電網(wǎng)故障行波定位網(wǎng)絡設計畢業(yè)論文

1、電網(wǎng)故障行波設計定位網(wǎng)絡 摘要 隨著電力系統(tǒng)規(guī)模日益擴大，電網(wǎng)結構愈加復雜，傳統(tǒng)故障行波定位方法將無法 滿足系統(tǒng)故障定位穩(wěn)定性和經(jīng)濟性的要求。因此，高壓輸電線路故障點的快速、精確 定位新技術與新方法研究已成為國內外科技工作者廣泛關注的熱點。本文設計了一個 較為合理的行波故障定位的網(wǎng)絡,并完成了軟件的初步設計,并驗證了其可靠性和實用性。 文章的主要內容也是關鍵技術部分就是故障行波定位的網(wǎng)絡設計及其軟件設計。 網(wǎng)絡設計是在株洲電網(wǎng)現(xiàn)有的網(wǎng)架上著手的，故對整個系統(tǒng)進行了較為合理的分析和 故障定位網(wǎng)絡設計，并通過 atp/emtp 進行了仿真分析和驗證；基于網(wǎng)絡的故障定位 軟件設計，主要是在確定系統(tǒng)故

2、障后,行波定位裝置將故障記錄單元和 gps 時鐘單元記 錄的行波數(shù)據(jù)及時間信息通過通用分組無線電業(yè)務(gprs) 網(wǎng)絡上傳到故障定位主機, 故障定位主機進行故障點計算、數(shù)據(jù)庫的存儲和查詢以及故障信息的發(fā)布等，真正實 現(xiàn)了當任意一臺裝置發(fā)生故障或啟動失靈，都可以根據(jù)其他變電站的記錄數(shù)據(jù)可靠定 位，有效的提高了定位結果的精度和可靠性。 關鍵詞：故障測距； gps 時鐘； gprs ； 網(wǎng)絡定位； atp/emtp 仿真分析 traveling wave fault location network design abstract with the increasing size of power

3、systems, power structures become more complex, the traditional method of traveling wave fault location fault location system will not meet the stability and economy requirements. therefore, the high voltage transmission line fault fast and precise positioning of new technologies and new methods of f

4、oreign technology workers has become widespread attention. this paper designs a more reasonable traveling wave fault location of the network, and completed the preliminary design of the software and verify its reliability and practicability. core part of the article is also part of key technologies

5、traveling wave fault location and network design software design. zhuzhou power network design is to proceed on the existing grid, and therefore the whole system was a more reasonable analysis and fault location network design, and through the atp / emtp simulation analysis and verification; based o

6、n network of fault positioning software design, main is in determine system fault hou, line wave positioning device will fault records unit and gps clock unit records of line wave data and the time information by general group radio business (gprs) network shang to fault positioning host, fault posi

7、tioning host for fault points calculation, and database of storage and query and fault information of publishing, real implementation has dang any a taiwan device occurs fault or started failure, are can under other substation of records data reliable positioning, effective of improve has positionin

8、g results of precision and reliability. key words: fault location；gps clock；gprs；network location；emtp simulation 目 錄 1 緒論.1 1.1 選題的背景和意義 .1 1.2 輸電網(wǎng)故障行波定位原理概述 .2 1.3 國內外故障行波定位的應用及研究 .5 1.4 本文所作的主要工作 .7 2行波故障定位理論及關鍵技術的研究.8 2.1 行波理論詳述 .8 2.2 gps 時鐘的研究分析.12 2.2.1 同步時鐘的簡介.12 2.2.2 gps 衛(wèi)星同步時鐘的應用.13 3 基于株

9、洲電網(wǎng)行波故障網(wǎng)絡設計.16 3.1 株洲電網(wǎng) 220kv電力系統(tǒng)分析 .16 3.1.1 株洲電網(wǎng)故障行波定位網(wǎng)絡設計.16 3.1.2 故障定位方案仿真分析.18 3.2 考慮 110kv電網(wǎng)時分析 .22 3.3 小結 .29 4 故障定位的軟件設計.30 4.1 軟件設計 .30 4.1.1 軟件的整體設計.30 4.1.2 故障計算單元.31 4.1.3 gprs 無線通信單元.33 4.1.3 數(shù)據(jù)庫管理單元.33 4.1.4 故障信息發(fā)布單元.34 4.2 軟件測試 .34 4.3 結論 .37 5 全文總結.38 參考文獻.39 致 謝.41 1 緒論 1.1 選題的背景和意義

10、 在“發(fā)展經(jīng)濟，電力先行”宗旨的指引下，中國的電力事業(yè)蓬勃發(fā)展，電力系統(tǒng) 容量的不斷擴大、電壓等級的不斷升高、新的輸配電架空線路不斷建成致使電網(wǎng)日益 復雜，電力系統(tǒng)對電網(wǎng)故障的檢測和繼電保護的速動性提出了更高的要求。 輸電線路是電網(wǎng)的重要組成部分，對輸電線路的準確定位的作用主要包括以下幾 個方面： (1) 幫助快速查找故障，節(jié)省故障巡線所耗費的大量人力、物力及財力； (2) 幫助及時修復故障，提高供電可靠性和連續(xù)性，減少停電損失； (3) 幫助分析故障發(fā)生的原因，并采取適當?shù)念A防措旌； (4) 對于瞬時性故障，可以提醒線路維護人員注意絕緣薄弱點，并適時清理或更換 存在隱患的絕緣子，從而避免形成

11、永久故障，而且可以大大節(jié)省檢修時間和費用。 然而，高壓輸電線路輸送距離長，暴露在曠野，且多行線于山區(qū)丘陵地形，易發(fā) 生故障。故障點的快速、精確定位，一直是電力部門尚未解決的難題，不能快速、準 確地實現(xiàn)對故障點的定位，對電力系統(tǒng)的安全運行構成較大威脅，也給線路運行維護 人員帶來了繁重的負擔。 隨著系統(tǒng)容量迅速增加，超高壓輸變電線路日益增多，為確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行， 要求輸電線路主保護能夠可靠、快速的切除線路首次發(fā)生的故障?？焖偾谐收?，不 僅能保持電力系統(tǒng)的穩(wěn)定，還能提高系統(tǒng)的輸電效率。因此，快速切除故障是提高整 個系統(tǒng)安全與運行可靠性及供電質量最直接而又簡單的方法。高壓輸電線路特別是超 高壓輸

