输电线故障测距方法的分析研究

专业课程设计报告题目：输电线故障测距方法的分析研究系别电气工程系专业班级11输电2班学生姓名指导教师杨玲提交日期2014年12月27日华南理工大学广州学院电气工程系生产实习报告电气工程学院专业课程设计评阅表学生姓名学生学号专业班级2011级输电线路工程二班题目名称输电线故障测距方法的分析研究一、学生自我总结在这次课程设计中，过程虽然很繁琐和幸苦，但这让我懂得了学习的重要性，了解到理论知识与实践相结合的重要意义，学会了坚持、耐心和努力，这将为自己今后的学习和工作做出了最好的榜样。我觉得作为电气工程及其自动化（输电线路工程方向）专业的学生，这次课程设计是很有意义的。更重要的是如何把自己平时所学的东西应用到实际中。虽然自己专业课程学习的还是挺可以的，但是过了这么久有很多基础的东西都已经遗忘了，重新做这个课程设计时，觉得很难，但是通过查阅大量有关资料，与同学交流经验和自学，并向老师请教等方式，使自己重新拾起落下的知识，也学习到了很多新的知识，虽然经历了不少艰辛，但收获却是非常巨大。学生签名：年月日二、指导教师评定评分项目平时成绩报告（答辩）综合成绩权重5050单项成绩教师评语：教师签名：年月日华南理工大学广州学院电气工程系生产实习报告1目录一、绪论............................................................21.1故障测距的背景和意义.........................................21.2故障测距装置的基本要求.......................................3二、故障测距方法的分类..............................................42.1利用单端数据的阻抗测距方法...................................52.1.1解微分方程法...........................................62.1.2基于工频量的单端测量方法...............................62.2利用双端数据的阻抗测距方法...................................72.3影响故障分析法测距精度的因素................................72.4行波故障测距方法.............................................8三、各种故障测距方法的优缺点比较....................................9四、各种故障测距方法存在的问题.....................................10五、对故障测距未来的展望...........................................11六、参考文献：.....................................................12华南理工大学广州学院电气工程系生产实习报告2一、绪论摘要：输电线路负担着传送电能的重要任务，是电力系统的经济命脉，同时又是电力系统中发生故障最多的地方，并且极难查找，而且直接威胁到电力系统的安全运行。因此，为提高电力系统运行的安全性，经济性，可靠性，快速性和保证优质可靠的电力供应，精确的故障定位则可以做到为现场巡线的工作人员及时提供准确、可靠的信息，减轻人工巡线的负担，同时加快线路的恢复供电，减少因停电造成的综合经济损失。所以输电线路故障测距技术的应用则解决了电力系统运行中故障点精确定位的问题。故障测距的方法按测距原理可分为故障分析法和行波法；本文将在介绍各种理论方法的基础上进行分析比较，总结各种故障测距方法的优缺点。同时，对输电线路故障测距的应用前景和未来的发展进行了展望。