35kv变电所线路微机保护研究与设计论文(编辑修改稿)

35kv变电所线路微机保护研究与设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

是中性点不接地系统，当发生单相接地故障时，故障点的电 流很小，而且三相线电压仍然保持对称，对负荷的供电基本没有影响，在一般情况下，允许再运行 12 小时，不必立即跳闸，但是这时其它两相的对地电压要升高 3倍，为防止故障进一步扩大成两点或多点接地短路而对负荷供电造成影响，应该及时的发出报警信号，以便运行人员采取措施给予清除。 小电流系统的单相接地原理图如图 2． 7所示。 在图 2． 7 中可以看出，系统在正常运行情况下，三相对地有相同的电容 C0，每一相都有一个对地电容电流，这三个电流之和为 0，假设 A 相发生单相接地短路， A相对地电压为 0，其它两相对地电压变为原来的 3 倍，对地电容电流也变为原来的 3 倍 ，我们用 Ib和 Ic来表示非故障相的对地电流，则可以得出： Ib=UBDjω C0 Ic=UCDjω C0 (29) 此时，从接地点流回的电流 Id= Ib+Ic= 03UC ，为正常运行时三相对地电容电流的算术和。 当系统中有多条线路存在时，每条线路上都有对地电容存在，当其中一条线路 A 相发生单相接地故障时，整个系统的 A相对地电压都为 0，所以 A 相的对地电容电流为 0，在非故障线路上， B 相和 C 相流有本身的电容电流，因此，在线路的始 端反应的零序电流为 13 0x bx cxI I I (210) 其有效值是 03xI = 03UC ，就是该线路本身的电容电流，该电容电流的方向为母线流向线路。 总结以上分析的结果，我们可以得出以下结论： (1)发生单相接地故障时，整个系统都出现零序电压。 (2)非故障线路上的零序电流数值上等于本身的对地电容电流，电容性无功功率实际方向是 从母线流向线路。 (3)故障线路上，零序电流为整个系统非故障线路对地电容电流之和，数值比较大，电容性无功功率方向是从线路流向母线。 基于多次谐波的周期函数算法 傅氏算法 任何一个周期函数，都可以分解成直流分量和各次谐波分量的和，其表达式为 X(t)=0n[bncosnω 1t+ansinnω 1t] 其中， n=O、 l、 2⋯⋯⋯， an、 bn为各次谐波正弦和余弦的幅值， ω 1为基波的角频率，各次谐波的实部和虚部可以通过式 (211)和式 (212)计算： an=2T10 ( )sinT x t n tdt (211) bn=2T10 ( ) cosT x t n tdt (212) 进一步推导可得到： an=2N 112sinN KK X kn N (213) bn=2N 112cosN KK X kn n (214) 其中， N为一个周期的采样点数，根据 n取不同值时，可以根据式 (215)和(216)求得各次谐波的幅值和相角： 22n n nX a b (215) 14 arctan nnba (216) 在线路微机保护系统 的算法设计中需要的是基波分量，就是当 n=l 时的分量，当每个周期采样 12 个点时，式 (213)和 (214)可以写成式 (217)和式(218)： 6al=(X3X9)+12（ X1+X5X7X11） + 32 (X2+X4X8X10） (217) 6bl=(X12X6)+ 12 （ X2+X10X4X8） + 32 （ X1+X11X5X7） (218) 由式 (215)、 (216)、 (217)、 (218)可以方便的计算基波的幅值和相角，这种计算方法的数据窗为一个周期，因此它的反映速度比较慢，数据窗为一个周期的傅氏算法称为全波傅氏算法，我们利用正弦函数和余弦函数的性质，可以只取半个采样周期来计算，这样可以提高响应速度，数据窗为半个周期的傅氏算法为半波傅氏算法。 半波傅氏算法和全波傅氏算法类似，其计算公式如式 (219)和 (220)： 1142si nNnKka X knNN  (219) 1142c osNnKkb X knNN  (220) 在衰减的非周期分量的影响下，傅氏算法的计算误差比较大。 