12、電線路保護直接影響電力系統(tǒng)的安全經(jīng)濟運行。探索新的保護原理和方法以提 高輸電線路保護的性能是繼電保護研究領域中的一個重要課題。而行波保護的優(yōu)勢主 要表現(xiàn)在兩個方面： (1) 具有快速動作性能。繼電保護的快速動作性能是增大輸電線路傳輸容量、提高 電力系統(tǒng)穩(wěn)定性簡單而有效的措施。 (2) 行波保護可以從原理上解決傳統(tǒng)的工頻量保護所不能解決的理論和技術問題。 除了快速性以外，行波保護還有以下優(yōu)點：不易受故障點的過渡電阻、電力系統(tǒng)振蕩、 短路電流的大小、電壓、電流互感器的誤差等因素的影響?？傊?，行波定位和行波保 護對高壓輸電線路故障的準確定位和快速切除對電力系統(tǒng)安全和經(jīng)濟運行具有非常重 要的意義。 1

13、.2 輸電網(wǎng)故障行波定位原理概述 行波法是根據(jù)行波理論實現(xiàn)的定位方法。當輸電線路發(fā)生故障時，由故障點產(chǎn)生 的行波以接近光速的速度傳向整個電力系統(tǒng)，在傳輸過程中，在母線、設備等阻抗不 連續(xù)的地方發(fā)生反射與折射，根據(jù)行波傳輸?shù)臅r間計算故障距離。行波定位由于受過 渡電阻的影響小，可以達到較高的定位精度。故障行波定位方法多種多樣，特性各異， 運用于各種不同場合。按其工作原理可以分為以下幾種： 1.單端行波定位 對一般性故障，單端行波定位的關鍵是準確求出行波第一次到達測量端與從故障 點反射回測量端的時間差。 單端行波定位依據(jù)的公式主要為： (1-1) 2 12 vtt l 式中，l為故障點距離；t1，t

14、2分別為故障產(chǎn)生行波第一次到達測量端的時間與從故 障點反射回測量端的時間；v為行波傳播速度。 對高阻故障而言，故障點處反射系數(shù)較小，此時單端行波定位的關鍵是準確求出 行波第一次到達測量端與從對端母線反射回測量端的時間差，其定位依據(jù)的公式主要 為： (1-2) 2 13 vtt ll 式中l(wèi)為線路長度；t3為故障產(chǎn)生行波從對端母線反射回測量端的時間。 單端行波定位方法的缺點主要在于其原理上的缺陷。為了實現(xiàn)單端定位，在測量 端必須準確、可靠地檢測出故障引起的第一個正向行波浪涌在故障點的反射波，或者 檢測出經(jīng)故障點透射過來的故障初始行波在對端母線的反射波。使用單端行波法實現(xiàn) 可靠定位，需要結合阻抗法

15、進行綜合定位，在單端行波法失效的情況下，用阻抗法的 定位結果作為補充，這樣才能彌補單端行波法和單端阻抗法各自的不足，實現(xiàn)可靠的 故障定位。 2.雙端行波定位 雙端行波定位方法通過計算故障行波到達線路兩端的時間差來計算故障點位置， 其定位精度基本不受線路故障位置、故障類型、線路長度、接地電阻等因素的影響。 其依據(jù)的公式主要為： ； (1-3) 2 lttv l nm m 2 )(lttv l mn m 式中，lm、ln為故障點距母線m端和n端的距離；l是故障線路長度。tm、tn為故 障產(chǎn)生的初始行波到達兩側母線(m端和n端)所消耗的時間。 雙端行波法的關鍵是準確記錄電流或電壓行波到達線路兩端的時

16、間，誤差應在幾 微秒以內，以保證故障定位誤差在幾百米內(行波在線路上的傳播速度近似為 300m/s，1s 時間誤差對應約300m的定位誤差)。它需要配備專用的時間同步裝置， 目前一般采用gps作為雙端行波法的同步時間單元。 雙端行波法的優(yōu)點主要是： (1)由于母線兩端都只檢測第一個故障波頭，線路過渡電阻的電弧特性、系統(tǒng)運行 方式的變化(是否多分支線路等)、線路的分布電容以及負荷電流等對定位復雜性不會造 成大的影響。因此，雙端行波法定位結果的可靠性要高于單端行波法。 (2)雙端行波法的定位結果一般能夠滿足電力系統(tǒng)對精確故障定位的要求，定位誤 差可以在500m以內。 (3)由于雙端行波法定位的準確

17、性，可以通過區(qū)外故障和區(qū)內故障校核輸電線路實 際長度，該項技術的實施對繼電保護的整定計算和ems高級應用軟件的計算精度具有 重要意義。 3.網(wǎng)絡行波定位 由于故障行波在產(chǎn)生后會沿線傳輸?shù)秸麄€輸電網(wǎng)中，因此，可以建立基于整個輸 電網(wǎng)的故障行波定位系統(tǒng)，融合處理電網(wǎng)中各變電站記錄的初始行波到達時間計算故 障點位置，實現(xiàn)網(wǎng)絡行波定位。該定位方法具有如下優(yōu)點： (1)有利于利用信息融合技術彌補單條輸電線路故障定位可能存在的不足，如一側 裝置故障、局部干擾所造成的故障行波檢測錯誤、誤起動等。可以借助于其它變電站 所記錄的故障初始行波到達時間，估算故障初始行波到達故障線路兩側變電站的時間 實現(xiàn)故障定位。

