1、30c560f0fed8fcbc9a3b7ff7fc5312ba 用于输电线路故障定位的导线监测装置的研制 申请上海交通大学硕士学位论文 用于输电线路故障定位的导线监测装置的研制 学 校 ： 上海交通大学 学 院 ： 电子信息与电气工程学院 系 别： 电气工程系 专 业： 高电压与绝缘技术 班 级： B0603193 学 号： 1060319085 学生姓名： 指导老师： 答辩日期： 2011 年 1 月 上海交通大学电子信息与电气工程学院 2011 年 1 月 30c560f0fed8fcbc9a3b7ff7fc5312ba 用于输电线路故障定位的导线监测装置的研制 A Dissertati
2、on Submitted to Shanghai Jiao Tong University for the Degree of Master DEVELOPMENT OF CONDUCTOR MONITORING DEVICE USED FOR TRANSMISSION LINE FAULT LOCATION Author： Advisor： Specialty: High Voltage and Insulation Technology School of Electronic, Information and Electrical Engineering Shanghai Jiao To
3、ng University Shanghai, P.R.China January,2011 30c560f0fed8fcbc9a3b7ff7fc5312ba 用于输电线路故障定位的导线监测装置的研制 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 30c560f0fed8fcbc9a3b7ff
4、7fc5312ba 用于输电线路故障定位的导线监测装置的研制 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密 ，在 年解密后适 用本授权书。 本学位论文属于 不保密 。 （请在以上方框内打“ ”） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 30c560f0fed8fcbc9a3b7ff7fc531
5、2ba 用于输电线路故障定位的导线监测装置的研制 用于输电线路故障定位的导线监测装置的研制 摘 要 随着输电线路电压等级和输送容量的不断提高，输电线路故障不 仅严重危及电力系统的安全、稳定运行，而且对社会的经济生活造成的影响也越来越大。 当输电线路发生故障时， 如果能够根据不同的故障特征快速准确地 判定故障点，不仅能有助于及时修复故障线路，而且能大量节省巡线的人力和物力，确保整个电网的安全稳定运行，具有巨大的社会和经济效益。 目前 的输电线路故障定位装置大多采用行波定位法， 包括单端法和双端法 ， 行波信号的采集多利用变电站内部已有的电压电流互感器。但传统互感器存在频带较窄，易饱和，高频响应差
6、等问题，不易检测故障后的暂态行波波头，影响定位精度。 本文的前两章首先对目前国内外输电线路故障定位的基本方法及其发展状况进行了综合分析与总结，比较了各种定位方法的应用情况及其优缺点。在传统行波定位法的基础上提出了分布式行波 故障定位法，并对算法进行详细的推导和分析。 本文的第三、四章主要是针对故障定位装置中的硬件设计进行了较为全面的研究。其中重点研究和介绍了故障电流数据采集模块的硬件设计，包括基于无磁滞、线性程度高、暂态响应好的 Rogowski线圈的电流采样通道、故障数据高速采集与存储单元和暂态行波采样触发单元。 本文的第五章主要介绍了行波故障定位装置中的软件设计进行了较为全面地研究。在阐述
7、小波变换理论的基础上，重点研究了基于小波变换的奇异点的检测理论，采用模极大值线的方法来检测行波信号的奇异点，判断行波的波头。 本文的第六章 ，进行了一系列实验，模拟实际工作环境检测装置存在的问题并提出解决方案，确保了装置工作的可靠性。最后，总结全文的研究成果并在当前研究的基础上提出几点改进。 关键词：行波 分布式故障定位 Rogowski线圈 小波变换 模极大值线 30c560f0fed8fcbc9a3b7ff7fc5312ba 用于输电线路故障定位的导线监测装置的研制 ABSTRACT With the increasing of transmission capacity and the
8、rising of voltage grade of transmission lines, transmission line faults will not only harm the secure and stable operation of power system but also affect the living of societal economy and polity. Consequently, it becomes more and more important to rapidly and accurately determine the fault point a
9、ccording to different fault feature, which can not only restore power supply quickly, improve the reliability and safety of the overall power system, but also save much manpower and material of line-tracking. Therefore, it is of great social and economic benefits. At present, fault location device o
10、f transmission line mostly use traveling wave location method, including two-terminal and one-terminal fault location method. As for traveling wave signal acquisition, voltage and current transformer that already in substation are mostly used. But traditional transformer has some drawbacks, such as
11、much narrower frequency range, easy to saturate, poor high frequency response, ect. Therefore, its not easy to detect the transient traveling wave, hence, affects the location precision. In first two chapters, the commonly used method and develop situation of transmission line fault location is comp
12、rehensive analyzed and summarized, and then compare the advantages and disadvantages of various location methods and their applications. Based on traditional traveling wave location method, this paper poses a distributed traditional raveling wave location method. The third and fourth chapter mainly
13、introduced the hardware design of fault location device, particularly about the fault current data acquisition unit, which including current sampling channel of Rogowski coil based on no hysteresis, high linear degree and good transient response, high-speed data acquisition and storage unit, transie
14、nt traveling wave sampling trigger unit. In the fifth chapter, software design of fault location device is comprehensively researched. The wavelet transform theory， espceially the singularity-detected theory is diseussed in this chapter. As for the detection of singularity and traveling wave head, t
15、he modulus maxima line is used. In the last chapter, a series of experiments is made to analysis the existing problems under real working condition, and then some solving measures are proposed. Finally, research results of this paper are summarized and based on present research some improvement is p
16、ut forward. Keywords: Traveling Wave, Ditributed Fault Location , Rogowski Coin, Wavelet Transform， ModulusMaximumLine 30c560f0fed8fcbc9a3b7ff7fc5312ba 用于输电线路故障定位的导线监测装置的研制 目 录 摘 要 . V ABSTRACT . VI 目 录 .VII 第一章 绪论 . 9 1.1 输电线路故障定位研究的意义 . 9 1.2 故障定位方法研究的发展 . 10 1.3 国内外故障测距研究现状和主要方法 . 10 1.3.1 阻抗法 .
