1、本科毕业论文（20 届）输电线路故障测距研究及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目录摘要 .IAbstracts.II1 绪论.11.1 输电线路故障测距的背景和意义.11.2 输电线路故障测距的发展和研究现状.21.3 本文的主要内容.32 输电线路故障测距方法.32.1 阻抗法.42.2 行波法.42.3 故障分析法.52.4 各种故障测距方法的比较.62.5 本章小结.63 线路信号提取及模型建立技术.63.1 基于实际情况的输电线数学模型.73.2 数字滤波算法.103.3 本章小结.144 单回线双端电气量故障测距算法.144.1 双端电气量故障测距算法
2、.154.2 相模变换.164.3 正序故障分量的提取.164.4 本章小结.165 基于 MATLAB 的双端电气量故障测距数字仿真 .165.1 线路模型.165.2 仿真算法流程.175.3 MATLAB 模型及参数 .185.4 故障下的仿真计算和故障分析.185.5 本章小结.21参考文献.22致谢.23ContentsAbstract .II1 Introduction.11.1 Background and significance of fault location for transmission line .11.2 Development and research sta
3、tus of transmission line fault location .21.3 The main content of this paper.32 Transmission line fault location method.32.1 Impedance method.42.2 Traveling wave method.42.3 Fault analysis .52.4 Comparison of various fault location methods .62.5 Summary of this chapter .63 Line signal extraction and
4、 its model establishment technology .63.1 Mathematical model of transmission line based on actual conditions.73.2 Digital filtering algorithm.103.3 Summary of this chapter .144 Single circuit double terminal electrical fault location algorithm .144.1 Double terminal electrical fault location algorit
5、hm.154.2 Phase mode transformation.164.3 Extraction of the positive sequence fault components.164.4 Summary of this chapter .165 Digital simulation on the dual terminal electrical quantity of MATLAB .165.1 Line model .165.2 Simulation algorithm flow .175.3 MATLAB model and parameters .185.4 Simulati
6、on and fault analysis of fault .185.5 Summary of this chapter .21Reference .22Acknowledgement .23I输电线路故障测距研究及仿真摘要：能够在高压和超高压的输电线路中，及时、准确的找出故障的位置，既能最快的修复输电线路，找出输电隐患和确定输电的可靠性，还能对确定整个电力系统稳定的运行和经济运行都至关重要。对比现在输电线路故障测距中所存在的一般问题，本文将在故障分析法的前提下，将在以下几个方面展开了深入的探讨和研究:本文以理论推导作为基本的研讨方法，说明了单端以及双端线路故障测距的基本原理，在推导的过程分
7、析中得出单端测距不能同时去除过渡电阻以及对侧系统阻抗的影响。然而双端测距的方法能够在理论上解决单端测距原理性的误差，还能提高测距的精度。最后进行了双端测距的仿真，来说明双端测距的优势。关键词：电力系统 输电线路 故障测距 双端电气量测距IIResearch and Simulation of transmission line fault locationAbstract Can in high pressure and ultra-high voltage transmission lines, timely and accurately find the position of fault
8、, can not only fix the fastest transmission lines, find out the hidden perils and determine the reliability of transmission, transmission can also to determine the stability of power system operation and economic operation are crucial. Contrast in the high voltage transmission line fault location no
