输电线路故障行波仿真及故障定位研究

1、本科毕业设计（论文）说明书 输电线路故障行波仿真及故障定位研究 学 院 电气工程学院 专业班级 09电气工程及其自动化4班学生姓名 郭国强 指导教师 王志强副教授 杜芸强助教 提交日期 2013年 05月 10日 摘 要输电线路作为电力系统电网的骨架，输电线路故障后会严重危及电网的安全稳定运行，担负着连接电网及电气设备、输送电能等重要任务。随着科学技术的进步，故障定位的方法也在不断的出现，常用的故障定位方法有，阻抗法、故障分析法、时域法和行波法等。当输电线路的某一点出现电压电流的突然变化时，它会以电磁波的形式按一定的速度从故障点向输电线路两端传播，并且故障行波在不同故障类型和不同故障距离时产生

2、的波形又有明显的区别。因此，研究故障行波相关性质，根据行波的波头特点，采用单端法、双端法和小波分析法可以对故障进行定位。本文研究输电线路故障行波仿真及故障定位问题。首先，介绍了输电线路故障定位研究现状和研究意义；阐述了输电线路行波传播特性研究。其次，本文研究基于PSCAD的HVDC输电线路故障行波仿真。以单级高压直流输电系统作为研究对象，采用控制变量法分析其故障时故障点的波形特性，并对输电线路故障行波进行了仿真分析。最后，输电线路故障定位研究。结合仿真研究输电线路行波法故障定位。关键词：输电线路、故障、行波、仿真、故障定位ABSTRACTThe skeleton of the power gr

3、id, the transmission line as a transmission line fault will seriously jeopardize the safe and stable operation of the power grid, charged with the important task of connection to the grid and electrical equipment, transmission power. Along with the progress of science and technology, the fault locat

4、ion is also in constant common fault location method, impedance method, failure analysis, time domain method and traveling wave method.When a sudden change of the transmission line voltage and current of a point appears, it will be in the form of electromagnetic waves from the point of failure at a

5、certain speed transmitted to both ends of the transmission line, and the fault generated traveling waves generated when a different type of fault and the type of fault distance waveform have is a clear distinction. Therefore, the study of the nature of the Traveling Wave Fault, based on traveling wa

6、ve characteristics, the use of single-ended method, double-ended method and wavelet analysis method can locate the fault. In this paper, transmission line fault traveling wave simulation and fault location problem.First, transmission line fault location research status and significance; elaborated T

7、ransmission Line characteristics of wave propagation. Secondly, this study is based on PSCAD HVDC transmission line fault traveling wave simulation. Single-stage high-voltage direct current transmission system as the research object, the control variable analysis of waveform characteristics of its f

8、ailure point of failure, and transmission line fault traveling wave is simulated and analyzed.Finally, the transmission line fault location. Main transmission line traveling wave method fault location combined with simulation studies.Keyword： Transmission lines, fault, traveling wave, simulation, fa

9、ult locationI目 录摘 要IABSTRACTII第一章 绪论11.1研究背景和意义11.2输电线路故障定位的要求11.3输电线路故障定位研究现状31.4本课题研究主要内容4第二章 输电线路行波传播特性研究52.1输电线路故障行波的传播规律52.2输电线路故障行波的特征常量72.3输电线路故障行波的捕获82.4本章小结10第三章 基于PSCAD的高压直流输电线路故障行波仿真分析113.1 PSCAD仿真软件简介113.2高压直流输电系统结构123.3单级HVDC输电线路故障行波仿真133.4本章小结19第四章 输电线路故障行波法定位研究204.1行波定位理论基础204.2单端行波定位

10、法204.3双端行波定位法214.4本章小结22第五章 总结23致谢24参考文献25第一章 绪 论第一章 绪论1.1研究背景和意义在我国电网规模大，结构复杂，大电网互联，高电压和远距离输电通道已成为我国电网的主干骨架，而且发电厂远离负荷中心，高压超高压输电线路星罗棋布、错综复杂，输电距离远、容量大、电压等级高，输电线路分布地域广，而且大多暴露在各种恶劣的环境中，很多线路跋山涉水、翻山越岭，线路很容易由于风偏、树枝短路、雷击、覆冰等原因造成短路故障。输电线路在电网中所占的比重和的作用也越来越大，输电线路作为电网的骨架，担负着连接电网及电气设备、传输电能的重要任务，是整个电力系统安全稳定运行的基础

