（电力系统及其自动化专业论文）基于负荷电流为参考的高频方向保护及滚动傅氏算法.pdf

摘要 随着电力系统的发展，大型发电机组和远距离输电线路在电力系统中的投入越 来越多，对继电保护的要求也越来越高。大电源长线路末端接地故障使零序保护出 现因零序电雎过低而使保护拒动的严重问题，成为零序保护在实际应用中的新难 点。随着电力网络结构的日益发展，这一问题将更为突出。在全面理解零序保护原 理的基础上，本文重点对零序电j 玉补偿进行了研究，提出零序电握补偿的方案；对 保护拒动进行了分析，提出以负荷电流为参考量的方向电流高频保护；同时由于低 电压信号下对保护傅立叶算法精度要求更高，提出滚动傅立叶算法，提高滤波算法 抑制衰减非周期分量能力。 关键词：零序保护，电压补偿，负荷电流，傅立叶算法，滚动傅立叶算法 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp o w e rs y s t e m ，t h e r ea r em o r ea n dm o r el a r g e s c a l e g e n e r a t i n g s e ta n dr e m o t et r a n s m i s s i o nl i n ei n p u ti nt h ep o w e rs y s t e m ，a n dt h e r e q u i s i t i o nf o rr e l a yp r o t e c t i o ni sh i g h e ra n dh i g h e r t h ee n de a r t hf a u l to fb i gp o w e r s o u r c ea n dl o n gl i n em a k e sz e r o s e q u e n c ep r o t e c t i o na p p e a r i n gs e r i o u sp r o b l e mt h a t p r o t e c t i n gr e f u s e dt om o v eb e c a u s et h ev o l t a g eo fz e r o s e q u e n c ei sl o w ，a n db e c o m ea n e wd i f f i c u l tp o i n tt h a tz e r o s e q u e n c ep r o t e c t i o ni np r a c t i c a la p p l i c a t i o n w i t he l e c t r i c n e t w o r ks t r u c t u r ei sg r o w i n g ，t h i sq u e s t i o nw i l lb em o r eo u t s t a n d i n g o nt h eb a s i so f u n d e r s t a n d i n gt h ep r i n c i p l eo fz e r o s e q u e n c ep r o t e c t i o ni na f ta l l r o u n dw a y ，t h i st e x t c a r r yo i lr e s e a r c ht o t h ec o m p e n s a t i o no fv o l t a g ee s p e c i a l l y ，p r o p o s ec o m p e n s a t i o n s c h e m et ot h ev o l t a g eo fz e r o s e q u e n c e ；a n a l y s et op r o t e c t i n gr e f u s i n gt om o v e ，p u t f o r w a r dak i n do fd i r e c t i o n a lh i g h f r e q u e n c yc u r r e n tp r o t e c t i o nw h i c ho n l yr e g a r d e dl o a d c u r r e n ta sr e f e r e n c e ：u n d e rt h el o w v o l t a g es i g n a lc o n d i t i o n ，p r o t e c t i o n sr e q u i s i t i o nf o r p r e c i s i o no ff o u r i e ra l g o r i t h mw i l lb eh i g h e r ，p r o p o s er o l l f o u r i e ra l g o r i t h m ，i m p r o v e f i l t e ra l g o r i t h m sa b i l i t yt os u p p r e s st h ed e c a y i n gn o