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小电流接地系统单相接地故障选线方法的分析研究_毕业论文.doc

小电流接地系统单相接地故障选线方法的分析研究_毕业论文

北溟愚鱼
2018-09-23 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《小电流接地系统单相接地故障选线方法的分析研究_毕业论文doc》,可适用于高等教育领域

毕业论文小电流接地系统单相接地故障选线方法的分析研究网络教育学院毕业设计(论文)任务书专业班级层次高起专姓名赵麒学号一、毕业设计(论文)题目小电流接地系统单相接地故障选线方法的分析研究二、毕业设计(论文)工作自年月日起至年月日止三、毕业设计(论文)基本要求:论文的总体结构应分为以下部分:题目、摘要、目录、前言、正文、结论、参考文献和附录等几部分组成。论文应力求有作者自己的创见和观点中心突出层次分明论述清楚结构严谨文字流畅。论证有理有据具有说服力。整篇论文字数层次不少于字按照指导老师的要求进行写作。字迹要工整清洁。指导教师:汪增超网络教育学院毕业设计(论文)考核评议书指导教师评语:建议成绩:指导教师签名:年月日答辩小组意见:负责人签名年月日答辩小组成员毕业设计(论文)答辩委员会意见:负责人签名:年月日论文题目:小电流接地系统单相接地故障选线方法的分析研究学科(专业):电力系统及其自动化申请人:指导教师:摘要故障定位是配电自动化的重要功能之一由于单相接地故障是配电网中最常见的故障研究单相接地故障定位方法对于减小停电范围、缩短停电时间及提高供电可靠性具有重要意义。我国中低压配电网一般都采用中性点非直接接地方式即中性点不接地或者经消弧线圈接地方式单相接地故障时故障定位面临的主要困难是:工频故障电流微弱与电弧不稳定为此本文分析了小电流接地系统发生单相接地故障时电气量中暂态分量的特性利用现有配电网自动化系统的设备条件着重解决单相接地故障定位中的故障区段定位和故障点定位两个问题本文的主要研究工作如下:.针对故障区段定位问题提出一种综合区段定位方法。该方法综合了两种具体的区段定位方法:基于特征频带的暂态零序电流方向比较法和零序电流有功分量幅值比较法前者提取首容性频带内暂态零序电流分量用于电流流向比较适用于中性点经消弧线圈接地系统的强故障与中性点不接地系统的所有故障后者通过比较各个检测点处零序电流有功分量大小选择故障区段适用于中性点经消弧线圈接地系统发生弱故障的情况。综合区段定位方法适合于各种故障类型具有很高的灵敏度和准确性。.针对故障点定位问题提出一种参数辨识法。该方法采用集中参数的配网模型在此模型基础上建立了单相接地故障的故障点定位时域方程并利用暂态时域信息通过最小二乘优化算法来辨识出故障点位置。该方法更充分地利用了单相接地故障时的暂态故障信息。.最后提出了利用现有的配电自动化方法作为其有效补充形成综合区段定位方案。最后考虑了各种影响因素采用ATPEMTP和Matlab软件对配电网单相接地故障进行故障仿真研究验证本章提出的综合区段定位方案。基于暂态零序特征电流分量方向的方法暂态零序电流的分布特点由节分析知,暂态零序容性电流从故障虚拟电源输出经故障区段分配到各健全区段。故障点上游及下游检测点处暂态零序电流的极性呈现一定特性:)第一类检测点(即故障线路故障点上游各检测点)的容性电流从线路流向母线。)第二类检测点(即健全线路及故障线路下游各检测点)的容性电流从母线流向线路。也即对于某检测点若能判断流经该检测点的暂态零序容性电流的方向。其方向为从线路流向母线则故障点在其背侧判断方向为母线流向线路则故障点在其正侧。在此基础上可通过综合比较各检测点处的电流方向确定故障区段。本文在以下小节研究了体现暂态零序容性电流流向的方法及如何利用故障点上下游检测点处暂态零序电流的流向关系判断故障区段。基本原理传统利用工频分量的方向检测和保护主要是根据电压电流间的相位差判断电压超前或滞后于电流来确定故障电流流向。对于具有连续频谱的暂态电压电流信号此方法不再适用须寻找其它可以表征电流流向的参量。在特征频带内对于各检测点的零序无功电流对应的负荷都可以等效为集中参数电容。进一步忽略等效电容的依频变化特性。)健全线路及故障线路故障点下游各点检测的暂态电压和分解出的暂态电容电流满足:())故障线路故障点上游各点检测的暂态电压电流满足:()式中:该点背侧零序等效电容。若定义参量为:()则对第一类检测点有()对第二类检测点有()则参量幅值与无功电流平方成正比极性可代表无功电流的流向表明无功电流由区段流向母线而时表明无功电流由母线流向区段。为防止健全线路电流微弱受干扰影响发生误判判据可定为:()式中:整定值。为充分利用故障后所有暂态信息及增加抗干扰能力可在暂态过程时间段内对参量进行平均得到参量:()式中:()故障区段判别方法()搜索下接检测点为了便于搜索下游相邻检测点本文建立了检测点关联矩阵。假设网络中有个检测点条出线一般区段由个或个检测点即可确定可令。用来描述检测点关联关系则()矩阵中是检测点编号为检测点下游某个相邻检测点号母线编号为为出线端检测点号。以图配电系统为例:()表示没有下接检测点。()由节和节分析知)第一类检测点处(即故障线路故障点上游各检测点)计算所得参量)第二类检测点处(即健全线路及故障线路下游各检测点)计算所得参量此关系一般情况下成立。