輸電線路故障行波仿真及故障定位研究

1、本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 輸電線路故障行波仿真及故障定位研究 學(xué) 院 電氣工程學(xué)院 專業(yè)班級(jí) 09電氣工程及其自動(dòng)化4班學(xué)生姓名 郭國強(qiáng) 指導(dǎo)教師 王志強(qiáng)副教授 杜蕓強(qiáng)助教 提交日期 2013年 05月 10日 摘 要輸電線路作為電力系統(tǒng)電網(wǎng)的骨架，輸電線路故障后會(huì)嚴(yán)重危及電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，擔(dān)負(fù)著連接電網(wǎng)及電氣設(shè)備、輸送電能等重要任務(wù)。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，故障定位的方法也在不斷的出現(xiàn)，常用的故障定位方法有，阻抗法、故障分析法、時(shí)域法和行波法等。當(dāng)輸電線路的某一點(diǎn)出現(xiàn)電壓電流的突然變化時(shí)，它會(huì)以電磁波的形式按一定的速度從故障點(diǎn)向輸電線路兩端傳播，并且故障行波在不同故障類型和不同故障距離時(shí)產(chǎn)生

2、的波形又有明顯的區(qū)別。因此，研究故障行波相關(guān)性質(zhì)，根據(jù)行波的波頭特點(diǎn)，采用單端法、雙端法和小波分析法可以對(duì)故障進(jìn)行定位。本文研究輸電線路故障行波仿真及故障定位問題。首先，介紹了輸電線路故障定位研究現(xiàn)狀和研究意義；闡述了輸電線路行波傳播特性研究。其次，本文研究基于PSCAD的HVDC輸電線路故障行波仿真。以單級(jí)高壓直流輸電系統(tǒng)作為研究對(duì)象，采用控制變量法分析其故障時(shí)故障點(diǎn)的波形特性，并對(duì)輸電線路故障行波進(jìn)行了仿真分析。最后，輸電線路故障定位研究。結(jié)合仿真研究輸電線路行波法故障定位。關(guān)鍵詞：輸電線路、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 錄摘 要IABSTRACTII第一章 緒論11.1研究背景和意義11.2輸電線路故障定位的要求11.3輸電線路故障定位研究現(xiàn)狀31.4本課題研究主要內(nèi)容4第二章 輸電線路行波傳播特性研究52.1輸電線路故障行波的傳播規(guī)律52.2輸電線路故障行波的特征常量72.3輸電線路故障行波的捕獲82.4本章小結(jié)10第三章 基于PSCAD的高壓直流輸電線路故障行波仿真分析113.1 PSCAD仿真軟件簡(jiǎn)介113.2高壓直流輸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)123.3單級(jí)HVDC輸電線路故障行波仿真133.4本章小結(jié)19第四章 輸電線路故障行波法定位研究204.1行波定位理論基礎(chǔ)204.2單端行波定位

10、法204.3雙端行波定位法214.4本章小結(jié)22第五章 總結(jié)23致謝24參考文獻(xiàn)25第一章 緒 論第一章 緒論1.1研究背景和意義在我國電網(wǎng)規(guī)模大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，大電網(wǎng)互聯(lián)，高電壓和遠(yuǎn)距離輸電通道已成為我國電網(wǎng)的主干骨架，而且發(fā)電廠遠(yuǎn)離負(fù)荷中心，高壓超高壓輸電線路星羅棋布、錯(cuò)綜復(fù)雜，輸電距離遠(yuǎn)、容量大、電壓等級(jí)高，輸電線路分布地域廣，而且大多暴露在各種惡劣的環(huán)境中，很多線路跋山涉水、翻山越嶺，線路很容易由于風(fēng)偏、樹枝短路、雷擊、覆冰等原因造成短路故障。輸電線路在電網(wǎng)中所占的比重和的作用也越來越大，輸電線路作為電網(wǎng)的骨架，擔(dān)負(fù)著連接電網(wǎng)及電氣設(shè)備、傳輸電能的重要任務(wù)，是整個(gè)電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)

11、。輸電線路故障后會(huì)嚴(yán)重危及電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，短路點(diǎn)電壓迅速降低并波及周邊相連系統(tǒng)，大電流會(huì)燒毀電力設(shè)備、使保護(hù)動(dòng)作，如不及時(shí)切除，將會(huì)使電網(wǎng)瞬間崩潰瓦解，造成大面積停電，使停電區(qū)域生活陷入癱瘓，給國民經(jīng)濟(jì)以及人民生活帶來嚴(yán)重影響，甚至危及人身安全。因此要及時(shí)排除故障，首先要及時(shí)找出故障點(diǎn)。所以輸電線路能進(jìn)行快速準(zhǔn)確的故障定位顯得尤為重要，一方面能幫助巡線人員減輕大量的繁重勞動(dòng)，特別是有些地方地勢(shì)險(xiǎn)要、人跡罕至，就算借助飛機(jī)巡線也很難到達(dá)，借助準(zhǔn)確的故障定位，則可以很好地解決這一問題，節(jié)約大量的人力物力；另一方面，快速準(zhǔn)確故障定位，可以幫助工作人員及時(shí)找到故障點(diǎn)并予以排除，及時(shí)恢復(fù)對(duì)停電區(qū)域供

12、電，減少對(duì)該地區(qū)人民的生活的影響以及由此帶來的經(jīng)濟(jì)損失，從電網(wǎng)安全運(yùn)行方面來看，可以減小對(duì)電網(wǎng)的沖擊以及波及范圍，對(duì)電網(wǎng)的安全與穩(wěn)定也有極其重要的意義1。1.2輸電線路故障定位的要求 輸電線路故障在電力系統(tǒng)的危害是十分巨大的，對(duì)于輸電線路故障定位來說，主要有如下要求2：1、可靠性對(duì)故障定位的可靠性要求，只要是線路故障有發(fā)生，不管是哪種故障類型，定位裝置都要有可靠的啟動(dòng)并投入到定位工作中。當(dāng)沒有故障發(fā)生時(shí)，裝置則要求其不動(dòng)作，不會(huì)出現(xiàn)無故障而定位的現(xiàn)象。要求在算法上不管何種線路故障發(fā)生，不會(huì)因?yàn)樗惴ū旧淼膯栴}出現(xiàn)無法定位或定位結(jié)果不收斂等現(xiàn)象。2、準(zhǔn)確性準(zhǔn)確性是對(duì)定位裝置最重要的要求，也是衡量定

