35kV變電所線路微機保護研究與設(shè)計畢業(yè)論文

1、 畢業(yè)論文設(shè)計論文題目：35kv變電所線路微機保護研究與設(shè)計姓名 專業(yè) 機械電子工程（本科）導(dǎo)師 論文完成日期 2011年9月25日 摘 要論文論述了微機保護裝置在國內(nèi)外的發(fā)展歷史和研究現(xiàn)狀，設(shè)計了35kv線路保護功能配置方案和故障判據(jù)，對裝置的算法進行設(shè)計，選擇濾波性能良好的全波傅氏算法作為裝置的算法，這樣在無需增加硬件電路的基礎(chǔ)上，即可完成數(shù)據(jù)采集。為了驗證裝置設(shè)計的故障判據(jù)的正確性，本文以小電流系統(tǒng)中的最常見的單相接地故障為例，建立了電力系統(tǒng)故障模型，通過仿真對小電流系統(tǒng)單相接地故障進行了分析，并提出了預(yù)防方法；并采用rbf神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對故障模擬量進行濾波仿真。分析與仿真表明：小電流系統(tǒng)

2、發(fā)生單相接地短路時，線電壓仍然對稱，對負荷的供電基本沒有影響，但是為了防止故障進一步擴大，可以根據(jù)零序電流的變化來發(fā)出告警信號；rbf算法具有良好的濾波性能，可以濾掉故障情況下模擬量的高次諧波，從而準確的采集數(shù)據(jù)進行計算以達到有效判斷故障的目的。本文設(shè)計了一套35kv線路微機保護裝置，裝置的硬件結(jié)構(gòu)由雙cpu構(gòu)成，包括由cpul控制的按鍵電路、液晶顯示電路和由cpu2控制的低通濾波電路、數(shù)據(jù)采集電路、繼電器控制電路；針對硬件開發(fā)了系統(tǒng)的軟件，包括按鍵和液晶顯示系統(tǒng)軟件、串口通訊軟件、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和故障處理系統(tǒng)軟件；實現(xiàn)了保護的三段式電流電壓聯(lián)鎖保護、小電流告警、過負荷保護、pt斷線檢測，三相一

3、次重合閘等功能。最后通過實驗驗證了裝置的算法和保護功能。測試結(jié)果表明：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的精度滿足系統(tǒng)的要求，裝置能實現(xiàn)預(yù)定的功能。關(guān)鍵詞：微機保護；數(shù)據(jù)采集；傅氏算法；單相接地短路；rbf神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法。目錄1 緒論111電力系統(tǒng)微機保護的歷史及發(fā)展現(xiàn)狀11.1.1電力系統(tǒng)微機保護概述11.1.2微機保護的國內(nèi)外歷史及發(fā)展概況11.1.3國內(nèi)外關(guān)于線路微機保護的研究現(xiàn)狀212論文的主要內(nèi)容 32. 35kv線路微機保護功能配置方案及算法設(shè)計42.1 35kv線路保護的功能配制方案 42.1.1 三段式電流電壓聯(lián)鎖保護 42.1.2 小電流告警42.1.3 過負荷保護52.1.4 pt斷線檢測52.1

4、.5 三相一次重合閘52.2 35kv線路保護的原理和特點52.2.1三段式電流電壓聯(lián)鎖保護原理 52.2.2 輸電線路方向性電流保護的工作原理102.2.3 單相接地報警原理122.3 基于多次諧波的周期函數(shù)算法-傅氏算法 132.4 本章總結(jié)163 電力系統(tǒng)故障分析和基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非線性濾波173.1 電力系統(tǒng)運行故障分析173.1.1 系統(tǒng)建模及參數(shù)調(diào)節(jié)173.1.2 系統(tǒng)中物理量的分析1932諧波概述213.3 rbf 網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)及訓(xùn)練算法223.4 rbf神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于非線性濾波233.5 本章總結(jié)264.1 系統(tǒng)硬件基本結(jié)構(gòu)設(shè)計框圖274.2 前端濾波和數(shù)據(jù)采集電路硬件設(shè)計274.

5、2.1 低通濾波電路274.2.2 數(shù)據(jù)采集電路284.3 開關(guān)量輸入輸出電路設(shè)計334.4 鍵盤和液晶顯示電路設(shè)計344.4.1 lcd的功能及引腳介紹374.4.2 鍵盤和液晶顯示電路工作原理384.5 單片機出口控制電路和通訊電路設(shè)計394.5.1 單片機出口控制電路設(shè)計394.5.2 串口通訊電路設(shè)計394.6 裝置的硬件抗干擾措施404.7本章總結(jié)415 線路微機保護系統(tǒng)的軟件設(shè)計425.1 微機保護軟件的系統(tǒng)配置 425.1.1 軟件系統(tǒng)概述 425.1.2 系統(tǒng)軟件系統(tǒng)構(gòu)成 425.2 監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計 435.2.1 監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)功能 435.2.2 監(jiān)控系統(tǒng)程序設(shè)計 435.

6、3 串口通訊軟件設(shè)計 445.3.1串口通訊功能 445.3.2 串口通訊軟件設(shè)計445.4 保護功能程序軟件設(shè)計465.4.1保護功能軟件實現(xiàn)功能465.4.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件設(shè)計475.4.3故障處理系統(tǒng)軟件設(shè)計505.5 裝置的軟件抗干擾措施515.6 本章總結(jié)526裝置實驗結(jié)果536.1 裝置的實驗結(jié)果536.1.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集精度測試536.1.2 保護功能測試536.2本章總結(jié)547 結(jié)束語 55致謝56參考文獻571 緒 論11電力系統(tǒng)微機保護的歷史及發(fā)展現(xiàn)狀1.1.1電力系統(tǒng)微機保護概述電力是整個國民經(jīng)濟的命脈，也是現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)的主要能源。變電所是電力系統(tǒng)的重要組成部

