北斗系统在电力系统行波法故障定位中的应用研究Word格式.docx
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行波法分为A,B,C,E四种方法,此处主要介绍A型和B型定位算法。
1.1.1A型定位方法原理与算法
A型定位原理利用故障点产生的行波,根据测量点到故障点往返一次的时间和行波波速确定故障点距离。
根据这种原理研制的定位装置简单,只需在线路一端装设,不要求与线路对端通信联系,随着现代微电子技术的飞跃发展和对行波传播规律的进一步认识,A型定位原理逐渐引起人们的兴趣和关注。
基于A型的测距算法即利用单端数据算法目前主要有以下三种:
算法一:
利用故障点行波的反射波进行测距。
该方法利用在检测点检测到的两个相邻线模波头之间的时间差进行故障定位。
如图1所示简单系统,在f点发生故障后,暂态行波分别向R,S运动,到达R,S后,暂态行波将发生反射,反射波经故障点再到R,S,所以在R,S点将检测到2个波头,设在R点测到2个波头之间的时间差为Δt,行波速度为v1,由此可得到R点到故障点之间的距离。
图1行波故障测距示意图
但是,在这种方法中,在单相接地故障的情况下,行波的第2个波头很难测到,原因是线路上的电阻使行波衰减,第2个波头在故障点和检测点之间来回2趟,衰减更厉害。
算法二:
电力系统故障(接地故障)后,线模和零模将以不同的速度向检测点传播,而理论分析证明,线模波速和零模波速可以用线路的正序参数和零序参数计算。
所以,只要准确找出到达检测点线模和零模波头之间的时间差就可以算出故障位置。
仍以图2为例,设v1为线模速度,v0为零模速度,线模分量到达R点的时刻为tR1,到达S点的时刻为tS1;
零模分量到达R点的时刻为tR2,到达S点的时刻为tS2,故障时刻为t。
则在R点对于线模分量有:
在R点对于零模分量有:
其中:
t和x是未知量,消去t得:
此算法利用第一次到达检测端的零模分量计算,波头衰减少,易于检测,结果误差小。
算法三:
t1为故障初始行波到达R端的时刻,t2为故障点反射波到达R端的时间,t3为对端母线反射波到达R端时刻,t0为故障发生的绝对时刻,考虑联立方程:
其中,,是未知参数,可联立求解得:
这种算法可以消除波速的影响,理论上计算精度高,但存在各波头到达时间准确检测问题。
1.1.2B型定位方法原理与算法
B型定位原理利用故障点产生的行波到达线路两端的时刻并借助通信联系实现故障定位。
它利用故障点产生的行波第一次到达两端的信息,不受故障点透射波等因素影响,这种方法要求线路两端测量系统有精确到微秒的同步时钟,要求有通信联系交换对侧数据。
全球卫星定位系统(GPS)是一种理想的时间同步技术,利用基于GPS的同步时钟输出,能够实现两端测距装置1μs精确同步。
随着GPS技术在电力系统中的应用,线路两端的同步采样已成为现实,并且随着数字光纤通信技术的发展在电力系统中的广泛应用,线路两端的数据交换也已成为可能。
基于B型原理的测距算法主要有以下两种:
在线路发生故障后,不管线路的结构、衰减及畸变如何,到达母线处的第一个行波波头都是最强烈和最明显的,因此很容易准确定位。
仍以图2为例,在S点对于线模分量有:
由上式可得
利用波速的测距算法的基础是线模波速受各种因素的影响很小,或者说线模波速的波动在工程误差的范围之内。
研究认为:
无论哪种模波,在线路上传播的速度是不确定的,各模量的波速度受气候和线路的运行条件影响很大。
基于此,提出了消去波速的测距算法(仍以图1为例)。
设,,。
由双端测距公式得:
由式、式解出线模和零模波速为:
代入式得测距公式:
