35kV变电所线路微机保护研究与设计 毕业论文.doc

1 摘 要 论文论述了微机保护装置在国内外的发展历史和研究现状，设计了35KV线 路保护功能配置方案和故障判据，对装置的算法进行设计，选择滤波性能良好 的全波傅氏算法作为装置的算法，这样在无需增加硬件电路的基础上，即可完 成数据采集。为了验证装置设计的故障判据的正确性，本文以小电流系统中的 最常见的单相接地故障为例，建立了电力系统故障模型，通过仿真对小电流系 统单相接地故障进行了分析，并提出了预防方法；并采用RBF神经网络算法对故 障模拟量进行滤波仿真。分析与仿真表明：小电流系统发生单相接地短路时， 线电压仍然对称，对负荷的供电基本没有影响，但是为了防止故障进一步扩大， 可以根据零序电流的变化来发出告警信号；RBF算法具有良好的滤波性能，可以 滤掉故障情况下模拟量的高次谐波，从而准确的采集数据进行计算以达到有效 判断故障的目的。本文设计了一套35KV线路微机保护装置，装置的硬件结构由 双CPU构成，包括由CPUl控制的按键电路、液晶显示电路和由CPU2控制的低通滤 波电路、数据采集电路、继电器控制电路；针对硬件开发了系统的软件，包括 按键和液晶显示系统软件、串口通讯软件、数据采集系统和故障处理系统软件； 实现了保护的三段式电流电压联锁保护、小电流告警、过负荷保护、PT断线检 测，三相一次重合闸等功能。最后通过实验验证了装置的算法和保护功能。测 试结果表明：数据采集系统的精度满足系统的要求，装置能实现预定的功能。 关键词：微机保护；数据采集；傅氏算法；单相接地短路；RBF神经网络算法。 目录 2 1 绪论1 11 电力系统微机保护的历史及发展现状1 1.1.1电力系统微机保护概述1 1.1.2微机保护的国内外历史及发展概况1 1.1.3国内外关于线路微机保护的研究现状2 12 论文的主要内容 3 2. 35KV线路微机保护功能配置方案及算法设计4 2.1 35KV线路保护的功能配制方案 4 2.1.1 三段式电流电压联锁保护 4 2.1.2 小电流告警4 2.1.3 过负荷保护5 2.1.4 PT断线检测5 2.1.5 三相一次重合闸5 2.2 35KV线路保护的原理和特点5 2.2.1三段式电流电压联锁保护原理 5 2.2.2 输电线路方向性电流保护的工作原理10 2.2.3 单相接地报警原理12 2.3 基于多次谐波的周期函数算法-傅氏算法 13 2.4 本章总结16 3 电力系统故障分析和基于神经网络的非线性滤波17 3.1 电力系统运行故障分析17 3.1.1 系统建模及参数调节17 3.1.2 系统中物理量的分析19 32 谐波概述21 3.3 RBF 网络拓扑结构及训练算法22 3.4 RBF神经网络用于非线性滤波23 3.5 本章总结26 3 4.1 系统硬件基本结构设计框图27 4.2 前端滤波和数据采集电路硬件设计27 4.2.1 低通滤波电路27 4.2.2 数据采集电路28 4.3 开关量输入输出电路设计33 4.4 键盘和液晶显示电路设计34 4.4.1 LCD的功能及引脚介绍37 4.4.2 键盘和液晶显示电路工作原理38 4.5 单片机出口控制电路和通讯电路设计39 4.5.1 单片机出口控制电路设计39 4.5.2 串口通讯电路设计39 4.6 装置的硬件抗干扰措施40 4.7本章总结41 5 线路微机保护系统的软件设计42 5.1 微机保护软件的系统配置 42 5.1.1 软件系统概述 42 5.1.2 系统软件系统构成 42 5.2 监控系统软件设计 43 5.2.1 监控系统实现功能 43 5.2.2 监控系统程序设计 43 5.3 串口通讯软件设计 44 5.3.1串口通讯功能 44 5.3.2 串口通讯软件设计44 5.4 保护功能程序软件设计46 5.4.1保护功能软件实现功能46 5.4.2 数据采集系统软件设计47 5.4.3故障处理系统软件设计50 4 5.5 装置的软件抗干扰措施51 5.6 本章总结52 6装置实验结果53 6.1 装置的实验结果53 6.1.1 数据采集系统采集精度测试53 6.1.2 保护功能测试53 6.2本章总结54 7 结束语 55 致谢56 参考文献57 1 1 绪 论 11 电力系统微机保护的历史及发展现状 1.1.1电力系统微机保护概述 电力是整个国民经济的命脉，也是现代化工业生产的主要能源。