7、分，11okv、35kv及以下的變電站一般與電力系統(tǒng)直接相關(guān)。變電所的可靠運行與國民經(jīng)濟的發(fā)展密切相關(guān)，其最大特點是發(fā)電、輸配電，用電都必須在同一時刻完成，因此對整個電力系統(tǒng)的運行有著極為嚴格的要求。但是，由于自然因素和運行過程中的老化、操作錯誤等原因使電力系統(tǒng)產(chǎn)生故障及不正常運行狀態(tài)，為了及時處理這些故障，必須建立經(jīng)濟合理、技術(shù)先進的變電所繼電保護系統(tǒng)，實現(xiàn)變電所的綜合自動化。輸電線路的保護是變電所繼電保護系統(tǒng)中最重要的部分，一旦線路產(chǎn)生故障，將造成供電線路供電的不正常，嚴重時甚至造成整個電力系統(tǒng)的癱瘓。因此必須設(shè)計一套線路保護系統(tǒng)，將產(chǎn)生故障的線路迅速切除，線路保護系統(tǒng)的功能包括：(1)三

8、段式電流的保護。(2)電流電壓聯(lián)鎖保護和方向電流保護。(3)單相接地保護(4)過負荷保護。(5)重合閘和后加速保護。(6)線路pt斷線檢測。(7)低周減載保護。1.1.2微機保護的國內(nèi)外歷史及發(fā)展概況微機繼電保護指的是以數(shù)字式計算機(包括微型機)為基礎(chǔ)而構(gòu)成的繼電保護。它起源于20世紀60年代中后期，在英國、澳大利亞和美國的一些學(xué)者的倡導(dǎo)下開始進行研究的。早在50年前，美國著名學(xué)者jl blackburn就提出用小型計算機實現(xiàn)繼電保護的設(shè)想，但是因為當時計算機的價格較高，同時無法滿足繼電保護高速的要求，最終沒有應(yīng)用到實際，但是卻對繼電保護的理論計算方法和程序結(jié)構(gòu)做了很多研究，這也為繼電保護后來

9、的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。1975年初，英國gec公司應(yīng)用微處理機于變電所的控制和自動重合閘上的情況己有報道。1979年，ieee的教育委員會組織了第一次世界性的計算機保護研究班。之后，世界各大繼電器制造商都先后推出了各種商業(yè)性微機保護裝置，微機保護逐漸趨于實用。意大利專家vcalderaro在基于安全性和可靠性的基礎(chǔ)上，提出自適應(yīng)算法處理電網(wǎng)故障，并通過微處理器程序?qū)崿F(xiàn)了反時限特性，曲線受微處理器溫度、風(fēng)速、輻射和光照的影響 15。在電力系統(tǒng)微機保護技術(shù)方面，日本、美國、英國、德國發(fā)展最快。在國內(nèi)，我國的繼電保護起步晚，但是近30年來，計算機技術(shù)的飛速發(fā)展影響到人們生活的各個領(lǐng)域，同樣，也推動了電力

10、系統(tǒng)微機保護的發(fā)展。我國在對微機繼電保護的研究過程中，高等院校和科研院所起了先導(dǎo)的作用。從70年代開始，華中理工大學(xué)、東南大學(xué)、華北電力學(xué)院、西安交通大學(xué)自動化研究院都相繼研制了不同原理和不同型式的微機保護裝置。1984年原華北電力學(xué)院研制的輸電線路微機保護裝置首先通過鑒定并在系統(tǒng)中得以應(yīng)用，揭開了我國繼電保護發(fā)展史上新的一頁，為微機保護的推廣開辟了道路。隨著微機保護系統(tǒng)的成熟，系統(tǒng)的算法也越來越多樣化，zoran mradojevi6在文章中提出了用于計算故障距離和判斷故障類別的兩種算法131，計算故障距離的算法將線路的正序、零序阻抗作為輸入?yún)?shù)計算出距離；判斷故障類別的算法將三次諧波的參數(shù)

11、作為輸入，計算出電弧電壓的幅值，從幅值可以判斷故障是暫時性故障還是永久性故障。到目前為止，從有關(guān)變電所自動化產(chǎn)品方面看。國內(nèi)目前已有眾多廠家能生產(chǎn)微機遠動、微機保護等設(shè)備，大部分都已達到能投入實際運行的水平，有些產(chǎn)品如微機保護已躋身國際先進行列。綜上所述，目前國內(nèi)微機保護自動化工作正處于飛速發(fā)展、蒸蒸日上的階段。1.1.3國內(nèi)外關(guān)于線路微機保護的研究現(xiàn)狀目前國內(nèi)外應(yīng)用于微機保護的處理器有單片機、dsp和嵌入式的處理器。其中，dsp由于其獨特的算法處理功能而在最近的國內(nèi)外市場上占有主導(dǎo)地位。單片機是通過大規(guī)模集成電路技術(shù)將cpu、rom、ram等封裝在一個芯片中，具有接口設(shè)計簡單、可靠性高、低功

12、耗和性價比高的特點，從最初的8位單片機到16位、32位單片機的保護設(shè)計；從最初的單cpu到現(xiàn)在的多cpu，都在電力系統(tǒng)微機保護中得到了廣泛的應(yīng)用。目前應(yīng)用最廣泛的處理器。dsp處理器與單片機處理器不同，它是一種為了達到快速數(shù)學(xué)運算而具有特殊結(jié)構(gòu)的微處理器，dsp的硬件資源豐富，開發(fā)平臺先進，還具有計算能力強、精度高、總線速度快等特點，將dsp應(yīng)用于微機保護系統(tǒng)，可以縮短數(shù)字濾波和算法的計算時間，還可以完成單片機的控制功能?？偟膩碚f，用單片機實現(xiàn)微機保護系統(tǒng)有以下幾個優(yōu)點：(1)單片機價格低廉，接1：3電路設(shè)計簡單，擴展外圍電路比較容易。(2)單片機主要面向控制領(lǐng)域，抗干擾能力強，可靠性比較高。

