m p u t a t i o n ，部a l s o 勰ap u r et i i l l e d o m a i nm e t h o d t 1 l e a 1 9 0 r i t h i t li sm a i n l yc o m p o s e do fa d d i t i o n s u b 们c t i o n 柚dt a l ( i n ge x 仃e m ec o m p u 诅t i o n 觚de 硒yt 0 i m p l e m e n t ( 2 ) t h ea p p l i c a t i o no fi m p r o v e dm o 叩h o l o g i c mh a a rw a v e l e ti n 仃a n s m i s s i o nl i n ef a u l tl o c a t i o ni sp r o p o s e d 1 m p r 0 v e dm o r p h 0 1 0 9 i c a lh a a rw a v e l e ti sa p p l e dt 0 乜a n s m i s s i o nl i n ef a u l tl o c a t i o n al a 唱en u m b e ro f m a t l a bs i m u l a t i o l l ss h o wt h a tt l l e a 1 9 0 r i t h l l lc 觚e 舵c t i v e l yd e t e c t 廿l en a v e l i n gw a v eh e a da c c u m t e l y c o m p a r e dw i t ht h ec l 勰s i c a lm a l l a ta l g o r i t h m ，i th 雒t h es 锄em e 舔u r e m e n ta c c 唧y w h i l ei th 弱m e c h a r a c t e r i s t i c so fs i m p l e 鲫m c 眦，as m a l l 锄o u f l t0 fa l g o r i t 胁锄di se 舔yt oi m p l e m e mw i t hm o r ev a l u e i ne n g i n e e r i n g ( 3 ) t h ep r o b l e mo fn l ec 0 0 r d i n a t i o nb e t w e e nt h e 仃a v e l i n g 、v a v ea 币v a lt i m e 锄dt h ev e l o c i 锣i ss o l v e d n l ea v a lt i m eo f 衄v e l i n 乎w a v ei ss e l e c t e db ym eh i 曲e s t 舶q u e n c yc o m p o n e n tw i 廿1h i l b e r t h 啪g t m s f o 咖t h e ne x t e m a ld i s t u r b 锄c ed a t ar e c o r d e da tb o t l le n d so ft h el i n e si sd e c o m p o s e da tt h e c o r i e s p 伽d i n gs c a l eb yc o n t i n u o u sw a v e l e t 咖s f o m ，锄dt h e 硎v a lt i m ed i 仃e r e n c eo ft h ee x t e m a l 矧k e i sc a l c u l a t e da tm ec o r r e s p o n d i n g 骶q u e n c yc o m p o n e n ti no r d e rt 0o b t a i n 们v e l i n gw a v ev e l o c 咄w h i c h m a k e s 吐l ea f r i v a lt i m eo f 仃a v e l i n gw a v e 觚d 订a v e l i n gw a v ev e l o c 时f o rf a u l t1 0 c a t i o nav e 巧舒帕d c o m b i n a t i o n 锄dc 锄f u n h e re n h 锄c et i l ea c c u m c yo f t r 2 i v e l i n gw a v ef a l l