【正文】 論文） 1 1 緒論 故障測距定位的意義和作用 高壓輸電線路是電力系統(tǒng)的命脈它擔(dān)負(fù)著傳遞電能的重任，同時，它又是系統(tǒng)中發(fā)生故障最多的地方，并且極難查找。因此，在線路故障后迅速準(zhǔn)確地把故障點(diǎn)找到，不僅對及時修復(fù)線 路和保證可靠供電，而且對電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行都有十分重要的作用。 輸電線路的故障類型分為瞬時性故障和永久性故障。瞬時性故障會造成局部絕緣損傷，一般沒有明顯痕跡，這便給故障點(diǎn)的查找?guī)砭薮蟮睦щy。但是這類瞬時性故障往往發(fā)生在系統(tǒng)的薄弱之處，所以需要盡快找到加以處理，否則若是再次發(fā)生故障便會危及電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。永久性故障排除時間的長短會直接影響到輸電線路的供電和電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，排除的時間越長，則停電所造成的損失會越大，對電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的影響也越大。因此，輸電線路故障后準(zhǔn)確并快速地找到 故障點(diǎn)，是幫助故障快速排除的有效途徑，也對電力系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有非常重要的意義 [1]。 長距離輸電線路由于輸電距離長，沿路經(jīng)過的地域廣闊，地理環(huán)境很復(fù)雜，若不依靠故障定位裝置來查找故障點(diǎn)位置，要找到故障點(diǎn)無異于大海撈針。所以，精確的故障定位對于長距離輸電線路發(fā)生故障后故障位置的準(zhǔn)確查找顯得尤其重要。故障測距裝置又稱為故障定位裝置，是一種測定故障點(diǎn)位置的自動裝置。它能根據(jù)不通的故障特征迅速準(zhǔn)確地測定故障點(diǎn)，這不僅大大減輕了人工巡線的辛苦勞動，而且還能查出人們難以發(fā)現(xiàn)的故障。因此他給電力生產(chǎn)部門帶來的社會 和經(jīng)濟(jì)效益是難以估計的。 本文所研究的內(nèi)容在電力系統(tǒng)中是有助于及時排查故障并修復(fù)線路供電，以此來保證電力系統(tǒng)供電的可靠性，從而大量節(jié)約查線的人力和物力，減輕工人們繁重的體力勞動，在技術(shù)上保證電力網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，具有巨大的社會和經(jīng)濟(jì)效益。 輸電線路故障 輸電線路故障 類型 輸電線路的故障大致分為兩類：橫向故障和縱向故障。橫向故障是指我們通常所說的單相短路接地故障、兩相短路接地故障、兩相相間短路故障及三相短路故障?？v向故障即斷線故障，如一相斷線、兩相斷線。除了這些故障類型外，還有轉(zhuǎn)換性故障等復(fù)雜 類型。單相短路接地故障的幾率最大，占輸電線路故障總數(shù)的 80％左右，其次是兩相短路接地故障。兩相相間短路故障幾率很小，約占 2％－ 3％，其原因多半是由于兩相導(dǎo)線受風(fēng)吹擺動造成的。三相短路故障都是接地的，幾率也是最小的，約占 1％－ 3％。絕大多數(shù)三相故障都是由單相和兩相故障發(fā)展來的 [2]。輸電線路故障不外乎是絕緣擊穿和雷擊造成的。絕緣子表面的閃污、閃濕，絕緣內(nèi)部擊穿，雷電閃絡(luò)，風(fēng)刮導(dǎo)致的線間閃絡(luò)，線路通過鳥獸或華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 2 樹木放電等都是造成輸電線路短路故障的原因。輸電線路發(fā)生純金屬性短路故障的幾率很少，大多數(shù)在故障點(diǎn)是有過渡電 阻的。過渡電阻一般包括電弧電阻和桿塔接地電阻。根據(jù)電弧情況可以把短路故障分為兩種。一是大電流電弧故障，閃絡(luò)通過對地絕緣子或相間發(fā)生，電弧通道較短。二是小電流電弧故障，如架空線通過樹枝對地放電等，電弧通道較長。研究表明，對大電流電弧故障，電弧電阻一般為 2－ 20? 。但對輸電線路對外物放電的小電流電弧故障，則過渡電阻將很大，有幾十歐姆甚至幾百歐姆。短路過渡電阻的存在是影響故障定位精確度的一個重要因素 [ 4]。 