聲明 本人鄭重聲明 此處所提交的碩士學位論文 配電網行波故障定位技術的研究 是本人在華北電力大學攻讀碩士學位期問 在導師指導下進行的研究工作和取得的研究 成果 據本人所知 除了文中特別加以標注和致謝之處外 論文中不包含其他人已經發 表或撰寫過的研究成果 也不包含為獲得華北電力大學或其他教育機構的學位或證書而 使用過的材料 與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的 說明并表示了謝意 學位論文作者簽名 鎣絲變日期 矽衛生魚 關于學位論文使用授權的說明 本人完全了解華北電力大學有關保留 使用學位論文的規定 即 學校有權保管 并向有關部門送交學位論文的原件與復印件 學校可以采用影印 縮印或其它復制手 段復制并保存學位論文 學校可允許學位論文被查閱或借閱 學校可以學術交流為 目的 復制贈送和交換學位論文 同意學校可以用不同方式在不同媒體上發表 傳播 學位論文的全部或部分內容 涉密的學位論文在解密后遵守此規定 作者簽名 蒜秀曼 導師簽名 趕竺國 日期 塑2 叢口期 迦2 叢 華北電力大學碩士學位論文 1 1 課題的研究背景 第一章緒論 在我國6 6 6 k v 配電網中 廣泛采用中性點不接地或經消弧線圈接地的運行方 式 即為小電流接地系統 此種系統發生單相接地故障時 由于大地與中性點之間 沒有直接電氣連接或串接了電抗器 因此短路電流很小 保護裝置不需要立刻動作 跳閘 從而提高了系統運行的可靠性 尤其在瞬時故障條件下 短路點可以自行滅 弧恢復絕緣 不需要運行人員采取什么措施 這對于減少用戶短時停電次數具有積 極意義 但是隨之而來的問題是 如果故障是永久性的 系統僅僅允許在故障情況 下繼續運行1 2 個小時 此時運行人員必須盡快查明短路線路和短路點 以便采 取相應對策解除故障 恢復系統正常運行 隨著系統容量的增長 饋線增多 導致 系統電容電流增大 如果發生單相接地故障 長時間帶故障運行容易誘發持續時間 長 影響面廣的間歇電弧過電壓 進而損壞設備 破壞系統安全運行 這就提出了 小電流接地系統的單相接地故障選線和故障定位問題 作為最早研究小電流接地系統單相接地故障選線技術的單位之一 我們課題組 得到了國家自然科學基金的支持 經過了幾年的研究 選線技術取得了突破性進展 研制了小電流接地系統選線裝置 采用智能比幅比相法 諧波比幅比相法 小波法 首半波法等方法進行故障選線 融合了有效域技術和連續選線技術等先進技術 如 今選線成功率通過實測統計不低于9 5 選線裝置已在遼寧 山西 河北等地投運 和推廣 運行效果很好 滿足了配電網運行對選線的要求 選線問題解決之后 配電網單相接地故障定位問題就提到日程上來了 本文以 后所指的配電網故障定位問題 都是特指配電網單相接地故障定位問題 當前配電線路故障定位方法是在確定接地線路后 由人工沿線路尋找故障點 隨著配電網網架的加強 線路增長 分支線路也增多 線路變得復雜 用傳統的巡 線方法找出具體故障點的位置非常困難 少則幾小時 甚至數十小時 不僅耗費了 大量人力物力 而且延長了停電時間 影響供電可靠性 尤其是在氣候嚴寒的冬季 或雨雪天氣 現有尋找故障點的方法勞動強度非常大 難以適應當 i 生產的需求 解決配電網故障定位問題將大大降低電氣維護人員的工作難度和工作量 大大 縮短因故障造成的停電時間 極大地降低由于停電造成的工農業生產損失 必將產 生巨大的經濟效益和社會效益 華北電力大學碩十學位論文 1 2 國內外研究現狀 目前 國內外學者對l l o k v 及其以上高壓輸電線路故障定位問題進行了大量研 究 且已經取得實用性進展 而配電網故障定位問題還沒有真正有效的解決辦法 原因在于 首先 高壓輸電網采用中性點有效接地的接地方式 屬于大電流接地系 統 故障信號明顯 易于判別提取 而配電網采用中性點非有效接地的接地方式 發生單相接地故障后 故障電流為各非故障線路電容電流之和 與中性點接地的大 電流接地系統相比 數值較小 故障信號較弱 故障特征量難以獲得 其次 高壓 輸電線從線路的始端到末端是一回線到底 中間沒有分支 而配電網是多分支的復 雜網狀結構 進行配電網故障定位時 既要知道故障點的距離 又要知道故障點在 哪一個分支 滿足故障距離的分支可能有多個 要確定真故障點 必須排除偽故障 點的干擾 以上兩點都說明了 適用于高壓輸電線路的故障定位方法不一定能適用 于配電網的故障定位問題 1 2 1 國內研究現狀 目前 國內對配電線路故障定位的研究按原理可以分為 阻抗法 行波法 s 注入法和 故障指示器 技術 阻抗法 其故障測距原理是假定線路為均勻線 在不同故障類型條件下計算出 的故障回路阻抗或電抗與測量點到故障點的距離成j 下比 從而通過計算故障時測量 點的阻抗或電抗值除以線路的單位阻抗或電抗值得到測量點到故障點的距離 阻 抗法具有投資少的優點 但受路徑阻抗 線路負荷和電源參數的影響較大 對于帶 有多分支的配電線路 阻抗法無法排除偽故障點 只適合于結構比較簡單的線路1 1 行波法 根據行波傳輸理論實現故障定位 一般可分為a b c 型幾類 a 型行波法是利用故障點產生的行波 根據測量點到故障點往返一次的時l 日j 和行波波 速來確定故障點的位置 b 型行波法是利用故障點產生的行波到達線路兩端的時刻 并借助通信聯系實現故障定位 c 型行波法是在故障發生后由裝置發射高壓高頻或 