（电力系统及其自动化专业论文）基于msp430单片机的自适应重合闸装置设计.pdf

燕山大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t t o d a y ，a u t o m a t i cr e c l o s i n gr e c l u s e sb l i n d l ya f t e rf a u l tb e g i n s ，a n dw i l l r e c l o s ei n e v i t a b l yu n d e rp e r m a n e n tf a u l t ，w h i c hw i l lb r i n gm o r eh a r mt os y s t e m s t a b i l i t ya n de l e c t r i c a le q u i p m e n t s i no r d e rt oa v o i dr e c l o s i n gu n d e rp e r m a n e n t f a u l t , m a n yr e s e a r c h e r sh a v ef i n i s h e d l o t so fw o r k sa n dp u tf o r w a r dm a n y r e c l o s i n gt h e o r i e s f i r s t , t h i sp a p e ra n a l y z e sa n dc o m p a r e se x i s t i n gs i n g l e - p h a s ea d a p t i v e r e c l o s i n gt h e o r i e si nd e t a i l ，a n di n t r o d u c e sa l l k i n d so fm e t h o d st h a tc a n d i s t i n g u i s hi n s t a n t a n e o u s f a u l tw i t hp e r m a n e n tf a u l t , d e d u c i n gp r o c e s s e s ， a p p l i e dr a n g e sa n dd i s a d v a n t a g e s s e c o n d , r e s e a r c h i n ga n da n a l y z i n gt h ep r i n c i p l eo fo p t i m a lr e c l o s i n gt i m e a i m i n ga to p t i m a lr e c o l s i n gt i m e ，u t i l i z i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c sd u r i n g t h ev o l t a g e r e c o v e r sa f t e rp o i n t - o f - f a i l u r ea r ch a sd i s a p p e a r e d ，s e t t i n go p t i m a lr e c l o s i n g t i m eo np r i n c i p l eo fr e c o v e r i n gs y s t e ms u p p l yi ns h o r t e s tt i m eo nt h eb a s eo f m e e tt h er e q u i r e m e n to f o p t i m a lr e c l o s i n gb r e a kt i m ei nr e l a yp r o t e c t i o n l a s t l y ，d e s i g n i n gh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo fa d a p t i v er e c l o s i n ge q u i p m e n t b a s e do nm s p 4 3 0u s i n gv o l t a g e ；d i s t i n g u i s h i n g ；b a s e do nf a u l tl o c a t i o n i n h a r d w a r ep a r t , t h ep a p e rg i v e sp a r t i c u l a rc i r c u i t sp o i n t i n gt oc o l l e c t i o nm e t h o d o f f a u l ts i g n a l ，m a n - m a c h i n ei n t e r a c t i o n , p o w e rs u p p l y ；a n dc o m m u n i c a t i o n , a n d i n t r o d u c e sc h i pu s e db r i e f l y i ns o f t w a r ep a