13、位算法優(yōu)劣的最重要的指標(biāo)。如果定位結(jié)果出入較大則意味著定位算法很差甚至定位失敗。一般用定位誤差來衡量定位的準(zhǔn)確性。誤差分為絕對(duì)誤差以及相對(duì)誤差，絕對(duì)誤差一般用定位結(jié)果同實(shí)際故障距離之差的絕對(duì)值來表示，表現(xiàn)為長度數(shù)據(jù)。相對(duì)誤差則用絕對(duì)誤差同線路全長的百分比來表示。為提高故障定位的準(zhǔn)確性，一般應(yīng)從以下幾個(gè)方面考慮：（1）定位裝置本身的誤差。主要包括由硬件以及軟件兩方面引起的誤差。硬件方面主要有：電壓、電流互感器的精度、裝置的采樣頻率、模數(shù)轉(zhuǎn)化器的精度、字長等等。如CT在電流過大時(shí)會(huì)出現(xiàn)飽和，會(huì)使測(cè)得的波形畸變，干擾定位結(jié)果。電容式電壓互感器傳變高頻分量能力較差，這就會(huì)影響某些利用故障高頻分量進(jìn)行定

14、位的算法的工作。有些定位算法需要很高的采樣頻率，如果裝置的采樣頻率達(dá)不到要求也會(huì)結(jié)果有較大誤差。軟件方面主要是軟件中的數(shù)學(xué)模型、定位算法原理等引起的誤差。（2）線路兩端的系統(tǒng)阻抗。有些定位算法要用到線路兩端的系統(tǒng)阻抗，由于系統(tǒng)的運(yùn)行方式是變化的，當(dāng)給定的系統(tǒng)阻抗與實(shí)際不一致時(shí)，就會(huì)給這類定位算法帶來誤差。（3）故障點(diǎn)的過渡電阻。某些定位算法會(huì)受到故障點(diǎn)的過渡電阻的影響，如很多利用單端電氣量進(jìn)行故障定位的算法，定位誤差會(huì)隨著故障過渡電阻的增大而增大，當(dāng)過渡電阻大到一定程度后，其定位誤差甚至?xí)_(dá)到讓人無法接收。（4）線路的分布電容。輸電線路是分布參數(shù)電路，其電感、電容、電導(dǎo)、電納都是沿線均勻分布的

15、，實(shí)際中很多定位算法往往采用T型或型的集中參數(shù)電路模型來等效，忽略了線路的分布電容的影響，在輸電線路較短時(shí)，其影響比較小，當(dāng)線路較長時(shí)，這種影響就比較明顯。（5）線路不對(duì)稱。很多定位算法是基于三相參數(shù)對(duì)稱的，如應(yīng)用對(duì)稱分量法。實(shí)際上由于線路各相的自感、互感、導(dǎo)納等參數(shù)都不一樣，若線路不是完全換位的，則參數(shù)就不是嚴(yán)格對(duì)稱的，因此也會(huì)給相應(yīng)的定位算法帶來誤差。3、經(jīng)濟(jì)性經(jīng)濟(jì)性就是要求定位裝置要有較高的性價(jià)比，主要體現(xiàn)在定位裝置的性能以及設(shè)備費(fèi)用、維護(hù)運(yùn)行費(fèi)用等方面，一般要求在保證可靠性以及準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上使費(fèi)用最低。此外，對(duì)故障定位要求不同于保護(hù)的一個(gè)很重要的方面就是，故障定位不要求有保護(hù)那樣動(dòng)作的

16、快速性。一般不會(huì)要求故障發(fā)生后要在毫秒級(jí)別那樣短的時(shí)間內(nèi)得結(jié)果。所以故障定位有充足的時(shí)間來處理數(shù)據(jù)。1.3輸電線路故障定位研究現(xiàn)狀隨著科技的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)的普及以及GIS定位系統(tǒng)，在輸電線路故障定位這方面的研究上有了比較大的成就，從二十世紀(jì)三四十年代開始，國外就已經(jīng)對(duì)故障定位算法的進(jìn)行研究，最早J.E.Allen以及G.J.Gross提出采用頻率共振的方法進(jìn)行故障定位，該方法在線路上連接一個(gè)頻率源，在頻率的定期間隔內(nèi)，線路表現(xiàn)出一系列的共振特性，這些頻率共振點(diǎn)之間的距離同故障距離直接相關(guān)。現(xiàn)在故障定位的方法也越來越多，按照比較常用的分類方法可以把故障定位分為：阻抗法、故障分析法、時(shí)域法和行波

17、法2。1、阻抗法。因?yàn)榫€路的阻抗和線路的長度是成正比，根據(jù)故障時(shí)測(cè)量到的電壓、電流即可計(jì)算出故障回路的阻抗，所有在已知線路參數(shù)的條件下即可求出定位裝置裝設(shè)點(diǎn)到故障點(diǎn)的線路長度。阻抗法的基本思想正是利用這一原理進(jìn)行故障定位的1。2、故障分析法。在線路參數(shù)已知以及系統(tǒng)運(yùn)行方式確定的情況下，輸電線路發(fā)生故障時(shí)，故障檢測(cè)裝置安裝處的電流和電壓是故障距離的函數(shù)，所有，通過分析計(jì)算故障，以及檢測(cè)裝置記錄下的輸電線路母線的電流和電壓數(shù)據(jù)，就可求出故障距離。故障分析法定位的基本思路正是基于這一原理，利用故障時(shí)記錄下的電壓、電流數(shù)據(jù)分析計(jì)算得出故障距離的3。3、時(shí)域法。時(shí)域法也被稱作偏微分公式法，主要是計(jì)算電壓