直流脈沖信號 根據高頻脈沖從裝置至故障點往返時問進行定位f 2 1 文獻 3 提出了 一種綜合利用故障初始電流 電壓行波線模分量實現配電線路雙端測距的方法 文 獻 4 通過對故障產生的暫態行波進行檢測 分析來實現故障定位 文獻 5 提出了在 線檢測電壓行波的雙端故障測距方法 s 注入法 其原理是通過母線p t 向接地線的接地相注入信號電流 其基波頻率 處于工頻n 次諧波與n 1 次諧波之間 然后利用專用的信號電流探測器查找故障線 路和故障點1 6 j 文獻 7 考慮到線路停電后絕緣可能恢復 在基于注入信號法的基礎 上 提出了一種離線故障定位新方法 該方法首先通過外加直流高壓使接地點處于 保持擊穿狀態 然后注入交流檢測信號 通過尋蹤注入的交流信號找出故障的準確 2 華北電力大學碩十學位論文 位置 s 注入法的缺點在于 注入信號的能量有限 如果故障點經很大電阻接地 或者故障點距離線路始端很遠 那么信號將很微弱無法準確測量 8 1 s 注入法在接 地過渡電阻較小的情況下 有較高的定位精度 注入信號電流后 沿接地線路進行 探測 注入信號電流消失點 即接地點 對于有分支線的情況 只要離開分支點6 m 對每一分支進行探測 探測到信號電流的分支即接地點所在分支 6 1 故障指示器 技術 9 該技術得到了實用化 其原理為在變電站故障相母線 上注入信號電流 該信號電流由變電站發送 經故障路徑通過接地點流入大地返回 信號源 掛在故障路徑的故障指示器檢測到該信號立即給出指示 翻牌 掛在非 故障路徑上指示不動 牌不翻 指示器翻牌表示接地點在該指示器的下游 在分 支點 根據指示器的動作與否 判斷出哪一分支是故障分支 運行人員按指示器的 引導向前巡視 直至找到故障接地 故障分支和接地故障點 最早的故障指示器用 于尋找短路故障分支和短路故障點 隨后故障指示器推廣應用到小電流接地電網單 相接地故障選線 稱為接地故障指示器 接地故障指示器和短路故障指示器在我國 中壓配電網都有所應用 故障指示器的優點是結構和原理簡單 價格便宜 安裝容 易 用戶反映短路故障指示器的實用效果還是比較好的 而接地故障指示器的使用 效果則不很理想 正確率不高 電網發生單相接地故障時常常沒有反應 可見 接 地故障指示器技術不能圓滿解決配電網故障定位問題 1 2 2 國外研究現狀 同本 美國和歐洲的許多國家都在研究和使用短路故障指示器 主要用于指示 配電線路短路電流的路徑 給巡線人員指明短路故障所在的出線 分支和區段 在 這方面國外的技術水平和國內相近 國外對接地故障指示器的研究和應用較少 另外 歐洲一些地區的故障定位技術主要是利用饋線自動化裝置確定故障區 段 然后由人工尋線來找到故障點 配電系統安裝饋線自動化裝置 即在線路上安 裝有自動分段開關和檢測裝置 故障后利用自動分段開關的相互配合 確定故障區 段并將故障區段隔離 但是這種方法只能確定故障區段 并不能確定故障位置 而 且饋線自動化投資大 維護復雜 國外的學者關于行波定位法在配電網中的應用也進行了大量的研究 文獻 1 0 卜一 1 5 分別提出利用故障自身產生的行波信號進行單端定位或雙端定位的方法 其中文獻 1 0 1 4 通過仿真進行驗證 文獻 1 5 利用現場試驗進行驗證 1 3 存在的難點 國內外對配電網故障定位的研究 雖然有一定進展 但都沒有取得突破 離圓 滿解決還有相當距離 調查表明 目前尚沒有哪一種定位方法在實際運行中取得了 華北電力大學碩十學位論文 滿意的定位效果 配電網故障定位技術的研究任重而道遠 需要更進一步的研究 根據大量的試驗和研究 發現配電網故障定位問題存在的難點包括以下內容 1 建模難 現場試驗難 分布參數線路的數學模型屬于偏微分方程 配電網分支線眾多 結構復雜 尚 未見到有關配電網數學建模的相關文獻發表 如果數學模型不能實現 隨之而來的 就是物理模型也不能實現 因為物理模型都是在數學模型的基礎上實現的 研究配 電網故障定位問題如果既不能用數學模型 又不能用物理模型 那么唯一的出路就 是進行現場試驗了 而電力系統關系到國計民生 停電影響千家萬戶 現場試驗一 直難以進行 2 如何從采集到的行波數據中辨識出故障點的信息 對于行波定位法來說 如何從采集到的行波數據中辨識出故障點的信息是一個 難題 第一 由于行波以近似于光速傳播 十萬分之一秒的微小誤差 給定位帶來 的都將是1 公里的距離誤差 如何排除波速不確定帶來的定位誤差是一個難點 第 二 配電網的眾多分支導致了反射波太多 分支節點和端點都有反射波 難以分清 哪個是故障點反射波 哪個是節點和端點反射波 第三 經過分支衰減后的行波信 號 已經非常微弱 然而線路上存在著電磁干擾 這些干擾的幅值有時甚至和信號 的強度接近 因此如何去除這些干擾的影響變得至關重要 第四 因為分支線眾多 滿足所測故障距離的點往往不止 個 而是多個 要找到真正的故障點就需要排除 偽故障點 1 4 解決問題的整體思路 針對配電網故障定位問題存在的難點 解決該問題的整體思路如下 1 從簡單到復雜 配電網單相接地故障定位是個復雜的問題 復雜問題的解決是個逐步實現的過 程 不可能 蹴而就 要從簡單到復雜 逐步深入 逐步完善 配電網有1 0 k v 3 5 k v 和6 6k v 幾個級別 l ok v 配電線拓撲結構最復雜 接地故障也最頻繁 最需 要故障定位技術 但解決起來困難也最大 