17、10 1.3.2 行波法 . 11 1.3.3 行波定位存在的问题 . 13 1.4 本论文研究的主要工作 . 14 第二章 分布式故障定位装置的理论基础 . 16 2.1 行波的基本理论 . 16 2.1.1 长距离输电线路的波过程 . 16 2.1.2 行波的反射与折射 . 19 2.1.3 行波的衰减与变形 . 21 2.2 分布式输电线路故障定位原理 . 22 2.2.1 故障暂态行波的产生 . 23 2.2.2 非金属性接地故障电流行波特性 . 24 2.2.3 金属性接地故障电流行波特性 . 25 2.2.4 检测点安装位置的确定 . 27 2.2.5 测距方程的确定 . 28 2
18、.2.5 真伪故障点识别 . 29 2.3 分布式行波故障定位装置的技术难点 . 30 2.3.1 行波信号的采样与存储 . 30 2.3.2 故障电流采集的触发 . 31 2.3.3 行波到达时间的获取 . 31 2.4 本章小结 . 32 第三章 分布式行波故障定位系统的硬件设计 . 33 3.1 硬件的整体结构 . 33 3.2 供电部分设计 . 34 3.2.1 供电模块设计要求 . 35 3.2.2 CT 取电工作原理 . 35 3.2.3 铁芯的选型和性能测试 . 36 3.2.4 锂电池的电源控制 . 38 3.3 主控单元设计 . 41 30c560f0fed8fcbc9a3b
19、7ff7fc5312ba 用于输电线路故障定位的导线监测装置的研制 3.4 GSM 无线通信部分设计 . 42 3.5 无线传感网络的设计 . 44 3.6 本章小结 . 47 第四章 故障行波数据采集模块的设计 . 48 4.1 基于 ROGOWSKI线圈的电流传感器单元 . 48 4.1.1 Rogowski 线圈的主要特征 . 48 4.1.2 Rogowski 线圈的工作原理 . 49 4.1.3 Rogowski 线圈的分类 45 . 50 4.1.4 Rogowski 线圈的误差分析 . 51 4.2 电流数据采集单元硬件设计 . 53 4.2.1 常态电流采集 . 53 4.2.
20、2 高频故障电流采集单元 . 58 4.2.3 信号调理电路 . 59 4.2.4 采样误差分析 . 61 4.3 故障电流采集数据的存储 . 62 4.4 暂态行波采集的启动单元 . 64 4.5 本章小结 . 65 第五章 分布式行波故障定位系统的软件设 计 . 67 5.1 基于小波算法的故障定位算法的分析 . 67 5.1.1 小波变换的定义 . 68 5.1.2 多分辨率分析 . 70 5.1.3 基于小波算法的信号奇异性分析 . 72 5.1.4 小波算法消噪分析 . 74 5.2 系统软件总体设计 . 75 5.2.1 数据测量部分软件设计 . 78 5.2.2 GSM 无线通讯
21、的实现 . 80 5.2.3 ZigBee 通信的软件设计 . 83 5.3 本章小节 . 87 第六章 系统性能测试及结果 . 88 6.1 数据采集精度测试 . 88 6.2 大电流试验 . 89 6.3 高电压实验 . 90 第七章 总结与展望 . 92 7.1 总结 . 92 7.2 展望 . 93 参 考 文 献 . 94 谢 辞 . 98 上海交通大学硕士学位论文 致谢 第一章 绪论 1.1 输电线路故障定位研究的意义 随着我国经济的快速发展，对电力的需求也与日俱增，大容量，远距离输电和大电网互联是我国电网发展的趋势和特点。 2004年 12月 27日，国家电网公司党组会议提出发展
22、特高压输电技术，建设以特高压电网为核心的坚强国家电网的战略构想。 2006年 9月13日，晋东南南阳荆门 1000千伏特高压交流试验示范工程变电站及线路大跨越工程初步设计正式通过了审查，这标志着特高压交流试验示范工程进入全面建设阶段。特高压和智能电网已成为我国电网发展的 新方向。电压等级的提高对电力系统输电线路的安全运行也提出了新的挑战。 输电线路是电力系统的重要组成部分，负责电能的输送，它的正常运行关系到整个电力系统的安全和稳定。由于高压输电线路往往较长，而且途中地理和气候环境比较复杂，故障的发生不可避免。特别是随着输电线路电压等级和输送容量的不断提高，输电线路故障往往带来巨大的经济损失甚至导致电网的崩溃。 高电压等级的架空输电线路输送容量大，工作环境恶劣，尤其是在环境恶劣的高山丛林地区，山区线路杆塔跨距和导线垂弧大，容易发生风偏短路事故 ;丛林地段由于地理、气候的原因，雷 雨季节经常发生对树枝放电而引起的短路故障。对于输电线路的故障点的确定，传统的方法是运行人员通过对故障录波信息的分析，确定故障点的可能位置，然后由巡线人员到现场对线路进行巡检，找出故障点位置，这种方法消耗大量的人力物力，而且耗时，不能满足如今社会的电力需求，经济性很差。如果能够