r t , t h i sp a p e rg i v e sa l g o r i t h m st h a t f i n i s hc r i t e r i o no p e r a t i o nu s i n gc o l l e c t i v ei n f o r m a t i o na n ds e t t i n gm e t h o d so f o p t i m a lr e c l o s i n gt i m e ，a l l s o r t so fo p e r a t i o n sc a r lb ea c c o m p l i s h e db y c o n t r o l l i n gh a r d w a r em o d u l e sa c c o r d i n g t op r o g r a md e s i g n m s p 4 3 0h a s d e v e l o p e dr a p i d l ya n db e e nu s e dw i d e l yi nr e c e n ty e a r sb e c a u s eo f i t se x c e l l e n t p e r f o r m a n c e s e x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h a tt h ec r i t e r i o ni sv e r yp r e c i s ea n dm o r e a c c u r a t ea n dc a l la p p l yt ol o n g e rl i n e st h a nt r a d i t i o n a lm e t h o d s ，b e s i d e s ，i ti s a b l et ob e a rt r a n s i t i o nr e s i s t o rh i g h l y t t a b s t r a c t k e y w o r dm s p 4 3 0 ；a d a p t i v er e c l o s i n g ；i n s t a n t a n e o u sf a u l t ；p e r m a n e n tf a u l t ； o p t i m a lr e c l o s i n gt i m e i i i 燕山大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于m s p 4 3 0 单片机的 自适应重合闸装置设计，是本人在导师指导下，在燕山大学攻读硕士学位 期问独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分 外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全 由本人承担。 作者签字安冈，1 影 日期；矽7 9 1 , 9 i t b 燕山大学硕士学位论文使用授权书 基于m s p 4 3 0 单片机的自适应重合闸装置设计系本人在燕山大学 攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果 归燕山大学所有，本人如需发表将署名燕山大学为第一完成单位及相关人 员。本人完全了解燕山大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。 本人授权燕山大学，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以 公布论文的全部或部分内容。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密母 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名鲁刮九 导师躲糯君 日期：卿年i n g 日 日期；冲够 第l 章绪论 第1 章绪论 自动重合闸能有效的弥补继电保护误动、线路瞬时性故障等原因引起 的停电事故，从而在最短的时间内恢复整个系统的正常运行状态，以保证 电力系统的安全供电。但是目前自动重合闸大多是盲目进行的，对于系统 来讲，如果重合于永久性故障却是一场更大的灾难【l 】。因此在重合之前判明 故障类型，然后再决定是否重合，即实现自适应的重合闸方式，对电力系 统有着很重要的意义【2 】。本章阐述了重合闸的各个发展阶段，对现有的重合 闸的方法进行了综述，并介绍了本文的主要内容。 1 1 + 自动重合闸 自动重合闸( a u t o m o t i v er e c l o s i n gd e v i c e s ，a r d ) 是指当断路器跳闸之 后，能够自动地将断路器重新合闸的装置【3 】。自动重合闸作为保证电力系统 安全供电的有效措施之一，能够有效的减少不必要的停电事故，在输、配 电线路中，尤其是高压、超高压输送电线路中，已经得到极其广泛的应用。 1 。1 1电力系统自动重合闸概述 现代电力系统已发展成为供电区域广、装机容量大、电压等级高、输 电距离长的现代电力系统。