13、(3)單片機技術(shù)基本已經(jīng)成熟，可參考的例子和資料非常多，可以縮短開發(fā)周期。12論文的主要內(nèi)容本文設(shè)計了一套35kv微機線路保護裝置，主要包括功能配置方案和故障判據(jù)設(shè)計、系統(tǒng)硬件設(shè)計、系統(tǒng)軟件設(shè)計、抗干擾設(shè)計等，另外通過建立電力系統(tǒng)模型對電力系統(tǒng)常見故障進行仿真分析，并通過rbf算法對故障模擬量進行仿真濾波。論文的具體章節(jié)安排如下： 第一章緒論：主要介紹了線路微機保護的歷史、現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢。第二章35kv線路微機保護功能配置方案及算法設(shè)計：設(shè)計了35kv線路保護的功能配置方案和故障判據(jù)，詳細分析了35kv線路保護的原理和特點；介紹了傅氏算法的工作原理和特點。第三章電力系統(tǒng)故障分析和基于電力系統(tǒng)的

14、非線性濾波：通過建立電力系統(tǒng)故障模型并對單相接地故障進行了仿真，最后將rbf算法應(yīng)用于非線性濾波仿真。第四章線路微機保護系統(tǒng)的硬件設(shè)計：設(shè)計了35kv線路微機保護系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)詳細分析了其工作原理及實現(xiàn)功能。最后介紹了裝置的硬件抗干擾措施。第五章線路微機保護系統(tǒng)的軟件設(shè)計：開發(fā)了35kv線路微機保護系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)，給出了程序設(shè)計的流程圖，詳細分析了其原理及實現(xiàn)功能。最后介紹了裝置的軟件抗干擾措施。第六章裝置實驗結(jié)果：通過實驗驗證了系統(tǒng)的算法和保護功能.2 35kv線路微機保護功能配置方案及算法設(shè)計本章首先設(shè)計了35kv線路保護的功能配置方案和故障判據(jù)，裝置的主要功能包括三段式電流電壓聯(lián)鎖保護、

15、小電流告警、過負荷保護、pt斷線檢測、三相一次重合閘。然后詳細分析了35kv線路保護的故障判據(jù)和原理，介紹了傅氏算法的原理和特點，從精度、速度和系統(tǒng)的要求各方面綜合考慮，最后選擇全波傅氏算法作為裝置的算法。2.1 35kv線路保護的功能配制方案在35kv線路微機保護裝置中，配置了三段式電流電壓聯(lián)鎖保護、小電流告警、過負荷保護、pt斷線檢測、三相一次重合閘等功能。相應(yīng)的保護功能框圖如圖21所示。裝置的功能判據(jù)如下：2.1.1 三段式電流電壓聯(lián)鎖保護在35kv電網(wǎng)中，短路故障占系統(tǒng)總故障的80以上，當電網(wǎng)中發(fā)生相間短路的時候，短路電流比正常工作時的電流要大的多，同時相間電壓下降，根據(jù)這個特點，在設(shè)

16、計中選擇三段式電流電壓聯(lián)鎖保護，i段為電流速斷保護，ii段為限時電流速斷保護，i段為過電流保護，其中i段、段為主保護，段為后備保護，電壓保護采用低電壓閉鎖保護。2.1.2 小電流告警在35kv中性點不接地電網(wǎng)發(fā)生單相接地短路時，故障點僅流過對地的電容電流，數(shù)值很小，這時電網(wǎng)的線電壓仍然保持對稱，對負荷的供電基本沒有影響，在這種情況下，可以允許繼續(xù)運行1-2小時，不需立即跳閘，但是為了防止故障進一步擴大成兩點或多點接地短路而影響供電，設(shè)計小電流告警功能，以便運行人員采取措施給予解決。2.1.3 過負荷保護裝置設(shè)計過負荷保護功能，即監(jiān)視三相電流，如果發(fā)現(xiàn)相電流超過線路正常運行時允許通過的最大電流時

17、，經(jīng)設(shè)定的延時后動作(跳閘或告警)。2.1.4 pt斷線檢測裝置設(shè)計pt斷線檢測功能，通過檢測三相線電壓和三相電流，當有任意一個線電壓0.1a時，這種狀態(tài)持續(xù)10s就判斷為母線pt斷線。2.1.5 三相一次重合閘輸電線路的故障分為瞬時性故障和永久性故障，其中大多數(shù)為瞬時性故障，瞬時性故障多為天氣、鳥獸等自然原因引起，這種故障當保護裝置反映跳閘后，故障已經(jīng)消失，這時，裝置配制的重合閘功能會自動重合一次，如為瞬時性故障，則繼續(xù)運行，如為永久性故障，則再次加速反映出口跳閘。2.2 35kv線路保護的原理和特點2.2.1三段式電流電壓聯(lián)鎖保護原理輸電線路發(fā)生短路時，相電流突然增大，線電壓降低，當故障線

18、路上的相電流大于某一個規(guī)定值同時保護安裝處母線電壓小于某一個規(guī)定值時，保護將跳開故障線路上的斷路器而將故障線路斷電，這就是電流電壓聯(lián)鎖保護的工作原理。其中，規(guī)定值就是電流、電壓聯(lián)鎖保護的動作電流和動作電壓，它是能使電流保護動作的最小電流和使電壓保護動作的最大電壓，通常用idz和udz表示。電流電壓聯(lián)鎖保護在35kv及以下的輸電線路中被廣泛應(yīng)用。下面對三段式電流電壓聯(lián)鎖保護分別予以介紹：(1)無時限的電流速斷保護(電流i段保護)我們以圖22中單側(cè)電源網(wǎng)絡(luò)中輸電線路ab上所裝設(shè)的電流保護來分析電流保護的原理。在圖22中，為了反映全線路的短路電流，設(shè)ab線路的電流保護裝于線路始端母線a處，在圖上稱做

