【正文】 對端母線反射波時，它 與本端測量點第 1個正向行波浪涌之間的時延，便對應于 對端母線到故障點之間的距離。21 12 SSR TTvtvX ???? 對端反射波 Ts1 故障點反射波 圖 A型測距原理示意 為了實現(xiàn)擴展模式下的 A型現(xiàn)代行波故障測距原理，在測量端必須能夠準 確、可靠地檢測到經故障點透射過來的故障初始行波浪涌在對端母線的反射波。由于母線阻抗與線路波阻抗不一樣，電流行波在母線與故障點都是產生正反射，故故障點反射與故障初始行波同極性，而故障初始行波脈沖與故障點反射回來的行波脈沖 之間的時間差△ t 對應行波在母線與故障點之間往返一趟的時間，可以用來計算故障距離。即 電壓波在前進的過程中不斷發(fā)生負反射，而電流波在前進的過程中不斷的發(fā)生正反射，從而使波前電壓不斷降低而波前電流則不斷增大，以維持電磁波在前進方向上首端電壓波和電流波的比例為波阻抗的關系式。由前述的行波的物理概念可知，波在波阻抗均勻的無損輸電線路中傳播時，電壓波和電流波之間的關系由波阻抗決定，輸電線路上單位長度介質空間獲得的電場能量和磁場能量相等，而波在經過兩種不同的波阻抗介質交界處時，由于發(fā)生了磁場能量和電場能量的相互轉化而形成了波的折射和反射。此時，折射電流波、電壓波均為零，隨后緩慢上升 。則 可列以下表達式： zfr uuu 111 ?? zfr III 111 ?? 式（ ） 在由電壓波和對應的電流波之間的關系可列以下表達式： rr Izu 111 ? ff Izu 111 ?? 222 Izu z ? 式（ ） 由式（ ）和式（ ）可得 F 點出折射電壓和電流和反射電壓和電流與入射電壓和電流之間的關系，其如以下表達式所示： 式（ ） 式（ ） 式（ ） 式（ ） 式中， 稱為電壓反射系數(shù)； 稱為電流反射系數(shù)； 稱為電壓折射系數(shù)； 稱為電流折射系數(shù)。這時會有一部分行波返回到原輸電線路上，另一部分則通過連接 點傳至其 它電路環(huán)節(jié)中，這種現(xiàn)象稱為行波的反射和折射現(xiàn)象。該電源稱為行波源，在該電源的作用下，故障附加網(wǎng)絡將只包含故障分量的電壓和電流。在正向電壓行波到達線路末端之前，線路上只有正向行波，沒有反向行波。波阻抗與線路長度無關。 此時線路為無損，本文僅論及無損線路的行波過程。當電力系統(tǒng)發(fā)生故障時，電壓電流波形將發(fā)生畸變，在這些畸變的電流電 壓行波中，包含著豐富的系統(tǒng)故障信息。 (5)通過試驗驗證了該實驗裝置的可行性和采集結果的可信性。而現(xiàn)在的行波故 障定位法是建立在假設行波在輸電線路上固定的傳播波速 [13]。 （ 3）實用性 要求故障測距算法不受故障類型、系統(tǒng)運行方式、過渡電阻及其故障距離等的影響，在各種情況下均能獲得較高的精度。隨著通道的發(fā)展，能夠較為容易的獲得對側的電壓電流，因此雙端測距方法逐漸發(fā)展起來。另外，高壓脈沖信號發(fā)生器造價昂貴。不受過渡電阻影響，可以達到較高的精度。 故障測距又稱故障定位，對于輸電線路來說，是指在線路發(fā)生故障后，根據(jù)不同的故障特征，迅速準確地測定出故障點的位置。于此同時，故障測距算法也得到了較快的發(fā)展。 概況起來，輸電線路故障測距的意義主要包括以下幾個方面： （ 1） 對于永久性故障，準確的故障測距結果能夠幫助巡線人員快速查找故障點，及時排除故障，快速恢復供電，提高供電可靠性和連續(xù)性，減少停電 帶來的巨大經濟損失和巡線所耗費的大量人力、財力、物力。因此，保證電力系統(tǒng)運行的安全性，可靠性，快速性等至關重要。根據(jù)各測距算法采用的原理不同，將現(xiàn)有的各種測距算法分為行波法、阻抗法、故障分析法以及智能法，然后逐類對各種算法的理論基礎和應用條件上進行了分析、對比和討論，并在此基礎上總結得出了各測距算法的優(yōu)點及存在的問題，指出了每種測距算法的適用范圍和應用局限性。 Traveling wave。