变电所是 电力系统的重要组成部分，11OKV、35KV 及以下的变电站一般与电力系统直接 相关。变电所的可靠运行与国民经济的发展密切相关，其最大特点是发电、输 配电，用电都必须在同一时刻完成，因此对整个电力系统的运行有着极为严格 的要求。但是，由于自然因素和运行过程中的老化、操作错误等原因使电力系 统产生故障及不正常运行状态，为了及时处理这些故障，必须建立经济合理、 技术先进的变电所继电保护系统，实现变电所的综合自动化。输电线路的保护 是变电所继电保护系统中最重要的部分，一旦线路产生故障，将造成供电线路 供电的不正常，严重时甚至造成整个电力系统的瘫痪。因此必须设计一套线路 保护系统，将产生故障的线路迅速切除，线路保护系统的功能包括： (1)三段式电流的保护。 (2)电流电压联锁保护和方向电流保护。 (3)单相接地保护 (4)过负荷保护。 (5)重合闸和后加速保护。 (6)线路 PT断线检测。 (7)低周减载保护。 1.1.2微机保护的国内外历史及发展概况 微机继电保护指的是以数字式计算机(包括微型机)为基础而构成的继电保 护。它起源于 20世纪 60年代中后期，在英国、澳大利亚和美国的一些学者的 倡导下开始进行研究的。早在 50年前，美国著名学者 JL Blackburn就提出 用小型计算机实现继电保护的设想，但是因为当时计算机的价格较高，同时无 法满足继电保护高速的要求，最终没有应用到实际，但是却对继电保护的理论 计算方法和程序结构做了很多研究，这也为继电保护后来的发展奠定了基础。 2 1975年初，英国 GEC公司应用微处理机于变电所的控制和自动重合闸上的情况 己有报道。1979 年，IEEE 的教育委员会组织了第一次世界性的计算机保护研究 班。之后，世界各大继电器制造商都先后推出了各种商业性微机保护装置，微 机保护逐渐趋于实用。意大利专家 VCalderaro 在基于安全性和可靠性的基础 上，提出自适应算法处理电网故障，并通过微处理器程序实现了反时限特性， 曲线受微处理器温度、风速、辐射和光照的影响 15。在电力系统微机保护技 术方面，日本、美国、英国、德国发展最快。在国内，我国的继电保护起步晚， 但是近 30年来，计算机技术的飞速发展影响到人们生活的各个领域，同样，也 推动了电力系统微机保护的发展。我国在对微机继电保护的研究过程中，高等 院校和科研院所起了先导的作用。从 70年代开始，华中理工大学、东南大学、 华北电力学院、西安交通大学自动化研究院都相继研制了不同原理和不同型式 的微机保护装置。1984 年原华北电力学院研制的输电线路微机保护装置首先通 过鉴定并在系统中得以应用，揭开了我国继电保护发展史上新的一页，为微机 保护的推广开辟了道路。随着微机保护系统的成熟，系统的算法也越来越多样 化，Zoran MRadojevi6 在文章中提出了用于计算故障距离和判断故障类别的 两种算法131，计算故障距离的算法将线路的正序、零序阻抗作为输入参数计 算出距离；判断故障类别的算法将三次谐波的参数 作为输入，计算出电弧电压的幅值，从幅值可以判断故障是暂时性故障还 是永久性故障。到目前为止，从有关变电所自动化产品方面看。国内目前已有 众多厂家能生产微机远动、微机保护等设备，大部分都已达到能投入实际运行 的水平，有些产品如微机保护已跻身国际先进行列。综上所述，目前国内微机 保护自动化工作正处于飞速发展、蒸蒸日上的阶段。 1.1.3国内外关于线路微机保护的研究现状 目前国内外应用于微机保护的处理器有单片机、DSP 和嵌入式的处理器。 其中，DSP 由于其独特的算法处理功能而在最近的国内外市场上占有主导地位。 