電力系統(tǒng)故障錄波數(shù)據(jù)分析

1、研 究 與 開 發(fā)年第 期6電 力 系 統(tǒng) 故 障 錄 波 數(shù) 據(jù) 分 析邵玉槐許三宜何海祥丁周方(太原理工大學(xué)電氣與動(dòng)力工程學(xué)院,太原 030024摘要 電力系統(tǒng)故障錄波數(shù)據(jù)是電力系統(tǒng)故障分析和保護(hù)動(dòng)作判據(jù)的重要依據(jù)。本文提出了據(jù) 電力系統(tǒng)故障錄波數(shù)據(jù)完善了頻率分析、諧波分析、故障定位的數(shù)學(xué)分析方法。采用 java 編程語(yǔ)言 完成部分過程的編制工作。同時(shí)針對(duì)目前雙端測(cè)距存在的偽根問題,提出了一種新的求解過程。關(guān)鍵詞:電力故系統(tǒng)故障分析;故障錄波數(shù)據(jù);雙端測(cè)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引言電力系統(tǒng)故障錄波系統(tǒng)是電力系統(tǒng)發(fā)生故障及振 蕩時(shí)能自動(dòng)記錄的一種系統(tǒng)或一種裝置。 近年來, 不同 類型的故障錄波器已在電力系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用, 所記 錄的各種故障錄波數(shù)據(jù)為電力系統(tǒng)故障分析及各種保 護(hù)動(dòng)作行為的分析和評(píng)價(jià)提供了數(shù)據(jù)來源和依據(jù)。目前,電網(wǎng)調(diào)度端已能通過專用網(wǎng)或電話網(wǎng)將 電網(wǎng)故障錄波數(shù)據(jù)集中到一起,但

5、如何有效管理和 利用這些信息進(jìn)行必要的故障分析、保護(hù)動(dòng)作行為 評(píng)價(jià)及故障測(cè)距等并沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn) 1。2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)java 的最大優(yōu)勢(shì)就是跨平臺(tái),通俗地說可以用 于各種操作系統(tǒng),本系統(tǒng)是以 java 為平臺(tái)開發(fā)的基 于 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)的 COMTRADE 數(shù)據(jù)格式的面向?qū)ο?的可視化程序,下面簡(jiǎn)單說一下設(shè)計(jì)思路:(1數(shù)據(jù)采用的格式目前故障錄波器基本上采用 IEEE 的 COMTRADE 標(biāo)準(zhǔn)。 每個(gè) COMTRADE 記錄都有一組 4個(gè)與其相關(guān) 的文件,其中 CFG 和 DA T 文件有嚴(yán)格的格式,用于 存儲(chǔ)通道數(shù)據(jù)和相關(guān)解釋信息; HDR 沒有固定格式。 COMTRADE 文件遵循固定的記錄

6、格式, 這使得編寫 程序讀取數(shù)據(jù)成為可能。 文件以一行為單位記錄錄波 信息,每行種又以逗號(hào)隔開各類信息或數(shù)據(jù)。(2圖形用戶界面的顯示在本系統(tǒng)中,無論是波形分析(如波形的橫向、 縱向放大縮小;波形的瞬時(shí)值還是故障分析(如諧 波分析、序分量分析以及故障測(cè)距計(jì)算等結(jié)果,都 要通過視圖顯示到屏幕上,實(shí)現(xiàn)信息從機(jī)器到人的傳 遞, 因此, 設(shè)計(jì)一個(gè)直觀、 友好的 GUI (Graphical User Interface, 即圖形用戶界面對(duì)程序編寫的基本要求 1。(3基本過程思路如圖 1。3算法及程序(1波形再現(xiàn)現(xiàn) 場(chǎng) 采 集 的 數(shù) 據(jù) 是 一 系 列 離 散 的 點(diǎn) , 由 COMTRADE 文件可以

7、計(jì)算出每個(gè)時(shí)刻對(duì)應(yīng)的電壓和 電流瞬時(shí)值, 利用 jfreechart 的強(qiáng)大功能可以生成了電 壓和電流波形圖。具體的單通道波形生成程序?yàn)?山西省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(6320097220001102 研 究 與 開 發(fā) 年第期圖 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頻率計(jì)算采樣電壓信號(hào)為一正弦電壓,假設(shè)采樣期間電 壓幅值保持不變,系統(tǒng)頻率也不迅速改變,系統(tǒng)電 壓信號(hào)采樣可用下式表示( sin(2v t V ft =設(shè)每周波的采樣點(diǎn)數(shù)為 N ,每 0.1s 的采樣點(diǎn)數(shù)為 n , 當(dāng)電壓信 號(hào)以 T 為時(shí) 間間隔 采樣時(shí),

