基于行波固有频率的输电线网故障测距方法

论文摘要

目前,我国正处在工业化、城镇化加快推进的重要时期,这一时期电力需求一直保持较快的增长态势。随着高压输电线网分布范围日益增大,运行中易受固有灾害及人为损害,加之供电设备运行时间长,容易导致输电线路在运行过程中易发生故障,快速准确地对故障进行测距定位并排除故障,具有巨大的社会和经济效益。现有的时域行波方法存在各种不足,本文使用的基于行波固有频率的故障测距方法不仅可为输电线网准确故障测距定位等问题提供一定的解决思路,并且由于其回避波头识别和能够准确计算波速的特点,还具有重要的理论和现实意义。然而电力线网内除了一般高压输电线路外,还广泛应用了诸如同杆双回输电线路、架空-电缆混合输电线路和输电网络等拓扑的线路,基于行波固有频率的故障测距方法应用于这些线路的研究还未得见,所以,对该方法应用于这些线路中的实现方案和方案的适应性进行研究讨论是非常有必要的。基于此,本文在分析高压输电线路、同杆双回输电线路、架空-电缆混合输电线路和输电网各自特点和故障机理的基础上,进行了基于行波固有频率的输电线网定位测距方法研究。在行波固有频率主成分的提取识别方面,论文在固有频率测量单元（Natural Frequency Measurement Unit, NFMU）内集成了录波、滤波、相模变换、模量选取和固有频率主成分识别提取功能。大量仿真结果表明,在NFMU内进行的基于多信号分类（Multiple Signal Classification, MUSIC）算法的频谱估计具有很好的故障后电流行波信号特征描述能力、特征识别能力及良好的抗噪性能。在高压输电线路的故障测距方面,论文分析得到了基于行波固有频率双端数据的故障测距算法,算法在原有的单端行波固有频率测距方法的基础上,补充了对端测量点测距数据,消除了系统偏向性误差,仿真验证表明该算法更精确。其次,论文专门针对高压输电线路中的同杆双回输电线路,得到了一种基于行波固有频率的故障测距算法。该算法将故障电流行波进行类Clarke相模变换,结合不同故障反射矩阵的特点,对线路不同的故障选择相模变换后恰当的模量,完成故障行波的固有频率谱估计进而计算出故障距离,测距结果精度较高,且不受过渡电阻、故障类型、故障初相角等因素的影响。但由于“莫混杂”,该算法在异名相跨线故障时无法得到精确测距结果。在混合输电线路的故障测距方面,论文基于EMD（Empirical Mode Decomposition, EMD）分解算法,构建了基于EMD和行波固有频率的架空-电缆混合输电线路故障测距方案。方案首先在EMD分解算法的基础上,分解混叠了不同频率信号的原始故障电流行波信号,然后在此基础上进行行波固有频率频谱估计,最后通过行波固有频率测距的算法进行故障测距计算。大量仿真表明本方案对理想混合输电线路和接近实际拓扑的混合输电线路的故障测距准确率较高。由于EMD算法存在“混波”,故障测距结果偶见误差较大的情况,但经理论分析知这一现象可借由人工巡线进行弥补,不影响方法整体有效性。在输电网的故障定位方面,论文首先研究简单拓扑网络提出了行波固有频率主成分排序的故障定位方法,利用行波固有频率主成分及其形成的行波路径与输电网故障位置之间的关系形成故障定位数据库,构建简单拓扑输电网的故障定位判据及干扰排除方案,通过各测点得到的行波固有频率主成分的排序进行故障区段的判定和故障测距计算。论文还讨论了一般拓扑网络的行波固有频率主成分联网故障定位方法,通过比较计算行波路径和线路自身长度之间的关系,分析形成包含测量点失效情况的故障区段定位的判据,完成故障区段判定和故障测距计算。大量仿真表明,上述方法均能较好的实现输电网的故障定位。总的说来,本论文最终形成了一个从高压输电线路（包括同杆双回输电线路）到架空-电缆混合输电线路再到输电网的故障定位测距框架,可望有一定的应用前景。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的提出
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 基于行波理论的输电线路故障测距研究现状
• 1.2.2 行波固有频率故障诊断理论的研究现状
• 1.3 研究内容和研究目标
• 1.3.1 研究目标与对象
• 1.3.2 主要研究内容
• 1.4 论文章节安排
• 第2章 行波固有频率故障测距方法原理
• 2.1 输电线路行波固有频率定义及产生机理
• 2.2 行波固有频率与故障距离的关系
• 2.2.1 行波的固有频率
• 2.2.2 线路两个端点之间长度的计算
• 2.3 行波固有频率及其主成分的提取方法
• 2.3.1 基于参数的谱估计算法——MUSIC算法
• 2.3.2 软件实现方式
• 2.3.3 固有频率测量单元（Natural Frequency Measurement Unit,NFMU）
• 2.4 行波固有频率故障测距方法
• 2.5 本章小结
• 第3章 基于行波固有频率的同杆双回输电线路故障测距
• 3.1 行波固有频率测距方法在高压输电线路中的适应性讨论
• 3.1.1 高压输电线路仿真模型的建立
• 3.1.2 方法适应性的仿真讨论
• 3.1.3 补充对端信息进行测距的讨论
• 3.2 基于行波固有频率的同杆双回输电线路故障测距
• 3.2.1 线路特点及研究现状
• 3.2.2 原理分析
• 3.2.3 仿真分析
• 3.3 本章小结
• 第4章 基于行波固有频率的架空-电缆混合线路故障测距
• 4.1 架空-电缆混合输电线路特点和应用固有频率方法的难点
• 4.2 基于EMD的行波固有频率提取方法
• 4.2.1 EMD方法
• 4.2.2 本征模态函数IMF
• 4.2.3 实现EMD方法的步骤
• 4.2.4 基于EMD的行波固有频率提取方法
• 4.3 基于行波固有频率的架空-电缆混合输电线路故障测距方案
• 4.4 仿真分析
• 4.4.1 仿真模型和参数
• 4.4.2 仿真算例
• 4.4.3 系统仿真分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 基于行波固有频率的输电网故障定位
• 5.1 简单拓扑输电网的行波固有频率排序故障定位方法
• 5.1.1 行波在简单拓扑输电网中的折反射情况分析
• 5.1.2 基于行波固有频率排序的故障定位方法原理
• 5.1.3 算例分析
• 5.1.4 系统仿真研究与分析
• 5.2 一般拓扑输电网的行波固有频率联网故障定位方法
• 5.2.1 基于固有频率的联网故障定位方法的两个关键理论基础
• 5.2.2 基于固有频率的输电网联网故障定位方法
• 5.2.3 仿真模型的建立
• 5.2.4 典型故障仿真分析
• 5.3 两种方法的比较
• 5.4 本章小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果