19、電流保護1，顯然電流保護1要可靠動作，它的動作值idz必須選擇小于或等于保護范圍內(nèi)可能出現(xiàn)的最小短路電流。在圖22中，假設(shè)ab線路上d1點發(fā)生三相短路，則線路上的短路電流為：id(3)=e/zs+zd (2-1)其中，e是電源系統(tǒng)相電勢，zs是電源系統(tǒng)阻抗，zd是故障點到保護安裝處之間的阻抗，由式(2-1)可以看出，當系統(tǒng)電壓一定的時候，短路電流的大小與系統(tǒng)阻抗和短路點的位置及短路類型有關(guān)，系統(tǒng)阻抗是由運行方式?jīng)Q定的，在最大運行方式下zs取最小值，在最小運行方式下zs取最大值，在實際中，一般來說系統(tǒng)在最大運行方式下三相短路電流最大，稱此為保護的最大運行方式，系統(tǒng)在最小運行方式下兩相短路電流最小

20、，稱此為保護的最小運行方式。這兩種情況下的短路電流隨故障點位置變化的曲線如圖22中的曲線l和曲線2，曲線1為最大運行方式下的曲線，曲線2為最小運行方式下的曲線，當系統(tǒng)運行在其它任何方式下發(fā)生任何類型的短路時，id=f(ld)曲線位于曲線l和曲線2之間。對安裝在ab線路的保護1來說，快速切除ab線路的故障是它的首要任務(wù)，因此，其動作值idz應(yīng)該小于等于ab線路上可能出現(xiàn)的最小短路電流，最小短路電流為線路末端發(fā)生兩相短路時的短路電流i(2)bmin，即i(2)bminidz.同時，當bc線路靠近b端發(fā)生短路時，由于短路電流大于i(2)bmin，這時有可能使在ab線路的保護1誤動作，因此，為了不使保

21、護1誤動作同時可以區(qū)分所保護線路的末端故障和下一條線路的始端故障并且考慮到信號處理系統(tǒng)所產(chǎn)生的誤差，保護1的動作電流應(yīng)滿足：idz=kki(3)bmax (2-2)其中，kk是可靠系數(shù),通常kk13，i(3)bmax是b母線處在最大運行方式下發(fā)生三相短路的電流。按照式(2-2)整定的電流可以保證保護的選擇性，如果省略裝置和斷路器的動作時間，保護可以無延時動作，因此將此電流保護稱做無時限電流速斷保護，也叫電流i段保護，它的動作值選擇原則為：按躲開本線路末端發(fā)生短路時的最大短路電流整定。但是，從圖2.2中可以看出，系統(tǒng)在最小運行方式下保護的范圍lmin最小，而在最大運行方式下保護的范圍上lmax。

22、最大，無時限電流速斷保護的范圍隨著運行方式的變化而變化，在最小方式下保護范圍可能為0，這是無時限電流速斷保護的缺點。(2)限時電流速斷保護(電流ii段保護) ”電流i段保護并不能保護線路的全長，應(yīng)該在a母線處再裝設(shè)一套電流保護，這套電流保護用來保護ab線路的全長，這樣，如果在下一段相鄰線路bc靠近b端發(fā)生短路時，這套保護將會跳開1dl而失去選擇性，因此，將這套保護啟動以后經(jīng)過一個延時再作用于出口跳閘，當bc始端發(fā)生短路時，裝在b母線的電流速斷保護2首先動作，而裝在保護l處的帶延時的電流保護不會誤動，從而保證了選擇性。這套電流保護被稱為限時電流速斷保護，也叫電流段保護，電流段保護的延時時間一般為

23、0.3左右。在圖23中看出，只要ab間的ii段電流保護范圍不超過bc間的i段電流保護范圍，就可以保證選擇性，即：idz.1kk idz.2 (2-3)其中idz.1是ab問ii段電流保護的整定值，idz.2是bc間i段電流保護的整定值，kk為可靠系數(shù)，kk一般大于1.1。在線路上安裝了電流i段和電流段保護以后，整段線路的故障可在0.3-0.5s之內(nèi)得到解決，我們稱電流i段和段保護為線路的主保護。 (3)定時限過電流保護(電流段保護)一條線路保護中只安裝了主保護，理論上來說可以解決線路的所有故障，但是當主保護由于各種原因而拒動時，就需要一個后備保護，用來解決當主保護拒動時切除線路故障，后備保護可

24、以保護本線路全長，也可以保護相鄰線路全長。后各保護也叫電流段保護，一般是定時限過電流保護，在圖23中可以看出段電流的保護范圍，它的動作值整定原則為：按躲過正常運行時的最大負荷電流來整定，即：idz.1=kkkzqifh.abmax/kf (2-4)與相鄰線路的過電流保護動作值相配合，即：idz.1=kkkfz.max idz.2 (2-5)其中，kk是電流段可靠系數(shù)，kk大于1.2，kzq是電動機自啟動系數(shù)，kzq大于等于l，kf為返回系數(shù)，kf在09左右，kk為配合系數(shù)，大于或等于1.1，kfz.max為最大分支系數(shù)，ifh.abmax為線路ab上可能流過的最大電流，idz.1是裝在保護1處

25、的電流段整定值，idz.2是裝在保護2處的電流段整定值，電流段保護動作值可以取式2-4和式2-5中的最大值。電流段保護的延時時間比電流段保護的延時時間要長，而且，越靠近電網(wǎng)末端的段電流保護動作時間越短，在越靠近電源附近的段電流保護動作時間越長，所以電流段保護只能用做后備保護。(4)電流電壓聯(lián)鎖保護在輸電線路的保護中，規(guī)定電流i段保護的保護范圍應(yīng)該不小于線路全長的15，但是當系統(tǒng)的運行方式變化較大時，往往滿足不了系統(tǒng)靈敏度的要求，這時就要利用線路發(fā)生故障時母線電壓下降的條件來配合三段式電流的保護，在裝置中利用同時判斷電壓的降低和電流增大構(gòu)成電流電壓聯(lián)鎖保護，這種保護既可以反映電流的增大，也可以反