輸電線路故障 對 測距裝置的基本要求 為了充分發(fā) 揮故障定位的上述作用，故障測距定位裝置在準(zhǔn)確性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性以及方便性等反面應(yīng)滿足一定要求。 a)可靠性 可靠性包含不拒動和不誤動兩方面的內(nèi)容，不拒動指裝置在故障發(fā)生后能可靠的測定故障點(diǎn)的位置，不應(yīng)由于測距原理、方法或制作工藝等任何問題使裝置拒絕動作；不誤動指裝置在測距以外的任何條件下不應(yīng)錯誤的發(fā)出測距的指示或信號。裝置應(yīng)能測定永久性也能測定瞬時性故障。 b)準(zhǔn)確性 準(zhǔn)確性是對故障測距裝置的最重要的要求，沒有足夠的準(zhǔn)確性就意味著裝置失效。衡量準(zhǔn)確性的標(biāo)準(zhǔn)是測距誤差，它可用絕對誤差和相對誤差表示。絕對誤差 以長度表示，例如 10m,50m 等。相對誤差以被測線路的全長的百分比表示，例如 2%， %等。 工程實際中希望裝置的誤差越小越好，實際上由于技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上各種因素的限制和制約，誤差通常規(guī)定不應(yīng)大于一定的指標(biāo)。例如，對高壓架空線來說，測距的絕對誤差應(yīng)在1km 以內(nèi)，相對誤差應(yīng)小于 1%。 為了提高測距精度只要考慮下列因素： 1)裝置本身的誤差。主要是指硬件引起的誤差和軟件中數(shù)學(xué)模型和算法的誤差。 2)故障點(diǎn)的過渡電阻。故障點(diǎn)存在過渡電阻會給某些測距原理帶來誤差突出表現(xiàn)在利用單端電氣量實現(xiàn)測距的裝置中。 3)對端系統(tǒng) 阻抗。一些算法要涉及到線路兩端系統(tǒng)的綜合阻抗，但是電力系統(tǒng)的實際運(yùn)行方式在不斷變化，所以給定的系統(tǒng)阻抗很難和故障時的實際情況一致，這就會給測距裝置帶來誤差。 4)線路的分布電容。高壓輸電線路實際上是分布參數(shù)電路，但是目前仍有很多的測距算法采用集中參數(shù)模型。對短線路來說這種模型是可行的，但對較長線路就會產(chǎn)生較大的誤差。 5)線路不對稱。輸電線的參數(shù)由其結(jié)構(gòu)決定。對于不完全換位的線路，線路不對稱也將引入測距誤差。 華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 故障測距的準(zhǔn)確性與可靠性是有關(guān)聯(lián)，可靠性是準(zhǔn)確性的前提要求，離開可靠性來談?wù)摐?zhǔn)確性是沒有意義的。另 一方面，如果測距誤差太大，也可以說測距結(jié)果不可靠。 c)經(jīng)濟(jì)性 裝置應(yīng)具有較高的性能價格比。隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，各種測距裝置的硬件成本會越來越低。而各種數(shù)字信號處理技術(shù)的廣泛應(yīng)用，又會使得故障測距裝置的性能得到不斷提高和完善。如果裝置能夠同時監(jiān)視多條線路，無疑還會進(jìn)一步提高其性能價格比。 d)方便性 方便性主要體現(xiàn)在調(diào)試和使用上，裝置應(yīng)自動給出測距結(jié)果，不用或盡量減少人的工作量。 實際上，以上各項要求很難同時得到較好的滿足。一種合適的測距裝置應(yīng)該是以上所有指標(biāo)的綜合平衡，但可靠、準(zhǔn)確是任何一種測距裝置 都必須滿足的要求 [1]。 輸電線路故障測距技術(shù)的發(fā)展 長期以來，對于故障定位也就是故障測距問題的研究一直受到學(xué)術(shù)界和電力工業(yè)部門的重視。早在 1935 年，輸電線路故障指示器就在 和 230kV 的輸電系統(tǒng)中投入運(yùn)行 ,盡管當(dāng)時的故障定位器是指針式儀表，并需要與調(diào)度中心交換信息，但對測定故障點(diǎn)位置只依賴，仍有較大幫助。在 AIEE Committee 1955 年的報告 “故障定位方法總結(jié)和文獻(xiàn)目錄 ”中，給出了 1955 年以前的有關(guān)故障測距的文獻(xiàn)就有 120 篇 [5]。實際上，以上各項要求很難同時得到較好的滿足。 受科技和生產(chǎn)力發(fā)展水平的限制，所以早期的故障測距裝置測距精度不高，并且需要非常豐富的實際操作經(jīng)驗才能做出判斷。 二戰(zhàn)后，故障測距技術(shù)的發(fā)展步伐加快，美、法、日等國都取得了不少新進(jìn)步 [6]。