1、华北电力大学硕士学位论文摘 要随着电网的发展，输电线路电压等级和输电容量逐步提高，输电线路故障对社会经济生活造成的影响越来越大。输电线路发生故障后，输电线路故障定位装置可为巡线人员提供准确、可靠的故障点位置信息，缩短故障查找时间，减轻线路巡视人员巡线负担，使输电线路能够很快恢复供电，还可以提前发现输电线路中的薄弱环节，有效地减少由于故障停电带来的经济损失。因此，输电线路故障测距是从技术上保证电网安全、稳定和经济运行的重要举措之一。本文首先介绍了小波变换的基本概念，分别从连续小波变换、离散小波变换以及二进小波变换三种小波变换情况，阐述讨论了小波变换的基本特点和基本性质。重点介绍了本文研究工作中所
2、采用的基数B样条导数型小波基的定义、快速分解算法、小波生成和小波分解尺度如何选择。其次，分析输电线路故障后，暂态电压、电流行波的波过程，母线分支线路数量、短路过渡电阻等因素对行波测距的影响以及在测距计算中需要采用的解决方法。再次，介绍了单端行波测距算法及其实施步骤，通过EMTDC仿真对算法进行了验证。针对单端行波测距算法具有较高测距精度，但反射波识成功率较低的特点，提出了结合线路长度的反射波识别方法，通过仿真数据验证表明：相对于现有反射波识别法，识别成功率有所提高，改进了单端行波测距算法的测距可靠性。最后，介绍了双端行波测距算法及其实施步骤，通过EMTDC仿真对算法进行了验证。针对影响双端行波
3、测距精度的过渡电阻、波速、线路参数等问题，本文研究中提出了基于多尺度分析的故障测距算法以及线路自修正的测距方法，并通过仿真数据进行了验证。关键词：小波变换；输电线路；行波测距；EMTDC仿真万方数据华北电力大学硕士学位论文AbstractWith the development of power gridthe voltage grade and capacity oftransmission lines improve graduallyT】mnsmission 1ine fault has more and moreinfluence on social and economic 1ife
4、Transmission line fault location device notonly provide accurate，reliable fault location information for transmission patrol，reduce lpad of field staITsshorten outage time，but also useful to fmd the weaknessoftransmission line early,effectively reduced by the blackout caused economiclossesTherefore，
5、the fault location device of transmission line iS a importanttechnical n鬻asures for ensuring grid security,stability and economic operationThis paper first introduce wavelet theory including：continuous wavelettransform，discrete wavelet transform and binary wavelet transfoITn，discussing thecharacteri
6、stics of wavelet transfornlThe definition，generation，fast decompositionalgorithm and the decomposition scale selection of the cardinalBspline derivative wavelet is also introduced in the paperSecondly,the processingof fault transient traveling current wave iS presented in the PaDer,The effect andcor
7、responding solutions of such factor is presented in the paper for example：branchline number,short circuit transition resistance and SO onAnd then，the singleterminal fault location algorithm and its implementation steps iS introduced in thepaperThe EMTDC simulation is adopted to veri母the algorithm in