26、映電壓的降低，保護的測量元件由電流元件和電壓元件共同組成，電流元件和電壓元件的邏輯關(guān)系圖如圖24所示：在電流電壓聯(lián)鎖保護中，電流元件的動作電流取在主要運行方式下，保護區(qū)末端三相短路時的短路電流，電壓元件的動作電壓取在主要運行方式下，保護區(qū)末端三相短路時，保護安裝處母線上的殘余電壓。電流元件和電壓元件的動作值整定公式如下：idz=ext/(zxt+zl/hk) udz= idzzl /(zxt+zl/kk) (2-6)其中，kk13，zxt是正常運行方式下系統(tǒng)的阻抗，zl是所保護線路的總阻抗。按照這種原則整定以后，電壓電流聯(lián)鎖保護不會誤動作，而且在主要運行方式下的保護范圍比單獨的電流速斷和電壓速

27、斷的保護范圍要大。對于系統(tǒng)運行方式變化比較大的線路，在各種可能的運行方式下，電壓電流聯(lián)鎖速斷保護的最小保護范圍不應(yīng)該小于線路全長的15。2.2.2 輸電線路方向性電流保護的工作原理之前分析的三段式電流保護是以單電源網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的，各段保護安裝在被保護線路靠近電源的一端，線路發(fā)生故障時，電流從母線流向被保護的線路，但是在實際中，系統(tǒng)都是多電源網(wǎng)絡(luò)，即在一條線路的兩側(cè)都有供電電源，為了切除線路上的故障，線路的兩側(cè)都應(yīng)該裝設(shè)保護裝置和斷路器。從圖25可以看出，當兩端都有電源時，如果dl點發(fā)生短路故障，按選擇性要求應(yīng)該是離故障點最近的保護l和保護2動作，使idl和2dl跳閘切除故障，但是由于保護2和保護

28、3流過同一電流i，有可能使保護3誤動作，而這個誤動作的保護是由于保護安裝處反方向發(fā)生故障時，由對側(cè)電源提供的短路電流而引起的，而且誤動作的保護上流過的電流方向都是由被保護的線路流向保護安裝處母線，正確動作的保護上電流方向是由保護安裝處母線流向被保護的線路，兩者電流方向正好相反，所以，應(yīng)該在原來三段式電流保護的基礎(chǔ)上加上一個判斷電流方向的元件，當正方向電流時保護動作，而負方向電流時保護不動作，這就是方向電流保護的工作原理。在實際中，由于電流是交流量，不用直接來判斷它的方向，但是當故障點一定的時候，短路電流和保護安裝處的母線電壓之間的夾角是不變的，所以應(yīng)該利用功率方向元件來判斷，如果設(shè)保護2的短路

29、電流和母線電壓之間的夾角為，那么保護3的短路電流和母線電壓之間的夾角是180+，則保護2和保護3處的短路功率為p2o,p3o，根據(jù)功率方向元件可以判斷哪個保護應(yīng)該動作，哪個保護不應(yīng)該動作，從而有效的解決了保護的誤動作。功率方向元件的動作條件如下；-9090 （2-7）因為功率方向元件一般有一個內(nèi)角口，如果考慮功率方向元件的內(nèi)角，則功率方向元件的動作方程為：-9090 （2-8）對應(yīng)于上式的功率方向元件的動作區(qū)如圖26所示：功率的計算不但和電流、電壓的夾角有關(guān)，還和保護安裝處電流、電壓的大小有關(guān)，當保護安裝處附近發(fā)生短路時，母線電壓很小甚至為0，這樣功率p變的很小，功率方向元件由此會失去判斷的根

30、據(jù)，我們把保護安裝處附近一段區(qū)域稱為“死區(qū)”，為了消除死區(qū)，我們將電流和電壓采取90接線的方式接入保護，所謂90接線是指在三相對稱的情況下，加入保護的電流和電壓的相位相差90，采用這種接線后，反映a、b、c三相功率方向元件應(yīng)接入的電流和電壓分別為ia、ubc、ib、uca、ic、uab。采用90接線方式后，當保護安裝處附近發(fā)生兩相相間短路時，有兩相輸入保護的電壓中含有非故障相電壓，而非故障相電壓不變，故障相電壓降低，所以輸入保護裝置的電壓仍然很高，這樣就消除了保護的死區(qū)，當保護安裝處附近發(fā)生三相短路時，因為輸入保護的電壓都很低，但是在故障前瞬間這些值都很大，所以可以利用微機保護的記憶功能來使輸

31、入電壓的幅值增大而保持故障電壓的相位特征，從而可以消除死區(qū)。2.2.3 單相接地報警原理35kv電網(wǎng)是中性點不接地系統(tǒng)，當發(fā)生單相接地故障時，故障點的電流很小，而且三相線電壓仍然保持對稱，對負荷的供電基本沒有影響，在一般情況下，允許再運行1-2小時，不必立即跳閘，但是這時其它兩相的對地電壓要升高倍，為防止故障進一步擴大成兩點或多點接地短路而對負荷供電造成影響，應(yīng)該及時的發(fā)出報警信號，以便運行人員采取措施給予清除。小電流系統(tǒng)的單相接地原理圖如圖27所示。 在圖27中可以看出，系統(tǒng)在正常運行情況下，三相對地有相同的電容c0，每一相都有一個對地電容電流，這三個電流之和為0，假設(shè)a相發(fā)生單相接地短路，

32、a相對地電壓為0，其它兩相對地電壓變?yōu)樵瓉淼谋?，對地電容電流也變?yōu)樵瓉淼谋?，我們用ib和ic來表示非故障相的對地電流，則可以得出：ib=ub-djc0 ic=uc-djc0 (2-9)此時，從接地點流回的電流id= ib+ic=，為正常運行時三相對地電容電流的算術(shù)和。當系統(tǒng)中有多條線路存在時，每條線路上都有對地電容存在，當其中一條線路a相發(fā)生單相接地故障時，整個系統(tǒng)的a相對地電壓都為0，所以a相的對地電容電流為0，在非故障線路上，b相和c相流有本身的電容電流，因此，在線路的始端反應(yīng)的零序電流為 (2-10)其有效值是=，就是該線路本身的電容電流，該電容電流的方向為母線流向線路?？偨Y(jié)以上分析的結(jié)