这种方法的优点是完全消除了波速变化对测距的影响,但是仍然使用了零模的第1个波头,仍然存在零模衰减的问题,而且也需要双端数据交换通道和同步对时设备。
2.2四种行波故障定位算法比较及存在问题
2.2.1A型和B型测距方法比较
A型算法的单端测距算法精度高,但反射波波头很难准确检测到,容易误判,实现起来很复杂,对于检测反射波的问题总结如下:
1)当检测母线上接有三回及以上进出线时,初始行波和故障点反射波都比较强烈,测距容易实现;
当检测母线上接有两回进出线时,初始行波比较强烈,故障点反射波很微弱;
只有故障线路的母线上,反射将明显减弱,单端测距可能失败。
2)故障点的过渡电阻越大,反射将越弱。
3)当对端母线距故障点较近时,对端母线的反射波将透过故障点先于本端的反射波到达检测母线。
4)当相邻母线和检测点之间的距离比故障点到检测点之间的距离近时,相邻母线的反射波将先于故障点的反射波到达检测点。
再加上零模波头必将先于本端反射波到达检测母线以及电力系统本身的噪声等原因,很难准确判断第二个波头到达的时间。
算法二中利用线模和零模分量的第一个波头,行波衰减小,易于判断波头到达的准确时间,而且只要线路参数准确,计算精度相当高。
但是零模速度是否受天气因素的影响,影响多大,尚需进一步讨论;
另一方面,零模分量在线路上的衰减情况如何,也需要进一步研究。
B型算法利用行波的第一个波头,衰减小,易于检测到。
可以不考虑故障的过渡电阻以及母线的反射条件,使我们能够更加准确地判断故障距离。
但是,算法利用双端数据,因此要求测距装置必须有两端数据的交换通道和两端时间同步设备(GPS),这样就增加了装置的生产成本,不利于测距装置的推广应用。
算法二虽然不用考虑速度的影响,但其测距精度并没有明显的提高,而且比算法一要多采集零模的数据。
因此作为双端行波测距方法,算法一应该是优先考虑的方法。
2.2.2C型定位方法原理与算法
C型定位原理在故障发生后由装置发射高压高频或直流脉冲信号,根据高频脉冲从装置至故障点往返时间进行定位。
C型故障定位方法的优势在于:
首先,它不需要在各条线路装设采集装置;
其次,该方法在进行故障定位时可以重复地判断,对于某些因素(如其它大的干扰)某一次接收到的信号不能清楚分析出故障点位置,可以重新发一个行波信号再进行一次定位,而其它实时定位的方法中故障点处产生的行波是不可重现的;
再次,这种方法不需要在每条线路都安装设备,极大地节省了投资。
2.2.3利用重合闸的单端电流行波E型定位方法原理与算法
利用单端电流行波的故障测距不仅可由因故障扰动而在故障点产生的暂态行波构成,也可由线路开关合闸于故障线路所产生的暂态行波构成。
这一点对于装设有重合闸装置的高压输电线路尤为有用,它可以补救因故障发生在电压初始角为零或很小时造成的测距失败。
设线路发生了故障,在继电保护作用下,开关将跳开故障线路,之后在重合闸作用下,开关将重新闭合。
若故障未消失,则由开关重合所产生的初始行波经延时τ后到达故障点,在故障点行波又反射回检测母线,其时间间隔仍为Δt。
显然,此Δt也包含有故障距离信息,同样可用于测距。
测距公式同A型测距原理中算法一的公式。
结合A、B、E测距方法,利用暂态电流行波的输电线路故障测距装置目前已有单位研制成功并投入现场试运行。
2.3电力电缆故障定位
随着我国经济的飞速发展,城市规模不断扩大,电力电缆获得了越来越广泛的应用。
在运行中,电力电缆也会发生故障,快速切除故障并排除故障对提高电力系统供电可靠性和稳定性具有决定性作用。
电缆故障一般分为:
开路故障、低阻故障和高阻故障三种类型。