其次，輸電線路穿越的地形復雜，氣候惡劣，特別是遠距離輸電線路，難免要穿越山區(qū)，沙漠這些人跡罕至的偏僻地帶，交通十分不便。在五十年代中后期，人民就開始了利用行波對架空線路的故障測距研究。國內從八十年代也開始了故障測距的研究。行波測距方案可分為 A、 B、 C 三類。 C 型測距裝置是故障發(fā)生后由裝置發(fā)射高壓高頻或直流脈沖，根據(jù)高頻脈沖由裝置到故障點往返時間進行測距。早起的故障分析方法主要是利用單端電氣量的測距算法，常見的單端算 法主要有工頻阻抗法 [3]，解微方程算法 [4]，零序電流相位修正法 [5]，故障電流相位修正法 [5,6]，解二次方程法 [7,8]，對稱分量法 [9]，解一次方程法 [10]，網(wǎng)孔方程法 [11]。而在無故障情況下，不能錯誤地啟動故障測距。 行波法存在的問題 眾觀現(xiàn)有的行波故障定位法，尚有幾個問題有待解決： (1) 線路兩端非線性原件的動態(tài)延時 電流互感器是提取電流行波的耦合元件，其二次側的時間常數(shù)按試驗 數(shù)據(jù)估計一般約為百微秒 [12]，但要受鐵芯飽和及剩磁影響，這將使電流互感器的動態(tài)時延具有較大的分散性；行波起動元件也有分散延時，在新型 B 型故障定位算法中， 1 微秒的時間誤差所對應的最大定位誤差約 300 米，而這種由耦合和啟動等非線性元件引起的分散性動態(tài)時延對行波法定位精度的影響，在現(xiàn)在的文獻中還幾乎沒有定量考慮。 (2)分析行波發(fā)法單端和雙端測距的基本原理，分別分析影響單端測距和雙端測距 的因素。 因此，可以說傳輸線上的電流電壓的變化規(guī)律，就是電磁場在空間變化的體現(xiàn)。 由等值電路圖可描述出行波的數(shù)學表達式，得如式 ()所示的如下方程： 式（ ） 式中： x為測量點的位置坐標； t為觀察時的時刻； L、 r、 C、 g為等值線路中的參數(shù)； u、 i為故障分量電壓與電流。 但是均勻傳輸線的波阻抗與電路中阻 抗的概念不同。 2u 與反向電流行波 2i 極性相反。根據(jù)迭加原理，故 障點電壓可視為故障前的瞬間電壓穩(wěn)態(tài)和與其反相的同幅值故障暫態(tài)電壓的迭 加。此時，電磁波在傳播過程中向周圍介質散發(fā)功率，對波源的電 源而言，無限長均勻輸電線可以用一等值電阻 R=Z來表示。如圖 ()所示，電壓波沿輸電線 1 入射， 在到達點 F 之前，輸電線上只存在正向前行電壓波 ru1 。 （ 2）當無限長均勻輸電線路末端開路 (即 ??2z )時，同樣根據(jù)上式分別計 算可得： rf uu 11 ? rf II 11 ?? rz uu 12 2? 02 ?zI 由此可得入射電壓波 ru1 在線路末端發(fā)生了正的全反射，使得入射電壓等于 反射電壓，同時電流波發(fā)生了負的全反射，即入射電流等于負的反射電 流。通常情況下，由于故障點存在過渡電阻，由上述的分析可知，在線路的兩 個端點測量得到的電流或電壓隨時間變化的波形中包含了復雜的波的折射和反 射過程。于是，由于電磁能量的損耗而引起的電流波衰減規(guī)律如下所示： 式（ ） 由上面分析可知，由于電壓波和電流波總是相伴傳播的，在二者初始到達 輸電線的某一點時，空間的電場能量與磁場能量相等。 標準模式 當被監(jiān)測的線路發(fā)生故障時，故障產生的電流行波會在故障點及母線之間 來回反射。 若當故障點在線路中點以內時 ，由于來自故障線路方向的第二同極性行波波頭是故障點反射波，根據(jù)它與故障初始行波的時間差 t? ，利用式 ()來測距。對于高阻故障 (故障點反射波較弱 )，即便故障點位于線路中點以內，在測量點感受到 的第 2個反向行波浪涌也有可能對端母線反射波對于故障點電弧過早熄滅的故障 (故障點不存在反射波 )，無論故障點位置如何，在測量點感受到的第 2個反向行波浪涌均為對端母線反射波。不需要考慮后續(xù)的反射與折射行波，原理簡單，測距結果可靠。較理想的做法是利用線路設計數(shù)據(jù)計算出不同溫度條件下沿線各檔距內的實際導線長度，進而獲得 實際線路導線的總長度 (用于 D型測距 )，并最終將故障測距結果換算為故障所在檔距或桿塔號。