n p e r i o d i cc o m p o n e n t l i uc h e n g k u n ( e 】e c t r i cp o w e r s y s t e ma n da u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f h u a n gs h a o f e n g k e y w o r d ：z e r o - s e q u e n c ep r o t e c t i o n ，t h ec o m p e n s a t i o no fv o l t a g e ，l o a dc u r r e n t ， f o u r i e ra l g o r i t h m ，r o l lf o u r i e ra l g o r i t h m 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取 得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任 何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。 特此申明。 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅：学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文：同意学校可以用不同方式在不 同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：蓟叠丝 h期：麴q6 ：三! 垦 导师签名： 日期： 型! ! 骖 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 1 1 课题的背景及意义 第一章绪论 “经济要发展，电力要先行”，我国高速发展的市场经济，一定要有强大的电 力工业作为后盾。近两年全国用电紧张，发电装机容量逐年增加，每年都有新建的 机组和变电站投入运行。在系统容量不断扩大的同时，大容量的机组、变电站在系 统中的应用也越来越多，电网结构逐步完善，输电线路的电压等级、长度不断增加。 目前，正在进行大区域联网和西电东送及超高压线路的建设。 经济的高速发展对电力的需求和质量提出了越来越高的要求。电能的可靠性对 于电力用户有着重大影响。当电力系统发生故障时，如果不能及时排除故障，就会 严重影响企业的正常生产和人民的正常生活，并会造成巨大的经济损失。 在电力系统运行中，系统发生故障和不正常运行状态都会危及到电力系统安全 稳定运行，其中最常见，同时也是最危险的故障就是发生各种形式的短路，如三相 短路、两相短路、两相接地短路、单相接地短路等。当电力系统发生短路故障时， 可能引起以下严重后果： ( 1 ) 故障点通过很大的短路电流将燃起电弧，烧毁电力设备，造成系统部分用 户停电。 ( 2 ) 短路电流通过非故障设备，由于发热和电动力的作用，致使其绝缘遭受损 毁或使其使用寿命缩短。 ( 3 ) 电力系统中部分地区的电压、频率下降，影响用户的正常生产。 ( 4 ) 破坏电力系统并列运行的稳定性，使事故扩大，引起系统振荡，甚至造成 整个系统瓦解。 电力系统中最常见的不正常运行状态是过负荷。由于过负荷，流过电力设备的 负荷电流超过其额定值，使载流设备和绝缘材料的温度升高，从而加速绝缘老化或 使设备遭受损坏，甚至会发展成故障。此外，由于电力系统中出现功率短缺而引起 的频率降低、发电机突然甩负荷引起的过电压以及电力系统振荡等均属不正常运行 状态。 电力系统中发生故障或出现不正常运行状态时，可破坏系统的稳定运行，电能 质量下降，以致造成停电或少供屯，甚至毁坏设备。为避免或减少事故的发生，提 高屯力系统运行的可靠性，应发挥人的主观能动性，改进设备设计制造，保证设计 安装质量，加强对设备的维护和检修，提高运行管理水平。应采取积极预防事故的 措施，尽一切可能减少事故发生的机率。 由于电力系统各级设备之间都有电或磁的联系，当故障发生时，会在瞬间波及 华北电力大学d e 京) 硕士学位论文 到整个电力系统。因此必须迅速而有选择地切除故障设备，以确保电力系统非故障 部分继续安全运行，避免事故扩大，缩小事故的范围和影响。继电保护就是保证电 力系统安全运行和提高电能质量的重要工具。 继电保护装置就是能反应电力系统中电气设备发生故障或不正常运行状态，并 作用于断路器跳闸或发出信号的自动装置。它的基本任务就是： ( 1 ) 系统发生故障时，自动、迅速、有选择地将故障设备从电力系统中切除， 以保证系统中非故障部分迅速恢复正常运行，并使故障设备免于继续遭受 破坏。 ( 2 ) 反应电气设备的不正常运行状态。根据不正常运行状态的种类和设备运行 维护条件( 如有无经常值班人员) 发出信号，由值班人员进行处理或自动进 行调整，减负荷或将那些继续运行会引起事故的电气设备予以切除。反应 不正常运行状态的继电保护装置允许带有一定延时动作。 