（电力系统及其自动化专业论文）快速距离保护与保护测试平台.pdf

a b s tr a c t r a p i dd i s t a n c er e l a yp r o t e c t i o nm a k e u s eo f t h er e l a t i o n p r i n c i p l e ，t h r o u 曲 w o r ko nt h ef a u l tp o r t i o no ft h ef a u l tc i r c u i t ，r e a c ht h ej u d g e m e n to fw h e t h e r t h ef a u l to c u r ri nt h er a n g ep r o c t e c t e d t h er a p i dd i s t a n c er e l a yp r o t e c t i o n i s s y s t e m a t i c a l l yr e s e a r c h e di nt h i sp a p e r t h r o u g hw o r ko nt h eo p e r a t i o n v o l t a g eu o pa n dc o m p e n s a t i o nv o l t a g eu p ，w eg e t t h ea n a l y t i ce x p r e s s i o n o fo p e r a t i o nv o l t a g e “。pa n dc o m p e n s a t i o nv o l t a g e 钍p t h e n ，w ea n a l y z e t h ec r i t e r i o no ft h ep r o t e c t i o nu s i n gt h e s ea n a l y t i ce x p r e s s i o n a tl a s t ，w e e x p e r i m e n tt h e c r i t e r i o no ft h ep r o t e c t i o nu s i n ge m t p s o f t w a r e ，v a l i d a t et h e c o n c l u s i o no fa c a d e m i ca n a l y s i s e x p e r i m e n t a lp l a t f o r mo fr e l a yp r o t e c t i o n i st h es o f t w a r eu s e dt oe x - p e r i m e n t t h ep r i n c i p l ea n de q u i p m e n to fr e l a yp r o t e c t i o n i nt h eo t h e r h a n d ，i ti s as i m u l a t o ro fp o w e rs y s t e mi n c l u d i n ge q u i p m e n to fr e l a yp r o - t e c t i o n t h r o e i g ha n a l y z ea n de x p r e s st h ew h o l ep o w e rs y s t e mw i t hs t a t e s p a c em e t h o d ，w ea s s u r et h es i m i l a r i t yo ft h es y s t e ms o f t w a r es i m u l a t e da n d r e a lp o w e rs y s t e m t h es o f t w a r eu s et h eo b j e c to r i e n t e dd e s i g nm e t h o d ，t h i s a s s u r et h em a i n t a i n a b i l i t ya n de x t e n s i b i l i t yo fs o f t w a r e k e y w o r d ：r a p i dd i s t a n c er e l a yp r o t e c t i o n ，i n v e r s et i m el a g ，e x p r i m e n t p l a t f o r mo fr e l a yp r o c t e c t i o n 2 ， 绪论 课题的意义 继电保护装置是电力系统的重要组成部分，它在保证系统安全、稳定和 经济运行等方面起着非常重要的作用。系统对继电保护装置的总体要求可 以归纳为四点：快速性、灵敏性、选择性和可靠性。 快速性是系统对继电保护装置的四顶要求中的一项。继电保护装置的 快速性对于电力系统有很重要的意义。特别是随着电力系统规模的日益扩 大，电力系统的稳定性问题面临着更大挑战。而继电保护装置的快速性对 于电力系统的稳定性有着非常重要的意义。