3 5k v 線路和6 6k v 網絡結構簡單 節 點少 分支也少 研究工作從3 5k v 電網的故障定位問題入手 容易取得突破 3 5 k v 電網的故障定位問題如果取得成功 就可以為解決1 0 k v 電網的故障定位問題奠 定基礎 2 根據配電網自身的特點 采用合適的定位方法 輸電網行波定位技術的成功給了我們很大鼓舞和啟發 但直接把輸電網行波定 位技術轉化為配電網行波定位技術并不可行 因為配電線路帶有分支 行波在配電 線路上的流動遠不像在輸電線路上那樣簡單 要解決配電網故障定位問題 就應 4 華北電力大學碩士學位論文 根據配電網自身的特點 采用合適的定位方法 1 5 本文的主要工作 本文主要研究配電網單相接地故障定位問題 在了解了國內外研究現狀 充分 認識該問題難度的基礎上 針對研究對象的特點 展開研究工作 本文的主要研究 工作分為以下幾個部分 第一部分 本文的第二章 在研究和比較了現有故障定位方法的基礎上 根據配 電網的自身特點 結合現場試驗 選擇了c 型行波法作為主要研究對象 c 型行波 法的主要優點是不需要巡線 定位速度快 可以進行多次定位 提出了 特征波 的概念來分析注入脈沖信號在帶分支線路上的傳播過程 經過試驗發現 c 型行波 法適用于接地過渡電阻不大于3 垃的配電網故障定位問題 為了進一步提高定位精 度 提出將c 型行波法和s 注入法結合起來 優勢互補 實現快速準確的綜合定位 該方案的可行性在現場試驗中得到了驗證 第二部分 本文的第三章 主要研究了行波故障定位數學模型 為了徹底解決配 電網故障定位問題 只有建立行波故障定位數學模型 深入了解行波在配電線路上 的傳播過程 在介紹了傳輸線波動方程的基礎上 利用偏微分方程的數值解法 分 別建立了無損線模型和有損線模型的離散格式 并分析了離散格式的穩定性 確定 了不同情況下的邊界條件 進行了數值試驗 效果較好 第三部分 本文的第四章 主要研究了配電網行波故障定位信息辨識處理技術 主要對c 型行波法采集到的數據進行分析處理 得到故障點的信息 由于配電網帶 有分支 故障點的信息就包含了故障點與測量點之 日j 的距離 故障點所在線路的區 段 確定行波在線路上的傳播速度后 再比較線路正常時的行波波形與線路故障時 的行波波形 就可以確定故障點與測量點之間的距離 通過識別行波的特征波 可 以確定故障點所在的區段 對行波信號的采樣率往往取得較高 高采樣頻率容易受 到各種噪聲影響 使定位的準確性降低 小波變換是處理行波信號的有力工具 采 用了軟閾值化算法對行波信號進行消噪處理 形成了完整的配電網行波故障定位信 息辨識處理方法 通過將該方法應用到對現場試驗的數據分析中 驗證了其有效性 第四部分 本文的第五章 主要介紹配電網故障定位裝置的設計與開發 詳細說 明了故障定位裝置的總體框架的設計 各模塊的功能 接口及通信規約的擬定 介 紹了該裝置對行波信號進行高速采集的過程 采用了四川中科動態儀器有限公司的 p c l 4 7 1 2 數據采集卡 其最高采樣率達到4 0 m h z 能滿足行波定位的要求 設計并 開發了配電網故障定位裝置主控軟件 該主控軟件采用了d e l p h i 可視集成開發環境 由面向對象程序設計 在w i n d o w s 系統下進行開發 實現了故障定位主控軟件的可 視化 使現場運行人員能夠方便有效地找出故障點 提高工作效率 華北電力大學碩士學位論文 第二章配電網故障定位實用方法的研究 配電系統中線路單相接地故障定位問題是一個至今在國內外還沒有很好解決 的難題 16 1 在研究和比較了現有故障定位方法的基礎上 根據配電網的自身特點 結合現場試驗 選擇了c 型行波法作為主要研究對象 詳細介紹了c 型行波法的相 關原理 并對c 型行波法的適用范圍進行了試驗分析 為了進一步提高定位精度 提出將c 型行波法和s 注入法結合起來 進行綜合定位 2 1 配電網故障定位實用方法的選擇 近年來 有學者嘗試將輸電網的故障定位技術應用于配電網 輸電網故障定位技術 目前較為成熟 主要分為阻抗法和行波法兩大類 1 7 經過研究分析 發現阻抗法和a b 型行波法雖然已在輸電網故障定位中得到廣泛的應用 但卻不能適用于配電網故 障定位 對于阻抗法來說 受路徑阻抗 線路負荷和電源參數的影響較大 對于帶有多 分支的配電線路 阻抗法無法排除偽故障點 它只適合于結構比較簡單的線路 1 對于a 型行波法 由于配電網分支多 從測量端到故障點往返兩次將產生大量反射 行波 不易進行區分 對于b 型行波法 由于線路含有多個終端 因此不易進行多 個信息源的信號同步 如果在多個終端采用g p s 進行同步 投資太大 配電網對于單相瞬時接地故障不用進行故障定位 故障能夠自動消失并恢復絕 緣 對于永久性接地故障一般需要先將線路斷開 然后進行故障定位 針對這個特 點 我們發現c 型行波法能夠適用于配電網 該方法有以下優點 首先 該方法不 需要巡線 定位速度快 其次 該方法在進行故障定位時可以重復的判斷 如果某次 檢測因受到較大干擾影響了定位分析 可以重新發一個行波信號再進行一次定位 這也 是c 型行波法所特有的優勢 因為在其它實時定位方法中 故障點處產生的行波是不可 重現的 甜 因此 本文主要以c 型行波定位法作為主要研究對象 現詳細介紹了c 型行波 定位法的相關原理 2 2c 型行波法 2 2 1 