继电保护的作用就是通过预防事故或缩小事故范围来提高电力系统运行的可 靠性，最大限度地保证向用户安全连续供电，是电力系统安全可靠运行不可或缺的 技术措施。 为了保证系统的安全运行，减少事故损失，继电保护应该注意满足“四性”的要求： ( 1 ) 灵敏性：保护应灵敏动作于各种故障或对不正常运行状态作出反应。 ( 2 ) 速动性：对于在超高压、远距离输电线路上的保护，当发生故障时，可能 会产生严重后果，带来巨大损失，需要采取有效的措施保证保护迅速作出 反应。 ( 3 ) 可靠性：保护在发生内部故障时应可靠动作，而在发生外部故障时不应误 动。 ( 4 ) 选择性：在发生故障时，保护应仅将故障部分从系统中切除，而系统中无 故障的部分仍能继续安全运行。 继电保护种类很多，构成方式各不相同，但继电保护的基本工作原理是一致的， 即反应电力系统各电气量在系统发生故障或不诈常运行时与j 下常运行时的变化。 继电保护在电力系统中占有重要地位，我国从七十年代末就开始了微机继电保 护的研究，高等院校和科研院所在这里面起到了先导的作用，相继研制出了不同原 理、不同型式的微机继电保护装置。八十年代产生了第一套微机型继电保护，随后 投入批量生产。微机继电保护从二十世纪九十年代开始在我国电网中逐步得到实际 应用。从那以后，随着国民经济对用电量需求的不断增大，变电站的数量以每年2 4 的速度增长，而在新建的变电站中，9 0 以上采用的是微机继电保护系统。 同时，根据电网运行的要求，每年还有相当数量的变电站进行技术改造，提高综合 自动化水平。与此同时，各大高校与科研院所在微机继电保护方面投入了大量的人 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 力和物力进行研究，国内几大继电保护生产厂家也纷纷转向微机继电保护的研发和 生产，各种保护原理方案、算法的微机线路保护和微机主设备保护相继问世，为电 力系统提供了一批性能优良、功能齐全、工作可靠的微机继电保护装置，同时也积 累了丰富的运行经验。随着微机保护装置的深入研究，在微机保护软件、算法等方 面也取得了很多的理论成果。我国继电保护技术已进入了微机保护的时代，并且也 带动了变电站综合自动化的发展。当前，微机线路保护装置己广泛应用于我国电力 系统中，微机型主设备保护、母线保护也逐渐得到应用。 在十九世纪末已丌始利用熔断器防止在发生短路时损坏设备，建立了过电流保护原 理，1 9 0 1 年第一台感应式过电流继电器问世，1 9 0 8 年研制出电流差动保护，自1 9 1 0 年 起丌始采用方向性电流保护，1 9 2 0 年初制成了距离保护，1 9 2 7 年开始了快速动作的高 频保护的研究。由此可见，从继电保护的基本原理看，到本世纪2 0 年代末现在普遍应 用的继电保护原理基本上都已建立，但它总是根据电力系统发展的需要，不断从相关学 科取得最新成果中吸收营养，发展和完善自身。继电保护最早使用的是机电型继电器； 随着半导体器件的产生，人们将其用于保护装置，构成了整流型保护继电器，使维修工 作大为减轻；晶体管的出现，带动了静态型继电器的研制，微电子学的飞速发展，大规 模集成电路的产生，使分立单元的晶体管逐渐为集成电路保护所取代，成为第_ 代静态 型继电器；数字计算机和微处理器的出现则为继电保护数字化开辟了美好的前景，微机 型继电保护产品逐渐成为无可置疑的首选产品。近百年来继电保护发展的飞跃亦是随着 构成保护器件的升级而出现的，第一次飞跃是由机电式到半导体式，主要体现在无触点 化、小型化、低功耗；第二次飞跃是由半导体式到微机型，主要体现在数字化、智能化。 显然，第一次飞跃只是在提高保护装置的硬件可靠性和经济性、方便性等方面有质变， 而第_ 次飞跃则是具有更为重要的意义，因为它不仅是提高了保护装置的性能，更重要 的是为保护的原理和功能产生质的变化提供了可能性”1 。 随着微机保护的发展不断有新的改善继电保护性能的原理和方案出现，这些 原理和方案同时也对微机保护装置硬件提出了更高的要求。由于集成电路和计算机 技术的飞速发展，微机保护装置硬件的发展也十分迅速，结构更加合理，性能更加 完善。微机保护装置的发展大致可以分为以下几个阶段： 第一阶段：以单c p u 的硬件结构为主，数据采集系统由单一的逐次逼近式a d 转换芯片构成。 第_ 阶段：实现不同保护原理的各个c p u 均采用其专用的数据采集系统( 即a d 转换器) ，弱点在于保护系统及装置的结构复杂、灵活性较小，且a d 价格昂贵，整 华北电力大学( - i i ：京) 硕士学位论文 套保护需要多个a d 转换芯片，成本较高。 第三阶段：采用v f c 构成的数据采集系统( 光电隔离、脉冲计数) 避免了多c p u 系统中经常出现复杂的总线操作，同时也解决了数据共享的问题，利用多c p u 的特 点，强化了自检和互检功能，使硬件故障可以定位，对保护的出口跳闸回路，具有 完善的抗干扰措施以及防止误动和拒动的措施。 第四阶段：以高性能的1 6 位或3 2 位单片机的硬件结构为主，许多外围设备都集 成在一个芯片罩，具有总线不引出芯片，电路简单的特点，抗干扰性能得到进一步 加强，并且完善了通信功能，为实现变电站自动化提供了方便。 