依据此关系判别故障区段过程(以图中区段c发生故障为例):)建立检测点关联矩阵并将各检测点对应值写入矩阵此例中为:())比较各出线端检测点处值即所建立矩阵第行对应值此例中为。表明故障点在该检测点背侧表明故障点在该检测点的下游。如此例中有确定故障点在检测点下游。)进一步比较检测点下游相邻检测点处值即矩阵的第行对应值此例中为。若有则说明故障点在由这几个检测点()确定的区段内若有则说明故障点有可能在检测点的下游。因对于有些检测点如检测点因其后面的区段长度会比较短流过的电流较小有可能导致检测点处的的即出现。由前面分析知第一类检测点和第二类检测点处的值大小差别很大所以可以根据两类检测点的量值的相关性进一步区分。求各检测点处的比值若(文中取)则认为二检测点相关故障点在下游检测点的下游。对于检测点从而排除故障点在检测点的下游的可能。)进一步比较检测点的下游相邻检测点重复步骤。实现算法对各检测点(设为检测点k)的零序电压、零序电流作如下处理:)确定特征频带范围获得特征电压和特征电流)计算特征电流无功分量)计算该处参量()式中:采样间隔。)计算该处参量())根据节故障区段判断方法判别故障区段。算法评价与适用条件根据文和本文的仿真结果分析当系统在相电压峰值附近发生故障且过渡电阻不是很大时不论故障线路还是非故障线路其暂态电流能量主要集中在高频带:~Hz(此时故障特征明显可以称为强故障)。但是当故障发生在相电压过零点附近或过渡电阻很大时情况有所不同。这时暂态电容电流的工频分量较大非故障线路暂态零序电流的能量主要集中在低频带:~Hz(此时故障特征很不明显可以称为弱故障)。在消弧线圈接地系统中发生强故障时消弧线圈不影响选线结果在不接地系统中发生任何故障时因为故障线路零序电流没有被补偿此方法也适用但在消弧线圈接地系统中发生弱故障时健全线路暂态电流能量主要集中在工频范围如利用此方法选择不包括工频量的第一个容性频带内零序电流暂态分量进行判断则会由于电流值太小而引起的较大误差影响选线结果需要采用别的方法进行判断。这种方法利用的电流值较大算法误差小能适应大多数故障情况可以作为故障线路的主要判断方法。但单一利用这种方法不能完成在各种故障条件下正确选取故障线路的要求在消弧线圈接地系统中发生弱故障时需要采用别的区段定位算法作为其补充。零序电流有功分量幅值比较的方法算法原理经消弧线圈接地系统中发生单相接地故障时由于消弧线圈的并(串)电阻会在故障线路中产生有功分量电流而且消弧线圈本身的有功成分较大(实测单相接地时其有功电流达~A)在故障线路中会有较大的零序有功分量电流。由于有功电流只流过第一类检测点因此第一类检测点处的零序电流有功分量远大于第二类检测点处的零序电流有功分量。从而可据此选出故障区段。有功分量幅值算法实现首先对零序电压及各检测点处零序电流通过富氏滤波求取Hz以下各频域采样点(在本文仿真中为……Hz)频率分量然后在每一检测点上把零序电流投影到零序电压方向(如图示表示U垂直方向)求零序电流低频有功分量值。图求取零序电流有功分量故障区段具体判别方法依原理分析判断故障区段过程(仍以图中区段c内故障为例):)建立检测点关联矩阵并将各检测点对应零序电流低频有功分量值写入矩阵)比较各出线端检测点处值即所建立矩阵第行对应值此例中为。具有电流频谱最大值的为故障线路此例中确定故障点在检测点的下游)进一步比较故障线路检测点下游相邻检测点。即矩阵的第行对应值此例中为。故障点有可能在最大的值对应的检测点下游。需要进一步的判断因第一类检测点和第二类检测点的值大小差别很大所以可以根据两类检测点的量值的相关性进行进一步区分:求比值若(文中取)则认为二检测点相关故障点在下游检测点的下游。在此例中判断故障点在检测点的下游。)进一步比较检测点的下游相邻检测点重复步骤。算法评价及适用条件在消弧线圈接地系统中发生弱故障时此算法可以利用幅值较大的零序基波电流正确选择故障区段而且有较高的灵敏度为上一区段定位方法提供有效的补充。但是所利用的电流值很小容易受测量误差和计算误差影响。在中性点不接地系统中由于没有消弧线圈并(串)联电阻此算法不能应用。综合区段定位方法的实现根据小节分析两种区段定位方法的适用条件综合其优点可以构成基于暂态零序电流方向比较的综合区段定位方法。这一综合区段定位方法的流程如图所示具体步骤为:()提取故障后各检测点(M条出线)一个工频周波内的零序电流i(k),k=,……N,N为一工频周波采样点数仿真时N=()对各检测点进行下一步判断:)对不接地系统直接采用暂态零序电流方向比较方法。)经消弧线圈接地的系统在弱故障(零序电流工频量所占比例大)时采用零序电流有功分量方法强故障(零序电流工频量所占比例小)时采用暂态零序电流方向比较方法。(、、、、确定是否为强故障)。()求取各出线端零序电流工频分量所占比例:在各条馈线上(M条)分别求零序电流i(k)的有效值并求iM的平均值。()设计合适的低通滤波器滤取各线路Hz以内电流分量滤波后的信号为ifil并求其有效值。()求各线路滤波前后电流有效值的比值K=iMfiliM。()对某一线路若K>λ(文中取λ=)则认为本线路零序电流主要集中在工频。()若M条需要判断的线路中至少有M条线路电流集中在工频则认为此次为弱故障。(此处考虑故障线路工频分量被补偿零序电流所占比例减小即使弱故障也不能让故障线路零序电流主要集中在工频因此采用M)。