8、paper Considering the characteristic of single terminal fault location algorithm is ofhigh accuracy,low reliabilityThe reflected wave recognition method based on thelength of line is presented in paperthe EMTDC simulation data shows：comparedwith the prior reflection wave identification methodidentif
9、ication Success rate ofreflection wave identification iS improved by method described in papaFinally,the single terminal fault location algorithm and its implementation steps is introducedin the PaperThe EMTDC simulation iS adopted to verify the algorithm inpaperConsidering the characteristic of sin
10、gle terminal fault location algorithm is ofhigh accuracy,low reliabilityThe reflected wave recognition method based on thelength of line is presented in paper,the EMTDC simulation data shows：comparedwith the prior reflection wave identification methodidentification success rate O fretiection wave id
11、entification is finproved by method descnbed in papenKeywords：wavelet transform，transmission line，fault loction based on travellingwave，EMTDC simulation万方数据华北电力大学硕士学位论文目 录摘 要IAbstractII目 录IIl第1章引言一111输电线路故障测距研究的意义112输电线路故障测距研究概述l121阻抗澳4距法1122行波测距法213输电线路行波故障测距装置在安徽电网应用情况314本文研究主要思路和内容3第2章小波变换理论概述521
12、小波变换理论522连续小波变换523离散小波变换6231尺度位移参数的离散化624二进小波变换6241二进小波变换6242二进小波变换的性质725行波故障测距算法中的小波基选择726 B样条导数型小波及其快速算法8261 B样条导数型小波定义8262小波快速分解算法及其尺度选择827本章小结9第3章基于小波变换理论的行波测距算法一1031输电线路行波传输过程及相模分析10311均匀传输线波过程10312暂态行波传输特性12313相模分析14万方数据华北电力大学硕士学位论文32行波测距原理15321单端行波测距方法15322双端行波测距方法1633基于小波变换的行波测距算法概述1734基于小波变
13、换的行波测距算法步骡1935本章小结。19第4章小波变换在行波测距中的应用研究2141短路故障仿真21411仿真软件介绍21412系统仿真模型21413线路仿真模型2242基于组合式判据的单端测距法及其仿真验证23421常规单端测距法及其仿真验证23422过渡电阻对单端行波测距的影响一24423母线分支接线对单端行波测距的影响26424结合线路长度的反射波头识别方法2643双端测距仿真27431常规双端测距法及其仿真验证27432影响双端行波测距的主要因素28433基于多尺度分析的输电线路行波测距方法30434线路长度自修正的测距方法3344输电线路行波故障测距的实际应用3445本章小结37第
14、5章结论与展望3851结仑3852研究展望38参考文献一39攻读硕士学位期间发表的学术论文及其它成果43致射44作者简介45IV万方数据华北电力大学硕士学位论文第1章引言11输电线路故障测距研究的意义随着现代电力系统的日益复杂，输电线路电压等级和输电容量逐步提高，输电距离日益增长。输电线路作为电力传输的纽带，是各电力系统之间的联络线，也是整个电力系统安全和稳定运行的基石出【，而架空输电线路又是电力系统中发生故障较多的地方。输电线路上发生故障后，会对整个电力系统的安全生产造成严重危害。我国疆域广阔，一旦输电线路上发生故障，对于确定故障发生的位置是非常艰难的，对于夜晚和恶劣天气情况下的故障就更加困