零序电流方向保护是反应线路发生接地故障时零序电流分量大小和方向的多 段式电流方向保护，在我国大短路电流接地系统不同电压等级电力网的线路上，根 据部颁规程规定，都装设了这种接地保护装置作为基本保护。 零序电流方向保护具有原理简单、动作可靠、设备投资小，运行维护方便、正 确动作率高等一系列优点。电力系统事故统计材料表明，大短路电流接地系统电力 网中线路接地故障占线路全部故障的8 0 9 0 ，零序电流方向接地保护的正确动 作率约9 7 ，是高压线路保护中正确动作率最高的一种。 随着电力系统的不断发展，电力网日趋复杂，短线路和自耦变尴器日渐增多， 零序电流方向保护在这一新局面下也显露出自己固有的局限性。为此，现行规程中 在规定装设多段式零序电流方向保护的同时，还补充规定：“对某些线路，如方向 性接地距离可以明显改善整个电力网接地保护性能时，可装设接地距离保护，并辅 以阶段式零序电流保护”。 方向性零序电流保护是简单而有效的接地保护方式，其优点是： ( 1 ) 结构与工作原理简单。零序电流保护以单一的电流量作为动作量，而且只 需用一个继电器便可以对三相中任一相接地故障作出反应，因而使用继电 器数量少、回路简单、试验维护简便、容易保证整定试验质量和保持装置 经常处于良好状态，所以其正确动作率高于其他复杂保护。 ( 2 ) 整套保护中间环节少，特别是对于近处故障，可以实现快速动作，有利于 减少发展性故障。 ( 3 ) 在电网零序网络基本保持稳定的条件下，保护范围比较稳定。由于线路接 地故障零序电流变化曲线陡度大，其瞬时段保护范围较大，对一般长线路 和中长线路可以达到全线的7 0 8 0 ，性能与距离保护相近。而且在装 用三相重合闸的线路上，多数情况，其瞬时保护段尚有纵续动作的特性， 即使在瞬时段保护范围以外的本线路故障，仍能靠对侧断路器三相跳闸 后，本侧零序电流突然增大而促使瞬时段起动切除故障。这是一般距离保 护所不及的为零序电流保护所独有的优点。 ( 4 ) 保护反应于零序电流的绝对值，受故障过渡电阻的影响较小。例如，当 4 一 华北电力大学( 北京) 硕十学位论文 2 2 0 k v 线路发生对树放电故障，故障点过渡电阻可能高达1 0 0q 以上，此 时，其他保护多将无法起动，而零序电流保护，即使3i 。定值高达数百安 ( 一般1 0 0 a 左右) 尚能可靠动作，或者靠两侧纵续动作，最终切除故障。 ( 5 ) 保护定值不受负荷电流的影响，也基本不受其他中性点不接地电网短路故 障的影响，所以保护延时段灵敏度允许整定较高。并且，零序电流保护之 间的配合只决定于零序网络的阻抗分布情况，不受负荷潮流和发电机丌停 机的影响，只需使零序网络阻抗保持基本稳定，便可以获得较良好的保护 效果。 零序保护所具有的这一系列优点，使之成为目前电力系统接地故障的主要保护 方法，在电力系统接地故障中得到广泛应用。目前，零序电压及电流高频保护已经 有成熟的设备应用于实际之中。但随着电力系统自身的发展，出现了大电源长线路 末端接地故障时，保护测得零序电压过低，出现零序方向元件拒动的问题。这一问 题的出现成为困扰零序保护的棘手问题。 1 2 课题的研究现状 本课题涉及零序电压补偿和低电压滤波两个方面。在零序电压补偿方面，目前 国内外诸如s e l 公司、西门子公司等都对这一问题展丌研究，但都不成熟，仍处于 探索阶段。文献【1 】中提出了电流保护的“电压死区”问题及解决方案，指出以非故障 相接线法或采用电压记忆回路的方式。显然，非故障相接线法不适用于零序接地保护的 零序电压补偿，同时，电压记忆回路的方式也不能满足保护快速性的要求；低屯址滤波 方面，当前微机继电保护的应用要求在满足精度的前提下，滤波算法数据窗越短越好， 尽可能满足保护快速性要求，因此，傅立叶算法得到广泛应用。在涉及到抑制衰减非周 期分量上，文献f 1 6 3 8 1 均对该问题进行有效的探讨，在谐波分析上有些方法已经很成 熟。但无一例外数据窗都过长，多于一周波。 1 3 本论文的主要内容 本论文针对大电源、长线路末端接地故障中零序电压过低情况下保护拒动的一 些关键问题展开工作，目的是对可能出现的保护拒动问题进行分析，得到故障时电 气量更多的信息，进而研究新的解决方案，提高保护的性能。本文将在以下几个方 面丌展工作并力求有所创新。 1 、在现有零序保护原理的基础上，通过对大电源、长线路末端接地故障的分析， 深入研究故障中的计算过程和影响保护所测的零序电压的主要因素，提出零序 电雎补偿的方案。利用该方案，解决大电源、长线路末端接地故障时，保护所 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 测得零序电压过低时保护拒动问题。 2 、从保护拒动问题的本质入手，考虑由于电压导致拒动问题的产生，抛弃电压， 研究方向保护的新方法，仅以负荷电流为参考量，提出以负荷电流为参考量的 方向电流高频保护的新方法。针对该方法构成的理论基础、实现方式及特点进 行探讨。 