11、。输电线路故障后会严重危及电网的安全稳定运行，短路点电压迅速降低并波及周边相连系统，大电流会烧毁电力设备、使保护动作，如不及时切除，将会使电网瞬间崩溃瓦解，造成大面积停电，使停电区域生活陷入瘫痪，给国民经济以及人民生活带来严重影响，甚至危及人身安全。因此要及时排除故障，首先要及时找出故障点。所以输电线路能进行快速准确的故障定位显得尤为重要，一方面能帮助巡线人员减轻大量的繁重劳动，特别是有些地方地势险要、人迹罕至，就算借助飞机巡线也很难到达，借助准确的故障定位，则可以很好地解决这一问题，节约大量的人力物力；另一方面，快速准确故障定位，可以帮助工作人员及时找到故障点并予以排除，及时恢复对停电区域供

12、电，减少对该地区人民的生活的影响以及由此带来的经济损失，从电网安全运行方面来看，可以减小对电网的冲击以及波及范围，对电网的安全与稳定也有极其重要的意义1。1.2输电线路故障定位的要求 输电线路故障在电力系统的危害是十分巨大的，对于输电线路故障定位来说，主要有如下要求2：1、可靠性对故障定位的可靠性要求，只要是线路故障有发生，不管是哪种故障类型，定位装置都要有可靠的启动并投入到定位工作中。当没有故障发生时，装置则要求其不动作，不会出现无故障而定位的现象。要求在算法上不管何种线路故障发生，不会因为算法本身的问题出现无法定位或定位结果不收敛等现象。2、准确性准确性是对定位装置最重要的要求，也是衡量定

13、位算法优劣的最重要的指标。如果定位结果出入较大则意味着定位算法很差甚至定位失败。一般用定位误差来衡量定位的准确性。误差分为绝对误差以及相对误差，绝对误差一般用定位结果同实际故障距离之差的绝对值来表示，表现为长度数据。相对误差则用绝对误差同线路全长的百分比来表示。为提高故障定位的准确性，一般应从以下几个方面考虑：（1）定位装置本身的误差。主要包括由硬件以及软件两方面引起的误差。硬件方面主要有：电压、电流互感器的精度、装置的采样频率、模数转化器的精度、字长等等。如CT在电流过大时会出现饱和，会使测得的波形畸变，干扰定位结果。电容式电压互感器传变高频分量能力较差，这就会影响某些利用故障高频分量进行定

14、位的算法的工作。有些定位算法需要很高的采样频率，如果装置的采样频率达不到要求也会结果有较大误差。软件方面主要是软件中的数学模型、定位算法原理等引起的误差。（2）线路两端的系统阻抗。有些定位算法要用到线路两端的系统阻抗，由于系统的运行方式是变化的，当给定的系统阻抗与实际不一致时，就会给这类定位算法带来误差。（3）故障点的过渡电阻。某些定位算法会受到故障点的过渡电阻的影响，如很多利用单端电气量进行故障定位的算法，定位误差会随着故障过渡电阻的增大而增大，当过渡电阻大到一定程度后，其定位误差甚至会达到让人无法接收。（4）线路的分布电容。输电线路是分布参数电路，其电感、电容、电导、电纳都是沿线均匀分布的

15、，实际中很多定位算法往往采用T型或型的集中参数电路模型来等效，忽略了线路的分布电容的影响，在输电线路较短时，其影响比较小，当线路较长时，这种影响就比较明显。（5）线路不对称。很多定位算法是基于三相参数对称的，如应用对称分量法。实际上由于线路各相的自感、互感、导纳等参数都不一样，若线路不是完全换位的，则参数就不是严格对称的，因此也会给相应的定位算法带来误差。3、经济性经济性就是要求定位装置要有较高的性价比，主要体现在定位装置的性能以及设备费用、维护运行费用等方面，一般要求在保证可靠性以及准确性的基础上使费用最低。此外，对故障定位要求不同于保护的一个很重要的方面就是，故障定位不要求有保护那样动作的