15、难。有效的故障测距技术不但能够迅速和准确的找到发生故障的位置，还能够为线路巡视人员提供可靠而准确的数据，缩小线路故障巡线范围，减轻巡线人员的劳动强度，提高线路故障巡线工作效率及故障巡出率，为恢复系统供电，减少因停电造成的综合经济损失【21，缩短故障恢复时间。同时也可以对故障发生的原因进行正确的分析，提高供电部门针对各种常发故障制定预防措施的能力。针对瞬时性故障，可以帮助工作人员及时发现线路的绝缘薄弱点，并尽快消除安全隐患，这可以有效减少发生永久故障的机会。故障测距技术对提高电力系统的安全稳定经济运行水平，带来了巨大的经济效益和社会效益。12输电线路故障测距研究概述121阻抗测距法阻抗测距法是基
16、于工频电气量的故障测距方法，首先建立电压平衡的微分方程或者差分方程，解方程，就可以得到测距装置和故障点之间的线路阻抗，然后就可以求出故障距离。阻抗测距的方法包括代数法和微分方程法两种方法，这两种方法是根据计算原理不同来区分的。由于线路参数和系统运行方式都是己知的，代数法就利用这些已知量，运用发生故障的时候工频电流和电压，通过迭代求出故障点的位置。微分方程法则需要建立三相输电线路的微分方程，利用线路两端电流电压量进行故障定位。根据计算中所需的电气量，阻抗测距法又可分为单端阻抗测距法和双端阻抗测距法。单端阻抗测距法的测量精确度不是很高，先通过估算求出过渡电阻，再利用系统的己知参数，以及线路一端测量
17、得到的电流和电压数值来求出故障距离万方数据华北电力大学硕士学位论文的算法。双端阻抗测距法理论上能准确测距，定位故障点的位置，而且不受过渡电阻的影响，双端法是利用线路两侧的电气参数来进行测距的。双端测距算法包括两种，第一种是采用被测线路两端测得的电流量和电压量【3，4】来计算，这种方法对通讯的实时性要求很高；另一种方法是利用被测线路本端测得的电流电压量和对端测得的电流量5，61，这样信息交换的信息量减半，就能用保护装置提供的数据即使测距。阻抗测距法基于工频电气量、可直接利用保护、录波装置的采样数据，算法实现简单。目前，已经获得了广泛应用，国家标准规定测距精度应达到线路全长13以内，但实际应用效果
18、尚难以令人满意。造成阻抗测距法产生误差的原因包括以下四个方面：(a)电压互感器和电流互感器存在误差；(b)故障时有过渡电阻；(C)线路分布电容；(d)线路结构参数不一样：阻抗测距法在很长的线路不适用，主要是因为上面这些原因造成的，尤其是故障线路的结构和互感器存在一定的误差，所以阻抗测距法的可靠程度和准确度不是很高。122行波测距法行波测距法是建立在考虑输电线路的分布参数，直接利用故障产生的暂态行波信号，并对其进行分析和计算的基础之上的口1。上世纪30年代国外研究单位即提出了行波测距法，但受信号采样等相关技术的限制，一直未获工程应用。二十世纪末期，DSP技术以及GPS等计算技术的快速发展，带动了
19、行波测距技术的发展，使行波测距越来越实用化了。目前，进入实用阶段的行波测距法包括以下三种：单端行波法、双端行波法、脉冲法。(1)单端行波法单端行波法是在故障时，在故障线路一端能测量到行波传来的时间，故障行波传到两侧的来回时间作差，再根据行波传输的速度，计算出故障点的位置。(2)双端行波法双端行波法是通过计算故障行波到达线路两端的时间差来计算故障点位置。(3)脉冲法脉冲法是在故障发生后由装置发射高压高频或直流脉冲，根据高频脉冲由装置到故障点往返时间进行测距。这类测距装置原理简单，精度也高，但要附加有高压脉冲信号发生器等部件，比较复杂和昂贵。由于不需要另外的信号和脉冲发生装置，仅利用故障行波来查找
20、故障点，前两种方法较第三种方法要优越，因此，行波法是目前故障测距研究的重点3，本万方数据华北电力大学硕士学位论文文在该领域作了进一步的深入研究。13输电线路行波故障测距装置在安徽电网应用情况安徽电网自2003年首次安装使用输电线路行波故障测距装置以来，截至2013年底，220kV及以上变电站故障测距装置安装数量己达150台，已基本覆盖省属220kV及以上电压等级长距离线路，线路数量超过200条；并且部分单位开始将故障测距装置应用于l lOkV及以下等级变电站，总体数量己接近100台。随着电网通信条件的改善，安徽电网实现了各站测距装置组网，构成了基于调度数据网、故障测距装置以及各级故障测距主站构
21、成的广域网输电线路故障定位系统，并完成了各项配套管理运行制度的建设。根据2007年以来安徽电网行波测距装置动作情况统计，在线路采用双端测距的情况下，动作合格率为900(测距误差lkm以内)；而单端测距合格率较低基本在55左右。在实际运行中，故障测距装置存在的主要问题如下：1)单端测距可靠性较低由于部分线路两端变电站归属不同单位管理，装置由不同厂家提供，而各厂家装置间多采用自有协议，不能实现互联互通，在此情况下只能以单端方式工作。实践表明，现有故障测距装置的单端测距可靠性远低于双端测距方式。2)系统整体可靠性较低故障测距装置工作涉及采样、GPS、通讯等多个环节，过多的中间环节降低了系统可靠性，若