經(jīng)過了六十多年的開發(fā)和研究，故障測距技術(shù)有了很大的發(fā)展，人們提出了很多測距新原理和新方法，許多故障測距裝置也已投入了運(yùn)行。六十年代中期，人們對于行波的傳輸規(guī)律就有了較為深刻的認(rèn)識，再加上當(dāng)時電子技術(shù)的發(fā)展，這便進(jìn)一步促進(jìn)了行波測距的發(fā)展。七十年代以來，隨著計算機(jī)技術(shù)在我國電力行業(yè)中的應(yīng)用，特別是微機(jī)保護(hù)裝置的開發(fā)和大量投運(yùn) ，為高壓輸電線路故障測距的研究注入了新的活力，加速了故障測距的實用化進(jìn)程。然而隨著微機(jī)型故障錄波器的發(fā)展，就完全可以在不增加硬件設(shè)備只增加部分軟件的條件下實現(xiàn)故障測距。這樣便將故障測距技術(shù)和故障錄波技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來，從而給故障錄波器增加了新的功能。近幾年來，基于微機(jī)或微處理裝置的故障測距方法在國內(nèi)外都非?；钴S，已成為全球最熱門的研究課題之一。 但是微機(jī)故障測距技術(shù)出現(xiàn)的時間并不長，無論是在理論上還是在實際應(yīng)用中都有許多不足之處。在過去甚至于是在目前，大量的故障測距方法仍是根據(jù)故障錄波器來記錄短路電流，然后 對照事先已經(jīng)計算好的某一種最接近市級運(yùn)行方式下的短路電流曲線，以此來判定故障距離，這種方法的誤差很大，有時候甚至很難確定故障點(diǎn)的位置。從目前已有的故障測距方法看來，在測距可靠性、準(zhǔn)確性以及硬件投入等方面，還不能滿足電力系統(tǒng)華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 管理和運(yùn)行部門的要求，所以很有必要再作進(jìn)一步的研究。 一直以來，電力系統(tǒng)發(fā)生故障時候以后，沒有能記錄故障故障數(shù)據(jù)的儀器，于是自動故障記錄器便是電力系統(tǒng)繼電保護(hù)動作行為分析的重要依據(jù)，也是保證電力系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要手段。早期需要故障錄波裝，人們用都是機(jī)械型的光線故障錄波器。但是隨著電力系 統(tǒng)的發(fā)展以及電力網(wǎng)的自動化水平逐漸提高，這種傳統(tǒng)的錄波器由于錄波環(huán)節(jié)眾多、容量小、沒有時標(biāo)、沒有記憶能力、數(shù)據(jù)讀取誤差較大等明顯缺點(diǎn)，已不再適合電力系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的要求。從八十年代中期以來，隨著計算機(jī)技術(shù)被引入繼電保護(hù)領(lǐng)域，故障錄波器才有了迅猛的發(fā)展，那時起微機(jī)型故障錄波器已經(jīng)完全取代了光電式錄波器，成為記錄電力網(wǎng)故障信息的主力，并在許多重大事故調(diào)查和分析中發(fā)揮了重要的作用。經(jīng)過多年的發(fā)展，微機(jī)型故障錄波器的功能亦日益趨向完善，不僅能夠詳盡地記錄電力網(wǎng)故障前后各種電氣量和狀態(tài)的變化過程信息，完整地反映故障 后各電氣量的瞬間變化以及繼電保護(hù)的動作行為，還具有存儲容量大、記憶功能強(qiáng)、能實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳以及后臺分析等優(yōu)點(diǎn)。除此之外，它還可以自動的完成故障測距等錄波后必要的計算環(huán)節(jié)，實現(xiàn)故障測距數(shù)字化、表格化。以上這些都是電力系統(tǒng)事故分析以及加快電網(wǎng)事故處理提供了的有力保證。 近幾年來，隨著電力網(wǎng)普遍采用微機(jī)保護(hù)和微機(jī)故障錄波器等裝置，電力網(wǎng)故障信息系統(tǒng)必然成為新的研究方向。該故障信息系統(tǒng)以微機(jī)型故障錄波器為基礎(chǔ)，通過通信網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系而成。電網(wǎng)故障信息系統(tǒng)的建立，不僅可以大大地提高整個電網(wǎng)的自動化水平，更能加強(qiáng)對事故的分析處 理能力。