行波在波阻抗不連續節點上的折射與反射過程 通常線路都是一段一段連接而成的 有時相鄰兩段導線的波阻抗會不相同 行 6 華北電力大學碩士學位論文 波在線路上傳播過程中在波阻抗不連續處會產生全部或部分反射 圖2 1 是行波在 兩個波阻抗不相同的導線連接處產生的折射和反射 幽2 1 行渡在波阻抗不連續節點的穢r 射和反射過程 在圖2 1 中 4 為兩段波阻抗不同導線的連接點 左側導線波阻抗為五 右側 導線波阻抗為z 為入射波 蠔 為反射波 為越過波阻抗不連續點的透射波 現將波阻抗為毛的線路合閘于直流電源u 合閘后沿線路而有一與電源電壓相同的 前行電壓波 自電源向節點爿傳播 到達節點爿遇到波阻抗為z 的線路 在節點4 前后都必須遵守單位長度導線的電場能量與磁場能量相等的規律 但線路z 與z 的 單位長度電感與對地電容都不相同 因此 到達爿點處要發生行波的折射與反射 反射電壓 自節點爿沿線路z 返回傳播 折射電壓波則自節點爿沿線路z 繼續向 前傳播 此時折射電壓波也就是線路z 上的前行電壓波 以 表示 通過下面分析 可以求得反射電壓波 和折射電壓波 我們假設折射電壓波 尚未到達線路z 的末端 即線路z 上尚未出現反行電壓 波 于是對于線路z 有 r 1 1 口 l i f l g 1 碼 f l l l 一z l 2 1 對于線路z 因為z 上的反行電壓波 o 所以有 j o l 2 9 z 2 k 2 2 在節點處只能有一個電壓和電流值 故 刮 l 毛 f 2 2 3 于是有 廠 i 口 2 9 l f l 2 f z 0 記為 我們稱其為空間步 長 平行于工軸的直線也假定是等距的 設距離為 f o 記為f 稱其為時間步長 這樣兩組網格線可以寫為 x x i j 缸 j h j o 2 f f h f 甩f 玎 o l 2 網格節點 石 f 簡記為 如圖3 3 所示 行f 2 f f 0 l 一町 圖3 3 網格圖 對于無損線 g 和j r 都為零 因此波動方程 3 2 式可以簡化為 蘭 里塑奎蘭堡主蘭堡堡苧 一 f 厶妄 一罷 3 3 1c o 詈一罷 仔4 f 厶纂一窘 p s 1c o 害 一篆 p 將 3 6 代入 3 5 中 得到厶c 0 窘 窘 轉慨窘 去等 仔 又因為行波在線路上傳播速度v 告 將其代入 3 7 得到 f 叼v o 氅 v z 氅 3 8 西2 敘2 同理 由 3 3 3 4 消去 可得到籌 v 2 警 3 9 c f 一聊 無損線模型的數值解問題即轉化為求解 3 8 3 9 聯立的偏微分方程組 對于 3 8 中的偏微分窘 窘用中心差商來逼近 得到差分格式 型二型 型一v 墮二型 墮 o j 1 0 f 2矗2 對于 3 9 中的偏微分籌 籌用中心差商來逼近 得到差分格式 型二鴛笪 一 魚二墨 墊 o 3 1 1 f 2 j i l 2 3 3 2 模型的穩定性 下面柬討論差分格式 3 1 0 的穩定性 可以把波動方程 3 8 化為一階對稱雙曲 型方程組 令 p 詈一v 罷 其憶志 那么有f 魯一v 謇 o l 塑一 至 o l 新 缸 華北電力大學碩士學位論文 祟 罷 o 3 1 2 西玉 7 她 匕卅 容易驗證 3 1 0 式等價于逼近方程組 3 1 2 的一個顯式差分格式 3 1 3 1 9 r 型二墮一 盤 二魚 o lf矗 l 啦一 掣 o 3 1 3 i f矗 其中 竺絲 g 二 竺三三蘭蘭 因此只要討論差分格式 3 1 3 的穩定性就可以了 根據文獻 1 9 差分格式 3 1 3 1中 的穩定條件為以 l 其中 2 艿亍 a 由于 3 1 0 式等價于逼近方程組 3 一1 3 l 0 0 以 因此 3 1 0 式的穩定條件為以 l 同理可得 3 1 1 式的穩定條件也為以 o 當口 o 州一 一 4 盟 o 4 j o 晟 型 o 令 麗 志對式 3 2 3 采用迎風格式進行離散 得到 差分格式 3 2 5 為有損線方程 3 2 的數值解計算格式 它是顯式迭代式 3 2 1 3 2 2 3 2 3 3 2 4 3 2 5 吐 蛉 吆 廄一啡彤一碥 強 眩 喀 正2 爭 塒 爭瞎 叫 i i 礦 華北電力大學碩士學位論文 3 4 2 模型的穩定性 為了保證差分格式 3 2 5 在計算中的穩定性 現討論其穩定條件 根據文獻 1 9 如果印 l 其中五 f j 1 則差分格式 3 2 5 滿足v o n n e 啪a n n 條件 因為v o n n e u m a 衄條件是穩定的必要條件 所以當五p 爿 l 時 差 分格式 3 2 5 穩定 要滿足印 一 1 則a 石茜 又因為爿的兩個特征值分別為 2 了乏i 和五2 了云殺 而y 2 i 南 所以 穩定條件為y 2 瓦7 露i 1 計算時應在滿足穩定條件的基礎上選擇時間步長和空間步長 3 4 3 邊界條件 對于有損傳輸線 始端集中參數電路模型為 卜 一出 爿 一出 剖 圖3 1 0 有損線始端集中參數電路 始端電壓 仍然滿足基爾霍夫電壓定律 虬 f e r 啪 f 厶魯出 z f 且 l f f 一r f 對始端電流應用f i 向歐拉公式 9 墮 盥 d t7 代人 3 2 6 式得 e 彳 厶二l 1 i l 一 推出 云阱叫 爭一疋毗w 將 3 2 8 代入 3 2 7 得到 一冠礦 因此 3 2 8 式和 3 2 9 式就是始端邊界條件 對于不同的負載 