图综合区段定位算法的流程框图EMTP仿真研究EMTP仿真模型的建立本文中的仿真工作全部是用ATP(AlternativeTransientsProgram)仿真计算程序和ATPDraw图形化仿真平台程序完成的。其中执行仿真计算的ATP程序是由EMTP(ElectroMagneticTransientsProgram)程序衍化而来后者的元件模型和仿真算法都是国内外学术界公认为准确有效的。()系统仿真模型本文以图所示的kV辐射型配电网作为仿真研究对象。该系统有三条出线主变为接线。所用变压器中性点通过接地开关和消弧线圈相连开关闭合为消弧线圈接地系统打开为不接地系统。线路被检测点分为个区段。图kv辐射型配电网仿真模型拓扑图建立检测点关联矩阵:()模型参数的确定a本仿真模型采用文提供的架空线路标准参数即:线路正序阻抗为正序对地导纳为零序阻抗为零序对地导纳为。各线路长度如图所示。b变压器参数原边电压kV副边电压kV高压侧单相对中性点线圈电阻Ω电感低压侧单相线圈电阻电感励磁电流励磁磁通磁路电阻。变压器的额定容量为空载损耗为kW。c负荷参数实际系统负荷千差万别同一线路各相之间负荷也不相同为简便起见本文各条线路等效负荷阻抗统一采用。d消弧线圈参数在仿真消弧线圈接地系统时系统设为过补偿补偿度为%。根据线路参数及长度可计算出消弧线圈电感为。其串联电阻的阻值按消弧线圈感抗值的%考虑即。仿真实验及分析在单相接地故障仿阵实验时分别考虑了故障位置、故障时刻、过渡电阻等因素对零序电流的影响。对图所示配电网的、、三个区段分别设定以下四种故障条件进行仿真实验进行了多次实验。本文给出种典型故障条件下的接地故障实验。图kv辐射型配电网EMTP仿真模型()强故障情况(系统中性点运行在经消弧线圈接地方式)对于仿真系统发生区段A相接地故障,故障点距检测点(初始角=°、过渡电阻Rf=Ω)表区段定位过程中判断强弱故障的中间结果线路LLL有效值iM低频值iMfilK=iMfiliM表第行数据表明工频电流所占比例都小于λ=因此工频量电流所占比例较小发生的为强故障采用暂态零序电流方向比较法。表暂态零序电流方向比较方法计算的结果区段参量(*e)参照节的判断方法故障区段判断过程如下:)将各检测点对应值写入矩阵。)比较各出线端检测点处值即所建立矩阵第行对应值:。所以故障点在检测点的下游)进一步比较检测点下游相邻检测点处值即矩阵的第行对应值:且计算。所以故障点在检测点的下游)进一步比较检测点下游相邻检测点处值即:计算计算所以故障点在检测点的下游。综合分析判别故障区段为区段。()弱故障情况(系统中性点运行在经消弧线圈接地方式)对于仿真系统发生区段A相接地故障,故障点距检测点(初始角=°、过渡电阻Rf=Ω)表区段定位过程中判断强弱故障的中间结果线路LLL有效值iM低频值iMfilK=iMfiliM表第行数据表明工频电流所占比例都大于λ=因此工频量电流所占比例较大发生的为弱故障采用有功低频零序电流幅值比较的方法。表区段定位过程中判断故障区段的结果表有功低频零序电流幅值法计算的结果区段参量参照节的判断方法故障区段判断过程如下:)将各检测点对应值写入矩阵。)比较各出线端检测点处值即所建立矩阵第行对应值具有电流频谱最大值的为故障线路故障点在检测点的下游。)进一步比较故障线路检测点下游相邻检测点即矩阵的第行对应值。故障点有可能在检测点下游。求的比值:。综合分析判别故障区段为区段。()强故障情况(系统中性点运行在不接地方式)对于仿真系统发生区段A相接地故障,故障点距检测点(初始角=°、过渡电阻Rf=Ω)。为中性点不接地系统所以无须确定工频分量的含量直接采用暂态零序电流方向比较法。表暂态零序电流方向比较方法计算的结果区段参量(*e))将各检测点对应值写入矩阵。)比较各出线端检测点处值即所建立矩阵第行对应值此处为:。所以故障点在检测点的下游)进一步比较检测点下游相邻检测点处值即矩阵的第行对应值此处为:且计算。所以故障点在检测点的下游)进一步比较检测点下游相邻检测点处值即:计算计算所以故障点在检测点的下游。综合分析判别故障区段为区段。()弱故障情况(系统中性点运行在不接地方式)对于仿真系统发生区段A相接地故障,故障点距检测点(初始角=°、过渡电阻Rf=Ω)。为中性点不接地系统所以无须确定工频分量的含量直接采用暂态零序电流方向比较法。表暂态零序电流方向比较方法计算的结果区段参量)将各检测点对应值写入矩阵。)比较各出线端检测点处值即所建立矩阵第行对应值此处为:。所以故障点在检测点的下游)进一步比较检测点下游相邻检测点处值即矩阵的第行对应值此处为:且计算。所以故障点在检测点的下游综合分析判别故障区段为区段。仿真结果及分析本文在上述仿真系统中通过改变中性点接地方式和故障条件及其组合条件(故障初相角、过渡电阻Rf、故障区段、故障点位置)做了大量的仿真。这些数据结果表明:)利用暂态零序电流方向比较方法在初相角大过渡电阻小的时候适用。各次故障都能正确判别区段故障区段与正确区段特征差别明显灵敏度较高所利用的电流值也较大减小了测量和计算误差。)利用零序电流有功分量方法在过渡电阻很大(Ω以上)或者小初相角时适用。所利用的故障电流值较小但是各次故障都能正确判定故障区段也具有较高灵敏度。小结暂态零序电流的容性分量方向一致而流向故障区段前后不同检测点处流向不同本章基于此特征提出了基于暂态零序特征电流方向的综合区段定位方法。