3 、借助m a t l a b 软件，考虑到傅立叶滤波在保护中应用最为广泛，通过对傅立叶 滤波的分析，提出滚动滤波的方法，期望在继承傅立叶滤波优点的同时，克服 其在衰减非周期分量上的不足，使该滤波方法在低电雎或电流故障情况下有很 好的滤波精度，并给出滚动滤波实现方式，为零序电压补偿研究的应用奠定基 础。 华北电力大学( 北京) 硕十学位论文 2 1 前言 第二章零序电压过低情况下零序电压补偿 系统在各种不同类型短路时，对各序电压有效值的分布情况进行分析，从各序 网络中可以看出，这种电压分布具有普遍性： ( 1 ) 越靠近电源正序电压数值越高，越靠近短路点正序电压数值就越低。三相 短路时，短路点电压为零，系统其它各点电压降低最严重；两相短路接地 时正序电压降低的情况仅次于三相短路；单相接地时正序电压值降低最 ，j 、。 ( 2 ) 越靠近短路点负序和零序电压的有效值总是越高，这相当于在短路点有个 负序和零序的电源。越远离短路点，负序和零序电压数值就愈低。在发屯 机中性点上负序电压为零。 在双侧或多侧电源的网络中，电源处变压器的中性点一般至少有一台要接地， 由于零序电流的实际流向是由故障点流向各个中性点接地的变压器，因此在变雎器 接地数目比较多的复杂网络中，就需要考虑零序电流保护动作的方向性。由于越靠 近故障点的零序电j 玉越高，因此零序方向元件没有电压死区。相反地，倒是当故障 点距保护安装地点很远时，由于保护安装处的零序电压低，零序电流很小，继电器 反而可能不动作。尤其在大电源、长线路末端高阻接地故障时，这种现象更为突出。 2 2 功率方向继电器的工作原理 要解决上述拒动问题，需要先深入了解当前普遍使用的方向继电器的工作原 理，以便针对该问题提出解决方案。 在图2 2 1 ( a ) 所示的网络接线中，对保护1 而言，当正方向d 点三相短路时， 如果短路电流i 。的给定f 方向是从保护安装处母线流向线路，则它滞后于该母线电 压u 一个相角巾。( 中。，为从母线至d 。点之间的线路阻抗角) ，其值为0 。 巾。 9 0 0 ， 如图2 2 1 ( b ) 所示。当反方向d 。点短路时，通过保护1 的短路电流是由电源e ，供 给的。此时对保护l 如果仍按规定的电流正方向观察，则i 。：滞后于母线电j = l 三u 的相 角将是1 8 0 。+ 巾。( 巾。为从该母线至d ：点之间的线路阻抗角) ，其值为1 8 0 0 _ 0 ( 2 - 2 6 ) 除正方向出1 ：3 附近发生三相短路时，ub c 一0 ，继电器具有很小的电j _ 1 三死区以外， 在其他任何包含a 相的不对称短路时，i 。的电流很大，u 。的电压很高，因此继电器 不仅没有死区，而且动作灵敏度很高。为了减小和消除三相短路时死区，可以采用 电雎记忆回路，并尽量提高继电器动作时的灵敏度。 2 3 大电源长线路末端接地故障分析 接地故障零序电压普遍存在离故障点越远，零序电压越小特性。对于大电源、 长线路末端接地故障，现分析保护所测各序电压情况。图2 3 1 所示的简单大电源 长线路电力系统末端接地故障，分析如下： d l 图2 3 1 简单电力系统末端故障 1 ) 单相短路接地故障时，复合序网如图2 3 2 所示， 华北电力大学d e 京) 硕士学位论文 有 e ! ! ! 丝型 u l + u 2 + u o = 0 ，l = j ，2 = ，o 图2 3 2 单相故障复合序网图 进而得保护安装处各序电压 叫矿z 扩一 _ 彘卜= 磊( 2 - 3 - 1 ) = 一i f 2 * z s 2 = _ ( 一彘卜= 亳：( 2 - 3 - 2 ) 而u i 。= u i + ，l4z f l 且e = ，l 女( z ，】+ z ，】+ z ，2 + z f 2 + z 柏+ z 加) u 】= ，n4 ( z ，2 + z j 2 + 乙o + z j o ) 觚。= ( + 百彘户。( 2 - 3 - 3 ) 2 ) 单相短路经高阻接地故障时，复合序网如图2 3 3 所示 e i f li f 2i f 0 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 有： 图2 ，3 3 单相经高阻接地故障复合序网图 u l + u 2 + u o = ( ，l + l f 2 + s o ) + z ， l f 、= l f l 2 l f o 保护安装处各序电j 玉 叫矿z 矿_ ( 一彘卜= 磊u 。( 2 - 3 4 ) 一- ，弘_ ( 一彘卜= 寿i u ：。訇 而u l 。= u l + ，rj z 且 e = ，】 ( 乏j + z f l + 互2 + z f 2 + 互o + z j o + 3 z ，) u l = ，l ( z ，2 + z f 2 + z 如+ z ，o + 3 z ，) 得u l 。= i1 + z 【1 z 。2 + z 吃+ z 蛐+ z l o + 3 z f f u l ( 2 - 3 6 ) 3 ) 两相短路接地故障时，复合序网如图2 3 4 所示， e 图2 3 4 两相接地故障复合序网图 华北电力大学( j l 京) 硕士学位论文 有： u 1 2 u 2 2 u o ，l + ，2 + ，o = 0 保护安装处各序电堆 叫矿z 扩_ ( 一彘卜= 彘u 。