終端邊界條件是不同的 3 2 6 3 2 7 3 2 8 3 2 9 華北電力大學碩士學位論文 l 線路末端短路的情況 卜出 剖 一凼 刊 圖3 1 l 有損線末端短路的集中參數電路 電壓的邊界條件 o 電流的邊界條件 2 l 2 線路末端開路的情況 卜 一出 卜 一出 刊 圖3 1 2 有損線術端開路的集中參數電路 根據基爾霍夫電壓定律并采用后向歐拉格式 篙 一蘭絲 貓 一啦 一r t 由終端開路有 r o 因此 3 3 2 式和 3 3 3 式為線路木端開路的終端邊界條件 3 4 4 數值試驗 3 3 0 3 3 1 3 3 2 3 3 3 根據上述算法 進行數值試驗 有損線的算法流程與無損線的算法流程相似 仿真線路全長為2 0 k m 在f i o 時刻 在線路首端加一個脈沖電壓信號 脈沖 寬度5 微秒 脈沖幅值l o o o o v 脈沖信號源內阻為5 0 0 q 仿真過程中每公里線 路參數取電感厶 o o o l 3 3 h k m 電容c o 0 0 8 7 6 u f k m 電阻凰 o 4 q l m 電導 g n 0 時間步長為o 1 微秒 空問步長為3 0 0 m 通過觀測線路首端電壓隨時間變 化的情況來驗證該算法的可靠性 1 仿真線路末端為開路的情況 線路首端電壓隨時間變化的波形如圖3 1 3 所示 圖3 1 3 中 第一個上升波頭為注入的脈沖信號 第二個上升波頭為末端開路 華北電力大學碩士學位論文 反射波 圖中 兩個波頭到達線路首端的時問差約為1 3 6 微秒 根據c 型行波法計 算距離公式x v 4 f 一0 2 已知仿真線路總長為2 0 k m 因此可計算出對應的 行波波速約為2 9 4 1m 加 u n 圖3 1 3 有損線仿真 線路末端開路 與2 0 0 6 年6 月2 5 日的現場試驗波形進行比較 試驗線路為單根線 全長3 5 k m 如圖3 1 4 所示為單根線線路末端開路的現場試驗波形 從圖3 1 3 和圖3 1 4 的比較 中可見 仿真結果與實際波形較為相似 圖3 1 4 中 第一個上升波頭為注入的脈沖 信號 第二個上升波頭為末端開路反射波 兩個波頭到達線路首端的時間差約為2 4 微秒 已知線路全長為3 5 k m 因此可計算出對應的行波波速約為2 9 1 7 m 臚 這 個結果與通過仿真計算得到的行波波速較為接近 t l w 圖3 1 4 有損單根線現場試驗波形 線路末端開路 2 仿真線路末端為短路的情況 線路首端電壓隨時問變化的波形如圖3 1 5 所示 圖3 1 5 中 上升波頭為注入的脈沖信號 下降波頭為末端短路反射波 兩個 波頭到達線路首端的時間差約為1 3 6 微秒 根據c 型行波法計算距離公式 x v 0 一f 2 已知仿真線路總長為2 0 k m 因此可計算出對應的行波波速約 華北電力大學碩十學位論文 為2 9 4 1m 餾 圖3 1 5 有損線仿真 線路末端短路 與2 0 0 6 年6 月2 5 日的現場試驗波形進行比較 如圖3 1 6 所示為單根線線路末 端短路的現場試驗波形 從圖3 1 5 和圖3 1 6 的比較中可見 仿真結果與實際波形 較為相似 圖3 1 6 中 上升波頭為注入的脈沖信號 下降波頭為術端短路反射波 兩個波頭到達線路首端的時間差約為2 4 微秒 已知線路全長為3 5 k m 可計算出對 應的行波波速約為2 9 1 7 m 坤 這個結果與通過仿真計算得到的行波波速較為接近 t l m 3 5 小結 圖3 1 6 有損單根線現場試驗波形 線路未端短路 本章采用了偏微分方程的數值解法 分別建立了無損線模型和有損線模型的離 散格式 并分析了離散格式的穩定性 確定了不同情況下的邊界條件 最后進行了 數值試驗 得到了以下結論 l 對于無損線 離散化過程使用了解決偏微分方程非常經典的顯式格式 對 線路末端為開路和短路情況分別進行了數值計算 得到的數值結果和理論分析結果 華北電力大學碩士學位論文 較為吻合 2 對于有損線 離散模型時先要把波動方程處理為向量形式 再利用迎風格 式進行離散 對線路末端為開路和短路情況分別進行數值計算 仿真結果與現場試 驗波形較為接近 為了進一步完善行波故障定位數學模型 需要在單根線的基礎上增加線路分支 使之更接近實際配電網 可考慮在本章建立的無損線模型和有損線模型的離散格式 的基礎上 改變邊界條件來實現 華北電力大學碩士學位論文 第四章行波故障定位信息辨識處理技術的研究 對于行波定位法 如何從采集到的行波信號中辨識故障點的信息是非常關鍵 的 由于配電網帶有分支 故障點的信息就包含了故障點與測量點之間的距離 故 障點所在線路的區段 線路上存在著電磁干擾 而且為了能夠捕捉行波波頭來準確地判斷行波波頭的 到達時刻 對行波信號的采樣率往往取得較高 而高采樣頻率容易受到各種噪聲影 響 有效去除噪聲干擾 是提取有用行波信號的第一步 本章從這兩方面入手 提出了行波故障定位信息辨識處理方法 并對現場試驗 數據進行了分析處理 4 1 行波故障定位信息辨識的關鍵問題 4 1 1 確定故障距離 要得到故障點的信息 需要比較線路正常時的行波波形與線路故障時的行波波 形 但當發生實際故障時 線路正常時的行波波形難以得到 近似認為三相線路的 參數相同 在迸j 亍c 型行波定位時 分別在三相的線路首端注入脈沖信號 并采集線 路首端的行波信號 比較三個信號 