基于小波理论的输电线路故障检测和定位的研究

论文摘要

输电线路担负着传输电能的重任,因此它是整个供电网络的命脉所在。然而,由于输电线路长期运行环境比较恶劣,并且分布区域广大,因此,它也是电力网络中发生故障最多的地方。一旦输电线路发生故障,不仅影响工农业生产和人们的日常生活,而且还危及电力系统的安全、稳定运行。因此,及时、可靠地进行故障检测和定位,可以缩短查找故障的时间,使故障得以及早处理,并保证故障线路迅速恢复供电,还能及早发现输电线路的薄弱环节,有效地降低因停电造成的经济损失。本文首先简要介绍了输电线路故障检测和定位产生的背景、发展现状以及研究目的和意义,详细阐述了目前国内外在该领域已经取得的成果和存在的问题,同时提出了本文研究的主要内容。由于输电线路故障后产生的暂态行波信号是非平稳的、奇异的信号,而小波变换具有时频局部化分析的特点,特别适合分析这类信号。文中从理论上研究了小波多分辨率分析和Mallat算法的原理,并与小波变换的奇异性检测理论相结合,应用于输电线路故障暂态行波的特征分析中。然后,通过输电线路故障等效电路的分析表明,输电线路故障网络可分解为非故障状态网络和故障附加状态网络,这样对输电线路故障网络的分析就变成对故障附加网络的分析；接着探讨了供电系统三相短路时的暂态过程；同时,阐述了无损单相输电线路和三相输电线路上行波的基本传播理论,描述了其波动方程数学表达式。根据行波的折反射原理,对故障行波进行网格法分析。由于三相输电线路各相之间存在电磁耦合现象,使得三相输电线路波动方程求解变得非常困难。因此,文中采用凯伦布尔变换将相域中存在电磁耦合的三相系统变换成模域中无电磁联系的三相系统,得到了输电线路的零模电流和线模电流。由于零模电流以大地为回路,其波阻抗大,并且行波波速比较慢,所以,文中对输电线路故障后的线模电流信号进行小波处理。其次,总结了目前输电线路故障定位的方法；针对行波测距过程中由于波速不确定性而造成的故障定位不准确的问题,推导出一种不受波速影响的测距算法。在实际输电线路中,存在大量噪声干扰信号,易造成故障时刻提取不够准确,从而影响故障定位的精度。针对上述不足,本文采用了一种基于小波变换系数估计的阈值算法。该算法将含噪故障行波信号进行多层小波分解,将细尺度上的小波变换系数进行平方运算,从而突出故障信号在奇异点的特征。最后,在Matlab环境中建立了实际的输电线路模型,并针对无噪声和有噪声两种情况,对输电线路故障检测和定位进行了仿真研究。理论分析和仿真数据表明,文中采用的故障定位算法和消噪算法能有效地降低测距误差,使得定位精度更高。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 论文研究的目的及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 论文的主要研究内容
• 2 小波理论基础知识
• 2.1 小波理论简介
• 2.1.1 连续小波变换
• 2.1.2 离散小波变换
• 2.2 多分辨率分析与Mallat算法
• 2.2.1 多分辨率分析
• 2.2.2 Mallat算法
• 3 输电线路故障的行波过程和定位研究
• 3.1 输电线路故障分析
• 3.1.1 输电线路故障等效电路
• 3.1.2 供电系统三相短路暂态过程分析
• 3.2 单相输电线路的波动过程
• 3.3 三相输电线路波动方程和相模变换
• 3.3.1 三相输电线路波动方程
• 3.3.2 三相线路波动方程的相模变换
• 3.4 电力系统输电线路的故障定位
• 3.4.1 输电线路的故障定位及其算法分类
• 3.4.2 故障定位算法
• 3.5 暂态行波分析的网格法
• 3.5.1 暂态行波网格图
• 3.5.2 电压和电流行波的网格分析
• 3.5.3 不受波速影响的行波故障定位方法
• 4 故障信号处理
• 4.1 故障信号的奇异检测
• 4.1.1 信号的奇异性与小波变换
• 4.1.2 信号奇异性检测理论
• 4.2 小波函数的选择
• 4.3 白噪声的小波变换分析
• 4.4 小波消噪原理及算法
• 4.4.1 小波消噪原理
• 4.4.2 小波消噪算法
• 4.4.3 阈值选取规则
• 4.4.4 小波消噪的阈值处理
• 4.5 基于小波系数估计的阈值消噪方法
• 5 输电线路故障检测和故障定位的仿真研究
• 5.1 研究工具
• 5.1.1 Matlab简介
• 5.1.2 小波工具箱简介
• 5.2 输电线路故障检测仿真研究
• 5.2.1 输电线路仿真模型
• 5.2.2 没有噪声环境下的输电线路故障检测仿真研究
• 5.2.3 在噪声环境下的输电线路故障检测仿真研究
• 5.3 仿真结果分析
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间的研究成果