18、電流的瞬時(shí)值。時(shí)域法采用分布參數(shù)線路模型，利用電壓、電流是時(shí)間以及位置的函數(shù)這一關(guān)系，結(jié)合端點(diǎn)的邊界條件求解偏微分公式，實(shí)現(xiàn)故障定位。4、行波法。當(dāng)輸電線路故障時(shí)，線路故障點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生向線路兩端傳播的故障暫態(tài)電壓和電流行波。行波包含豐富的故障信息，通過檢測(cè)故障行波波頭到達(dá)的時(shí)刻，結(jié)合行波的傳播速度就可以實(shí)現(xiàn)故障定位。因?yàn)樾胁y(cè)距法的精度和可靠性在理論上不受故障電阻、線路類型、故障類型和兩側(cè)系統(tǒng)的影響。不過二十世紀(jì)中期因?yàn)闀簯B(tài)行波波速高、持續(xù)時(shí)間短，對(duì)檢測(cè)裝置的采樣頻率要求高，波頭難以檢測(cè)，獲取行波信號(hào)需要附加的耦合設(shè)備投資大，再加上缺乏計(jì)算機(jī)或DSP等先進(jìn)的數(shù)據(jù)檢測(cè)、處理設(shè)備，早期行波法發(fā)展比較緩

19、慢，定位精度也比較低。但從上世紀(jì)六七十年代后，一方面隨著行波理論研究的深入，人們?cè)跁簯B(tài)數(shù)值計(jì)算、相摸變換、參數(shù)頻變等方面做了大量工作，加深了人們對(duì)行波測(cè)距及相關(guān)知識(shí)的認(rèn)識(shí)。另一方面隨著計(jì)算機(jī)、各種信號(hào)處理設(shè)備等的大力發(fā)展，加上數(shù)字濾波、壓縮編碼技術(shù)、譜分析和相關(guān)分析等技術(shù)的引入，特別是新出現(xiàn)的GPS定位系統(tǒng)等衛(wèi)星通信設(shè)備和小波理論，大大提高了行波的檢測(cè)效率，使得行波法得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展3。行波法故障定位也成為了現(xiàn)在重要的故障定位方法之一。1.4本課題研究主要內(nèi)容當(dāng)線路發(fā)生故障時(shí)，線路中存在故障點(diǎn)的電壓以及電流行波，這些暫態(tài)故障行波包含故障方向、故障距離等豐富的故障信息。而且故障行波具有不受過

20、渡電阻、電流互感器飽以及、系統(tǒng)振蕩以及長線分布電容影響等優(yōu)點(diǎn)。本課題的主要內(nèi)容有：1）研究輸電線路行波的傳播特性和特征常量，了解輸電線路故障行波的產(chǎn)生過程和傳遞過程，明白輸電線路故障行波的基本特征常量，如波速，波長等，同時(shí)研究輸電線路故障行波的捕獲的原理概念方法。2）使用PSCAD仿真軟件對(duì)高壓直流輸電線路進(jìn)行仿真分析，通過仿真分析單級(jí)高壓直流輸電線路在發(fā)生故障時(shí)的行波特點(diǎn)，和在不同故障類型和不同故障距離的時(shí)候其故障行波的特點(diǎn)。3）結(jié)合仿真研究輸電線路行波法故障定位，輸電線路行波法故障定位的方法主要分為單端法和雙端法故障定位的原理和算法。3第二章 輸電線路行波傳播特性解析研究第二章 輸電線路行

21、波傳播特性研究通過前面仿真分析中我們了解到，在單級(jí)高壓直流輸電線路發(fā)生線路接地故障時(shí)其波形的特點(diǎn)。輸電線路行波作為現(xiàn)階段重要的故障定位的方法，其行波傳播特性和特征常量又有哪些，同時(shí)在進(jìn)行輸電線路行波法故障定位時(shí)，其波頭有時(shí)如果捕獲的。本章節(jié)將對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的介紹，為接下來的行波法故障定位研究打好基礎(chǔ)。2.1輸電線路故障行波的傳播規(guī)律當(dāng)在線路的某一點(diǎn)出現(xiàn)電壓電流的突然變化時(shí)，他會(huì)以電磁波的形式按一定的速度從該點(diǎn)向其他各點(diǎn)傳播，而且在同一時(shí)間不會(huì)在其它地方同時(shí)出現(xiàn)。比如，當(dāng)輸電線路受到雷擊的時(shí)候，在雷擊點(diǎn)的導(dǎo)線先產(chǎn)生的高電壓，會(huì)沿著導(dǎo)線向兩邊傳播，在沿線路傳播的時(shí)候電壓波和其相伴一起傳播的電流一般叫

22、做行波5。假設(shè)輸電線路上某點(diǎn)F處發(fā)生短路，故障類型為金屬性接地，此時(shí)F點(diǎn)的電壓為零。則利用疊加原理，我們可以將故障點(diǎn)的電壓等效為正常狀態(tài)下此處的穩(wěn)態(tài)電壓以及故障附加電壓兩者相疊加，且故障附加電壓的大小與該穩(wěn)態(tài)電壓的大小相等，方向與穩(wěn)態(tài)電壓的相反，如圖2-1(b)所示。圖2-1(b)又可拆分為圖2-1(c)所示的正常狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)以及圖2-1(d)所示的故障狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)。 （a）故障狀態(tài)（b）故障等值狀態(tài)（c）正常狀態(tài)（d）故障分量網(wǎng)絡(luò)圖2-1 利用疊加原理分析故障產(chǎn)生的行波圖中，以及是大小相等、方向相反的兩個(gè)電壓源，分別表示F點(diǎn)處的正常電壓以及故障附加電壓。行波正是在的作用下產(chǎn)生的，包括電流行波以及電壓