1 2 - 3 - 7 ) - - ，妒- ( 一彘卜= 彘u ：( 2 - 3 - 8 ) 而 u 1 。= u l + ，r 1 + z f l 且 互o + 互。 得= ( 1 + 彘+ 袅 ( 2 - 3 - 9 ) 4 ) 两相短路经高阻接地故障时，复合序网如图2 3 5 所示 e 1 3 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 有： 图2 3 5 两相接地故障复合序网图 u 1 2 u 2 2 u o 一3 1 ，o + 乃 ，】十f 2 十f o2 u 保护安装处各序电压 一忆矿_ ( 一若杀卜。= 乙z s o u 心寸 一”驴- c 一彘卜2 彘u z ( 2 - 3 - 1 1 ， 而 u 1 m = u l + ，n z ” 且，：= 一互三等j 云：2 一丽u i ，0 = 一丽u o = 一i 疆u 再l 亏 “一- ，o c d 瓦+ i 去酉户， 得21 + z n + 盎卜( 2 - 3 - 1 2 ， 从式( 2 - 3 1 ) 式( 2 - 3 1 2 ) 可以看出： 对于保护安装处所测得的零序电压u 。，无论是单相还是两相接地故障，均随着线 路的加长而减小，表现为z ，。的增大，因此，当故障点距离保护安装处很远，诸如长 线路末端短路接地故障时，保护测得的零序电压就很小，大电源下更为严重，以至 千估僳护南干巾压讨低而柜动。 2 4 霉序电压过低情况下的零序电压补偿 2 4 1 零序电压补偿方案 零序屯雎补偿的目的是解决大电源长线路末端接地故障时，保护测得3 u 。太小 ( 小于i v ) ，及高阻接地故障时，零序电压可能太小引起的零序方向元件拒动的问题。 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 零序电雎补偿主要包括以下几个方面： a ) 3 u 。 1 5 v 时，采用传统的零序方向元件： b ) 3 u o 1 5 v ，且有负序电流时，采用负序方向元件： c ) 3 u o 1 5 v ，且3 u 2 1 5 v ，采用正序电压u l 代替3 u o 比较方向； 原理如下： 单相故障时，故障点有u 。+ u 2 + = o ，则u o = 一( u ，+ 叱) ，当u 。较小时， u oa u ，于是，有a r g ( u 。) = - a r g ( u ，) 。由式( 2 3 3 ) 及( 2 - 3 6 ) 得： 一【1 + i 毫忑p u ，。一14 - z u 、1 。( 2 - 3 - 1 3 ) 与式( 2 3 1 ) 及( 2 3 4 ) 相比，如仅考虑其大小，则u ，。在任何情况下均不小于故障 点u 。显然，u 。要比u 。大得多。虽然线路的零序阻抗和接地高阻有减小u 。大小 的趋势，但正序阻抗与u ，。的正比关系也会减弱这种趋势，继而提高正序电檀的大 小。 两相短路接地时，故障点有u ，= u ：= u 。，则a r g ( u 。) = a r g ( u ，) 。由式( 2 - 3 9 ) 及 ( 2 - 3 12 ) 得： q h 袅+ 袅户。或 叫，+ 袅+ 丽z l l 虹( 2 - 3 - 1 4 ， 同理与式( 2 3 7 ) 及( 2 - 3 1 0 ) 比较，亦达到电压补偿目的。 目前装置已实现了此功能，并在r t d s 数字动模上模拟了各种系统运行条件下 的各类单相接地，两相接地故障，动作行为均正确 2 4 2 零序电压补偿方案的不足 对于单相短路接地故障和两相短路接地故障，采用上述方案中的正序电压u 。 代替零序电雎，。，都可以显著提高电压值的大小，从而达到电压补偿的目的。然 而，采用该原理也存在一些不足： ( 1 ) 在分析问题的过程中，对于阻抗，可以考虑正序阻抗和负序阻抗近似相等， 包括数值和角度。在实际系统中，除了发电机和屯动机等旋转元件以外。 其它元件的正序阻抗均与负序阻抗相等。同时，合属性短路时，零序阻抗 的角度可以按照约8 5 。来考虑，但是，考虑过渡电阻后，( 零序阻抗+ 过 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 渡电阻) 的综合角度应该考虑0 。8 5 。这些因素，促使当以阢，替代u 。， 时，会带来幅角上的偏差，影响到动作区域的选择，给动作特性的选取带 来困难1 3 “j 。 ( 2 ) 该原理由于只是考虑在故障点处满足的定性关系，然而对于保护安装处而 言，各序电雎并不满足。例如两相短路接地时，故障点处u = u ，= u 。，而 保护安装处一般u ，u ：u 。，虽然是近似满足，但仍旧会带来误差，因此 在实际使用上，也要考虑对保护动作区域的选择问题。 ( 3 ) 综合上述两点影响，正是由于阻抗和原理近似上的偏差加重了保护的动 作区域的选取，而为了保证可靠性，势必要牺牲保护的一小部分动作区域 来弥补。 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 3 1 前言 第三章以负荷电流为参考量的方向电流高频保护 随着电力工业的发展和用户对供电可靠性要求的提高，现代电力系统实际上都 是由很多电源组成的复杂网络。