基于单端暂态行波的接地故障测距与保护研究

论文摘要

输配电线路是电力系统运行的大动脉,是连接发电厂与终端用户的纽带。由于其工作环境极为恶劣,暴露于风雨,穿行于山野,所以是电力系统中发生故障最多的地方,而且极难查找。在线路发生故障后,快速切除故障并迅速准确地找到故障点,不仅对及时修复线路、快速恢复供电,而且对整个电力系统的安全稳定和经济运行都有十分重要的作用。近年来,随着数据采集与处理技术和光电互感器实用化技术的发展,基于暂态行波的超高速保护和故障测距成为继电保护领域的一个研究热点,已取得了一定的成果,不少成果已经在电力系统中获得应用,取得了较好的效果。但到目前为止,这些技术尚不十分成熟,仍然存在不少的问题有待进一步深入研究。本文以基于暂态行波的单端故障测距、保护为研究对象,旨在借鉴、总结前人工作经验教训的基础上,根据目前存在的问题,结合现代分析方法和技术手段,提出新的工作原理及算法,以期解决目前技术中存在的问题。具体研究工作有以下几点:(?)分析了模量电阻、电感、波速度和衰减系数随频率变化的规律,为后续的行波传输规律的分析奠定了基础。论述了二进小波适合于暂态信号奇异性检测的特点,并指出了基于二进小波的奇异性检测方法WTMM法和WTMS法的不足,提出了利用所有尺度的模极大值或模极大值之和,根据最小二乘法估算信号奇异性的新方法,该方法具有较高精度,为后续Lipschitz指数的定量分析奠定了基础。(?)介绍了检测波速度的概念,分析了暂态行波随传输距离的变化规律,得出了以下结论:检测波速度随传输距离的增加而单调降低;波头Lipschitz指数随传输距离的增加而单调增加。导出了波速度和波头Lipschitz指数之间特定的对应关系。分析了过渡电阻、故障初相位和故障类型对检测波速度和波头Lipschitz指数的影响,得出了上述因素对两者之间的对应关系基本没有影响的结论,为后续波速度的估算提供了理论基础。(?)利用输电网的线路模型对上述行波传输规律进行了验证,证实了理论分析的正确性。根据波头Lipschitz指数和检测波速度之间的这种特定对应关系,本文提出了利用BP神经网络估算零模波速度的方法,进而提出了基于零模、线模波速度差的输电线行波测距算法。最后利用ATP进行了大量仿真,仿真结果证实了该算法的有效性。(?)考虑到配电网自身的特点,本文又利用配电网的线路模型对上述结论进行了验证,证实了上述结论同样适用于配电线路。本文提出了利用样条插值估算零模波速度的方法,仿真证实了该方法的估算精度,并给出了基于零模和线模速度差的测距算法,通过仿真验证了该算法的有效性。考虑到配电线路长度较短,过渡电阻和故障初相位对零模到达时刻的影响非常小,可以认为故障距离只和模量传输时间差有关,本文利用BP神经网络对故障距离和模量传输时间差之间的对应关系进行了建模,进而得到了基于模量传输时间差的配电网行波测距算法。利用样本数据对神经网络进行训练后,达到了设定的误差要求。最后,通过ATP仿真验证了算法的有效性。(?)本文首先分析了阻波器对暂态行波传输规律的影响,得出了以下结论:零模分量检测波速度在阻波器前后有个突变,而线模分量检测波速度在阻波器前后基本不变,这样模量传输时间差在阻波器前后有个突变,据此可以判断区内、区外故障。本文又分析了行波能量方向元件的基本原理,通过对比分析选择了线模组合模量做为分析模量,考虑到积分起始时刻的确定需要行波奇异性检测原理,为了避免在小故障初相位时,发生拒动或误动问题,增加了正反向故障的闭锁条件。这样上述边界元件和方向元件相配合,便可以构成基于单端量的接地故障全线速动保护。最后通过仿真验证了上述算法的有效性,在闭锁条件开放的情况下,该算法不受过渡电阻和故障初相位的影响。(?)本文首先从行波传输的角度出发,对小电流接地系统发生故障时的暂态过程进行了详细的分析,并通过分析得出以下结论:故障线路的反向电压行波和正向电压行波同时到达,而非故障线路的反向电压行波要滞后正向电压行波一定时间后到达;并且故障线路和非故障线路正向电压行波的初始极性相反。本文利用这两个特征,提出了基于正反向行波能量之比和正向电压行波初始极性的故障选线新判据。最后通过暂态仿真软件ATP进行了仿真,仿真结果证实了上述原理的有效性,并不受故障初相角和过渡电阻的影响。(?)针对首半波法所存在的问题,本文利用小波变换技术的时频分析能力,对故障暂态信号进行分解后,利用近似系数进行重构。充分利用其提供的时频域信息,定义了系统特征时刻和零序电压特征值的概念,在特征时刻故障线路和非故障线路零序电流的符号相反,若所有线路电流的符号都相同,则认为母线故障;对于只有2条出线的系统,可以采用零序电流暂态极大值和零序电压特征值极性比较的方法。