l t1 0 c a t i o n ( 4 ) am o r ea c c u r a t em e t h o do fd e t e 啪i n a t i o no fu l e 舰v e l i n gw a v ev e l o c i 够i sp r o v i d e dc o n s i d e r i n gt 1 1 e 舶q u e n c y c h a r a c t e r i s t i c so f i s s i o nl i n ei m p e d 锄c e 觚d d i s p e r s i o nc h a 眦t e r i s t i c so fn 甜e l i n gw a v e i i lt h er e s e a r c ho f 仃觚s m i s s i o nl i n ef i a u l tl o c a t i o nb 雒e do n 昀v e l i n gw a v e ，t h e 硎v a lt i m eo f 缸a v e l i n g w a 、，em u s tc 0 0 r d i n a t ew i t ht h e 脚e l i n gw a v ev e l o c i 够o no n eh 粕d p 呦e t e r so ft 1 1 e 电隐n s m i s s i o nl i l l e r e s i 啦m c e 柚di n d u c 锄c ec h 锄g ew 酏n l ec u 鹏mf h e q u e n c y 锄dt h el i n ep 鲫曲e t e r sc h 锄g e sa ld i 疏r c n t f b q u e n c i e s o n 协e 硎1 e rh 柚d ，仃a v e l i n gw a v eh 鹊d i s p e r s i o nc h 啪c t e r i s t i c s ，柚d 饥l v e l i n gw a v e so f d i 行e r e n t 行e q u e n c i e s 柚dd i 岱；r e n tm o d e sh a 、，ed i f f c r e n tv e l o c i t i e s 锄da l t e n 岫t i o i l w l l i c hm a l ( e sm e 咖e l i n gw a v ed i s t o r t i o m 陀d u c e sa c c u r a c yo ff a u l t1 0 c a t i o n f i r s t 脚e l i n gw a v es i 印a l sa 托p r o c e s s e d u a b sl r a c i w i t hh h t 锄dt 1 1 em a g n i t u d eo ft h eh i 曲e s t1 j r e q u e n c yc o m p o n e n ti so b t a i n e dt h e ne x t e m a ld i s t u r b a n c e 讹糟c o r d e da tb ( t he n d so ft h el i n e si sd e c o m p o s e da tt h ec o r r e s p o n d i n gs c a l eb yc o m i n u o u sw a v e l e t 胁s f o 肌，鲫dt l l e 硎v a l t i m ed i 艉r e n c eo ft h ee x t e m a ls t r i k ei sc a l c u l a t i 甜a tt h ec o r 陀s p o n d i n gf r e q u e n c y c 伽1 p o n e n ti no r d e rt 0o b t a j n 仃a v e l i n gw a v ev e l o c i 够 k e yw d r d s ：f a u hl o c a t i 伽；n a v e l i n gw a v e ； m o 巾h o l o 西c a lw a v e l e t ；h i l b e n - h 啪gt r a l l s f 0 咖； m w a v e l e tt r 锄s f 0 m ；m 砒e m a t i c a lm o 叩h o l o 影； t 伽e l i n g ，a v ev e l o c i t y ； i i l s t a n t a i l e o u sf r e q u e n c y 目录 目录 摘i 墓i a b s t r a c t i i 目录i v 第一章绪论1 1 1 课题研究意义和背景。