（电气工程专业论文）胜利油田配电网故障隔离的检测与应用.pdf

a b s t r a c t b ya n a l y z i n gt h es i t u a t i o n so ft h ef a u l t s e p a r a t i n g e q u i p m e n th o m ea n da b r o a d ， a i m i n ga tt h ep r a t i c a la p l i c a t l o n o fa u t o m a t i z a t i o ni n d i s t r i b u t et r a n s m i tl i n e af a u l t s e p a r a t i n ge q u i p m e n to ft r a n s m i tl i n ei nd i s t r i b u t e i s r e s e a r c h e da n dd e v e l o p e d t h i s p a p e r d i s c u s s e d t h ef a u l t p e c u l i a r t i e so f t h r e e p h a s e ，t w o p h a s e a n d s i n g l e p h a s e t o g r o u n d i n d i s t r i b u t et r a n s m i tl i n e a n di te m p h a s i z e do nt e s t i n gs i n 9 1 e p h a s et og r o u n do fp o w e rs y s t e mw i t hf l o a t i n gn e u t r a la n d s e p a r a t i n gf a u l to fd i s t r i b u t e e s t a b l i s h e dt h em a t h e m a t i c s m o d e lo ft e s t i n gs h o r tc i r c u i ta n d s i n 9 1 e p h a s et og r o u n d f a u l ti nt r a n s m i t1 i n e d e s 主g n e dh a r d w a r ea n ds o f t w a r e e q u i p m e t h a v eb e e nd i ds i m u l a t i v er e p e r i m e n fa n dt e s e dp r e c i s l o n k e y 们r d s ： m i c r o p r o c e s s o r ，f f t ， s i n g l e p h a s et og r o u n d ， p ( 娜e rs y s t 鲫w i t hf l o a t i n gn e u t r a l 浙江大学硕士学位论文胜利油田配电网故障隔离的检测与应用 第一章前言 1 1 胜利油田配电网可靠性分析 胜利油田配电网多采用架空线或以架空线为主的混合结构，一般为放射形供 电方式。由于配电线路沿线地理条件较复杂，线路绝缘水平较低，因此线路故障 率高。另外。配电网直接面向众多电力用户，线路作业停电的机会也多，如何提 高中压配电网供电可靠性，是中压配电网改造和建设的重要课题。 配电网接线方式可分为公用网和专线( 网) 两类。公用网，基本接线方式有： 树枝网、分段隔离树枝网、干线( 部分) 联络树枝网和全联络树枝网。 影响配电网供电可靠性的主要因素有：线路故障率、故障修复时间，作业 停运率、作业停运时间，用户密度及分布等。 、线路故障率及故障修复时间 线路故障可能是由于绝缘损坏、雷害、自然劣化或其他等原因造成。对 架空裸导线： ( 1 ) 绝缘损坏是指高空落物，树木与线路安全距离不足等造成的故障，与 沿线地理环境有关；一般认为绝缘损坏率与线路长度成正比。 ( 2 ) 雷害造成的故障与避雷器的安装情况有关：雷害故障率大体上与避雷 器安装率成反比，与避雷器自身故障率成正比。 ( 3 )自然老化引起的故障与线路设备、材料有关：对同一类设备、材料， 自然老化率与线路长度成正比。 ( 4 ) 其他原因主要是指外力破坏，人为过失等造成的故障。 ( 5 ) 故障修复时间与运行管理水平，网络结构，以及配电网自动化水平有 关。因为正确、迅速地判明故障点，可大大缩短故障停电时间。对同一网络结构， 运行管理水平、自动程度相同的配电网，故障修复时间取平均值。 二、作业停运率与停运时间 作业停运是指配电线路因试验、检修和旄工造成的停运；旎工停运则与线路 供电区域发展情况有关，发展中区域线路施工停运率高，发展接近饱和区域，线 路施工停运率低。作业停运时间与作业复杂程度和麓工技术水平有关，一般可取 平均值。 浙江大学硕士学位论文胜利油田配电网故障隔离的检测与应用 三、用户密度与分布。用户密度是指每单位长度线路所接用户数。因用户负 荷的不同，各回线路用户密度一般也不相同。