单片机是通过大规模集成电路技术将 CPU、ROM、RAM 等封装在一个芯片中，具 有接口设计简单、可靠性高、低功耗和性价比高的特点，从最初的 8位单片机 3 到 16位、32 位单片机的保护设计；从最初的单 CPU到现在的多 CPU，都在电力 系统微机保护中得到了广泛的应用。 目前应用最广泛的处理器。DSP 处理器与单片机处理器不同，它是一种为 了达到快速数学运算而具有特殊结构的微处理器，DSP 的硬件资源丰富，开发 平台先进，还具有计算能力强、精度高、总线速度快等特点，将 DSP应用于微 机保护系统，可以缩短数字滤波和算法的计算时间，还可以完成单片机的控制 功能。 总的来说，用单片机实现微机保护系统有以下几个优点： (1)单片机价格低廉，接 1：3 电路设计简单，扩展外围电路比较容易。 (2)单片机主要面向控制领域，抗干扰能力强，可靠性比较高。 (3)单片机技术基本已经成熟，可参考的例子和资料非常多，可以缩短开发周期。 12 论文的主要内容 本文设计了一套 35KV微机线路保护装置，主要包括功能配置方案和故障判 据设计、系统硬件设计、系统软件设计、抗干扰设计等，另外通过建立电力系 统模型对电力系统常见故障进行仿真分析，并通过 RBF算法对故障模拟量进行 仿真滤波。论文的具体章节安排如下： 第一章绪论：主要介绍了线路微机保护的历史、现状及发展趋势。 第二章 35KV线路微机保护功能配置方案及算法设计：设计了 35KV线路保护的 功能配置方案和故障判据，详细分析了 35KV线路保护的原理和特点；介绍了傅 氏算法的工作原理和特点。 第三章电力系统故障分析和基于电力系统的非线性滤波：通过建立电力系统故 障模型并对单相接地故障进行了仿真，最后将 RBF算法应用于非线性滤波仿真。 第四章线路微机保护系统的硬件设计：设计了 35KV线路微机保护系统的硬件系 统详细分析了其工作原理及实现功能。最后介绍了装置的硬件抗干扰措施。 第五章线路微机保护系统的软件设计：开发了 35KV线路微机保护系统的软件系 4 统，给出了程序设计的流程图，详细分析了其原理及实现功能。最后介绍了装 置的软件抗干扰措施。 第六章装置实验结果：通过实验验证了系统的算法和保护功能. 2 35KV线路微机保护功能配置方案及算法设计 本章首先设计了 35KV线路保护的功能配置方案和故障判据，装置的主要功 能包括三段式电流电压联锁保护、小电流告警、过负荷保护、PT 断线检测、三 相一次重合闸。然后详细分析了 35KV线路保护的故障判据和原理，介绍了傅氏 算法的原理和特点，从精度、速度和系统的要求各方面综合考虑，最后选择全 波傅氏算法作为装置的算法。 2.1 35KV线路保护的功能配制方案 在 35KV线路微机保护装置中，配置了三段式电流电压联锁保护、小电流告 警、过负荷保护、PT 断线检测、三相一次重合闸等功能。相应的保护功能框图 如图 21 所示。装置的功能判据如下： 2.1.1 三段式电流电压联锁保护 在 35KV电网中，短路故障占系统总故障的 80以上，当电网中发生相间 短路的时候，短路电流比正常工作时的电流要大的多，同时相间电压下降，根 据这个特点，在设计中选择三段式电流电压联锁保护，I 段为电流速断保护， II段为限时电流速断保护，I段为过电流保护，其中 I段、段为主保护， 5 段为后备保护，电压保护采用低电压闭锁保护。 2.1.2 小电流告警 在 35KV中性点不接地电网发生单相接地短路时，故障点仅流过对地的电容 电流，数值很小，这时电网的线电压仍然保持对称，对负荷的供电基本没有影 响，在这种情况下，可以允许继续运行 1-2小时，不需立即跳闸，但是为了防 止故障进一步扩大成两点或多点接地短路而影响供电，设计小电流告警功能， 以便运行人员采取措施给予解决。 2.1.3 过负荷保护 装置设计过负荷保护功能，即监视三相电流，如果发现相电流超过线路正 常运行时允许通过的最大电流时，经设定的延时后动作(跳闸或告警)。 