與另兩個信號明顯不同的信號 即為故障相的信號 由此可區分出故障相和j 下常相 由于三相線路參數近似相同 可將采集到j 下常相的行 波信號作為故障相在線路正常時的行波信號 線路參數隨頻率變化 行波信號中不同頻率成分的運動速度不同 行波波速對 定位精度有直接的影響 從理論上來說 行波波速v 可以根據v 1 厶c 0 計算得到 但配電線路單位長度的電感值厶和電容值c 0 并不是定值 因此 我們考慮通過分析 采集到的正常相行波數據 來確定行波在線路上的傳播速度 由于某些配電線路沒有分支點 如某些3 5 k v 線路 為了全面考慮 因此根據 線路結構 按照線路有分支點與無分支點兩種情況來確定行波在線路上的傳播速 度 當線路無分支點時 首先尋找發脈沖時刻f 再尋找線路正常時末端開路的特 征波到達線路首端的時刻f 己知線路總長 根據石 v f 一f 2 即可得到當 前波速v 當線路有分支點時 首先尋找發脈沖時刻f 尋找線路分支節點的反射 波到達線路首端的時刻f 已知線路分支點與首端的距離x 根據 x v f 一f 2 即可得到當前波速v 計算行波波速的流程圖如圖4 1 所示 華北電力人學碩士學位論文 圖4 1 計算行波波速流程圖 在得到當前行波波速的基礎上 比較正常相的行波信號和故障相的行波信號來 計算故障距離 從故障相行波信號中 找出故障特征波對應的時刻f 因為在一次 試驗中 采集設備的觸發電平都設為一致 所以對于故障相行波信號的發脈沖時刻 也為 p 根據x f v f f f p 2 式得到故障距離 算例詳見4 4 節現場試驗數據分析 4 1 2 確定故障點所在區段 在2 2 4 節中提到 將波阻抗不連續點產生的第一個到達線路首端的反射波稱 為該點的特征波 在確定故障距離的基礎上 通過分析特征波確定故障點所在區段 后 即可準確定位故障所在位置 如果能檢測到某分支端點的特征波 就可以確定 故障點在該分支點的下方區段 如果檢測不到某分支端點的特征波 就可以確定故 障點在該分支點的上方區段 對于結構復雜的配電線路 由于其分支非常多 行波發生了多次透射和反射過 程 透射波和反射波與原有信號疊加 此時通過分析特征波較難判斷故障區段 此 時可通過s 注入法來確定故障點的確切位置 在c 型行波法計算出故障距離后 劃 定滿足故障距離的幾個點 通過s 信號檢測器對這幾個點附近線路的檢測 找出真 故障點 以線路有一個分支點為例 說明確定故障點所在區段的流程 流程圖如圖4 2 所示 3 0 華北電力大學碩十學位論文 圖4 2 確定故障點所在區段流程圖 算例詳見4 4 節現場試驗數據分析 4 2 利用小波變換對行波信號進行消噪處理 行波定位法對行波信號的采樣率往往取得較高 高采樣頻率容易受到各種噪聲 影響 使定位的準確性降低 有效去除噪聲干擾 是提取有用行波信號的第一步 小波變換近年來在電力系統中得到了廣泛的應用 2 0 1 因此 考慮運用小波分析處理 行波信號 以消除噪聲的影響 2 舶 4 2 1 小波變換的基本概念 小波分析是2 0 世紀數學研究成果中最杰出的代表之一 由于它在理論上的完 美性和應用上的廣泛性 受到了科學界和工程界的高度重視 并很快在眾多學科領 域中取得了重大進展 小波分析屬于時頻分析的一種 傳統的信號分析是建立在傅罩葉變換的基礎之 上的 由于傅里葉分析使用的是一種全局的變換 要么完全在時域 要么完全在頻 華北電力大學碩十學位論文 域 因此無法表述信號的時頻局域性質 而這種性質恰恰是非平穩信號最根本和最 關鍵的性質 為了分析和處理非平穩信號 人們對傅里葉分析進行了推廣乃至根本 性的革命 提出并發展了一系列新的信號分析理論 短時傅里葉變換 g a b o r 變換 時頻分析 小波變換 r a n d o i r w i g i l e r 變換等 小波變換是一種信號的時間一尺度 時間一頻率 分析方法 它具有多分辨率 分析 m u l t i r e s o l u t i o na n a l y s i s 的特點 而且在時域和頻域都具有表征信號局部特 征的能力 是一種窗口大小固定不變但其形狀可改變 時間窗和頻率窗都可以改變 的時頻局部化分析方法 2 3 1 即在低頻部分具有較高的頻率分辨率和較低的時間分辨 率 在高頻部分具有較高的時間分辨率和較低的頻率分辨率 很適合于探測正常信 號中央帶的瞬態反常現象并展示其成分 所以被譽為分析信號的顯微鏡 利用連續 小波變換進行動態系統故障檢測與診斷具有良好的效果 2 小波分析優于傅里葉變換的地方是 它在時域和頻域同時具有良好的局部化性 質 2 5 1 設y f r r r r 表示平方可積的實數空間 即能量有限的信號空間 其傅里葉變換為驢 當礦 國 滿足允許條件 a d m i s s i b l e c o n d i t i o n c 產f 慳 墮白 肅 i m l 時 我們稱y f 為一個基本小波或母小波 m o t h e r w a v e l e t 將母函數 f 經伸縮和 平移后 就可以得到一個小波序列 4 2 2 小波基的選擇 與標準傅罩葉變換相比 小波分析中所用到的小波函數具有不唯一性 即小波 函數妒 工 具有多樣性 小波分析在工程應用中 一個十分重要的問題是最優小波基 的選擇問題 這是因為用不同的小波基分析同一個問題會產生不同的結果 目 j i 主 