16、快速性。一般不会要求故障发生后要在毫秒级别那样短的时间内得结果。所以故障定位有充足的时间来处理数据。1.3输电线路故障定位研究现状随着科技的不断发展，计算机的普及以及GIS定位系统，在输电线路故障定位这方面的研究上有了比较大的成就，从二十世纪三四十年代开始，国外就已经对故障定位算法的进行研究，最早J.E.Allen以及G.J.Gross提出采用频率共振的方法进行故障定位，该方法在线路上连接一个频率源，在频率的定期间隔内，线路表现出一系列的共振特性，这些频率共振点之间的距离同故障距离直接相关。现在故障定位的方法也越来越多，按照比较常用的分类方法可以把故障定位分为：阻抗法、故障分析法、时域法和行波

17、法2。1、阻抗法。因为线路的阻抗和线路的长度是成正比，根据故障时测量到的电压、电流即可计算出故障回路的阻抗，所有在已知线路参数的条件下即可求出定位装置装设点到故障点的线路长度。阻抗法的基本思想正是利用这一原理进行故障定位的1。2、故障分析法。在线路参数已知以及系统运行方式确定的情况下，输电线路发生故障时，故障检测装置安装处的电流和电压是故障距离的函数，所有，通过分析计算故障，以及检测装置记录下的输电线路母线的电流和电压数据，就可求出故障距离。故障分析法定位的基本思路正是基于这一原理，利用故障时记录下的电压、电流数据分析计算得出故障距离的3。3、时域法。时域法也被称作偏微分公式法，主要是计算电压

18、电流的瞬时值。时域法采用分布参数线路模型，利用电压、电流是时间以及位置的函数这一关系，结合端点的边界条件求解偏微分公式，实现故障定位。4、行波法。当输电线路故障时，线路故障点会产生向线路两端传播的故障暂态电压和电流行波。行波包含丰富的故障信息，通过检测故障行波波头到达的时刻，结合行波的传播速度就可以实现故障定位。因为行波测距法的精度和可靠性在理论上不受故障电阻、线路类型、故障类型和两侧系统的影响。不过二十世纪中期因为暂态行波波速高、持续时间短，对检测装置的采样频率要求高，波头难以检测，获取行波信号需要附加的耦合设备投资大，再加上缺乏计算机或DSP等先进的数据检测、处理设备，早期行波法发展比较缓

19、慢，定位精度也比较低。但从上世纪六七十年代后，一方面随着行波理论研究的深入，人们在暂态数值计算、相摸变换、参数频变等方面做了大量工作，加深了人们对行波测距及相关知识的认识。另一方面随着计算机、各种信号处理设备等的大力发展，加上数字滤波、压缩编码技术、谱分析和相关分析等技术的引入，特别是新出现的GPS定位系统等卫星通信设备和小波理论，大大提高了行波的检测效率，使得行波法得到了突飞猛进的发展3。行波法故障定位也成为了现在重要的故障定位方法之一。1.4本课题研究主要内容当线路发生故障时，线路中存在故障点的电压以及电流行波，这些暂态故障行波包含故障方向、故障距离等丰富的故障信息。而且故障行波具有不受过

20、渡电阻、电流互感器饱以及、系统振荡以及长线分布电容影响等优点。本课题的主要内容有：1）研究输电线路行波的传播特性和特征常量，了解输电线路故障行波的产生过程和传递过程，明白输电线路故障行波的基本特征常量，如波速，波长等，同时研究输电线路故障行波的捕获的原理概念方法。2）使用PSCAD仿真软件对高压直流输电线路进行仿真分析，通过仿真分析单级高压直流输电线路在发生故障时的行波特点，和在不同故障类型和不同故障距离的时候其故障行波的特点。3）结合仿真研究输电线路行波法故障定位，输电线路行波法故障定位的方法主要分为单端法和双端法故障定位的原理和算法。3第二章 输电线路行波传播特性解析研究第二章 输电线路行

21、波传播特性研究通过前面仿真分析中我们了解到，在单级高压直流输电线路发生线路接地故障时其波形的特点。输电线路行波作为现阶段重要的故障定位的方法，其行波传播特性和特征常量又有哪些，同时在进行输电线路行波法故障定位时，其波头有时如果捕获的。本章节将对其进行相应的介绍，为接下来的行波法故障定位研究打好基础。2.1输电线路故障行波的传播规律当在线路的某一点出现电压电流的突然变化时，他会以电磁波的形式按一定的速度从该点向其他各点传播，而且在同一时间不会在其它地方同时出现。比如，当输电线路受到雷击的时候，在雷击点的导线先产生的高电压，会沿着导线向两边传播，在沿线路传播的时候电压波和其相伴一起传播的电流一般叫