2.1.4 PT断线检测 装置设计 PT断线检测功能，通过检测三相线电压和三相电流，当有任意一 个线电压0.1A 时，这种状态持续 10s就判断为 母线 PT断线。 2.1.5 三相一次重合闸 输电线路的故障分为瞬时性故障和永久性故障，其中大多数为瞬时性故障， 瞬时性故障多为天气、鸟兽等自然原因引起，这种故障当保护装置反映跳闸后， 故障已经消失，这时，装置配制的重合闸功能会自动重合一次，如为瞬时性故 障，则继续运行，如为永久性故障，则再次加速反映出口跳闸。 2.2 35KV线路保护的原理和特点 2.2.1三段式电流电压联锁保护原理 输电线路发生短路时，相电流突然增大，线电压降低，当故障线路上的相 电流大于某一个规定值同时保护安装处母线电压小于某一个规定值时，保护将 跳开故障线路上的断路器而将故障线路断电，这就是电流电压联锁保护的工作 原理。其中，规定值就是电流、电压联锁保护的动作电流和动作电压，它是能 使电流保护动作的最小电流和使电压保护动作的最大电压，通常用 IDZ和 UDZ表 示。电流电压联锁保护在 35KV及以下的输电线路中被广泛应用。下面对三段式 6 电流电压联锁保护分别予以介绍： (1)无时限的电流速断保护(电流 I段保护) 我们以图 22 中单侧电源网络中输电线路 AB上所装设的电流保护来分析 电流保护的原理。 在图 22 中，为了反映全线路的短路电流，设 AB线路的电流保护装于线 路始端母线 A处，在图上称做电流保护 1，显然电流保护 1要可靠动作，它的 动作值 IDZ必须选择小于或等于保护范围内可能出现的最小短路电流。在图 22 中，假设 AB线路上 d1点发生三相短路，则线路上的短路电流为： Id(3)=E /Zs+Zd (2-1) 其中，E 是电源系统相电势，Z s是电源系统阻抗，Z d是故障点到保护安装 处之间的阻抗，由式(2-1)可以看出，当系统电压一定的时候，短路电流的大小 7 与系统阻抗和短路点的位置及短路类型有关，系统阻抗是由运行方式决定的， 在最大运行方式下 Zs取最小值，在最小运行方式下 Zs取最大值，在实际中，一 般来说系统在最大运行方式下三相短路电流最大，称此为保护的最大运行方式， 系统在最小运行方式下两相短路电流最小，称此为保护的最小运行方式。这两 种情况下的短路电流随故障点位置变化的曲线如图 22 中的曲线 l和曲线 2， 曲线 1为最大运行方式下的曲线，曲线 2为最小运行方式下的曲线， 当系统运行在其它任何方式下发生任何类型的短路时，I d=f(Ld)曲线位于曲线 l和曲线 2之间。 对安装在 AB线路的保护 1来说，快速切除 AB线路的故障是它的首要任务， 因此，其动作值 IDZ应该小于等于 AB线路上可能出现的最小短路电流，最小短 路电流为线路末端发生两相短路时的短路电流 I(2)Bmin，即 I(2)BminI DZ. 同时，当 BC线路靠近 B端发生短路时，由于短路电流大于 I(2)Bmin，这时有 可能使在 AB线路的保护 1误动作，因此，为了不使保护 1误动作同时可以区分 所保护线路的末端故障和下一条线路的始端故障并且考虑到信号处理系统所产 生的误差，保护 1的动作电流应满足： IDZ=KkI(3)Bmax (2-2) 其中，K k是可靠系数,通常 Kk13，I (3)Bmax是 B母线处在最大运行方式下 发生三相短路的电流。 按照式(2-2)整定的电流可以保证保护的选择性，如果省略装置和断路器的 动作时间，保护可以无延时动作，因此将此电流保护称做无时限电流速断保护， 也叫电流 I段保护，它的动作值选择原则为：按躲开本线路末端发生短路时的 最大短路电流整定。 但是，从图 2.2中可以看出，系统在最小运行方式下保护的范围 Lmin最小， 而在最大运行方式下保护的范围上 Lmax。最大，无时限电流速断保护的范围随 着运行方式的变化而变化，在最小方式下保护范围可能为 0，这是无时限电流 速断保护的缺点。 (2)限时电流速断保护(电流 II段保护) ” 8 电流 I段保护并不能保护线路的全长，应该在 A母线处再装设一套电流保 护，这套电流保护用来保护 AB线路的全长，这样，如果在下一段相邻线路 BC 靠近 B端发生短路时，这套保护将会跳开 1DL而失去选择性，因此，将这套保 护启动以后经过一个延时再作用于出口跳闸，当 BC始端发生短路时，装在 B母 线的电流速断保护 2首先动作，而装在保护 l处的带延时的电流保护不会误动， 从而保证了选择性。这套电流保护被称为限时电流速断保护，也叫电流段保 护，电流段保护的延时时间一般为 0.3左右。 在图 23 中看出，只要 AB间的 II段电流保护范围不超过 BC间的 I段电 流保护范围，就可以保证选择性，即： I DZ.1K K I DZ.2 (2-3) 其中 I DZ.1是 AB问 II段电流保护的整定值，I DZ.2是 BC间 I段电流保护的整 定值，K K为可靠系数，K K一般大于 1.1。 在线路上安装了电流 I段和电流段保护以后，整段线路的故障可在 0.3- 0.5s之内得到解决，我们称电流 I段和段保护为线路的主保护。 (3)定时限过电流保护(电流段保护) 一条线路保护中只安装了主保护，理论上来说可以解决线路的所有故障， 但是当主保护由于各种原因而拒动时，就需要一个后备保护，用来解决当主保 护拒动时切除线路故障，后备保护可以保护本线路全长，也可以保护相邻线路 全长。 后各保护也叫电流段保护，一般是定时限过电流保护，在图 23 中可以 看出段电流的保护范围，它的动作值整定原则为： 9 按躲过正常运行时的最大负荷电流来整定，即： I DZ.1=K KKzqIfh.ABmax/Kf (2-4) 与相邻线路的过电流保护动作值相配合，即： I DZ.1=KKKfz.max I DZ.2 (2-5) 其中，K K是电流段可靠系数，K K大于 1.2，K zq是电动机自启动系数，K zq 大于等于 l，K f为返回系数，K f在 09 左右，K K为配合系数，大于或等于 1.1，K fz.max为最大分支系数，I fh.ABmax为线路 AB上可能流过的最大电流，I DZ.1 是装在保护 1处的电流段整定值，I DZ.2是装在保护 2处的电流段整定值， 电流段保护动作值可以取式 2-4和式 2-5中的最大值。 电流段保护的延时时间比电流段保护的延时时间要长，而且，越靠近 电网末端的段电流保护动作时间越短，在越靠近电源附近的段电流保护动 作时间越长，所以电流段保护只能用做后备保护。 (4)电流电压联锁保护 在输电线路的保护中，规定电流 I段保护的保护范围应该不小于线路全长 的 15，但是当系统的运行方式变化较大时，往往满足不了系统灵敏度的要求， 这时就要利用线路发生故障时母线电压下降的条件来配合三段式电流的保护， 在装置中利用同时判断电压的降低和电流增大构成电流电压联锁保护，这种保 护既可以反映电流的增大，也可以反映电压的降低，保护的测量元件由电流元 件和电压元件共同组成，电流元件和电压元件的逻辑关系图如图 24 所示： 在电流电压联锁保护中，电流元件的动作电流取在主要运行方式下，保护 10 区末端三相短路时的短路电流，电压元件的动作电压取在主要运行方式下，保 护区末端三相短路时，保护安装处母线上的残余电压。电流元件和电压元件的 动作值整定公式如下： I DZ=EXT/(ZXT+ZL/HK) U DZ= IDZZL /(ZXT+ZL/KK) (2-6)3 其中，K K13，Z XT是正常运行方式下系统的阻抗，Z L是所保护线路的总 阻抗。 按照这种原则整定以后，电压电流联锁保护不会误动作，而且在主要运行 方式下的保护范围比单独的电流速断和电压速断的保护范围要大。对于系统运 行方式变化比较大的线路，在各种可能的运行方式下，电压电流联锁速断保护 的最小保护范围不应该小于线路全长的 15。 2.2.2 输电线路方向性电流保护的工作原理 之前分析的三段式电流保护是以单电源网络为基础的，各段保护安装在被 保护线路靠近电源的一端，线路发生故障时，电流从母线流向被保护的线路， 但是在实际中，系统都是多电源网络，即在一条线路的两侧都有供电电源，为 了切除线路上的故障，线路的两侧都应该装设保护装置和断路器。 