9、 第 , 1, 2, 3k k k k +的采樣值可以表示為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 +=+由上式可以推導(dǎo)出:2312cos(3 14sin (cos(k k k K v v fT fT v v fT +=+(1為了消除 120k k v v +=的影響,利用等比定理 若 0a c e bdf=>,則 a c e ab d fb+=+經(jīng)過 n-3次計(jì)算的 214sin ( fT 按上式取絕對(duì)值 和進(jìn)行補(bǔ)償?shù)玫?321312114sin ( n kk k

10、n k k k vv fT vv +=+=+=+ (2令3313121nkk k n k k k vv x vv +=+=+=+ (3根據(jù)采樣值可以計(jì)算出每隔 0.1s 的 x 值由式(2和式(3可以推導(dǎo)出121arcsin(1 2f T x =(4注:f=50Hz, T 為采樣周期, 1T f N =根據(jù)式(4求出的 x 為 x 0, 將 121arcsin(1 2x 在 x 0處進(jìn)行泰勒展開得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全周傅氏變換算法這是在電力系統(tǒng)中應(yīng)用很廣泛的一種較好的算 法,尤其是在電力系統(tǒng)微機(jī)保護(hù)提取基波分量時(shí)占 有重要的地位。當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)往往產(chǎn)生較 大的衰減,非周期分量全周傅氏差分算法則可以消 除這種誤差。為了降低直流分量的影響采用了差分變換,即 用采樣值之差 (1 ( x n x n +代替 ( x n 。假定被采樣信號(hào)是一個(gè)周期性的時(shí)間函數(shù),除 基波外還含有不衰減的直流分量和各次諧波,可表 示為 n ,其為自然數(shù),代表諧波次數(shù)。 n a 和 n b 則分 別代表各次諧波的余弦項(xiàng)和正弦項(xiàng)的振幅。 1a 和 1b 分別代表基波分量的余弦項(xiàng)和正弦項(xiàng)的振幅。結(jié)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 與 開 發(fā) 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雙端測(cè)距利用雙端數(shù)據(jù)的測(cè)距算法,在原理上完全不受 故障過渡電阻(阻抗的大小、性質(zhì)及雙端系統(tǒng)阻 抗的影響,可以保證測(cè)距的精度,但其主要缺點(diǎn)是 需要通道傳遞對(duì)端信息。雙端數(shù)據(jù)同步和消除測(cè)距 方程偽根也是保證測(cè)距精度必不可少的手段。雙端測(cè)距方

13、法大多利用雙端電壓和電流量, 列出 從兩端至故障點(diǎn)的輸電廠線路的分布參數(shù)電壓方程。 對(duì)圖 1所示電路,可列出如下的電路方程:( ( ( 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為兩端數(shù)據(jù)的不同步相角差, s=0,1,2為序 量標(biāo)號(hào),“ 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 ”代表故障點(diǎn)。圖 1單相接地故障由式(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對(duì)非對(duì)稱故障,

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將式(12和式(13相除,消去雙端數(shù)據(jù)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對(duì)于對(duì)稱故障,可根據(jù)故障前的雙端電壓、電流列出如下方程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將式(12和式(16相除,消去雙端數(shù)據(jù)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適用于線路的全部短路類故障。 式(14和式(16的求解過程繁瑣,求出的 結(jié)果往往是復(fù)數(shù),存在的誤差較大,為了剔除這些 偽根,提出以下求解方法。牛頓法實(shí)質(zhì)上是一種線性化方法,其基本思想 是將非線性方法 ( 0f x =逐步歸結(jié)為某種線性方程 求解。它的優(yōu)點(diǎn)是收斂快。令 1( D x 和 2( D x 為 0,式 (14和式(16變?yōu)?( f x 的函數(shù),將函數(shù) ( f x 在 點(diǎn) k x 展開,有' ( ( ( k k k f x f x f x x x +(17則 1' ( (

18、k k kk f x x x f x +=(0,1,2k =則下山法能保證函數(shù)值穩(wěn)定下降,防止迭代發(fā)散,即具有單調(diào)性:1( (k k f x f x +<(18 結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn),令1' ( (k k kk f x x x f x +=(19與前一步的近似值 k x 適當(dāng)加權(quán)平均作為新的 改進(jìn)值11(1 k k k x x x +=+(202009728 研 究 與 開 發(fā) 年第 期其中, 01< , 稱為下山因子。 則式1' ( (kk kk f x x x f x +=4(0,1, 2k =(21( f x 從 =1開始,逐次將 減半進(jìn)行試算,直 到能使下降條件(

