高次谐波接地选线保护软件研究及仿真设计.docx

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高次谐波接地选线保护软件研究及仿真设计

高次谐波接地选线保护软件研究及仿真设计

摘要

我国配网普遍采用小电流接地方式，配网单相接地故障占配网故障的80%左右。

要想快速准确地检测出故障线路一直是电力系统继电保护的重要研究课题。

本次设计在对小电流不接地系统中单相接地故障的特点进行详细分析的基础上,运用高次谐波法，通过比较各个线路的零序电流及零序电压，选出故障线路;比较故障线路的各相电流、电压选出故障相。

从而达到正确选线的目的。

本次设计通过MATLAB建立仿真模型，VB虚拟仿真平台的应用,对不同情况进行模拟仿真，采用高次谐波接地选线方法，进行正确选线。

关键词：

小电流接地系统；单相接地故障；高次谐波；MATLAB仿真软件；VB虚拟仿真平台

FaultLineSelectionforSmallCurrentNeutralGroundingSystembasedonthehighHarmonicCurrentMutationinDistributionSystem

Abstract

InChina，theindirectlyearthedpowersystemarecommonlyusedindistributionnetwork.Andsingle-phaseearthfaultaccountedforabout80%ofallthefailuresindistributionnetwork.Towanttoquicklydetectaccuratelythefaultlinepowersystemprotectionisalwaystheimportantresearchsubject.

Inthedesigninthesmallcurrentgroundingsystemarenotone-phasegroundfaultcharacteristicsofdetailonthebasisofanalysis,applyhightimeharmonicmethod,throughthecomparisonofeachlinezerosequencecurrentandzerosequencevoltage,andselectafaultline;Comparisonofthefaultlinethree-phase,voltageelectedfaultphases.Soastoachievethepurposeofthecorrectroute.

ThisdesignbyMATLABsimulationmodelisestablished,andtheapplicationofthevirtualsimulationplatformVisualBasic，differentconditionsforsimulation,usinghighharmonicearthingselection,properroute.

Keyword：

smallcurrentneutralgroundingsystem;single-line-to-ground;thehighharmoniccurrent;MATLABsimulation;VisualBasicprogram

1绪论

1.1课题内容及意义

我国电力系统中性点接地方式有两种，分别是中性点直接接地方式和中性点非直接接地方式。

110kV及以上电网采用中性点直接接地方式，在这种系统中，发生单相接地时，短路电流很大，故称大电流接地系统。

电压等级在110kV以下、6kV以上的中低压配电网络中，其中性点接地方式主要为非直接接地方式，即不接地或者经过消弧线圈接地，这样的系统一般称为小电流接地系统。

小电流接地系统直接面向用户。

根据电力运行部门统计，其发生单相接地故障的几率最高，可占总故障的80%左右，这时供电仍能保证线电压的对称性，且故障电流较小，不影响对负荷连续供电，故不必立即跳闸，规程规定可以连续运行1至2小时。

尤其在瞬时故障下，短路点可以自行灭弧，恢复绝缘，不需要运行人员采取什么措施，这对于减少用户短时停电次数具有积极意义。

但是，随着配电网的迅速发展，电网中电缆线路的比例上升，缆线混合线路越来越多，系统线路也增多，系统单相接地故障电流增大，长时间运行就容易使故障扩大成两点或者多点接地短路，弧光接地还会引起全系统过电压，进而损坏设备，破坏系统安全运行，所以运行人员必须及时查明故障线路，以便采取相应对策解除故障，恢复系统正常运行。

由于该种故障造成的故障电流很小，不易检测，尤其是对于中性点经消弧线圈接地的系统难以准确选出故障设备，因此，小电流接地系统中发生单相接地故障时如何正确选择故障线路，一直是继电保护领域里的一个研究方向。

目前系统中采用的小电流接地选线方法主要有：

高次谐波法、暂态分量法、能量法、有功分量法等。

通过本课题的研究，在了解小电流接地系统中单相接地故障的特点基础上，以高次谐波接地选线作为研究对象，研究这种保护的原理、特点及相应微机保护的算法，利用虚拟现实技术设计开发出高次谐波接地选线保护装置虚拟仿真平台并进行运行仿真调试。