随着社会经济的飞速发展，对电力系统的可靠 性、稳定性和安全性的要求也越来越高，对继电保护性能的要求也越来越 苛刻1 4 】。对继电保护而言，分析电力系统故障的目的在于根据故障后电流、 电压、阻抗等电气量的变化特点确定故障是否发生、故障是否发生在被保 护范围之内、故障的性质以及故障发生的准确位置，进而决定继电保护是 否动作。用于线路方面的继电保护装置作为电力系统的重要组成部分在保 证系统安全、稳定和经济运行方面起着重要的作用，当线路发生短路故障 时可及时切除故障线路，能够保障系统其它部分的正常运行。在电力系统 的各组成元件中，线路作为覆盖面积最大且工作条件最恶劣的元件，受各 种各样自然条件的影响，其故障发生率是各个电力设备中最高的，其中单 燕山大学工学硕士学位论文 相接地故障是输电线路故障的主要表现形式。 输电线路故障按其性质可分为瞬时性故障和永久性故障两种：瞬时性 故障是指由雷电引起的绝缘子表面闪络、大风引起的碰线、线路通过线下 树木对地放电或异物落在导线上引起的短路等，这类故障在线路被继电保 护迅速断开以后，电弧可自行熄灭，故障点的绝缘强度基本恢复到正常水 平，这时合上电源，就能够恢复正常供电，故称此类故障为瞬时性故障； 永久性故障是指由于线路倒杆、断线、绝缘子击穿或损坏等引起的故障， 在线路被断开之后，故障点的绝缘不能恢复，这时，即使再合上电源，由 于故障依然存在，线路还要被继电保护再次断开，因而就不能恢复正常供 电，故称此类故障为永久性故障 5 1 。 一据运行经验表明，在1 1 0k v 以上的大电流接地系统的架空线路上，短 路故障中7 0 以上是单相接地短路，特别是2 2 0 - - 5 0 0k v 的高压输电线，由于 线间距离大，单相接地短路甚至可高达9 0 之多，而单相接地故障中约有 8 0 为瞬时性故障 6 1 。因此，在单相故障情况下只跳开故障相并延时自动重 合能提高系统暂态稳定性及供电可靠性。根据运行资料的统计，重合闸的 成功率( 重合闸成功的次数，总的重合次数) 一般在6 0 9 0 之间。由此可见。 自动重合闸对于提高瞬时性故障时供电的连续性、双侧电源线路系统并列 运行时的稳定性、以及纠正由于断路器或继电保护误动作引起的误跳闸， 都发挥了巨大的作用。 自动重合闸与电力系统的发展息息相关。它以电力系统的需要为发展 的动力，同时又不断吸取相关学科中出现的新成就作为发展的基础。 1 1 2 自动重合闸在电力系统中的作用 从系统运行要求看，使用自动重合闸的目的是为了在瞬时性故障消除 后使线路重新投入运行，纠正由继电保护误动作或其它原因引起的误跳闸， 从而在最短时间内恢复整个系统的正常运行状态，以保证电力系统的安全 供电。 由于输电线路上的故障大多数是瞬时性的，因此在线路被断开以后再 进行一次重合闸，就有可能大大提高供电的可靠性。重新合上断路器的工 2 第1 牵绪论 作可由运行人员手动操作进行，但手动操作时，停电时间过长，用户电动 机多数已经停转，因此重合闸的效果就不显著。为此，在电力系统中广泛 采用了自动重合闸装置来代替运行人员的手动合闸，即当断路器跳闸之后， 它能够自动地将断路器重新合闸 一 电力线路采月了自动重合闸装置会给电力系统带来显著的技术经济效 益，主要表现为1 5 7 】： ( 1 ) 大大提高供电的可靠性，减少线路停电的次数，特别是对单侧电源 的单回线路尤为显著。 ( 2 ) 在高压线路上采用重合闸，还可以提高电力系统并列运行的稳定性。 园而，自动重合闸技术被列为提高电力系统暂态稳定的重要措施之_ 。 ( 3 ) 在电网的设计与建设过程中，有些情况下由于考虑重合闸的作用， 可以暂缓架设双回线路，以节约投资。 ( 4 ) 对断路器本身由于机构不良或继电保护误动作而引起的误跳闸，也 能起到纠正的作用。 目前国内夕 采用的大多是断路器跳闸后经过一定时间的延迟再重合一 次的盲目性自动重合闸装置，因此难免会重合于永久性故障，所以自动重 合闸在带来巨大经济效益的同时，也给电力系统带来一些不利影响，主要 表现为伐7 j ( 1 ) 当重合于永久性故障时，电力系统再一次受到短路电流的冲击，有 可能使某些电气设备损坏或加速电气设备的绝缘老化。 ( 2 ) 当重合于永久性故障时，由于发热和电动力的作用，将有可能引起 非故障元件的损坏。 ( 3 ) 当重合于永久性故障时，有可能在重合过程中使电力系统的摇摆幅 度增大，甚至使电力系统失去稳定性。 ( 4 ) 当重合于永久性故障时，继电保护再一次使断路器跳开，断路器在 短时间内连续两次切断短路电流，恶化了断路器的工作条件。 ( 5 ) 在大型火电厂的高压出线上采用自动重合闸，有可能激发汽轮发电 机组的轴系扭振，造成轴系某部件或者连轴器的断裂或损伤。 燕山大学工学硕士学位论文 1 1 3 自动重合闸装置的基本要求 作为安全自动装置之一的自动重合闸装置应同继电保护装置一样应满 足可靠性、选择性、灵敏性和速动性等要求。 根据生产的需要和运行经验，对输电线路的自动重合闸装置，提出了 如下基本要求 3 , 5 , 7 1 ： ( 1 ) 动作迅速在满足故障点去游离所需的时间和断路器消弧室和断路 器的传动机构准备好再次动作所必须的时间的条件下，自动重合闸装置的 动作时间应尽可能短。自动重合闸的动作时间一般为o 5 1 5s 。 ( 2 ) 不允许任意多次重合自动重合闸动作次数应符合预先的规定。如 一次重合闸就只应重合一次。 ( 3 ) 动作后应能自动复归当自动重合闸成功动作一次后，应能自动复 归，准备好再次动作。 ( 4 ) 手动合闸时不应重合当运行人员操作或遥控操作使断路器断开 时，自动重合闸装置不应重合。 ( 5 ) 手动合闸于故障线路时不重合当手动合闸于故障线路时，继电保 护动作使断路器跳闸后，自动装置不应重合。 ( 6 ) 用不对应原则启动一般自动重合闸可用控制开关位置或断路器位 置不对应启动，对综合重合闸宜用不对应原则和保护同时启动。 ( 7 ) 能与继电保护动作配合自动重合闸应能与继电保护在动作上相互 配合。 1 1 4 自动重合闸的类型 随着电力系统的发展，自动重合闸的类型有一个从三相重合闸到单相 重合闸，再到综合重合闸的发展过程。故一般可认为自动重合闸有以下三 种类犁 如1 0 1 。 ( 1 ) - _ - 相重合闸所谓三相重合闸是指不论在输、配线上发生的是单相 故障还是相间故障，继电保护装置均将线路三相断路器同时跳开，然后启 动自动重合闸同时合三相断路器的方式。若故障为瞬时性故障，则重合闸 成功；否则保护再次动作，跳开三相断路器。 4 第1 章绪论 三相重合闸结构相对比较简单，保护出口可直接动作控制断路器，保 护之间互为后备的性能较好。 ( 2 ) 单相重合闸所谓单相重合闸是指线路上发生单相接地故障时，保 护动作只断开故障相的断路器，然后进行单相重合。如果故障是瞬时性的， 则重合闸后，便可恢复三相供电；如果故障是永久性的，而系统又不允许 长期非全相运行，则重合后，保护动作，使三相断路器跳开，不再进行重 合。 当采用单相重合闸时，如果发生相间短路，则一般都跳开三相断路器， 并且不进行三相重合；如果因任何其他原因断开三相断路器也不再进行重 合。 ( 3 ) 综合重合闸在线路上设计自动重合闸装置时，将三相重合闸和单 相重合闸综合在一起，当发生单相接地故障时，采用单相重合闸方式工作； 当发生相问短路故障时，采用三相重合闸方式工作。综合考虑这两种重合 闸方式的装置称为综合重合闸装置。 1 2 自适应重合闸 自适应重合闸是指当线路发生故障以后断路器在重合之前正确区分瞬 时性与永久性故障，以决定重合闸是否动作，如果是瞬时性故障则经过最 佳重合时间进行重合，如果是永久性故障则不再进行重合 1 1 - 1 3 】。 1 2 1自适应重合闸概述 因为自动重合闸是盲目进行的，当重合于永久性故障时，接连两次短 路故障的冲击，无疑会对系统的暂态稳定构成很大的威胁，而且重合于永 久性故障时对系统稳定和电气设备所造成的危害将远远超过正常运行状态 下发生短路所造成的后果。为了避免以上不利因素，产生了自适应重合闸。 自适应重合闸属于自适应继电保护的范畴，自适应继电保护是在2 0 世 纪8 0 年代提出的一个较新的研究课题。自适应继电保护可以定义为能根据 电力系统运行方式和故障状态的变化而实时改变保护性能、特性或定值的 保护。这种新型保护的出现引起了人们极大的关注和兴趣。而“自适应重 燕山大学工学硕士学位论文 合闸”思想的提出又为自适应技术在继电保护领域的应用开辟了广阔的前 景。而且，电子技术、计算机技术与通讯技术的飞速发展为继电保护技术 的发展注入了新的活力，使得微机保护在电力系统中的应用得以实现，其 强大的计算功能、存贮功能和逻辑判断能力，也使得自适应重合闸的实现 成为可能。 自适应重合闸能够在动作之前正确判别故障性质，当线路故障为永久 性故障时重合闸装置不动作，当线路故障为瞬时性故障时经过最佳重合时 间的延迟使重合闸装置进行重合，避免了自动重合闸重合于永久性故障， 从而提高了系统的安全稳定性。 自适应重合闸可分为单相自适应重合闸与分相自适应重合闸，利用耦 合电压的单相自动重合闸期间瞬时与永久故障的判定方法已经较为完善， 并投入实用，许继公司在其w x b 8 0 3 型输电线路电流差动保护装置中加装 了单相重合闸时瞬时与永久故障判定组件，避免重合于永久故障【l ”。 自适应分相重合闸的基本原理是，当发生故障的线路三相断开后，根 据故障选相的结果，先重合其中一相，在一相或两相线路重合带电后，即 可利用与自适应单相重合闸相似的方法识别故障是否消失。如果故障是永 久性的，不再重合其它未合的相，并再次断开三相；反之，则重合发生故 障的相，恢复线路正常运行。自适应分相重合闸方式，可以避免系统三相 重合以及重合于多相永久故障，缓解重合操作对系统稳定性以及汽轮发电 机组轴系扭振的影响【1 6 】。 1 2 2 自适应重合闸的发展及国内外研究现状 自适应重合闸的概念是由中国学者葛耀中教授于八十年代提出来的， 其目的是为了保证永久性故障时不重合1 6 j 。国外对重合闸的研究起步较晚， 比国内整整晚了1 0 年。总的说来，国内对于瞬时性故障与永久性故障的区 分主要是基于故障点电弧消失后，恢复电压阶段的某些特征量的不同来区 分的，不考虑电弧的影响；国外则主要是基于电弧的特点，通过检测有无 电弧来确定故障的性质。应该说明的是无论是瞬时性故障还是永久性故障 都会有电弧产生，但其电弧的电压和波形因故障性质不同而有了质的区别。 6 第l 章绪论 国内最早的单相自适应重合闸是根据线路单相跳闸后工频量的差异来 区分两种故障的，其基本思路是：当故障相被切除后，健全相的电压和负 载电流分别通过相间静电耦合和电磁耦合在被断开相上产生感应电压，瞬 时性故障时，电弧在故障相断开后很快熄灭，故障相上的电压为电容耦合 电压和电磁耦合电压的向量和；永久性故障时，接地电阻很小，电容耦合 电压分量可被忽略，断开相两端的电压由健全相电流和接地点的位置决定 【堋。