电力系统故障录波数据分析

1、研 究 与 开 发年第 期6电 力 系 统 故 障 录 波 数 据 分 析邵玉槐许三宜何海祥丁周方(太原理工大学电气与动力工程学院,太原 030024摘要 电力系统故障录波数据是电力系统故障分析和保护动作判据的重要依据。本文提出了据 电力系统故障录波数据完善了频率分析、谐波分析、故障定位的数学分析方法。采用 java 编程语言 完成部分过程的编制工作。同时针对目前双端测距存在的伪根问题,提出了一种新的求解过程。关键词:电力故系统故障分析;故障录波数据;双端测距Power System Fault Recorder Data AnalysisShao Y uhuai X u Sa nyi He

2、Haixiang Ding Zhoufang(College of Electrical and Power Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024 Abstr act The power system fault recorder data provides the important basis for fault analysis and protective operating criterion. The paper improved frequency measurement mathematica

3、l analysis algorithm and harmonic analysis mathematical analysis algorithm as well as fault location mathematical analysis algorithm by use of those data. Using java programming language as development tools and accomplish some function. At the same time, the paper proposes a new solving process aim

4、ing at false roots in two-terminal fault location.Key words :power system fault analysis ; fault recorder data ; two-terminal fault location1引言电力系统故障录波系统是电力系统发生故障及振 荡时能自动记录的一种系统或一种装置。 近年来, 不同 类型的故障录波器已在电力系统中得到广泛应用, 所记 录的各种故障录波数据为电力系统故障分析及各种保 护动作行为的分析和评价提供了数据来源和依据。目前,电网调度端已能通过专用网或电话网将 电网故障录波数据集中到一起,但

5、如何有效管理和 利用这些信息进行必要的故障分析、保护动作行为 评价及故障测距等并没有统一的标准 1。2系统总体设计java 的最大优势就是跨平台,通俗地说可以用 于各种操作系统,本系统是以 java 为平台开发的基 于 IEEE 标准的 COMTRADE 数据格式的面向对象 的可视化程序,下面简单说一下设计思路:(1数据采用的格式目前故障录波器基本上采用 IEEE 的 COMTRADE 标准。 每个 COMTRADE 记录都有一组 4个与其相关 的文件,其中 CFG 和 DA T 文件有严格的格式,用于 存储通道数据和相关解释信息; HDR 没有固定格式。 COMTRADE 文件遵循固定的记录

6、格式, 这使得编写 程序读取数据成为可能。 文件以一行为单位记录录波 信息,每行种又以逗号隔开各类信息或数据。(2图形用户界面的显示在本系统中,无论是波形分析(如波形的横向、 纵向放大缩小;波形的瞬时值还是故障分析(如谐 波分析、序分量分析以及故障测距计算等结果,都 要通过视图显示到屏幕上,实现信息从机器到人的传 递, 因此, 设计一个直观、 友好的 GUI (Graphical User Interface, 即图形用户界面对程序编写的基本要求 1。(3基本过程思路如图 1。3算法及程序(1波形再现现 场 采 集 的 数 据 是 一 系 列 离 散 的 点 , 由 COMTRADE 文件可以

7、计算出每个时刻对应的电压和 电流瞬时值, 利用 jfreechart 的强大功能可以生成了电 压和电流波形图。具体的单通道波形生成程序为:山西省自然科学基金资助项目(6320097220001102 研 究 与 开 发 年第期图 1JFreeChart chartA=ChartFactory.createXYLineChart("", /chart title "X", /x axis label "Y", /y axis label dataset, /dataPlotOrientation.VERTICAL, true, /inc

8、lude legend true, /tooltips false /urls ;importorg.jfree.data.general.DatasetChangeEvent;import org.jfree.data.xy.AbstractXYDataset; import org.jfree.data.xy.XYDataset; (2频率计算采样电压信号为一正弦电压,假设采样期间电 压幅值保持不变,系统频率也不迅速改变,系统电 压信号采样可用下式表示( sin(2v t V ft =设每周波的采样点数为 N ,每 0.1s 的采样点数为 n , 当电压信 号以 T 为时 间间隔 采样时,

9、 第 , 1, 2, 3k k k k +的采样值可以表示为sin(2k v V ft =+1sin2( k v V f t T +=+2sin2(2 k v V f t T +=+3sin2(3 k v V f t T +=+由上式可以推导出:2312cos(3 14sin (cos(k k k K v v fT fT v v fT +=+(1为了消除 120k k v v +=的影响,利用等比定理 若 0a c e bdf=>,则 a c e ab d fb+=+经过 n-3次计算的 214sin ( fT 按上式取绝对值 和进行补偿得到3321312114sin ( n kk k