通过本课题的毕业设计使我们对所学专业知识进行综合应用，以提高分析问题和解决问题的能力

1.2小电流接地系统接地选线保护现状及发展趋势

在前苏联，小接地电流系统得到了广泛应用，并对其保护原理和装置给予了很大重视，研制了几代装置，在供电和煤炭行业得到了应用，保护原理从零序过电流、无功方向发展到了群体比幅。

日本在供电、钢铁、化工用电中普遍采用中性点不接地或经电阻接地系统，选线原理简单，采用基波无功方向法。

近年来，在如何获取零序电流信号以及接地点分区段方面投入不少力量，采用光纤研制的架空线和电缆零序互感器试验成功。

德国多使用中性点经消弧线圈接地系统，并于20世纪30年代就提出了反映故障开始暂态过程的单相接地保护原理，研制了便携式接地报警装置。

法国使用中性点经电阻接地系统几十年后，现在正以中性点经消弧线圈接地系统取代中性点经电阻接地系统，同时开发了高新技术产品：

零序导纳接地保护。

20世纪九十年代初，国外已将人工神经网络原理应用于单相接地保护，并有文献提到应用专家系统方法，随着小波分析的出现和发展，国内外均有文献提及，利用小波分析良好的时频局部性，分析故障暂态电流的高频分量的方法。

我国从1958年起，就一直对小电流接地系统单相接地故障的选线问题进行研究，提出了多种选线方法，并开发了相应的装置。

20世纪50年代我国有根据首半波极性研制成功的接地保护装置和利用零序电流五次谐波研制成功的接地选线定位装置。

70年代后期，上海继电器厂和许昌继电器厂等单位研制生产了一批有选择性的接地信号装置，如反映中性点不接地系统零序功率方向保护ZD-4型保护，反映经消弧线圈接地系统5次谐波零序功率方向的ZD-5、ZD-6型保护。

有些运行部门还采用反映零序电流增大的零序电流保护来选线。

近几年来，随着微机在电力系统中的推广，相继又出现了一些微机型接地选线装置和适合微机实现的选线理论。

其中有南自研究院研制的微机小电流接地系统单相接地选线装置，其主要原理是比较线路零序电流5次谐波的大小和方向；华北电力大学利用零序电流的5次谐波比相原理研制的ML98型小电流接地系统单相接地微机选线装置。

到目前为止，基于不同选线理论已经先后推出了几代产品。

在实际应用中，对于中性点不接地系统采用比幅、比相原理选线可以达到很高的准确率。

但对于中性点经消弧线圈接地系统，基于稳态特征分量的选线效果就不很理想，所以此问题有必要进一步研究。

2几种常用接地选线保护基本原理及应用特点

2.1电力系统中性点接地方式及发生单相接地故障的特点

分析小电流系统单相接地时故障的运行状态，其非正常运行状态的信息主要有2点：

故障线路流过的零序电流等于全系统的电容电流减去自身的电容电流，而非故障线路流过的零序电流仅仅是该线路的电容电流。

故障线路的零序电流是由线路流向母线，而非故障线路的零序电流是由母线流向线路，两者方向恰恰相反，或者说两者反相。

从小电流系统单相接地时与正常运行时，状态信息的不同看，故障线路的判定似乎非常容易，然而事实并非如此，其原因主要有以下四点：

（1）电容电流波形的不稳定

小电流系统的单相接地故障，常常是间歇性的弧光接地，因而电容电流波形不稳定，所以对应的谐波电流大小时刻在改变。

（2）信噪比小、干扰大

小电流系统中的干扰主要包括2方面：

一是在发电厂和变电站的小电流系统单相接地保护装置的装设地点，电磁干扰较大；二是由于负荷电流不平衡造成的零序电流和谐波电流较大，特别是当系统较小，对地电容电流较小时，接地回路的零序电流和谐波电流甚至小于非接地回路的对应电流。

