利用暂态信号的小电流接地故障距离识别技术

论文摘要

随着社会经济的不断发展和人民生活水平的日益提高,用户对供电可靠性的要求越来越高。在对电力体制进行市场化改革的国家,供电可靠性是电力监管委员会监管和考核供电企业的关键指标。因此,各供电企业十分重视电力线路故障定位技术的开发与应用,以缩短故障查找与修复时间,提高供电可靠性和用户满意度。我国6～66kV中压电网普遍采用中性点非有效接地方式。采用这种运行方式,在发生单相接地故障（小电流接地故障）后,允许带故障运行一段时间,不影响负荷供电,提高了供电可靠性。但对于中性点非有效接地系统,发生单相接地后由于故障电流微弱,故障稳态特征不明显,导致小电流接地故障检测比较困难。近年来,小电流接地故障选线已基本得到了解决,但故障测距还没有很好的解决办法,需要开发研究适用于小电流接地故障的故障定位方法。本文研究利用暂态故障信号的小电流接地故障故障测距算法及应用技术。通过分析小电流接地故障的故障特征,利用测量端的暂态电压、电流信号建立小电流接地故障的测距方程,求解测距方程,计算故障距离。根据上述思路,本文研究并得出了适用于小电流接地故障的故障测距算法,通过ATP数字仿真及静态模拟试验证明了该方法的正确性和实用性。具体研究内容包括:1、总结分析小电流接地故障暂稳态特征,重点分析故障暂态过程,研究接地电流信号中几个主要分量的暂态特征。分析可知,小电流接地故障的稳态故障信号不适用于故障计算,特别是经消弧线圈补偿后,基于稳态故障信号的检测技术完全失效。而故障暂态信号幅值较大,变化明显,且暂态分析时可以忽略消弧线圈影响,更适合用于小电流接地故障故障距离的计算。2、分析研究电力线路的传统等值电路,提出适用于小电流接地故障计算的Γ形等值电路模型,并通过分析二端口外特性及阻抗.频率特性验证Γ形等值电路的有效性。与Π形、T形等值电路相比,采用Γ形等值电路,可以减少网络节点,简化故障方程,便于故障距离计算。通过分析对比Π形、T形、Γ形等值电路的二端口外特性,得出Γ形等值电路等效不同长度线路时的适用频率;通过对采用分布参数模型和Γ形等值电路模型的稳态电路进行阻抗-频率特性分析,得出在适用频率范围内Γ形等值电路可以用于电力线路等值的结论。Γ形等值电路的提出为建立小电流接地故障数学模型奠定了基础。3、采用卡伦堡尔（Karrenbauer）变换对小电流接地故障进行三相解耦,利用单相接地故障边界条件建立基于Γ形等值电路的小电流接地故障复合模网,列写小电流接地故障测距数学方程。该数学模型即描述母线端电压、电流与故障线路、接地电阻之间关系的接地故障方程。4、利用双线性z变换实现小电流接地故障拉普拉斯方程的频域离散化,建立小电流接地故障的时域差分方程。分析小电流接地故障微分方程时发现,由于数值微分误差较大,导致离散化后的差分方程用于测距计算精度较差。为此本文首先将时域故障方程转化为s域的拉普拉斯方程,再通过双线形z变换将s域连续的拉普拉斯方程转换为z域离散的z方程,利用z变换定义最终得到时域的差分方程。由此得到了包含电压、电流变量及故障线路参数（非金属性故障时还包含过渡电阻）的可数值求解的时域小电流接地故障差分方程。转换过程中避免了多值映射、频谱混叠等问题,提高了故障差分方程模型的精度,为下一步故障距离求解奠定了基础。5、利用参数识别技术求解小电流接地故障测距超定方程。针对利用采样信号联立方程,直接求解小电流接地故障方程时测距误差较大、结果不稳定的问题,本文采用参数识别中的最小二乘估计法求解由多量采样信号构成的故障超定方程,不需要任何先验知识,适合用于小电流接地故障暂态计算。6、简化小电流接地故障辨识方程,将方程中对线路参数的辨识转化为对故障距离的辨识。为克服线路参数辨识方程求解复杂、测距精度差的缺点,利用已知线路分布参数,将故障线路模参数全部转化为故障距离与单位长度线路模参数的乘积,即将线路模参数辨识方程转化为故障距离辨识方程。这一简化减轻了最小二乘算法的拟合负担,提高了辨识精度。7、利用基于电磁暂态软件包ATP的数字仿真和基于配电网物理模型的静模试验对所提出的小电流接地故障测距算法进行验证。仿真和试验结果证明了本文提出的小电流接地故障测距算法的正确性、有效性和实用性。8、通过对各辨识项分量分析比较以及结果校验,选取精度最高的辨识结果作为最终的故障距离。小电流接地故障距离辨识方程中包含两个故障距离辨识项,对比分析各分量的能量大小及抗干扰度,确定其中精度较高的辨识项作为测距结果。本文提出的小电流接地故障测距算法测距精度高,灵敏、可靠且不受中性点运行方式影响,对暂态信号有非常好的适用性,能在半个周波甚至更短的时间窗内完成准确的故障测距,能够满足现场工程要求,且该技术不需要附加任何设备,成本低,工程实现方便。算法的不足之处是高阻接地故障的测距精度较低,需要进一步改进。本文提出的小电流接地故障暂态测距算法,可以解决小电流接地故障定位这一长期没有得到解决的难题。该技术的推广应用对于提高电力系统供电可靠性以及推进小电流接地故障测距技术的发展具有十分重要的意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 小电流接地系统故障定位技术综述
• 1.2.1 短路故障定位方法
• 1.2.2 接地故障定位方法
• 1.3 论文的主要工作及创新点
• 第二章 小电流接地故障分析
• 2.1 小电流接地故障稳态分析及特征
• 2.2 小电流接地故障暂态分析
• 2.2.1 三相系统的相模变换
• 2.2.2 小电流接地故障的卡伦堡尔变换及等值模网
• 2.2.3 小电流接地故障暂态电压电流计算
• 2.3 小电流接地故障暂态信号特征
• 第三章 小电流接地故障测距数学建模
• 3.1 电力线路的数学模型
• 3.1.1 分布参数线路模型
• 3.1.2 传统集中参数线路模型
• 3.1.3 Г形等值电路模型
• 3.2 基于Г模型的小电流接地故障方程
• 3.2.1 系统结构及模型
• 3.2.2 微分方程数学模型
• 3.3 基于Г模型的小电流接地故障差分方程
• 3.3.1 S域数学模型
• 3.3.2 z域数学模型
• 3.3.3 小电流接地故障差分方程
• 第四章 基于参数识别的小电流接地故障测距算法
• 4.1 故障信号的利用与测距方法的选择
• 4.1.1 故障测距信号的选取及分析技术
• 4.1.2 小电流接地故障测距的求解思路
• 4.2 故障超定方程组
• 4.3 小电流接地故障距离辨识
• 4.3.1 基于最小二乘的系统辨识技术
• 4.3.2 小电流接地故障的最小二乘建模
• 4.3.3 小电流接地故障的最小二乘估计
• 第五章 小电流接地故障测距仿真试验及结果分析
• 5.1 仿真技术简介
• 5.2 ATP数字仿真及结果
• 5.2.1 仿真模型及设置
• 5.2.2 仿真结果与分析
• 5.3 静模试验及结果
• 5.3.1 试验模型及设置
• 5.3.2 试验结果与分析
• 第六章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 攻读博士学位期间的科研情况
• 学位论文评阅及答辩情况表
• 附件