基于故障录波数据的变压器保护分析系统.doc

山东大学硕士学位论文基于故障录波数据的变压器保护分析系统姓名：宋明慧申请学位级别：硕士专业：电力系统及其自动化指导教师：潘贞存20070420 山 东大 学 硕 士 学 位 论 文摘 山 东大 学 硕 士 学 位 论 文 甌 ， ， ， 琣 关 于学 位 论 文 使 用 授权的声 明本 人完 全 了 解 山 东 大学 有关 保 留、 使 用 学 位 论 文 的规 定， 同 意学 校 保留或 向 国 家 有关 部 门或 机构送 交 论 文 的复印 件 和 电 子 版 ， 允 许论 文 被查 阅和 借 阅； 本 人授权山 东 大学 可 以 将 本 学 位 论 文 的全 部 或 部 分 内 容 编入 有关数 据 库进行检 索， 可 以 采用 影 印 、 缩 印 或 其他 复制 手段保 存 论 文 和 汇 编本学 位 论 文。 苈 畚脑诮饷芎 笥袷卮斯 娑 研究 背景及意 义电 力 变压 器 是 电 力 系统 中 最重 要 的电 气 主 设 备 之一， 作 为电 能传送 的枢 纽， 其 重 要 性 不 言而 喻， 其 运 行正常 直 接关系到 整个 电 网 可靠性 。因 此 要 求 变压 器 继 电 保 护 要 具有 较高 的可靠 性 。随 着 电 力 系统 规模的扩 大 、电 压 等 级 的升 高 ， 大 容 量 超高 压 的大 型 电 力 变压 器 的应 用也随 之扩 大 ， 这就要 求 变压 器 保 护 不 仅可靠 ， 而 且 要 快 速。近年 来， 微机 技 术 在 电 力 系统 继 电 保 护 领域 得 到 了 广 泛 的应 用，使 继 电 保 护 在 原 理 、构 成、性 能和可靠 性 等 方 面 都 有 了 很大 的改善 ，运 行装置的正确动作 率有 了 较大 的提 高 。统 计 表明， 目 前微机 型 输 电线 路 保 护 装置的正确动作 率已 经达到 以 上 ， 有 些地 方 达到 了 以上 。但 是 ， 电 力 变压 器 等 主 设 备 保 护 的正确动作 率还相 对 较低 ， 平 均 的 录 波器利 用 录 波数据 进行 故障分析与 诊 断的 功能 还远未 达 到 其 应 有的 水平 ， 所存在 的 主 要 问 题是其 分析软件 虽然 对 电 气量 波形 能 够 进行记录 、谐波分析以 及 对 某 些故障量 的 特征 分析， 但 是真正 用 于系统 参数的 评 估及 暂态 过程分析的 内 容 还很 少 ， 远未 达 到 进行 精确故障分析的 要 求甚 至浪 费 了 信 息含量 丰 富的 故障录 波数据 】。 标 准的 录 波数据 进行 了 可 视化 的 再 现 及 分析。系统 采用 本文 主要 工 作 及 论 文 章 节 安排 和 后 备保 护 的基 本原 理， 并 用编 程 工 具编 写出 实 现 程 序 。 近年 来， 微机 技 术 在 电 力 系 统继电 保 护 领域 得 到了 广 泛 的 应 用，使 继电 保 护 在 原 理 、 构 成、 性能 和可 靠 性等 方 面 都 有 了 很大 的 改善 ，运行 装置的 正 确动作 率有 了 较 大 的 提 高 。 统计 表明， 目 前微机 型 输 电线 路 保 护 装置的 正 确动作 率已 经达到 以 上 ， 有 些地 方 达到了 以上 。 但 是 ， 电 力 变 压器等 主 设备 保 护 的 正 确动作 率还相 对 较 低 ， 平 均拒 动。 山 东大 学 硕 士 学 位 论 文 变压 器 主 保 护 的基 本工 作 原 理 山 东大 学 硕 士 学 位 论 文仆，仆厶 ，卧 卜 卜 卧 卟 厶式 中 各项的含 义 同 上 比 率 制动 式 差动 保 护 动 作 特 性的差异 ， 主 要 决 定 于 制动 电 流和 制动 系 数 的选 取。 变压 器 绕 组 数 目 不 同 ， 制动 电 流方法也 有 所 不 同 ， 现分别对 双 绕 组 变压 器 和 三 绕 组 变压 器 制动 电 流的选 取情况 进 行 分析。首 先 讨 论 双 绕 组 变压 器 的情况 。 