基于暂态行波的输电线路故障测距与保护

1、l概述概述l故障行波的形成和特点故障行波的形成和特点l故障行波的应用故障行波的应用1.输电线路行波测距2.配电线路行波选线3.超/特高压输电线路行波保护l结论结论故障信息的分类故障信息的分类故障信息故障信息电量故障信息电量故障信息非电量故障信息非电量故障信息低频稳态故障信息低频稳态故障信息高频暂态故障信息光光声音声音温度温度转速转速故障信息是故障检测技术的基础l故障检测技术故障检测技术 继电保护、故障测距、接地选线l现有故障检测技术存在的问题现有故障检测技术存在的问题1.特高压交/直流输电线路保护灵敏度低2.输配电线路准确故障测距困难3.中性点非有效接地的配电系统单相接地选线困难l原因原因由工

2、频故障信息构成，受以下因素影响由工频故障信息构成，受以下因素影响1.过渡电阻2.线路分布电容3.ct饱和是由故障引发的、运动的电场和磁场高频暂态故障信息，具突变性质、非平稳变化故障行波中包含着丰富的故障信息；现有故障检测技术把故障行波当作噪声信号加以滤除电流行波电压行波1948年r.f.stevens提出行波测距1950年代末期出现了三种行波测距仪，分为a、b、c型1976年asea公司研制出行波保护装置relada1995年中国专家葛耀中和他的学生，英国专家p gele博士等人研制出现代行波测距装置2001年中国电科院研制出类似的装置2003年清华大学研制出基于行波的配电线路接地选线装置20

3、05年清华大学等单位联合研制出单端量测距装置叠加原理l行波的形成行波的形成l行波的形成行波的形成tucxitilxu单导线等值电路l行波的形成行波的形成波动方程 波动方程的通解22222222tulcxitilcxu)()(1)()(2121vxtuvxtuzcivxtuvxtuu波动方程的特解)4(.)3()()(.,)3()()(,.)3()3()()()(.,)3()3()()()(222mmmmmmmmmcmmmmmmmmmmmmmmmmtetetutetetuztetetetetitetetetetu)5(.)3()()(.,)3()()(,.)3()3()()()(.,)3()3(

4、)()()(222nnnnnnnnncnnnnnnnnnnnnnnnntetetutetetuztetetetetitetetetetusrtr1 初始波tr2反射波trs对端反射波 初始波 ts1反射波 ts2 对端反射波 tsra相行波的小波变换相行波的小波变换模极大值模极大值a相行波的小波变换相行波的小波变换三相行波波形三相行波波形l故障行波和它的小波变故障行波和它的小波变换间的内在联系换间的内在联系 行波不同尺度下的小波变换l故障行波的小波变换模极大值表示故障行波的小波变换模极大值表示 行波的模极大值类似于正弦信号在fourier变换下的幅值相位小波变换模极大值彼此等价彼此等价 l故障

5、行波具有如下特性：只在故障发生时出现，能准确反映故障发生；包含着故障发生时刻、故障位置、故障相、故障线等有用的故障信息；具有高频、暂态突变的性质，难以分析；不可重复，具有易逝性，造成捕捉困难；同时是时间和位置的函数，因此传统的时间分析方法和频率分析方法不能有效刻划暂态行波的故障特征。l 输电线路行波测距 利用电流行波的故障测距双端法 单端电气量组合法故障测距单端法l 配电线路行波选线l 超/特高压输电线路行波保护ts1ts2t tsr单端电气量（单端电气量（a a）测距法）测距法)(212112sssttvtvx故障点距s变电站距离v - 波速度tstr sr基于基于gpsgps的双端测距法的

6、双端测距法 故障点距s变电站距离： 故障点距r变电站距离：lvttxrss)(21lvttxrsr)(21l - 线路全长ts1ts2t tsr利用重合闸的测距原利用重合闸的测距原理说明图理说明图)(212112sssttvtvx故障点距s变电站距离：利用电流行波的输电线利用电流行波的输电线路故障测距装置路故障测距装置 1）采样频率800khz 2) 误差小于1公里 3) 最多监视8条线路行波测距在葛洲坝直流换流站运行现场小小 结结l利用gps的双端量行波故障测距技术是目前最先进的故障测距技术l已广泛应用于各种电压等级的交直流输电线路l获国家发明奖单端行波测距不够稳定、可靠缺乏gps同步时钟没

