【正文】 ................ 26 線路模型及參數(shù)設(shè)置 ................................................... 27 MATLAB 仿真模型及參數(shù)設(shè)置 ............................................ 28 單相接地故障情況下的仿真計(jì)算和結(jié)果分析 ............................... 28 本章小結(jié) ............................................................... 31 結(jié) 論 ..................................................................... 32 參考文獻(xiàn) ................................................................... 33 致 謝 ..................................................................... 35 華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(shí)，它又是系統(tǒng)中發(fā)生故障最多的地方，并且極難查找。但是這類瞬時(shí)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。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。 本文所研究的內(nèi)容在電力系統(tǒng)中是有助于及時(shí)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。除了這些故障類型外，還有轉(zhuǎn)換性故障等復(fù)雜 類型。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]。過渡電阻一般包括電弧電阻和桿塔接地電阻。研究表明，對大電流電弧故障，電弧電阻一般為 2－ 20? 。 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(cuò)誤的發(fā)出測距的指示或信號。絕對誤差 以長度表示，例如 10m,50m 等。 為了提高測距精度只要考慮下列因素： 1)裝置本身的誤差。 3)對端系統(tǒng) 阻抗。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。 華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（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。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。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]。實(shí)際上，以上各項(xiàng)要求很難同時(shí)得到較好的滿足。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(shí)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。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。 一直以來，電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)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。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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳以及后臺分析等優(yōu)點(diǎn)。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。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(gè)子系統(tǒng)，利用故障信息系統(tǒng)的通信和錄波設(shè)備，實(shí)現(xiàn)精確故障定位。具體包括以下幾個(gè)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。 華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 4） 利用 Matlab 軟件進(jìn)行仿真，驗(yàn)證算法的正確性，以及誤差分析。假設(shè)輸電線路為均勻線路，在不同的故障類型下計(jì)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。而且由于實(shí)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)。 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(shí)間與行波波速之積來確定故障位置；這個(gè)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。 華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 C 型故障測距裝置是在故障發(fā)生時(shí)于線路的一端施加高頻或直流脈沖，根據(jù)其從發(fā)射裝置到故障點(diǎn)之間的往返時(shí)間來實(shí)現(xiàn)故障測距。 A 型和B 型 對于線路的瞬時(shí)性 (暫時(shí)性 )和永久性 (持續(xù)性 )故障均有較好的適用性， C 型則只適用于永久性故障。 2)參數(shù)的頻變和波速的影響因素 在分析參數(shù)的頻變特性時(shí)，大地作為非均勻不良導(dǎo)體，它的電阻率采用復(fù)數(shù)透入深度，一般相模變換陣、特性阻抗、衰減常數(shù)以及波速等參數(shù)均為頻率的非線性函數(shù)。因此參數(shù)的頻變效應(yīng)和波速的不確定性應(yīng)成為限制該算法精度的主要因素。這些硬件的成本都較高 [10]。它在沒有專用的故障測距條件下，曾被廣泛采用。 這類方法的研究早在三十年代初就已經(jīng)開始了，目前有很大的發(fā)展，已經(jīng)提出了許多不同的測距原理和方法。 單端電氣量法的測距原理如下： 由圖 21 可以寫出： fMMM RIxZIU ??? ?? （ 21） MZ NZM NlMI? NI?fI?x 圖 21 輸電線路發(fā)生 單相接地 故障原理圖 根據(jù)疊加原理，圖 21 所示的故障線路可視為正常負(fù)荷狀態(tài)和故障附加狀態(tài)的疊加。電流分布系數(shù) iK 一般為復(fù)數(shù)。