18、(2)對于故障線路近距離故障，行波頻率高，不利于故障初始行波的可靠檢測，可 以采用相鄰線路故障初始行波達到時間推算的方法得到故障初始行波到達故障線路兩 端的時間。 (3)建立基于整個輸電網(wǎng)的故障行波定位系統(tǒng)只需要在每個變電站母線裝設行波檢 測裝置，整個網(wǎng)絡簡單，投資少，從整體上來說節(jié)約成本，而故障定位的魯棒性和可 靠性卻增強了。 (4)建立整個輸電網(wǎng)絡行波定位系統(tǒng)，可以實現(xiàn)線路的在線波速檢測或者非故障線 路全長的計算。 隨著微機保護技術的發(fā)展，人們采用故障點到母線間的線路阻抗計算故障距離， 使得阻抗法取代了早期的行波定位法。電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)計算理論和數(shù)字信號處理技 術的發(fā)展使故障行波定位法重新

19、進入研究人員的視野。其基本原理是通過構造各種數(shù) 字信號處理算法來檢測故障點反射過來的行波信號，從而得到故障行波在測量端與故 障點之間往返一次的時問，通過這個時間來定位故障點位置。具體應用中可分為相角 差法、求導數(shù)法、行波相關法和波形畸變法等等。只是這幾種方法受對端母線反射波 的影響較大，得出的結果并不使人滿意。 20世紀90年代以后，故障行波定位法在暫態(tài)行波的提取，相關領域技術的應用以 及定位原理和算法上的研究上都取得了許多重大突破，獲得了越來越廣泛的應用。 暫態(tài)行波的提取 20世紀90年代初，我國學者的研究表明，常規(guī)的電流互感器能夠傳變100khz以上 的電流暫態(tài)分量，完全能夠滿足行波定位的

20、要求。進一步發(fā)展了利用暫態(tài)電流行波進 行故障定位的思想，可以從故障線路和同母線上任一健全線路電流暫態(tài)分量中提取故 障線路上的電流暫態(tài)行波。傳統(tǒng)上采用專門研制的行波傳感器提取電容式電壓互感器 (cvt)地線上的電流暫態(tài)信號，從而間接反映線路電壓暫態(tài)信號。近年來，光學電流互 感器(oct)和光學電壓互感器(ovt)也逐漸應用于電力系統(tǒng)中，它們的廣泛應用將使暫 態(tài)行波信號的提取變得更加容易。 相關領域技術的應用 現(xiàn)代微電子技術的發(fā)展、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(gps)的民用化以及現(xiàn)代通信技術的發(fā) 展對故障行波定位技術有著深遠的影響?，F(xiàn)代微電子技術的發(fā)展使得對于電壓和電流 皙態(tài)信號的高速采集和存儲成為現(xiàn)實，對

21、故障行波定位(尤其是單端定位技術)的實現(xiàn)提 供了物質基礎。20世紀90年代，隨著全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(gps)的民用化，線路兩端高精 度同步時鐘信號的獲取不再是一個難題，d型原理的實現(xiàn)成為可能。現(xiàn)代通信技術的發(fā) 展為故障行波定位提供了方便、快捷、可靠的通信通道。 故障定位原理和算法的發(fā)展 目前，比較受研究人員關注的故障行波定位算法基本上分為a、d、e、f四種類型。 a、e、f為單端定位，d為雙端定位。a型、d型都是在以前a型、d型的基礎上發(fā)展而 來，基本思想沒有太大的變化。e型原理利用斷路器重合閘時產(chǎn)生的暫態(tài)行波在測量點 與永久性故障點之間往返一次的時間計算故障點位置。f型原理則利用斷路器分閘時產(chǎn)

22、 生的暫態(tài)行波在測量點與故障點之間往返一次的傳播時間計算故障點位置。目前，在 實踐中，a型、e型，f型原理都無法通過計算機自動區(qū)別故障點反射波與對端母線反 射波的到達時間，只用通過人工分析暫態(tài)波形來識別以上兩種反射波，取得可靠的定 位結果，因而這三種原理無法單獨使用，只能與d型原理結合應用于故障行波定位裝置 中，做為對d型原理定位結果的校正。 新的現(xiàn)代數(shù)字信號處理算法一一小波變換的出現(xiàn)，促進了故障行波定位理論的進 一步發(fā)展。經(jīng)小波變換后，信號的模極大值點對應原信號的奇異點(不連續(xù)點和不可導 點)；而隨機噪聲產(chǎn)生的奇異點雖然也是小波變換后的模極大值點，但它不能沿小波變 換尺度傳遞，因此，小波變換

23、是一種分析非平穩(wěn)信號奇異點性質的有效途徑。線路故 障產(chǎn)生的暫態(tài)電壓和電流信號是一種非平穩(wěn)信號，而故障初始行波浪涌和來自波阻抗 不連續(xù)點的反射波都會成為一次側電壓和電流暫態(tài)分量中的奇異點。從原理上來看， 分析暫態(tài)行波分量的奇異性，可以獲取初始行波浪涌和故障點反射波到達測量端母線 的時間差，實現(xiàn)故障定位。 1.3 國內外故障行波定位的應用及研究 對于單端故障行波定位來說，故障點反射行波的檢測是關鍵問題之一，常用的行 波單端故障定位算法有求導數(shù)法、相關法、匹配濾波器法和主頻率法。求導數(shù)法是根 據(jù)在檢測點測到的行波的一階或二階導數(shù)是否超過設定的閾值來判斷行波是否到達母 線的一種時域方法，當行波中含有高

24、頻分量時用它的效果好些(近距離故障)，但該法對 噪聲比較敏感，測距精度不高們。相關法是利用相關函數(shù)求出到達母線行波及其從故 障點反射回母線的時間差，進而求出故障位置的方法，由于受多種因素影響，實際應 用起來有一定的困難。葛洲壩一上海南橋直流輸電線所用故障測距儀也是通過計算互 相關函數(shù)的最大值來判斷兩次行波的到達時間差，其測距死區(qū)達30km且運行中誤動頻 繁。匹配濾波器法是建立在相關法基礎之上的方法，它可通過使用高通濾波器來反映 行波波頭分量以提高定位可靠性，并已在實際中應用但其定位結果受母線端所連輸電 線數(shù)目等因素的影響。主頻率法的核心是由行波中頻譜最強分量決定故障距離，其思 路主要是從較長時