l 1 2 国内外研究现状l 1 3 行波测距的基本原理与研究现状。2 1 3 1 行波测距的基本原理2 1 3 2 行波测距技术存在的问题4 1 4 本论文的主要研究内容5 第二章输电线路上暂态行波的特性研究6 2 1 行波的基本概念。6 2 2 单相线路上的波过程研究。6 2 3 行波的折射和反射。8 2 3 1 反射波和折射波产生的原因8 2 3 2 行波的折反射规律8 2 3 3 基于网格法的行波折反射研究9 2 4 三相输电线路中的行波传播特性分析l o 2 4 1 完全换位线路的相模变换1 0 2 4 2 不换位线路的模变换矩阵和模参数。1 2 2 5 行波传播的色散现象l6 2 6 母线对行波折反射的影响1 8 2 7 本章小结19 第三章信号检测的形态小波变换理论2 0 3 1 小波变换的基本理论2 0 3 1 1 小波变换的定义2 0 3 1 2 小波变换的分类。2 l 3 1 3 多分辨分析2 2 3 1 4 信号的小波变换模极大值及奇异性检测原理。2 3 3 2 提升方案2 4 3 2 1 提升方案的分解过程2 4 3 2 2 提升方案的重构过程。2 6 3 3 数学形态学的基本理论2 6 3 3 1 数学形态学的基本运算一2 7 3 3 2 特殊性质2 7 3 3 3 结构元素的选取2 8 3 3 4 形态学的奇异检测理论2 8 3 4 形态金字塔变换2 9 3 4 1 金字塔变换2 9 3 4 2 形态金字塔变换3 0 3 5 形态小波的基本理论3 0 3 5 1 对偶小波变换3l 3 5 2 非对偶小波变换。3l i v 目录 3 6 改进形态h a a r 小波变换3 2 3 6 1 形态h a 盯小波3 3 3 6 2 基于提升方案的形态h a a r 小波3 3 3 6 3 改进形态h 触r 小波的提出3 4 3 7 行波去噪3 4 3 7 1 数学形态学去噪理论3 4 3 7 2 仿真研究3 5 3 8 本章小结3 6 第四章基于改进形态h a a r 小波的故障测距研究3 7 4 1 基于改进形态h 勰r 小波的故障测距方法3 7 4 1 1 波速的确定3 7 4 1 2 基于改进形态h a 孤小波的故障测距流程3 8 4 2 基于改进形态h a 甜小波的仿真分析3 8 4 3 故障位置接近母线处的情况4 3 4 4i m h w 变换与传统小波分析方法的简单比较4 3 4 5 本章小结4 4 第五章考虑故障时刻与波速选取相配合的行波测距研究4 5 5 1h i l b e m h 啪g 变换的基本原理4 5 5 1 1 瞬时频率4 5 5 1 2e m d 分解4 6 5 1 3h i l b e n 变换4 8 5 2 复m o r l e t 小波4 9 5 3 定位方法4 9 5 3 1 故障到达时刻的确定4 9 5 3 2 波速的确定方法5l 5 4a r p e m t p 仿真分析5l 5 5 测距精度影响因素5 3 5 6 小波算法与h h t 比较5 3 5 7 本章小结5 4 第六章结论与展望5 5 6 1 全文的结论5 5 6 2 展望5 5 致 射5 7 参考文献5 8 作者在攻读硕士学位期间完成的学术论文6 3 v 第一章绪论 1 1 课题研究意义和背景 第一章绪论 现代电力系统在百余年的时间已发展成为一个复杂的大系统，大容量、远距离输电和大电网互 联将是我国电力系统未来重要研究方向之一。2 0 0 9 年1 月4 日，晋东南南阳荆门特高压交 流试验示范工程通电试运行。来自山西的火电首次通过这一1 0 0 0 千伏特高压输电线路进入湖北，华 北、华中两大电网首次实现了联网运行。这条特高压线路将成为世界上第一条投入商业化运行的l o o o 千伏输电线路，可实现华北电网和华中电网的水火调剂、优势互补。与5 0 0 千伏超高压电网相比， 特高压电网可以解决中国现有电网输送能力不足的问题，提高输电效率，降低线路损耗，减少投资 成本，节约土地资源。但是，由于高压、超高压和特高压输电线路往往暴露在不同的环境并分布在 广大的地理区域，运行环境恶劣，因此，它也是电力系统中发生故障最多的地方。如果在高压输电 线路发生故障后，能快速、准确地排除故障，就能提高电力系统运行的可靠性，并减少冈停电造成 的巨大损失。要排除故障，首先要找到故障点，但是高压输电线路输电距离长，沿线地理环境复杂， 有时需翻越崎岖山林，有时需跨越河流湖泊，一旦线路发生故障，巡线人员的工作不但艰苦、困难， 并需要花费大量时间。