22、做行波5。假设输电线路上某点F处发生短路，故障类型为金属性接地，此时F点的电压为零。则利用叠加原理，我们可以将故障点的电压等效为正常状态下此处的稳态电压以及故障附加电压两者相叠加，且故障附加电压的大小与该稳态电压的大小相等，方向与稳态电压的相反，如图2-1(b)所示。图2-1(b)又可拆分为图2-1(c)所示的正常状态网络以及图2-1(d)所示的故障状态网络。 （a）故障状态（b）故障等值状态（c）正常状态（d）故障分量网络图2-1 利用叠加原理分析故障产生的行波图中，以及是大小相等、方向相反的两个电压源，分别表示F点处的正常电压以及故障附加电压。行波正是在的作用下产生的，包括电流行波以及电压

23、行波，产生于F点，向线路两端传播，并在两端多次反射、折射。由于电感以及电容沿线路的均匀分布，使得电压在线路上是以一定速度向正x以及负x方向运动的，即电场以一定速度向线路两端运动。与此同时，在电容充电时，流过电感的电流会建立磁场。由于的运动，使得对应的电流也以一定速度运动，即对应磁场也以一定速度运动。这个运动的以及就叫做电压行波以及电流行波。对于理想的均匀传输线（电容、电感沿线均匀分布，忽略电阻以及电导），线路上任意位置x处的电压以及电流是时间以及位置x的函数，满足微分方程： （2-1） （2-2）其中，L 以及C 分别表示单位长度线路的电感以及对地电容。进一步变换上式可得到波动方程： （2-3

24、） （2-4）其达朗贝尔解为： （2-5） （2-6）式中，表示沿正x方向传播的前行波，表示沿正x方向传播的前行波。表示行波波速,表示行波线路的波阻抗。2.2输电线路故障行波的特征常量电力线路在输送电能时是以电磁波的形式传播的，在忽略电阻以及电导的情况下，其线性行波的传播速度为： 。将线路的电感以及电容代入上式，可以发现架空线路的行波传播速度接近于光速，即。行波波长是指行波相位差正好等于2的两点之间的距离。行波波速的计算：对于单相理想输电线路，当忽略线路参数的频率相关性时，行波波速为。实际的输电线路均为三相有损线路，各相之间存在耦合电容、电感的影响，常采用相模变换对其加以解耦： （2-7） （

25、2-8）其中，以及分别表示模电流以及模电压，以及分别表示相电流以及相电压，即，以及分别表示变换矩阵。克拉克变换以及凯伦贝尔变换是两种常用的变换，对应的变换矩阵分别为:克拉克变换矩阵：凯伦贝尔变换矩阵：变换后，将三个相互耦合的相分量、变成三个相互独立的模分量、。变换后的模阻抗以及模波速分别为： （2-9） （2-10） （2-11） （2-12）其中， ，分别表示单位长度线路的正序电感、正序电容、零序电感、零序电容。当计及线路的电阻、电导，并考虑线路的依频参数特性时，行波的波速由下式决定。 （2-12）式中，、和表示线路单位长度的技术参数，即分别为电阻、电感、电容以及电导，为角频率。2.3输电线

26、路故障行波的捕获在输电线路故障定位有阻抗法、故障分析法、时域法和行波法，在本课题中主要是研究输电线路故障行波，而行波法的关键之一是准确捕捉行波波头，确定行波的到达时间。目前比较常用的捕捉行波波头的方法有小波模极大值法、互相关函数法、求导数法、数学形态学等方法6。1）小波模极大值法行波信息复杂丰富，而且存在突变，当检测到突变点时，就表示检测到了行波波头，对应的时刻就是行波的到达时刻。因此，捕捉行波波头可以看做是检测行波的突变点。小波变换被称作数学显微镜，它是一种非常适合检测突变信号的工具。小波变换通过构造合理的小波基函数，选择合适的尺度因子，能够做到有效放大所需的行波突变信号而抑制噪声干扰信号。