双 绕 组 变压 器 保 护 制动 电 流通 常有 以 下两 种 形式 ：， ， 狵 ， ， 唬， 。 判据 ， 都闭 锁 三 相 的 差 动 保 护 。二次 谐波 制 动 方 式 是 目前 应 用最 多 的 涌流制 动 方 式 ， 其优点是 构成 比较 简 单， 实现 方 便 ， 多 数 情 况 下都能很好 的 区 分 短 路 和涌流。 存在 的 主要问题 是 在 变 压 器采 用新 型铁磁 材 料使 饱和磁 密 提 高 时 ， 励 磁涌流中 的 二次 谐波 量值 减 小 热 缧 ， 上述 判据 将 无 法 区 分 涌流与 故 障 ， 可 能会误 动 ； 另 外 ， 在 变 压 器内 部某 些 不对 称 故 障 情 况 下，尤其是 当 变 压 器接 于 超 高 压 长距 离输电 线路 或变 压 器附 近 装 有无 功补偿 装 置 时 ， 亦会在 故 障 电 流中 产 生较 大 的 二次 谐波 分 量， 使 差 动 保 护被 制 动 ， 直 到 二次 谐波 分 量衰 减 后 才 能动 作 ， 从 而延误 了 故 障 切除 时间。 为 此提 出 了 许 多 其它 判别 励 磁 涌流的 判据 原 理 。 取 上述 的 门 坎 值 ， 且 取 。 作 为 可 能的 最 小 涌流间断 角 ， 就 要求 采 样 率为 每 周波 点以 上， 即。 如 此高 的 采 样 率 ， 对 微机 的 硬 件要求 是 相 当 高 的 。 涌流间断 处 的 电 流绝 对 值 比较 小 且 接 近 于高 的 疍芯片 ， 否则就 可 能引 起 判据 的 失 效 。 尖脉 冲为 中 心 的半 周波 形作为 前半 周信息 ， 利用“ 平 移 ”“变号 ”原 则虚拟 构成 后 半 周信息 ， 前后 合起来构成 一 个 完 整的周波 信息 。这 一 合成 信息 符合奇 对 称 原 则。它 不 仅在 单侧尖脉 冲性 涌 流时 含 有 丰富 的三次 谐 波 分 量 ， 而 且在 对 称 性 涌 流时 ， 也含 有 较多 三次 谐 波 分 量 。因 此可 以避免二 次 谐 波 制 动 原 理 在 对 称 性 涌 流时 的合闸 情况 ， 由于 有 一 相谐 波 比 过 低 引 起保 护 误 动 的状况 。这 种 原 理 仅用工 频 半 周期 信息 ， 从而 加 快了保 护 的动 作速 度 。 变压 器 后 备保 护 的基 本 工 作原 理 弋过 电 流 定 值 。 郴 其中 ：的 零序 电流 以 ； 境 H 嗟 缪 箄 。， 瑄 。在 软 件中 和其中 ： 。为 零序 电压 ， 取 自本 侧零序 ； 变 压 器长 期 过负 荷 运 行时 ，绕 组 会 因发 热 而 受到 损 伤 。 对 本章 小 结 在电力 系 统的 故 障 分析 中 ，故 障 录 波 数 据是 最 为重要 的 参 考 信息之一，所 以 在研 制 故 障 录 波 分析 软件的 过 程中 首要 问 题 是 选择 录 波 数据格式 。 为了便 于 故 障 数 据共 享 和故 障 信息 联 网 ，目前大 多 数 软件都采 用 标准 格式 保存 数 据，或提 供 向 格式 的 转换 功能。 准 通用 格式 ，由 电气 和电子 工程师 学 会电力 系 统协 会 继 电保护 委 员会制 定 。 定 义了一种 通用 标准 文 件格式 ，用 于 存 储从 电力中 国电力 行 业 标准 电力 系 统故 障 动 态 记录 技 术 准 则 疶由 于 当 暂 态 数 据进 行 转换 时 ，必 须包括 表 达 暂 态 发 生 环 境 的 数 据信息 。 配 置 文 件即 可 以 由 字 处 理 程序 生 成 ，又 可 以 由 计 算机 程序 生 成 。被 监 视 元 件名称、单 位 、通道 增益 、通道 偏移 量 、采 样 的 最 大 与最 小值 等 ；监 视 元 件名称、正 常情 况 下通道 的 状 态 等 ； 标 准的 规 定 ， 否 则将 出现 严 重 错 误 。数 据按采样 时 间 的 先 后顺序进 行记录 ， 记录 内容包 括 采样 顺序编号、 采样 时 间 标记、 模拟 量 通道 数 据、 开关量 通道 数 据等。