更有甚者，有些地方地形恶劣到人迹难至，即使使用直升飞机来巡视，也往 往由于恶劣的天气难以实现。另外，闪络等瞬时性故障( 占线路故障的9 0 9 5 ) 常会给线路留下损 伤，造成局部绝缘缺陷，但往往没有明显的破坏痕迹，因此，如果不借助输电线路故障定位装置的 帮助，输电线路故障点的查找将是十分困难的l l 。2 j 。 所以，如何能够根据不同的故障特征快速准确地判定故障点，及时发现绝缘隐患，帮助人们排 除输电线路故障，不仅能有助于及时修复故障线路，确保整个电网的安全稳定运行，减少因输电线 路故障带来的经济损失，而且还能节省巡线的人力和物力，减轻巡线人员繁重的体力劳动，具有巨 大的社会和经济效益。 1 2 国内外研究现状 纵观故障定位的发展过程，从使用原理的不同大致可分为故障分析法和行波法。 故障分析法1 2 叫是在输电线路发生故障时，根据系统有关参数和测距点的电压、电流列出测距方 程，然后对其进行分析计算，求出故障点到测量点之间的距离的一种通用方法。故障分析法又可分 阻抗法、电压法和解微分方程法。根据所使用的电气量，故障分析法又可分为单端电气量算法和双 端电气量算法。 单端电气量算法是根据测量端测得的电压和电流及必要的系统参数，可计算出故障距离的测距 算法。单端电气量算法具有投资少、稳定性高、简单可靠的优点，但受到故障的过渡电阻、负荷电 流、线路不完全对称以及电压、电流变换器误差等因素的影响，存在一定的测距误差1 5 l 。 双端电气量算法应用被测线路两端的阻抗数据进行故障定位，原理上可完全消除过渡电阻的影 响，实现准确测距。此类算法又可分为两类：一类是基于两端同步采样数据的算法，算法简单，但 同步采样不易实现；二是基于两端非同步采样数据的算法，算法复杂，计算量大。双端法都必须使 用信道来传递线路两端信息。一般对通道的实时性要求不高，只须用调制解调器与简单的通讯线路 来实现数据的传递即可。利用双端信息的阻抗法原理上可以消除过渡电阻等的影响，做到精确测距， 虽然在实际应用时还存在一些问题，但相对而言，它比单端阻抗测距法精度高些。 近年来，许多学者将一些相关学科的成果引入到故障测距中来，提出了一些新颖的测距方法。 文献【6 8 】提出了神经网络测距法，由于故障测距需考虑本端和对端系统等值电势、正负序等值阻抗 变化、故障距离、故障过渡电阻变化等因素的影响，计算量非常大，其在故障测距中的实用化尚需 东南大学硕士学位论文 进一步研究。 随着同步相量测量技术的成熟，国内外专家、学者对基于同步相量的输电线路故障定位方法进 行了深入的研究，提出了多种故障定位原理和方法1 9 - 1 4 】。文献 1 4 提出了基于同步电压相量的故障定 位方法，但这种方法受限于g p s 的同步精度，且p m u 间的采样时钟不可能达到完全同步，因此会对 基于同步相量的定位算法造成很大的误差1 9 d 1 1 ，此外p m u 的电压测量值也会存在着一定误差。 1 3 行波测距的基本原理与研究现状 行波故障测距的研究可追溯到五十年代，人们根据电压和电流行波在线路上有固定的传播速度 ( 接近光速) 这一特点，提出了行波故障测距方法。行波法测距利用行波在测量点到故障点之间往返 一次的时间，只要经过简单运算即可得到故障距离。 1 3 1 行波测距的基本原理 从行波测距系统所需测量信息来源的不同可分为两类：单端行波测距法和双端行波测距法。 ( 1 ) 单端行波故障测距原理 通过检测初始行波浪涌到达测量端母线时刻与故障点反射波到达测量端母线时刻的时间差，来 实现测距，其测距原理如图卜1 所示。 疋r 一： 石 m n 图卜1 单端行波测距原理示意图 以行波从母线到故障点的传播方向为正方向，则故障初始行波浪涌到达测量端时形成本端第1 个反向行波浪涌，记其到达时刻为互。该行波浪涌在母线的反射波形成本端第1 个正向行波浪涌， 它将向着故障点方向传播。该正向行波浪涌在故障点的反射波返回测量端时表现为反向行波浪涌， 记其到达时刻为瓦。初始反向行波浪涌与经故障点反射后的反向行波浪涌到达本端测量点的时间延 迟为( 瓦一互) ，它显然等于故障暂态行波在测量点与故障点之间往返一次的传播时间，因而故障距 离可以表示为： k ：委( 瓦一五) 1 ， ( 1 1 ) 式中v 为行波在线路上的传播速度。 当故障发生在线路的后半段时，对端母线的行波浪涌先于故障点的反射波到达测量端母线，正 为对端母线的行波浪涌到达时刻，则故障距离可以表示为： k ：三一要( 互一互) v ( 1 2 ) 式中三为线路州的长度。 