（3）电流信号太小

小电流系统单相接地时产生的零序电流是系统电容电流，其大小与系统规模大小和线路类型（架空线或电缆）有关，数值甚小，经中性点消弧线圈补偿后，其数值更小，且消弧线圈的三种补偿状态（过补偿、欠补偿、完全补偿）不同，接地

小电流接地选线新原理的研究及仿真软件设计基波电容电流的特点与无消弧线圈补偿时相反或相同，对于有消弧线圈的小电流系统采用5次谐波电流或零序电流有功功率方向检测，而5次谐波电流比零序电流又要小20～50倍。

（4）随机因素影响的不确定，我国配电网一般都是小电流系统，其运行方式改变非常频繁，造成变电站出线的长度和数量频繁改变，其电容电流和谐波电流也频繁改变；此外，母线电压水平的高低，负荷电流的大小总在不断地变化；故障点的接地电阻不确定等等。

这些都造成了故障电容电流和5次谐波电流的不稳定。

2.2小电流接地系统的零序电流及零序功率方向接地选线保护原理及特点

（1）零序电流原理：

假设图2-1中线路1的A相发生接地短路故障：

图2-1线路1的A相发生接地短路故障

线路Ⅰ的零序电流：

（2-1）

（2-2）

线路Ⅱ的零序电流：

（2-3）

（2-4）

由此可见，由故障线路流向母线的零序电流，其数值等于全系统非故障原件对地电容电流的总和（不包括故障线路）其容性无功功率的方向是由线路流向母线，与非故障线路上相反。

因此我们可以得出该原理是基于故障支路零序电流大于非故障支路零序电流的特点，区分出故障和非故障线路，从而构成有选择性的保护。

（2）零序功率方向原理：

零序功率方向保护原理是利用故障线路零序电流滞后零序电压

，非故障线路零序电流超前零序电压

的特点来实现的。

2.3小电流接地系统高次谐波接地选线保护原理及特点

高次谐波选线方法的基本原理是,如果线路零序电流中含有丰富的谐波成分,则比较所有线路零序电流谐波分量的相位。

故障线路零序电流相位应与正常线路零序电流反相,若所有线路零序电流同相,则为母线故障。

谐波选线方法采用有效的数字滤波手段,提取出能量最高的谐波频带范围,避免了提取单一谐波频率而导致的误差。

对于中性点不接地的系统中,由于消弧线圈的补偿作用,故障线路的零序电流不再有幅值最大、方向与其他线路相反的特点,所以基波流方向法不再有效，但是对于零序电流中的高次谐波,消弧线圈的补偿效果可以忽略,具有和中性点接不地中零序电流基波相同的特点,可以用来正确选线。