如果继电保护装置能够更快速 准确的切除发生故障的电力系统设备，在发电机功角特性曲线图上，加速 面积就可以大大减小，从而有利于系统保持稳定运行或在扰动后能恢复到 稳定运行状态。因此继电保护装置更高的快速性意味着电力系统的更高稳 定性。 与此同时，电力系统对于继电保护装置的动作情况还提出了一种新的要 求。如果故障发生在线路出口处，由于发电机机端电压很低。造成发电机 功角特性曲线中发电机的电磁功率曲线变得很低，从而使得系统的稳定性 受到更大影响。如果在提高保护的整体速度的同时，使保护对于区内近端 故障能以更快的速度切除，也就是实现具有反时限时间特性的保护，那么 对于系统的稳定性有着很大的益处。 一般的微机保护都是采用经过了傅立叶滤波的电量构成判据，因此保护 至少需要半个或一个周波的时间才能正确动作。 快速距离保护是致力于满足系统对于快速性和反时限特性的要求而提 出的一种保护。它采用不经过傅立叶滤波的电量进行计算，判断故障的情 况。这样动作的速度大大加快。同时，分析它的判据，可以发现它是一种 具有反时限特性的保护。 对保护装置和保护新原理的测试是电力系统继电保护的研究和开发过程 中的重要工作。这种测试工作一般要在专门的试验室里进行，试验使用的 设备一般很昂贵、笨重。每年都要花费大量的金钱和人力进行这种试验， 因为它是找出保护原理或装置中存在的问题的最有效的手段。 为了减少这种试验的成本，本文提出了一种保护测试平台，力图在一 台p c 机上完成这种试验的功能，甚至在某些方面有所增强。 5 浙江大学硕学位论文p 岛 论文的主要工作 本文在前人对于快速距离保护研究的基础上，作了以下工作。 1 得出了操作电压。的解析表达式。这为快速距离保护判据的分析提 供了新的方法，同时也加深了对于操作电压o 口的认识。 2 快速距离保护判据在故障后的短时间内会发生误动，以前通过在判据 中加入系数来解决【6 l 。本文分析了误动发生的原因，提出了一种补偿 算法来避免误动。同时，这种补偿算法也可以用来加强对于谐波的抑 制。 保护测试平台经过了金华烽博士、李忠安硕士和作者的开发，已经初步 进入实用阶段。本文在前人实际工作的基础上，对平台软件的理论基础进 行了一定的研究。本文利用状态空间法的理论分析平台软件中对电力系统 元件的仿真和实际电力系统元件的关系。推论出平台软件中对电力系统元 件的仿真和实际电力系统元件之间的一致性。 第一章快速距离保护 本章提出了快速距离保护的原理，并对保护判据的性能进行了分析。首 先，我们指出了保护原理的暂态量保护的性质和判据所使用的突变量的提 取方法；然后，我们提出了保护的判据并对保护的判据进行了分析和仿真 试验，并与其它判据进行了比较；最后，给出了一个简短的结论。 1 1 暂态量保护与突变量的提取 本节指出了保护原理的暂态量保护的性质，并给出了判据中使用的突变 量的提取方法。 1 1 1暂态量保护与稳态量保护 电力系统传统的距离保护大都采用经过付氏滤波后的线路电压量和电流 量构成保护，通过付氏滤波消除电力系统的电压量和电流量中的谐波分量 和随机噪声。但是由于付氏滤波的时间窗较长，对于全波付氏滤波为一个 周波对于半波付氏滤波为半个周波，在故障发生后要经过一个周波或半个 周波后，滤波结果才能反应故障后的电压和电流量的变化。这样保护的动 作时间受到付氏滤波的限制，一般要到故障后一个周波或半个周波后，保 护才能动作。并且，付氏滤波并不能完全滤除故障信号中的非周期分量， 从而造成保护的误动或拒动。这种传统的保护通常被称为稳态量保护以区 别于下文将提到的暂态量保护，因为经过付氏滤波之后的故障信号实质上 与故障后电力系统相应的稳态量相等。 为了提高保护的速度，很多新的保护原理提出一些新的处理故障信号的 方法。有些方法不对电力系统的故障信号进行付氏滤波，直接或间接利用 滤波前的信号构成保护，如行波保护和噪声保护。有些方法采用各种方法 缩短滤波的时间窗，希望既可以消除或减弱谐波和随机信号的影响又可以 提高保护的速度。这些新的保护被称为暂态量保护，因为它们使用了故障 后的暂态信号构成保护的判据。 本章中将提出的保护原理，采用不经过付氏滤波的故障信号构成保护， 利用了暂态信号，是一种暂态量保护。为了减弱谐波分量和随机信号分量 的影响，加入了个低阶模拟滤波器。 7 浙江大学硕士学位论文p 8 1 1 2 突变量的提取 一型遭芦生对突变量的定义和突变量的特点进行了简短描述，然后给出 了突变量的几种提取方法。 。 突变量的定义 电力系统故障计算中，可以采用叠加原理把电力系统分解为故障前状 态或负荷状态( p r e - f a u l ts t a t e ) 和故障后状态或故障附加状态( p o s t f a u l t 匿巾宙+ 宙 图1 h 故障网络的分解 ( a ) 短路状态( b ) 故障前状态( c ) 故障后状态 如果把短路状态网络中的某电量标记为：a ，把故障前状态网络中的相 应电量标记为，把故障后网络中的相应电量标记为a 。则三个电量间 有如下关系： a = a o + a 而 a = a 一山 在故障后状态网络中的电量都被称为突变量，因为它们都是在故障后才 有值，故障前的值为o 。 突变量的物理意义是故障后附加状态网络中的电量。 