电气工程及其自动化毕业设计-高压架空线路单相接地故障组合行波测距及其MATLAB仿真.doc

1、i本科毕业论文（20 届）高压架空线路单相接地故障组合行波测距及其MATLAB 仿真所在学院专业班级 电气工程及其自动化学生姓名指导教师完成日期ii目 录摘要.IAbstract.II1 绪论.11.1 选题背景和意义.11.2 对故障测距设备的基本要求.21.3 故障测距的方法.22 行波理论简介.32.1 输电线路的波过程.32.2 行波在均匀无损单导线中的传播规律.42.2.1 波动方程与波速.42.2.2 波阻抗.62.2.3 电压波、电流波的极性与方向.72.3 行波的折射与反射及彼德逊法则.82.3.1 行波的折射与反射.82.3.2 彼德逊法则.103 行波测距方法简介.113.

2、1 引言.113.2 行波法测距的基本原理.113.2.1 单端法测距.113.2.2 双端法测距.133.3 两种行波测距方法的评述.143.4 行波波速的确定.154 组合行波测距方法.164.1 引言.164.2 输电线路故障行波的多次折、反射过程.174.3 行波波头的提取相模变换.174.4 组合行波故障测距原理.184.4.1 初步单端故障测距.184.4.2 测距结果的最终确定.194.5 误差分析.205 组合行波测距的仿真.215.1 MATLAB/Simulink 简介.215.2 仿真模型的建立.215.2.1 仿真模型参数.215.2.2 行波提取程序.225.3 仿真

3、结果.235.3.1 故障点距离 M 端（线路首端）100km.235.3.2 故障点距离 N 端（线路末端）50km.275.4 多次仿真结果汇总.315.5 组合行波测距方法评述.316 总结与展望.316.1 总结.316.2 展望.32iii参考文献.33致谢.35ivContentsAbstract.II1 Introduction.11.1 Background and significance.11.2 Basic requirements for fault location equipment.21.3 Fault Location Method.22 Traveling W

4、ave Theory Introduction.32.1 Transmission lines wave process.32.2 Traveling wave propagation in loss-less and uniform single conductor.42.2.1 Wave equation and velocity.42.2.2 Impedance.62.2.3 The polarity and the direction of the voltage wave and the current wave .72.3 Traveling wave refraction and

5、 reflection and Peterson law.82.3.1 Raveling wave refraction and reflection.8 2.3.2 Peterson law.103 Traveling wave method Introduction.113.1 Introduction.113.2 The basic principle of traveling wave method location.113.2.1 The single-ended method Ranging.113.2.2 The two-terminal method Location.133.

6、3 Review of two traveling wave method.143.4 Traveling wave velocity determination.154 A combination of traveling wave measure distance method.164.1 Introduction.164.2 Transmission line fault traveling wave multiple refraction and reflectionProcess.174.3 Extraction traveling wave - the phase-mode tra

7、nsformation.174.4 A combination of traveling wave fault location principle.184.4.1 The initial single-ended fault location.184.4.2 Ranging results finalized.194.5 Error Analysis.205 The simulation of the combination of traveling wave measure distance method.21 5.1 The brief introduction of MATLAB/Si

8、mulink.215.2 Create a simulation model.215.2.1 The simulation model parameters.215.2.2 The line wave extraction procedure.225.3 The simulation results.235.3.1 Distance to fault from M(The beginning of the line) is 100km.235.3.2 Distance to fault from N(The end of the line) is 50km.275.4 The simulati

9、on results summary for many times.315.5 The combination of traveling wave method Review.316 The summary and prospect.316.1 Summary.31v6.2 Prospect.32Reference.33Acknowledgment.35I高压架空线路单相接地故障组合行波测距及其 MATLAB 仿真摘要：高压架空输电线路输电距离远，容量大，范围广，穿过的自然环境极为复杂，气象条件多变，容易导致其发生故障的因素极多。而准确的故障定位能够减轻巡线人员的劳动强度，及时恢复正常供电，是

10、保证电网安全、稳定、经济运行的重要举措之一。本文简要分析了输电线路发生故障之后行波的传播、折射、反射过程，以及被广泛应用于行波故障测距的几种方法。并查阅了大量文献资料，寻求到了一种基于两种行波原理相结合的故障测距方法。该方法的优点在于，获得的测距结果是由单端原理得出的，消除了双端原理中因线路两侧时间同步问题而产生的误差，从而提高了故障测距的可靠性和准确性。MATLAB/Simulink 仿真表明，组合行波测距方法是可行的，测距精度也得到了提高。关键词：行波 故障测距 单端原理 双端原理IIA combination of traveling wave measure distance when