33、果，我們可以得出以下結(jié)論：(1)發(fā)生單相接地故障時，整個系統(tǒng)都出現(xiàn)零序電壓。(2)非故障線路上的零序電流數(shù)值上等于本身的對地電容電流，電容性無功功率實際方向是從母線流向線路。(3)故障線路上，零序電流為整個系統(tǒng)非故障線路對地電容電流之和，數(shù)值比較大，電容性無功功率方向是從線路流向母線。2.3 基于多次諧波的周期函數(shù)算法-傅氏算法任何一個周期函數(shù)，都可以分解成直流分量和各次諧波分量的和，其表達式為x(t)=bncosn1t+ansinn1t其中，n=o、l、2，an、bn為各次諧波正弦和余弦的幅值，1為基波的角頻率，各次諧波的實部和虛部可以通過式(2-11)和式(2-12)計算：an= (2-1

34、1)bn= (2-12)進一步推導(dǎo)可得到：an= (2-13)bn= (2-14)其中，n為一個周期的采樣點數(shù)，根據(jù)n取不同值時，可以根據(jù)式(2-15)和(2-16)求得各次諧波的幅值和相角： (2-15) (2-16)在線路微機保護系統(tǒng)的算法設(shè)計中需要的是基波分量，就是當n=l時的分量，當每個周期采樣12個點時，式(2-13)和(2-14)可以寫成式(2-17)和式(2-18)：6al=(x3-x9)+（x1+x5-x7-x11）+(x2+x4-x8-x10） (2-17)6bl=(x12-x6)+ （x2+x10-x4-x8）+（x1+x11-x5-x7） (2-18)由式(2-15)、(

35、2-16)、(2-17)、(2-18)可以方便的計算基波的幅值和相角，這種計算方法的數(shù)據(jù)窗為一個周期，因此它的反映速度比較慢，數(shù)據(jù)窗為一個周期的傅氏算法稱為全波傅氏算法，我們利用正弦函數(shù)和余弦函數(shù)的性質(zhì)，可以只取半個采樣周期來計算，這樣可以提高響應(yīng)速度，數(shù)據(jù)窗為半個周期的傅氏算法為半波傅氏算法。半波傅氏算法和全波傅氏算法類似，其計算公式如式(2-19)和(2-20)： (2-19) (2-20)在衰減的非周期分量的影響下，傅氏算法的計算誤差比較大。另外，由于半波傅氏算法的數(shù)據(jù)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運算速度為前提的，因此，當線路故障發(fā)生在保護范圍的

36、o90以內(nèi)時，用半波算法計算很快就趨于真值，雖然精度不高，但是足以正確判斷是范圍內(nèi)故障，當故障在保護范圍的90以外時，為了保證計算精度，要以全波傅氏算法的計算結(jié)果為準。由以上分析可以得到總結(jié)：1任何一種算法的精度和速度都是與采樣點數(shù)(也就是采樣頻率)直接相關(guān)的，采樣頻率越高，精度越高，響應(yīng)速度越慢，采樣頻率越低，精度越低，響應(yīng)速度越快。2傅氏算法具有濾波作用，可以消除恒定的直流分量和整次諧波分量，但是不能消除衰減的直流分量，在最嚴重的情況下，由衰減直流分量造成的傅氏算法的計算誤差達到10以上，因此，必須采取措施給予補救。3全波傅氏算法的數(shù)據(jù)窗為一個周期，響應(yīng)速度比較慢，但運算精度相對較高，半波

37、傅氏算法的數(shù)據(jù)窗縮短為半個周期，響應(yīng)速度相對較快，但運算精度有所下降。在裝置的主保護板的算法設(shè)計中，我們選擇全波傅氏算法作為線路保護的算法，故障模擬量經(jīng)過電壓互感器和電流互感器進入ad轉(zhuǎn)換器，采樣頻率選擇為600hz，即一路信號一個周期有12個采樣點，然后得到的12個采樣值通過式(2-17)和式(2-18)計算得到輸入模擬量的實部和虛部，根據(jù)式(2-15)和式(2-16)就可以計算模擬量的幅值和相角裝置要實現(xiàn)的功能是把計算得到的模擬量有效值與系統(tǒng)的整定值相比較，如果模擬量有效值超過系統(tǒng)整定值，就迸一步通過驅(qū)動出口繼電器和斷路器跳閘，從式(2-11)和式(2-12)可知，基波電流可以表示為 (2

38、-21)或 (2-22)基波電流的有效值及相角為： (2-23) (2-24)同理可以推出n次諧波分量的有效值和相角為： (2-25) (2-26)在算法的判據(jù)設(shè)計中，主要是把采集的一路信號的12個離散值根據(jù)式(2-17)和式(2-18)計算出模擬量基波分量的實部和虛部，然后再根據(jù)式(2-23)和式(2-24)就可以計算出基波分量的有效值和相角，最后通過與保護整定值進行比較而判斷裝置是否動作。2.4 本章總結(jié)本章主要設(shè)計了35kv線路保護的功能配置方案和故障判據(jù)，分析了35kv線路微機保護功能配置、特點和實現(xiàn)原理，最后詳細分析了傅氏算法的工作原理和特點，從算法的精度、速度和系統(tǒng)的功能要求各方面

39、綜合考慮，確定全波傅氏算法作為主保護板的算法。3 電力系統(tǒng)故障分析和基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非線性濾波在第二章中重點設(shè)計了35kv線路保護的功能配置方案和判據(jù)，所有的保護功能都是為了處理在輸電線路上可能出現(xiàn)的各種類型的故障。為了驗證裝置設(shè)計的功能判據(jù)的正確性，在本章中，通過建立電力系統(tǒng)故障模型并且以最常見的故障一單相接地故障為例，對小電流系統(tǒng)進行了故障仿真分析，最后將rbf神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法應(yīng)用于非線性濾波。仿真結(jié)果表明，rbf算法可以濾除故障模擬量的高次諧波，可以為數(shù)據(jù)采集、有效值計算帶來方便，進一步使保護正確的動作。3.1 電力系統(tǒng)運行故障分析電力系統(tǒng)是電能生產(chǎn)、變換、輸送、分配和使用的各種電力設(shè)備按照一