此方法的缺点是只能在电弧熄灭后才能区分永久性故障和瞬时性故障， 需要有一个等待时间使电弧自熄，在瞬时性故障时这个等待时间可能会使 最佳重合闸时机失去。另外该判据是基于线路的集中参数模型的，因此对 于长线路会发生误判。基于工频量的判别方法有电压幅值判别法、补偿电 压判别法、综合补偿电压判别法、故障测距后的电压判别方法、电压相位 判别法等等i l “”j 。 国外的研究方法主要是基于故障点有无电弧来区分两种故障的。主要 是根据故障点一次电弧的特点来区分单相接地故障类型，通过母线电压谐 波分量与故障点谐波分量的关系来确定故障点有无电弧的存在，进而确定 故障类型【l m 2 1 。还可以利用故障母线电压所含的暂态高频信号的不同来区 分两种故障，其出发点是：瞬时性故障时，故障点的电弧可视为一个非线 性电阻，其在故障母线上产生高频信号反映在母线高频电压的能谱较高， 永久性故障时没有电弧存在，反映在母线高频电压的能谱较低，因此通过 门槛电压即可判定故障类型，且由于故障的判断是在故障产生到断路器跳 闸期间做出的，所以此方法还可用于三相自适应重合闸田矧。但缺点是常 规的线路电容式互感器( c v 驯玩不能传递高频信号，也不能传递直流信号， 采用上述方法时需要改善c v t 的响应特性。 文献【2 5 】提出了利用空气中电弧的特性识别瞬时性与永久性故障的数 字信号处理算法。但因建立准确的电弧模型非常困难，且由于不同类型的 电弧特性存在差异，致使该方法的普遍适用性受到了限制。 近些年，有许多研究人员提出了人工神经网络及其它新技术方法( 如小 波分析，模糊理论等等) 。但由于神经网络的使用需通过大量的样本训练以 确定连接神经元的权值和域值，所以，采集样本的模型和训练样本完备与 7 燕山大学工学硕士学位论文 否都直接影响了神经网络判断的准确性 2 6 - - 3 0 1 。 对瞬时性与永久性故障判别的多种方法的研究，为自适应重合闸的完 善以及在电力系统中的实际运用打下了理论基础。除了耦合电压判据已投 入实用外，对于其它判定方法，进一步将它们推入实用阶段，仍需大量的 研究工作。本文在第二章节中将一一介绍它们的具体原理和方法。 1 3 本文的主要内容 自动重合闸在电力系统继电保护中有着举足轻重的作用，但是到目前 为止，自适应重合闸在电力系统中的实际运用还是较少，并且考虑到传统 的耦合电压判别方法受线路长度的局限和有可能出现误判区的情况，结合 现代单片机强大的运算速度和处理能力，本文在前人研究的基础上，提出 了采用m s p 4 3 0 f 4 4 9 单片机来实现自适应重合闸的方法。本系统利用故障测 距值精确的计算故障点电压，从而更加精确的判别故障性质，对最佳重合 时刻的整定也满足了继电保护的要求，本文主要内容有： ( 1 ) 关于现有自适应重合闸故障判别方法的原理及缺陷的研究。 ( 2 ) 对重合闸最佳重合时间机理的研究。 ( 3 ) 基于m s p 4 3 0 f 4 4 9 单片机的自适应重合闸硬件设计。 ( 4 ) 基于m s p 4 3 0 f 4 4 9 单片机的自适应重合闸软件设计。 ( 5 ) 实验方法及实验结果分析。 第2 章单相自适应重合闸判据的研究 第2 章单相自适应重合闸判据的研究 目前，关于单相自适应重合闸的理论判据主要概括为基于工频量的判 别方法；根据故障电弧特性的判别方法；根据故障暂态产生的高频谐波特 性的判别方法；基于人工神经网络( n n ) 及其它新技术判别方法等等。基于 工频量的判别方法有电压幅值判别法，补偿电压判别法，综合补偿电压判 别法，故障测距后的电压判别方法，电压相位判别法等等【1 3 1 。 每种方法都有各自的优缺点，有的方法比较容易实现而有的方法因技 术原因实现比较复杂，本章将介绍各种判据的具体原理和方法及优缺点。 2 1 单相瞬时性故障断开相两端的电压特性 为了寻求在单相重合闸过程中判别瞬时性和永久性故障的途径，这里 讨论一相( 本章均以c 相故障为例) 断开时线路断开相两端的电压特性。本小 节讨论的电压特性是恢复电压特性。所谓恢复电压指的是故障相在电弧熄 灭后的线路端电压。 瞬时性故障时，当故障相线路两端断开后，短路点电弧在相对短时间 内很快熄灭，线路马上转入两相运行状态1 2 1 。在此将高压线路分为两类：一 类是带有并联电抗器的线路，另一类是不带并联电抗器的线路，前者如图 2 1 所示。 断开相两端的电压由电容耦合电压和电感耦合电压组成，图2 - 1 中并联 电抗器和中性点小电抗器接为星形。为了以后的分析方便，将上述多支路 星形变为对角连接的网形，将并联电抗器和中性点小电抗器转换为并联电 抗器对相间电容c 啊的补偿电感k 。与l ：和相对地电容c o 的补偿电感厶。 与k ，转换后的电路如图2 2 所示。图中： ， l 。，= ! ( 厶+ 3 k ) ( 2 1 ) 厶，= l i + 3 厶。f = 1 , 2( 2 - 2 ) 9 燕山大学工学硕士学位论文 j 【一 t i = c - 卅 i ll 、一 l $ () () 陬i ，k i _ c o ，即在分析过渡电阻对互感电压的影响时不考虑相 问等值阻抗以的影响。 