从图 25 可以看出，当两端都有电源时，如果 dl点发生短路故障，按选 择性要求应该是离故障点最近的保护 l和保护 2动作，使 IDL和 2DL跳闸切除 故障，但是由于保护 2和保护 3流过同一电流 I，有可能使保护 3误动作，而 这个误动作的保护是由于保护安装处反方向发生故障时，由对侧电源提供的短 路电流而引起的，而且误动作的保护上流过的电流方向都是由被保护的线路流 向保护安装处母线，正确动作的保护上电流方向是由保护安装处母线流向被保 护的线路，两者电流方向正好相反，所以，应该在原来三段式电流保护的基础 上加上一个判断电流方向的元件，当正方向电流时保护动作，而负方向电流时 11 保护不动作，这就是方向电流保护的工作原理。 在实际中，由于电流是交流量，不用直接来判断它的方向，但是当故障点 一定的时候，短路电流和保护安装处的母线电压之间的夹角是不变的，所以应 该利用功率方向元件来判断，如果设保护 2的短路电流和母线电压之间的夹角 为 ，那么保护 3的短路电流和母线电压之间的夹角是 180°+ ，则保护 21d 1d 和保护 3处的短路功率为 P2O,P3O，根据功率方向元件可以判断哪个保护 应该动作，哪个保护不应该动作，从而有效的解决了保护的误动作。 功率方向元件的动作条件如下； -90° 90° （2-7）arg/jUI 因为功率方向元件一般有一个内角口，如果考虑功率方向元件的内角，则 功率方向元件的动作方程为： -90° 90° （2-8）arg/jjeI 对应于上式的功率方向元件的动作区如图 26 所示： 功率的计算不但和电流、电压的夹角有关，还和保护安装处电流、电压的 大小有关，当保护安装处附近发生短路时，母线电压很小甚至为 0，这样功率 P变的很小，功率方向元件由此会失去判断的根据，我们把保护安装处附近一 段区域称为“死区”，为了消除死区，我们将电流和电压采取 90°接线的方式 接入保护，所谓 90°接线是指在三相对称的情况下，加入保护的电流和电压的 相位相差 90°，采用这种接线后，反映 A、B、C 三相功率方向元件应接入的电 流和电压分别为 IA、U BC、I B、U CA、I C、U AB。采用 90°接线方式后，当保护安装 12 处附近发生两相相间短路时，有两相输入保护的电压中含有非故障相电压，而 非故障相电压不变，故障相电压降低，所以输入保护装置的电压仍然很高，这 样就消除了保护的死区，当保护安装处附近发生三相短路时，因为输入保护的 电压都很低，但是在故障前瞬间这些值都很大，所以可以利用微机保护的记忆 功能来使输入电压的幅值增大而保持故障电压的相位特征，从而可以消除死区。 2.2.3 单相接地报警原理 35KV电网是中性点不接地系统，当发生单相接地故障时，故障点的电流很 小，而且三相线电压仍然保持对称，对负荷的供电基本没有影响，在一般情况 下，允许再运行 1-2小时，不必立即跳闸，但是这时其它两相的对地电压要升 高 倍，为防止故障进一步扩大成两点或多点接地短路而对负荷供电造成影响，3 应该及时的发出报警信号，以便运行人员采取措施给予清除。小电流系统的单 相接地原理图如图 27 所示。 在图 27 中可以看出，系统在正常运行情况下，三相对地有相同的电容 C0，每一相都有一个对地电容电流，这三个电流之和为 0，假设 A相发生单相接 地短路，A 相对地电压为 0，其它两相对地电压变为原来的 倍，对地电容电3 流也变为原来的 倍，我们用 Ib和 Ic来表示非故障相的对地电流，则可以得3 13 出： Ib=UB-DjC 0 Ic=UC-DjC 0 (2-9) 此时，从接地点流回的电流 Id= Ib+Ic= ，为正常运行时三相对地电3UC 容电流的算术和。 