40、定的技術(shù)與經(jīng)濟要求有機組成的一個聯(lián)合系統(tǒng)，一般我們將電能通過的設(shè)備稱為電力系統(tǒng)的一次設(shè)備，如高壓輸電線路、變壓器、電容器等等。對一次設(shè)備進行監(jiān)視、測量、控制和保護的設(shè)備稱為電力系統(tǒng)的二次設(shè)備。電力系統(tǒng)的一次設(shè)備在運行過程中由于外力、絕緣老化、過電壓、誤操作、設(shè)計制造缺陷等原因會發(fā)生如短路、斷線等故障。最常見的也是最危險的故障是各種類型的短路，這些故障一旦處理不當將會造成國民經(jīng)濟的巨大損失，嚴重時甚至有可能造成人員傷亡。各種類型的短路包括三相短路、兩相短路、兩相接地短路和單相接地短路，其中單相接地故障在各種故障中所占的比例最大，一般都在80以上，據(jù)統(tǒng)計，我國2002年的35kv的輸電線路發(fā)生的各

41、種故障中，單相接地短路故障占所有故障的89左右。3.1.1 系統(tǒng)建模及參數(shù)調(diào)節(jié)本章通過仿真軟件matlab對電力系統(tǒng)中恒定電壓源輸電線路的單相接地短路故障進行仿真分析，恒定電壓源電路短路模型如圖31所示。在圖31的模型中，使用三相電壓源作為電路的供給電源，電壓源為y接(即中性點不接地)類型，其中線電壓的有效值為35kv，a相初始相角為0度，屬于小接地電流系統(tǒng)。用分布參數(shù)輸電線路(如圖中的distributed parameter line和distributed parameter line1)作為輸電線路，兩路輸電線路的長度均為30km,兩條輸電線路的各個參數(shù)保持不變。線路中串聯(lián)一個三相rl

42、c串聯(lián)負載(three-phase rlc load)，另外三相電壓電流測量儀器(3-phase v-i measurement)負責(zé)測量線路初始端的三相電壓和電流，在模型中，主要采用三相短路故障發(fā)生器(3-phasefault)來模擬單相接地短路故障的發(fā)生，在短路故障發(fā)生器的參數(shù)對話框的故障相(phase fault)中任意選擇一相，這里選擇a相，同時選擇故障相接地(ground fault)， 轉(zhuǎn)換時間(transition times)的時間改為0.01 0.04，即在0.01秒時發(fā)生a相接地短路，而在0.04秒時恢復(fù)正常供電。測量選項(measurement)中選擇測量故障點支路電壓和

43、支路電流，因為小接地電流系統(tǒng)發(fā)生單相接地短路時，由于故障點電流很小，而且三相之間的線電壓仍然保持對稱，所以對負荷的供電沒有影響，因此，在一般情況下都允許再繼續(xù)運行l(wèi)-2小時，但是在此期間，故障點其他兩相對地電壓就要升高倍，為了防止故障進一步擴大造成兩點或多點接地短路，應(yīng)該及時發(fā)出信號，以便運行人員查找發(fā)生故障的線路，采取措施予以消除，另外發(fā)生單相接地短路時，線路中的零序電流發(fā)生變化，所以在模型中還要用到一個三相序分量分析元件(3-phase-sequence-analyzer)來分析線路中零序電流的變化，在三相序分量分析參數(shù)對話框中將序量選擇(sequence)選為零序分量(zero)，另外，

44、還需要三個示波器，兩個萬用表，還有接地元件，節(jié)點等。在設(shè)計電路圖設(shè)計完成后，打開仿真參數(shù)對話框(simulation-configuration parameters)，把停止時間(stop time)改為0.1s，求解程序類型(type)選項改為可變步長(variable-step),ode23tb(stiff/tr bdf-2)，其它的都保持不變。3.1.2 系統(tǒng)中物理量的分析全部設(shè)置完了以后，激活仿真按鈕(simulation-start)，可以先觀察到三相電壓電流測量元件的輸出電壓和電流波形如圖32、33、3.4所示：從圖32可以看出，在線路中發(fā)生單相接地短路故障時，電源輸出端三相線電

45、壓uab,ubc,uca仍然保持對稱。從圖33可以看出，發(fā)生故障時，電源輸出端的故障相對地電壓ua明顯下降，而非故障相對地電壓ub,uc上升為原來的17倍左右。從圖34可以看出，單相接地短路故障對于電源輸出端的線電流影響很小。當把輸電線路l(disuibutcd paremter line和distributed paremeter line)的長度分別改為20km和25km時，得到的電源端輸出相電壓波形如圖3.5和圖3.6所示。從圖3.5和圖3.6可以看出，故障點離電源輸出端的距離越遠，在故障期間電源端輸出相電壓越大，所以我們可以利用相電壓的大小構(gòu)成故障定位，這樣可以使工作人員在發(fā)生故障時只

46、檢修定位的有限區(qū)間線路，從而可以大大的減免不必要的工作。從圖3.7看出，發(fā)生故障時非故障相的對地電流，而故障相對地電流大概在10a左右。在圖3.8中，當0.01s開始發(fā)生故障時，故障點a相對地電壓變?yōu)?，b、c兩相對地電壓上升為原來的1.7倍左右。因為這時故障點離三相電源輸出端還有一段線路，在這段線路上產(chǎn)生了一些電壓降，所以在圖3.3中初始端a相相電壓明顯減小，但不為0，而b、c兩相相電壓則明顯升高。另外，流過負載的電流的波形與圖34中的電流波形相似，也沒有發(fā)生明顯的變化。而負載對地電壓的波形同圖3.2中的電壓波形相似，只是在故障發(fā)生期間有微小的波動，在故障前后沒有明顯變化。此外，在發(fā)生單相接