2.4小电流接地系统其它接地选线保护原理简介

（1）零序能量选线方法

小电流接地系统发生单相接地后,故障线路的零序电流的有功分量与正常线路极性相反,可以用这个特点进行选线。

由于有功分量的含量较小,所以装置采用零序电流与零序电压的乘积,即零序能量来度量零序电流的有功分量,零序能量最大的线路就是故障线路。

（2）有效域技术

对于不同的故障信号特征,各种选线方法都有一定的适用条件。

当适用条件满足时,该选线方法选线结果就正确,否则,选线结果可能出现错误。

一般称小电流接地选线新原理的研究及仿真软件设计方法能够可靠选线的适用条件为该方法的充分条件,满足充分条件的故障区域,称为该选线方法的有效域。

装置对每一种选线方法都界定了有效域。

当一个故障落在某方法的有效域内时,该方法对该故障的选线结果一定是正确的,否则给这种方法的选线结果乘以一个系数w（0

综合所有选线方法得到一个综合选线结果,这个结果具有最高的准确率。

（3）小波选线方法

小波分析是现代信号处理的理论与方法。

它能有效地分析变化规律不确定和不稳定的随机信号,能够从信号中提取到局部化的有用成分。

小波选线方法利用单相接地故障产生的暂态电流和谐波电流作为选线判断的依据。

由于小电流接地电网单相接地故障等值电路是一个容性通路,故障的突然作用,在电路中产生的暂态电流通常很大。

特别是发生弧光接地故障或间歇性接地故障情况下,暂态电流含量更丰富,持续时间更长。

暂态电流满足在故障线路上的数值等于在非故障线路上数值之和且方向相反的关系,可以用来选线。

小波选线方法的优点是,该方法对中性点不接地和中性点经消弧线圈接地的电网都适用,该方法特别适应于故障状况复杂、故障波形杂乱的情况,与稳态量选线方法形成优势互补。

（4）智能型比幅比相方法

智能型比幅比相方法的基本原理是,比较母线的零序电压和所有线路零序电流的幅值和相位,故障线路零序电流相位应滞后零序电压90°,并与正常线路零序电流反相,若所有线路零序电流同相,则为母线故障。

传统比幅比相方法在信号处理、抗干扰和有效域方面存在一定的缺陷。

智能型的比幅比相方法采用Butte-rworth数字滤波器,对信号进行有效的数字滤波处理,提取出更可靠的信号成分,提高选线正确性。

（5）首半波选线方法

小电流接地系统单相接地故障产生的暂态电流虽然很复杂,但是发生故障的最初半个周波内,一定满足故障线路零序电流与正常线路零序电流极性相反的特点,因此可以通过比较首半波的零序电流极性进行故障选线。

（6）突变量的选线方法

对于中性点经消弧线圈接地电网单相接地故障的选线情况,过去一直采用5次谐波比幅比相方法。

实践证明对于非金属性接地故障,该方法的选线准确率极低。

电流突变量方法是解决这一问题的有效途径,该方法在电网发生单相接地故障后,通过自动装置自动改变消弧线圈参数,使各线路故障电流产生一个突变,利用故障线路和非故障线路电流突变特征的差异选出故障线路。

该方法同小波选线方法和其他智能技术相结合,可更好地解决消弧线圈接地电网的故障选线问题。

（7）连续判断技术

连续判断技术是针对小电流接地系统单相接地故障中故障信号微弱,容易受干扰情况下而采取的技术措施。

该技术不完全依赖于一次判断的结果,而是综合考虑全过程的情况。

装置在故障没有完全消失的情况下,每隔1s重复进行选线计算,直至故障消失,这样可以有效地排除随机大干扰（主要指开关操作）的影响,提高了选线的准确率。

（8）样本建模选线方法

样本建模选线方法又称特征指纹选线方法。

在选线装置运行过程中,当发现某些极其特殊类型的故障样本,用正规的选线方法很难做出可靠的选线判断时,则提取这类故障样本的个性特征（即指纹特征）,并将该次故障的指纹特征及故障信息保存下来,作为一个参考样本。

当再一次出现类似的故障时,通过与保存过的样本指纹特征进行匹配,就可以推断出新故障样本的故障线路。

不断地收集和充实样本库,就可以处理各类特殊样本的选线问题。

（10）网络化选线方法

网络化选线方法是针对目前在电力系统信息网络日益发展和完善的条件下所提出的选线新思路,可以应用于中性点不接地系统和中性点经消弧线圈接地系统,并可进行连续判断。

网络化选线方法需要输入与选线相关的电网运行状态遥信量,如一条线路的投入与退出、线路上各分段开关的开合状态等信息,来掌握电网的拓扑结构和各线路的参数。

当电网发生单相接地故障时,根据获得的网络状态参数与故障电压参数来估算各线路对地充电电流,将各线路实测电流值与期望值（估算值）进行对比,非故障线路上实测电流值与期望值相差比较小,而故障线路上实测电流值与期望值相差很大。