在估计接线方式对供电可靠性的影 响时，可取平均密度。按现行供电可靠性统计指标，对同一接线方式，用户分 布情况不同，可有不同供电质量服务指标。按用户分布模式分析，用户大部分分 布在线路前段，线路中、后段故障可通过分段断路器隔离，从而前段线路可恢复 运行，故有最佳的评估结果；用户大部分在线路中段的模式次之，用户集中在线 路末端的分布模式最差。 1 2 小电流接地系统接地故障分析 目前，胜利油田电网是以z 2 0 一1 l o k v 变电所为电源点，以3 5 k v 输电线为骨 架，以6 k v 配电线为网络一个网架结构。由于电压等级较低，输配电线路不长， 对地电容较小因此，属于小电流接地系统。当小电流接地系统发生单相接地时， 由于没有直接构成回路，接地电容电流比负载电流小得多，而且系统线电压仍然 保持对称，不影响对用户的供电。因此，规程规定允许带一个接地点继续运行不 超过2 h 。但是由于非故障相对地电压的升高，对绝缘造成威胁。因此，对已发 生接地的线路，应尽快发现并处理。这就要借助系统中设置的绝缘监察装置，来 对故障作出准确的判断和处理。 造成配电网接地的主要因素有： ( i )雷害事故。配电系统网络覆盖面较大，遭受雷击的概率相对增多，不 仅直击雷造成危害，而且由于防雷设施不够完善，绝缘水平和耐雷水平较低，地 闪、云闪形成的感应过电压也能造成相当大的危害，导致设备损坏，危及电网安 全。 ( 2 )污闳故障。配电网络中因绝缘子污秽闲络，傻线路多点接地的故障也 经常发生。据对6 k v 配电线路的检查发现，因表面积污而放电烧伤的绝缘子不少。 绝缘子污秽放电，是造成线路单相接地和引起跳闸的主要原因。 ( 3 )铁磁谐振过电压。配电系统属于中性点不接地系统，随着其规模的扩 大，网络对地电容越来越大，在该网络中电磁式电压互感器和空载变压器的非线 性电感相对较大，感抗比容抗大得多，面且电磁式电压互感器一次线圈中性点直 接接地，受雷击、单相地和倒闸操作等的激发，往往能形成铁磁谐振，谐振产生 2 浙江大学硕士学位论文胜利油田配电网故障隔离的检测与应用 的过电压最高约达线电压的3 倍，能引起绝缘闪络、避雷器爆炸，甚至电器设备 烧毁。 ( 4 )弧光接地过电压。配电网络是属于中性点绝缘系统，当发生单相接地 时，健全相电压将升高到线电压，但是如果发生单相间歇性的对地闪络、线路下 的树木在大风作用下间歇性地对导线形成放电，接地点电弧间歇性地熄灭与重 燃，引起电网运行状态的瞬息变化，导致电磁能的强烈振荡，并在健全相和故障 相产生暂态过电压，健全相的最大过电压为线电压的3 5 倍，故障相的最大过电 压为2 倍。如果网络中存在绝缘弱点，热必会引起击穿、短路或危及电气设备， 形成严重事故。 ( 5 )由单相接地引起的相闻短路事故。对6 l o k v 系统，由于变压器大多 是三角形接线，没有中性点引出，也没有装消弧线圈。随着电网的发展，特别是 电缆线路增多，网络对地电容越来越大，当发生单相瞬间接地时，电弧不能自行 熄灭，容易形成相问短路，使断路器跳闸。 ( 6 )线路的质量及其他原因。 线路的安装质量不高，布局不合理。有的线路没有按规范安装架设，交叉 跨越距离不够；有的线路绝缘子安装前未逐片摇测绝缘和抽样进行交流耐压试 验，绝缘爬距不够。 运行维护不当。配电线路未能定期轮换检修，以致线路存在很大缺陷，网 络带病运行。 薄绝缘设备。在配电网络中有的设备绝缘水平低下，有些安装工艺不符合 要求。 线路通首树木的影响。不加强通道维护，不定期裁剪树木，常引起线路接 地或短路。 对于绝缘监察装置，我们通常采用三相五柱式电压互感器加上电压继电器、 信号继电器及监视仪表构成。它由五个铁芯柱组成，有一组原绕组和二组副绕组， 均绕在三个中间柱上，其接线方式是：y n y n d 。这种接线的优点是第一副绕组不 仅能测量线电压，而且还能测相电压；第二副绕组接成开口三角形，能反映零序 电压。当网络在正常情况下，第一副绕组的三相电压是对称的，开1 ：3 - - 角形开口 端理论上无电压，当网络中发生单相金属性接地时( 假设a 相) ，网络中就出现了 浙江大学硕士学位论文 胜利油田配电网故障隔离的检测与应用 零序电压。网络中发生非金属性单相接地时，开口两端点间同样感应出电压，因 此，当开口端达到电压继电器的动作电压时，电压继电器和信号继电器均动作， 发出音响及灯光信号。值班人员根据信号和电压表指示，便可以知道发生了接地 并判定接地相别，然后向调度值班员汇报。但必须指出，绝缘监察装置是一段母 线共用的，它必竞不是人脑，不可能选择鉴别故障类型，由于实际情况要比书本 上的理论复杂得多，恶劣天气、网络中高压熔丝熔断、电网中的高次谐波及电压 互感器本身的误差等一系列问题，都可能使电压互感器二次侧开口三角形绕组感 应出不平衡电压，使电压继电器、信号继电器动作，发出虚假接地信号。 1 3 小电流接地系统接地故障类型 根据运行经验及现场处理人员反馈的情况分析，把6 2 例接地故障现象分为 以下几种类型： ( 1 ) 金属性接地。接地次数为3 6 次，占整个接地故障次数的5 8 且多发生在 馈电线路i 二，现象为：故障相电压为零或接近于零，非故障相电压上升为线电压 或接近于线电压。 ( 2 ) 非金属性接地。接地次数为3 次，占整个接地故障次数的4 8 ，且多发 生在馈电线路上，接地现象为故障相电压大于零，但低于相电压，非故障相电压 大于相电压而低于线电压。 ( 3 ) 网络中分支线高压熔丝熔断一相( 即高压一相开路) 。次数为1 4 次，占整 个接地故障次数的2 2 5 ，且多发生在6 k v 配电线路中t 接有较大负荷的分支线 路上，接地现象为：故障相电压上升为相电压的3 2 倍，非故障相电压不变或为 正常相电压的3 2 倍。 ( 4 ) 网络中分支线高压熔丝熔断：相( 高压二相) 下路) 。发生次数为3 次，占 整个接地故障数的4 8 ，均发生有较大负荷的分支线路上。 ( 5 ) 铁磁谐振：发生次数为6 次，占整个接地故障次数的9 6 ，多发生在发 电厂或变电所，现象为：一相电压下降( 不为零) ，两相电压升高：或两相电压下 降( 不为零) ，一相电压升高( 或满偏) 。 浙江大学硕士学位论文 胜利油田配电网故障隔离的检测与应用 1 4 目前采取的预防措施 ( 1 ) 提高配电网络的防雷水平。采用避雷针或避雷线，加强变电所进线段直击 霄保护，并加强杆塔和避雷线的接地，使其不大于1 0q ，终端杆塔接地电阻不 大于4q ，合理设置避雷器保护，安装性能好的金属氧化物避雷器，注意降低避 雷器的接地电阻，接地引下线要求牢固可靠，有足够的截面并且不能太长。 ( 2 ) 提高配电线路绝缘水平，消除绝缘缺陷。 ( 3 ) 加强配电网的防污闪工作。对配电网进行赫密测试划分污秽等级：对重污 区要提高线路绝缘水平，加大外绝缘爬距，使之符合电瓷外绝缘所处地区污秽等 级的要求，并留有适当的裕度；加强外绝缘的清扫工作，逐步做到以盐密监测作 指导，并结台运行维护。合理安排清扫周期，提高绝缘水平。 ( 4 ) 消除配电网络的铁磁谐振。消除铁磁谐振的方法 良多，如采用专用消谐器， 电磁式电压互感器一次绕组中性点不接地等。 ( 5 )系统进行接地补偿。对6 3 5 k v 系统的电容电流进行测试。如l o k v 系统音 相接地故鲷酣融驰 x 浙江大学硕士学位论文胜利油田配电网故障隔离的检测与应用 对于保障油田正常原油生产是非常有意义的。 1 6 国内外的发展概况 国内外对配电网故障隔离装置中检测技术的研究应用可追溯到7 0 年代兴起 的微机保护装置。1 9 7 1 年美国电力服务公司( t h ea m e r i c a ne l e c t r i cp o w e r s e r v i c e c o r p o r a t i o n ) 开始跟i b m 公司联合，搞数字继电器研究项目。1 9 7 3 年 通用电气公司( t h e g e n e r a le l e c t r i c c o m p a n y ) 和费城电气公司( t h e p h i l a d e l p h i a e l e c t r i cc o m p a n y ) 联合开发新型的数字式继电器，宗旨在于研究输 电线路数字计算机保护技术的可行性。 进入8 0 年代后，小电流接地系统获得了广泛应用。在东欧原苏联对故障检 测原理和故障隔离装置的研究给予了高度的重视，发表多篇论文研制了几代装 置，并在配电系统和煤炭行业中得到应用。装置由晶体管发展到模拟集成电路和 数字电路，而微机构成的装置则应用的相对较少。 在日本，小电流接地系统在供电、钢铁、化工用电中应用较为普遍。中性点 不直接接地系统基本是中性点不接地系统或经消弧线圈接地系统。近年来，在如 何获取单相接地故障零序电流信号方面投入了不少力量，利用光导纤维研制的架 空线零序互感器o z c t 试验获得成功。 在欧洲和美国，中性点不直接接地系统中单相接地保护被认为难于实现，容 易引起过电压。他们宁愿在配电系统的网架结构上多投资以保证供电可靠性，也 不愿采用中性点不直接接地系统。但是，近年来i b e e 的专题报告中认为应当加 强中性点不直接接地系统的保护研究。德国研制了便携式接地报警装置，而挪威 一公司贝唾利用 9 1 【i 量空间电场和磁场的相位，反映零序电压和零序电流的相位，研 制出了悬挂式接地故障指示器。 我国在这方面的研究是8 0 年代开始的。虽然我国在这一领域研究工作起步 较晚，但进展却很快，并卓有成效。单相接地检测原理和隔离装置的研究自1 9 8 5 年以来从来间断。检测方案从零序过流到无功方向的检测，从基波方案发展到五 次谐波方案以及首半波方案，先后推出了几代产品。如科锐的z w 6 1 2 6 3 0 户外 智能真空断路器，许昌继电器厂的z d 系列产品，北京自动化设备厂的x j d 系 列装置，邯郸电力自动化研究所的m 卜98h 微机选线装置，山东工业大学的 t y 系列故障定位装置等。 6 浙江大学硕士学位论文胜利油田配电网故障隔离的检测与应用 故障隔离装置应有如下的特点： 1 维护调试方便。装景的逻辑判断、计算都是用软件完成，成熟的软件一 次性设计测试完成后，就不必投产前再逐项试验。 2 可靠性高。装置的软件设计考虑到电力系统中各种复杂的故障，具有很 强的综合分析和判断能力，几乎就是一个专家智能系统。 3 动作正确率高。