经消弧线圈接地系统单相接地故障选线的研究_毕业设计说明书(编辑修改稿)

经消弧线圈接地系统单相接地故障选线的研究_毕业设计说明书(编辑修改稿)内容摘要：

取，然后类似地构造选线判 据。 小波分析法的技术难点在于小波基函数及小波分解尺度选择。 电力系统实际运行很复杂，可能出现暂 态分量小于稳态分量的情况。 现有多数方法仅仅给出了实现方法和仿真结果，整个算法缺乏理论 基础。 小波变换尺度的选取及特征量在尺度上的定位缺乏理论根据。 应用粗集理论数据挖掘能力，对采样的零序电流信号进行增强处理，然后再用小波包对信号进行分析，从而实现故障选线。 基于暂态特征频段的选线方法 利用暂态信号选线方法近几年有了很大发展，提出了很多方法。 如基于零序电流集中式比较选线方法和基于相电流分散式比较的选线方法；利用首容性频带内配电网单相接地故障时基本特征，提出暂态零序电流幅值、相位比较的选线方法。 这些 方法在待定系统发生强故障时能正确选取故障线路，但在中性点经消弧线圈接地系统发生弱故障时，首容性频带不包含电流值较大的低频分量，存在较大测量误差。 本科毕业设计说明书（论文） 第 9 页 共 36 页 首容性频带的上限截止频率与系统参数有关，需根据系统参数整定。 基于最大  sinI 原理的选线方法 为消除 CT 不平衡电流的影响，提出  sinI 最大原理：考虑到 NUGS 正常运行时，负荷在短时间内不会有较大突变，可通过一中间参考正弦信号，使各线路故障前的零序电流对故障母线在故障后的 U0亦能 找出相位关系，由此再把所有线路故障前、后的零序电流都投影到 I0j（故障线路的零序电流）的理论方向上（见图 ）。 然后计算出各线路故障前、后的投影值之差 I0,i，找出差值最大的 I0,k，即最大的  sinI。 若 I0,k0,则线路k 为故障线路，否则为母线故障。 此法的本质是寻求最大零序无功功率突变量的代数值，从理论上基本消除了 CT 不平衡的影响，但也有两个缺陷：首先，计算过程中需取一参考信号，若该信号出问题，将造成该算法失效；其次，该算法在计算过程中需求出有关相量的相位关系，计 算量太大。 文献 [14]提出最大  sinI 原理的快速算法，达到了减小计算量，省去使用参考信号的目的。 图 单相接地故障时零序电流、电压相量 本科毕业设计说明书（论文） 第 10 页 共 36 页 3 MATLAB 的应用 3． 1 MATLAB 概述 作为当今世界最流行 的第四代计算机语言， MATLAB 软件语言系统，由于它在科学计算、网络控制、系统建模与仿真、数据分析、自动控制、图形图像处理、航天航空、生物医学、物理学、生命科学、通信系统、 DSP 处理系统、财务、电子商务等不同领域的广泛应用以及它自身所具备的独特优势， 目前 MATLAB 已倍受许多科研领域的青睐与关注。 MATLAB 软件是由美国 Math Works 公司推出的用于数值计算和图形处理的科学计算系统。 MATLAB 是英文 matrix laboratory(矩阵实验室 )的缩写，被誉为“巨人肩上的工具”。 由于使用 MATLAB 编程运算与人进行科学计算的思路和表达方式完全一致，所以不像学习其他高级语言，如 Basic、 Fortran 和 C等语言那样难于掌握，用 MATLAB 编写程序犹如在演算纸上排列出工时与求解问题。 在这个环境下，对所要求解的问题，用户只需简单地列出数学表达式，其 结果便以数值火图形方式显示出来。 MATLAB/SIMULINK 简介 使用 MATLAB/SIMULINK 软件进行电力系统数字仿真，具有三个突出的优势。 1） 电力系统仿真工具箱功能强大，工具箱内部的元件库提供了经常使用的各种电力原件数学模型，并且提供了可以自己编程的方式创建合适的元件模型。 2） 强大的 MATLAB 平台。 如前所述，在相同的平台上， MATLAB 的数值运算功能为进行电力工程方面的运算提供了强有力的后盾。 随着信号处理技术的成熟，各种信号处理方法在电力方面的应用尤为的重要。 MATLAB 提供的信 号处理工具箱、数字信号处理滤波模块、滤波器设计工具箱、小波分析工具箱和神经网络工具箱、为经过电力仿真后数据处理提供了功能齐全的分析手段。 3） 友好的界面。 友好的界面充分体现了软件使用的难以程度。 