7、有条件安装两套行波测距仪需要单端法l 利用电流行波的故障测距存在的问题利用电流行波的故障测距存在的问题l解决单端量故障测距问题的对策 故障测距的组合算法故障测距的组合算法l 由具有鲁棒性的阻抗测距算法测距，给出故障范围l 由行波测距法进行精确故障定位，误差小于1km。 新型故障录波测距装置新型故障录波测距装置 既能记录行波故障信息、又能记录工频故障信息，实现组合法测距。 单端电气量组合故障测距算法测量阻抗法确定的故障区间行波信号的二进小波变换故障情况: 相间故障、0过渡电阻.故障距离: 40km. 阻抗法输出结果：19.8 km59.8 km.行波法输出结果：39.5km.组合法输出结果：39

8、.5km. hpr-7000的外形结构 前置机外形工频故障信息 电流行波及其小波变换tested system电压行波 电压行波 棒图分析相量分析小小 结结l组合故障测距算法有望从根本上解决单端量故障测距问题l获国家发明专利授权l已经应用于实际电力系统l小电流接地系统单相接地选线 中性点不接地或经消弧线圈接地的系统发生单相接地后，由于未形成短路通路，接地电流非常微弱，无法确定是那一条线路发生接地，给接地查找和修复带来困难。l问题的症结 由于中性点不接地或经消弧线圈接地，接地线路和非接地线路仅仅流过微弱的电容电流。 迄今所提出的方法基于基波零序电流大小、方向等方法效果都不好。l解决问题的思路2c

9、ijfcu采用暂态高频分量电流采用暂态高频分量电流l单相线路接地后的行波现象线路1线路2线路3fbgtsl1l2lnl三相线路发生单相接地的行波现象线路1线路2线路3fbgtszlrk1k2l1l2lnl对三相电压和电流施行相模变换对三相电压和电流施行相模变换 得到各模独立的模分量电压和电流得到各模独立的模分量电压和电流cbauuuuuu101011111310cbaiiiiii101011111310解耦解耦)(31)(31,000bacbaiiiiiiiuuuiii和线模分量线模分量零模分量零模分量线模网络线模网络零模网络零模网络线路1线路2线路nfbgtszlrk1k2l1l2lnl三相

10、线路发生单相接地行波的传播l配电线路行波的特点 接地线路初始行波远大于非接地线路的初始行波，极性相反 非接地线路的初始行波数值相等，极性相同 与中性点接地方式几乎无关，只影响等效阻抗l基于电流行波的单相接地选线原理 故障线路的电流行波远大于非故障线路故障线路的电流行波远大于非故障线路 故障线路与非故障线路的电流行波极性相反故障线路与非故障线路的电流行波极性相反方案1：基于零序电流互感器方案2：基于每回出线上的三相电流互感器方案3：每回出线上只安装了两相电流互感器方案4：每回出线上只利用一相电流互感器基于微机和高速数据采集技术的行波接地选线装置sl-01sl-01发明专利证书及检测报告小小 结结

11、l配网中存在电流行波，且可以用于故障选线; l小波变换及其模极大值可以准确刻划暂态行波特征，可以构成有效的行波选线算法;l根据现场情况，可以构成多种行波选线方案;l行波和小波选线技术为故障选线提供了新的思路和新的方案，有望从根本上解决小电流系统故障选线难题。 l行波保护 根据输电线路发生故障后所产生的暂态行波构成的继电保护称为行波保护l行波保护的特点快速动作性能不受过渡电阻影响不受ct饱和影响不受系统振荡影响不受长线分布电容影响l行波保护例波阻抗方向继电器 基于行波的方向继电器波阻抗方向继电器，它根据初始电压和电流行波的比值来判别故障方向。l正向故障时rufrrufriiiiuuuu)1 ()

12、1 (l反向故障时uucrurucfrfrcziuziiuuziu11.)1 ()1 ()(.ffiiuu1.cffcziuziul 提出阻抗方向继电器原理提出阻抗方向继电器原理 l 提出行波选相原理提出行波选相原理 l 出纵联方向保护出纵联方向保护 基于小波变换的行波保护理论基于小波变换的行波保护理论电压电流行波小波变换判断故障发生选故障相投波阻抗方向继电器判方向比较线路两端方向sm，sn反向判据1cziuiiiiiiibbb20310区内故障跳闸区外故障闭锁例如bc两相短路0nmss0nmss逻 辑方向比较式行波保护系统构成框图 输电线路行波保护装置输电线路行波保护装置psl-611psl-611l故障行波是有用、可用的故障信息故障行波是有用、可用的故障