47、地短路故障時，線路中的零序電流發(fā)生了變化，如圖3.9所示。從圖3.9可以看出，在沒發(fā)生故障之前，線路中的零序為=0.001s開始發(fā)生故障，迅速上升至3a左右，然后緩慢下降，直到0.07s左右才下降為0。32諧波概述從上面的仿真圖形可以看出，當電力線路發(fā)生各種類型的故障時，故障點的電壓和電流均會發(fā)生相應(yīng)的變化，這時的電壓和電流等都不是純正弦量，而是含有各種高次諧波的模擬量，諧波主要是由電力系統(tǒng)中非線形負載引起的，諧波主要是奇次波，幅值一般不會超過基波幅值的50，而且它的幅值隨著諧波次數(shù)的增大而降低，所有的諧波對于數(shù)據(jù)采集和運算等都帶來極大的困難，因此，必須采取措施予以濾除。傳統(tǒng)的濾波方法有模擬濾

48、波和數(shù)字濾波兩種，其中模擬濾波主要是采用低通模擬濾波器來進行濾波，模擬濾波器是用無源限（r、l、c)或者有源(包括運算放大器等)等電路元件組成的。數(shù)字濾波是通過采樣和模數(shù)轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字量后，進行某種數(shù)字處理以去掉信號中的無用部分，實際上，在微機保護中討論的數(shù)字濾波通過執(zhí)行一段程序達到濾波的目的，不需要增加任何附加硬件。常見的數(shù)字濾波算法如導(dǎo)數(shù)算法、傅立葉算法等。在裝置中，采用全波傅氏算法來進行濾波，實踐證明，全波傅氏算法可以消除恒定的直流分量和整次諧波分量，但是不能消除衰減的直流分量。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的興起給電力系統(tǒng)濾波提供了新的研究途徑，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是由一些稱為神經(jīng)元的基本單元按一定規(guī)則互聯(lián)而成的

49、自適應(yīng)系統(tǒng)，它具有人腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的一些基本特征，諸如信息的分布式存儲和大規(guī)模并行處理、自適應(yīng)和自學(xué)習(xí)等功能。由于這些功能，將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于信號處理、自動控制、人工智能等方面已經(jīng)有很多研究，下面將著重討論以rbf算法為代表的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在電力系統(tǒng)濾波中的應(yīng)用。3.3 rbf網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)及訓(xùn)練算法rbf神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是近年來得到很大發(fā)展的一種前饋網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，它由三層組成，其拓撲結(jié)構(gòu)圖3.10所示，其實從本質(zhì)上說它是兩層網(wǎng)絡(luò)，輸入層信號只是負責(zé)傳輸信號到隱層，隱層節(jié)點由像高斯核函數(shù)那樣的輻射狀作用函數(shù)構(gòu)成，輸出層節(jié)點通常是簡單的線性函數(shù)。作為基函數(shù)的形式，有下列幾種： 這幾種函數(shù)都是徑向?qū)ΨQ，最常用的是高斯函

50、數(shù)： 其中，x為n維輸入向量，是第個基函數(shù)的中心，是第個感知的變量，口口為歐式范數(shù)，輸出層節(jié)點的傳輸函數(shù)為純線性函數(shù)，即，rbf神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)第個隱節(jié)點的輸出為式中，r(.)為rbf函數(shù)，它有多種形式，都體現(xiàn)了rbf網(wǎng)絡(luò)的非線性映射能力，網(wǎng)絡(luò)輸出層第個節(jié)點的輸出為隱層節(jié)點的線性組合， 其中，p為輸出節(jié)點數(shù)，為到的連接權(quán)值，為第k個輸出節(jié)點的閾值，對于網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)算法，rbf神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由有導(dǎo)師學(xué)習(xí)和無導(dǎo)師學(xué)習(xí)構(gòu)成，它的連接權(quán)值的學(xué)習(xí)修正采用bp算法，而且采用bp算法處理過的rbf網(wǎng)絡(luò)具備局部逼近網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)收斂快的特點，同時也可以在一定程度上克服了高斯基函數(shù)不具備緊密性的缺點。3.4 rbf神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于非線性

51、濾波仿真軟件matlab中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱為我們提供了一個新的運用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的gui(圖形用戶界面)工具，通過使用這個工具可以對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行建立、初始化、訓(xùn)練和仿真等各種操作，界面友好直觀，在matlab的命令窗口輸入nntool，回車，就可以打開gui工具的主窗口。如圖3.11所示。接下來通過對rbf算法進行濾波仿真。假設(shè)發(fā)生故障的電流或者電壓的函數(shù)為含有基波和3、5、7次諧波的函數(shù)，函數(shù)表達式為 （3.1）式3.1表示的函數(shù)曲線如圖3.12所示。從圖3.12可見，故障情況下波形具有各次諧波，對于數(shù)據(jù)采集和計算帶來誤差，從而對故障的判斷帶來影響。因此我們采用rbf算法濾掉高次諧波。rbf算法濾

52、波仿真的程序設(shè)計如下：1在matlab的命令窗口定義需要的輸入變量和目標變量，輸入變量為如式3-l所示的含有3、5、7次高次諧波分量的模擬量，仿真的目的是濾波，所以目標變量為，具體定義如下：cleart=0：0.001：0.03； 2打開gui工具窗口，單擊import按鈕打開對話框，分別將y和p作為輸入變量和目標變量導(dǎo)入樣本。3回到gui主窗口，單擊newnetwork按鈕，打開新建網(wǎng)絡(luò)對話框，將新建網(wǎng)絡(luò)名字命名為filter,網(wǎng)絡(luò)類型(network type)選擇radialbasis(exact fit)，spread constant改為0.45，其它選項都采用默認。4 回到gui主窗口，選中networks欄的網(wǎng)絡(luò)名