23、行波，產(chǎn)生于F點(diǎn)，向線路兩端傳播，并在兩端多次反射、折射。由于電感以及電容沿線路的均勻分布，使得電壓在線路上是以一定速度向正x以及負(fù)x方向運(yùn)動(dòng)的，即電場(chǎng)以一定速度向線路兩端運(yùn)動(dòng)。與此同時(shí)，在電容充電時(shí)，流過電感的電流會(huì)建立磁場(chǎng)。由于的運(yùn)動(dòng)，使得對(duì)應(yīng)的電流也以一定速度運(yùn)動(dòng)，即對(duì)應(yīng)磁場(chǎng)也以一定速度運(yùn)動(dòng)。這個(gè)運(yùn)動(dòng)的以及就叫做電壓行波以及電流行波。對(duì)于理想的均勻傳輸線（電容、電感沿線均勻分布，忽略電阻以及電導(dǎo)），線路上任意位置x處的電壓以及電流是時(shí)間以及位置x的函數(shù)，滿足微分方程： （2-1） （2-2）其中，L 以及C 分別表示單位長度線路的電感以及對(duì)地電容。進(jìn)一步變換上式可得到波動(dòng)方程： （2-3

24、） （2-4）其達(dá)朗貝爾解為： （2-5） （2-6）式中，表示沿正x方向傳播的前行波，表示沿正x方向傳播的前行波。表示行波波速,表示行波線路的波阻抗。2.2輸電線路故障行波的特征常量電力線路在輸送電能時(shí)是以電磁波的形式傳播的，在忽略電阻以及電導(dǎo)的情況下，其線性行波的傳播速度為： 。將線路的電感以及電容代入上式，可以發(fā)現(xiàn)架空線路的行波傳播速度接近于光速，即。行波波長是指行波相位差正好等于2的兩點(diǎn)之間的距離。行波波速的計(jì)算：對(duì)于單相理想輸電線路，當(dāng)忽略線路參數(shù)的頻率相關(guān)性時(shí)，行波波速為。實(shí)際的輸電線路均為三相有損線路，各相之間存在耦合電容、電感的影響，常采用相模變換對(duì)其加以解耦： （2-7） （

25、2-8）其中，以及分別表示模電流以及模電壓，以及分別表示相電流以及相電壓，即，以及分別表示變換矩陣。克拉克變換以及凱倫貝爾變換是兩種常用的變換，對(duì)應(yīng)的變換矩陣分別為:克拉克變換矩陣：凱倫貝爾變換矩陣：變換后，將三個(gè)相互耦合的相分量、變成三個(gè)相互獨(dú)立的模分量、。變換后的模阻抗以及模波速分別為： （2-9） （2-10） （2-11） （2-12）其中， ，分別表示單位長度線路的正序電感、正序電容、零序電感、零序電容。當(dāng)計(jì)及線路的電阻、電導(dǎo)，并考慮線路的依頻參數(shù)特性時(shí)，行波的波速由下式?jīng)Q定。 （2-12）式中，、和表示線路單位長度的技術(shù)參數(shù)，即分別為電阻、電感、電容以及電導(dǎo)，為角頻率。2.3輸電線

26、路故障行波的捕獲在輸電線路故障定位有阻抗法、故障分析法、時(shí)域法和行波法，在本課題中主要是研究輸電線路故障行波，而行波法的關(guān)鍵之一是準(zhǔn)確捕捉行波波頭，確定行波的到達(dá)時(shí)間。目前比較常用的捕捉行波波頭的方法有小波模極大值法、互相關(guān)函數(shù)法、求導(dǎo)數(shù)法、數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)等方法6。1）小波模極大值法行波信息復(fù)雜豐富，而且存在突變，當(dāng)檢測(cè)到突變點(diǎn)時(shí)，就表示檢測(cè)到了行波波頭，對(duì)應(yīng)的時(shí)刻就是行波的到達(dá)時(shí)刻。因此，捕捉行波波頭可以看做是檢測(cè)行波的突變點(diǎn)。小波變換被稱作數(shù)學(xué)顯微鏡，它是一種非常適合檢測(cè)突變信號(hào)的工具。小波變換通過構(gòu)造合理的小波基函數(shù)，選擇合適的尺度因子，能夠做到有效放大所需的行波突變信號(hào)而抑制噪聲干擾信號(hào)。

27、小波變換模極大值的大小表現(xiàn)為信號(hào)變化的強(qiáng)度，極性則對(duì)應(yīng)信號(hào)的方向。小波模極大值能很好反映突變信號(hào)的特性，其出現(xiàn)時(shí)刻可以看做行波波頭到達(dá)檢測(cè)點(diǎn)的時(shí)刻。2）互相關(guān)函數(shù)法互相關(guān)函數(shù)法的基本原理：假設(shè)有兩個(gè)離散信號(hào) x (n)以及y (n)，則它們的互相關(guān)函數(shù)可表示為： （2-14）上式中，N 表示信號(hào)的長度。在故障定位時(shí)，首先選取一定長度時(shí)間窗的包含初始行波波頭的電壓或電流信號(hào)以及，對(duì)其進(jìn)行如下預(yù)處理： （2-15） （2-16）然后對(duì)它們進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算，所得運(yùn)算結(jié)果的最大值點(diǎn)就可以看做是行波的第二個(gè)反射波頭到達(dá)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的時(shí)刻。互相關(guān)法原理簡(jiǎn)單，但由于實(shí)際行波的復(fù)雜性，使得實(shí)際實(shí)現(xiàn)起來仍有一些困難。3

