电力系统故障录波数据分析

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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 Haixiang Ding Zhouf

2、ang(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 mathematical analysis algorith

3、m 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 aiming at false roots

4、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 如何有效管理和利用这些信息进行必要的故障分析、

5、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

6、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

7、目(6320097220001102电号技术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, /include legend true, /tooltips false /urls ;importorg.jfree.data.general.DatasetChangeEvent;import org.jfree.data.xy.Abstrac

8、tXYDataset; 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(2nv 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，第，1, 2, 3k k k k +的采样值可以 表示为sin(2nk v V ft 0=+1sin2n( k v V f t T 0+=+2sin2n(2 k v V f t T 0+=+3sin2n(3 k v V f t T 0+=+ 由上式可以推导出：23

9、12cos(3n 14sin (ncos(nk 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= 厕 a c e ab d fb+=+经过n-3次计算的214sin (n fT按上式取绝对值和进行补偿得到321312114sin (n n k k k n k k k v v fT vv +=+=+=+Z Z (2今33131kk k n k k k vv x vv +=+=+=+ z (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121narcsin(1 2f T x =(4注:f=50

10、Hz, 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21200033200022000523200011arcsin(1n(2223(23(1(23223(23(1 ( 2x fTx x x x x x x xx x x x x x xx =+(5可得ce 5nf 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

11、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。结合全周傅式算法和差分采用矩形法可求得:112( sin(2n/N n k k k a xx kn N NE 2009727研究与开发年第期10N n k k k b x x kn N N +=Z 222/2/2/2sin /2cos n s n s X a n T b n T roro=+narctan(12 2n n

12、 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 yy=(6d(s ( (fF N F sNF c s s(s s j U U ch l x I Z sh l x d 8YY=+(7 (1

13、 (1 (1NP MP IMP cs 1U U ch l I Z sh lYY=+(8 (1 (1(1 MP NP1MP 1csU Ish l I ch l Z 丫丫=+(9式中,d8为两端数据的不同步相角差,s=0,1,2为序量标号广F ”代表故障后,“ 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(1argU ch lI Z sh lUU sh l I ch l Z I 丫丫8丫丫=+=(10由式(6和式(7得d d( ( (MF N

14、F 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 l88yyyyy+=+(11对非对称故障，在式(1和(2中取s=1, 2得d(1 (1(1 N F 1NF cl1( ( j U c h x I Z sh x U c h l x I Z sh l x e8YYYY=+(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 e8YYYY=+(13将式(12和式(13相

15、除，消去双端数据不同步相角差dje8(1(1M F 1MF c11M F IMF c11(1(1NF 1NF c11(2 (2 NF 1NF c11( ( ( ( ( U ch x I Z sh x D x U ch x I Z sh x U ch l x I Z sh l x U chl x IZ sh l x 丫丫丫丫丫丫丫丫=+(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 8YYYY=+(15将式(12和式(16相除，消去双端数据不同

16、步相角差dj e 8(1 (1MF 1MF c112(1(1 MP 1MP c11(1(1 N F 1(1 (1NP1NPc11(U ch x I Z sh x D x U ch xI Z sh x U ch l x I Z sh l x Uch l x I Z sh lx yyyyyyyy=+(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(Of 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

17、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(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 久久+=+(202009728研究与开发电区技7ft文件 囹形分析 羞口曲 TMCDL_.止拯彼形图文件 囹形 M（y）分析 羞口曲 TMCD m（

18、aL_.止拯彼形图年第期其中,01X , X称为下山因子。贝谥1(kk kk f x x x f x X+=4(0,1, 2k =(21(f x从X=1开始,逐次将X减半进行试算，直到能使下降条件(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 丫丫丫丫=+(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

19、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,-152,3,5,-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

20、 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，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电，技术PE电力电子电号技术年第期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

21、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.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 sc

22、heme for induction motor speed sensorless field-oriented controlJ.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

23、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。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PMSM位置检测方法 J.哈 尔滨 工 业大 学学报,2008,40(11:1766-1768.8 周卫平,吴正国，唐劲松,刘大明.SVPWM的等效算法及SVPWM与 SPWM的本质联系J.中国电机工程学

24、报，2006, 26(2:133-137.9 陈伯时.交流电机变频调速讲座.第四讲，电压空间矢量脉宽调制(SVPWM 控制J.电力电子,2007(3.10 姜淑忠.空间矢量PWM算法的理解J.伺服控制，2006(1:38-41.11 祝琴，钟祥微，章鸿.SVPWM原理及其Simulink仿真J.电机电器技术,2005(4:49-51.12 王兴,杨振强.电压空间矢量的原理及其在DSP上的实现J.机电工程技术，2005(3:16-18.作者简介许碧华(1973-,女,本科,工程师，从事纺织机器的电气设计工作。(上接第29页许庆强,索南加乐等.一种减小测量误差影响的电力系统快速测频算 法.J西安交通大学学报.2001, 35(6:560-585.3全玉生，杨敏中，王晓蓉等.双端测距中的自适应线路参数在线估计J.电 力系统自动化,2000,24（9:26-30. 4李庆扬,王能超,易大义.数值分析第4版.北京:清华大学出版社,2001.作者简介许三宜（1981-,女，山西运城人，硕士主要从事电力系统继电保护与稳定控制。邵玉槐（1949-,女,山西太原人,教授,主要从事电力系统继电保护与稳定控制。何海祥（1973-,男，山西偏关人，硕士，主要从事电力系统继电保护。丁周方 （1981-,男,湖南人，硕士，主要从事软件编程。20097电技术