的 格式 完 全 一致 ， 以 便 计算 机程序正 确、 方 便 地读取 数 据。除 了 模拟 输入 信号对 应 的 数 据外， 开关输入 信号也经 常 要记录 ，开关输入 信号的 状 态可以 用 来 表 示 。数 据文 件有两种格式 ：文 本格式 和 二 进 制格式 ， 它由 配制文 件中的 “数 据文 件类型” 字段确定 。 畔募 点 ， 但所 用乘 法较多 。两种算 法都要求 输入 交 流 量 为正 弦波 ， 可用于 周 期 ， 算 法本身有一定 的 滤 波 能力 。因为计算 时 对 每一采样 值都取 绝对 值， 所 以 只 要谐波 或高 频 分量 不改 变 基 波 采样 值的 符 号， 则这些 非基 波 分量 的 正 负半周 在 积 分时 将 互 相 抵消， 或虽 未 能完 全 抵消， 其 影响 也要减小 。但对 直 流 分量 没 有抑 制作 用。但由 于有上 述 特 点 ， 仍然得 到 广 泛的 应 用。期 分量 及 某 些 谐波 分量 的 函数 按最 小 二 乘 方 原理进 行拟 合 ， 从 而 可求出输入 信号中 各 种暂态分量 的 幅值和 相 角。其 优点 是可以 消除 输入 信号中 任意需 要消除 的 暂态分量 ， 也可以 同时 计算 输入 信号中 各 种所 需计算 的 分量 。最 小 二 乘 法曲 线 拟 合 算 法的 精 度很好 ， 但需 要确定 好 数学 模型， 使拟 合 曲 线 能够很好 的 反映 故 障 信号。此 种算 法运算 量 较大 。 分 量 觥 譪 珂 耐 趴 式 中 恍巢 拇 问 琻 ， 琺 ；丸 ，以 一 第 次 谐 波的余 弦 和 正弦 分 量的幅 值。 。一 ， “ 仔 。一 ，。， “ 百 隢 七 争 ： 求 出 某模 拟 量 通道 当前 采样 点的 有 效 值 及相角 ； 簁 ： 半 猙 猙 猯 綜 ： ：精 确 性。 设 唬 奘 乔 渎 !邸可 系牧 亲鳎 蔯【 口 ， 俊 阎 T凇 綼 】 埽 澹 ， 唬 琭 一 ， 籮珂 有 的 荆 ， 而 只 要求 在给 定 的 薯 上误 差 缓胍 慧獭癤 猳 ， ， 一 按 某 猻 釦 妒 蕂 觯 琕 口。 ，呸， 这 样 ， 求 极 小值 慕 舛省 ， 就 是 求 多 元 二 次 函数 琿 ， ， 按 内 积的 定 义 ， 上 式 可 写 为可 以 证明 ， 这 样 得 到 的 妒 ， 对 任何 妒 西 ， 都 有 欢省疈 一 妒“ 前 面 讨论 了 子 空 间 中 中 的 最 小 二 乘 拟 合 。 这 是 一 种 线性拟 合 模 型 。 当 保 表 示从 当 前 的采 样值 七 屑 跞 个 周 荕 公 司 推 出 的 功 能 最 强 大 、最 复杂 的 语 言 闪薓 元素 所发 出 的 消 息 映 射 到 类 的 虚 拟 成员 函 数 。 的 思想 。相 对 于 结构 化程 序 设 计 思想 而 言 ，代码具 有 很 用 单文 档 结 构 。主 要 由三 部分 组 本章 小 结本章 介绍了电 力 系统变 压 器 故障 分 析 平 台 的 设 计情 况。 数 据 格 式 做个 介绍。 进行 了分 析 。提 出 本课 题 的 总 体 设 计及 主要 程序 流 程。 数 据转 换 模 块 的 作 用是 将 录 波 装置 所 采样的 故 障 文 件 转 换 成 标准格式 的 文 件 ，这 是 建 立统 一的 保护分析 平 台的 关 键。程 序 首先 读 取 原 数 据文 件 的 配置 文 件 和数 据文 件 ，使 用“ 系列数 据转 换 工 具 ”，将 该 数 据转 换 为 第 二章 所 介绍 的 格式 的 标准文 件 渲 邪 渲 梦募 褪 菸募 。 故 障 时 间 山 东大 学 硕 士 学 位 论 文 鸵 ， 在 脚时刻 的 数 据 是 ， 则其 实 际 值为对于 软件平 台 所 需 各侧电 气 量数 据 ， 需 要 考 虑 以下 情况 ： 山 东大 学 硕 士 学 位 论 文高 压 侧 ： 路 路 电 压 侧 返缌 扣 湎痘 芈 妨 阈 虻 缌 分 支 返缌 分 支 返缌 侧 返缌 高 压 侧 ： 路 路 电 流 路 电 流 侧 返缌 ， 。 