为了满足继电保护对选择性的要求，就需要装设方 向元件，多数情况下，在具有两个以上电源的网络接线中，必须采用方向性保护才 有可能保证各保护之间动作的选择性，这是方向保护的主要优点。 然而，现有的方向继电器在原理上多数采取功率继电器的方式，加入量电压和 电流必不可少。因此，当电压很小甚至接近于零时，继电器不能动作，出现“电眶 死区”，虽然实际中广泛采用非故障相的相间电压作为参考量去判别电流的相位来 减小和消除死区，但有些情况下，例如零序保护在大电源、长线路末端接地故障中 零序电雎过低的情况，仍然不能很好的解决，以致目前多采取电压补偿的方法予以 克服7 、。0 1 。 针对上述问题，通过对负荷电流与故障电流相位关系的定性分析发现，存在一 种可能，在不需要电压量的情况下，仅以负荷电流为参考量来判别故障方向。 3 2 系统负荷电流与故障电流相位的定性关系 电力系统f 常运行时负荷电流和发生故障时的故障电流存在一定的关系，分析 者的定性关系十分必要。 色s 宦r 图3 2 1 简单系统网络 如图3 2 1 所示的简单双端电源网络，其中，m 、n 为线路曲端保护，岛、氐 为两端电势，且有色。= 色萨卢( 0 j 石) ，z 为系统总阻抗，则 j ，：墅生：生一1 ) ( 3 2 1 ) z2 二z 保护m 、n 所测得的负荷电流，。= ，。，。= 一，。 以单相故障为例，有 保护区外发生故障时 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 d ，= 雷。+ j 。z 1 2 = 簪言。( 3 2 2 ) 7 ，( 1 ) 2 m ) = 7 ，【0 广酉疆u f i j 忑o i ( 3 - 2 - 3 ) 保护测得的故障电流 。铷，+ 豪z ，+ 彘“。， z 1 z 2 z 0 ( 3 2 4 ) ：丑e z 籍嫂茸 , + e z ，+ e z 。 e z “ ，。= 一l ( 3 2 5 ) 其中z 。中i ( i = 1 、2 、o ) 表示正序、负序、零序，j 表示故障点到电源s ( j = 1 ) 或 电源r ( j = 2 ) 由此可得， i 1 v , , = 重 f - z 疆t + e z 2 疆+ e z o 最盔i 惕e j 掣( 3 - 2 - 6 ) z l lz 2 iz 0 。 堡：每：( 3 2 7 ) | bi hi h i l i h i 】【i i 图3 2 2 保护区外故障电流示意图 在实际系统中，除了发电机和电动机等旋转) 己件以外，其他元件的证序阻抗均 与负序阻抗相等，因而可以近似认为上式中正序阻抗角和负序阻抗角相同：而对于 金属性短路，零序阻抗的角度可以按照约8 5 。来考虑，则由式( 3 - 2 6 ) 和式( 3 2 7 ) 有： 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 。锄每= a r s 每字，( 3 - 2 - 8 ， i 剧埋，当保护m 区外发生故障f | 寸，自 垦+ 垦+ 望 。一哿专去毪筝岛c s - z 刊 气= 一l ( 3 2 1 0 ) 可得 百jh；至zz疆,+zz疆2+yzo去z m i 将字k堕+ 垦+ 坠，+ z 。：e 卢1 。 z 1 2z 2 2z 0 2 一( 3 - 2 - 1 1 ) 。耍y - z 疆, + z z 2 疆+ z z o 瓦12 荫份字 垒：阜：垒( 3 2 1 2 ) l hl l h 故一半锄芒啷每s 。( b - 2 - 1 3 ， 保护区内发生故障 当发生区内故障时，由于故障电流不再是穿越性的，因而线路两端保护m 、n 所测 得的故障电流将不在等大反相( 如图3 2 3 ) 。其中保护测得故障电流 堕+ 堕+ 坠。 ：兰! ! 兰2刍! 墨! 兰! 丝： z 】+ z 2 + 眩o z 故可得 一l u , ：望! 望芷坠 j 。望+ 望+ 姿 z 1 1z 2 i z 0 l 2 s i n p ，字( 3 - 2 - 1 6 ) l 2 簪| | | | p 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 每=娑杀易趣i博牟(3-2-17zzo ， j 加 堕+ 垦+ z 1 + z 】：已芦l 2 厂 z 1 2z 2 2z 0 2 因而有 s 毛 型：一型螂苦 1 0 ，总存在f ，使得l x ；- ( a + a a l 伍+ a b ) e 成立。然而该不等式并不适用 于滚动计算，原因在于无法计算出a a 、a b ，对b ，a 和a b a a 进行1 1 a t l a b 仿真如 图4 4 7 不论输入如何，对于任意时刻，二者总相等，由比例特性，设 k = a a ! a = 曲，b ，则有： k = 压七压一， x ；一a ( 1 + k 】b ( 1 + k ) ( 4 4 一1 7 ) 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 图4 4 。