这种方法结合两种方法的优点。通过EMTP仿真数据和现场数据在MATLAB仿真程序中的验算表明在各种故障条件下都能正确判定故障区段而且具有较高的灵敏度。该综合区段定位方法能根据暂态零序电流分布特征自动选择所利用的区段定位方法。在工频量所占比例大时能有效利用电流值较大的低频电流分量而且利用低频分量的有功分量去除消弧线圈感性电流的影响否则能自动选择第一个容性频带内的暂态电流分量进行幅值比较而且所选择的第一个容性频带也会自动适应系统参数和故障模式的变化。这种方法可以很好的融合在配电自动化中使得馈线自动化可以在发生单相接地故障时也可以及时、自动的实施故障隔离和保证非故障区段的供电提高供电可靠性。配电网中故障点定位的参数辨识法引言配电网发生单相接地故障后如何快速、准确的确定故障区段和故障点位置对于提高系统的可靠性减少停电损失具有重要意义。在本文第二、三章研究了如何确定故障区段本章探讨研究如何进一步定出故障点的位置。过去配网中故障点定位的方法为:定出线后由巡线人员沿线寻找。这种方法的关键问题是由于人工的介入不但使维护人员工作量较大而且所需定位时间较长,延误了故障处理的时间使供电可靠性得不到保证。国内的配网故障点定位研究中多利用的为稳态电气量但在小电流接地系统中电气量基波分量的幅值变化不明显因此实际上难于使用单一馈线所观测的稳态基频分量实现故障点定位。而利用故障信号中暂态分量的方法更多的偏重于人工智能原理和新数学工具的应用利用的特征是:对于不同的故障点位置故障暂态信号中的某些分量呈现一定规律的变化。在配电网中故障测距所存在的问题不同于输电系统最关键的是在单相地故障时难于找到准确的表征故障位置的电气变量和故障特征。本章就如何更好地利用暂态过程中大量丰富的暂态分量进行了探讨:对配网建立模型建立时域方程用最小二乘优化的方法对测距结果进行优化从而得到故障点位置的最优估计值。参数辨识的理论基础参数辨识的基本概念辨识的目的就是根据过程所提供的测量信息在某种准则意义下估计出模型的未知参数其基本原理如图所示。图参数辨识原理图为了得到模型参数的估计值通常采用逐步逼近的方法。在时刻根据前一时刻的估计参数计算出模型在该时刻的输出即过程输出预报值。()同时计算出输出预报误差或称新息()其中过程输出量及辨识表达式的输入量都是可以测量的。然后将新息反馈到辨识算法中去在某种准则条件下计算出时刻的模型参数估计值并据以更新模型参数。这样不断迭代下去直至对应的准则函数取得最小值。这时模型的输出也已在该准则下最好地逼近过程的输出于是便获得了需要的模型。准则函数是辨识问题中不可缺少的要素它是用来衡量模型接近实际过程的标准而且它通常表示为一个误差的泛函记作:()式中:的函数用的最多的准则函数是平方函数即()是定义在区间上的误差函数。该误差函数可以广义地理解为模型与实际过程的“误差”它可以是输出误差也可以是输入误差或广义误差。参数辨识的关键是建立所研究问题的数学模型及依此模型列出数学式子。最小二乘优化算法的基本原理最小二乘优化算法提供一个估算方法通过估算能得到一个在最小方差意义上与实验数据最好拟合的数学模型。最小二乘算法的目标函数由若干个函数的平方和构成()其中一般假设。我们把极小化这类函数的问题()称为最小二乘问题。特别的当每个为的线性函数时称式为线性最小二乘问题。当为的非线性函数时称式为非线性最小二乘问题。故障点定位的参数辨识法算法方程参数辨识的关键是建立相应模型选取辨识算法。本文中为了简化算法采用集中参数的模型辨识算法选用上面介绍的最小二乘优化算法。单相接地短路系统模型如图所示图单相接地短路系统模型检测点处a相电压的时域微分方程()()式中:分别为电阻及电感分量的零序补偿系数分别为故障状态下检测点处a相的电压电流及该处模电流的瞬时值分别为线路单位长度的模电阻模电感模电阻模电感故障点a相的对地电流瞬时值分别为检测点到故障点的距离与线路的总长度故障点处的零模电流瞬时值故障后的模故障状态网络不含有模系统电源所以该网络仅由模故障分量网络构成如图所示。图零模故障分量网络故障点处()由零模故障分量网络可知()又有()由上式子推导得()将上式代入零序网等式得到如下形式的测距方程()上面是关于未知参数的非线性方程其中方程的系数依次为:()()()()注意到上式含有积分项积分下限为即为故障起始时刻。在小电流接地系统发生单相短路时往往故障是渐变的而且故障量微弱要准确确定故障起始时刻将十分困难。这里有两种处理办法:)对上式两边同时求导去掉积分项)因积分虽不一定故障初始时刻开始不为但却是个定值所以可以将积分下限作为一个辨识参数写入辨识方程。本文采用第种处理方式。有最终辨识方程为()上述系数中在每一时刻的瞬时值可由侧的测量装置得到每一时刻的的瞬时值可由三点数值微分公式得到即()()每一时刻的的瞬时值可由积分公式得到即()式中:采样间隔第个采样时刻。从上分析可见未知数只有五个为了得到更加精确的参数估计值采用数据冗余的方法使采样点达到一定的数量(可以取几十甚至上百个)也就是用一段较长时间的采样值对参数作出一个最优估计减小了数据计算误差和采样误差等给参数估计带来的波动性。该算法在测距中应用的分析采用工频分量的单端算法中各电气分量的特征参数只剩下幅值和相角两个也即由单一频率采样点构成的测距方程只有两个独立方程方程的个数少于未知数的个数必须采用一定的假设来减少未知数的个数。