。 路 电 压 侧 返缌 ， 路 电 流 。 变比 平 衡 和 角 度校正由于 变压器 接 线组 别的 不同， 其 各 侧 电 流 的 幅值 和 相 位 也 不相 同。为 了 构成 变压器 主保 护 中的 差动 电 流 、 制 动 电 流 ， 需 要 对 各 侧 电 流 互 感器 二 次电 流 进 行 补 偿 。 常 规变压器 保 护 中， 相 位 的 补 偿 是 靠 将 变压器 星 型侧 的 电 流 互 感器 二 次接 成 三角 形 ， 而变压器 三角 形 侧 的 电 流 互 感器 接 成 星 型， 变比 的 补 偿 靠 两 侧 采 用 变比 不同的 ， 并 采 用 平 衡 绕 组。微 机 保 护 中， 各 侧 的 一 般 都 采 用 星 型接 线， 通过 软 件 的 办法 来 平 衡各 侧 电 流 。 在编制 变 压器保 护 程序 时， 对 各 种 接 线 组 别都 应 该 考 虑 ， 即对 各 种接 线 的 变 压器都 编制 一 段专 用 的 接 线 校正程序 。 用 户 根 据界面 选择。 变压器的 一 次 接 线 方 式 ”和 接 线 方 式 ”， 从 而 选用 相 应 的 程序 。 ！ 。 、 分 别是 高 中低 压侧的 互 感 器变 比 ；补 偿时分 别将 中、 低 压侧各 相 电流与 相 应 的 平 衡 系 数相 乘 。用 户 从 界面 上选择变 压器及 接 线 方 式 ， 输入 各 侧信息 之 后， 软 件 调 用 已编写的 程序 进行相 位 校正和变 比 平 衡 ， 种 方 式 校正如下 訟 澹 篒 。 粅 ； 叮 簂 ； 赋 ； ！ 癐 ； 悖 簀 誌 轰 征被 淹 没 ， 得 到的 信 息 量减少 。对 双 绕 组 变 压器 ， 软 件 设 置 了两 种 制动电 流 公 式 可 供选 择：， ， “。， 。琁对 三绕 组 变 压器 ， 软 件 设 置 了两 种 制动电 流 公 式 可 供选 择：图 二 折 线 三折 线 制动曲 线 电 流 值 。 这些 量 都 可以 由相分 量 经 数学 变 换而得：本 章 介绍了电 力 系统 变 压器 故障 分 析 软 件 的 数据处 理部 分 。软 件 的 数据处 理分 析 功能 对 配置 文 件 及 数据文 件 的 信 息进行 了处 山 东大 学 硕 士 学 位 论 文第 五章 变 压器保 护 分析 软件 功 能 介 绍 软件 分 析 模块 设 置 置文开 关 量 动作 硼 兄差 流 速 断 保 护 开 关 量 动作 情 况 山 东大 学 硕 士 学 位 论 文动作 判 据 ：后 备 保护模 块 分 侧 设置 ， 包 括 高压 侧 、 中 压 侧 和 低 压 侧 三部 分 。 其 玩 。堡 二生攀求得，当，。时，元件闭锁。电 流 取 自 用 户 之 前 选 择的高 中 低 压 某 侧 ， 用 户 设置 整 定 值， 备 在 变压 器 高压 侧 。并 保疟 ； 鳌 ， 一 般不 大 于 ， 取 左 右。 时 ， 延 时 作用 于 信 号 。 实例 分析 发 电 机 电 压 、 、 主 变 高 压侧 电 流 、 、 高 厂 变 高 压侧 电 流 疃 、 、 备 用 电 流 、 、 年 谝淮 魏 开 关 ： 山 东大 学 硕 士 学 位 论 文制动 电 流 方 案 一 ：最 大 值制动 图 中 ， 横 轴为制动 电 流 值， 纵 轴为差 动 电 流 值， 时 间 信 息 无 法体 现 。 所 以 加 入 时 间 轴信 息 ， 再 次 分析 比 率 制动 保护 ， 如 下 图 所 示：蠢 看赫 势 差 静喇 伺轴关 系 臣 勇折境 图 蠢 烈晴 镠帕 翻唳蒙 丑甬折牲 山 东大 学 硕 士 学 位 论 文 捶 蔓 矗 沪 时阍轴羌 豢 舶 两 查 看剖 动 蘃 恫 轴芪景 田 折蟪 一一采 佯 点 一。 一一一融 一试 肌 山 东大 学 硕 士 学 位 论 文 甀 盘 电 饥 雠 软 件 采用 镅员嘈 矗 赪 比 平 衡和角 度 校 正 等功 能 。均集 成在 软 件 中 ， 便 于 进行 直观的 分 析 比 较。护算 法 评 估 、 波 形再