突变量的特点 突变量有两大特点： 突变量仅在故障后出现，负荷状态下为0 故障分量仅由施加于故障点的一个电势产生。 沥江大学硪i 学位论文p 9 突变量的提取 对于微机保护，突变量的提取并不困难。从理论上讲，微机具有存储的 能力，可以把故障前一段时间的电量存储起来，然后用故障后的电量减去 故障前的电量就得到了突变量。 具体的方法如下： 设对于电流i 提取突变量，计算公式如下f 6 1 ： a i ( t ) = i ( t ) 一i ( t t ) a i ( t ) = i ( t ) 一2 i ( t t i ( = i ( 印+ i e 一吾) i ( t ) = i ( z ) + t ( t 一吾) t 一2 t ) 一t ) 一i f t 一 ( 1 1 ) ( 1 2 ) ( 1 3 ) ( 1 4 ) 式( 1 1 ) 所示的方法就是最基本的方法。 上四种方法对于故障分量的提取，都是基于正常运行情况下的电流为纯 基波分量。当实际电流不符合此假设时，i ( t ) 就会存在误差。即使系统没 有发生故障，出也有不平衡输出。引起误差的因素各种各样，主要有负荷 的变化、谐波、系统频率的偏差及振荡的影响等。其中系统振荡时对于计 算i 的影响最大。相比之下，在系统振荡时上述式( 1 4 ) 所示的方法不平 衡输出最小 5 】。 从突变量的提取方法可以看出突变量中不可避免的包含有一定的暂态分 量，所以使用突变量构成的保护大都带有暂态量保护的特点。本文将要介 绍的保护就使用突变量构成保护的判据，输入的信号中带有暂态分量，并 且在对保护行为的分析中也考虑了暂态量包括非周期分量对保护的影响。 1 2 提出保护判据 本节首先给出保护原理的研究模型，通过给出研究模型给定了保护的使 用场合；然后，定义了在保护判据中使用的重要中间电量操作电压u 0 口和补 一一一一一一一一一 一一一一一一一一一 浙江大学硕士学位论文p i o 偿电压；最后，使用u 。和u ，构成了保护的判据，包括一个基本判据和一 个最终判据。 1 2 1 研究模型 本文将要讨论的保护是一种输电线路保护，因此使用一种有代表性的输 电线路模型作为研究模型。研究模型如图i 2 所示。 图1 2 ：研究模型 在图1 2 所示系统中g k 和g 。为发电机，用来代表被保护线路以外的系 统，z k 为系统阻抗，p f 为故障发生点，p 点为整定点，z 为g 。侧母线到 故障点p f 的阻抗，磊为故障点p f 到发电机g 。的阻抗，从g 。侧母线到整 定点p 的阻抗为z 。保护安装于g 。侧母线m 上。u 为故障时保护安装处的 电压，i 为故障时保护安装处的电流。从保护安装处m 到整定点p 的阻抗 为z 。 1 2 2 操作电压“o p 与补偿电压的定义 操作电压“。和补偿电压嘶是本章所述的保护中的非常重要的电量，本 保护的判据就是用这两个电量构成的。在本小节中，我们给出了这两个电 量的定义。 当整定点发生金属性故障时，研究模型变为如图1 3 所示的系统。 由图1 3 示模型得： 兄i + 三一d i ：铒 d t ( 1 5 ) r ( 如+ i ) + l 学- u o + u ( 1 6 ) 其中：i o 为故障后电流的正常分量，a i 为故障后电流的故障分量也即突 变量，i o + a i = i 。同样，t o 为故障后电压的正常分量，a u 为故障后电压 的故障分量，u o + t = t ；r 和l 为保护安装处m 到整定点p 的电阻和电 感，也即为阻抗的整定值。 浙江大学敬上学位论文p 11 ，_ 、，iil 二_ 二j r o 、! 广。：h ：。圹一 l 。 享 图1 3 ：u o p 和u 。的定义 由式( 16 j 得： 咖一趴。一l 等= r 幽+ 己百d a i 一u ( 1 7 ) 令： 乱p 2 “。一咒i 。一三d d i _ t o o ( 1 8 ) u 。= r 心+ l 警让 ( 1 9 ) 称钍印操作电压，邯为补偿电压。由式( 1 ，7 ) 可见当整定点发生故障 时，有u = u p 。 1 2 3 提出判据 在本小节中，提出了两个判据，一个是基本判据，一个是最终的判据。 基本判据的形式比较简单，便于进行分析：最终判据用于实际的保护装置 中。 两个判据的形式如下： 基本判据 z u 印协d t o 坳节d t ( o ) 首先根据钍印的定义( 如式( 1 9 ) 所示) 和让，的定义( 如式( 1 8 ) 所 示) 计算u 。，和嘶。保护启动后，随着t 从。到等依次计算式( 1 1 0 ) 的左右 两侧的值，若连续3 点出现式( 1 1 0 ) 的值出现判为真的情况即出现式 ( 1 1 0 ) 的左侧的值大于右侧的值的情况，则认为故障发生在区内从而使 保护动作；如果在半个周期之内式( 1 1 0 ) 的值始终为假即式( 1 1 0 ) 的左 侧的值始终小于右侧的值，则认为故障在区外或者出现的情况是系统扰动 而非系统故障，从而使保护复归。 最终判据 当t o 时 浙江大学颀i 学位论文 1 2 坳。= - ( s i n ( c a m + 。煎警型) ( 1 1 1 ) j ( o t l z o p 出 上。