当系统中有多条线路存在时，每条线路上都有对地电容存在，当其中一条 线路 A相发生单相接地故障时，整个系统的 A相对地电压都为 0，所以 A相的 对地电容电流为 0，在非故障线路上，B 相和 C相流有本身的电容电流，因此， 在线路的始端反应的零序电流为 (2-10)0xbcxII 其有效值是 = ，就是该线路本身的电容电流，该电容电流的方03xIUC 向为母线流向线路。 总结以上分析的结果，我们可以得出以下结论： (1)发生单相接地故障时，整个系统都出现零序电压。 (2)非故障线路上的零序电流数值上等于本身的对地电容电流，电容性无功 功率实际方向是从母线流向线路。 (3)故障线路上，零序电流为整个系统非故障线路对地电容电流之和，数值 比较大，电容性无功功率方向是从线路流向母线。 2.3 基于多次谐波的周期函数算法-傅氏算法 任何一个周期函数，都可以分解成直流分量和各次谐波分量的和，其表达 式为 X(t)= bncosn 1t+ansinn 1t0 其中，n=O、l、2，a n、b n为各次谐波正弦和余弦的幅值， 1为基波的角 频率，各次谐波的实部和虚部可以通过式(2-11)和式(2-12)计算： an= (2-11)2T10()sixttd bn= (2-12)10()cotnt 14 进一步推导可得到： an= (2-13)2N 12sinKXk bn= (2-14) 1coK 其中，N 为一个周期的采样点数，根据 n取不同值时，可以根据式(2-15) 和(2-16)求得各次谐波的幅值和相角： (2-15)2nnXab (2-16)rctn 在线路微机保护系统的算法设计中需要的是基波分量，就是当 n=l时的分 量，当每个周期采样 12个点时，式(2-13)和(2-14)可以写成式(2-17)和式(2- 18)： 6al=(X3-X9)+ （X 1+X5-X7-X11）+ (X2+X4-X8-X10） (2-17)23 6bl=(X12-X6)+ （X 2+X10-X4-X8）+ （X 1+X11-X5-X7） (2-18) 由式(2-15)、(2-16)、(2-17)、(2-18)可以方便的计算基波的幅值和相角， 这种计算方法的数据窗为一个周期，因此它的反映速度比较慢，数据窗为一个 周期的傅氏算法称为全波傅氏算法，我们利用正弦函数和余弦函数的性质，可 以只取半个采样周期来计算，这样可以提高响应速度，数据窗为半个周期的傅 氏算法为半波傅氏算法。半波傅氏算法和全波傅氏算法类似，其计算公式如式 (2-19)和(2-20)： (2-19) 142sinNnKkaX (2-20) 1conkb 在衰减的非周期分量的影响下，傅氏算法的计算误差比较大。另外，由于 15 半波傅氏算法的数据窗只有半周，所以它的精度比全波傅氏算法精度低，但是 半波傅氏算法是以提高运算速度为前提的，因此，当线路故障发生在保护范围 的 O90以内时，用半波算法计算很快就趋于真值，虽然精度不高，但是足 以正确判断是范围内故障，当故障在保护范围的 90以外时，为了保证计算精 度，要以全波傅氏算法的计算结果为准。 由以上分析可以得到总结： 1任何一种算法的精度和速度都是与采样点数(也就是采样频率)直接相关的， 采样频率越高，精度越高，响应速度越慢，采样频率越低，精度越低，响应速 度越快。 2傅氏算法具有滤波作用，可以消除恒定的直流分量和整次谐波分量，但是不 能消除衰减的直流分量，在最严重的情况下，由衰减直流分量造成的傅氏算法 的计算误差达到 10以上，因此，必须采取措施给予补救。 3全波傅氏算法的数据窗为一个周期，响应速度比较慢，但运算精度相对较高， 半波傅氏算法的数据窗缩短为半个周期，响应速度相对较快，但运算精度有所 下降。 