鉴于计算的实时性特点，装置能保证不问断迅速地采样 计算，反复准确地校核，在电力系统发生故障暂态时期内，就能正确判断故障。 4 装置性能容易得到改善。由于软件具有方便地改写程序的特点，装置的 性能可以通过新的算法来得到改善。 1 7 当前隔离装置存在的问题与解决的方法 当前，故障隔离装置存在一些需要改进和完善的地方，如硬件速度、检测算 法以及在配电系统自动化中的应用等。 1 7 1 存在的技术问题和难点 目前，国内外所研制的故障隔离装置在检测两相和三相故障方面都比较成 功。但是，对于配电网单相接地故障的检测却比较困难，这主要是因为配电系统 x 浙江大学硕士学位论文 胜利油田配电两故障隔离的检测与应用 f t h 判断、计算，识别出故障区段，并隔离故障段，自动恢复非故障区段的供电。 这种控制方式采用的是负荷开关，与重合器相比，一次设备投资较少，但要增加 相应的f t u 和通信设备的投资。 以上三种馈线自动化方式各有优缺点。本文主要分析的装置( 也是油田目前 广泛使用的装置) 主要结合1 、3 两种应用方式的优点。其工作原理如图1 1 所 示： 正常情况：l 1 ，l 2 ，l 3 线段由c b l 供电；l 4 ， l 5 ，l 6 由c b 2 供电；联 络开关是断开状态。 故障情况：当f l 发生持久性故障时，c b l 跳闸c b l 重合一次不成功一s ， s 2 由于失压自动断开c b l 再次重合一l i 带电， s l 延时合闸故障未消除， c b l 跳闸一s 1 在小于t i 时间内失压，即跳闸后自动闭锁b 1 合闸，恢复l l 供电。 联络开关r o 检测到端l 3 失压，即延时自动闭合l 3 带电，s 2 延时闭合一 故障未消除引起凡跳闸s 2 因失压自动断开一s 2 在小于t 1 时间内失压则自 动跳闸后闭锁a 重合、恢复l 3 非故障区段供电。l 3 的负荷转移到供电。 图1 - i 双电源环网供电系统( h w k 开关控制器) 浙江大学硕士学位论文 胜利油田配电网故障隔离的检测与应用 图2 一l中性点不接地系统单相接地 当a 相经过渡电阻足r 按地时，各相对地导纳为： y q 。专+ j 缸。 yb ：yc ：j c ) 式中c o 各相对地总电容 那么中性点位移电压： 蜘* 。引十枷卜+ 廿南圪沼：， 上式写成有效值形式 吣赢 ， 电网正常运行时，r f o o ，u o d - o ，当电网发生金属性接地时，r f = 0 ，u o d = 一v 。其向量图见2 2 所示。当a 相经某一过渡电阻r f 接地，且电网的运行 方式定( c o 定) 时，中性点的位移电压按式( 2 2 ) 变化，可以证明u o d 的变化轨迹是以i 圪j 为直径的右半圆。 从向量图可以看出，接地相对地电压不一定是最低的，当接地发生在d ”点 以上时，v c d v b d v a d ，当接地正好发生在时，v 。d v b d = v a d 。不管a 相 在哪里发生接地，c 相最高。 浙江大学硕士学位论文 砰莉插碰配羹娜埋谚脚舅型适莹滔饵 1 4 争蠢萋鋈蠢羹璧羹薹 i i l 剡器蔫毪忑埤0 嘎矗电睡。懒臻陵獭强孺搿灞警。璩罐珥两弧港静翡瓣薛 锻钓酲；珙耀溯瓣墓鑫黟鲤藩翳莪；蓉南苗潇错1 0 蓁j 惟淄哥国澎隧嘣嚏删 碹崤4 参i 谶瑁掰舯雅问砬瓶豳。咬响| 由瞪渤涨簿整醚薛辅睚驱甄i 鼐裂库黾孺 攀丰赢者揠疆插；薛鞋筋髂雾醐躺离坚董；懿配匣2 些譬塑刈妒埘毖膀。 l ! ! 强发鼎喁惶逵摆漤哗溜；第翥“斟髻茫； i ! 葡靳酷籀群翁诺蕈簪耸丢，等澹衙鬟蟹崖旋瑟艘潍淄嵯闭鬲孥蕊；谱再垂 去持娃时娃酾罐坼褊扮j 藩癸副驯喵嘴隔? 离装霉检涎到零序电濡第孺苛苗捕硎 掰趟矍磐；唾亩嚣驰孵和馥晦；隔湛舞【壹懒糯商懈驾漓i 商糯穗鼢章矧割舞| | m 所 以敌j 酾雕蚰祁融铂羽i 咭衙攥黼陶碌莹涫j 萏潇鞘等笛譬； i 叁i 鑫牿舔训芽珊孙鸶雨蓟霸；薹蓁雨鑫霉委羹薹霎i 薹l 霎；婺雕嚣馨蠹萋萎蠢； 薹薹蒌蜜鏊霪卧吲一氡曩蓟心黧刨烈捌匪基， 1 5 ； 罐毽怎豫瓣埔爿科；嘎6 3 5 k v 靴澎衙荡霎磊媸箱戈强。挑l o k v 酮艟曲 瞬雅翻艇鲷酣融驰 x 浙江大学硕士学位论文 胜利油田配电网故障隔离的检测与应用 同理可推导出中性点位移的电压为： 一高圪 沼4 ， 式中，l _ 为消弧线圈的电感。 在电力系统运行中，一般采用过补偿的运彳亍方式，有 3 u c d 一1 r ，可用x 代替阻抗z 。 是超前还是落后于电压来讲，没有影响。 根据a 相接地边界条件可知： u 矿( j ) + u 矿轻) + u 一0 = o i 矿0 ) = i 矿( 2 ) ；i 矿( o ) ( 2 2 3 ) 由此引起的误差，对于判断电流 ( 2 t 1 4 ) ( 2 1 5 ) 浙江大学硕士学位论文胜利油田配电网故障隔离的检测与应用 由图2 - - 7 可看出，当a 相接地时，零序电压0 仲) 落后于0 。1 5 0 度，那么 只需将所设的零序电压逆时针旋转1 5 0 度就可厶。与重合。 2 设已知6 。，发生a 相接地故障，那么电压向量图的推导与前面一样。 根据向量图2 - 6 也同样可设； u 厅( o ) = u ( 0 ) 么o 。