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 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 mathematical analysis algorithm and harmonic analysis mathematicalanalysis 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 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、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目(6320097220001102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.AbstractXYDataset; importorg.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(2πv 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(2πk v V ft θ=+1sin[2π( ]k v V f t T θ+=++2sin[2π(2 ]k v V f t T θ+=++3sin[2π(3 ]k v V f t T θ+=++由上式可以推导出:2312cos(3π 14sin (πcos(πk 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==>,则 a c e ab d fb++=++经过 n-3次计算的 214sin (π fT 按上式取绝对值和进行补偿得到3321312114sin (π n kk k n k k k vv fT vv +=++=+=+∑∑ (2令3313121nkk k n k k k vv x vv +=++=+=+∑∑ (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121πarcsin[(1 ]2f T x =(4注:f=50Hz, T 为采样周期, 1T f N =根据式(4求出的 x 为 x 0, 将 1 21arcsin[(1 ]2x 在 x 0处进行泰勒展开得222212000332 00022000523200011arcsin[(1 ]π(2223(23(11({[(23223(23](1 }( 2x fTx x x x x x x xx x x x x x xx =++++++(5可得 ce 5πf 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(2π/N n k k k a xx kn N N+==∑ 2009727研究与开发年第期1102(cos(2π/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 ωω=+πarctan((12 2n n 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 γγ=(6d(s ( (fF N F sNF c s s( ( s s j U U ch l x I Z sh l x d δγγ=+(7 (1 (1 (1NP MP 1MP cs 1U U ch l I Z sh lγγ=+(8 (1 (1(1 MP NP1MP 1csU Ish l I ch l Z γγ=+(9式中, dδ为两端数据的不同步相角差, s=0,1,2为序量标号,“ 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(1M P 1MP 1cs(1 NPargU ch lI Z sh lUU sh l I ch l Z I γγδγγ=+=(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 lδδγγγγγ+=+(11对非对称故障,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 δγγγγ=+(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 eδγγγγ=+(13将式(12和式(13相除,消去双端数据不同步相角差 dj e δ(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 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 γγγγγγγγ=++(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 δγγγγ=+(15将式(12和式(16相除,消去双端数据不同步相角差 dj e δ(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 ch l x I Z sh l x Uch l x I Z sh lx γγγγγγγγ=++(16 [3]其中,式(16适用于线路的全部短路类故障。