25、間段來考察行波頻率范圍，該方法將導致所求行波主頻較低而且測 距精度將受到影響。綜上所述，單端故障行波定位算法在使用時都受到一定條件限制， 且由于行波在特征阻抗變化處的折反射情況比較復雜，使得行波信號分析與精確故障 定位的實現(xiàn)存在一定困難。 雙端行波定位的關鍵是準確記錄電流或電壓行波到達線路兩端的時間，需要配備 專用的時間同步單元。隨著全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(gps)的廣泛應用，利用gps衛(wèi)星信號可 以獲取精度在1s以內的時間脈沖，因此gps可作為雙端行波定位的時間同步單元。由 于gps授時的連續(xù)性、可用性和抗干擾性對于電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制而言仍顯得比較薄弱， 采用高精度恒溫晶振對gps時鐘進行監(jiān)測，并給

26、出了gps時鐘誤差的在線修正方法，研 制出了具有較高性能價格比的高精度時鐘發(fā)生裝置，并成功地應用于電力系統(tǒng)繼電保 護與控制。近年來，由于美國關于“局部屏蔽gps信號”的技術試驗獲得成功，即在 需要的時候可以局部關閉gps信號，由此將導致gps的時鐘突然不能工作或者誤動作， 造成不良后果。為了保障我國電網(wǎng)的安全運行，應該基于我國研制的北斗衛(wèi)星定位系 統(tǒng)來開發(fā)精確的時間同步裝置。我國自2000年開始，先后成功發(fā)射八顆定位于赤道上 空的同步衛(wèi)星，形成北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)，該系統(tǒng)是繼美國gps和俄羅斯glonass之后 第三個投入運行的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，是世界上第一個區(qū)域性衛(wèi)星導航系統(tǒng)，其信號覆蓋 范圍包括我

27、國大陸和臺灣等島嶼、海域，以及我國周邊部分國家和地區(qū)，信號不易被 接收機附近的高大物體遮蔽，適合于向我國一些高山地區(qū)的變電站同步授時，其可用 性、可依賴性和安全性更有保障。北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)自從投運以來，一直工作穩(wěn)定可 靠，在航空、航天、航海、鐵路、交通、海洋等領域都有成功的應用范例。文獻的試 驗指出北斗與gps的秒脈沖時間誤差主要分布在05us的范圍內，因此北斗衛(wèi)星時鐘與 gps時鐘配合使用時，時鐘定位的測距誤差將可以控制在100m以內。北斗衛(wèi)星授時系 統(tǒng)應用于電力系統(tǒng)同步相量測量技術中，有效解決了該技術在廣域監(jiān)測的時鐘源可靠 性問題。 無論是單端行波定位還是雙端行波定位，行波的波速對定位的精

28、度具有重要的影 響。行波的傳輸具有色散特性，依照線路參數(shù)的頻率變化，不同頻率的行波分量在輸 電線路上傳輸時存在不同的傳播速度和衰減系數(shù)口。而已有的大部分行波定位算法， 波速是采用光速或是接近于光速的某一定值，行波波速的不確定勢必給故障定位結果 帶來一定的誤差。為此，有人提出利用小波分析提取行波波頭一定頻帶的行波分量， 進而計算對應頻率的波速，但沒有說明如何選取用于故障定位的具體行波頻帶，沒有 提出與其頻帶相對應的行波波速測量方法，無法應用于故障定位裝置。上面兩種方法 理論上能有效地提高故障定位精度，但很難實現(xiàn)于實際行波定位裝置，難以推廣應用。 在提出利用區(qū)外故障確定行波波速，利用故障后外部線路

29、兩端行波故障定位裝置記錄 的行波到達時刻與線路長度在線計算行波速度，該方法計算的行波波速比較接近實際 波速，不受線路參數(shù)頻變的影響，但受外部故障距離影響較大。 1.4 本文所作的主要工作 本文主要工作包括如下： （1） 首先對行波故障原理概述，及國內外現(xiàn)狀進行分析。 （2） 對行波故障測距方法進行詳細分析,并對相關技術如 gps 時鐘等的研究。 （3） 設計基于株洲電網(wǎng)的行波故障定位網(wǎng)絡，首先對 220kv 網(wǎng)進行分析，并設 計其定位網(wǎng)絡，在此基礎上加上 110kv 網(wǎng)絡，形成一個構架比較完整的，定位比較精 確，運行比較可靠，安全的定位網(wǎng)絡，并通過 emtp 進行仿真分析。 （4） 設計一種基

30、于網(wǎng)絡的故障行波定位的軟件，能真正實現(xiàn)了當任意一臺裝置 發(fā)生故障或啟動失靈，都可以根據(jù)其他變電站的記錄數(shù)據(jù)可靠定位，有效的提高了定 位結果的精度和可靠性。 。 2行波故障定位理論及關鍵技術的研究 2.1 行波理論詳述 早期行波法故障定位誕生于20世紀40年代末，由于暫態(tài)行波的傳播速度比較穩(wěn)定 (接近光速)，人們認識到檢測故障線路上暫態(tài)行波在母線與故障點之間的傳播時間可以 測量故障距離。在傳播時間的測定方面，早期行波故障定位利用電子計數(shù)器或者陰極 射線示波器來測量暫態(tài)行波的到達時刻和傳播時間，現(xiàn)在的行波故障定位則利用各種 數(shù)字信號處理算法來測量暫態(tài)行波的到達時刻和傳播時間。迄今為止，行波故障定位

31、 可分為a、b、c、d、e和f型，共6種原理，其中a、c型為單端原理，而b、d型為雙 端原理?，F(xiàn)分別簡介如下： (1) a型原理 在線路一端測量點感受到故障初始行波浪涌時啟動一電子計數(shù)器，而當該行波浪 涌在故障點的反射波返回測量點時停止計數(shù)，由此可以得到行波在測量點與故障點之 間往返一次的傳播時間，對應于測量點到故障點距離的2倍。這種原理的主要缺點是不 能區(qū)分來自故障點的反射波和系統(tǒng)中其它波阻抗不連續(xù)點的反射波，因而可靠性較差。 圖 2.1 a 型行波測距原理示意圖 基于a型的測距算法即利用單端數(shù)據(jù)算法目前主要有以下三種： 算法一：利用故障點行波的反射渡進行測距。該方法利用在檢測點檢測到的兩個