本文所描述的模型参数识别待辨识参数为四个但本文采用的参数辨识算法采用的是故障暂态数据数据中的直流分量和高频分量信息能够保证测距方程组中个测距方程是相互独立的因此个未知数是可以辨识的。此外当系统发生故障时随故障点位置、过渡电阻、相电压相角的不同电压电流的频率分布会发生变化。本文中待辨识参数为个但采用数据冗余的方式参数辨识所使用的数据达到一定的数量(上百个)也即用一段时间的采样值对参数作出一个估计值。采用最小二乘优化算法辨识结果为全部频率分量的总体最优可以使模型特征得到更加充分的体现同时还可以减小数据计算误差和采样误差等给参数估计带来的波动性。算法中使用的数学方法)数值微分法在测距方程的系数中含有大量对故障电压电流的一阶二阶甚至更高阶微分而这些微分不能直接利用函数来进行求导只能用数值差分近似代替测距方程中的微分。假定函数充分可导的拉格朗日差值多项式既是的近似式又便于求导人们自然用的导数来近似代替的导数。于是得到数值微分公式()它的截断误差为()式中与有关。由以上公式经过一定的推导我们可以得到一至三阶中心数值微分公式下面给出计算这些微分的中央差分公式()()()数值微分公式的截断误差都随步长的减小而减小但所有公式都以做除数因而随的减小式中测量值的误差将被放大从而给导数计算带来越来越大的误差。所以的选取不能过小原则上不能让舍入误差超过截断误差。但是也不能过大过大则数值微分的理论误差又增大。大量的仿真表明对本文所描述的算法选为较为合理。)数值积分方法为求复杂函数的积分鉴于被积函数的近似式比较简单易于积分自然用来近似替代用的积分值当作积分的近似值。常用的数值积分公式是利用拉格朗日插值公式推出来的。由两边积分得插值型求积公式()其中称为求积节点称为求积系数。上式两边之差称为求积公公式的截断误差或余项记为:()其中与有关。当在上不变号由广义积分中值定理知存在使()最常用的数值积分公式是节点等距时的插值型求积公式。此时称为步长而公式称为牛顿柯特斯求积公式。我们知道提高插值多项式次数未必能减少插值误差。因此为减少求积公式的截断误差不能指望高次插值多项式。通常的办法是将积分区间分成若干个小区间在每个小区间上应用上述简单求积公式将所得结果相加。如此得到的求积公式称复化求积公式。()其截断误差()实际的积分计算问题很难由误差要求根据截断误差表示式确定步长。不过由这种表达式可见只要公式中涉及的高阶导数有界当时总有。这说明只需足够小总可满足误差要求。)相模变换技术由故障分析的理论可知对于三相系统的非对称故障可将其分解为三个序网分析。由于本文算法是基于对网络的时域描述序变换已经不适合时域的分析故应将其分解为三个模网(模)模变换矩阵为克拉克变化其形式如下()()EMTP仿真研究仿真系统及参数仿真模型如图所示该系统为一个kv馈线系统有三条架空出线:。变为接线。所用变压器中性点通过接地开关和消弧线圈相连开关闭合为消弧线圈接地系统打开为不接地系统。参数用节所列参数。图kv馈线系统仿真模型仿真条件以ATP进行配电网单相接地故障仿真分中性点不接地、经消弧线圈接地两种运行方式影响定位的有过渡电阻、故障初相角和故障点位置等因素以下就分别针对每个因素对本文的影响进行分析:()故障过渡电阻分别取、、()故障初相角分别取°、°、°、°()故障点位置:故障线路为L故障点距首端距离分别取。EMTP仿真理论分析和验算由于EMTP仿真系统中的电源是直接接地的为了对小电流接地系统有一个真实的说明本仿真模型采用了几个变压器模型以实现不接地系统的模拟。图形见图:图EMTP仿真模型系统参数如下:    E电源为Un=kV       系统阻抗为X=WX=W   变压器参数为△Y接线短路电压为短路功率为kW仿真实验结果及分析()不同过渡电阻情况下的仿真分析同等条件下过渡电阻越大故障暂态过程越微弱这在一定程度上影响暂态零模电流高频率分量的大小。为验证过渡电阻对本文方法的影响仿真了线路中端故障初相角°时经不同过渡电阻接地的情况。中性点不接地系统:表取°,故障点位置位于馈线中端仿真条件过渡电阻故障点距线路出线实际距离(km)参数辨识出距离(km)测距相对误差中性点经消弧线圈接地系统:表取°,故障点位置位于馈线中端仿真条件过渡电阻故障点距线路出线实际距离(km)参数辨识出距离(km)测距相对误差()不同故障初相角情况下的仿真分析同等情况下故障初相角越接近°故障暂态过程就越强烈越大故障初相角越接近°故障暂态过程越微弱暂态零模电流就越小。为验证故障初相角对本文方法的影响仿真了线路中端过渡电阻为时不同故障初相角的情况。中性点不接地系统:表过渡电阻,故障点位置位于馈线中端仿真条件故障点距线路出线实际距离(km)参数辨识出距离(km)测距相对误差°°°°中性点经消弧线圈接地系统:表过渡电阻,故障点位置位于馈线中端仿真条件故障点距线路出线实际距离(km)参数辨识出距离(km)测距相对误差°°°°()不同故障点位置情况下的仿真分析故障点位置离前方检测点的位置对故障暂态过程有一定的影响。理论上讲同等情况下故障点距前方检测点越近故障暂态过程越明显离前方检测点越远故障越微弱。但因为故障点距前方检测点越近故障距离量值越小一个小的绝对误差可能导致相对误差较大。为验证故障点位置对本文方法的影响仿真了故障初相角°过渡电阻为时不同故障点位置的情况。