从电力系统仿真、到数值计算、图像处理、再到信号分析。 MATLAB 提供给技术人员和科研人员的不仅仅是各类问题的解决方案，更重要的是这些技术的使用变得尤为轻松简单。 SimPowerSystem 是在 Simulink 环境下进行电力电子系统建模和仿真的先进工具。 它是 Simulink 下面的一个专用模块集， 主要是由加拿大的 HydroQuebec 和International 公司共同开发的，其功能强大，可以用于电路、电力电子系统、电机系统、电力传输等过程的仿真，它提供了一种类似电路建模的方式进行模型绘制，使用者 本科毕业设计说明书（论文） 第 11 页 共 36 页 不需要自己编程而只需将仿真的电力系统图搭建在工作窗口中， MATLAB 自动将其变化成状态方程描述的系统形式，便可以在 SIMULINK 下进行仿真研究了 [13]。 PSB简介 PSB(PowerSystemBlockset)是 MATLAB提供的上具箱之一，只需要在 MATLAB的命令窗口输入“ powerlib”命令，就可以 调出 powerlib的模型库。 其用户窗口如图 ： 图 SimPowerSystem 原件库 电力系统工具箱包含的模块有： Electrical Sources(电源库 )、 Elements(元件库 )、Power Electronics(电力电子元件库 )、 Machines(电机库 )、 Connectors(连接器库 )、Measurements(测量仪器库 )、 Extra Library(附加元件库 )、 Demos(示例库 )、 Powergui(图形用户界面 graphical user interface)，它是一个电力系统分析模块。 Powerlib的模型库既包括了目前已知的所有电力系统设备，也包括了 simulink的所有模块。 PSB通过系统扩展 simulink提供了 一 套独特的环境，用于多域建模和控制器设 计，用户可以方便地建造模型 ，并可以快速绘出网络拓扑结构，并且同时分析各部分的作用。 PSB主要有以下的特征： 1) 提供了 MATLAB／ Simulink环境下电力系统的拓扑建 模 和仿真。 使用标准的电力符号，便于电力系统的直观建模； 2) 包含电力系统 几 乎所有标准模型，包括电力系统网络、电力机械装置、电力电 子器件、各种控制测量模块以及三相电力模型等，可以方便地测量电压、电流、阻抗以及变压器的磁通等。 增加了三相相序分析、谐波分析等模块，同时还增加了机械装置，如汽轮机及其调节器、直流电机、同步电机、异步电机等模型； 本科毕业设计说明书（论文） 第 12 页 共 36 页 3)通过使用变步长积分和 Simulink中的过零检测模块，提供了更快的网络拓扑分析和高精度的电力系统仿真。 可以描述状态空问、计算稳态电流和电压，还可预置或改变初始电流和电压条件来计算电力系统电流等； 4)功能强大，除了可进行电力系统的连续时域仿真，通过采用固定步长的梯形积分法，可以先离散化电力系统模 型 ， 再 进行仿真，从而大夫提高仿真速度。 3． 2 MATLAB在电力系统中的应用 在前面已经介绍过，在 Simulink中专门设置了电力系统“ SimPowerSystems”的模块库，包括 10类模块库。 从电源、线路元件、电力电子元件到电机元件等，几乎囊括了现今电力系统中所有元件的类型和种类。 机器或元件的相关参数可以自己进行设置和调试。 这样即可以对现实真实的线路进行仿真模拟。 并且得到相应情况或故障时相关分量，如电压、电流的幅值、相位等所关心的问题。 元件库种类齐全，参数自行设置，使得 MATLAB可以对现实中任意的线 路进行模拟。 这样既可加强对理论知识的深化和理解，同时也可以对相应工程的设计、参数设置等相关量的范围有大致较为准确的了解。 本科毕业设计说明书（论文） 第 13 页 共 36 页 4 经消弧线圈单相接地故障仿真 4． 1 选线原理 本论文利用零序电流电压即相关量进行仿真分析，再通过仿真的波形结果，进行计算后得出选线的结果。 小电流接地系统发生接地故障时，非故障线路的保护流过的零序电流为该线路本身非故障相的对地电容电流之和，其方向从母线指向线路。 而故障线路的保护通过的零序电流为所有非故障线路零序电流之和，其方向是从线路流向母线的。 