另外，由于半波傅氏算法的数据窗只有半周，所以它的精度比全波傅氏算法精度低，但是半波傅氏算法是以提高运算速度为前提的，因此，当线路故障发生在保护范围的 O～90％以内时，用半波算法计算很快就趋于真值，虽然精度不高，但是足以正确判断是范围内故障，当故障在保护范围的 90％以外时，为了保证计算精度，要以全波傅氏算 法的计算结果为准。 由以上分析可以得到总结： 1．任何一种算法的精度和速度都是与采样点数 (也就是采样频率 )直接相关的，采样频率越高，精度越高，响应速度越慢，采样频率越低，精度越低，响应速度 15 越快。 2．傅氏算法具有滤波作用，可以消除恒定的直流分量和整次谐波分量，但是不能消除衰减的直流分量，在最严重的情况下，由衰减直流分量造成的傅氏算法的计算误差达到 10％以上，因此，必须采取措施给予补救。 3．全波傅氏算法的数据窗为一个周期，响应速度比较慢，但运算精度相对较高，半波傅氏算法的数据窗缩短为半个周期，响应速度相对较 快，但运算精度有所下降。 在装置的主保护板的算法设计中，我们选择全波傅氏算法作为线路保护的算法，故障模拟量经过电压互感器和电流互感器进入 AD 转换器，采样频率选择为600HZ，即一路信号一个周期有 12个采样点，然后得到的 12个采样值通过式 (217)和式 (218)计算得到输入模拟量的实部和虚部，根据式 (215)和式 (216)就可以计算模拟量的幅值和相角．装置要实现的功能是把计算得到的模拟量有效值与系统的整定值相比较，如果模拟量有效值超过系统整定值，就迸一步通过驱动出口继电器和断路器跳闸，从式 (211)和式 (212)可知，基波电流可以表示为 1 1 1 1 1( ) c o s ( ) s i n ( )i t b t a t    (221) 或 1 1 0( ) 2 sin ( )i t I t    (222) 基波电流的有效值及相角为： 22112abI  (223) arctan nn nba (224) 同理可以推出 n次谐波分量的有效值和相角为： 222nnn abI  (225) arctan nn nba (226) 在算法的判据设计中，主要是把采集的一路信号的 12 个离散值根据式 16 (217)和式 (218)计算出模拟量基波分量的实部和虚部，然后再根据式 (223)和式 (224)就可以计算出基波分量的有效值和相角，最后通过与保护 整定值进行比较而判断装置是否动作。 本章总结 本章主要设计了 35KV 线路保护的功能配置方案和故障判据，分析了 35KV线路微机保护功能配置、特点和实现原理，最后详细分析了傅氏算法的工作原理和特点，从算法的精度、速度和系统的功能要求各方面综合考虑，确定全波傅氏算法作为主保护板的算法。 17 3 电力系统故障分析和基于神经网络的非线性滤波 在第二章中重点设计了 35KV 线路保护的功能配置方案和判据，所有的保护功能都是为了处理在输电线路上可能出现的各种类型的故障。 为了验证装置设 计的功能判据的正确性，在本章中，通过建立电力系统故障模型并且以最常见的故障一单相接地故障为例，对小电流系统进行了故障仿真分析，最后将 RBF 神经网络算法应用于非线性滤波。 仿真结果表明， RBF 算法可以滤除故障模拟量的高次谐波，可以为数据采集、有效值计算带来方便，进一步使保护正确的动作。 电力系统运行故障分析 电力系统是电能生产、变换、输送、分配和使用的各种电力设备按照一定的技术与经济要求有机组成的一个联合系统，一般我们将电能通过的设备称为电力系统的一次设备，如高压输电线路、变压器、电容器等等。 对一次设备 进行监视、测量、控制和保护的设备称为电力系统的二次设备。 电力系统的一次设备在运行过程中由于外力、绝缘老化、过电压、误操作、设计制造缺陷等原因会发生如短路、断线等故障。 最常见的也是最危险的故障是各种类型的短路，这些故障一旦处理不当将会造成国民经济的巨大损失，严重时甚至有可能造成人员伤亡。 