19、18成立為止。為了消除不對(duì)稱故障時(shí)(14和(16的解出 來的距離差距很大的取舍問題,同時(shí)根據(jù)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作為附加判據(jù)。選擇令 ( f x 為最小值的解。4試驗(yàn)結(jié)果針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集的一組 COMTRADE 數(shù)據(jù)的分析結(jié)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,-單通道波形結(jié)果如圖 2。 疊加通道波形結(jié)果如圖 3。 頻率分析結(jié)果如圖 4。圖 2單通道波形圖 3疊加通道波形圖 4頻率分析5結(jié)論電力系統(tǒng)自動(dòng)化的重要程度日益提高,為電網(wǎng) 調(diào)度自動(dòng)化賦予了更重要的意義。本文設(shè)計(jì)的基于 COMTRADE 故障錄波信息的電力故障分析軟件是 應(yīng)太原南瑞繼保電力公司開發(fā)的一套軟件,立足于 實(shí)際條件,可實(shí)現(xiàn)波形再現(xiàn)、頻率分析、諧波分析、故障測(cè)距分析等功能。目前

21、,該軟件已經(jīng)完成了現(xiàn) 場(chǎng)采集數(shù)據(jù)的部分析功能。參考文獻(xiàn)1李媛 , 劉滌塵 , 杜新偉 , 王和春 , 葉菁 . 電力故障波形再現(xiàn)及分析系統(tǒng)的開發(fā) . 電網(wǎng)技術(shù) ,2006,30(5:106-109.(下轉(zhuǎn)第 33頁(yè)2009729 PE 電力電子 年第 期33圖 7三相定子電流輸出波形7結(jié)論仿真結(jié)果表明,轉(zhuǎn)子磁鏈估算的波形基本保持 不變,說明本文提出的改進(jìn)定子磁鏈觀測(cè)器具有參 數(shù)不敏感性,用該方法估算的定子磁鏈完全可以滿 足轉(zhuǎn)速估算精度的要求。從波形可以看出當(dāng)給定轉(zhuǎn) 矩發(fā)生階躍變化時(shí),各參數(shù)的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)時(shí)間較短, 說明該系統(tǒng)具有較好的動(dòng)態(tài)特性和較強(qiáng)的魯棒性。 但是在實(shí)際系統(tǒng)中, 電機(jī)參數(shù)變化會(huì)影響

22、系統(tǒng)性能, 所以實(shí)現(xiàn)時(shí)還需要加上參數(shù)辨識(shí)和誤差校正環(huán)節(jié)來 提高系統(tǒng)抗參數(shù)變化和干擾的魯棒性 5-6。參考文獻(xiàn)1李永東 . 交流電機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng) M.北京 :機(jī)械工業(yè)出版社 ,2002. 2范巖 , 何勇 . 轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向速度自適應(yīng)估算感應(yīng)電機(jī) 控制系統(tǒng)的研究 J.電氣傳動(dòng) ,2006,36(9:6-8.3李德華 . 交流調(diào)速控制系統(tǒng) M.北京:電子工業(yè)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 , 王光輝 , 李永東 . 基于 DSP 的無速度傳感器異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng) J.清華大學(xué)學(xué)報(bào) , 2001,41(3:21-24. 6黃永安 馬路 劉慧敏 .Matlab 7.0/Simulink6.0建模 仿真開發(fā)與高級(jí)工程應(yīng)用 M.北京 :清華大學(xué)出版 社 ,2005.作者簡(jiǎn)介許 琤(1981- , 男, 碩士, 浙江舟山, 研究方向:電力電子與電力傳動(dòng)。 韓幸軍(1972- ,男,漢族,工程師,浙江舟山,研究方向:電機(jī) 控制及風(fēng)力發(fā)電技術(shù)。(上接 第 25頁(yè)5萬(wàn)山明 , 吳芳 , 黃聲華 . 基于高頻電壓信號(hào)注入的永磁 同 步電機(jī) 轉(zhuǎn)子初 始位置 估計(jì) J.中國(guó) 電機(jī)工 程學(xué) 報(bào) ,2008, 28(33:82-86.6陳榮 . 基于增量式光電編碼盤的永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子位 置初始定位 J.電機(jī)與控制應(yīng)用 ,2007,34(3:32-347徐永向 , 鄒繼 明 , 趙猛 , 姚郁 . 基于單 霍爾傳感 器的