( 邯+ 。) 出 当 t o 时 ：0 t u o p u p d t 卜叩d t 上v 唧 ( 1 1 2 ) ( 1 1 3 ) 其中，t o 是一个比较短的时间，一般不超过5 m s ，它决定了在基本判据 中加入的补偿的时间长短。k ，是一个比较小的数值，一般不超过0 5 ，它 决定了在基本判据中加入的补偿的强度。和o o 的大小决定于保护装设处电 流和电压的中谐波分量的大小。 最终判据的使用方法和基本判据相同。 1 3 考察保护判据 在这一节中，我们将对保护的判据进行考察。首先，对形成保护判 据的两个重要的电量，操作电压u 加补偿电压u p 进行了分析，并给出了 t u 和u p 的解析表达式；然后对u o p 和u p 的关系进行了考察；在对钍。，和 考察结论的基础上，我们对判据本身的性能进行了考察：最后，用e m t p 对保护进行了仿真试验，并和其它判据进行了比较。 1 3 1 考察补偿电压。 的解析式很简单，如式( 1 8 ) 所示，我们分析一下它的物理意义。 观察式( 1 8 ) 我们可以看到，珏，的数值为整定点p 的故障后电压正常分 量。计算珏。所需的趾。和t o 分别为保护量测点的故障后电压正常分量和故障 后电流正常分量。在保护装置中，故障后电压的正常分量和故障后电流的 正常分量可以用故障前最近一周波的电压和电流代替。 由以上分析我们可以得出结论，t i 。的物理意义是整定点p 的故障后电压 的正常分量，并且，可以在保护启动前，由保护装置计算出来，在保护启 动之后使用。 1 3 2 考察操作电压“印 在本小节中，我们推导了钍口的解析表达式，见式( 1 ，2 2 ) ，同时讨论 t u 。的物理意义。 渐江大学硕士学位论文p 1 3 对于图12 所示的系统，当p f 点发生故障时有： 设 拈趴豢m “2 趾o + a u i = i o + a i 其中，“和一为故障后电压和电流的故障分量。 “。= 兄心警a 一“ = r ( i - i o ) + l - t d ( i - i o ) 一u t _ u 0 ) = ( “0 - - r i o - l 面d i o恤“三差“ = u p + r “l 豢一肌卅豢“ = u p + ( r 一爿) 矿+ ( 厶一跏面d i 一让； = 钍，+ ( r - r ，) ( i 。+ + ( l 一班d ( i o 百+ h i ) 一u ，f = u p + ( r 一爿) i 。+ 一班面d i o + ( r - r ) - 矿+ ( l 一印百d a i 一“，f 图1 4 ：区内故障 ( i 1 4 ) ( 1 1 5 ) ( 1 1 6 ) u 印= u p ，+ ( r - 爿) “( l 玲百d a i 一u ，f ( 1 1 7 ) 浙江大学硕士学位论文p 1 4 图1 5 ：区外故障 对于区外故障( 如图1 5 ) 有： u 。= + ( r r r ) ( 一曲+ ( 一l ) ( 一等) + ( r - 跏削邶叫) ，等一“鼻 = u ，f + ( r - 爿) 幽+ ( l 一们等一u o ( 1 1 8 ) 由式( 1 1 7 ) 及式( 1 1 8 ) 可见对于区内故障和区外故障都有相同的 表达式。其中铭p f 表示p f 点的对地电压。 由叠加原理，故障后系统可分解为一个正常网叠加一个故障网如 图1 6 和图1 7 所示： 对于故障网： 令 求特解： 2 二= z + 磊 量。 图1 7 ：故障网 濒江大学硕i 学位论文p 1 5 如2 可琵u p f b t 和后文中的i f t 表示i f 中的强制分量，下文中的话。表示i f 中的自由分 令 a ： 兰! 竺：冬 i z 。+ 磊 则 坠：a z 8 5 。 z 。+ 磊 写成瞬时量形式为： 讯= 睇f r ! + a z 8 5 。0 炯+ 丌+ 盯。( 高) ) ( 1 1 9 ) t = o 为故障开始时间，如f 为故障时的相位。f 为故障前p f 点电压 的幅值。 也即： u p f = u p f c o s ( u t + 咖p f )( 1 2 0 ) 这里u p f 为故障前u p f 到故障后的延续。 。 m 广ll上一 踮 = 磊瓦 一+巩 牲 哪 抗感以统系力电为 因令 浙江大学硕t 学位论k - 1 6 由于故障支路处于处于电感串联回路中，电流不能突变，所以 a i f ( o ) = 0 求通解： 对于一阶r l 回路通解形式为：a e - 和 由上可得微分方程的通解为： i ，c = u p f r i + 1 a l 8 5 0 c 。s f p f + 。r 。 = u f r i + a l 8 5 。- c 。s f p f + 。r ， 一等擗t 耵斋) ) 可和r f 十a 8 铲 ) 。 d r f a 一 8 5 ) ) + o l f 2 $ f t + z f c 对图1 7 所示电路使用替代原理，得图1 8 所示电路： 图1 8 ：使用了替代定理之后的故障网 对于图1 8 所示电路有： ( r m + r ，) 矿+ ( l m + l ) d 蕊a i 一 = u f = u p f 一钍，f 设： 爿r l i l 。