设口= t l ，l 。= l 0 2 = 2 l o ，则近似分析时的等值电路如图2 7 所示。 口( ，吐( i - a ) ( ，虹 啦蔫+ 焉( i - 巧a ) u , l ( 2 - 1 4 ) 式中，以- = 一丽2 x l o x c o ； e t = 一面面2 x o i x 了c oi ； 以：= 一百2 面x l o ：x i c oi ； 燕山大学工学硕士学位论文 以z = 一面2 面x l o ：x 忑c o 。 从图2 7 可以定性的看出，当口= 0 5 时，短路点左右两边的电路参数 相同，电流方向相反。这时过渡电阻邱中的电流为零，因而坼对屯无影 响，叱= d 。2 ；当口= o 时，砟位于m 端，叱将随砟的增大而增大； 当口= 1 时，睇位于n 端，【7 。将随郫的增大而减小。 2 3 瞬时性故障与永久性故障的电压判别方法 2 3 1电压判据 电压判据是建立在测定单相自动重合闸过程中断开相两端电压的大小 来区分瞬时性故障和永久性故障的【埘。 由前几节分析可知，为判别瞬时性故障和永久性故障，应保证在永久 性故障时不重合，考虑最严重条件，电压判据的整定值应按下式决定： u o z = k k ( 2 1 5 ) 式中，k k = 1 1 1 2 ；u 虹为最大负载条件下两相运行时的感应电压。 当测量到的电压大于或等于u 。，时，判定为瞬时性故障，允许自动重 合闸动作。 从上述分析可知，当线路空载时，断开相两端电压值由电容耦合电压 决定，允许自动重合闸的条件可表示为： u ，e ，虹 ( 2 1 6 ) 由此可得出电压判据适用线路的长度为： ，盖 由式( 2 6 ) 可知u ，与未断开相的电流有关，健全相上的电流越大单位长 度线路的电感耦合电压就越大。所以，当线路空载时，健全相上的电流最 小，所以此时线路的适用长度最大，线路的适用长度还与负载电流成反比， 在线路最大负载时，健全相上的电流最大，此时可以由式( 2 1 7 ) 来决定适用 线路的最小长度。 第2 章单相自适应重合闸判据的研究 2 3 2 补偿电压判据 对于重负载长距离的高压输电线路，在断开相线路的两端将会出现永 久性故障电压大于瞬时性故障电压的情况。为了能正确区分永久性和瞬时 性故障，可采用补偿电压的方法【6 】。 ， 由于u 。随着线路长度的变化而变化，因此判据会受到导线长度的限 制。+ 在永久性故障时，线路断开相端电压与接地点到断开点的距离成正比。 分析结果表明，从适用长度看，当线路两端各补偿u 。2 时，可以得到最佳 结果。当电流方向规定为由母线流向线路是正方向时，瞬时性故障允许自 动重合的条件可表示为： 卜纠h ( 2 1 8 ) 式中，d 为断开相的测量电压。 由上式可见，在永久性接地短路条件下，线路两端得到的补偿电压的 最大值为【，。2 。在瞬时性接地短路时，断开相线路两端的电压由电容耦合 电压和互感电压决定。 由上述分析结果可以得到补偿电压判据的动作条件为： 卜纠= q 鼍挚= 等以， 由此可得出补偿电压判据的适用长度为： ，：三卫( 2 - 2 0 ) k ku | 电压补偿判据所适用的线路长度是电压判别法的2 倍，相应的补偿了 电压判别法的不足。 2 3 3 综合补偿电压判据 前两种方法均是在没有装设并联电抗器的情况下提出的，在带并联电 抗器和中性点小电抗器的高压长距离线路上，瞬时性故障切除后，断开相 线路两端的电压可能很低，因此提出了综合补偿电压判据，可表示为： 燕山大学工学硕士学位论文 卜纠卜刽 p z ， 卜纠卜纠 如果上式均满足，则判定为瞬时性故障，否则判定为永久性故斟6 1 。 用与电压补偿判据相同的方法可以得出，组合电压判据的适用长度是 电压判据的4 倍。 在应用上述三种判据时，在系统处于某些特殊的运行工况下，会出现 永久性故障时断开相端电压大于瞬时性故障时断开相端电压的情况，而且 电压判据受线路长度、有无并联电抗器、故障点过渡电阻等因素的限制， 可能会造成重合闸重合于永久性故障，所以该判据仍有待进一步完善。 2 4 电压判据的缺陷与不足 一般情况下，电压判据都能正确判断，但并不意味电压判据没有缺陷， 由于电力系统复杂多变的各种原因，在某些特殊工况下会出现错判的可能， 使得重合闸重合于永久性故障，失去了自适应重合的意义【3 0 】。 设故障相断开后的端口电压为d ( c k 或【k ) ，故障相的互感电压为 吼 由式( 2 6 ) 、( 2 - 7 ) 可得： u n = i o ( z o z i ) 工( 2 - 2 3 ) 式中，工是线路全长。根据电压判据的原理，我们可以将判据公式表 示为： c 矿= 蚓- l 鑫 f 2 - 2 4 ) 式中，口。= 吒吒，巧= 1 1 1 2 。 则c v 1 时判定为瞬时故障，允许重合； c v u 。的情况。这样电压判据就将永久性故障误判 为瞬时性故障，予以重合。可见，线路任一端口附近发生永久性单相接地 短路时，对端保护可能存在- , b 段的误判区，将永久性故障判定为瞬时性 故障。 补偿电压判据和组合补偿电压判据的缺陷与电压判据法相类似【8 】。以补 偿电压判据为例，说明如下： 补偿电压判据公式可以表示为： 1 9 燕山大学工学硕士学位论文 b c v = f 2 - 2 9 ) 则b c v l 时判定为瞬时性故障，允许重合； b c v l 时判定为永久性故障，闭锁重合。 