最后,通过仿真验证了该方法的正确性。(?)小电流接地故障选线保护装置的研制。本文针对目前小电流单相接地故障选线成功率低和自动化程度不高的现状,根据上述暂态选线方法,结合注入法,零序电流有功功率增量法,三种选线判据组成的综合选线方案。在硬件方面,利用uPSD3334D强大的系统功能和接口能力,TMS320VC33强大的数据处理能力,组成了双CPU系统,并给出了完善的软硬件设计方案。该装置实现了基于模糊理论的综合选线方案,以及友好的人机交互界面和组网功能,较好的满足了配网自动化的要求。该装置已应用于泰安电校的继电保护培训系统中,应用效果良好;并在大庆油田采油一厂中十三联变电所做了现场接地试验,均正确选出故障线路,获得一致好评。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 行波测距的研究现状
• 1.2.1 行波测距的基本原理介绍
• 1.2.2 行波测距应用研究介绍
• 1.3 行波保护的研究现状
• 1.3.1 行波方向保护
• 1.3.2 行波差动保护
• 1.3.3 行波距离保护
• 1.3.4 行波保护装置与实验的研究现状
• 1.4 小电流接地系统故障选线研究现状
• 1.4.1 利用故障参数的选线方法
• 1.4.2 利用外加诊断信号的选线方法
• 1.5 本文所做主要工作
• 第二章 输电线路频率特性分析
• 2.1 输电线路频率相关模型分析
• 2.2 输电线路的相模变换
• 2.3 输电线路的模参数频率特性分析
• 2.3.1 模量电阻和电感随频率变化规律分析
• 2.3.2 模量波阻抗随频率变化规律分析
• 2.3.3 模量波速度和衰减系数随频率变化规律分析
• 2.3.4 模量幅频特性随传输距离的变化规律分析
• 2.4 行波分析基本理论
• 2.4.1 行波基本概念
• 2.4.2 行波的折射和反射
• 2.5 暂态行波检测方法
• 2.5.1 小波变换奇异性检测原理
• 2.5.2 基于最小二乘法的小波变换奇异性检测算法实现
• 2.6 本章小结
• 第三章 基于单端暂态行波的故障测距研究
• 3.1 单端测距原理介绍
• 3.1.1 基于零模—线模波速度差的单端测距原理
• 3.2 行波传输规律分析
• 3.2.1 行波波速度随传输距离的变化规律
• 3.2.2 故障初相角对波速度的影响
• 3.2.3 过渡电阻对波速度的影响
• 3.2.4 故障类型对波速度的影响
• 3.2.5 波速度和波头Lipschitz指数对应关系分析
• 3.3 基于模量传输时间差的故障测距原理在输电网中的应用
• 3.3.1 仿真验证
• 3.3.2 基于零模—线模速度差的输电线故障测距算法
• 3.3.3 算例仿真
• 3.4 基于模量行波传输时间差的测距原理在配电网中的应用
• 3.4.1 仿真验证
• 3.4.2 基于样条插值的单端行波测距算法实现
• 3.4.3 基于样条插值的单端行波测距算法仿真
• 3.4.4 基于小波和神经网络的配电网测距算法实现
• 3.4.5 基于小波和神经网络的配电网测距算法仿真
• 3.5 本章小结
• 第四章 输电线路行波保护研究
• 4.1 边界元件研究
• 4.1.1 阻波器对故障行波的影响
• 4.1.2 阻波器对行波的影响仿真验证
• 4.1.3 模量传输时间差与故障距离之间的关系
• 4.1.4 保护判据
• 4.2 方向元件研究
• 4.2.1 故障方向的特征分析
• 4.2.2 保护判据
• 4.2.3 方向元件分析模量选择
• 4.2.4 方向元件算法实现
• 4.3 算例仿真分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 配电线路行波选线保护研究
• 5.1 基于方向行波的故障选线原理
• 5.1.1 暂态行波传输特性分析
• 5.1.2 故障选线判据
• 5.1.3 故障选线算法
• 5.1.4 算例仿真分析
• 5.2 基于零序电流暂态极大值的故障选线方法
• 5.2.1 暂态过程分析
• 5.2.2 故障选线判据
• 5.2.3 仿真分析
• 5.3 小电流接地故障选线保护装置的开发
• 5.3.1 装置总体结构
• 5.3.2 综合选线主机的设计
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的学术论文
• 攻读博士学位期间的科研情况
• 附录:英文论文
• 学位论文评阅及答辩情况表