11、 there is a Single-phase fault on the high voltage overhead lines and its simulation with MATLABAbstract The high voltage overhead lines can transmit electric energy with far distance,large capacity and wide range, while the natural environment and weather conditions it goes through are extremely co

12、mplex. And the factors that likely lead to failure are numerous. Accurate fault location can reduce labor intensity that the officers suffer, and restoration normal power supply on time. It is one of the important measures to ensure grid security, stability and economic operation.This paper analyzes

13、 the process of traveling waves propagation, refraction, and reflection, and several methods have been widely used in fault location with traveling wave. I have referred a large number of document and sought a fault location method based on the combination of two traveling wave principle. The advant

14、age of this method is that the ranging results obtained are drawn by the single-ended principle, so it eliminates errors due to the principle of double-ended that has a problem of time synchronization in both side of the line. Thereby it improves the reliability and accuracy of fault location. The s

15、imulation results of MATLAB/Simulink shows that the combination of traveling wave method is feasible, and the accuracy has also been improved.Key words: Traveling wave; Fault Location; Single-ended principle; Double -ended principle11 绪论1.1 选题背景和意义我国的能源分布极为不均匀，大部分水能资源都集中在西南和中南地区，仅云南和四川两省的水能可开发装机容量就达

16、 160GW，大约占全国的 43%；煤炭资源集中在西北和华北地区；陆地风能主要集中于东北、西北和华北北部。然而能源消耗却集中于经济相对发达的华东沿海地区，仅北京、上海、广东、江苏等 7 个省、直辖市的电能消费就占全国电能消费总量的接近 40%。因此，在我国能源结构与经济发展的现状之下， “西电东送、南北互供、全国联网”的电力输送格局是目前乃至以后我国电力发展的主要方向和趋势 1。1954 年，我国首条 220kV 高压线路投入运行；1972 年，我国第一条 330kV 的超高压输电线路刘天关（刘家峡-天水-关中）线投入运行。20 世纪 80 年代开始，中国的电力工业进入了大机组、高电压、大电网

17、阶段。1981 年，我国第一条500kV 的超高压输电线路平武（平顶山-武汉）线投入运行； 2005 年，我国第一条 750kV 的超高压交流示范工程线在西北电网投入运行，该工程包括了从青海官亭到甘肃兰州东的 750kV 超高压输电线路 141km，750kV 变电站两座；2009 年，我国第一条 1000kV 的特高压交流试验示范工程（晋东南 -南阳-荆门）线正式投入商业运行，这是我国的首个特高压工程，全部是由我国自主研发、设计、制造并建设的，线路全长为 640km。目前，全国已经形成东北、西北、华北、华东、华中和南方电网六大跨省区域电网，全国大部分地区已经形成了以 500kV 为主（西北地

18、区为 330kV）的电网主网架，六大区域电网已经全部实现互联，我国的电网规模已居世界第一位 2。高压架空输电线路一方面担负着传送巨大功率的重任，另一方面还作为各大电网联网运行时的联络线使用，其运行的可靠性深刻影响着整个电网的可靠性。然而，超高压同塔双回线路、特高压输电线路的跨度极大，分布范围广泛，穿越地区的地形、自然环境条件复杂，气候多变，容易导致故障发生的因素相当多。输电线路一旦发生故障，将直接威胁到电力系统的安全稳定运行，为国民经济带来难以弥补的巨额损失。因此，及时排除各种线路故障是非常有必要的。一方面，高压架空输电线路往往距离很长，如果输电线路的故障点位于山区等交通不便的偏远地带，再加上

19、大多数的故障是发生在雨雪大风等恶劣天气中，这会导致人工巡线查找故障变得十分困难，费时费力；另一方面，高速继电保护装置以及断路器的应用虽然大大缩短了故障切除的时间，使得大部分故障的破坏迹象并不明显，这却给故障点的查找带来很大的困难，而且还有可能引发连锁性故障，造成更大的损失 3。在输电线路故障发生后，如果可以迅速、准确地找出线路的故障点，尽快采取措施，就可以减少因大面积停电而造成的2巨大经济损失。因此，在线路发生故障后进行迅速准确的故障定位，已经成为电力工程中的一个具有挑战性和实用性的课题。1.2 对故障测距设备的基本要求为了全面发挥故障测距的实用性，故障测距装置应当满足四方面的基本要求：准确性