采樣頻率越高，對故障初始行波波頭起始位置的標定誤差越小 。從處理信息過程來看，A型則需要有效區(qū)分是從故障點反射來的行波，還是對端母線反射來的行波，以及連于同一母線上的其它線路上傳 播并透射到此線路上的行波； D型利用的是故障點產生的第一個行波浪涌，較容易取得，且不存在上述問題。各種行波法面臨的一個共同問題是外界干擾問題。 單端法優(yōu)缺點 由上述分析可知單端法優(yōu)點是： （ 1）單端測距法較雙端測距法的成本降低一半以上，可不需要 GPS 時標系 統(tǒng)及兩端數(shù)據(jù)通訊等，測距結果的實時性高； （ 2）如果準確判斷出故障點反射或透射回到測量點的行波，由于測距結果基本不受線路兩端所涉及的設備和硬件的時間不一致性影響，則測距精確，能夠滿足電力系統(tǒng)對精確故障定位的要求。 雙端法優(yōu)缺點 對于 D 型雙端法測距其優(yōu)點主要是： （ 1）由于母線兩端都只檢測第一個到達的行波，線路的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，以及負荷電流等對測距復雜性不會造成大的影響，不用考慮行波的反射與折射，行波幅值大，易于辨識，使得計算處理簡單。本文行波法故 障測距實驗裝置主要根據(jù)行波法的 A型原理和 D型原理進行設計的。它由一臺普通 PC 機構成，主要有以下主 要功能： (l)自動或人工遠程提取廠站端行波采集與處理系統(tǒng)的暫態(tài)啟動報告，并永 久保存； (2)自動進行雙端行波故障測距； (3)提供人工波形分析功能及基于匹配濾波器、小波變換和計算機仿真等技 術的自動波形分析功能，以便對單端和雙端行波故障測距結果進行驗證和校正； TGPS 電力系統(tǒng)同步時鐘 GPS 接口單元 高精度晶體振蕩器 計數(shù)分頻 高速 A/D 信號調整器 交流交換器 當?shù)靥幚砥? 中央處理器 SDRAM 可編程邏輯控制器 高精度時鐘 鍵盤 LED 顯示屏 打印機 開關量輸出 啟動 比較器 高速數(shù)據(jù)采集單元 DSP 遠程維護系統(tǒng) 模擬信號輸入 (4)歷史故障及測距結果的統(tǒng)計和查詢。因此，本文研制的系統(tǒng)均采用統(tǒng)一的高采樣頻率，通過系統(tǒng)硬件的分析最終可得到故障線路的距離。帶寬 :O2OOKHz。 通過放大電路中的模擬信號經過比較器，然后通入可編程邏輯控制器來實現(xiàn)對高速 A/D的控制，本文所選用的是 LM339比較器。用作比較兩個電壓時，任意一個輸入端加一個固定電壓做參考電 壓 (也稱為門限電平，它可選擇 LM339輸入共模范圍的任何一點 )，另一端加一個待比較的信號電壓。而 D型 測距原理是需 要記錄行波信號到達線路兩端的時間。該器 件在 65MSPS時的功率消耗為 19OmW，在 4OMSPS時為 135mw， ZOMSPS時為 gomW， 使得有更高的通道數(shù)目，從而簡化手持 12位系統(tǒng)的信號通路。 數(shù)字信號處理器 (OSP) (1)DSP的概述 [49] 數(shù)字信號處理是一門涉及許多學科而又廣泛應用于許多領域的新興學科。 1983年，日本 Fujitsu公司推出的 MB8764， 其指令周期為 12OnS，且具有雙內部總線，從而使處理的吞吐量發(fā)生了一個大的 飛躍。 (2)DSP的發(fā)展 DSP的技術在不斷的發(fā)展。二是片內多處理器集成 (MIDI)，使單片處理器能夠滿足大多數(shù)應用的需求，且保持低價格 ； 三是片內多運算器并行 (SIMD)，在保持單一指令流與比較簡單的編程技術的情況下，達到高速并行處理能力，典型技術是超長指令字技術 (VLIW)。例如，有多個處理器的 Motorola公司的 DSP5665x，有協(xié)處理器功能的 Massan公司 FILU200，把 MCU功能擴展成 DSP和 MCU功能的 TI公司的 TMS32OC27xx以及 Hitaehi公司的 SHDSP，都是 DSP和 MCU融合在一