2 第一章绪论 常用的单端行波测距算法有求导数法、相关法、匹配滤波器法、主频率法和小波变换法等胆】。 求导数法是根据在检测点测到的行波的一阶或二阶导数是否超过设定的阈值来判断行波是否到达母 线的一种时域方法，当行波中含有高频分量时该方法的效果较好( 近距离故障) ，但该方法对噪声比 较敏感，测距精度不高。相关法是利用互相关函数求出到达母线行波及其从故障点反射回母线的时 间差，进而求出故障位置的方法，由于受多种因素影响，实际应用有一定困难。匹配滤波器法是建 立在相关法基础上的方法，它可通过使用高通滤波器来反应行波波头分量以提高测距可靠性，并已 在实际中应用，但其测距结果受母线端所连接的输电线数目等因素影响。主频率法的核心是由行波 中频谱最强的分量决定故障距离( 即厂= 2 v 三，其中厂为主频率) ，其思路主要是从较长时间段来 考察行波频率范围，使所求行波主频较低而且定位精度也受到影响。小波变换具有在时域、频域表 征信号局部特征等特点，非常适合分析故障行波信号，但应用小波变换技术时若没有考虑行波传播 过程中的色散影响，没有选择合适的小波及尺度，测距精度也会受到影响。因此，以上几种算法使 用时都受到一定条件的限制u 引。 ( 2 ) 双端行波故障测距原理 双端行波测距方法是利用线路内部故障产生的行波浪涌到达线路两端测量点的绝对时间之差值 计算故障点到两端测量点之间的距离。 如图卜2 所示，设故障初始行波浪涌以相同的传播速度1 ，到达m 和n 端母线的时刻分别为z ，和 巧，则存在以下关系： 篾袭互 卜一k 一 一“一 图卜2 双端行波测距原理示意图 通过求解上述方程组可以获得m 端与n 端母线到故障点的距离，并且可以表示为： 一互) + 】 一互) + 工】 ( 1 3 ) ( 1 4 ) 为了准确标定故障初始行波浪涌到达两端母线的时刻，线路两端必须配备高精度和高稳定度的 实时时钟，而且两端必须始终保持精确同步。 由上述分析可知单端测距法优点是引： ( 1 ) 单端测距法较双端测距法的成本降低一半以上，可不需要g p s 时标系统及两端数据通讯等， 测距结果的实时性高。 ( 2 ) 如果准确判断出故障点反射或透射回到测量点的行波，由于测距结果基本不受线路两端所涉 3 五 弓 叹 r 。l r l l 一2 1 2 东南大学硕士学位论文 及的设备和硬件的时间不一致性影响，则测距精确，能够满足电力系统对精确故障定位的要求。 但是单端测距法还存在一些不足，其缺点主要为：单端测距法原理上存在较大缺陷。行波的极性 和幅值是行波最重要的特征之一，在很多线路结构和故障情况下，无法进行单端测距。同时，单端 测距还存在测距死区的问题，并且由于行波在整个电网内各个一次设备和各条线路的连接处都要发 生反射和折射，且行波传输过程中衰减较大，使得故障点反射行波波头的辨识变得复杂。因此，行 波法对硬件设施的要求限制了它的应用。若想用单端法来实现可靠测距，需要结合阻抗法进行联合 单端测距组合而成。该方法的特点是基本阻抗测距算法稳定性可靠性高，电流行波测距算法简捷可 靠，并且它们都已经过多年实际运行的考验。该方法综合了二者的优点，具有可靠性高，测距准确 的特点，这样实现可靠的故障定位。 对于双端测距法，其优点主要是u 7 。： ( 1 ) 由于母线两端都只检测第一个到达的行波，线路的过渡电阻的电弧特性、系统运行方式的变 化( 是否多分支线路等) 、线路的分布电容，以及负荷电流等对测距复杂性不会造成大的影响，不用 考虑行波的反射与折射，行波幅值大，易于辨识，使得计算处理简单。因此，双端行波法比单端行 波法测距结果更准确和可靠； ( 2 ) 双端法的测距结果一般能够满足电力系统对精确故障定位的要求，测距误差可在5 0 0 米以 内； ( 3 ) 由于输电线路的长度参数一般都是通过设计参数或是实测参数得到的，而设计参数一般与线 路施工后的实际参数会有一定差别，同时实测输电线路长度时，都是通过测量线路的有关工频参数 来推算线路长度，因此对实验条件要求很高，并且常常会导致实测参数结果不准确。由于双端行波 法测距的准确性，可以用它通过区外故障和区内故障校核输电线路实际长度，该项技术的实施，对 继电保护的整定计算和e m s 高级应用软件的计算精度具有重要意义。 但是双端法也存在缺点，其主要为： ( 1 ) 双端测距法的成本较高，还需要g p s 时钟系统及两端数据通讯等； ( 2 ) 对多回线路结构，原理上存在不足，需要单端行波法作为补充； ( 3 ) 在实际应用中，即使采用g p s 同步采样，现场的电压电流互感器及保护装置对电压电流的传 输具有一定的时延，很难做到真正意义上的双端数据同步。