28、）求導(dǎo)數(shù)法由于行波信號(hào)是一突變信號(hào)，其到達(dá)時(shí)電壓以及電流會(huì)突變。因此，可以通過檢測(cè)電壓或電流行波的突變點(diǎn)，即可捕捉到行波波頭。常用的方法是通過檢測(cè)電壓或電流信號(hào)的幅值的變化斜率，即對(duì)其求一階導(dǎo)數(shù)，看導(dǎo)數(shù)值是否超過某一門檻值來判斷波頭是否到達(dá)。為消除其他原因造成的波形畸變可能帶來的干擾，也可以求取二階導(dǎo)數(shù)來判斷。求導(dǎo)數(shù)法實(shí)際實(shí)現(xiàn)起來，抗干擾能力較差，容易產(chǎn)生誤判。4）數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)法數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)方法采用集合來描述目標(biāo)信號(hào), 首先設(shè)計(jì)合適的結(jié)構(gòu)元素。在處理信號(hào)時(shí)，通過移動(dòng)結(jié)構(gòu)元素，有用的信息被提取出來。常用的形態(tài)函數(shù)是膨脹以及腐蝕。設(shè)待處理信號(hào)為，定義域：D0,1,2,N；結(jié)構(gòu)元素序列為，定義域：D0,

29、1,2,P；整數(shù)N 以及P 滿足：。定義膨脹以及腐蝕如下： （2-17） （2-18）其中，以及分別表示膨脹以及腐蝕運(yùn)算。將兩者的差分定義為形態(tài)學(xué)梯度： （2-19）若某點(diǎn)的梯度值大, 則認(rèn)為該點(diǎn)信號(hào)有明顯的變化，表示此處有突變量。這一特征可以很好的用來提取行波的突變信息。2.4本章小結(jié)當(dāng)輸電線路受到雷擊的時(shí)候，在雷擊點(diǎn)的導(dǎo)線先產(chǎn)生的高電壓，會(huì)沿著導(dǎo)線向兩邊傳播，在沿線路傳播的時(shí)候電壓波和其相伴一起傳播的電流一般叫做行波。本章主要介紹了，輸電線路行波的行波傳播特性特征常量已經(jīng)行波波頭的捕獲方法。輸電線路故障行波在傳遞的過程中，因?yàn)槭且灶愲姶挪ǖ男问剑云鋫鞑ニ俣群芸?，而且又由前文知道在不同?/p>

30、障類型故障距離其故障點(diǎn)產(chǎn)生的行波有較大的區(qū)別，通過對(duì)行波傳播特性的研究，為以行波法故障定位的研究做好理論基礎(chǔ)。9第三章 基于PSCAD的高壓直流輸電線路故障行波仿真分析第三章 基于PSCAD的高壓直流輸電線路故障行波仿真分析輸電線路發(fā)生故障之后，在繼電保護(hù)裝置的作用下將故障線路切除。而瞬時(shí)性故障時(shí)，需采取重合閘的方法使輸電線路恢復(fù)正常運(yùn)行；對(duì)于永久性故障，輸電線路會(huì)在重合閘之后再次跳開開關(guān)，在完成上述工作后就要進(jìn)行故障定位，即查找出故障點(diǎn)并修復(fù)故障部分?，F(xiàn)在輸電線路長度一般有幾百公里，而繼電保護(hù)裝置的作用識(shí)別出故障發(fā)生在保護(hù)區(qū)內(nèi)發(fā)出跳閘命令，這是因?yàn)槔^電保護(hù)對(duì)實(shí)時(shí)性要求特別高，所以不可能給出準(zhǔn)

31、確的故障點(diǎn)位置。而故障定位裝置就是利用線路故障前以及后的線路電壓以及電流信號(hào)，在故障后，采用一些算法來計(jì)算輸電線路故障點(diǎn)到數(shù)據(jù)采集點(diǎn)的距離。在進(jìn)行輸電線路故障定位之前，我先對(duì)高壓直流輸電系統(tǒng)進(jìn)行仿真，對(duì)其行波特點(diǎn)及其傳播特性有個(gè)視覺上的認(rèn)識(shí)和了解。本課題采用PSCAD仿真軟件對(duì)單級(jí)高壓直流輸電線路進(jìn)行仿真。隨后通過仿真進(jìn)行輸電線路故障定位的研究11。3.1 PSCAD仿真軟件簡(jiǎn)介PSCAD作為電力系統(tǒng)以及電力電子控制器的模擬器在RTDS實(shí)數(shù)字仿真或混合數(shù)字仿真的圖形用戶界面上取得了極大的成功。相對(duì)于其他仿真軟件PSCAD具有大規(guī)模的計(jì)算容量、準(zhǔn)確完整的元件模型庫、高效穩(wěn)定的計(jì)算內(nèi)核、便捷的界面

32、和良好的開放性等特點(diǎn)。PSCAD是電力系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)中的代表，PSCAD能更方便快捷地進(jìn)行電力系統(tǒng)分析，使復(fù)雜電力系統(tǒng)研究分析得到更好的進(jìn)行。現(xiàn)在我使用是PSCAD V4.2.1。這個(gè)版本用戶可以通過調(diào)用隨EMTDC主程序一起提供的庫程序模塊或利用用戶自己開發(fā)的元部件模型有效地組裝任何可以想象出的電力系統(tǒng)模型和結(jié)構(gòu)?？梢暂^為簡(jiǎn)單地模擬復(fù)雜電力系統(tǒng), 包括直流輸電系統(tǒng)和其相關(guān)的控制系統(tǒng)。 采用 PSCAD/EMTDC進(jìn)行的典型模擬研究包括：l 一般的交流電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)研究l 直流輸電結(jié)構(gòu)和控制l FACTS(靈活交流輸電系統(tǒng))元部件模型l 由于故障、斷路器操作或雷電沖擊引起的電力系統(tǒng)的過電