10、n k k k vv fT vv +=+=+=+ (2令3313121nkk k n k k k vv x vv +=+=+=+ (3根据采样值可以计算出每隔 0.1s 的 x 值由式(2和式(3可以推导出121arcsin(1 2f T x =(4注:f=50Hz, T 为采样周期, 1T f N =根据式(4求出的 x 为 x 0, 将 121arcsin(1 2x 在 x 0处进行泰勒展开得22221200033200022000523200011arcsin(1(2223(23(11(23223(23(1 ( 2x fTx x x x x x x xx x x x x x xx =+(

11、5可得 ce 5f T=式(2(3全周傅氏变换算法这是在电力系统中应用很广泛的一种较好的算 法,尤其是在电力系统微机保护提取基波分量时占 有重要的地位。当电力系统发生故障时往往产生较 大的衰减,非周期分量全周傅氏差分算法则可以消 除这种误差。为了降低直流分量的影响采用了差分变换,即 用采样值之差 (1 ( x n x n +代替 ( x n 。假定被采样信号是一个周期性的时间函数,除 基波外还含有不衰减的直流分量和各次谐波,可表 示为 n ,其为自然数,代表谐波次数。 n a 和 n b 则分 别代表各次谐波的余弦项和正弦项的振幅。 1a 和 1b 分别代表基波分量的余弦项和正弦项的振幅。结合

12、全周傅式算法和差分采用矩形法可求得:112( sin(2/N n k k k a xx kn N N+= 2009727 研 究 与 开 发 年第期1102(cos(2/N n k k k b x x kn N N += 222/2/2/2sin /2cos n s n s X a n T b n T =+arctan(12 2n n s a b fnT =(4双端测距利用双端数据的测距算法,在原理上完全不受 故障过渡电阻(阻抗的大小、性质及双端系统阻 抗的影响,可以保证测距的精度,但其主要缺点是 需要通道传递对端信息。双端数据同步和消除测距 方程伪根也是保证测距精度必不可少的手段。双端测距方

13、法大多利用双端电压和电流量, 列出 从两端至故障点的输电厂线路的分布参数电压方程。 对图 1所示电路,可列出如下的电路方程:( ( ( fF M F s MF cs s s s s U U ch x I Z sh x =(6d(s ( (fF N F sNF c s s( ( s s j U U ch l x I Z sh l x d =+(7 (1 (1 (1NP MP 1MP cs 1U U ch l I Z sh l=+(8 (1 (1(1 MP NP1MP 1csU Ish l I ch l Z =+(9式中, d为两端数据的不同步相角差, s=0,1,2为序 量标号,“ F ”代表故

14、障后,“ P ”代表 故障前,( ( 1/2cs (/ s s l l Z Z Y =,“ N ”代表故障前。“ f ”代表故障点。图 1单相接地故障由式(8或式(9得(1(1 M P 1MP cs 1d (1 NP(1(1M P 1MP 1cs(1 NPargU ch lI Z sh lUU sh l I ch l Z I =+=(10由式(6和式(7得d d( ( (MF NF s NF cs s1( (s MF NF s N F c s s 1s j s s s j s s U e U ch l I Z sh l x th I e U ch l I Z ch l+=+(11对非对称故障,

15、在式(1和(2中取 s=1, 2得d(1 (1M F 1M F c11(1(1 N F 1NF c11( ( j U c h x I Z sh x U c h l x I Z sh l x e=+(12d(2 (2 MF 1MF c11(2(2N F 1N F c11( ( j U ch x I Z sh xUch l x IZ sh lx e=+(13将式(12和式(13相除,消去双端数据不同步相角差 dj e (1(1M F 1MF c111(2(2M F 1MF c11(1(1NF 1NF c11(2 (2 NF 1NF c11( ( ( ( ( U ch x I Z sh x D x

16、U ch x I Z sh x U ch l x I Z sh l x U ch l x I Z sh l x =+(14对于对称故障,可根据故障前的双端电压、电流列出如下方程d(1(1M P 1MP c11(1(1NP 1NP c11( (j U ch x I Z sh x U ch lx I Z sh lx e =+(15将式(12和式(16相除,消去双端数据不同步相角差 dj e (1 (1MF 1MF c112(1(1 MP 1MP c11(1(1 N F 1NF c11(1 (1NP1NPc11( ( ( ( (U ch x I Z sh x D x U ch xI Z sh x U

17、 ch l x I Z sh l x Uch l x I Z sh lx =+(16 3其中,式(16适用于线路的全部短路类故障。 式(14和式(16的求解过程繁琐,求出的 结果往往是复数,存在的误差较大,为了剔除这些 伪根,提出以下求解方法。牛顿法实质上是一种线性化方法,其基本思想 是将非线性方法 ( 0f x =逐步归结为某种线性方程 求解。它的优点是收敛快。令 1( D x 和 2( D x 为 0,式 (14和式(16变为 ( f x 的函数,将函数 ( f x 在 点 k x 展开,有' ( ( ( k k k f x f x f x x x +(17则 1' ( (