9、w commonly existing problems, this article will be on the premise of failure analysis, will be in the following several aspects the in-depth discussion and research:In this paper, theoretical derivation as basic research method, illustrates the single side and double side, the basic principle of lin
10、e fault location in the process of derivation analysis it is concluded that the single ended cant remove the transition resistance and the influence of the contralateral system impedance. However, double-end ranging method can, in theory, solve the single-ended ranging error of the original rational
11、, also can improve the precision of ranging.Keywords: Electric power systems; high voltage transmission line; fault location; fault analysis11 绪论1.1 输电线路故障测距的背景和意义电能作为清洁的二次能源，可靠优质的电力供应是当代社会持续稳定发展进步的强力保证。高压输电线路作为电力系统运行的主要因素，是发电厂以及广大用户之间联系的桥梁，担负着运输电能重要的任务，而且同时它又是电力系统中发生故障最频繁的地方。随着国内电力市场的快速发展，当代电力系统结构的
12、越来复杂，输电线路的运送容量和电压等级的不断提高，远距离的输电线路越来越多，电力系统运行的输电线路故障，对工农业的生产和广大人民群众的日常生活带来的危害也很是严重。因此，如果在线路故障后能够及时、准确的找出故障具体位置，不仅修复了线路和保证了可靠供电，而且也对保证整个电力系统的安全稳定以及经济运行都有很重要的作用和意义。但是查找线路的故障是极其困难的，随着输电电压的等级向超高压以及特高压迅速发展，以及高速甚至超高速断路器和继电保护装置方面的应用，线路故障切除所用的时间就被大大缩短，这就使得绝大部分的线路故障不会有明显的破坏迹象。这不仅仅给故障线路的排查带来了非常大的困难，还将会成为继发性故障的
13、最大隐患。而且远距离的输电线路必要时可能要穿越山区、戈壁等一些偏远地区，交通情况非常不放便。还有，不少数故障往往在风雨、雷电等较为恶劣的气候中发生。国内电力系统的巡线装置相对简陋，从而使故障测距的精准度对故障巡线工作起了至关重要的作用。因此，高压输电线路故障测距这门技术的广泛发展和大力应用具备非常重要的作用，而且一直是国内外所有电力系统工作者研究的重点及热点。综上所述，输电线路故障测距最主要的意义包括以下几个方面，对永久性故障来说，利用准确的故障测距能够帮助维护工作人员以最快的速度查找出故障点，及时的修复故障，快速的恢复用电能力，提高供电的可靠性以及连续性，把停电带来的经济损失和检修所耗费的大
14、量人力、物力及财力降到最低。对瞬时性故障来说，精确的故障测距技术有利于故障原因分析，快速、准确的发现绝缘所存在的隐患，从而进一步采取积极的提前预防措施，避免操作不慎而形成永久性的故障，节约了检修的大量时间以及大量费用。如果故障测距的运算方法精度高而且运算量小，那么故障测距本身就可以成为距离保护的器件，从而可以对提高保护性能、保护系统安全的运行有非常重大的意义。21.2 输电线路故障测距的发展和研究现状1.2.1 故障测距技术的发展以及分类很长时间以来，对于这种测距的研究来说，受到很多科学家以及电力工业等部门的广泛关注。以前，关于故障测距这一类的文献和研究就有很多篇。再后来，科学家就开始利用行波
15、的相关技术对其他故障测距进行研究。再后来，科学家对多行波传输线的有关规律有了进一步的了解和认识，电力电子相关技术的快速发展，也使得测距有了极大的发展空间。再后来，计算机技术也很快的融入到电力方面，特别在微机保护及故障记录波形仪器方面的开发和实施，从而使故障测距能很快的被真正的应用。同时，故障测距技术也发展的比较顺利。现在主要的故障测距算法，按其工作原理主要可以分为阻抗法、行波法、智能化测距法、故障分析法。1.2.2 线路故障测距的基本要求线路故障测距是在故障后根据在线实时测量数据或相关录波数据在线或者离线的故障点的计算位置，从而减少了巡线工作时间，也大大缩短了停电时间，因此对线路故障测距有下三
16、点基本要求。1.可靠性可靠性分为两个方面，第一点是指在发生故障后能可靠地测定故障点所在位置，不能因为在测距原理、方法或工艺等一些关键问题而发生拒动，第二点是指测距算法遇到各种故障类型时的适应能力以及对误差的抑制能力，还需要对故障类型，过渡电阻，运行方式，采样率，故障起始时刻等不灵敏。同时测定永久性、瞬时性故障。2.准确性准确性对故障测距来说最为重要，如果不能有足够的准确性就表示测距的失败，没有任何意义。测距误差是衡量准确性的唯一标准，可以用绝对误差，也可以用相对误差表示。绝对误差是以测定距离与实际距离之间的长度表示，而相对误差是以绝对误差与被测线路的全长的百分比来表示。当然，测距的误差越小对于