中性点不接地系统:表=°,过渡电阻仿真条件故障点距线路出线实际距离(km)参数辨识出距离(km)测距相对误差中性点经消弧线圈接地系统:表=°,过渡电阻仿真条件故障点距线路出线实际距离(km)参数辨识出距离(km)测距相对误差由以上的几种情况仿真结果可以看出本文所采用参数辨识的单端时域测距算法具有一定的测距精度测距结果证明了该方法的正确性与精确性。本文测距的误差主要来自微分积分的截断误差以及模型误差。本章小结在配电网中故障测距的最重要问题是故障后电气量基波分量的幅值变化不明显。本文针对此问题探讨了如何更充分的利用故障信息提出参数辨识定位的方法。该方法的特点是:)辨识模型是基于模型构造了a相模网结合的故障分量网络该故障网络去除了负荷的影响)基于该故障分量网络建立的方程为时域方程)所用电气量为暂态实时数据充分利用了暂态过程中谐波分量及直流分量。)在配电自动化中快速定出故障区段的目的是及时的隔离故障区段保证健全区段的正常供电。而故障点定位的目的更多的是为检修人员提供参考减轻巡线压力。本方法具有较高的测距精度可以较好的应用于在定位故障区段后的进一步定位故障点。利用配电自动化系统实现故障定位的总体方案实现故障定位的技术基础根据前面几章的研究工作可知本文在实现单相接地故障定位时的总体方案:首先应用第章所提出综合区段定位方法进行故障区段定位然后在故障区段内应用第章所提出参数辨识方法进行故障点定位。单相接地故障定位方案的实现基础是基于FTU的馈线自动化系统。该自动化系统是通过在变电站出口断路器及户外分段开关、联络开关及干线分支处安装柱上FTU,并建设可靠的通信网络将它们和配电网控制中心的SCADA系统连接再配合相关的处理软件所构成的高性能系统。该系统在正常情况下远方实时监视馈线分段开关、联络开关的状态和馈线电流、电压情况并实现开关的远方合闸和分闸功能在故障时获取故障信息并自动判别和隔离故障区段并恢复非故障区域的供电提醒和协助工作人员查找故障位置从而达到减小停电面积、缩短停电时间的目的。基于FTU的馈线自动化系统主要分为开关设备、FTU、通信系统和SCADADMS主站等个层次。开关设备主要有断路器、分段开关和联络开关为隔离故障区段及供电恢复提供硬件环境。FTU是基于FTU的馈线自动化系统的核心设备它具有遥信、遥测、遥控等功能能够将检测到的信号、信息实时、快速地通过通信系统传递到主站。通信系统需要具备不受配电网故障的影响、在线路故障时能够正常通信的能力。SCADADMS主站是馈线自动化系统的控制与管理中心它一般采用客户服务器结构辅以浏览器服务器模式以SCADA系统作为基本平台配合各种应用软件完成FA的功能。以图所示配电网结构为例介绍本文在实现单相接地故障定位时的总体方案。图中的kV架空配电网中的线路有主干线和分支线主干线上安装了断路器、分段开关和联络开关图中的K为出口断路器K、,K、K为分段开关K为联络开关为负荷开关。参照节图中的线路分为段线路区段:。配电线路上的电压、电流数据对于准确定位故障非常重要因此本文假设在每个开关处和主干线分叉点配备FTU,能实时测量、保存、传递三相电压、电流数据这样每段线路区段的首末两端的电压、电流都可以测量到。当发生单相接地故障时各个FTU将采集到三相电压、电流数据传递到SCADADMS主站。主站根据综合区段定位方法定位故障区段然后在故障区段内进一步进行故障点定位。对于故障点定位如果按节划分原则划分所得故障区段内及区段后方没有分支则可以直接利用本文第章方法直接进行故障点定位如果故障区段内带有分支则需进一步在分支处加装FTU才可利用本文第章参数辨识方法进行故障点定位。如果故障区段后方带有分支则需将后方线路等效为直配线才可利用本文第章参数辨识方法进行故障点定位。图kV架空配电网示意图单相接地故障点定位总体方案的流程启动模块和永久性故障判断模块因为在三相对称的电力系统中发生单相接地故障时系统中便会出现零序电压。所以通过检测零序电压瞬时值是否大于零序电压阈值(阈值不是零是因为实际电力系统并非完全三相对称即使无故障状态下也存在一定零序电压)来判断系统中是否发生单相接地并据此启动故障选线程序并记录故障发生时刻(即零序电压越界时刻)。由于系统发生永久性和瞬时性故障时选线装置所采取的措施不同所以需要一个永久性故障判定模块对当前故障的性质加以判别。本文的处理办法是:在启动故障选线程序的同时还启动了一个零序电压幅值循环检测程序和一个计时程序。后者的目的是及时发现零序电压幅值返回到零序电压阈值以下。当零序电压幅值循环检测程序发现零序电压恢复并保持在无故障状态水平便向被启动元件启动的计时程序发出停止命令。计时程序的结果(故障持续时间)若小于瞬时性故障时间阈值(一般可设为秒)便可判定此次故障为瞬时性故障若大于表示为永久性接地故障。无论系统发生瞬时性还是永久性接地故障故障选线程序都会给出选线及选相结果并标明为永久性还是瞬时性故障。若为永久性故障则需跳闸若瞬时性故障则表明故障线路故障相绝缘薄弱。故障相判别模块本文通过单相接地时故障相电压降低而健全相电压升高的特点判断故障相别。具体做法为:把故障前的三相电压作为各相电压有效值的基准值求各相电压有效值的归一化值。若一相电压小于单相接地故障相判断的门槛而另外两相电压大于单相接地时健全相判断的门槛则认为小于Ulow的一相为故障相。即:当时为A相接地同理可得B、C相接地的判据。总体方案的基本流程这一总体方案的流程如图所示具体步骤为:)三相电流、电压进行数据采集和循环存储仿真时采样率fs=kHz。)