l 则： r + 影l + l 7 r m + r 工m + d ( 1 2 1 ) ，p 。两爹。雨牵 。曩 刚叫上 所以 所以： 浙江大学硕士学位论文p 1 7 兄一r l l 丽5 丽 ( r + r ，) 削+ ( l + 印百d a i = ( “p f ( r - 爿) 鲥+ ( l - l ) 百d a i l + l l + l m l l l + l m u ：让p f + ( r - 爿) ，+ ( l - l ) d 矿a i l = ( z s p f - - u ，f ) + ( ? u p f - - u ，f ) 拦 = ( ? a p f - - ，f ) z l 瓦+ l m 而u 鼻i fr f 所以： 钍= ( ? a p f + i f r i ) = ( u p f + i t 丰r ，) l + 工m + l 。 l + 工m l + l m 因为钍p f 和如都是正弦量，所以可以用向量法分析 令r i = 8 a u = u p f = u p f = u p f u=upf = u p f a z 8 5 。 8 a + a 8 5 0 l l 8 5 0 8 + 1 8 5 0 ， l + l m l + l m 浙江大学硕i 学位论文p 1 8 所以 u = f i 再杀1 c 。s ( 川+ 妒p f + a r g ( 万杀) 虬s ) 而 沁r = 哳 c o s p f + a r g ( 耵斋) ) e 一缸 = f | 百法f c 。s p f + a r g ( 再可1 面) ) 得u 。的解析表达式为： 钍印= f i 再杀 z l 瓦+ l r a ( c 。s ( 叫t + 如f + 哪( 再击) 扎s ) + s 卿k + 哪( 志f ) ) 可嘴铲。) 0 2 2 ) 不计过渡电阻即r ，= 0 ，8 = 0 时，u 印的表达式变成： u 印= 睇f 而l + 五l m c o s ( 州+ ；p f ) 在不计过渡电阻的情况下，钍。的幅值等于p f 点对地电压的正常分量的 幅值乘以一个系数，这个系数与尸f 点与p 的距离有关，p f 点距离p 点越 远，距离保护安装点越近，u o p 的幅值越大。相角等于_ p f 点对地电压的正 常分量的相角。 计入过渡电阻后，随着r ，或者说s 的增大，。的幅值减小，相角变大； 同时，在t l 。中出现了一个非周期分量。 1 3 3 操作电压u 。p 与补偿电压嘶的关系 在本小节中，我们讨论了操作电压札印与补偿电压邯的关系。这对于我 们分析判据的性能有很重要的意义。 不计过渡电阻： 这时r ，= 0 也即s = 0 撕r x - 学颀 上学位论文p a 9 驴u p f c o s ( 川协f ) 糍0 2 3 ) u p 2 c o s ( u t + 如)( 1 2 4 ) 上述两式中，u p f 和u p 分别为故障后故障点和整定点的电压的正常分量 的幅值，在实际电力系统中这两个值非常接近，可以认为睇f = 。 由式( 1 2 3 ) 可见：u o p 为故障点电压的正常分量乘以一个系数。在 区内坳幅值大于让印，在区外唧幅值小于u o p ：同时无论在区内还是在区 外，u o p 与u 。都张开一个角度。 下面，我们对式( 1 2 3 ) 和式( 1 2 4 ) 进行一些变形： 在如图1 2 所示的系统中，假设两测电源相角分别为咖g m 与西g ，由电 路理论 令： 令： 磊q 5 ) p = - - c 石g m 蕊l + l m 。 ( 1 2 5 ) 如= 咖g f 一毋1 c e p = 庐g m 一曲2 l 1 = l + 己m l 2 = + l 。 由式( 1 2 5 ) ，象= b 如l ，可得庐l = 基也 因此，式( 1 2 3 ) 式( 1 2 4 ) 可改写为： u 叩= c o s 0 。t + 西g m 一鲁- ) 云l 1 ( ，粥) 邯= c d s ( u - t + 如j l f 一咖i ) - i l l ( 1 2 7 ) 在做出了u 。与钍，关系的分析之后，我们可以看出，在整定点p 有u 。= 郇。在区内的t 卵幅值大于嘶；越接近母线侧，t 。p 的幅值越大而邯的幅值不 变，同时u 叩与钍p 间的角度越大。在区外，t 叩的幅值小于u ，；越远离故障 点的“。p 幅值越小而唧的幅值不变，同时“。p 与唧间的角度越大。 浙江大学硕士学位论文p 2 0 考虑过渡电阻的影响 如果考虑到过渡电阻的影响，即兄，o 或者说s o ，则u o p 中的周期分 量的幅值减小，与邯的相位差拉大，f l o p 中的非周期分量的值增大。 对考虑过渡电阻的u 。进行变形可得： u 。= l 亓b 1 云l 1 ( c o s 0 t + g m i l 2 西+ a r 9 ( 7 4 - 纛o ) “s ) + s c o s ( g m i l 2 西+ a r 9 ( 再品) ) ( 1 2 8 ) 1 3 4 对判据的理论分析 从我们对于牡。与嘶关系的分析我们可以得出结论，如果我们用“。