1 口s 的时间误差所对应的测距误差3 0 0 m ， 而这种由耦合和启动等非线性元件引起的分散性动态时延对行波法测距精度的影响，在现有的文献 中还几乎没有定量考虑。当利用g p s 双端定位系统时，由于采样部分信号传输特性及采样频率的限 制，无法辨识近距故障行波，一般只能辨识低1 5 0 k h z 的行波信号。而且要在广阔的地理区域提供采 用g p s 的微秒级定时精度，其基建和维护需要大量资金投入，故在应用上有一定的局限性。 总的来说，单端行波测距原理和双端行波测距原理是目前两种主要的行波测距原理。单端行波 测距装置算法复杂，装置简单，成本低；而双端行波测距装置算法简单，装置复杂，成本相对较高。 本文认为，单端行波测距原理在准确性与可靠性方面均不如双端行波测距原理，一般来说，单端行 波测距方法不宜单独使用，双端行波测距方法可以单独实现测距，值得推广。 1 3 2 行波测距技术存在的问题 近年来，随着行波测距方法研究的深入和行波测距装置的成功运行，行波测距技术有了很大的 发展，但是由于实际线路中存在的噪声干扰，雷击、开关操作，电压电流互感器非理想的传输特性， 行波传播的色散特性i l 引9 1 ，这些因素对行波测距的精度和可靠性有着重要的影响，一些影响测距精 度的重要问题还没有解决。 决定行波测距精度的因素主要有故障时刻的提取和波速的确定。近年来，随着行波测距技术的 进一步发展，文献【2 0 - 2 l 】提出了单端行波测距的频域方法；文献【2 2 】提出了一种提取行波自然频率的 单端故障测距方法：文献【2 3 】提出了基于模量行波传输时间差的线路接地故障测距方法；文献【2 4 】提 出了4 种运行模式的重合闸暂态行波的输电线路故障测距方法，但现有的行波测距方法基本上没有 4 第一章绪论 7 把行波到达的时刻和故障定位所用的行波传播速度很好地结合起来。现有的波速选取方法主要有根 据线路参数进行数值计算l z 2 一”6 】和在线测量1 2 7 j 等。由于实际线路参数随温度和气候等因素变化，数 值计算存在一定的误差。文献【1 8 】提出了波速的在线测量方法，但未考虑输电线路的阻抗频率特性。 由于输电线路的电阻和电感参数随电流频率而变化，线路参数对于各个不同的频率分量呈现出不同 的传输特性，使波速在不同频率分量下具有不同的传播特性。另一方面，行波在传播过程中具有色 散特性，不同模量、不同频率的行波信号具有不同的传播速度和衰减特性，使得行波在传播过程中 发生畸变，降低了行波故障定位精度。目前的行波测距算法大多利用相模变换的解耦方法解决了不 同模量的行波信号对提取故障时刻的影响，而未考虑故障高频信号在不同的频率分量下具有不同的 传播速度，基本上没有把由测距方法所确定的行波信号到达时刻与故障定位所用的行波传播速度很 好地结合起来。 现有的测距算法大多利用二进小波变换对行波信号进行分解，在高频段中提取故障时刻，无法 对行波信号的高频分量作进一步分解，频率分辨率低。文献 2 8 】提出了利用小波包能量谱的方法，对 故障频带作进一步划分，选择能量较为集中的故障频带信号进行故障定位计算，但仍然是一种粗略 的频段划分方法。文献 1 7 】利用尺度细化的思想，提出了利用连续小波变换对行波信号做更精细的划 分，然后在合适的频带中提取故障特征点，并由线路结构参数在e m t p 中计算对应频段的波速，但 文献中就小波的选取、分析尺度的确定、合适频带的选择并未做具体说明。文献【2 9 】提出了利用 h i l b e n - h u 卸g 变换( h h t ) ，由瞬时频率提取行波到达时刻，但没有把波速的选取与故障发生时的瞬 时频率结合起来。 1 4 本论文的主要研究内容 本文在现有行波测距法的基础上，针对现有行波测距方法存在的问题，重点针对行波浪涌到达 测量端母线时刻的确定和行波传播速度的选取，提取可行的解决方案，研究电力系统输电线路行波 测距的新方法。课题具体做了以下几个方面的工作： l 、简要分析了国内外电力系统线路故障定位的研究现状，对各种方法存在的问题进行了探讨。 分析了行波测距的原理，单、双端的测距方法及各自的优缺点，研究了现有行波测距方法的技术现 状及存在的问题。 2 、详细分析无损单导线线路的波过程和行波的折、反射理论，然后进一步研究平行多导线中的 相模变换理论，并且针对实际中的不换位线路，给出具体的相模变换过程。分析线路模电阻、模电 感、行波模波速、模波阻抗的频率特性，研究行波传播的色散现象，为本文故障定位的研究和提出 新的故障定位方法奠定了必要和可靠的研究依据。 3 、在阐述经典小波变换理论，提升方案、数学形态学理论的基础上，详细说明形态小波理论， 并提出改进形态h a a r 小波算法