33、壓研究l 絕緣配合研究l 諧波相互影響研究l 靜止補(bǔ)償器研究l 非線性控制系統(tǒng)研究l 變壓器飽和研究, 如鐵磁振蕩和鐵芯飽和不穩(wěn)定性研究l 同步發(fā)電機(jī)和感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的扭矩效應(yīng)和自勵(lì)磁研究l 陡前波分析l 研究當(dāng)一臺(tái)多軸系發(fā)電機(jī)與串補(bǔ)線路或電力電子設(shè)備相互作用時(shí)的次同步諧振現(xiàn)象l 向孤立負(fù)荷送電電力系統(tǒng)數(shù)字仿真實(shí)驗(yàn)室使用PSCAD/EMTDC主要進(jìn)行一般的交流電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)研究，進(jìn)行簡(jiǎn)單和復(fù)雜電力系統(tǒng)的故障建模及故障仿真，分析電力系統(tǒng)故障電磁暫態(tài)過程。而我們現(xiàn)在將用PSCAD進(jìn)行直流輸電線路故障行波的仿真，首先我們要先建立一個(gè)高壓直流輸電數(shù)字仿真系統(tǒng)。而PSCAD中進(jìn)行故障建模及仿真的主要流程如

34、下圖所示：圖3-1 PSCAD/EMTDC故障建模及仿真流程3.2高壓直流輸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)直流輸電工程的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可分為兩端直流輸電系統(tǒng)和多端直流輸電系統(tǒng)兩大類，目前世界上已運(yùn)行的直流輸電工程大多為兩端直流輸電系統(tǒng)。兩端直流輸電系統(tǒng)的構(gòu)成主要有整流站、逆變站和直流輸電線路三部分。兩端直流輸電系統(tǒng)又分為單極系統(tǒng)、雙極系統(tǒng)和背靠背直流系統(tǒng)三種類型。在本次研究中我們使用的是單級(jí)高壓直流輸電系統(tǒng)，雙端單級(jí)直流輸電系統(tǒng)和雙端雙極直流輸電系統(tǒng)的區(qū)別主要就其聯(lián)絡(luò)線的不同。單級(jí)通常采用一根負(fù)極性的導(dǎo)線，由大地或水堤供回路，如果當(dāng)?shù)仉娮柽^高或者環(huán)境要求不充許，可以用金屬回路代替大地回路。單級(jí)直流輸電系統(tǒng)是構(gòu)建雙極系統(tǒng)

35、的基礎(chǔ)。圖5-2所示為兩端單極直流輸電系統(tǒng)構(gòu)成的原理圖12。圖3-2 兩端單級(jí)直流輸電系統(tǒng)構(gòu)成原理圖3.3單級(jí)HVDC輸電線路故障行波仿真 用PSCAD仿真軟件建立單級(jí)HVDC系統(tǒng)，系統(tǒng)如圖4-4所示，采用理想電源直流電壓源500KV、線路長240KM。圖3-3 單級(jí)HVDC系統(tǒng)仿真圖下面簡(jiǎn)單介紹下，PSCAD仿真圖中對(duì)應(yīng)的元件以及其作用。圖3-4(a)所示是理想直流電壓源，在仿真中由理想直流電源代替兩邊的的交流系統(tǒng)。圖3-4(b)為平波電抗器，其作用為降低直流線路中的諧波電壓以及電流；防止逆變器換相失??；防止輕負(fù)荷電流不連續(xù)；限制直流線路短路期間整流器中的峰值電流。圖3-4(c)為直流濾波器

36、，換流器在交流以及直流兩側(cè)均產(chǎn)生諧波電壓以及諧波電流這些諧波可能導(dǎo)致電容器以及附近的電機(jī)過熱，并且干擾遠(yuǎn)動(dòng)通信系統(tǒng)直流濾波器的作用就是過濾掉這些諧波電壓和諧波電流。 圖3-4為直流輸電線路部分，在仿真中建立兩個(gè)輸電路線模型，在兩個(gè)模型中間即為故障點(diǎn)，通過改變兩變模型的距離而改變輸電線路故障的距離。a) 理想直流電壓源 b) 平波電抗器 c）直流濾波器d）輸電線路圖3-4 高壓直流輸電系統(tǒng)參數(shù)模型輸電線路故障按故障性質(zhì)可以分為金屬接地故障和非金屬性接地故障：（1）金屬接地故障。包括純金屬接地和近似金屬接地（如電弧短路）。一般由外力破壞、雷擊、風(fēng)偏等原因造成。在波形上表現(xiàn)為正弦波，持續(xù)時(shí)間一般只有

37、幾十毫秒，絕大部分可以重合閘成功。（2）非金屬性接地故障。一般由山火、鳥害、樹線放電、污閃等原因造成的短路，這類短路一般短路電阻較大，在波形上表現(xiàn)為畸變，持續(xù)時(shí)間長，一般重合閘不易成功。而在PSCAD仿真軟件中可以通過Facut改變輸電線路中的過電阻而改變故障類型，在本次仿真研究中主要研究1、比較不同故障類型時(shí)其故障點(diǎn)產(chǎn)生行波的特點(diǎn)如圖2-6，2、研究金屬接地故障即過電阻為0時(shí)不同故障距離的行波特點(diǎn)如圖2-7。仿真分析：系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)兩端波形如圖2-5所示：a）整流側(cè)電壓波形b）整流側(cè)電流波形c）逆變側(cè)電壓波形d) 逆變測(cè)電流波形圖3-5 系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)兩端波形故障點(diǎn)相同，比較系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，

38、過電阻0、50、100、200、300時(shí)末端電壓電流波頭的不同。由fault 改變其過電阻值即改變故障類型。故障發(fā)生在0.5s歷時(shí)0.01s。仿真結(jié)果如下圖3-6。a) 過渡電阻0b) 過渡電阻50c) 過渡電阻100d) 過渡電阻300圖3-6 不同過電阻時(shí)故障點(diǎn)電壓行波對(duì)比圖觀察比較圖3-6不同過電阻時(shí)，在整流側(cè)和逆變側(cè)測(cè)到的故障點(diǎn)電壓波形，我們發(fā)現(xiàn)，隨著過電阻的變大，其故障點(diǎn)傳到整流側(cè)的波形相對(duì)比較穩(wěn)定，振幅也變小。當(dāng)故障類型相同，在不同故障點(diǎn)波形的特點(diǎn)，采用故障變量法，線路總長240KM，均是金屬性接地故障，改變故障距離，觀察其故障波形的特點(diǎn)：a) 故障距離10KMb)故障距離 60K