零 序电流保护便是利用这一特点实现接地保护的。 当小电流接地系统发生接地故障时，故障线路始端零序电流将变大。 零序电流保护一般用在有条件安装零序电流互感器的线路上，适用于支线比较多的系统。 发生接地故障后，一般发出信号，直接指出故障线路。 在有些无人值班的变电站中，发生接地故障后直接跳闸。 单相接地故障主要特征 ： 1)零序电压互感器开口电压通常为零 (实际上由于不平衡电压的影响小于 5V)，接地后接近 l00V，其中：金属性接地，经电阻接地 U02∈ (30， 100)。 2)非接地线路 (设线路序号为 K)的零序电流 IOK为该线 路对地等效电容电流，相位超前零序电压 U0为 90176。 3)接地线路零序电流 I0 和非接地线路的零序电流方向相反，即相位滞后零序电压 U0是 90176。 ，且等于所有非接地线路中电容电流与变压器中性点电流之和。 4) 对经消弧线圈接地系统，零序电流 5 次谐波对以上结论成立。 利用零序电流的相关性进行中性点经消弧线圈接地系统故障选线的一种新方法，以解决当零序电流中含有较强直流分量时由于电流互感器饱和引起电流采集信号波形畸变带来的选线失效问题。 消弧线圈接地系统发生单相接地故障后，非故障线路的零序电流波形是相似的，而故障线 路零序电流波形与非故障线路差别较大。 利用现代信号处理方法计算出其相关系数，分析各线路零序电流的相似性，确定故障线路。 根据该原理开发了选线装置，并进行了实时数字仿真试验，验证在各种工况下都可以正确地选出故障线路。 本方法有如下特点： 1）适用于中性点经消弧线圈接地系统和中性点不接地系统； 2）当中性点经消弧线圈接地系统在电压相位角较小时发生故障，由于直流分量的影响，故障线路零序电流波形畸变，本方法充分利用该信息，解决了其他方法在 本科毕业设计说明书（论文） 第 14 页 共 36 页 此情况下误选的问题； 3）利用零序电流波形的相似性而不利用幅值选线，抗过渡电阻能力强 ； 4）自身有滤波作用，抗干扰能力强。 利用零序电流方法判断时， 流过故障线路的零序电流数值上等于所有非故障线路对地电容电流之和 (故障线路零序电流最大 )。 只要通过比较零序基波电流幅值和自身电容电流大小就能确定出故障线路。 分别比较每条线路零序电流和其他线路零序电流之和，相等的那条线路就是故障线路，若均不相等，则为母线故障；预先计算出每条馈线对地电容大小，单相接地时比较测得的零序电流是否与本线路电容电流大小相等，若相等为故障线路，若所有线路均相等，则为母线故障。 利用零序有功功率方法判断，该方法在 使用在自动跟踪消 弧电抗器的小电流接地系统中，利用消弧线圈串联非线性电阻的特点，在发生接地故障后、非线性电阻被短接前，非故障线路不与消弧线圈构成低阻抗回路，零序电流为本身接地电容电流。 故障线路经接地点与消弧线圈构成低阻抗回路，零序电流为所有非故障线路电容电流及 LR串联支路电流向量之和，故障线路有功电流明显大于非故障线路，通过检测各线路零序电流有功分量大小就可确定故障线路。 该方法零序电流中有功分量较小，不利于选线，仍存在 TA不平衡电流的影响。 利用 5次谐波分量判断， 经消弧线圈接地系统消弧线圈是针对基波设计，基波零序电流几乎被消 弧线圈电感电流抵消。 与基波情况相比较，消弧线圈在 5次谐波下感抗为基波下的 5倍，通过消弧线圈的电感电流减小到 1／ 5，而线路容抗在 5次谐波下减小到 1／ 5时 5次谐波容性电流就增大到 5倍，可近似认为消弧线圈对 5次谐波电流是开路的。 故障点非线性因素会产生谐波电流，其中以 5次谐波分量为主。 在发生单相接地时 5次谐波电流在各线路上的分布与基波零序电流相同。 除基波零序分量以外，谐振接地系统中 5次谐波电流最大 (为非故障线路的总和 )。 根据 5次谐波电流大小、方向或功率方向找出故障线路。 本科毕业设计说明书（论文） 第 15 页 共 36 页 4． 2 线路模型建立 图 经消弧线圈接地单相故障仿真图 图 回 路的仿真模型。 因为小电流接地系统是供电系统的中间环节，根据电网分割理论和等效代换理论，可将小电流接地系统从整个网络中单独独立出来，将小电流接地系统的输入端以一个带内阻抗的无穷大容量的三相电压源等效，输出端以一个并联的 RLC回路代替后面电路。