在装置的主保护板的算法设计中，我们选择全波傅氏算法作为线路保护的 算法，故障模拟量经过电压互感器和电流互感器进入 AD转换器，采样频率选择 为 600HZ，即一路信号一个周期有 12个采样点，然后得到的 12个采样值通过 式(2-17)和式(2-18)计算得到输入模拟量的实部和虚部，根据式(2-15)和式(2- 16)就可以计算模拟量的幅值和相角装置要实现的功能是把计算得到的模拟量 有效值与系统的整定值相比较，如果模拟量有效值超过系统整定值，就迸一步 通过驱动出口继电器和断路器跳闸，从式(2-11)和式(2-12)可知，基波电流可 以表示为 (2-21)111()cos()in()itbtat 或 (2-22)02iI 基波电流的有效值及相角为： 16 (2-23) 21abI (2-24)rctnn 同理可以推出 n次谐波分量的有效值和相角为： (2-25) 2nabI (2-26)rctnn 在算法的判据设计中，主要是把采集的一路信号的 12个离散值根据式(2- 17)和式(2-18)计算出模拟量基波分量的实部和虚部，然后再根据式(2-23)和式 (2-24)就可以计算出基波分量的有效值和相角，最后通过与保护整定值进行比 较而判断装置是否动作。 2.4 本章总结 本章主要设计了 35KV线路保护的功能配置方案和故障判据，分析了 35KV 线路微机保护功能配置、特点和实现原理，最后详细分析了傅氏算法的工作原 理和特点，从算法的精度、速度和系统的功能要求各方面综合考虑，确定全波 傅氏算法作为主保护板的算法。 17 3 电力系统故障分析和基于神经网络的非线性滤波 在第二章中重点设计了 35KV线路保护的功能配置方案和判据，所有的保护 功能都是为了处理在输电线路上可能出现的各种类型的故障。为了验证装置设 计的功能判据的正确性，在本章中，通过建立电力系统故障模型并且以最常见 的故障一单相接地故障为例，对小电流系统进行了故障仿真分析，最后将 RBF 神经网络算法应用于非线性滤波。仿真结果表明，RBF 算法可以滤除故障模拟 量的高次谐波，可以为数据采集、有效值计算带来方便，进一步使保护正确的 动作。 3.1 电力系统运行故障分析 电力系统是电能生产、变换、输送、分配和使用的各种电力设备按照一定 的技术与经济要求有机组成的一个联合系统，一般我们将电能通过的设备称为 电力系统的一次设备，如高压输电线路、变压器、电容器等等。对一次设备进 行监视、测量、控制和保护的设备称为电力系统的二次设备。电力系统的一次 设备在运行过程中由于外力、绝缘老化、过电压、误操作、设计制造缺陷等原 因会发生如短路、断线等故障。最常见的也是最危险的故障是各种类型的短路， 这些故障一旦处理不当将会造成国民经济的巨大损失，严重时甚至有可能造成 人员伤亡。各种类型的短路包括三相短路、两相短路、两相接地短路和单相接 地短路，其中单相接地故障在各种故障中所占的比例最大，一般都在 80以上， 18 据统计，我国 2002年的 35KV的输电线路发生的各种故障中，单相接地短路故 障占所有故障的 89左右。 3.1.1 系统建模及参数调节 本章通过仿真软件 MATLAB对电力系统中恒定电压源输电线路的单相接地短 路故障进行仿真分析，恒定电压源电路短路模型如图 31 所示。在图 31 的 模型中，使用三相电压源作为电路的供给电源，电压源为 Y接(即中性点不接地)类 型，其中线电压的有效值为 35KV，A 相初始相角为 0度，属于小接地电流系统。 用分布参数输电线路(如图中的 Distributed Parameter Line和 Distributed Parameter Line1)作为输电线路，两路输电线路的长度均为 30km,两条输电线 路的各个参数保持不变。线路中串联一个三相 RLC串联负载(Three-Phase RLC Load)，另外三相电压电流测量仪器(3-Phase V-I Measurement)负责测量线路 初始端的三相电压和电流，在模型中，主要采用三相短路故障发生器(3- PhaseFault)来模拟单相接地短路故障的发生，在短路故障发生器的参数对话 框的故障相(Phase Fault)中任意选择一相，这里选择 A相，同时选择故障相接 地(Ground Fault)， 转换时间(Transition times)的时间改为0.01 0.04，即在 0.01秒时发生 A 19 相接地短路，而在 0.04秒时恢复正常供电。测量选项(