用零序电压是否超过阈值Uthre来判断是否发生故障及故障性质(具体)若发生故障启动选线装置。)判别故障相依据是故障相电压降低而健全相电压升高。具体过程见。)提取各检测点处零序电压、电流故障后一周波数据。判别故障区段。具体判断过程见。)取故障区段首端处a相电压、电流零序电压、电流故障后一周波数据计算故障点位置。具体计算过程见。图故障定位总体方案流程图故障定位总体方案的例证本节给出了两种典型故障条件下故障定位的过程以介绍单相接地故障定位时总体方案的实现的流程。仿真模型采用图结构单相接地故障拓扑图如图所示EMTP中仿真模型如图所示参数采用第章所用配电网参数。图单相接地故障拓扑示意图图单相接地故障仿真模型建立检测点关联矩阵:()点发生故障系统中性点运行在不接地方式故障区段为区段A相接地故障,故障点距检测点(初始角=°、过渡电阻Rf=Ω)a)区段定位因为中性点运行在不接地方式所以直接采用暂态零序电流方向比较的方法。表区段定位过程中暂态零序电流方向比较方法计算的结果区段参量(*e)参照节的判断方法故障区段判断过程如下:)将各检测点对应值写入矩阵。)比较各出线端检测点处值即所建立矩阵第行对应值:。所以故障点在检测点的下游)进一步比较检测点下游相邻检测点处值即矩阵的第行对应值:且计算。所以故障点在检测点的下游)进一步比较检测点下游相邻检测点处值即:计算所以故障点在检测点的下游。)进一步比较检测点下游相邻检测点处值即:计算所以故障点在检测点的下游。综合分析判别故障区段为区段。b)参数辨识进一步取检测点处a相电压、电流零序电压、电流故障后一周波数据计算故障点位置。参数辨识故障点距检测点距离实际距离为。()点发生故障系统中性点运行在不接地方式故障区段为区段A相接地故障,故障点距检测点(初始角=°、过渡电阻Rf=Ω)a)区段定位因为中性点运行在不接地方式所以直接采用暂态零序电流方向比较的方法。表区段定位过程中暂态零序电流方向比较方法计算的结果区段参量(*e)参照节的判断方法故障区段判断过程如下:)将各检测点对应值写入矩阵。)比较各出线端检测点处值即所建立矩阵第行对应值:。所以故障点在检测点的下游)进一步比较检测点下游相邻检测点处值即:计算。所以故障点在检测点的下游综合分析判别故障区段为区段。b)参数辨识进一步取检测点处a相电压、电流零序电压、电流故障后一周波数据计算故障点位置。参数辨识故障点距检测点距离实际距离为。以上两个例子清晰的介绍了故障定位的总体方案的流程该方案很好的实现了单相接地故障的故障区段定位和限定条件下的故障点定位。结论本文深入地分析了配电网发生单相接地故障时暂态电气分量的特性在此基础上提出了基于区段暂态零序电流的综合区段定位方法和参数辨识的故障点定位方法。并采用电力系统电磁暂态仿真程序EMTP对配电网单相接地故障进行了大量的仿真。主要内容和成果如下:)分析了配网中各检测点处单相接地故障时暂态电流的幅频特性得到了基于配网结构的暂态零序电流“特征频带”内的分布特点:暂态零序电流从故障虚拟电源输出经故障区段分配到各健全区段并且第一类检测点(即故障线路故障点上游各检测点)的容性电流均从线路流向母线第二类检测点(即健全线路及故障线路下游各检测点)的容性电流均从母线流向线路。)针对故障区段定位的问题提出一种综合区段定位方法:基于特征频带的暂态零序电流方向比较法和基于零序电流有功分量的幅值比较法。该综合区段定位方法能根据暂态零序电流分布特征自动选择所利用的区段定位方法。在当发生单相接地故障时一般情况下暂态分量幅值较稳态值大几倍到几十倍此时根据暂态零序电流分布特性采用暂态零序电流方向比较法判别故障区段。在经消弧线圈接地系统且发生故障为弱故障时能量更多地集中于工频此时工频有功分量幅值比较法可以有效利用电流值较大的低频电流分量很好地弥补暂态零序电流方向法的不足正确判别故障区段。该综合区段定位方法在各种故障条件下都能正确判定故障区段而且具有较高的灵敏度。)针对故障点定位的问题提出一种参数辨识法。该方法的思路是充分有效的利用暂态信息:利用暂态时域信息来辨识故障点位置。该方法首先建立了集中参数的模型及相对应的测距方程最后最小二乘优化算法辨识包括故障距离在内的四个参数。此方法辨识结果具有较高的测距精度可以较好的应用于在定位故障区段后的进一步定位故障点。)提出了利用配电自动化系统实现单相接地故障定位的总体方案:首先利用综合区段定位方法进行故障区段定位然后在故障区段内应用参数辨识法进行故障点定位。)由于实际的单相接地暂态数据难于收集的局限算法的验证主要靠仿真实验来验证。仿真数据的测试结果表明以上理论、算法、判据等的有效性和适应性。)实际中配网故障点定位问题另一个难点是结构非常复杂需要考虑多分支的情况在此问题上仍需进一步的研究。致谢本论文是在导师汪增超教授的悉心指导下完成的严谨的治学态度、渊博的学识、敏锐的洞察力使我深受教育受益匪浅。三年来老师对我在学习、科研和其他方面的教诲、关心和培养令我终生难忘。在此论文完成之际谨向各位老师致以最诚挚的谢意。感谢三年来在教研室里结识的很多同学大家互相帮助彼此探讨共同提高结下了深厚的友谊我将永远铭记在心!此外本文在完成过程中获得了多位师兄及同学的帮助这里尤其要感谢班主任以及我的同学完成自己的课题。最后感谢我的父母是他们给予我莫大的支持和鼓励使得我能够全身心地投入到学习和工作中顺利完成论文工作。参考文献李福寿.中性点非直接接地系统M.