39、Mc) 故障距離120KM圖3-7 故障距離不同時(shí)故障點(diǎn)電壓波形 從上圖中我們可以發(fā)現(xiàn)，相同故障類型時(shí)，不同故障距離其產(chǎn)生的故障行波也不相同，故障點(diǎn)離測(cè)站越遠(yuǎn)其產(chǎn)生的電壓行波相對(duì)振幅越小，波長越小。當(dāng)故障點(diǎn)是線路的中點(diǎn)時(shí)其傳到兩邊的波形的波頭是重合的。根據(jù)其不同故障點(diǎn)技巧不同故障類型行波波頭的不同對(duì)其分析。正方向的尖波頭是剛開始到來的行波，負(fù)方向的尖波頭是行波在始端反射之后又在故障點(diǎn)反射回來的行波。再根據(jù)前面所接受故障的定位方法，我們可以根據(jù)故障行波的波頭，按照一定的算法可以計(jì)算出其故障點(diǎn)的距離。3.4本章小結(jié)本章對(duì)PSCAD仿真軟件進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹，并通過PSCAD對(duì)高壓直流輸電線路進(jìn)行仿真，

40、通過仿真分析單級(jí)高壓直流輸電線路在發(fā)生故障時(shí)，其故障點(diǎn)行波的特點(diǎn)。運(yùn)用控制變量法對(duì)高壓直流輸電線路在不同故障類型和不同故障距離時(shí)的的行波特點(diǎn)。仿真結(jié)果表明，輸電線路線路故障點(diǎn)的行波會(huì)因?yàn)楣收项愋秃凸收项愋偷牟煌忻黠@的變化規(guī)律。當(dāng)輸電線路發(fā)生故障時(shí)，行波從母線向故障點(diǎn)開始傳播經(jīng)過一段時(shí)間后，從故障點(diǎn)又反射回來，這段時(shí)間間隔和故障距離成正比的特點(diǎn)，可以進(jìn)行故障定位。23第四章 輸電線路故障行波法定位研究第四章 輸電線路故障行波法定位研究通過前文的仿真分析可知：輸電線路發(fā)生故障時(shí)行波特點(diǎn)、傳播規(guī)律及故障行波捕獲原理等。本章對(duì)輸電線路金屬接地故障采用行波定位方法進(jìn)行定位研究。4.1行波定位理論基礎(chǔ)當(dāng)

41、輸電線路某一點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，需要尋找線路故障點(diǎn)，再根據(jù)故障造成損壞程度來判斷線路維護(hù)的方法，是應(yīng)該停電檢修還是繼續(xù)運(yùn)行。所以，要求迅速準(zhǔn)確的定位輸電線路的故障位置，才能縮短故障修復(fù)時(shí)間，減少停電損失，提高供電可靠性。準(zhǔn)確測(cè)出故障點(diǎn)位置，對(duì)由重合成功的瞬時(shí)性故障來說，可以判斷是雷電過電壓還是由于線路絕緣子老化，線路下樹枝擺動(dòng)引起的線路故障。故障定位是，當(dāng)線路某一點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，通過線路兩端的電氣量如電流，電壓以及線路阻抗等參數(shù)計(jì)算出故障距離。通常傳統(tǒng)的方法是直接計(jì)算故障阻抗或者其百分比，然而該方法具有一定的局限性很難保證精確度，特別是對(duì)于孤獨(dú)電阻，系統(tǒng)阻抗以及負(fù)荷電流等因素。所以在高壓輸電線路中，利

42、用故障產(chǎn)生的暫態(tài)行波信號(hào)進(jìn)行分析與計(jì)算。即行波法。一般有兩種定位方法，即單端行波定位法以及雙端行波定位法10。4.2單端行波定位法單端行波定位法是指只利用保護(hù)安裝處一側(cè)的電氣分量的暫態(tài)行波來進(jìn)行分析計(jì)算故障點(diǎn)。對(duì)一般性的故障，要求要準(zhǔn)確求出初始行波波頭和從故障點(diǎn)反射回測(cè)量端的時(shí)間差，原理用如下公式表示： （4-1）表示故障點(diǎn)到測(cè)站的距離；和分別表示故障產(chǎn)生電氣分量的初始行波從第一次傳到測(cè)量點(diǎn)的時(shí)間和從故障點(diǎn)反射回到測(cè)量點(diǎn)的時(shí)間；行波的傳播速度。不過，對(duì)于特殊故障比如高阻接地故障，單端行波定位法的關(guān)鍵是準(zhǔn)確的求出行波第一次到達(dá)測(cè)量端和對(duì)端母線反射回測(cè)量端的時(shí)間差。定位公式如下： （4-2）其中，

43、表示故障點(diǎn)到測(cè)站的距離；是線路的總長度，是故障產(chǎn)生的行波從對(duì)端母線反射回測(cè)量點(diǎn)的時(shí)間。而常用傳統(tǒng)的單端行波定位算法：相關(guān)法、求導(dǎo)數(shù)法、匹配濾波器法和主頻率法等。導(dǎo)數(shù)法：是根據(jù)保護(hù)安裝處的電氣分量行波的一階導(dǎo)數(shù)值和二階導(dǎo)數(shù)值有沒有超過整定值來判斷行波波頭有沒有到達(dá)母線，這種方法適用在行波中含有高頻分量的故障，如近距離故障等，不過精度容易受的噪聲影響。相關(guān)法：是利用互相關(guān)函數(shù)求出到達(dá)母線行波與從故障點(diǎn)反射回母線的時(shí)間差。匹配濾波器法：是建立在相關(guān)法的基礎(chǔ)上，其通過高通濾波器來反映行波波頭分量，從而提高定位的可靠性以及精度。主頻率法：是由較長時(shí)間段來考察行波頻率范圍，而使得所求行波主頻率較低且定位精