20、、可靠性、经济性和方便性 3。1）准确性准确性是对故障测距设备最重要的要求，如果没有足够的准确性就意味着测距设备的失效。从实用的角度来说，只要绝对误差不超过 1km，就可以说满足准确性的要求。2）可靠性故障测距设备的可靠性包括两方面的内容：不误动，不拒动。其中，不误动是指当被监测的线路无故障或系统遇到干扰时，设备不会发出测距信号；不拒动是指当被监测线路发生故障时，设备能够及时发出测距信号。3）经济性经济性是指测距设备应该有较高的性价比。4）方便性测距设备应便于调试和使用，并且在线路故障后能够迅速给出测距结果。在实际的测距系统中，以上四项要求往往难以同时得到较好的满足，但是准确性和可靠性应该是任

21、何一种测距设备都必须满足的要求。1.3 故障测距的方法近几十年来，许多学者基于对线路模型、测量手段和被测量量的不同考虑，提出了许多的测距方法。这些方法从不同的方面可以进行不同的分类。本文按照传统的分类方法，把测距方法分为故障分析法与行波法。（1）故障分析法故障分析法是根据系统在线路参数和运行方式已知的情况下，输电线路故障时测量装置测得的电压和电流都与测距设备和故障点之间的距离有关。利用故障数据建立电压和电流的方程，通过分析计算得到故障距离。1）利用单端数据的故障分析法这种分析方法包括阻抗法、电压法以及解方程法。阻抗法是利用线路发生故障时在线路一端测得的电压和电流来计算出故障回路的阻抗，与故障点

22、和测量点之间的距离成正比，从而求出故障距离；电压法是根据输电线路发生故障时，故障点处的电压出现最小值，通过计算电压的沿线分布，找出电压的最低点，从而确定故障距离；解方程法是根据故障线路的参数与系统模型，利用测距点测得的电压和电流，用解方程的办法直接求解故障距离。32）利用双端数据的故障分析法这种分析方法分为利用两端电流或两端电流、一端电压的方法；利用两端电流和电压的方法；解微分方程的方法。故障分析法所需要的数据分析可以通过现有的设备完成，费用低且易于实现。但无论是哪种分析法都是建立在几种理想化模型和假设的基础之上，这些模型和假设都必定会跟实际的系统有所差别。其测距准确度受故障电阻、线路结构的不

23、对称、互感器的误差、零序参数分布不均匀等因素的影响，而且还存在着不适用于带串补电容、T 形接线、直流输电场合的缺点 4。（2）行波法行波法是根据行波传输理论实现输电线路故障测距的方法，利用行波传输的时间来计算故障点的距离。行波法可分为单端法和双端法，其中单端法是通过测量故障产生的行波在故障点与母线之间往返传输一次的时间来计算故障距离，双端法是利用测量故障产生的行波到达线路两端母线的时间差来测距。行波法的原理简单，且理论上不易受到线路分布电容、过渡电阻、T 形接线的影响，测距精度较高。尽管存在着一些工程因素的制约，如导线不均匀、不完全换位、大地电阻率变化、线路互感耦合及非线性元件的影响，行波法依

24、然是未来测距研究的主要方向 5。2 行波理论简介2.1 输电线路中的波过程输电线路上的波过程实际上就是能量沿着输电导线传播的过程，即在导线周围的空间里逐步建立电场（ ）和磁场（ ）的过程，也就是在导线周围的EH空间里储存电磁能量的过程。整个过程中始终遵循的一条基本规律为：储存在电场里的能量密度（ ）始终等于储存在磁场里的能量密度（ ） 。2D2HB在研究高压输电线路波过程时，不能像在线路不长的情况下那样，用集中参数电路等效表示输电线路，而是必须用分布参数电路和行波理论来进行分析，也就是要承认输电导线上的电压 u 和电流 i 不仅随时间 t 而改变，还随着空间位置（对于平面波而言，只需要一个参数 x 就可以确定位置）的改变而变化 6，即（2-1）),(txfi2.2 行波在均匀无损单导线中的传播规律2.2.1 波动方程与波速