北京:水利电力出版社:.张国平.配电网kV线路单相接地故障定位的算法研究及软件开发M.中国农业大学硕士学位论文.刘健倪建立邓永辉.配电自动化系统M.北京中国水利电力出版社.李孟秋王耀南王辉等.小电流接地系统单相接地故障点探测方法的研究J.中国电机工程学报():.夏雨刘全志王章启.配电网馈线单相接地故障区段定位和隔离新方法研究J.高压电器():.夏雨贾俊国靖晓平等.基于新型配电自动化开关的馈线单相接地故障区段定位和隔离办法J.中国电机工程学报():.张国平杨明皓.配电网kV线路单相接地故障区段定位的有效值法J.继电器():王政吴杰.配合FTU的小电流系统单相接地故障定位方法J.电力自动化设备():.王俊勇张保会.中性点非直接接地系统的单相接地故障测距新算法J.电力自动化设备():.电力系统及自动化孙雅明严斌.基于非故障相暂态电流的单相接地故障定位新方法J.电网技术():.严凤杨奇逊.基于行波理论的配电网故障定位方法的研究J.中国电机工程学报():.和敬涵季英业.小电流接地系统单相接地故障测距方法的研究J.华北电力技术.桑在中.用注入法实现小电流接地系统单相接地选线保护J.电力系统自动化():.张慧芬潘贞存.基于注入法的小电流接地系统故障定位新方法J.():.伊贵业杨学昌吴振升.配电网接地故障定位的传递函数法J.清华大学学报():.吴振升杨学昌.多分支配电网接地故障定位的特征向量法J.电力系统自动化():.侯自力彭兰芳.树枝型电力网短路故障的端口比值分支定位法J.电子科学学刊():.解月珍谢源清.kV电力线路接地故障诊断系统J.电力系统自动化():.线路LA相B相C相线路L线路L线路LA相线路LkVkVunknownunknownunknownunknownunknownunknownvsd��������vsd��Y���M����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������Y��������N���M�����������������������N�Y�������������������������������������������������M�����������������������������������������N�Y��Ln��Ln���Ln���Ln>=M�vsd���������������FTU����������������docvsd��R�R�R�R�R�R��R�R�R�vsd�����������������FTU����������������unknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownvsdunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownvsd����������������������������������������������������������������������������������������������������������������,�������������������������Y��������N������������������������������������������������,����������������,�����unknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownvsdunknownvsd���unknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownvsd�unknownvsd��vsd����unknownvsd��������������������������unknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownvsd���unknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownvsd�����unknownunknownunknownunknownvsd���unknownunknownunknownunknownunknownunknownvsd�unknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownvsd����unknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownvsd���C�B�A��������������I�����J�����F�S�unknownunknownunknownunknownunknownvsd���S�unknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknow
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小电流接地系统单相接地故障选线方法的分析研究_毕业论文

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