各种类型的短路包括三相短路、两相短路、两相接地短路和单相接地短路，其中单相接地故障在各种故障中所占的比例最大，一般都在 80％以上，据统计，我国 2020年的 35KV 的输电线路发生的各种故障中，单相接地短路故障占所有故障的 89％左 右。 系统建模及参数调节 本章通过仿真软件 MATLAB 对电力系统中恒定电压源输电线路的单相接地短路故障进行仿真分析，恒定电压源电路短路模型如图 3． 1所示。 在图 3． 1 的模型中，使用三相电压源作为电路的供给电源，电压源为 Y 接 (即中性点不接地 )类型，其中线电压的有效值为 35KV， A 相初始相角为 0度，属于小接地电流系统。 用分布参数输电线路 (如图中的 Distributed Parameter Line 和 Distributed Parameter Line1)作为输电线路，两路输电线路的长度均为 30km,两 条输电线路的各个参数保持不变。 线路中串联一个三相 RLC 串联负载 (ThreePhase RLC 18 Load)，另外三相电压电流测量仪器 (3Phase VI Measurement)负责测量线路初始端的三相电压和电流，在模型中，主要采用三相短路故障发生器(3Phase． Fault)来模拟单相接地短路故障的发生，在短路故障发生器的参数对话框的故障相 (Phase Fault)中任意选择一相，这里选择 A 相，同时选择故障相接地 (Ground Fault)， 转换时间 (Transition times)的时间改为 [ ]，即在 秒时发生 A相接地短路，而在 秒时恢复正常供电。 测量选项 (Measurement)中选择测量故障点支路电压和支路电流，因为小接地电流系统发生单相接地短路时，由于故障点电流很小，而且三相之间的线电压仍然保持对 称，所以对负荷的供电没有影响，因此，在一般情况下都允许再继续运行 l2 小时，但是在此期间，故障点其他两相对地电压就要升高 3 倍，为了防止故障进一步扩大造成两点或多点接地短路，应该及时发出信号，以便运行人员查找发生故障的线路，采取措施予以消除，另外发生单相接地短路时，线路中的零序电流发生变化，所以在模型中还要用到一个三相序分量分析元件 (3PhaseSequenceAnalyzer)来分析线路中零序电流的变化，在三相序分量分析参数对话框中将序量选择 (Sequence)选为零序分量 (Zero)，另外，还需要三个示波器，两个万用表，还有接地元件，节点等。 19 在 设 计 电 路 图 设 计 完 成 后 ， 打 开 仿 真 参 数 对 话 框(simulationconfiguration parameters)，把停止时间 (Stop time)改为 ，求解程序类型 (Type)选项改为可变步长 (Variablestep),ode23tb(stiff/TR BDF2)，其它的都保持不变。 系统中物理量的分析 全部设置完了以后，激活仿真按钮 (simulationstart)，可以先观察 到三相电压电流测量元件的输出电压和电流波形如图 3． 3． 所示： 从图 3． 2 可以看出，在线路中发生单相接地短路故障时，电源输出端三相线电压 Uab,Ubc,Uca仍然保持对称。 从图 3． 3 可以看出，发生故障时，电源输出端的故障相对地电压 ua明显下 20 降，而非故障相对地电压 ub,uc上升为原来的 1． 7倍左右。 从图 3． 4 可以看出，单相接地短路故障对于电源输出端的线电流影响很小。 当把输电线路 l(DisUibutcd Paremter Line 和 Distributed Paremeter Line)的 长度分别改为 20km 和 25km 时，得到的电源端输出相电压波形如图 和图 所示。 从图 和图 可以看出，故障点离电源输出端的距离越远，在故障期间电源端输出相电压越大，所以我们可以利用相电压的大小构成故障定位，这样可以使工作人员在发生。