，u ：4 2 ) = u ( 2 ) z o 。，u ：4 0 = w o ) m s o 。， 由于 uc b = u8 一u m = 一p a k ，( 1 ) 一g 。：弦。) 将边界条件带入上式得： u 打= 一0 2 一。( 一d “：，一d ，。， 一g 一。2 ) u ，c ：， = 之【，f 2 ) 0 一口2 ) 一u f o ) 仁一口2 ) u 。与6 。所需旋转的角度如图2 - 8 所示 u 船 u 。 图2 - - 8 a 相接地时，u 。与零序的角度向量图 由图2 8 零序电压，f 。) 超前于6 。角度9 0 度，那么只需将所设的零序电压 顺时针旋转9 0 度就可与玉。重合。 浙江大学硕士学位论文 胜利油田配电网故障隔离的检测与应用 3 设己知u 。发生a 相接地故障。电压向量图的推导与前面一样。 根据向量图2 6 也同样可设： w i o ( o ) = u 扣) z o 。，u 归( 2 j ；c ，0 乒o 。，u r o o ) = u ( 0 l 1 8 0 。， 由于 心h = 0 $ u m = 一0 2 一1 ) 己，巾) 一( a 一1 m ，( 2 ) 将边界条件带入上式得： u 蛔= 一g 2 一l 【d ，( ：) + dr 扣) + ( n 一1 ) u ，( ：) = 一叽。) b 2 1 ) + q ：) b a 2 ) 者。与古拍所需旋转的角度如图2 - 9 所示 图2 - 9 已知u 缸时，a 相接地的电压向量图 由上图可知零序电压落后于b a 线电压3 0 度。只须将零序电压逆时针旋转 3 0 度即可于b a 相电压重合。 4 求零序电压的相角： 当a b 、c 相分别接地时，根据图2 7 ，2 8 ，2 9 可知： u 。= u 。一d 。与u 。= d 耐一d 。是完全相等的。 2 1 浙江大学硕士学位论文胜利油田配电网故障隔离的检测与应用 可看出当a 相接地时，c ，。与前面所分解的零序电压u ，( o ) 相位差1 5 0 度；b 相接地时，d 与前面所分解的零序电压u ，( o ) 相位差9 0 度：当c 相接地时，b 与前面所分解的零序电压吩( o ) 相位差3 0 度。由每周期1 6 个采样点，将进行变换 可求出基波和五次谐波u 。的复数值，可求出u 。在复平面的角度。再计算出零 序电流的基波和五次谐波角度，就能得到基波和五次谐波零序电压电流夹角。把 得到的零序电压电流的基波和五次谐波夹角作为故障发生在装置前面还是后面 的判断根据。 2 s 利用f f t 进行基波和五次谐波分析 在单相接地故障检测中，中性点不接地系统的基波零序电压、电流的相角以 及中性点经消弧线圈接地系统五次谐波零序电压、电流相角，采用了f f t 算法。 计算方法如下： 周期电压、电流都可以用一个周期函数表示，即 0 ) = ，o + k r ) 其中：t 为周期函数的周期，且k = l ，2 ，3 ，。 如果给定函数是周期函数的同时又满足狄里赫利条件，那么它就可以展开成 一个收敛级数，令基波频率为m 。，则将巾) ( 其周期为t ) 展开成傅式级数式为： ，o ) = + ( 吼c o s k c o i t + b ks i n k r 毡t ) ( 2 1 9 ) 式( 2 - - 1 9 ) 还可以写成另种形式： ，o ) = + ( 锄c o s ( k 印t7 + 帆” ( 2 - 2 0 ) 将f ( t ) 写成指数形式为 s o ) ：4 。+ 窆k 。已m ，+ c 胁1 = 1 式中c t 为复数g 的共轭， c 。= 华= f 1t if ( x q 叫d t 1 o 鲨塑2 苎塑坠蔓丝塑。一些型塑里里皇壁塑壁堕查墼竺型皇堡旦 ct = 号i ，q 叫叫t d l = 击，篁1 厂g + 丁 一辟：咖a r 式中n 为每周采样点数。a t 为采样间隔 其中7 1 = 专，令而) = 厂o r ) ，= e - j 2 ，r n r 一1 则： d t 2 膏耻l 薹。o 聊j 纠臃1 假设在配电网中装置的输入信号是无噪声、频率为国的正弦波电压。 “o ) = a s i n ( c a t + 妒) = a s i n ( c o o t + ) r _ 0 5 ( - 0 0 + a c o y = p + a c o t c o o = 2 倒：兀= 5 0 h z 式中：p 一初相位；矿电压相角交化：a 一幅值 ”o ) 可用矢量的u 虚部表示。 u = 爿矿= 爿 c 。缈+ j s i n 港。s o o t + j s i n c o o t 】 u ( t ) = a s i n 驴, c o s c o o t + a c o s y s i n c o o t 若将a e p 看作西的复数振幅 u m = 彳p 。= 彳c o s 十口s i n p ( 2 、2 i ) 对u ( t ) 信号每周采样n 次产生采样序列 铲州n ( 2 矾七号例= a s i n ( - 等唧) 对 进行离散傅立叶变换得到基波分量的频谱系数叫m ( 女) 。 姒耻昙黔。