17、测距越有利，实际上，受到技术和经济上的各种因素的影响和限制，误差通常有一定的指标，它不能超过这个指标。例如，国家电网公司颁布的全国电力调度系统科技发展规划纲要也有这个指标，提出对线路故障测距要求是综合误差不得超过 1。3.鲁棒性鲁棒性是对故障测距算法的另一基本要求。鲁棒性在自动控制领域是一个3常用术语，在其他领域可能并不多见。测距算法的鲁棒性主要是指算法对综合测量误差的抑制能力和对各种不同性质故障（包括瞬时性故障和永久性故障）的适应能力。1.2.3 线路故障测距算法的研究现状很长时间以来，国内外对高压输电线路故障测距技术越来越关注。特别是从 1970 年开始，微机技术的高速发展，以计算机及其处
18、理器作为基础，故障测距的相关算法和有关研究已成为电力系统中最热门的一项研究课题。截止到目前这个阶段，在我国以及其他发达国家都发表非常多的文章是讨论关于输电线路故障测距的相关问题，部分测距装置现在已经投入到实际运行当中。按照所采用的测距原理、线路模型、测量设备和被测量等的不同，故障测距被分成了多种方法。1.3 本文的主要内容我作的这篇关于线路故障测距的论文主要分为两个方面：算法分析和仿真。算法上以双端测距方法为研究基础，有着比较高的测距精度。具体分为以下几个方面内容：（1）找大量的文献资料认真阅读，学习现有的各类测距算法。（2）分析各类测距算法，从各种滤波算法中得出适用于工频双端电气量测距的算法
19、。（3）总结了以往大部分热门算法后，提出了一种针对单回线的故障测距算法。这个算法在全线范围内具有良好的收敛性，测量精度较高。（4）利用 Matlab 进行仿真。42 输电线路故障测距方法现在主要的故障测距算法，按其工作原理和采用的线路模型，定位原理，测量设备的不同，主要可以分为阻抗法、行波法、故障分析法。2.1 阻抗法阻抗法和阻抗继电器的原理基本相似，是根据线路故障发生时检测到的电压、电流值而计算出故障回路的阻抗。有一个必要前提，线路的分布电容和漏电导是要忽略的。认为发生故障的输电线路为均匀的线路，当发生不同故障类型时，根据所计算出的故障回路阻抗或电抗与测量点到故障点的距离成正比，从而得出故障
20、距离。现在阻抗法应用的非常广泛，初期的装置是由机电式或静态电子器件两部分组成，测距精度较差，微处理机的出现为测距技术提供了新的发展机会，使测距的可靠性和准确性都有所提高。这种方法的优点是比较简单可靠。但是你会发现他在测量精度方面存在着一定的问题。开始时算法本身的假设导致了误差的存在，测距精度几乎完全受控于故障点的过渡电阻，只有在故障点的过渡电阻为 0 的前提下，最后测出来的故障点位置才能把误差降到最低。由于实际线路中的各种复杂因素还有各种不可控量，导致测距误差回和实际的有一点的差距。为此科学家们想了很多尝试，为了增加阻抗法的精度方面做出了很大的成绩，有解微分方程法和工频基波量的测距算法，还有如
21、零序电流相位修正法、零序电流迭代法和解二次方程法等。但是，迭代法可能会出现难于收敛或者不收敛的情况；解二次方程法可能会有伪根。所以，测距精度仍然是阻抗法的最主要问题。2.2 行波法行波法是在行波理论基础上实现的故障测距方法，最早出现在上个世纪五十年代，随着行波传播规律的进一步研究和计算机技术的广泛应用，这项测距理论也很快的发展，行波测距装置也已经广泛在电力系统中使用。行波测距按照故障测距原理可分为 A，B，C 三类。A 型测距原理，行波在测量点到故障点来回一次的波速和时间，来计算到故障地点的距离。这类测距相对简单，需要在线路一段装设，而另一端不需要过多的要求。同时也不受过度电阻的影响，而且测量
22、精度也符合要求。这种测5距也存在自己的劣势，它需要保存故障发生时的那种波形，但是故障时的信号是暂态的，很短的时间便消失了，为了测量精度，就必须有足够多的采样率。因此，A 型行波测距需要较高的硬件。B 型测距原理，是在故障时发出行波后，记录行波到线路两端所需的时间，然后用专用通道完成测距。这种装置记录故障时的行波到达线路两端所用的时间，所以故障行波不能对测距造成影响，应用起来比较容易。但是，B 型测距需要有良好的通道，通道需要大量的财力，所以在国内很内大范围的应用。C 型测距原理，故障发生后，装置发射出一种直流高压高频脉冲信号，记录这种脉冲信号到线路两端所用的时间，然后测距。这个设备的设备和雷达
23、相似，行波会按传播途径传播。当发生瞬时性的故障，当 C 型测距遇到其他信号干扰时，就很难测到需要的故障信号。再者，脉冲信号发生器的价格也非常贵。这些因素都限制了 C 型测距的发展前景。三种测距原理的比较：A 型和 C 型都是单端测距，只需要线路一段的通信，还都需要根据装置安装处到故障点的往返时间来判断故障位置，所以又称作回波定位法；而 B 型测距原理属于双端通讯，需要用到双端信息量。A 型测距原理和 B 型测距原理既能适用于瞬时性故障，也能用于持久性故障，而C 型测距原理只能在持久性故障时发挥作用。行波法测距的可靠性和准确性，理论上是不受故障电阻、线路类型及两侧系统影响的，应用起来会有很多工程
24、因素的影响。在故障电压分量的初始相角还比较小时，会使得暂态行波电压很小，导致 A 型和 B 型检测方法难以检测到行波信号，从而不能测距。当不能确定母线的接线方式时，线路两端的非线性元件和相邻并列线路的互感耦合，使分析波的过程变得非常复杂，使 A 型和 C 型测距中难以检测到反射波；当有大量的干扰信号出现在输电线路上时，波形的状态与故障点的行波极为相似，与故障点的行波信号一起传输，使识别的难度变得更大。最开始研制的行波判别装置结构复杂、可靠性差、耗资大，使后期的推广应用变得难度很大。从六十年代后，科学家再次对以前提出的行波理论进行了更为深层次的探讨，主要在相模变换、参数频变和暂态数值计算等方面进行深入研究，取得了对行波法测距及诸多相关因素更全面的了解。随着计算机电子技术的快速发展，相继引入了数字滤波相关技术、谱分析和压缩编码等新技术，这使得行波法测距相比于其他有了更大优势，成为了人们关注的焦点。B 型测距加上近年来出现的高速采样芯片和 GPS 技术装置，为开发又开辟了捷径，加入了这些新技术的 B 型测距已投入到实际运行。2.3 故障分析法故障分析法是在故障时，通过分析计算记录下来的工频电压、电流量，算