44、度也受到影響。單端行波定位法優(yōu)點(diǎn)有：比雙端行波定位法的成本低一半以上，可以不需要全球定位系統(tǒng)以及兩端數(shù)據(jù)通信等，測(cè)量結(jié)果實(shí)時(shí)性較高。因?yàn)槠涠ㄎ换旧喜皇芫€路兩端設(shè)備以及硬件時(shí)間不一致的影響，如果能準(zhǔn)確判斷故障點(diǎn)反射或者折射回測(cè)量處的行波波頭，單端定位精度也能滿足電力系統(tǒng)對(duì)精確故障定位的需求。單端行波定位法的缺點(diǎn)有：在多線路結(jié)構(gòu)以及故障情況下無法進(jìn)行單端定位，存在定位死區(qū)問題。由于行波在特征阻抗變化處的折射反射情況復(fù)雜，而且非故障線路不是無限長，測(cè)量點(diǎn)折射過去的行波分量一定時(shí)間內(nèi)會(huì)從測(cè)量點(diǎn)折射回故障線路，會(huì)產(chǎn)生再次的反射過程，會(huì)使得反射與折射的行波相混淆，從而定位誤差大小難以確定。4.3雙端行波

45、定位法雙端行波定位法的原理是通過計(jì)算故障行波到達(dá)線路兩端時(shí)間差來計(jì)算故障位置，其定位精度基本不受線路故障位置、故障類型、線路長度、過渡電阻等因素的影響。原理公式如下： （4-3） （4-4）公式中和為故障點(diǎn)到兩端的距離；和為行波到達(dá)線路兩端的時(shí)間。所以雙端定位需要專用的時(shí)間同步單元，一般用 GPS 全球定位系統(tǒng)作為雙端定位行波法的時(shí)間同步單元。雙端行波法的優(yōu)點(diǎn)：1、因?yàn)閮啥四妇€皆只用檢測(cè)第一個(gè)到達(dá)的初始行波的波頭，所以線路的過渡電阻的電弧特性、系統(tǒng)運(yùn)行方式的變化、線路的分布電容以及負(fù)荷電流對(duì)定位復(fù)雜性不會(huì)造成大的影響，其結(jié)果的可靠性更高相對(duì)與單端行波法定位來說。2、雙端行波定位結(jié)果精度高，其誤

46、差可在500m以內(nèi)，能夠滿足電力系統(tǒng)的對(duì)精確故障定位的要求。3、輸電線路的長度參數(shù)一般都是通過設(shè)計(jì)參數(shù)或者實(shí)測(cè)參數(shù)得到，而設(shè)計(jì)參數(shù)一般和線路施工后的實(shí)際參數(shù)會(huì)有一定差別的，而且由于測(cè)量線路長度等參數(shù)對(duì)于實(shí)驗(yàn)條件的要求很高，通常會(huì)導(dǎo)致測(cè)量參數(shù)結(jié)果不準(zhǔn)確，所以雙端行波法定位通過用它功過區(qū)外故障以及區(qū)內(nèi)故障的校核輸電線路實(shí)際長度，對(duì)繼電保護(hù)的整定計(jì)算其有重要意義。雙端行波定位法的缺點(diǎn)：雙端行波定位成本較高，而且需要 GPS 時(shí)間定位系統(tǒng)以及鋪設(shè)兩端通信通道。此外在測(cè)量多回線路結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的故障定位時(shí)，因?yàn)槠湓砩系娜毕?，需要單端行波法作為補(bǔ)充。4.4本章小結(jié)本章主要介紹了輸電線路故障定位中的行波法定位的

47、算法。行波法故障定位的方法又分為單端和雙端。兩個(gè)相對(duì)，單端行波定位的成本會(huì)相對(duì)低一半，可以不需要全球定位系統(tǒng)以及兩端數(shù)據(jù)通信等，測(cè)量結(jié)果實(shí)時(shí)性較高。但是受線路結(jié)構(gòu)，線路長短的影響，在再次反射的過程時(shí)會(huì)使得反射與折射的行波相混淆，從而定位誤差大小難以確定。然后雙端定位法只需要檢測(cè)第一個(gè)到達(dá)的初始行波的波頭，受到其他因素的影響較少，具有更高的可靠性。但是雙端成本較高，而且需要 GPS 時(shí)間定位系統(tǒng)以及鋪設(shè)兩端通信通道。通過行波法進(jìn)行故障定位，所需要測(cè)量的只是故障行波波頭的那一部分，具有時(shí)效性和準(zhǔn)確性，所以故障行波是本課題的研究重點(diǎn)。第五章 總結(jié)第五章 總結(jié)輸電線路作為電網(wǎng)的骨架，擔(dān)負(fù)著連接電網(wǎng)及電

48、氣設(shè)備、傳輸電能的重要任務(wù)，是整個(gè)電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)。輸電線路故障后會(huì)嚴(yán)重危及電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，短路點(diǎn)電壓迅速降低并波及周邊相連系統(tǒng)，大電流會(huì)燒毀電力設(shè)備、使保護(hù)動(dòng)作，如不及時(shí)切除，將會(huì)使電網(wǎng)瞬間崩潰瓦解，造成大面積停電，使停電區(qū)域生活陷入癱瘓，給國民經(jīng)濟(jì)以及人民生活帶來嚴(yán)重影響，甚至危及人身安全。對(duì)于輸電線路故障定位來說，要求其可靠和準(zhǔn)確，又考慮到其可行性，所以故障定位還要考慮其經(jīng)濟(jì)性。現(xiàn)有故障定位的方法有阻抗法、故障分析法、時(shí)域法和行波法。阻抗法、故障分析法、時(shí)域法和行波法。而行波法故障定位的精度和可靠性在理論上不受故障電阻、線路類型、故障類型和兩側(cè)系統(tǒng)的影響，是現(xiàn)在輸電線路的一個(gè)研究熱點(diǎn)也是本文的研究方向。論文工作主要包括：1、輸電線路故障點(diǎn)行波特性、輸電線路故障行波的產(chǎn)生及傳播、輸電線路故障行波的一些概念、輸電線路故障行波在不同