s 争一，专；n 等七 同理，对 进行离散傅立叶变换得到五次谐波分量的频谱系数蚝( t ) 。 浙江大学硕士学位论文胜利油田配电网故障隔离的检测与应用 州炉专奈c o s 等一j 号鼢咖警七 2 u s i 一u s r ( 2 2 2 ) 对五次谐波信号可得出五次谐波的电压相角、电流的相角： tgar=“5，u5月(2-23) 当装置采样的信号是三相电压、三相电流经过相加计算后可得到零序电压和 零序电流的1 6 个点，经过f f t 计算后可得基波和五次谐波的零序电压、电流相 角，再用零序电压的相角减去零序电流的相角可得零序电压与电流的夹角。当采 集的模拟信号是一个线电压和三个相电流，可将线电压经f f t 计算后所得到的 基波和五次谐波相角按图2 7 、2 - 8 、2 - 9 所示所分析的相角差，旋转相应角度得 到零序电压的角度，再用零序电压的相角减去零序电流的相角得到零序电压与零 序电流的夹角。 f f t 乘法主要来自旋转因子即w 因子( 矿= c o s ( 2 ，r i v ) 一js i n ( 2 m n ) ) ，所以 在对矽，相乘时，必须产生相应的正、余弦函数。在编程时，为了提高c p u - 8 0 c 1 9 6 k c 的运算效率，本文预先将w 建成一个等效正、余弦函数“表”，运算时直 接查表得到正余弦值，提高了运算速度。由于装置只需要基波和五次谐波，在进 行f f t 计算时。略去其它次谐波的运算步骤。得到了简化的计算公式。 设基波的实部为r e ，虚部为i e ，简化计算公式如下： r c l = x o - x 8 ) + g 3 + x 1 3 - - x 5 - - x ) c o s 等+ g 2 + x 4 - - x 6 - - x l o ) c o s 三 + x 一+ x 1 5 喝喝) c o s 詈 即g 1 2 - - x 4 ) + b 9 + x 1 5 - - x i - - x 7 ) c o s 等+ b 1 0q x 4 - - x 2 - - x 6 ) c o s 詈 + o - t + 五，一x ，一z s c o s 詈 将零序电压带入上式可得零序电压的实部为r e ，0 ) ，虚部为e ，u ) ；同样将 零序电流带入上式可得零序电流的实部为r e 。( ，) ，虚部为e ，( ，) 。 零序电压和零序电流的相角差取s i n 值的分子为： 浙江大学硕士学位论文胜利油田配电网故障隔离的检测与应用 第三章故障隔离装置的软硬件 3 1 装置的功能设计 本装置主要完成测量功能和故障的检测与隔离功能。以直接测量电流和电压 为基础，经数字滤波和计算完成下面的测量功能： 1 ) 线路的相电压、线电压、电流； 2 ) 有功功率、无功功率、视在功率： 3 ) 功率因数、频率； 4 ) 有功电度、无功电度、视在电度： 5 ) 开关量的测量； 故障的检测与隔离功能； 1 ) 单相接地的检测； 2 ) 三相、两相短路故障的检测； 3 ) 短路和接地故障的隔离。 3 2 装置的硬件电路设计 随着对电力系统保护、控制、测量、通讯等功能的要求越来越高和高性能单 片机的出现以及新的集成化器件的产生，故障隔离装置也将逐步实现高集成化。 本装置采用8 0 c 1 9 6 k cc p u 芯片，配以一些适当的外围电路来完成各种功 能，主要模块有：a d 转换、开入开出量、控制输出、看门狗电路、数据存储单 元、程序存储单元、汉字液晶显示和按键等。见图3 1 。 3 2 1 微处理器基本系统 c p u 采用8 0 c 1 9 6 k c ，它是高性能的c h m o s l 6 位单片机，c h m o s 芯片耗 电少，它除了8 0 9 6 b h 己包含的外设( 时钟发生器、i ，o 口、a d 转换器、p w m 、 串行口、定时计数器、监视定时器、高速输入输出器等) 外，被嵌入的外设 还主要有：外设事物服务器p t s 、事件处理器阵列e p a 、使用灵活的a d 3 转换 器、波形发生器等等。 8 0 c i9 6 k c 的状态周期由振荡器信号2 分频后获得，而8 0 9 6 的状态周期是 振荡周期的3 倍，因此采用相同频率的晶振工作时，8 0 c i9 6 k c 的操作速度至少 浙江大学硕士学位论文 胜利油田配电网故障隔离的检测与应用 v - 蟾 v o 图3 - 2 电压输入回路 电流输入回路 如图3 - 3 ，该部分功能将来自c t 的5 a 电流变成峰一峰值为1 0 v 的交流信 号。 图3 - 3电流输入回路 在该电路中采用高精度电流变换器和运算放大器，保证比差小于0 0 5 ， 由干采用了相位补偿电路。可以将角差控制在1 。以内。 3 2 2 采样 对于快速变化的交流信号，由于a d 转换有一定的孔径时间，必然产生孔 径误差。例如输入为5 0 h z 的交流信号，a d 转换孔径时间为1 0 p s ，则其孔径 误差为： p ，= 2 彤。1 0 0 = 0 3 l 这显然不满足误差要求。 为了测量功率以及夹角必须保证电流和电压同时采样。如果不用采样保持 器也将产生较大的误差。例如将同一相的电流和电压安排在相邻的两个通道上。 由于a d 转换时间，及存储器a d 转换结果时间。