27、小波变换模极大值的大小表现为信号变化的强度，极性则对应信号的方向。小波模极大值能很好反映突变信号的特性，其出现时刻可以看做行波波头到达检测点的时刻。2）互相关函数法互相关函数法的基本原理：假设有两个离散信号 x (n)以及y (n)，则它们的互相关函数可表示为： （2-14）上式中，N 表示信号的长度。在故障定位时，首先选取一定长度时间窗的包含初始行波波头的电压或电流信号以及，对其进行如下预处理： （2-15） （2-16）然后对它们进行互相关运算，所得运算结果的最大值点就可以看做是行波的第二个反射波头到达监测点的时刻。互相关法原理简单，但由于实际行波的复杂性，使得实际实现起来仍有一些困难。3

28、）求导数法由于行波信号是一突变信号，其到达时电压以及电流会突变。因此，可以通过检测电压或电流行波的突变点，即可捕捉到行波波头。常用的方法是通过检测电压或电流信号的幅值的变化斜率，即对其求一阶导数，看导数值是否超过某一门槛值来判断波头是否到达。为消除其他原因造成的波形畸变可能带来的干扰，也可以求取二阶导数来判断。求导数法实际实现起来，抗干扰能力较差，容易产生误判。4）数学形态学法数学形态学方法采用集合来描述目标信号, 首先设计合适的结构元素。在处理信号时，通过移动结构元素，有用的信息被提取出来。常用的形态函数是膨胀以及腐蚀。设待处理信号为，定义域：D0,1,2,···

29、;N；结构元素序列为，定义域：D0,1,2,···P；整数N 以及P 满足：。定义膨胀以及腐蚀如下： （2-17） （2-18）其中，以及分别表示膨胀以及腐蚀运算。将两者的差分定义为形态学梯度： （2-19）若某点的梯度值大, 则认为该点信号有明显的变化，表示此处有突变量。这一特征可以很好的用来提取行波的突变信息。2.4本章小结当输电线路受到雷击的时候，在雷击点的导线先产生的高电压，会沿着导线向两边传播，在沿线路传播的时候电压波和其相伴一起传播的电流一般叫做行波。本章主要介绍了，输电线路行波的行波传播特性特征常量已经行波波头的捕获方法。输电线路故障行波在传递的过程

30、中，因为是以类电磁波的形式，所以其传播速度很快，而且又由前文知道在不同故障类型故障距离其故障点产生的行波有较大的区别，通过对行波传播特性的研究，为以行波法故障定位的研究做好理论基础。9第三章 基于PSCAD的高压直流输电线路故障行波仿真分析第三章 基于PSCAD的高压直流输电线路故障行波仿真分析输电线路发生故障之后，在继电保护装置的作用下将故障线路切除。而瞬时性故障时，需采取重合闸的方法使输电线路恢复正常运行；对于永久性故障，输电线路会在重合闸之后再次跳开开关，在完成上述工作后就要进行故障定位，即查找出故障点并修复故障部分。现在输电线路长度一般有几百公里，而继电保护装置的作用识别出故障发生在保

31、护区内发出跳闸命令，这是因为继电保护对实时性要求特别高，所以不可能给出准确的故障点位置。而故障定位装置就是利用线路故障前以及后的线路电压以及电流信号，在故障后，采用一些算法来计算输电线路故障点到数据采集点的距离。在进行输电线路故障定位之前，我先对高压直流输电系统进行仿真，对其行波特点及其传播特性有个视觉上的认识和了解。本课题采用PSCAD仿真软件对单级高压直流输电线路进行仿真。随后通过仿真进行输电线路故障定位的研究11。3.1 PSCAD仿真软件简介PSCAD作为电力系统以及电力电子控制器的模拟器在RTDS实数字仿真或混合数字仿真的图形用户界面上取得了极大的成功。相对于其他仿真软件PSCAD具

32、有大规模的计算容量、准确完整的元件模型库、高效稳定的计算内核、便捷的界面和良好的开放性等特点。PSCAD是电力系统计算机辅助设计中的代表，PSCAD能更方便快捷地进行电力系统分析，使复杂电力系统研究分析得到更好的进行。现在我使用是PSCAD V4.2.1。这个版本用户可以通过调用随EMTDC主程序一起提供的库程序模块或利用用户自己开发的元部件模型有效地组装任何可以想象出的电力系统模型和结构。可以较为简单地模拟复杂电力系统, 包括直流输电系统和其相关的控制系统。 采用 PSCAD/EMTDC进行的典型模拟研究包括：l 一般的交流电力系统电磁暂态研究l 直流输电结构和控制l FACTS(灵活交流输