22、一侧装置故障，则系统可能无法正常工作。尽管通过运行管理制度上的改善，但总体上相对变电站内其他设备，故障测距装置的可靠性仍相对较低。3)工程参数配置线路长度是影响故障测距精度的重要因素，lkm的线路长度误差，就导致约500m的测距误差，实际工程实施中，多次出现线路长度等工程参数配置不对导致测距误差过大的情况。本文将尝试通过算法的改进解决上述问题。14本文研究主要思路和内容本文研究主要包括以下内容：(1)分析了小波变换的基本类容，从连续、离散以及二进小波变换，阐述了这三种变换的基本特点和基本性质。根据暂态行波的特点，行波故障定位的要求，选择了基数B样条导数型小波作为本文分析中采用的小波基，介绍了基
23、数B样万方数据华北电力大学坝士学位论文条导数型小波的定义、生成、快速分解算法以及分解尺度选择原则。(2)分析输电线路故障后，暂态电压、电流行波的波过程，分析了母线分支线路数量、短路过渡电阻等因素对行波测距的影响以及在测距计算需要采用的解决方法。(3)讨论了基于小波变换的行波测距方法，阐述了单端及双端测距方法，并分析了这两种方法各自的难点。(4)通过分析各种故障时的故障行波暂态特性，根据系统参数建立仿真模型，并用PSCADEMTDC软件进行系统仿真，得出结论。(5)对给出的基于小波变换理论的行波测距算法的单端测距仿真和双端测距仿真，并分析其结果，做出比较。(6)针对双端行波法及单端行波法在实施过
24、程中存在的问题提出了结合线路长度的单端测距方法、基于多尺度分析的输电线路行波测距法以及线路长度自修正的双端测距方法。4万方数据华北电力大学硕士学位论文第2章小波变换理论概述21小波变换理论20世纪80年代后期发展起来的小波变换，是集泛函分析、傅里叶分析、样条分析、调和分析、数值分析于一体的综合性学科。小波变换用在时域和频域时，优点是能很好的把信号的局部特征表现出来，能够进行多分辨率分析，在数学方法和工具领域的新突破，在边缘检测、数据压缩、信息编码、图像处理以及信号分析等学科都有应用。一般的平方可积函数f(t)r(硒的小波变换可定义为：一! ，一k孵(口，b)=口I 2 I厂(f)(础，口0(2
25、1)。 口式中烈f)为基本小波或母小波(motherwavelet)；a为伸缩因子(或称尺度)，订o、b为位移因子；唬，。(f)=了1(兰)；刃。6为疙。的共轭，以下定义相同。口、，a a和b可连续变化时称为连续小波变换(continuous wavelet transform，CWT)，则式(2一1)的等效频域表示为：厂孵(口，6)=：竺fF(曲率矿(aw)at6dw(2-2)Z71“。式中F(们为f(t)的傅里叶变换。每个不同缈【aw)的带宽和中心频率的变化是由不同的伸缩因子a决定的，不变的是品质因数。如果用特性为妒(aw)带通滤波器用不同频带在不同频段上滤波，就会出现频带宽的在高频段，窄
26、的在低频段，而传统的傅氏变换是做不到这一点的，这个特点使得小波变换是提取信号特征与去噪的有力工具【10】。小波种类繁多，包括连续小波、离散小波、二进小波、正交小波、双正交小波等，不同的小波适用于不同的用途【11】。只有对各类小波的特点有充分的了解，才能将小波变换成功地应用于故障测距。22连续小波变换设信号矿(f)0(R)，(f)是一个小波基函数，则：(啪冲Ij1 J巾湫譬冲_0，口o(2-3)小波逆变换若存在，小波正变换必须满足上公式，即可容性条件，那么根万方数据华北电力大学硕士学位论文据小波变换孵(口，6)可以精确恢复原信号厂(f)，其逆变换公式如下：1 巾)=砉J a-2哆(口，6)允，6
27、(O&ab(2-4)。d可见，连续小波变换的结果可以表示为平移因子a和伸缩因子b的函数。前者使小波在时间轴上进行遍历分析，而后者是伸张和收缩小波，这样平移和伸缩因子就可以通过遍历来逼近频率不同的信号。23离散小波变换连续小波变换的概念及其公式，往往只适合于理论的分析和推导。由于现有装置采样基本都是数字形式，因此，连续小波变换必须进行离散化。离散小波变换是在连续小波变换的基础上，对平移和离散两个因子进行离散化【12】，这样，和连续小波变换相比，小波变换的冗余性下降了。231尺度一位移参数的离散化令口=2，i=2k，m，七为整数，则小波基函数屯，可表示为：一竺吮，(f)=2 2(2一tk)(25)离散后的小波变换可以表示为：一旦啊(柳，后)=儿)，丸州22 J们)妒(2卜尼妙(26)24二进小波变换241二进小波变换对于尺度及位移均离散化的小波序列，特别的选取离散化方法。令ao=2即只在尺度上进行二进制离散，而位移仍然连续变化，则称这类小波为二进小波，表示为：一幺，(，)=2 20(2叫O一2j6)(27)对信号f(t)r(尺)进行二进小波变换，则有：=邝)哆。归(巾)，2i,b)=2一气巾妒(等)dr(2-8)上式为信号厂(f)关于二进小02J,b(f)的二进小波变换。万方数据