32、 相鄰線 模波頭之間的時間差進行故障定位。如圖2所示簡單系統(tǒng)，在f點發(fā)生故障后，暫 態(tài)行波分別向m,n運動，到達m,n后，暫態(tài)行波將發(fā)生反射，反射波經(jīng)故障點再到 m,n，所以在m,n點將檢測到2個波頭，設在m點測到2個波頭之間的時間差為t1速度 v1，由此可以m點到故障點之間的距離。 （2-1） 2 1 tv x 但是，在這種方法中，在單相接地故障的情況下，行波的第2個波頭很難測到，原 因是線路上的電阻使行波衰減，第2個波頭在故障點和檢測點之間來回2趟，衰減更厲 害。 算法二：電力系統(tǒng)故障(接地故障)后，線模和零模將以不同的速度向檢測點傳播， 而理論分析證明，線模波速和零模波速可以用線路的正序

33、參數(shù)和零序參數(shù)計算所以， 只要準確找出到達檢測點的線模和零模波頭之間的時間差就可以算出故障位置。仍以 圖2-1為例，設v1為線模速度，v2為零模速度，線模分量到達m點的時刻為tm1，到達n 點的時刻為零模分量tn1，到達m點的時刻為tm2，到達n點的時刻為tn2，故障時刻為t。 則在m點對于線模分量有： （2-2） ttvx m 11 在m點對于零模分量有： （2-3） ttvx m 20 其中：f和x是未知量，消去t得： （2-4） 01 1201 vv ttvv x mm 此算法利用第一次到達檢測端的零模分量計算，波頭衰減少，易于檢測，結果誤 差小。 算法三：t1為故障初始行波到達m端的時

34、刻，t2為故障點反射波到達m端的時間，t3 為對端母線反射波到達m端的時刻，t0為故障發(fā)生的絕對時刻，考慮聯(lián)立方程： （2-5） xttv 01 （2-6） xttv3 02 （2-7） xlttv2 03 式中：v,t0,x是未知參數(shù)，可聯(lián)立求解得到： （2-8） 2 3 21 0 tt t （2-9） 213 12 2ttt tt x 這種算法可以消除波速的影響，理論上計算精度高，但存在各波頭到達時間準確 檢測問題。 (2) b型原理 在線路一端(收信端)測量點感受到故障初始行波浪涌時啟動一電子計數(shù)器，而線路 另一端(發(fā)信端)測量點感受到故障初始行波浪涌時啟動一發(fā)信機并向收信端發(fā)信。當收

35、信端測量點的收信機接收到來自發(fā)信端的信號時即停止計數(shù)，從而在本端可以獲得行 波在故障點與發(fā)信端測量點之間往返一次的傳播時間，對應于故障點到發(fā)信端距離的2 倍。b型法最大的優(yōu)點是不受來自系統(tǒng)中波阻抗不連續(xù)點反射波的影響，但它需要實時 通道，因而其可靠性和測距精度直接受通道的影響。 圖 2.2 b 型行波測距原理示意圖 基于b型原理的測距算法主要有以下兩種： 算法一：在線路發(fā)生故障后，不管線路的結構、衰減及畸變如何，到達母線處的 第一個行波波頭都是最強烈和最明顯的，因此很容易準確定位。仍以圖2為例，在n點 對于線模分量有： （2-10） ttvx m 11 （2-11） ttvxl n 11 可得

36、： （2-12） 22 11 1 l tt v x nm 算法二：利用波速的測距算法的基礎是線模波速受各種因素的影響很小，或者說 線模波速的波動在工程誤差的范圍之內。研究認為：無論哪種模波，在線路上傳播的 速度是不確定的，各模量的波速度受氣候和線路的運行條件影響很大口1?；诖?，提 出了消去波速的測距算法,設,.frl。由雙端測距公 11nm tta 22nm ttb 12mm ttc 式得： （2-13） 11 v xl v x a （2-14） 00 v xl v x b （2-15） 10 v xl v x c 得測距公式： （2-16） cba lc x 2 這種方法的優(yōu)點是完全消除了

37、波速變化對測距的影響，但是仍然使用了零模的第1 個波頭，仍然存在零模衰減的問題，而且也需要雙端數(shù)據(jù)交換通道和同步對時設備。 (3) c型原理 在線路故障時將一高壓高頻脈沖或高壓直流脈沖注入到故障線路一端的測量點， 進而利用電子計數(shù)器測量該信號在測量點與故障點之間往返一次的傳播時間，對應于 測量點到故障點距離的2倍。c型原理與雷達的工作原理類似，故又稱為脈沖雷達法。 我國學者在20世紀70年代對c型原理進行了深入研究，并研制出相應的故障探測裝置。 這種原理存在的主要問題是受故障本身產(chǎn)生暫態(tài)行波以及線路上其它各種干擾的影響， 而且還需要價格昂貴的高壓脈沖信號發(fā)生器。 圖 2.3 c 型行波測距原理

38、示意圖 （4）d 型原理 通過載波同步方式實現(xiàn)兩端測距裝置的同步計時，并在此基礎上測量故障初始行 波浪涌由故障點到達故障線路兩端測量點的絕對時刻，二者之間的差值可以用來計算 故障點到線路兩端測量點的距離。與b型原理一樣，d型原理最大的優(yōu)點是不受來自系 統(tǒng)中波阻抗不連續(xù)點反射波的影響，但它需要建立時鐘同步機制，因而其可靠性和測 距精度直接受時鐘同步方式的影響。另外，d型原理還需要通道，以實現(xiàn)兩端故障信息 (即故障觸發(fā)時刻)的交換。 圖 2.4 d 型行波測距原理示意圖 (5) e 型原理 利用故障線路重合閘暫態(tài)行波的單端測距原理。對于永久性故障，e型行波故障測 距原理可以分為標準模式、擴展模式1