和铭， 构成保护的判据，我们就可以通过比较u o p 与钍，的幅值的大小来作出是否 发生了故障的判断。由于钍羽钍，的相角差并不随着有故障与无故障，故 障在区内与区外的特征难以给出判据，所以我们无法通过比较t 。和的 相位给出判据。经过对于钍。p 茅口u ，的相位关系的分析我们可以发现，当负 荷状态时能量从m 侧输送到n 侧的时候，对于区内故障，u 。周期分量的相 位c p r 超前于“，的相位如，对于区外故障，u o p 的周期分量的的相位p f 滞 后于u 。的相位如；当负荷状态时能量从n 侧输送到m 侧的时候，对于区内 故障，u 。周期分量的相位c p f 滞后于钍，的相位如，对于区外故障，u 。p 的 周期分量的的相位如f 超前于钍，的相位如。这样的相位关系，难以给出判 据，所以我们通过钍。与钍，的幅值关系给出判据。 比较两个正弦量的幅值有很多方法，其中最常用的方法是使用傅立叶 变换，得到两个正弦量的幅值和相位，然后进行比较，但是傅立叶变换有 一个缺点，它的时间性能不好。对于全波傅立叶变换需要一个周期的时间 才能作出比较，即使半波傅立叶变换仍然需要半个周期的时间才能作出比 较。对于系统频率为5 0 h z 的系统，全波傅立叶变换要用2 0 m s 的时间，半 波傅立叶变换要用1 ) m s 的时间。这不能满足我们对于保护动作时间的要 求，或者说这样的保护相对于传统的保护并无多少优势。 为了使保护的性能更好，我们使用式( 1 1 0 ) 所示的判据。这个判据更 好的完成了对于珏。和两个正弦量的幅值的比较。它的优势主要有以下几 点： 1 这个保护判据动作的更迅速，对于接近保护范围末端的故障，它能 在5 8 m s 动作，对于接近于保护装设处的故障，它的动作速度更 快，可以达到5 m s 之内。 撷江大学硕士学位论文p ? 2 1 2 由于这个保护判据使用了相关的概念与方法，同时带有滤波的能力， 因此能够很好的避开谐波和随机噪声的影响。 3 保护没有时间窗，可以从一启动就开始判断故障是否发生。这就提供 了保护的反时限性能实现的可能。 4 这个保护判据具有反时限的性能，当故障远离保护安装点时，它的动 作速度较快，当故障接近于保护安装点时，它的动作速度更快。当近 端故障时，故障对于电力系统的稳定性的影响更大，快速的切除故障 对于电力系统的稳定具有重大的意义。 通过上述描述，我们可以对这个保护判据的性能有一个更深入的了解 下面我们再具体讨论一下这个判据几个性能的实现。 保护判据的滤波能力 形成保护的判据所需的u o p 直接从采样值计算而没有经过滤波，所 以计算所得的u 。中含有谐波分量与随机噪声分量。特别是对于长线 路，由于线路的分布参数特性，钍。p 中含有的谐波分量与随机噪声分 量相当大，它们会影响保护的准确性，严重的情况下会造成保护的误 动或拒动。如果使用经过滤波的采样值，则计算所得的不再具有 上文讨论的特性，如果先对钍。和进行滤波再构成判据则判据的时间 性能不能满足要求。我们提出的判据既能满足时间要求又能满足滤波 的要求。采用的方法从本质上说就是一边滤波一边判断。 对于式( 1 1 0 ) 所示的判据，右端只使用了唧，钍，可以从经过傅立时 滤波的稳态量得到，并且在保护启动后不需要重新计算，因此不存在 滤波的问题。左侧使用“。与唧的积进行积分，它在形式上是一种相 关算法。 互相关函数的定义如下f7 ： 1r r 兄v ( 下) = 而l 。( t ) 可( t + 下) 毗( 1 2 9 ) 比较式( 1 1 0 ) 和式( i 2 9 ) 我们发现，式( 1 1 0 ) 的左右两侧分别 是“0 p 与u ，的互相关函数和钍p 的自相关函数，其中下的值取0 ，t 从一个 采样周期逐渐加大。由相关理论，一个函数的自相关函数最大，两个 函数相差越大，它们的互相关函数的值越小。因此，当故障发生在接 近整定点时，相关函数对于u 。的抑制较小以提高保护的灵敏度，当 故障发生在接近保护安装处时，相关函数对于钍。的抑制比较强烈以 提高保护的准确性。 从式( 1 1 0 ) 所示的判据我们还可以发现，因为，是一个经过傅立叶 滤波的正弦量，保护判据的两侧算式分别具有与对t 切和钍p 的傅立叶 激江大学硕士学位论文p 2 2 蹲婆相同的形式，所以这个判据对于钍叩中的谐波分量也具有滤波的 效果。 通过保护判据的相关特性和傅立叶滤波特性，使得保护判据有效的滤 除了印中的谐波分量和随机噪声分量，使保护具有良好的灵敏度和 准确性。 保护的反时限性能 为了提高电力系统的稳定性，要求保护在近母线侧能够更快的动作， 具有这种性能的保护被称为反时限保护。本保护就具有反时限的性 能。首先因为保护不需要等待时间窗满就可投入，使保护的快速动 作成为可能；其次，因为构成保护所使用的u 。随着故障点向保护 安装处移近，以与线路电气距离成正比的速度增大，这可以通过式 ( 1 2 3 ) 中的比例因子南击得出。因为u 印的增大速度很快，远大于 判据对于u 。p 的抑制，所以在近保护安装处，判据的左侧值迅速大过 右侧值，从而使保护更快的动作于跳闸。而当在远离保护安装处发生 故障时，判据对于t 。p 的抑制较小，从而使保护也能较快的动作。 