要是通過用小波分析方法處理信號的結果與理論結果的誤差來判定小波基的好壞 并由此選定小波基 小波基函數具有以下幾個主要特征 緊支性 消失矩 正則性和對稱性等 2 如果尺度函數和小波函數只在有限區間非零 稱小波函數具有緊支性 緊支性是小 波函數的重要性質 緊支小波不需要做人為的截斷 應用精度很高 如果小波函數 有n 階消失矩 則可突出信號的高階起伏和n 階以上高階導數中可能存在的奇異點 下則性表現為小波基的可微性 小波的每一種特性在處理問題中都發揮著特有的作用 但是這些特性之間又是 存在矛盾的 事實上構造一個既具有正交性 又具有緊支集 平滑性甚至對稱性的 小波函數是難以做到的 d a u b i c h i e s 首先證明了 當由一個多分辨率分析所決定的 尺度函數和小波函數都是實函數且都有緊支集時 小波函數和尺度函數都不再具備 對稱性或反對稱性 其次 緊支集小波的光滑性也較差 如上所述 光滑性與頻域 華北電力大學碩士學位論文 局部性是一致的 而海森堡測不準原理說明 頻域局部性變好 必然要增大時域支 集的長度 對于正交小波 光滑性與衰減性也是一對矛盾的特性 一個無窮階光滑 并具有指數衰減的j 下交小波是不存在的 分析行波定位數據時需要選擇對稱小波 減少不同尺度下的時移 從而保證暫 態定位的準確性 而緊支小波不需要做人為的截斷 應用精度很高 因此本文選用 h a a r 小波 即d b l 小波 作為小波基進行行波信號的分析處理 h a a r 函數是具有緊 支性 對稱性 正交性和消失矩為l 的小波函數 h a a r 函數的定義為 廣1 o 石 1 2 y h 一1 l 2 x 1 l o其他 2 l o 1 2 圖4 3 h a i r 小波函數 4 2 3 對行波信號進行消噪處理 運用小波分析進行一維信號消噪處理是小波分析的重要應用之一 下面將其消 噪的基本原理作一個簡要的說明 一個含噪聲的一維信號的模型可以表示成如下的 形式 s f 廠 f 盯 p f 4 1 其中 f 為真實信號 e f 為噪聲 j f 為含噪聲的信號 在這罩 以一個最 簡單的噪聲模型加以說明 即認為p j 為高斯白噪聲 o 1 噪聲級 n o i s el e v e l 為1 對信號j f 消噪的目的就是要抑制信號中的噪聲部分 從而在s f 中恢復出真 實信號廠 f 一般說來 一維信號的消噪過程可分為三個步驟進行 1 一維信號的小波分解 選擇一個小波函數并確定小波分解的層次n 然后對信 號s f 進行n 層小波分解 2 小波分解高頻系數的閾值量化 對第1 到第n 層的每一層高頻系數 選擇一個 閾值進行閾值量化處理 3 一維小波的重構 根據小波分解的第n 層的低頻系數和經過量化處理后的第l 層到第n 層的高頻系數 進行一維信號的小波重構 其中 如何選取閨值和如何進行閡值的量化 直接關系到信號消噪的質量 給 華北電力大學碩士學位論文 定一個閾值j 所有絕對值小于某個閾值萬的小波系數被看成 噪聲 它們的值用 零代替 而超過閾值的小波系數的數值用閾值艿縮減后再重新取值 根據信號小波 分界的這個特點 對信號的小波系數設置一個閾值 大于它的認為屬于第二類系數 可以簡單保留或進行后續操作 而小于閾值的則去掉 這樣達到了降低噪聲的目的 同時保留了大部分信號的小波系數 因此可以較好的保持信號細節 目前常用的有 軟閾值化算法和硬閾值化算法1 2 7 2 8 1 軟閾值化算法用數學式表魏 器篇 l 判引副 4 2 其中形表示原始信號的小波系數 職表示閾值化后的小波系數 硬閾值化算法用數學式表魏 瞄蜀譬 4 3 本文采用h a a r 小波進行9 層分解 并采用軟閡值化算法對行波信號進行消噪處 理 圖4 4 是根據小波變換對某次試驗采集到的行波數據進行消噪的效果 從圖4 4 中可以看出 消噪效果較好 圖4 4 某次現場行波信弓的消噪效果 華北電力大學碩十學位論文 4 3 行波故障定位信息辨識處理方法 綜上所述 形成了完整的配電網行波故障定位信息辨識處理方法 進行c 型行 波定位時 分別在三相的線路首端注入脈沖信號 并采集線路首端的行波信號 按照 下列步驟分析行波數據 1 對采集到的三相行波數據分別進行小波消噪處理 比較三個信號 與另兩個信號 不同的信號 即為故障相的信號 由此可區分出故障相和正常相 2 分析正常相波形得到當前行波波速 3 由于三相線路參數近似相同 可將采集到正常相的行波信號作為故障相在線路 正常時的行波信號 比較正常相波形與故障相波形 找出故障特征波 計算故 障距離 4 分析特征波確定故障所在區段 5 結合步驟3 和步驟4 的結果即可確定故障點位置 如果線路結構過于復雜 可 在計算出故障距離的基礎上 劃定滿足故障距離的幾個點 通過s 注入法來確 定故障點的確切位置 根據上述方法 對現場試驗數據進行分析計算 本文列舉其中的兩次試驗 對 其數據分析過程進行詳細介紹 4 4 現場試驗數據分析 4 4 1 現場試驗1 數據分析 2 0 0 6 年1 月1 9 日 現場試驗線路為3 5 k v 線路 總長7 8 k m 在7 5 k m 處有一 個長為1 0 0 米的分支 在線路首端m 點采用脈沖信號發生器離線注入脈沖電壓信號 注入脈沖幅值為3 0 0 v 脈沖寬度為1 2 微秒 在m 點采集線路正常時的行波信 號 4 點金屬性單相接地故障的行波信號 數據采樣率為5 0 mh z 彳點與m 點之 