脉冲电压法首先将电缆故障在直流或脉冲高压信号下击穿,然后通过记录放电脉冲在测量点与故障点往返一次所需的时间来测距。
包括直流高压闪络测量法(直闪法)和冲击高压闪络测量法(冲闪法)。
脉冲电流法通过记录测量故障点击穿时产生的电流行波信号,在故障点与参考点往返一次所需的时间来测距。
这种方法用互感器将脉冲电流耦合出来,波形较简单,较安全。
也包括直闪法及冲闪法两种类型。
一种基于小波重构的电力电缆故障测距方法把脉冲电源作用下故障相与健全相的电流差作为测量信号,利用小波变换对其作多尺度分解,然后对信号在高频下进行单支重构。
与传统的行波测距方法相比,该方法不受电缆分支接头或其他阻抗不匹配点反射波的干扰,不受故障类型的影响,在近区也不存在无法识别反射波的问题,同时也减少了波速不确定性对测距精度的影响。
美国学者为克服高压脉冲法有可能对电缆的健全部分进一步造成危害的缺陷,也提出了在线故障测距方法。
但其出发点是将环形线路开路或在线路末端设置开路点,利用故障时产生的浪涌电压或电流在开路点发生正或负的全反射,通过设于开路点附近的传感器得到脉冲信号,测出其脉冲间隔时间实现测距。
但这种方法在实际电网中存在局限性。
另外,日本学者还提出了利用分布式光纤温度传感器(FODT),通过检测故障点附近温度变化情况来实现电缆故障定位的新方法。
英国学者则提出了利用基于脉冲电流法的实时专家系统来实现电缆故障定位。
此外,近些年发展起来的行波法可以对故障进行检测和定位,速度稍快些,分单端和双端,单端定位是利用故障点传向母线第一行波与故障点的反射行波之间的时间差计算故障位置,由于行波在各个一次设备、各条线路的连接处的反射、折射和衰减,使得故障点反射行波波头的辨识变得复杂;
双端定位则只利用行波第一波头达到线路两端的时刻进行计算,只需捕捉行波第一波头,不用考虑行波的反射与折射,行波幅值大,易于辨识,提高了定位精度,但这种方法现场存在采样率较高、无法辨识近距离故障行波、无法检测发生在电压过零附近时刻接地的故障等问题,以及由于GPS短时失步、卫星信号调整、天线干扰等导致时钟信号失真而引起定位失败。
因而,目前这种方法还不太成熟,有待进一步完善。
2.北斗系统
相对于GPS的定位功能来说,GPS的定时功能在电力系统中的应用更加重要和普遍。
电力系统中如微机保护及安全自动化系统、远动及微机监控系统、调度自动化系统、故障录波器、事故记录仪等许多自动化装置,都需要一个精确的时间标准,而且随着电力系统的发展,对时间标准的精确度也提出了更高的要求。
传统的定时方式有两种:
(1)电网调度中心通过通信通道同步系统内各个电站的时钟,这种方式需要专用的通信通道,由于从调度中心到达各个电站的距离不一样,通信延时也不一样,因此只能保证系统时钟在毫秒级误差的水平;
(2)利用广播、电视、天文台等的无线报时信号,这种方式一般一个小时报送一次,一个小时内会积累较大的误差,同样还由于信号传播延时,时间误差较大,很难达到毫秒级,此外还容易受到电站内的电磁干扰影响。
GPS为电力系统时钟同步提供了新的技术保证。
就算广泛应用于民用的GPS粗码,理论上定时精度可以达到0.1微秒,现在市场上销售的接收机的定时精度都可以达到1微秒,远远超过了传统的定时方式。
利用GPS同步电力系统的时钟,必将是电力系统主要的定时方式,同时也为电力系统的发展奠定了坚实的基础。
2.1北斗系统简介
北斗系统是中国自主知识产权的全天候全天时提供卫星导航定位信息的区域导
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- 北斗 系统 电力系统 行波 故障 定位 中的 应用 研究