电流和电压必然产生一个 延时时间，用a d 1 6 7 4 时延至少有1 0 p s ，再加上存储器a d 转换结果6 0 u s 相当 浙江大学硕士学位论文 胜利油田配电网故障隔离的检测与应用 于增加了1 5 倍的相移，综上所述，本装置在每个输入通道上设计了采样保持器， 以保证多路采样的同步，保证测量精度。 滤波电路 由于测量现场的电磁干扰，以及电子元件本身的噪声的影响，在输入的信号 中不可避免地存在高频噪声。因此需要采取滤波措施使输入信号的信噪比增加， 另外由于输入的电流和电压本身可能有高次谐波。为了防止频率混迭，须在每个 通道设低通滤波器。 多路开关 由于本装置有八路输入信号。如果每路使用一个a d 不仅成本上升，装置 增大，而且，系统控制复杂。因此采用一个a d 转换器比较合理。因而需加多 路开关用于通道的切换。 a d 转换 a d 转换器与整个系统的测量范围和精度有关，但考虑到其它元件的影响， a d 转换器的位数至少要比总的精要求最低分辨率高一位。因此本文采用转换时 间为1 0 9 s ，1 2 位的a d 1 6 7 4 。a d 1 6 7 4 具有转换精度高( 1 2 l s b ) ，速度快， 与微处理器接口简单，所需外围器件少，价格低廉等优点。 a d 转换器从启动转换到转换结束输出稳定的数字量，需要定的时间。本 装置对八路模拟信号进行采样，每路每周波采样1 6 个点，即每一个周波要完 成1 2 8 次转换，而每周波为2 0 m s 。考虑到每个通道的采样时间有多路开关的开 关时间、采样保持器的采样和建立时间、a d 转换器的转换时间以及测量传感 器的建立时间等，必须选用转换精度高，速度快的a d 转换器。 采样数据结构 由于a d 转换是一次接着一次地进行，丽计算电网参数根据所选的算法需 要一个周期的数据。为了使a d 转换连续进行，同时又保证计算时所用数据的 完整性。a d 转换采用双缓冲区。 数据缓冲区是指在数据流动路径中专门设置的，旨在协调不同步处理步骤和 速度的数据暂存单元区域。 设a ，b 两个缓冲区，每个缓冲区有一个缓冲区满的标志。数据采集将缓 冲区a 存满后将缓冲区满标志f a 置1 ，然后使用缓冲区b 。当缓冲区b 存满后 浙江大学硕士学位论文胜利油田配电网故障隔离的检测与应用 将f b 置1 ，这样数据采集不间断地进行下去。 开关量输入和控制输出接口 装置除要对电流、电压等模拟量进行监视外，还要对开关的运行状态，保护 信号进行监视、记录和对开关进行控制。本装置设计了1 6 路开入量，6 路开出 量。每路开入、开出量均采用光电隔离技术。为了保证输出的可靠性，采用了硬 件闭锁电路。 采用光电隔离型输入方式，其主要优点： 1 ) 输入信号与输出信号在电气上完全隔离，抗干扰能力强： 2 ) 无触点，耐冲击，寿命长，可靠性高； 3 ) 响应速度快，易与逻辑电平配合使用。 频率测量电路 将输入的a 相电压经过零比较器变成方波，送给c p u 的高速输入端h s i ， c p u 通过高速输入检测输入波形的两个相领上升沿问的时间间隔，这个时间即 为输入信号的周期。将周期分成n 等分就可得电网的系统频率。 3 2 3 通讯接口与外设 智能装置的一个重要特点就是与外部环境有接口通讯能力。由于故障隔离装 置应具有向前置机传送故障信息的功能，而故障隔离的判别是优先考虑有通讯功 能，所以本装置具有串行通行通讯接口，串行通讯接口采用能拔插的通讯卡。 键盘 键盘和显示是测量仪表和人进行信息交换的接口。键盘主要用来进行参数设 置和功能切换。由于受到仪器体积限制。为了减少键数，采用一键多功能方法。 数据显示方式 在各类仪表中，常用的显示器有：发光二极管显示器( l e d ) 、液晶显示器 ( l c d ) 、荧光管显示器、简易的c r t 接口等。 本装置从电路设计简单、能显示多种数字和中西文字符使人机界面更友好更 容易操作出发，选用液晶模块l c m ，它是将l c d 控制器、r a m 和l c d 显示器 集成在一起，使用时只要向l c m 模块送入相应的命令和显示数据等便可实现所 需要的显示。软件编程非常简单。使用这种具有汉字和图形方式输入的液晶模块 还有一个优点就是能在液晶模块上进行画图编程，使显示屏显示的数据、界面、 3 0 浙江大学硕士学位论文胜利油田配电网故障隔离的检测与应用 图形更加直观。 3 2 4 干扰抑制和可靠性设计 装置在电力系统中运行时，其运行环境具有如下特点： 1 、恶劣的供电条件 由于电网中运行的大功率设备众多，特别是大感性负载的起停都会造成电网 的严重污染。电网上常常出现有百伏，甚至几千伏的尖峰脉冲干扰。 2 、严重的噪声环境 为达到数据采集或实时检测的目的，开关量输入输出，模拟量输入输出是必 不可少的。在电厂或变电站中这些输入输出的信号线和控制线，多至几百条甚至 几千条，其长度往往达几百米或几千米，因此不可避兔地要将干扰引入计算机基 本系统。此外，还有来自空间地干扰，周围的电气设备如发射机、中频炉、可控 硅逆变电源等发出的电干扰和磁干扰。 上述的几种干扰来自电源的干扰最为严重，其次为来自通道的干扰；来自空 间辐射干扰不太突出，一般只须加适当的屏蔽及接地即可解诀。