33、电系统)元部件模型l 由于故障、断路器操作或雷电冲击引起的电力系统的过电压研究l 绝缘配合研究l 谐波相互影响研究l 静止补偿器研究l 非线性控制系统研究l 变压器饱和研究, 如铁磁振荡和铁芯饱和不稳定性研究l 同步发电机和感应电动机的扭矩效应和自励磁研究l 陡前波分析l 研究当一台多轴系发电机与串补线路或电力电子设备相互作用时的次同步谐振现象l 向孤立负荷送电电力系统数字仿真实验室使用PSCAD/EMTDC主要进行一般的交流电力系统电磁暂态研究，进行简单和复杂电力系统的故障建模及故障仿真，分析电力系统故障电磁暂态过程。而我们现在将用PSCAD进行直流输电线路故障行波的仿真，首先我们要先建立一

34、个高压直流输电数字仿真系统。而PSCAD中进行故障建模及仿真的主要流程如下图所示：图3-1 PSCAD/EMTDC故障建模及仿真流程3.2高压直流输电系统结构直流输电工程的系统结构可分为两端直流输电系统和多端直流输电系统两大类，目前世界上已运行的直流输电工程大多为两端直流输电系统。两端直流输电系统的构成主要有整流站、逆变站和直流输电线路三部分。两端直流输电系统又分为单极系统、双极系统和背靠背直流系统三种类型。在本次研究中我们使用的是单级高压直流输电系统，双端单级直流输电系统和双端双极直流输电系统的区别主要就其联络线的不同。单级通常采用一根负极性的导线，由大地或水堤供回路，如果当地电阻过高或者环

35、境要求不充许，可以用金属回路代替大地回路。单级直流输电系统是构建双极系统的基础。图5-2所示为两端单极直流输电系统构成的原理图12。图3-2 两端单级直流输电系统构成原理图3.3单级HVDC输电线路故障行波仿真 用PSCAD仿真软件建立单级HVDC系统，系统如图4-4所示，采用理想电源直流电压源±500KV、线路长240KM。图3-3 单级HVDC系统仿真图下面简单介绍下，PSCAD仿真图中对应的元件以及其作用。图3-4(a)所示是理想直流电压源，在仿真中由理想直流电源代替两边的的交流系统。图3-4(b)为平波电抗器，其作用为降低直流线路中的谐波电压以及电流；防止逆变器换相失败；防止

36、轻负荷电流不连续；限制直流线路短路期间整流器中的峰值电流。图3-4(c)为直流滤波器，换流器在交流以及直流两侧均产生谐波电压以及谐波电流这些谐波可能导致电容器以及附近的电机过热，并且干扰远动通信系统直流滤波器的作用就是过滤掉这些谐波电压和谐波电流。 图3-4为直流输电线路部分，在仿真中建立两个输电路线模型，在两个模型中间即为故障点，通过改变两变模型的距离而改变输电线路故障的距离。a) 理想直流电压源 b) 平波电抗器 c）直流滤波器d）输电线路图3-4 高压直流输电系统参数模型输电线路故障按故障性质可以分为金属接地故障和非金属性接地故障：（1）金属接地故障。包括纯金属接地和近似金属接地（如电弧

37、短路）。一般由外力破坏、雷击、风偏等原因造成。在波形上表现为正弦波，持续时间一般只有几十毫秒，绝大部分可以重合闸成功。（2）非金属性接地故障。一般由山火、鸟害、树线放电、污闪等原因造成的短路，这类短路一般短路电阻较大，在波形上表现为畸变，持续时间长，一般重合闸不易成功。而在PSCAD仿真软件中可以通过Facut改变输电线路中的过电阻而改变故障类型，在本次仿真研究中主要研究1、比较不同故障类型时其故障点产生行波的特点如图2-6，2、研究金属接地故障即过电阻为0时不同故障距离的行波特点如图2-7。仿真分析：系统正常运行时两端波形如图2-5所示：a）整流侧电压波形b）整流侧电流波形c）逆变侧电压波形