7 b a 和a b a a 特性曲线 m a t l a b 仿真分析五发现，其值跟f 和直流分量衰减时间常数有关。 图4 4 8 为k 一关系曲线( f = 1 ，1 2 ，1 6 ，2 4 ，3 2 ，4 8 为离散采样点，n = 4 8 ) 图4 4 9 为置一f 关系曲线( = 0 0 0 5 ，0 0 l ，0 0 15 ，0 0 2 ，0 0 2 5 ，单位s ) 从中可以看出，足的取值在一0 4 和0 之间，且k = 0 时直流分量不衰减。并且由图 4 4 6 可知，当占+ a b 很小，f 很大，此时膏的取值在一0 1 和0 之间。因此，k 的 值可以根据所要求的占+ 衄和直流分量衰减的强弱粗略地给定在一0 1 与0 之间， 这样处理，使得式( 4 4 1 7 ) 的误差可以在控制范围之内，对于给定的常数，令： e ，：上 l + k 滚动计算中，令b 不断与比较，当满足b e 时，结束滚动计算，此时，以式 a = a ( 1 + k ) 近似为所要滤得基波x i ，基波初相位仍为萨a c t g l a 。) = a c t g ( b c l a 。) ， 则有 x a ( t ) 。压a s i n ( a t + 妒) ( 4 4 一1 8 ) 华北电力大学h b 京) 硕士学位论文 图4 4 8 k 一口关系曲线 图4 4 9 k f 关系曲线 3 8 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 4 4 3 滚动傅立叶算法计算流程及滤波特性分析 经以上分析，可以给出不论直流分量是否衰减下滚动滤波的计算流程图如图 4 4 1 0 所示。 图4 4 1 0 滚动滤波计算流程图 滚动傅立叶算法是以傅立叶算法计算公式为基础，构造新的计算式，考虑衰减 直流分量推导而来的，但滚动算法却与傅立叶算法不同。式( 4 - 4 - 6 ) 是在任意分量 无衰减下满足傅立叶级数推得的，因此，对无直流衰减输入是准确成立的，当f t 时，x ，；a ，与傅立叶算法一致：式( 4 - 4 1 6 ) 是在构造虚拟无衰减输入 烈f ) = x ( t ) 一x o ( t ) ，借用式( 4 4 6 ) 的结论推得的，也必然准确成立，当f t 时， x 户a + a ，而傅立叶算法得到结果x 产a ，即傅立叶算法所得结果存在由于衰减直 流分量而产生的误差a a ，滚动傅立叶算法所得结果a 7 = a + a a = a ( 1 + k ) ，计及a ， 华北电力大学( 北京) 硕十学位论文 进一步说，如果给定的e = 0 ，则f r ，那么滚动傅立叶算法计算式已完全退化为 傅立叶计算式，但滚动傅立叶算法结果为a = a + a = a ( 1 + k ) ，傅立叶算法为a ， 充分说明滚动傅立叶算法比傅立叶算法精确。所以，滚动傅立叶算法在抑制衰减直 流分量上比傅立叶算法优越。m a t l a b 仿真如图4 4 1 l 和图4 4 1 2 所示。仿真输入 为： 工( f ) = 1 0 4p 箩+ 1 o 互女s i n ( 咐3 0 0 ) + o 1 4 j 4s 也( 2 q ，) + 0 1 + 4 2 + s i n ( 3 f ) + 0 14 4 2 + s i n ( 4 嘲r ) + 0 1 + 4 2 + s i n ( 5 鳓f ) 之所以令输入直流衰减分量很大，是为了突出对其抑制能力。对于该输入，滚 动傅立叶算法的误差不到5 ，而傅立叶算法却接近2 0 。改变输入，滚动傅立叶 算法仍较傅立叶算法优越。 滚动傅立叶算法仅利用了傅立叶算法计算公式的形式，并未利用三角函数正交 性来作为自身成立的前提条件。因此在高频分量上傅立叶算法虽然较滚动傅立叶 算法优越，但当要求的误差很小时，者对高频分量的抑制能力几乎相同，均能较 好地抑制高频分量原因在于误差很小时，滚动傅立叶算法与傅立叶算法数据窗己 非常接近，此时f 。t ，m a t l a b 仿真发现，当各高频分量幅值达到与基波相同时， 滚动傅立叶算法所产生的误差不超过l 。而当高频分量亦衰减时，滚动傅立叶算 法优于傅立叶算法。如图4 4 1 3 和图4 4 1 4 所示。 滚动傅立叶算法在时间上要快于傅立叶算法，其所需数据窗长度取决于所要求 的滤波精度。精度和速度是两个相互矛盾的量，精度要求高，则所需数据窗就长， 速度就慢，相反，精度要求低，所需数据窗就短，速度就慢。傅立叶算法所需数据 窗固定为一个周波，而滚动傅立叶算法的数据窗并不固定，取决于所要求的精度， 其数据窗处于不断滚动变化之中。 同时，m a t l a b 仿真证明，当周期谐波分量存在衰减时，不论高频分量还是非整 次低频谐波分量，滚动傅立叶算法都较傅立叶算法优越。相反，当不衰减时，傅立 叶算法较优越。 因此，滚动傅立叶算法对直流分量、高频分量都有很好的抑制能力，对低频分 量抑制能力略有不足，但当各种分量成分衰减时，对各种谐波成分抑制能力都很好， 均较傅立叶算法抑制能力优越。从滚动傅立叶算法滤波特性与傅立叶算法滤波特性 的对比来