39、、擴展模式2和綜合模式等4種運行模式，各測距 模式與f型行波故障測距原理中相應測距模式具有類似的工作原理。： 圖 2.5 e 型行波測距原理示意圖 (6) f 型原理 利用故障線路分閘暫態(tài)行波的單端測距原理。根據(jù)所檢測反射波性質的不同，可 以將其分為4種運行模式，即標準模式、擴展模式l、擴展模式2和綜合模式。在標準模 式和擴展模式1下需要檢測故障點反射波，在擴展模式2下需要檢測對端斷路器主觸頭 反射波，而在綜合模式下則需要檢測繼第1個正向行波浪涌之后最先到來的反向行波浪 涌。 圖 2.6 f 型行波測距原理示意圈 2.2 gps 時鐘的研究分析 gps(globalpositioning sy

40、stem)美國國防部發(fā)射,有 24 顆環(huán)繞地球的衛(wèi)星系統(tǒng)。向全 球發(fā)射標準授時信號,只要有接受裝置就可以。目前電力市場上所采用的 gps 時鐘設備 品種較多,大同小異,通過搜索鎖定 4-6 顆衛(wèi)星,計算出精格林威治時間,并發(fā)出校時信號。 gps 時鐘組成一括天線、gps 接收器、守時鐘等部件。當前采用較多地對時方式有無 線電廣播、電視 tv 鐘、天文臺無線電對時系統(tǒng)、omega 時鐘系統(tǒng),每種方式雖各有 優(yōu)劣,但對時精度、覆蓋范圍及可靠性方面均不能與 gps 相比,因此 gps 時鐘作為時間 標準在我國電網(wǎng)已取得了廣泛的應用,因此電力系統(tǒng)內推薦選用 gps 對時設備。 2.2.1 同步時鐘的簡

41、介 目前,基于微機型的故障錄波裝置、事件記錄裝置、安全自動裝置、遠動裝置等在 電網(wǎng)中已經(jīng)得到了越來越多的運用。對于時鐘的同步也提出了嚴格的要求,希望能夠達 到 1 ms 甚至 s 級的精度。gps 系統(tǒng)的出現(xiàn)正好滿足了這一要求。gps 接收器能夠送 出非常精確的時間信息,但該信息是固定不變的。它必須經(jīng)過轉換后才能滿足系統(tǒng)內已 經(jīng)使用或將要使用的各種裝置對同步源的要求。各個制造廠商以及用戶對同步的要求 是各不相同的,有些使用不同幅值、不同頻率、不同時延的脈沖同步方式,而有些使用標 準的串行編碼方式,比如 msf 格式或 irig-b 格式,用戶大多喜歡使用當?shù)貢r鐘格式(比 如北京時間)而不喜歡使

42、用 utc 時鐘格式。于是就必然地出現(xiàn)了一種規(guī)約轉換器。將 gps 接收器送出的固定信息轉換成各種不同的格式輸出,以滿足各種裝置及用戶的要求。 該規(guī)約轉換器就俗稱為 gps 同步時鐘,其原理框圖如圖 2.7 所示。 (1)gps 信號接收器:用于接收 gps 衛(wèi)星信號,輸出時間精度為 1s 的 1pps 脈沖,并 經(jīng) rs-232 口輸出 utc 標準時間、日期及接收器所處位置等信息,接收器天線裝在 1 個 直經(jīng)約 3cm、高約 8 cm 的塑料圓棒內,天線一般應安裝在房頂上,以便有開闊的視野; (2)脈沖電路:輸出秒(1 pps)、分(1 ppm)、時(1 pph)同步脈沖信號輸出格式可以是

43、 電平輸 基于株洲電網(wǎng)故障定位的網(wǎng)絡設計及仿真分析出或靜態(tài)空接點輸出; (3)中央處理單元:將來自 gps 的 utc 標準時間信息換算成當?shù)貢r間,送液晶顯示器 顯示,并按照一定的格式經(jīng)串行口輸出;(4)rs-232/485 接口:輸出每秒一次的當?shù)貢r間、 日期等信息、波特率可選;(5)msf、irig-b、bcd 接口:按照各自的標準格式輸出時間、 日期碼。 圖 2.7 gps 同步時鐘的原理框圖 2.2.2 gps 衛(wèi)星同步時鐘的應用 1 標準的時鐘同步源 利用同 1 個信號對電網(wǎng)內的所有時鐘進行實時或定期同步對時,可以達到統(tǒng)一時鐘 的目的。目前大致有 3 種對時方式: (1)電網(wǎng)中心調度

44、所通過通訊通道同步系統(tǒng)中各時鐘; (2)利用廣播電臺、電視臺、天文臺的無線報時信號; (3)利用 gps 全球定位系統(tǒng)的時鐘信號。 第一種同步方式是目前遠動系統(tǒng)普遍采用的方式,該同步方式需要占用通道時間。 由于信號通過通道傳送到不同廠,站的延時不相同,所以只能保證時間的誤差在 ms 級以 上的水平,并且對通道的要求高。 第二種同步方式受氣候影響比較大,與廠、站所在地理位置也有很大關系,并且容易 受到電磁波的干擾,丟失信號。 第三種同步方式是目前最理想的同步方式,即 gps 時鐘同步方式。gps 系統(tǒng)每秒發(fā) 送一次信號,其時間精度在 1s 以內,在全球任何位置均能可靠接收到信號,是理想的同 步時

45、鐘源。 gps 衛(wèi)星同步時鐘有多種接口輸出方式,如脈沖同步方式、串行口同步方式、編碼 同步方式等,完全可以滿足各類裝置的同步要求。目前在華東電網(wǎng)中,已對微機型故障錄 波器(hathway 公司的 dfr16/32、abb 公司的 indactic650、metha 公司的 thranscan),微機型線路保護裝置(lfp-900 系列、wxb-11 系列)等設備進行了同步 對時,運行情況良好。 2 相位測量 為了保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行,需要控制系統(tǒng)中關鍵點位間的電壓相位差。在系統(tǒng) 的時鐘統(tǒng)一后,就可以做到輸入信號的采樣脈沖同步,通過軟件方法就可以很容易地測出 各電站間電壓的相位關系。 要保證相