18、k k kk f x x x f x +=(0,1,2k =则下山法能保证函数值稳定下降,防止迭代发散,即具有单调性:1( (k k f x f x +<(18 结合二者的优点,令1' ( (k k kk f x x x f x +=(19与前一步的近似值 k x 适当加权平均作为新的 改进值11(1 k k k x x x +=+(202009728 研 究 与 开 发 年第 期其中, 01< , 称为下山因子。 则式1' ( (kk kk f x x x f x +=4(0,1, 2k =(21( f x 从 =1开始,逐次将 减半进行试算,直 到能使下降条件(

19、18成立为止。为了消除不对称故障时(14和(16的解出 来的距离差距很大的取舍问题,同时根据模值平方 相等建立2( ( (MF MF s MF cs s 2(NF sNF cs s( ( (s s s s s f x U U ch x I Z sh xU ch l x I Z sh l x =+(22作为附加判据。选择令 ( f x 为最小值的解。4试验结果针对现场采集的一组 COMTRADE 数据的分析结果如下:1,-45833,-592,944,-336,3,-567,981,-398,2,4,-1,4,3,-2,-45000,-764,873,-93,2,-755,922,-152,3,

20、5,-1,3,3,-3,-44166,-885,743,155,3,-891,802,104,3,5,-1,2,3,-4,-43333,-947,561,394,3,-968,625,353,2,5,0,2,4,-单通道波形结果如图 2。 叠加通道波形结果如图 3。 频率分析结果如图 4。图 2单通道波形图 3叠加通道波形图 4频率分析5结论电力系统自动化的重要程度日益提高,为电网 调度自动化赋予了更重要的意义。本文设计的基于 COMTRADE 故障录波信息的电力故障分析软件是 应太原南瑞继保电力公司开发的一套软件,立足于 实际条件,可实现波形再现、频率分析、谐波分析、故障测距分析等功能。目前

21、,该软件已经完成了现 场采集数据的部分析功能。参考文献1李媛 , 刘涤尘 , 杜新伟 , 王和春 , 叶菁 . 电力故障波形再现及分析系统的开发 . 电网技术 ,2006,30(5:106-109.(下转第 33页2009729 PE 电力电子 年第 期33图 7三相定子电流输出波形7结论仿真结果表明,转子磁链估算的波形基本保持 不变,说明本文提出的改进定子磁链观测器具有参 数不敏感性,用该方法估算的定子磁链完全可以满 足转速估算精度的要求。从波形可以看出当给定转 矩发生阶跃变化时,各参数的动态调节时间较短, 说明该系统具有较好的动态特性和较强的鲁棒性。 但是在实际系统中, 电机参数变化会影响

22、系统性能, 所以实现时还需要加上参数辨识和误差校正环节来 提高系统抗参数变化和干扰的鲁棒性 5-6。参考文献1李永东 . 交流电机数字控制系统 M.北京 :机械工业出版社 ,2002. 2范岩 , 何勇 . 转子磁场定向速度自适应估算感应电机 控制系统的研究 J.电气传动 ,2006,36(9:6-8.3李德华 . 交流调速控制系统 M.北京:电子工业出版 社 ,2003.4Makouf A; Diallo D; Benbouzid H,et al; A practical scheme for induction motor speed sensorless field-oriented c

23、ontrolJ.EnergyConversion,IEEE Transactions on V olume 19,Issue1,March 2004:230-231.5邱阿瑞 , 尹雁 , 王光辉 , 李永东 . 基于 DSP 的无速度传感器异步电机矢量控制系统 J.清华大学学报 , 2001,41(3:21-24. 6黄永安 马路 刘慧敏 .Matlab 7.0/Simulink6.0建模 仿真开发与高级工程应用 M.北京 :清华大学出版 社 ,2005.作者简介许 琤(1981- , 男, 硕士, 浙江舟山, 研究方向:电力电子与电力传动。 韩幸军(1972- ,男,汉族,工程师,浙江舟山,研究方向:电机 控制及风力发电技术。(上接 第 25页5万山明 , 吴芳 , 黄声华 . 基于高频电压信号注入的永磁 同 步电机 转子初 始位置 估计 J.中国 电机工 程学 报 ,2008, 28(33:82-86.6陈荣 . 基于增量式光电编码盘的永磁同步电机转子位 置初始定位 J.电机与控制应用 ,2007,34(3:32-347徐永向 , 邹继 明 , 赵猛 , 姚郁 . 基于单 霍尔传感 器的