关键词：故障测距；输电线路；行波法；故障分析法1.1故障测距的背景和意义一直以来，高压输电线路能否准确故障测距一直受到电网运行、管理部门和专家学者的普遍重视。早在1935年，输电线路接地故障指示器就在34.5KV和230KV输电线路中投入运行;尽管当时的故障定位器是指针式仪表，并需要与调度中心交换信息，但对测定故障点位置仍有较大帮助。二战后，故障测距技术的开发步伐加快，不少国家都取得了不少新近展。经过60多年的研究和改进，故障测距技术有了很大发展，人们提出了许多测距原理和方法，很多故障测距装置己经投入运行。特别是70年代中期以来，随着计算机技术在电力系统的应用，尤其是微机保护装置和故障录波器装置的开发和大量投运，给高压架空输电线路故障测距的研究注入了新的活力，加速了故障测距实用化的进程。在我国，随着微机技术的发展，故障测距算法的研究不断深入。因为过渡电阻的影响，首先提出了当己知系统参数时，可通过有限次迭代计算修正故障电流的相位进行测距的新方法。由于输电线路故障大部分表现为单相接地，且经高阻对测距精度影响很大，所以在解微分方程的基础上，利用测量电阻分量实现高阻接地短路的测距算法，是为克服故障电流相位修正法可能收敛至伪根而造成误测距的缺陷，从接地距离保护的角度提出反应高阻接地故障的解方程算法，并针对华南理工大学广州学院电气工程系生产实习报告3这种算法的主要问题提出如何识别真根的原则。利用故障产生的暂态行波实现A型测距装置，并在此基础上研制出新的测距装置，后来又相继提出了现代A型、D型等测距算法，从而推动了现代行波故障测距技术的发展。输电线路故障测距是一个传统的课题，同时又是将来长期不好解决的问题，近年来，继电保护工作者在这些传统的方法上不断改进，期望提高故障测距精度。基于微机或微机处理装置的故障测距方法研究己经成为最热门的研究课题之一。但是微机故障测距技术出现的时间毕竟不长，无论在理论上还是实际应用中都有不少改进之处，从目前己有的故障测距方法来看，在测距准确性、可靠性以及硬件的投入方面，还不能满足电力系统运行和管理部门的要求，有必要做进一步的研究。因此，对适应于现代电力系统的精确故障测距算法的研究具有非常重要的意义和工程实用价值。1.2故障测距装置的基本要求为了充分发挥故障测距的作用，故障测距装置要满足准确性、可靠性、经济性及方便性等四个方面的要求。(1)可靠性测距装置的可靠性包含不拒动和不误动两方面的内容，其中不拒动是指被监视线路内部发生各种可能的永久性或者瞬时性故障时，测距系统应能正确的动作，并给出正确的测距结果;不误动是指被监视线路外部发生故障及系统遇到各种干扰时，装置不会错误的发出测距指示信号，同时装置应既能测定永久性也能测定瞬时性故障。(2)准确性准确性是对故障测距装置最重要的要求，没有足够的准确性就意味着装置失效，提高测距精度，应该考虑下列因素的影响:1）装置本身的误差。由于采用的电压和电流互感器不同、测距原理的不同、采样频率、数模变换器的精度都会影响测距精度。2)故障点的过渡电阻。过渡电阻的存在对单端电气量实现测距的装置会带来很大误差，消除过渡电阻对测距的影响一直是引人注意的问题。3)线路两侧的系统阻抗。电力系统的实际运行方式不断变化，所给定的系统阻抗很难与故障时候的实际情况相一致，因此会引起误差。华南理工大学广州学院电气工程系生产实习报告44)线路的分布电容。忽略线路的分布电容采用集中参数模型来代替分布参数模型时，对长线路会产生较大的误差。5)线路的不对称。输电线路的参数由其结构决定，各相的自感、互感都不相同。对于不换位线路会出现误差，应寻求其更准确的计算方法。6)线路参数不准确。由于测量仪器或方法本身的误差，线路参数的实际测量值往往不准确，尤其是线路的零序参数受大地电阻率的影响，因此线路参数也会导致测距出现误差。(3)经济性装置应具有较高的性能价格比，随着微电子技术的迅速发展，各种故障测距装置的硬件成本会越来越低，而各种数字信号处理技术的广泛应用又会使得测距装置的性能得到不断提高和完善。