38、d) 逆变测电流波形图3-5 系统正常运行时两端波形故障点相同，比较系统发生故障时，过电阻0、50、100、200、300时末端电压电流波头的不同。由fault 改变其过电阻值即改变故障类型。故障发生在0.5s历时0.01s。仿真结果如下图3-6。a) 过渡电阻0b) 过渡电阻50c) 过渡电阻100d) 过渡电阻300图3-6 不同过电阻时故障点电压行波对比图观察比较图3-6不同过电阻时，在整流侧和逆变侧测到的故障点电压波形，我们发现，随着过电阻的变大，其故障点传到整流侧的波形相对比较稳定，振幅也变小。当故障类型相同，在不同故障点波形的特点，采用故障变量法，线路总长240KM，均是金属性接地

39、故障，改变故障距离，观察其故障波形的特点：a) 故障距离10KMb)故障距离 60KMc) 故障距离120KM图3-7 故障距离不同时故障点电压波形 从上图中我们可以发现，相同故障类型时，不同故障距离其产生的故障行波也不相同，故障点离测站越远其产生的电压行波相对振幅越小，波长越小。当故障点是线路的中点时其传到两边的波形的波头是重合的。根据其不同故障点技巧不同故障类型行波波头的不同对其分析。正方向的尖波头是刚开始到来的行波，负方向的尖波头是行波在始端反射之后又在故障点反射回来的行波。再根据前面所接受故障的定位方法，我们可以根据故障行波的波头，按照一定的算法可以计算出其故障点的距离。3.4本章小结

40、本章对PSCAD仿真软件进行简单的介绍，并通过PSCAD对高压直流输电线路进行仿真，通过仿真分析单级高压直流输电线路在发生故障时，其故障点行波的特点。运用控制变量法对高压直流输电线路在不同故障类型和不同故障距离时的的行波特点。仿真结果表明，输电线路线路故障点的行波会因为故障类型和故障类型的不同有明显的变化规律。当输电线路发生故障时，行波从母线向故障点开始传播经过一段时间后，从故障点又反射回来，这段时间间隔和故障距离成正比的特点，可以进行故障定位。23第四章 输电线路故障行波法定位研究第四章 输电线路故障行波法定位研究通过前文的仿真分析可知：输电线路发生故障时行波特点、传播规律及故障行波捕获原理

41、等。本章对输电线路金属接地故障采用行波定位方法进行定位研究。4.1行波定位理论基础当输电线路某一点发生故障时，需要寻找线路故障点，再根据故障造成损坏程度来判断线路维护的方法，是应该停电检修还是继续运行。所以，要求迅速准确的定位输电线路的故障位置，才能缩短故障修复时间，减少停电损失，提高供电可靠性。准确测出故障点位置，对由重合成功的瞬时性故障来说，可以判断是雷电过电压还是由于线路绝缘子老化，线路下树枝摆动引起的线路故障。故障定位是，当线路某一点发生故障时，通过线路两端的电气量如电流，电压以及线路阻抗等参数计算出故障距离。通常传统的方法是直接计算故障阻抗或者其百分比，然而该方法具有一定的局限性很难

42、保证精确度，特别是对于孤独电阻，系统阻抗以及负荷电流等因素。所以在高压输电线路中，利用故障产生的暂态行波信号进行分析与计算。即行波法。一般有两种定位方法，即单端行波定位法以及双端行波定位法10。4.2单端行波定位法单端行波定位法是指只利用保护安装处一侧的电气分量的暂态行波来进行分析计算故障点。对一般性的故障，要求要准确求出初始行波波头和从故障点反射回测量端的时间差，原理用如下公式表示： （4-1）表示故障点到测站的距离；和分别表示故障产生电气分量的初始行波从第一次传到测量点的时间和从故障点反射回到测量点的时间；行波的传播速度。不过，对于特殊故障比如高阻接地故障，单端行波定位法的关键是准确的求出

43、行波第一次到达测量端和对端母线反射回测量端的时间差。定位公式如下： （4-2）其中，表示故障点到测站的距离；是线路的总长度，是故障产生的行波从对端母线反射回测量点的时间。而常用传统的单端行波定位算法：相关法、求导数法、匹配滤波器法和主频率法等。导数法：是根据保护安装处的电气分量行波的一阶导数值和二阶导数值有没有超过整定值来判断行波波头有没有到达母线，这种方法适用在行波中含有高频分量的故障，如近距离故障等，不过精度容易受的噪声影响。相关法：是利用互相关函数求出到达母线行波与从故障点反射回母线的时间差。匹配滤波器法：是建立在相关法的基础上，其通过高通滤波器来反映行波波头分量，从而提高定位的可靠性以