間的距離為3 5 5 0 米 具體試驗線路如圖4 5 所示 mn 圖4 5 現場試驗l 線路示意圖 采集得到的線路正常時的行波波形及其消噪后的波形 如圖4 6 所示 華北電力大學碩士學位論文 圖4 6 現場試驗l 線路正常時的行波信號 如圖4 6 b 所示 為所發的高壓脈沖 為分支點特征波 為線路末端 端點特征波 因此可以找出發脈沖時刻f 為6 1 伊 分支點特征波到達線路首端的時 刻 為1 1 2 由于分支點與線路首端距離j 口為7 5 0 0 米 根據x v 0 2 得到當前波速為2 9 4 1 m 腳 利用小波消噪原理對線路一點故障的波形進行消噪 如圖4 7 所示 華北電力大學碩十學位論文 圖4 7 現場試驗1 線路彳點故障 消噪后 如圖4 7 所示 為所發的高壓脈沖 驕l 為彳點故障特征波 比較正常時的 行波波形與4 點故障時的行波波形 可以找出故障特征波到達線路首端的時刻f 為 8 6 心 根據x v f 一0 2 得到故障距離為3 6 7 6 米 實際故障距離為3 5 5 0 米 定位絕對誤差為1 2 6 米 相對誤差為3 5 6 由于不能檢測到分支點特征波 因此可以判斷4 點故障在分支點與線路首端之 問的區段 結合故障距離與故障點所在區段 即可確定故障點位置 4 4 2 現場試驗2 數據分析 2 0 0 6 年8 月2 3 日 現場試驗線路為3 5 k v 線路 刪 枷是同桿雙回線 刪 段和枷段長度相同 均為5 9 2 0 m m c 段長2 3 6 9 m 變電站至肘點之間線路長 5 2 7 1 m 在變電站站內采用高壓信號發生器發出脈沖信號 脈沖寬度為1 2 微秒 幅 值l o k v 為了避免采集設備被高壓損壞 接入采集設備的信號經過了分壓處理 分別在線路上設置7 點進行金屬性接地試驗 在變電站內進行數據采集 采樣率為 5 0 mh z 具體試驗線路圖如圖4 8 所示 c 圖4 8 現場試驗2 線路圖 3 7 華北電力大學碩十學位論文 采集得到的線路正常時的行波波形及其消噪后的波形 如圖4 9 u n b 消噪后 圖4 9 現場試驗2 線路正常時的行波信號 圖4 9 b 中 啊為所發的脈沖信號 為分支點m 的特征波 為分支線路 肘c 的端點c 點的特征波 為分支線路肘b 的端點b 點和刪的端點爿的特征波 比礬靠前是因為肘c 線路長度比枷線路長度短 反射波較早到達檢測端 的幅值高于職是因為刪和枷是同桿雙回線 其反射波同時到達檢測端 疊加在 一起 因此礬的幅值較高 因此可以找出發脈沖時刻f 為2 1 坤 分支點特征波到 達線路首端的時刻f 為5 8 聲 由于分支點與線路首端距離x 為5 2 7 l 米 根據 工口 v f 一f 2 得到當前波速為2 8 4 9 m 膨 利用小波消噪原理對線路各點故障的波形分別進行消噪 分析消噪后的行波信 號 找出故障特征波 計算故障距離并確定故障區段 現列舉其中的第l 點 第2 點 第4 點故障進行說明 華北電力大學碩士學位論文 圖4 1 0 第l 點故障 比較正常時的行波波形圖4 9 b 與第1 點故障時的行波波形圖4 1 0 驕i 是第l 點的故障特征波 可以找出故障特征波到達線路首端的時刻為3 6 腳 根據 x v f 一f 2 得到故障距離為2 1 3 6 米 實際故障距離為2 1 1 5 米 定位絕對誤 差為2 1 米 相對誤差為1 0 3 圖4 1 0 與圖4 9 b 的區別在于 沒有 暇 而多了驕t 可見故障點1 是在分支m 點前的主干線路上 t l 吣 圖4 1 1 第2 點故障 比較j 下常時的行波波形圖4 9 b 與第2 點故障時的行波波形圖4 1 1 坼2 是第2 點的故障特征波 可以找出故障特征波到達線路首端的時刻為4 8 墻 根據 x v f p f 2 得到故障距離為3 8 4 6 米 實際故障距離為3 8 7 9 米 定位絕對誤 差為 3 3 米 相對誤差為o 8 5 圖4 1 1 與圖4 1 0 相似 但坼2 位置比驕l 靠后 可見故障點2 仍是在分支肘點i i i 的主干線路上 但故障點2 與檢測端的距離大于故 障點1 與檢測端的距離 華北電力大學碩十學位論文 圖4 1 2 第4 點故障 比較正常時的行波波形圖4 9 b 與第4 點故障時的行波波形圖4 1 2 坼4 是第4 點的故障特征波 可以找出故障特征波到達線路首端的時刻為6 8 根據 x v f 一f 2 得到故障距離為6 6 9 5 米 實際故障距離為6 8 7 0 米 定位絕對誤 差為 1 7 5 米 相對誤差為2 5 5 圖4 1 2 與圖4 9 b 的區別在于 沒有 而多了 所4 可見故障點4 在分支m 上 其余各點故障的分析與上述過程類似 現場試驗2 故障定位結果如表4 1 所示 表4 1 現場試驗2 故障定位結果 4 5 小結 試 實際距離計算結果絕對誤差相對誤差 驗 米 米 米 序 號 l2 1 1 52 1 3 62 l1 0 3 23 8 7 93 8 4 6 3 30 8 5 3 5 2 9 l 5 3 0 l l o o 1 9 46 8 7 06 6 9 5 1 7 52 5 5 57 6 4 07 6 1 8 2 20 2 9 68 0 7 08 1 8 81 1 81 4 6 7l l l 9 11 1 1 l o 8 l o 7 2 本章對c 型行波數據