暂态信号小波分析系统开发及皆振波系统故障选线研究

摘要

电力暂态信号反映了系统深层次的故障信息。基于暂态信号的配网故障选线方法利用故障暂态分量幅值远远大于稳态分量的特点,具有更高的可靠性；基于暂态信号的选相元件动作速度更快、保护裕度更大；基于暂态信号的测距原理受线路参数、故障工况的影响更小且测距精度更高。现有基于小波变换与暂态信号的各种保护、故障定位原理已得到充分论证,相关研究正逐步走向应用装置开发的阶段。
　　 在此大背景下,本文第一部分依据本研究室的理论特色与设备基础,基于LabWindows／CVI虚拟仪器开发软件、NIPCI-6133高速同步数据采集卡、Appollo150工控机开发了电力暂态信号小波分析系统。系统可实现暂态信号的高速采集、故障选线、故障选相及故障测距功能,划分为相应的4大模块:数据采集模块借助NIDAQmx工具,采用多线程技术实现；故障选线模块利用小波变换提取各线路零序电流行波信号的幅值与极性特征实现；故障选相模块实现了基于故障暂态量与基于行波的选相方法,两种方法可实现互补；故障测距模块通过小波变化模极大值精确确定行波信号的到达时刻,实现了A型单端与D型双端故障测距算法。利用三相标准源及35kV配电网、500kV输电网仿真模型仿真的故障样本对系统各模块的性能进行了测试分析。所有测试结果表明各模块的功能是完备的,达到了预期效果。该系统可作为教学、科研实验平台,并有望应用于现场,实现小波分析工具实用化。
　　 由于暂态信号受故障时刻、过渡电阻等诸多因素的影响,呈现出局部性、随机性和非平稳性等特点。依据暂态信号实现的保护原理不具备普适性,尤其是在配电网中,由于接地电阻等因素的影响,系统的暂态过程可能很不明显,基于暂态信号实现的选线方法可能失效。实际中配网选线困难特别是谐振接地(NES)系统选线困难的问题一如既往地存在,选线装置退出率高。鉴于此,本文第二部分研究了NES系统在不同故障工况下的暂态电流及其频谱特征,用以评估暂态法的适用性。依据NES系统单相接地故障暂态等值电路,从理论上详细分析了故障电阻变化时,系统暂态特性的变化情况:在故障电阻较小时系统处于欠阻尼状态,随着故障电阻的增大,系统进入过阻尼状态,故障电阻进一步增加,系统又将过渡到欠阻尼状态。建立了NES系统仿真模型,仿真分析了电缆的引入、故障角、故障电阻、故障距离变化时,系统暂态零序电流及其频谱特征的变化规律。仿真结果表明:电缆线路的引入将使暂态电流频谱主成分向低频段移动；各线路暂态电流频谱主成分所在频带在故障点距离线路首端时将可能不一致；暂态电流的频谱对各种故障工况反应敏感,暂态选线方法在故障电阻较大时将可能失效。
　　 既然基于故障稳态量与故障暂态量的选线方法各有优缺点,如若融合稳态法与暂态法,实现二者优势互补,有望最终解决NES系统选线难题。从此点出发,论文第三部分研究了基于DS证据理论的融合故障选线方法。构造了基于稳态量的5次谐波故障测度(FHD),基于暂态量的暂态能量故障测度(TED)以及基于特征频带内小波包分解系数相关性的故障测度(CFCD)。依据所建立的谐振接地系统模型对各个故障测度的适应性进行了仿真分析,仿真表明:高阻故障情况下,FHD与CFCD表现效果很差,而TED仍具备很高的选线正确率。随后,依据各故障测度分配了各对应证据的基本可信度,提出了一种基于动态绝对可信度(DAC)的证据融合方法。该方法以基于母线零序电流定义的暂态因子来表征系统接地电阻的大小,进而动态分配各证据的绝对可信度,达到了合理分配证据冲突的目的。利用故障样本与建立的电弧模型对所提证据融合方法与传统证据融合方法的效果进行了对比分析,结果表明基于DAC的融合方法较传统证据组合规则在各种工况下均具备更高的选线正确率。