本装置采用金属 外壳屏蔽及外壳接地技术，能起到有效的抑制作用。 针对上述干扰的特点主要采取下列措施： l 、使用高质量的开关电源。电源是一个仪器设备的关键部件，它对仪器的 可靠和抗干扰能力起着举足轻重的作用。 2 、抑制尖峰脉冲的干扰。对仪器设备危害最严重的首推电网的尖峰干扰。 尖峰干扰常使计算机“飞程序”而死机。所以采用“看门狗”技术，使“飞程序” 时自动恢复正常。 3 、减小地线阻抗。地线是数字信号的参考基准，因此减小地线阻抗可以减 小噪声，作法为尽可能地减小地线长度和增大线宽度。 4 、安装去耦电容。数字电路除了地线阻抗问题外，还存在电源线的阻抗问 题。当数字电路为高速跳变的电流作用时，也将产生阻抗噪声。对此问题的有效 措旌是去耦电容。 3 3 装置的软件设计 软件程序设计与硬件电路的设计同等重要，二者必须统一考虑，协调工作， 充分合理地利用硬件资源，硬件电路是软件程序设计的基础，软件程序设计又是 浙江大学硕士学位论文胜利油田配电网故障隔离的检测与应用 硬件电路设计的体现。对于有些既可以用软件完成，又可以用硬件完成的功能， 则应根据具体的实际情况加以选择，既不能因为降低成本而过分依赖于软件完 成，也不能因提高速度而增加硬件电路的设计，使成本上升。必须使整体系统设 计合理。 系统的软件是根据系统的功能要求而设计的。相同的硬件可以有不同的软 件，就实现了不同的系统功能。本装置中采用了1 6 为单片机8 0 c 1 9 6 k c 为主c p u ， 它要实现数据采集、通讯、计算等功能，所以c p u 的工作量繁重，但隔离功能 要求隔离装置必须快速检测故障与隔离故障段，因而检测算法的软件盛须快速有 效才能满足要求。对于每部分的程序都采用模块化设计，使系统的软件结构清 晰，易于理解，便于调试、连接、修改和移植。 程序设计的原则 总体原则：系统软件是由一个无限循环的主程序和中断服务程序以及可供调 用的子程序块组成。采用模块化结构设计为可独立进行编程的程序块，不仅有利 于今后实现功能扩展，而且便于调试和连接，更有利于移植和修改。 l 、充分利用c p u 的资源，8 0 c 1 9 6 k cc p u 内部有2 5 6 个字节的r a m ，充 分利用这一r a m ，可提高程序的执行速度。 2 建立正确的数学模型，即根据功能要求，描述各个输入、输出变量之间 的数学关系。 3 、软件抗干扰设计，提高控制系统的可靠性。 4 、尽量简化数学模型，减少数字的计算，提高检测效率。 程序语言的选择 本装置采用单片机指令汇编，它具有几种优点。一是代码运行速度高、大约 为c 语言代码运行速度的】，4 倍。二是能直接对单片机所有硬件进行操作，这样 可直接利用c p u 特性进行设计。 程序设计： l 、主程序功能：按规定的时间顺序调用各功能模块；对各中断服务程序进 行监视，如发现某一中断在规定的时间内没有产生，就 x 浙江大学硕士学位论文 胜利油田配电网故障隔离的检测与应用 2 、键盘处理模块； 该模块的功能是，以查询方式识别是否有键按下，如果发现有键按下，则读 取键值，并根据键值做相应处理与显示。键盘是控制器重要的人机交互手段，由 于本装置只采用了四个按键，为了增加功能，采用了多键复用技术。每一个键在 不同的状态下有不同的功能。其程序框图如下： 图3 - 5 键盘处理模块框图 浙江大学硕士学位论文 胜利油田配电网故障隔离的检测与应用 3 联络开关模块 联络开关程序 j 检测开关状态 磊磊赢、 竺望兰竺竺哆一 芝 y 上 n 上开关一次失压程序 两端帮失压 返回 1r 返回 图3 - 8 联络开关模块框图 3 4 小结 本章介绍了装置所具有的功能以及c p u 系统、采样电路、通讯、外设等硬 件电路的设计：通过软件的框图来说明本装置在当配电线路发生短路或接地对， 如何实现故障区段的隔离和非故障区段的恢复送电。 浙江大学硕士学位论文 胜利油田配电丽故障隔离的检测与应用 第四章实验结果与分析 4 1 装置的实验结果 在测量过程中，由于测量工具不准确、测量手段不完善、受环境影响等因素 影响，帮会使测量结果与被测量真值不同，这个差异称为测量误差。随着科学技 术的发展，对于测量精度的要求越来越高，所以要尽量控制和减少测量误差，使 测量值接近于真值。但是由于误差存在的必然性，只能控制它到尽量低的程度， 而不能完全消除它，而重要的是知道实际测量的精确程度。 本文对装置测量精度进行了测试，测试过程是由三相稳功源m r t 0 2 c 提供 稳定而精确的电压和电流信号，包括提供所需的电压、电流和相角以及基波与五 次谐波的叠加等，使用h p 3 4 4 0 1 a 高精度电表作校验仪，h p 5 4 6 0 2 b 多功能示波 器作为波形监测。实验接线如下图4 1 所示： m 唧z 卜黟：| 避蜜 i 震霪圈? i | ? ? i 断嘲j 0 翻疲装置 。， 图4 。1 实验接线图 表中各种误差的计算公式分别为： 绝对误差= 标准值一测量值 相对误差= 塑堡掣x ，。 浙江大学硕士学位论文 胜利油田配电网故障隔离的检测与应用 表4 ，1 零序电压测量数据及误差分析 测量条件：l = 5 0 0 a ，妒= 3 0