基于罗氏线圈的行波传变特性与应用技术研究

摘要

电子式互感器具有响应频带宽、测量动态范围大、信号传变准确、无铁芯饱和、绝缘特性好等优点，已在智能（数字化）变电站中得到大量应用。这种非常规互感器对测量信号进行就地采样并实现数字化输出，为电压电流信息的数据共享提供了条件，被认为是符合智能电网发展要求的下一代互感器。目前由于对电子式互感器的行波传变特性把握不准，缺乏对后续电路和数据采样传输技术的系统研究，使得电子式互感器只被用于传变工频和一定次谐波量，没有被应用到频率更高的行波信号领域，致使已经实用化的行波故障测距技术和未来可能得以应用的行波保护技术无法应用到智能变电站中。为解决这一问题，本文以罗氏线圈电子式电流互感器为突破口进行分析和研究，完成了以下工作:
　　 (1)建立了罗氏线圈高频暂态电路模型和后续宽频积分电路模型，深入分析了其对行波信号的传变特性并进行了仿真验证。从罗氏线圈的结构特点和传变原理出发，对影响其传变准确性的干扰因素及电磁屏蔽技术进行了研究，表明其具备准确传变行波信号的能力;建立了罗氏线圈集中参数和分布参数两种高频暂态电路模型，对它们的传递函数和依频特性进行了对比分析，并利用分布参数模型研究了行波到达初始时刻的电压分布特点;对两种模型输入行波信号时的响应特性进行了仿真，分析了它们各自的传变特点，验证了罗氏线圈具有很好的行波传变能力;对罗氏线圈后续放大、积分和滤波电路等进行了建模，其中积分电路采用了无源和有源积分电路相互配合的复合积分方案，以保证后续电路的宽频响应特性;通过对包括罗氏线圈和后续模拟电路的整体模型进行仿真，验证了所建模型满足行波传变的要求。
　　 (2)在理论分析的基础上，对适合行波信号传变的罗氏线圈进行了参数设计和传感器试制，完成了行波传变特性等方面的试验测试。依据罗氏线圈自积分和微分两种工作模式的不同，对微分型罗氏线圈参数设计方法进行了研究，设计出满足行波传变要求的罗氏线圈物理参数和电气参数并进行了线圈试制;通过搭建不同的测试系统，对试制的罗氏线圈分别进行了稳态响应特性、雷击浪涌响应特性和故障行波响应特性的测试;试验结果表明，罗氏线圈对行波浪涌信号具有优良的传变能力。
　　 (3)提出了基于罗氏线圈微分输出的行波波头识别新方法。实现行波测距的关键在于准确提取行波浪涌（特别是初始行波）的突变点，而罗氏线圈恰能给出一次信号的微分;因此直接利用其输出的微分行波信号进行判断，即可省去积分环节，又能提高行波信号的识别能力。研究了微分行波的信号特点，设计了利用微分行波实现行波故障测距的判据，对基于微分行波的双端法和单端法测距方案进行了仿真，仿真结果验证了方案的可行性。
　　 (4)根据智能变电站应用行波信号实现故障测距或继电保护功能的技术要求，研究提出行波数据采集和数据传输方案。在分析智能变电站分层结构特点和数据传输模式的基础上，提出了智能变电站行波应用的总体方案构架;针对行波信号采样率要求高、实现难度大的问题，提出了满足行波保护算法要求的最低采样率计算方法;设计了A/D+FPGA+DSP的高速采样电路，并对高速A/D的接线形式进行了分析;研究了IEEE1588在行波应用体系中的数据同步方案，针对同步信号丢失时现有插值同步算法误差较大的问题，提出一种基于调整基准采样时刻的改进插值算法，使同步效果显著提高。
　　 (5)实现了基于IEC61850标准的行波应用系统的通信建模。智能变电站中的IED之间其通信必须符合IEC61850标准;针对智能变电站行波应用的需要，建立了行波故障测距和行波保护逻辑节点并完善了它们的数据对象;建立了符合IEC61850标准的行波应用体系通信模型;对基于9-2标准的行波采样数据帧格式进行了研究和设计。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题的研究背景

1．1．1 故障行波及传感需求

1．1．2 罗氏线圈电子式互感器概述

1．1．3 变电站自动化技术的发展

1．2 国内外研究现状

1．2．1 行波信号提取方法

1．2．2 罗氏线圈传交理论

1．2．3 罗氏线圈应用技术

1．3 工程应用情况

1．4 本文的主要工作和章节安排

第2章 罗氏线圈建模与行波传变特性分析

2．1 引言

2．2 罗氏线圈的传变机理

2．2．1 结构特点

2．2．2 传变关系

2．3 影响罗氏线圈准确传变的因素

2．3．1 干扰因素的影响

2．3．2 电磁屏蔽的影响

2．4 罗氏线圈高频暂态模型

2．4．1 集中参数建模

2．4．2 分布参数建模

2．4．3 两类建模方法的对比分析

2．4．4 高频暂态模型的初始电压分布

2．5 罗氏线圈行波传变特性的仿真

2．6 后续模拟电路的建模和仿真

2．6．1 放大电路

2．6．2 积分电路

2．6．3 高通滤波电路

2．6．4 RECT全电路仿真

2．7 小结

第3章 罗氏线圈设计和行波传变特性测试

3．1 引言

3．2 行波用罗氏线圈参数设计

3．2．1 电气参数计算公式

3．2．2 罗氏线圈工作状态的选择

3．2．3 设计流程

3．2．4 设计结果

3．2．5 线圈试制

3．3 试验测试

3．3．1 参数测试

3．3．2 稳态信号的传变测试

3．3．3 突变信号的传变测试

3．3．4 故障暂态行波的传变测试

3．4 小结

第4章 基于罗氏线圈微分输出的行波故障测距

4．1 引言

4．2 微分行波测距原理

4．2．1 微分行波的特点

4．2．2 基于微分行波的故障测距判据设计

4．3 微分行波测距仿真与分析

4．3．1 仿真电路

4．3．2 仿真与分析

4．4 小结

第5章 智能变电站行波信号采集及数据传输方案

5．1 引言

5．2 总体结构方案设计

5．3 采样率需求分析

5．3．1 行波故障测距的采样率要求

5．3．2 行波保护的采样率要求

5．4 高速采样电路设计方案

5．5 行波采样数据传输通道

5．5．1 可靠性评估

5．5．2 经济性分析

5．6 行波用合并单元同步方案

5．6．1 IEEE 1588同步方案

5．6．2 改进插值算法

5．7 小结

第6章 基于IEC 61850标准的行波应用通信建模

6．1 引言

6．2 IEC 61850建模概述

6．2．1 IEC 61850建模的意义

6．2．2 IEC 61850建模的技术特征

6．2．3 IEC 61850建模步骤

6．3 行波应用系统的IEC 61850建模

6．3．1 新建行波用逻辑节点和数据对象

6．3．2 信息模型建模

6．3．3 信息服务建模

6．4 行波采样数据通信的实现

6．4．1 ASN．1编码

6．4．2 多播采样控制块

6．4．3 行波采样数据帧格式的设计

6．5 小结

第7章 结论和展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的学术论文和申请的专利

攻读博士学位期间参加的科研工作