输电线路单端行波高精度故障定位方法研究

随着电力工业的迅速发展,电网规模日益扩大,电网运行管理也更加复杂,电力系统的安全稳定问题日益突出。高压输电线路是电力系统的命脉,担负着传送电能的重任。线路故障后迅速、准确地判断出故障位置,不但可以减轻巡线负担、及时修复线路和保证可靠供电,而且对电力系统的安全稳定和经济运行具有十分重要的作用,给电力部门带来难以估计的社会和经济效益。 故障定位是一种测定故障点位置的技术,能够根据不同的故障特征迅速准确地测定故障点。单端行波故障定位法只需在每回线路一端装设故障检测装置,不需要双端数据通讯和同步对时设备,具有较好的经济性,定位结果的实时性强,不受通信装置和对端设备可靠性的影响,其定位精度几乎不受过渡电阻和线路不对称等因素的影响。因此,对单端行波高精度故障定位进行相关研究具有十分重要的理论意义和工程实用价值。 然而,单端行波故障定位存在反射波的区分问题,且在近区还存在无法识别的反射波区域。目前其定位方式为人工通过观察行波波形并拖动标尺进行故障定位,定位精度在一定程度上受到人为因素的影响。 本文针对现有的单端行波故障定位在输电网故障定位领域存在的问题,着重论述和总结了本人几年来寻求有效解决这些问题所做的有创新性和有特色的研究工作。这些工作主要反映在以下几个方面： (1)根据电压、电流的折射系数推导出电压行波形式的彼德逊法则和电流行波形式的彼德逊法则,它们具有对偶性。由于母线分布电容对突变电压信号起到平滑作用,而对突变电流信号起到加剧作用,又考虑到CT的高频传变特性相对较好,它们为采用电流行波实现行波故障定位提供了理论依据。 (2)为了揭示故障行波在故障点的产生及折、反射规律,给出了一种故障行波通用分析方法。该方法将故障附加状态网络分解为正常运行系统侧输电线路和故障点新增的故障支路。根据该方法,在故障点新增的故障支路上的电流决定着电流行波在故障点的产生和折、反射；若故障点新增的故障支路是不对称接地的,零模分量和线模分量是相互转换的。 (3)根据单端行波高精度故障定位的要求,提出了相应的系统设计方案。采用相电流的硬件启动方式,检测启动信号持续时间,实现完整记录启动时刻前后丰富的故障信息,并通过工控机存储和分析。 (4)提出了单端行波高精度故障定位算法。它包括单端行波故障定位算法和改进聚类奇异性检测方法。前者为了解决反射波区分问题,通过零模分量的大小确定不同的子算法：当两相短路或三相短路时,利用线模分量中故障点的反射波实现故障定位；当单相接地或两相短路接地时,先根据零模分量和线模分量波速差由初始行波进行预定位,再根据预定位结果区分线模分量中故障点反射波和对端母线反射波,实现精确定位。后者为了提高单端行波故障定位精度,将小波变换模极大值作为样本数据,综合采用样本的幅值大小和样本密度高精度地确定聚类中心,将其作为特征奇异点时标。 (5)提出了单端行波高精度故障定位海量数据处理方法。它通过干扰识别、高速采集数据的修复、行波信号提取及滤波、故障类型识别、模量选取、有效数据段截取、非故障线路对端母线反射波影响的消除和改进聚类奇异性检测方法的特征奇异点时标确定实现单端行波高精度故障定位,以及修正波速和线路全长。 (6)提出了单端行波高精度故障定位物理试验方法。首先通过测量试验线路参数确定波速度,然后进行了模拟短路试验。在短路试验中通过高速数据采集在线检测故障行波,即使故障距离近至49m,仍可以实现单端行波故障定位,试验结果和分析验证了其定位精度高,并解决了“死区”过大的问题。数字仿真波形与物理试验波形的变化规律吻合,使得数字仿真和物理试验互为印证。 数字仿真和物理试验的结果验证了本文所提方法的正确性和可行性。 本文所提方法具有故障定位精度高、不依赖线路对端信息、无需两端通信、便于变电站集中管理、使用方便的优点。它适用于220kV及以上电压等级的输电线路故障定位,不适用于网状和树枝状的配电线路。