利用微機(jī)裝置所提供的條件，現(xiàn)有的絕大部分單端測距算法完全可以用軟件來實(shí)現(xiàn)，幾乎不需要再增加任何硬件投資這一突出優(yōu)點(diǎn)使單端測距算法的研究成為目前熱門的研究 課題之一。單端電氣量法已經(jīng)從最初的簡單估算發(fā)展到能較準(zhǔn)確的進(jìn)行測距；從采用較粗糙的集中參數(shù)電路模型發(fā)展到采用準(zhǔn)確的分布參數(shù)電路模型。 根據(jù)長期實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明，單端電氣量法具有一定的準(zhǔn)確度，基本上能滿足用戶的要求。 造成測距誤差的根本原因是存在故障過渡電阻。 根據(jù)所需對端電氣量的不同，雙端電氣量法可以分為以下兩大類，即兩端電流、一端電壓法和兩端電壓、電流法。因此要求由線路一端向另一端或線路兩端向調(diào)度中心傳送故障后的電壓和電流數(shù)據(jù)，以便進(jìn)行故障測距計(jì)算。 從現(xiàn)有參考文獻(xiàn)看，長期以來，人們已經(jīng)對雙端電氣量法進(jìn)行了許多卓有成效的研究，并已經(jīng)從采用較簡單的集中參數(shù)線路模型，深入到了采用準(zhǔn)確的分布參數(shù)線路模型算法。但是現(xiàn)有的雙端電氣 量法在雙端數(shù)據(jù)同步和偽根判別等方面，尚有待改善之處。因此，這種方法有著十分光明的前景。開發(fā)的采用組合架空地線的光纖測距技術(shù)是較新穎的一種智能化測距方法 ， 已有兩套測距系統(tǒng)投運(yùn)。 2）采用集中參數(shù)和采用分布參數(shù)線路模型的測距方法的比較 在工頻測距算法中，采用集中參數(shù)電路模型的算法與采用分布參數(shù)模型的相比，前者為簡化模型，后者為精確模型；前者分析計(jì)算較為簡便，后者分析計(jì)算較為復(fù)雜，但后者的測距精度明顯高于前者；兩者都存在區(qū)內(nèi)偽根問題，但由于采用了精確的線路模型，后者的偽根比前者容易處理 [18]。但對需要抽取幅值和相角的工頻測距法來說，就必須在不足一周（半周）甚至更短的華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 時(shí)間內(nèi)從復(fù)雜的暫態(tài)波形中得到所需要 的信息，無疑增加了濾波算法的難度 [10]。但行波法也存在反射波的識別問題，在近區(qū)還存在無法識別反射波區(qū)域，而近端恰好是工頻單端測距法測距較準(zhǔn)確的區(qū)段。 華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 3 線路模型的建立與信號提取 輸電線路常見數(shù)學(xué)模型 由于正常運(yùn)行的電力系統(tǒng)三相是對稱的，三相參數(shù)完全相同，三相電壓、電流的有效值相同，所以可用單相電路代表三相。對于長線路則要考慮分布參數(shù)的特性。 1I? 2I?1U? 2U?Z 圖 31 RL模型等值網(wǎng)絡(luò) 從圖中直接可得出線路首末端電壓、電流方程式： ?????????????21221IIZIUU （ 32） 寫成二端口網(wǎng)絡(luò)方程式： ???????????????????????????????2211IUDCBAIU （ 33） 不難求得 1,0,1 ???? DCZBA ， 。 LR 、 L 、 fZ 分別為輸電線路的電阻、電感和故障點(diǎn)處的過渡電阻。這種線路可采用 ? 型或 T 型等值電路，如圖 33 所示。 ME?NE?M NZM NMI?NI?fI?MR ML MR ML MCMC 圖 34 π模型的等值網(wǎng)絡(luò)圖 其中， LM PRR ? ， LM PLL ? ， LN RPR )1( ?? ， LN LPL )1( ?? ， LCPC )1( ?? 。 分布參數(shù)模型 一般長度超過 300km 的架空電力線路和長度超過 100km 的電纜電力線路稱為長線路。 設(shè)有長度為 l 的輸電線路，其參數(shù)沿線均勻分布，單位長度的阻抗和導(dǎo)納分別為00000 jxrLjrz ???? ? ， 00000 jbgCjgy ???? ? 。 )/()(/ 000000 CjgLjryzZ c ?? ????稱為線路的特性阻抗，也稱為波阻抗，它反映輸電線各點(diǎn)電壓波和電流波間的關(guān)系。其中以電阻值為最大，電抗次之，電納最小，所以一般都采用分布參數(shù)模型。 目前濾波算法有很多，常用的有傅氏濾波、帶通濾波、最小二乘法等。全波傅氏算法假定被采樣信號是周期性的，此時(shí)可準(zhǔn)確地求出基頻分量。 設(shè)系統(tǒng)故障時(shí)的電壓電流信號為： ? ?? ?? ??? ?????? Nk Nk nnTkmT tkatkbAetkkfAetf 1 1 s i nc os)s i n()()( 11 ???? ?? （ 314） 其中 : ?1TAe? 為信號衰減直流分量， )(kfm 、 k? 為 k次諧波的幅值和初相位。其缺點(diǎn)是 :計(jì)算量因每點(diǎn)均要計(jì)算差值而增加許多，且增加了算法對高頻分量的敏感度。選用海明窗作為窗口函數(shù)。最小二乘濾波算法的出發(fā)點(diǎn)是假定輸入信號的有效信息符合某一確定的數(shù)字模型，使輸入信息最大限度的擬合于這一模型，并將擬合過程中剩余的部分作為誤差量，使其均方誤差值達(dá)到最小。 對于衰減直流分量，通常將它展開為如下形式 : tKIeI t 100 ?????????? （ 325） 然后通過曲線擬合，求出它的幅值和相角，從而確定其數(shù)學(xué)模型對于整次諧波分量，可以包括到數(shù)學(xué)模型中，諧波次數(shù)受采樣頻率的限制該方法的 運(yùn)算量特別大。同時(shí)由于在發(fā)生故障后，電壓和電流信號發(fā)生嚴(yán)重畸變，所以要選擇一種合適的濾波算法，本章主要介紹了幾種常用的濾波方法。 算法原理 ME? NE?MZ NZM NMI? NI?fI?R ML MR ML MCMC 41 單回線三相輸電線路發(fā)生 單相接地 故障原理圖 系統(tǒng)原理圖如圖 41所示，其中，兩端系統(tǒng)電源為 ?ME 、 ?NE ，系統(tǒng)阻抗為 MZ 、 NZ ，線路采用分布參數(shù)，總長度為 L，單位長度電阻、電感、電容為 MR 、 ML 、 MC ，過渡電阻為 fZ ，兩端母線電壓為 ?MU 、 ?NU ，兩端線路側(cè)電流為 ?MI 、 ?NI ,流經(jīng)故障點(diǎn)過渡電阻處的電流為 ?fI 。 從理論分析可知，此方法不受故障類型，過渡電阻，系統(tǒng)阻抗和不同步角的影響。 ， 近似 LCj?? ? ， 所以隨著 x 增大， xMcM eIZU ?2?????? ? ??的相位在不停地變大，向量 ?????? ???????? ? ???? McMxMcM IZUeIZU ?2的變化軌跡即 OD 的變化軌跡。 華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 24 圖 42 FU?變化向量示意圖 為了剔除偽根，可以采用實(shí)部相等的方法，令式（ ）