46、位測量的準確性,采樣脈沖的同步誤差就要求非常小,必須嚴格控制在幾個 s 之內。對 50 hz 系統(tǒng)來說 1 度對應于 55s。而利用廣播電臺或類似手段的對時方 式顯然是不適合的,它們的對時誤差是毫秒級的,而 1 ms 對于 50hz 系統(tǒng)來說就是 18 度 的相位差,是絕對不能接受的。唯有 gps 衛(wèi)星時鐘才能滿足這一要求,利用 gps 衛(wèi)星時 種的 1 pps 脈沖同步方式,可以使整個系統(tǒng)的采樣脈沖時間誤差保持在幾個 s 以內,對 應的相角測量誤差也就不大于 0.5 度,完全滿足了系統(tǒng)的要求。 3 故障測距 gps 衛(wèi)星時鐘的出現(xiàn),給研制雙端行波測距原理的裝置創(chuàng)造了有利條件。線路故障 后,正

47、常的負荷電流躍變?yōu)槎搪冯娏鳌Ｓ纱水a(chǎn)生由故障點向線路兩端運動的電流行波浪 涌,假設線路全長為 l,行波的傳播速度為 v,故障后在線路兩端 m、n 接收到故障初始行 波浪涌的時間分別為 tm、tn。線路兩側通過通訊網(wǎng)絡交換信息后,就可以計算出故障 點到 m、n 兩端的距離分別為: （2-17） 22 v tt l x nmm （2-18） 22 v tt l x mnn 行波測距原理的關鍵是準確地記錄下故障初始行波到達線路兩端的時間,誤差應嚴 格控制在幾個 s 以內。因為對架空線而言,1 個 s 的時間誤差對應于約 150 m 的測 距誤差。對電力電纜而言,1 個 ms 的時間誤差對應于約 701

48、00 m 的測距誤差。利用 gps 衛(wèi)星時鐘的 1 pps 秒脈沖與串行口時間信息,就可以很容易地滿足誤差要求?；?該原理的行波測距裝置已在株洲電網(wǎng)中試運行。 3 基于株洲電網(wǎng)行波故障網(wǎng)絡設計 3.1 株洲電網(wǎng) 220kv 電力系統(tǒng)分析 3.1.1 株洲電網(wǎng)故障行波定位網(wǎng)絡設計 現(xiàn)對基于行波的電網(wǎng)故障定位系統(tǒng)的湖南株洲電網(wǎng)系統(tǒng)的結構進行分析，其要求 能夠對全地區(qū)的 220kv 電網(wǎng)進行故障定位。電網(wǎng)結構概況如圖 3.1 所示： 圖 3.1 株洲地區(qū) 220kv 電網(wǎng)結構概況圖 從圖 3.1 可以看出株洲地區(qū)的 220kv 輸電網(wǎng)包括: 8 個變電站：云田、白馬攏、團山、滴水井、桂花、株冶、大

49、塘沖、葉子沖 14 條線路：云田(15.01km)、云田(14.23km)、云滴(61.57km)、云團(33.57km)、 云桂(14.96km)、葉白(10.16km)、葉白(9.61km)、白冶(4.81km)、桂冶(15.7km)、團 大(89.56km)、團滴(37.33km)、株桂(6.70km)、株桂(6.77km)、團葉(30km)。其中桂 冶線的桂冶 604 斷開，處于熱備用狀態(tài)。 在互連的電力系統(tǒng)中，只需在每個變電站安裝一套故障行波定位裝置，記錄任一 輸電線路故障產(chǎn)生的行波到達每個變電站的精確時間，由故障線路兩端各任一變電站 所記錄的精確時間就可以實現(xiàn)故障點位置的精確計算，

50、完成整個電網(wǎng)故障行波定位。 但從投資方考慮，每個變電站都安裝行波定位裝置是不實際的。 對定位系統(tǒng)的要求是必須實用、安全、可靠、準確；覆蓋盡可能多的線路，尤其 是長度比較長的幾條線路，如：團大、團滴、云團、云滴、團葉等；考慮輸電網(wǎng)迅速 擴充的情況；適當?shù)目紤]投資因素。 根據(jù)前面的基本前提與要求，分析可得： （1）大塘沖變是終端變，而團大線又是最長的線路。因此，為確保團大線的故障 定位，大塘沖變必須安裝故障行波定位裝置。 （2）株冶變不是終端變，但由于株冶廠的負荷大而且重要，由白馬攏變和桂花變 雙電源供給，而正常情況下，桂冶斷開處于熱備用狀態(tài)。因此，株冶變起了事實上的 終端變作用。株冶變必須安裝故

51、障行波定位裝置。并且白冶線端命名為株冶 1，桂冶 線端命名為株冶 2。 （3）滴水井變不是終端變，但云滴線和團滴線之和達 98.90km，比云團線 (33.57km)長得多。因此，為確保云滴線和團滴線兩條較長線路的定位，滴水井變必須 安裝故障行波定位裝置。 （4）與滴水井變相同的理由，為確保云滴線和云團線的故障定位，云田變宜安 裝故障行波定位裝置。 如果在八個 220kv 站均安裝行波定位系統(tǒng)，則每一條輸電線路兩端均裝有故障行 波定位裝置，故障定位最簡捷和準確。而且定位數(shù)據(jù)有很好的冗余度，以團山與滴水 井間發(fā)生故障為例，則最簡單的定位方法為由團山和滴水井兩站檢測到的行波波頭進 行故障定位，若滴

52、水井變電站的行波定位裝置不能正常工作，則也可由團山云田兩站 來完成故障定位。但對于投資來說,可能有些過大。且有些變電站可通過其他站的定位 系統(tǒng)來定位，如當葉子沖變不安裝定位系統(tǒng)時，當葉白線上或葉團線發(fā)生故障時，可 通過云田或者株冶和團山變檢測到波頭的時間來達到精確定位。對于白馬垅基于同樣 的考慮也可不安裝定位系統(tǒng)。而對于桂花變，由于涉及到株洲電廠的兩回線，而安裝 的話僅能對桂云有效，所以，投資方選擇放棄桂云線。 當每個變電站都安裝行波定位系統(tǒng)時，投資比較大，而有些變電站可以由其他變 電站的行波定位系統(tǒng)進行準確的故障定位，所以，從經(jīng)濟上考慮，由以上分析得出選 擇安裝在 5 個變電站：云田變、滴水