同時，對電網(wǎng)故障信息系統(tǒng)的研究和開發(fā)也給故障測距技術(shù)提供了很好的外部條件，給故障測距技術(shù)帶來了光明的應(yīng)用前景。在早期的故障測距算法中，大多是基于單端電氣量基礎(chǔ)上的，因為各類故障錄波裝置基本上都是單獨(dú)運(yùn)行的。而現(xiàn)代電網(wǎng)故障信息系統(tǒng)建立以后，讓雙端甚至多端故障測距成為可能，故障測距可以作為其中的一個子系統(tǒng)，利用故障信息系統(tǒng)的通信和錄波設(shè)備，實現(xiàn)精確故障定位。 綜上所述，輸電線路測距裝置的發(fā)展，對適應(yīng)現(xiàn)代電力系統(tǒng)精確故障測距算法的研究具有非常重要的意義和工程實用價值。 本文主要研究內(nèi)容 論文主要包括 兩方面的內(nèi)容：研究算法和 模型的建立 。算法上主要是研究一種單相接地故障雙端測距方法，使其具有較高的測距精度；仿真主要是利用 Matlab 軟件來建立仿真模型，進(jìn)行故障定位。具體包括以下幾個方面內(nèi)容： 1） 閱讀大量與輸電線路故障測距有關(guān)的文獻(xiàn)資料，分析現(xiàn)有的各類測距算法。 2） 分析輸電線路模型和數(shù)字濾波算法，從各種濾波算法中得出適合于工頻雙端電氣量測距的濾波算法。 3） 通過總結(jié)以往故障測距算法，主要研究一種專門針對單回線的故障測距 算法。此算法在全線范圍內(nèi)具有良好的收斂性，并且不受過渡電阻影響 ，不需要剔除偽根，可以大大的減少硬件投資，同時測量精度高。 華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 4） 利用 Matlab 軟件進(jìn)行仿真，驗證算法的正確性，以及誤差分析。 華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 2 輸電線路故障測距方法 按采用的線路模型，定位原理，測量設(shè)備的不同，高壓輸電線故障定位原理和方法可大致分為阻抗法、故障分析法和行波法 [7]。 阻抗法 阻抗法與阻抗繼電器的基本工作原理相同，都是根據(jù)故障時測量的電壓量、電流量來計算故障回路的阻抗。前提是忽略線路的分布電容和漏電導(dǎo)。假設(shè)輸電線路為均勻線路，在不同的故障類型下計算出的故障回路阻抗或電抗，與測量點(diǎn)到 故障點(diǎn)的距離成正比，如此便可以求出故障距離。 目前阻抗法有相當(dāng)廣泛的應(yīng)用，早期的相關(guān)設(shè)備是由機(jī)電式或靜態(tài)電子器件構(gòu)成，測距的精度較差，微處理機(jī)的出現(xiàn)為測距技術(shù)的發(fā)展提供了新的機(jī)會，使得測距的可靠性和準(zhǔn)確性有所提高。 阻抗法本身的優(yōu)點(diǎn)就是比較簡單可靠，但是大多數(shù)阻抗法都存在著精度問題。它們的誤差主要源于算法本身的假設(shè)，測距精度受到故障點(diǎn)過渡電阻的影響，所以只有當(dāng)故障點(diǎn)過渡電阻為 0 時，故障點(diǎn)的距離才能夠比較準(zhǔn)確地計算出來。而且由于實際系統(tǒng)中的線路是不完全對稱的，還有測量端對側(cè)系統(tǒng)阻抗值的不可知因素影響，使得測距 誤差會遠(yuǎn)大于某些故障測距產(chǎn)品在理想條件下給出的誤差標(biāo)準(zhǔn)。 為此中外學(xué)者做了許多研究工作，在提高阻抗法的精度方面進(jìn)行了不懈的努力，先后提出了解微分方程法和一些基于工頻基波量的測距算法，如零序電流相位修正法、零序電流迭代法和解二次方程法等 [8]。但迭代法有時候可能會出現(xiàn)收斂于偽根或難于收斂、甚至于不收斂的情況 [8]；解二次方程法則可能會有偽根問題，所以阻抗法測距的主要問題仍然是測距精度。 行波法 行波法是根據(jù)行波傳輸理論實現(xiàn)輸電線路故障測距的方法，可分為 A、 B、 C 型 3 種方法 [ 9]。 A 型故障測距裝置是 根據(jù)故障點(diǎn)產(chǎn)生的行波在測量端至故障點(diǎn)間往返的時間與行波波速之積來確定故障位置；這個測距裝置比較簡單，只用安裝在一端，不要求和線路對側(cè)進(jìn)行通信聯(lián)系，因此不受過渡電阻影響，可以達(dá)到較高的精度。但 A 型測距要求記錄行波波形，而故障暫態(tài)信號只持續(xù)一段時間，為保證有足夠的精度，應(yīng)采用足夠高的采樣率，因此 A 型行波測距對硬件要求比較高。 B 型故障測距裝置是利用通信通道