44、及精度。主频率法：是由较长时间段来考察行波频率范围，而使得所求行波主频率较低且定位精度也受到影响。单端行波定位法优点有：比双端行波定位法的成本低一半以上，可以不需要全球定位系统以及两端数据通信等，测量结果实时性较高。因为其定位基本上不受线路两端设备以及硬件时间不一致的影响，如果能准确判断故障点反射或者折射回测量处的行波波头，单端定位精度也能满足电力系统对精确故障定位的需求。单端行波定位法的缺点有：在多线路结构以及故障情况下无法进行单端定位，存在定位死区问题。由于行波在特征阻抗变化处的折射反射情况复杂，而且非故障线路不是无限长，测量点折射过去的行波分量一定时间内会从测量点折射回故障线路，会产生再

45、次的反射过程，会使得反射与折射的行波相混淆，从而定位误差大小难以确定。4.3双端行波定位法双端行波定位法的原理是通过计算故障行波到达线路两端时间差来计算故障位置，其定位精度基本不受线路故障位置、故障类型、线路长度、过渡电阻等因素的影响。原理公式如下： （4-3） （4-4）公式中和为故障点到两端的距离；和为行波到达线路两端的时间。所以双端定位需要专用的时间同步单元，一般用 GPS 全球定位系统作为双端定位行波法的时间同步单元。双端行波法的优点：1、因为两端母线皆只用检测第一个到达的初始行波的波头，所以线路的过渡电阻的电弧特性、系统运行方式的变化、线路的分布电容以及负荷电流对定位复杂性不会造成大

46、的影响，其结果的可靠性更高相对与单端行波法定位来说。2、双端行波定位结果精度高，其误差可在500m以内，能够满足电力系统的对精确故障定位的要求。3、输电线路的长度参数一般都是通过设计参数或者实测参数得到，而设计参数一般和线路施工后的实际参数会有一定差别的，而且由于测量线路长度等参数对于实验条件的要求很高，通常会导致测量参数结果不准确，所以双端行波法定位通过用它功过区外故障以及区内故障的校核输电线路实际长度，对继电保护的整定计算其有重要意义。双端行波定位法的缺点：双端行波定位成本较高，而且需要 GPS 时间定位系统以及铺设两端通信通道。此外在测量多回线路结构系统的故障定位时，因为其原理上的缺陷，

47、需要单端行波法作为补充。4.4本章小结本章主要介绍了输电线路故障定位中的行波法定位的算法。行波法故障定位的方法又分为单端和双端。两个相对，单端行波定位的成本会相对低一半，可以不需要全球定位系统以及两端数据通信等，测量结果实时性较高。但是受线路结构，线路长短的影响，在再次反射的过程时会使得反射与折射的行波相混淆，从而定位误差大小难以确定。然后双端定位法只需要检测第一个到达的初始行波的波头，受到其他因素的影响较少，具有更高的可靠性。但是双端成本较高，而且需要 GPS 时间定位系统以及铺设两端通信通道。通过行波法进行故障定位，所需要测量的只是故障行波波头的那一部分，具有时效性和准确性，所以故障行波是

48、本课题的研究重点。第五章 总结第五章 总结输电线路作为电网的骨架，担负着连接电网及电气设备、传输电能的重要任务，是整个电力系统安全稳定运行的基础。输电线路故障后会严重危及电网的安全稳定运行，短路点电压迅速降低并波及周边相连系统，大电流会烧毁电力设备、使保护动作，如不及时切除，将会使电网瞬间崩溃瓦解，造成大面积停电，使停电区域生活陷入瘫痪，给国民经济以及人民生活带来严重影响，甚至危及人身安全。对于输电线路故障定位来说，要求其可靠和准确，又考虑到其可行性，所以故障定位还要考虑其经济性。现有故障定位的方法有阻抗法、故障分析法、时域法和行波法。阻抗法、故障分析法、时域法和行波法。而行波法故障定位的精度和可靠性在理论上不受故障电阻、线路类型、故障类型和两侧系统的影响，是现在输电线路的一个研究热点也是本文的研究方向。论文工作主要包括：1、输电线路故障点行波特性、输电线路故障行波的产生及传播、输电线路故障行波的一些概念、输电线路故障行波