53、井變、大塘沖變、株冶變、團山變安裝故障行波 定位裝置。側重點考慮長線路：團大線、團滴線、云團線的準確定位。而且，定位數(shù) 據(jù)有較好的冗余度，5 個站故障行波定位裝置除了以上描述的 3 個站：大塘沖變、株冶 變、滴水井變的定位裝置不可缺少外，其余 2 個站：云田變、團山變的定位裝置也可 實施 n-1=1 的原則運行。但是會依次使團大線、團滴線、云團線、葉團線、云白線等 的定位精度有所降低。 但我們也應看到由于株洲地區(qū)電網(wǎng)接線較復雜，可能對行波波頭的檢測檢測要求 較高。如當?shù)嗡妇€近側發(fā)生故障時，由云滴(61.57km)傳輸?shù)男胁ú^與從團滴 (37.33km)和團云（33.353km）線傳輸?shù)男?/p>

54、波波頭到達時刻相差不大，就要求行波檢測 回路能準確檢測到第一個波頭。 定位主站設在株洲電業(yè)局調度所，上述變電站安裝的故障行波定位裝置的 i/o 數(shù)據(jù) 通過光纖網(wǎng)送至定位主站。方案如圖 3.2： 圖 3.2 株洲地區(qū)故障定位方案 對定位系統(tǒng)的要求是必須實用、安全、可靠、準確；覆蓋盡可能多的線路，尤其 是長度比較長的幾條線路，如：團大、團滴、云團、云滴、團葉等；考慮輸電網(wǎng)迅速 擴充的情況；適當?shù)目紤]投資因素。 3.1.2 故障定位方案仿真分析 emtp(electronic maganetic transients program)即電磁暫態(tài)分析程序。最初是由加 拿大大不列顛哥倫比亞大學（ubc）

55、的 h.w.dommel 教授創(chuàng)立的，而后又經(jīng)過很多專 家共同努力而日臻完善。該程序主要用于計算機模擬電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)過程，程序可 以求解包括集中參數(shù)的線性和非線性電阻、電感、電容電路，多相 型電路，多相分 布參數(shù)電路，各種類型的開關、變壓器、電源以及控制系統(tǒng)等組成的大型電力系統(tǒng)的 穩(wěn)態(tài)或暫態(tài)過程?？梢杂秒娐穪砟M的其他系統(tǒng)，如機械系統(tǒng)等的穩(wěn)態(tài)或暫態(tài)過程均 可以用此程序來計算。emtp 程序具有規(guī)模大、功能強、模擬真實等優(yōu)點，目前在我 國高等學校、科研、設計和制造等部門都得到了廣泛的應用，并在一些國家級重點項 目的研究中都已使用 emtp 程序。 本章采用 emtp 仿真分析，仿真模型如圖 3

56、.3，穿芯式行波傳感器是測量電容性設 備（電容式 ct、變壓器套管、穿墻套管等）地線上的電流突變信號,本仿真檢測變壓器 套管地線上的電流信號。電流、電壓互感器都能實時傳變行波暫態(tài)信號的特點，通過 測量母線上的零序電流信號來模擬電壓互感器開口三角側的電壓突變信號。 圖 3.3 株洲地區(qū) 220kv 電網(wǎng) emtp 仿真接線圖 仿真模型考慮線路的實際結構，阻波器的影響，變電站設備分布電容的影響，采 用前述的行波故障定位方法進行仿真分析。 本文研究中使用的電磁暫態(tài)程序(emtp)進行仿真，線路模型全部采用考慮頻變影 響的分布參數(shù)模型(j.marti 模型)，該模型中使用了特征線法并輔以改進的傅氏變換

57、法， 同時計及線路參數(shù)的依頻變化。仿真分析考慮了變電站對地電容，線路阻波器，cvt 等的影響，力爭仿真模型接近株洲地區(qū)電網(wǎng)實際的系統(tǒng)。 本文以單相接地故障為例對整個網(wǎng)絡進行仿真，對變壓器套管地線上電流行波信 號（圖 1）和母線零序電流（圖 2）進行檢測。假設在大塘沖與團山間距大塘沖 10km 發(fā)生單相接地。單相接地時，檢測故障相的行波信號。則各變電站檢測到的變壓器套 管地線上的電流行波信號即是穿芯式行波傳感器的輸入信號和母線零序電流信號即表 示為 cvt 開口三角形的行波信號如下： (file fengan302.pl4; x-var t) c:d1c - 0.000.040.080.120.

58、160.20 ms -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 a (file fengan302.pl4; x-var t) c:da - 0.000.040.080.120.160.20 ms -1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 a 圖 3.4 大塘沖變檢測到的信號波形 (file fengan302.pl4; x-var t) c:t1c - 0.2500.3120.3740.4360.4980.560 ms -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 a (file fengan302.pl4; x-var t) c:t0 - 0.2500.31

59、20.3740.4360.4980.560 ms -40 -20 0 20 40 60 ma 圖 3.5 團山變檢測到的信號波形 (file fengan302.pl4; x-var t) c:y1c - 0.3000.3520.4040.4560.5080.560 ms -0.30 -0.15 0.00 0.15 0.30 0.45 0.60 a (file fengan302.pl4; x-var t) c:y0 - 0.3000.3520.4040.4560.5080.560 ms -5 0 5 10 15 20 25 30 ma 圖 3.6 葉子沖變檢測到的信號波形 (file fen

60、gan302.pl4; x-var t) c:w1c - 0.350.380.410.440.470.500.530.56 ms -0.05 0.05 0.15 0.25 0.35 0.45 a (file fengan302.pl4; x-var t) c:w0 - 0.3000.3520.4040.4560.5080.560 ms -4.0 0.4 4.8 9.2 13.6 18.0 ma 圖 3.7 云田變檢測到的信號波形 (file fengan302.pl4; x-var t) c:w5c - 0.350.380.410.440.470.500.530.56 ms -0.20 0.0