(4)方便性装置应便于调试和使用，并且在线路故障后能够自动的给出测距结果。实际中以上四种要求很难同时达到较好的满足，一种合适的测距装置应该是以上几种指标的综合平衡，但是可靠性和准确性是任何一种测距装置都必须满足的要求。二、故障测距方法的分类故障测距技术的关键问题是准确性和可靠性，以故障分析法为基础的故障测距法正是沿着提高可靠性和准确性这条轨迹在发展和完善中。以前的故障分析法以阻抗法为代表，阻抗法的基本原理类似与距离保护，即根据故障时测量到的电压、电流量，计算出故障回路的阻抗，由于线路长度与阻抗成正比，因而便可求出装置装设处到故障点的距离。或者是利用故障时记录下来的电压、电流量。通过分析计算，求出故障点的距离。事实上，在系统运行方式确定和线路参数已知的条件下，输电线路故障时，装置装设处的电压、电流量是故障点的函数。因此，完全可以用故障时记录下的母线电压和电流量通过分析计算，得出故障点的距离。由于全球定位系统（GPS）在电力系统的应用及电网自动化水平的提高，使得双端法测距中所必需的高精度同步时钟有了保证。通信技术的发展和应用，使得对端故障信息的获取成为可能。通信技术，GPS技术、故障录波及同步采样技术的发展和应用，为采样双端电气量实现故障定位提供了技术上的保证。同时采华南理工大学广州学院电气工程系生产实习报告5用双端电气量的测距方法由于不存在系统性误差，测距结果优于单端方法，因而双端测距算法的研究越来越受到继电保护工作者的重视，并取得了较大的发展。本文将故障测距方法分为阻抗法和行波法，输电线路的简单故障类型有十种，分别是三种单相故障、三种相间故障、三种两相对地故障和一种三相故障。本文以图2.1所示双电源单回线单相接地故障为例介绍架空输电线路故障测距算法。图2.1所对应的集中参数等效电路如图2.2所示。图2.1双电源单回线单相接地故障图图2.2对应于图2.1的集中参考等效电路2.1利用单端数据的阻抗测距方法利用单端数据的阻抗测距方法大致可以分为两类:一是解微分方程法，二是利用测量端工频量的测距方法。华南理工大学广州学院电气工程系生产实习报告62.1.1解微分方程法这类方法一般忽略线路的分布电容，利用两个不同时刻的瞬时采样值，可以获得两个独立的方程，如式(2-2)和(2-3)，并用差分代替微分，联立求得故障距离。根据所对应的集中参数等效电路图2.2可得:（2-1）对于A相接地故障,则有（2-2）（2-3）式中,,分别为电阻和电感分量的数。该方法算法简单，无需双侧系统参数和故障前负荷状态下的数据，响应时间短，而且不必去除非周期分量，需要的总时窗短。该方法存在的问题是:视线路电流和故障支路电流为同相，测距结果受故障电阻和系统运行方式的影响;解方程时，以差分代替微分，采样频率越低误差越大;另外对高阻接地测距精度不能保证。为了提高此类算法的测距精度，可以把故障支路电流用测量端电流代替，引入零序电流分布系数和正序电流分布系数，得到两个独立方程，从而求得故障距离，在此算法中假设零序和正序电流分布系数之比为实数，并且需要对端系统阻抗，所以又增加了新的误差源。针对此类测距算法中的负距问题，提出了微分方程的负距修正方法，但是对于可能出现的正方向测距误差则没有考虑。但可利用正序和负序故障分量的相位代替故障电流的相位，使之适合于高阻接地，利用最小二乘法消除故障电流的影响。2.1.2基于工频量的单端测量方法双电源单回线单相接地故障仍以图2.1所示，有图可得基本方程为：（2-4）其中K为零序补偿系数，为故障支路零序电流。根据零序网络可得：（2-5）分析可得，基于工频量的单端测距方法，原理上无法克服对侧系统运行阻抗变化对测距的影响，由于未知量数目大于方程数目，所以只能得到近似解，为了解决这一问题，最初利用检测端电流代替故障电流，由于对侧系统助增电流及线华南理工大学广州学院电气工程系生产实习报告7路分布电容的影响，导致故障支路电流与检测端电流相位不同，给测距带来了误差，围绕故障支路电流与检测端电流关系的问题，人们提出了多种不同的处理方法