1 3 5 基本判据的问题以及补偿算法的使用 基本判据存在问题，这正是我们提出一个基本判据一个最终判据的的原 因。下面我们分析基本判据的问题，和补偿算法的作用。 用一个程序检验保护基本判据的性能 为了检验保护的判据，本节将用一个程序检验保护判据的性能。对 式( 1 2 8 ) 中的g 价卺、妒1 、s 在合理的范围内扫描，考察判据的动作情 况，从而实现对保护动作情况的检验。 首先对基本判据进行检验。 对于电力系统的线路，两侧电源相角差一般不大于6 0 0 ，所以有 对于区内： 使： - 6 0 0 西l z 吾l 嘶f 如 ( 1 3 。) 其中t 为周期，判据从故障发生保护启动后开始作用。o 时刻为故障发 生后保护启动的时刻。算式右侧的是在故障前就确定的电量，积分上下 限也是确定的值，算式右侧的值可以在保护前计算好。故障发生保护启 动后，计算算式的左侧，并与算式右侧比较，如果左侧大于右侧就判为故 障。判据一直作用到小于等的某个时刻，这个时刻是事先整定的，用于消 除谐波的影响。 从我们对让。和的分析来看，这个保护判据也可以判断出故障是在区 内还是区外。但相对于我们的判据，这个判据也有不足之处。由于本文的 浙江大学硕士学位论文p 2 9 保护判据使用了相关特性有很强的滤波能力，我们的判据中消除谐波的影 响的补偿量就很小，进而保护的动作更快。尤其是对于远端故障，本文中 判据的动作速度要快得多。 1 4结论 本章提出了一种基于突变量的保护原理，由于判据作用的过程不经过滤 波，保护的动作更快：由于在保护的判据中使用了相关原理，能够对于线 路的谐波进行抑制；对于区内近端故障，保护可以动作的更快，拥有更高 的灵敏度。 由于本保护拥有以上的特点，它适合于作为线路的高速保护，在主保护 之前作用，从而达到快速切除近端故障的目的。 第二章保护测试平台 本章介绍了保护测试平台。首先介绍了平台的意义；然后对平台研发过 程中所遇到的一些理论问题进行了探讨；最后对平台软件的整体结构和各 个部分的设计和实现进行了叙述。 2 1 保护测试平台的意义 保护测试平台是用于对保护装置程序和保护新原理进行测试的软件。在 这一节中，我们将对保护测试平台做一个总体的描述，以便于对保护测试 平台有一个概念性的认识。 保护测试平台的用途 在电力系统继电保护新原理的研究以及继电保护装置的开发过程中， 需要对新原理或继电保护装置进行试验，以验证新原理的正确性实用性 或继电保护装置的正确性。传统的做法是进行动态模拟试验以对新的原 理或新的保护装置进行测试。这种试验的成本很高，而且需要在专门的试 验室里，使用昂贵、笨重的试验设备进行。本软件的开发，就是力图在一 台p c 机上进行保护的测试，这种测试虽然不能完全取代动态仿真试验的 功能，但可以提供一部分动态仿真试验的功能，对保护原理或保护装置进 行测试。在实际使用中，可以先对保护原理或装置使用保护测试平台进行 测试，利用保护测试平台的调试功能排除一部分错误，然后对保护原理或 保护装置使用动态模拟试验进行测试。这样动态模拟试验的工作量可以大 大减少，增加了使用平台进行测试的过程。而使用测试平台对保护原理或 装置测试更方便和有效，总体上减少了测试的工作量和难度。随着保护测 试平台的发展，保护测试平台甚至可以取代动态模拟试验的大部分工作。 在很多情况下，不需要动态模拟试验就可以完成对保护原理或保护装置的 测试工作。 保护测试平台的功能与优点 保护测试平台可以实现电力系统一次部分信号源的仿真，根据保护的动 濒江大硕l j 暑位论文 3 1 作情况动态的改变一次部分的拓扑重新计算；实现保护装置的连线，把各 种信息传递给保护装置，以及在保护装置之间进行信息的交换。 相对于动态模拟试验，保护测试平台有一个很有用的优点。首先由于测 试平台使用软件模拟的时间，对于一个采样周期的运算町以无限持续；其 次，由于保护装置程序被改为在p c 机上编泽运行，可以在保护装置程序 中任意设置断点进行调试，对保护装置程序的调试更容易。 我们的工作 经过金华烽同学、李忠安同学以及作者的努力，保护测试平台的大部 分功能都已经实现了。可以实现电力系统一次部分的仿真，保护装置的连 线。 2 2 保护测试平台的理论问题 2 2 1 从两个角度看保护测试平台 以保护为核心的视角 保护测试平台是为了对保护程序或者保护原理进行测试的工具，从这 个角度上看来，平台( 下文中我们将经常用平台来代替保护测试平台的 全称) 的的一切功能应该以保护作为核心，为保护提供输入的采样信号、 开入量，从保护得到开出量，还要通过保护程序的通讯协议得到保护内部 的更全面的信息，如录波信号等。保护是用来对电力系统的故障进行处理 的，所以提供保护采样值的一次系统要提供灵活的故障产生机制，同时保 护还可能进行重合闸，所以一次系统还要有故障消除的功能。 图2 1 显示了站在保护视角的系统结构。在这种视角之下，保护是一切 工作围绕的中心。无论是一次系统还是后台监控都是以保护为服务的对 象。这样一个视角充分体现了平台的目的所在。 从这个角度来看，我们要做的工作主要是为保护提供一个环境的仿真， 通过把保护放入各种各样的故障环境之中，考察保护的行为，完成对保护 的测试工作。 系统的视角 我们还可以换一个视角，从另一个角度看系统的构成和功能。