与上述分析方法一样，在瞬时性故障情况下，当0 m 一2 时， b c v poz(2-43) 式中，昂：为判据的整定值。 由式( 2 - 4 2 ) 计算得到只，再根据式( 2 - 4 3 ) 可判别瞬时性故障与永久性故 障。但是此判据因为二次电弧的燃烧阶段很短，息弧时刻的捕捉也成了问 题。而且因互感器的缺陷很难捕捉来自现场的高频信号，所以判据的计算 也受到了限制。 2 8 利用空气中电弧特性的判别方法 2 8 1 故障点电弧特性 线路发生故障时，故障点有电弧产生，而电弧的变化在永久性故障和 2 5 燕山大学工学硕士学位论文 瞬时性故障情况下是不同的。在永久性故障情况下电弧很快就会熄灭；而 瞬时性故障时，电弧要经过燃烧、熄灭、重燃、熄灭的反复过程。 在2 2 0k v 及以下的电压等级线路上，故障点的电弧一般都能在0 2 秒内 快速熄灭，但在3 3 0k v 及以上电压等级的线路上，由于电压高、线路长、 输送容量大，使潜供电流的燃弧时间变长，有时甚至不能自熄，使单相重 合闸不能成功【2 3 1 。为了限制潜供电流，一般在线路两端并联中性点带小电 抗器的三相电抗器来减少相间耦合，从而达到减少潜供电流和降低恢复电 压的目的。对未装并联电抗器的线路，采用快速接地开关( h s g s ) 是熄灭潜 供电流的有效办法。h s g s 装在输电线路的每一相上，当某相发生故障时， 故障相的开关断开，故障相的快速接地开关( h s g s ) 合上，待潜供电流熄灭 后，快速接地开关打开，重合闸动作。当h s g s 合上时，故障相的对地电容 短路使得故障相的恢复电压的电容分量接近零，同时，潜供电流也被h s g s 分流。 对于瞬时性故障和永久性故障，其产生的电弧变化过程是不同的，永 久性故障可被认为是经过一个线性电阻接地，但瞬时性故障必须要用一个 非线性电阻来模拟。 2 8 2 电弧模型 一次电弧在电源能量的支持下，有比较稳定的横截面和长度，电弧的 压降主要在弧柱上【i l 】。其动态特性可表示为： 等= ( g ，一g p ) ( 2 - 4 4 ) 西t 、9 舯加，= 甚；乙= 等 各参数的意义为：g ，是随时间变化的一次电弧电导；g ，是一次电弧的 稳态电导；乙是时间常数；，是电弧长度；，是一次电弧的电流峰值；口 是比例系数，可通过实验方法求得；圪是一次电弧单位长度的电弧电压， 为1 5 v c m i d 是电弧电流的绝对值。 二次电弧的动态特性同一次电弧非常相似，也可用式( 2 4 4 ) 来分析它的 第2 章单相自适应重合闸判据的研究 特性，但是，二次电弧是一个比一次电弧更为复杂的现象，其影响因素是 多方面的。二次电弧要经过燃烧、熄灭、重燃，熄灭的反复过程，直到电 弧电压不再大于电弧重燃所需要的电压后，二次电弧才算是真正意义上的 熄灭。 2 8 3 判据的提出 经过对电弧电压的研究发现，瞬时性故障下电弧电压波形有很大的畸 变，但在永久性故障下将不会有畸变波形的出现。根据这一特征采用小波 分析方法，经小波变换后，相应的小波变换系数也将会体现出此特征，瞬 时性故障的小波变换系数要比永久性故障下的小波变换系数的模极大值要 大。考虑到小波变换系数有正有负，于是类似于时域中能量的概念，引入 了某尺度下其平方和作为波形检测的判据： e = 吲2 ( 2 - 4 5 ) 式中，置为电弧电压信号八墨) 的小波变换，阿以理解为信号f ( x a 在某 尺度下小波变换的能量，简称为小波能量。 为了对各种不同电压等级的线路能有一个统一的判别标准，令 z = 2 ( 2 - 4 6 )， 式中，e 称为小波标么能量；x 为线路额定相电压。 通过试验发现，瞬时性故障下故障相电压的小波能量和永久性故障下 故障相电压的小波能量都有着数量级的差别，瞬时性故障时小波标么能量 都不小于l ，永久性故障时小波标么能量都不大于0 3 5 。虽然有误差存在， 但对于正确区分故障性质来说影响不大，可取小波能量值0 7 5 作为判据，小 波标么能量大于0 7 5 则判为瞬时性故障，小波标么能量小于0 7 5 n 判为永久 性故障。 该方法对电弧的燃烧特性、一次电弧、二次电弧，电弧息弧时刻等几 个不同的故障后的暂态及稳态的变化进行分析研究，提取了电弧电压信 号、用数学模型来描述电弧的动态特性来区分故障性质。但因故障介质的 燕山大学工学硕士学位论文 不同和电弧燃烧时间的短暂很难正确捕捉电弧电压特征来建立准确的标准 电弧模型。 2 9 人工神经网络及其它新技术方法 利用人工神经网络( a n n ) 和其它新技术方法可以充分利用很多简单判 据所不能利用的复杂故障特征，并可以改进和综合简单判据，使故障判定 更为准确可靠。方法有很多：如利用模糊神经网络、模糊控制理论、小波 神经网络、波形识别、基于预测理论的自适应重合闸的状态预测模型等等。 人工神经网络是由大量处理单元组成的非线性大规模自适应系统，它 把算法和结构统为一体，是硬件和软件的混合体。人工神经网络( a n n ) 具有 高度神经计算能力以及极强的自适应性、鲁棒性和容错性，它可以充分利 用很多简单判据所不能利用的复杂故障特征，并可以改进和综合简单判据， 使故障判定更为准确可靠，并且在瞬时性故障情况下，能判定息弧时间。 每种方法各有优缺点，并为自适应重合闸的完善以及在电力系统中的 实际运用打下了坚实的理论基础。如模糊控制理论的引入可修正单相自动 重合闸过程中瞬时与永久故障的耦合电压判据【2 6 , 3 0 1 ；运用小波变换可以捕 捉瞬时与永久故障的物理故障特征1 1 , 2 7 1 ；因人工神经网络( a n n ) 具有高度神 经计算能力以及极强的自适应性、鲁棒性和容错性，所以利用人工神经网 络可以充分利用很多简单判据所不能利用的复杂故障特征1 6 , 2 8 1 。 利用人工神经网络和其它新技术方法精度虽然很高，但是训练神经网 络需要做大量的故障计算，基于小波理论、模糊控制理论等的自适应重合 闸判据需要做大量的数据运算处理，难以保证实时性，所以要应用到实际 系统中仍需大量的研究工作。 2 1 0 本章小结 本章首先详细的分析了超高压输电线路上发生瞬时性故障和永久性故 障时线路端电压的构成与大小关系，得出了在两种故障情况下，恢复电压 的大小及其特征。 第2 章单相自适应重会闸刿据的研究 超高压输电线路具有分布参数的特点，并且各相之间存在耦合电容。 在发生故障的故障相被断开后，该相仍有残存电压。当线路上发生瞬时性 故障时，断路器跳开后，经过一段时间，电弧息弧，故障点消失，线路端 电压由电容耦合电压和电感耦合电压组成，其值较大；而当线路上发生永 久性故障时，断路器跳开后故障点始终存在，线路端电压只有健全相与故 障相之间的电感耦合电压，其值较瞬时性故障时要小。 根据上述结论，本章对相应的电压判据、补偿电压判据、综合补偿电 压判据的原理与推导方法进行了详细的介绍。 输电线路上发生瞬时性故障和永久性故障时线路端电压上的相位是有 差异的，对由此提出的电压相位判别法的原理和判据进行了介绍。线路上 发生故障时，在故障点处无论金属性接地还是经过渡电阻接地，该点电压 总是小于该点发生瞬时故障时健全相在该点的电容耦合电压，对由此提出 的利用故障测距结果来计算故障点电压的基于故障测距结果的电压判别方 法也进行了详细的介绍。 接着阐述了故障电弧在瞬时性故障与永久性故障两种情况下的不同。 基于现有的瞬时性故障时电弧分析的大量研究成果，引用并综述了电弧动 态特性的数学表达式。通过对一次电弧和二次电弧的特征，详细介绍了利 用故障电弧特征判别故障类型的原理和方法。 最后简单介绍了利用人工神经网络( a n n ) 和其它新技术方法来判别故 障类型的方法。 燕山大学工学硕士学位论文 第3 章重合闸最佳合闸时间机理的研究 超高压输电系统中采用自动重合闸装置是提高电力系统暂态稳定品质 的重要措施之一。如何在重合闸装置最小间歇时间的基础上整定重合闸时 间，以最有效的提高系统暂态稳定性方面的研究一直受到关注。 目前的重合闸装置多采用定时问间隔重合闸，即继电保护跳闸后，经 一固定的时间间隔重合断路器，若继电保护再次跳闸则不再重合。这个固 定时间问隔成为重合闸问歇时间，一般以整定值常数实现【3 l 】。 这种重合闸方式不能区分故障是永久性还是瞬时性，更不能区分故障 的远近，带有一定的盲目性。为了提高重合闸的成功率，以保证重合于瞬 时故障时重合成功、永久性故障时断路器能再次跳开，重合闸的间歇时间 一般考虑以下几个因素： ( 1 ) 故障点绝缘强度的恢复时间。 ( 2 ) 断路器绝缘介质强度恢复时间。 ( 3 ) 断路器操作机构再次合闸恢复时问。 ( 4 ) 一定的时间裕度。 这几个因素综合考虑之后得出一个重合时间，本文称之为“最小间歇 时间”。结合不同电力系统重合闸成功的经验，取大于这个最小间歇时间的 某个时间作为重合闸的整定时间，这个时间主要保证：如瞬时性故障能够 重合成功，若永久性故障能再次跳开，对于永久性故障何时跳开最好，并 没有作过多的考虑。 自适应重合闸的目的是准确的判别永久性故障和瞬时性故障，保证当 永久性故障时不再重合闸，以免除第二次故障对电力系统的冲击。第二次 故障冲击对电力系统的设备带来的危害很明显，但是从电力系统稳定的角 度出发，第二次故障冲击不一定加剧电力系统的摇摆。因此，从电力系统 稳定和阻尼摇摆的角度，对目前广泛安装在超高压线路上的重合闸提出最 佳合闸时间的概念，并给出最佳合闸时间整定的计算方法，当无法判别瞬 时性故障与永久性故障时，按照这个时间重合闸，即使重合于永久性故障， 第3 章重合闸最佳合闸时间机理的研究 也只会阻尼系统的摇摆，决不会因第二次故障冲击使得系统失步。 3 1 最佳故障切除时间与最佳合闸时间 3 1 1电力系统暂态稳定的经典数学模型 当研究电力系统遭受大扰动后的暂态稳定性时，经典模型可记为： 咖驴匕 ，2 ，刀0 - 1 ) o 2 ij 对于扰动前、扰动期间、扰动清除后的电力系统，方程( 3 1 ) 为分段函 数。假定重合闸的最后一次操作( 重合成功或不成功再次跳开) 时刻为 t = 0 + ，系统新的稳定平衡点作为状态空间的原点，经坐标变换所要研究的 系统稳定性方程可表示为： 譬铲圪 川，2 ，h ( 3 - 2 ) 2c a , j 式中，m 为第i 号机组的惯性常数，b 为机械输入功率，匕为输出的电磁 功率。方程0 - 2 ) 是一个非线性微分方程组，重合闸完成后电力系统的同步 稳定性是方程( 3 2 ) 解的稳定性。根据l y a p n o v 直接法理论，其解的稳定性 与初值状态有关，当初值落于稳定域内时，系统是稳定的。 其初值为重合闸最后一次操作完成时刻各发电机组的角度、角速度与 新的稳定平