如果我们 把整个系统看成是一个整体，则无论是保护、一次系统、开入产生、后台 监控、开出显示都是电力系统的一个组成部分。它们之间相互通讯。随着 时间的延续不断改变自己的状态，从而接个系统的状态不断的转换，仿真 了一个带有保护的电力系统的运转的情况。 浙江大学硕i - 学位论文p 3 2 图2 1 ：站在保护视角的系统结构 从这个角度来看，我们要做的就是，模拟电力系统的各个部分，使它 们与在真正电力系统的元件具有相似的行为。然后把这些相对独立的部分 连接起来，完成对于一个装有保护的电力系统的模拟。现在让这个系统运 转，设定一次部分产生故障，观察整个电力系统特别是保护的行为，保护 在不同故障状态下的行为因而得到验证。 以系统的视角看平台，平台的结构与我们软件的程序结构更为相似。同 时由于我们的软件的结构与实际电力系统的结构相似，从而使我们的软件 有更强的扩展能力和灵活性。我们在本文今后的讨论中，将更多的从系统 的视角看平台，考察平台的设计与行为。 2 2 2 从连续、离散混合系统到离散系统 平台要对保护工作的整个环境进行模拟，这种模拟包括对于一次系统的 模拟，对于互感器的模拟，对于采样的模拟，对于后台监控软件的模拟， 对于保护开入开出的模拟，对于系统接线的模拟等。这些电气元件既有模 拟元件又有数字元件，整个系统是一个连续、离散混合系统。计算机系统 是一个更适合处理离散信号的系统。为了在计算机系统上实现对于整个环 境的模拟，我们把所有的模拟元件进行离散化，使它能够被计算机处理。 这样就要把一个连续、离散混合系统离散化为一个离散系统。 线性定常连续系统状态空间表达式为f 8 1 ： 圣( t ) = a z ( t ) + b - 钍( f ) ( t ) = c - z ( t ) + d t ( t ) ( 2 1 ) ( 2 2 ) 其中，系统矩阵a 、控制矩阵b 、观测矩阵g 和前馈矩阵d 分别为 n 、凡p 、q 竹和口仃实常数矩阵；输入向量u 、输出向量和状态向量* 7 7 分 别为px1 、q l 和nx1 向量。式( 2 1 ) 为状态方程，式( 2 2 ) 为输出方 程。 浙江大学敬上学位论文p 3 3 它可以离散化为【8 ： z ( + 1 ) = f z ( 七) + g u ( 女) y ( k ) = c z ( ) + d u ( ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 其中，f ，g ，c 和d 分别为礼n ，t , p ，q n 和q p 实常数矩阵；输 入向量孔、输出向量f 和状态向量z 的维数分别为p 、g 和礼；表示f ：k t , 时 刻，瓦为采样周期。 电力系统一次部分的计算机仿真计算已经经过了人们的长时间的研究， 有了很多很好的算法和一些产品，因为本软件的主要目的是对保护进行 测试而不是系统仿真研究，所以我们采用的e m t p 进行一次部分的仿 真。e m t p 的输出结果已经是经过了采样的离散值，次部分的已经进 行了离散化。然而问题还没有完全解决。如果我们要采用一种e m t p 所 没有提供的元件模型，例如我们想加入一种新的互感器模型，这个模型我 们已经用一个程序描述了它的特性，怎样把它加入我们的软件系统呢? 怎 样加入才能使平台提供给保护的采样值与实际电力系统在同样模型下的采 样值一致昵? 让我们做一个分析。 根据状态方程法，对于电力系统一次部分( 这一段中是特指不算入附 加元件的部分) 可以列写状态方程。同样对于附加的元件( 即我们想加 入的自己的元件模型) 也可以列写状态方程。用离散的观点看待整个系 统，一次系统在时n t = ( 七十1 ) 正的状态( 即状态方程中的状态) 决定 于t = k t , 的状态z ( ) 和输入u ( ) ( 这个输入包括保护的跳闸信号或用户的 故障投入请求) ，如式( 2 3 ) 所示。附加元件在t = ( k + 1 ) 。冠时刻的状 态同样决定于t = k t , 时刻的状态与输入( 这个输入是来自一次部分的输 入) 。假设在某时刻= k t , ，一次系统和附加元件的状态与实际电力系统 的状态相同，一次部分和附加元件能够根据t = k t , 的状态和输入( 来源于 一次部分和附加元件之间的通讯，即后文将要提到的系统连线) 正确计算 出时刻t = ( k + 1 ) 疋的状态，则计算得出的t = ( 女+ 1 ) 岛时刻的状态和 实际电力系统在t = ( k + 1 ) 砖时刻的状态相同。 根据以上分析，只要我们使一次部分和附加元件在开始时刻的状态与实 际电力系统的状态相同，一次部分和附加元件都能够得到前一采样周期正 确的输入，而且一次部分和附加元件能够根据前一采样周期的状态正确计 算出后一采样周期的状态，则模拟系统( 或者说仿真系统) 计算得出的系 统状态就能很好的模拟实际电力系统的状态。 由于大多数一次系统仿真软件只提供了输出的能力而没有提供输入的能 力，所以我们提出的这种扩展的方法只能用在诸如互感器等只从一次部分 得到输入而不向一次部分输送输出的元件，对于要与一次进行双向交互的 元件，只有利用仿真软件自身的扩展功能。 2 2 3