在选线时,将这些信息考虑进去可以极大提高选线成功率。

在今天,电网运行状态数据很容易通过网络得到。

网络化选线方法可以广泛应用于发电厂、综合自动化变电站、配电网自动化以及35KV及以下电压等级的小电流接地故障选线。

网络化技术还可以用于自动调节消弧线圈的补偿度。

3微机保护算法

3.1采样数据的更新与排队

存放采样数据的更新与排队，是为了解决速度与空间的矛盾。

数据采样系统包括：

模入变化、前置模拟低通滤波、采样、模\数转换。

模入变化包括：

隔离变压器和隔离变流器。

模入变化回路的主要作用是：

将大电量转化成小电量，电流量变为电压量，以及抗干扰的隔离与屏蔽。

为了使信号采样后能够唯一地、不失真地反映原信号，采样频率必须大于原信号最高频率的两倍以上。

即：

（或：

）。

这就是采样定理。

由于采样频率有限，（若取得过高使计算机负荷加重，使其对故障处理的速度减慢），为了满足采样定理，防止采样失真（出现频率混叠现象），要求限制输入信号的最高频率分量，故在采样前必须加前置模拟低通滤波回路。

模拟信号f（t）通过采样保持器S/H，每隔采样周期Ts秒采样一次输入信号的即时幅度，并把它暂存在保持电路中供A/D（模\数）转换使用，经采样得到的信号为离散时间信号。

采样方式包括：

单一通道采样方式和多通道间的采样方式。

其中单一通道采样方式还包括：

异步采样和同步采样。

异步采样也叫定时采样，即每工频周期N点采样。

同步采样也叫跟踪采样，即每基频周期N点采样。

模\数转换包括：

比较式（直接式）和计数式（间接式）。

其主要的技术指标有分辨率（分辨率=满刻度/2^n，n：

模\数转换器的位数）、转换时间、精度。

将采样的数据存放到随机存储器RAM中的数据缓冲区内，用最新的采样数据代替最早采样数据。

由于存放数据只有一次，但是取数据有多次，为加快保护处理速度，使取数方便，宁可在存放数据时麻烦一点，即缓冲区内存放数据按采样时间顺序排列，这样的数据排队，就会使取数更加方便快捷。

数据排队分以下几种方式：

（1）简单的数据排队

其示意图如下图3-1所示：

图3-1简单的数据排队示意图

这种方式有个缺点，当有新数据存放进来时，需对n-1个数据进行搬移，所需时间长。

（2）暂存区扩展法

这种方式将排队缓冲区的空间扩大为所需保存数据空间的2倍，其示意图如下图3-2所示：

图3-2暂存区扩展法示意图

（3）字节地址偏移循环存取法

该方式的示意图如下图3-3所示：

图3-3字节地址偏移循环存取法的示意图

一般每采样点的数据不止一个，设每采样点有k个数据，每个数据占2个字节，则存放地址为：

若要取前i点数据，则取数地址为：

，若

则取补码。

3.2数字滤波

滤波器就广义来说是一个装置或系统，用于对输入信号进行某种加工处理，以达到取得信号中的有用信息而去掉无用成分的目的。

滤波器有模拟滤波器和数字滤波器两种，模拟滤波器为了实现某一用数学式描述的特性，需要设计一个物理电路，而数字滤波器则只需按数字式设计和编制程序，不受物理条件的限制，实现起来比前者要灵活，数字滤波器与模拟滤波器相比有如下优点：

（1）滤波精度高

（2）稳定性好

（3）可靠性高

（4）灵活性好

（5）经济性好

3.2.1数字滤波器中影响算法速度的性能指标：

（1）时间窗：

数字滤波器算法运算时所用到的最早的一个采样点到最晚的一个采

样点之间的时间跨度，记作

（2）数据窗：

时间窗中采样点的个数，

运算量：

用乘除法次数表示

3.2.2简单的滤波单元及特性：

（1）相减滤波单元

差分方程：

（3-1）

对上式Z变换得：

（3-2）

转移函数：

H（z）=Y（z）/X（z）=1-z–k

幅频特性：

|H（ω）|=|2Sin（kωTs/2）|

相频特性：

Φ（ω）=（π/2）-（kωTs/2）

设：

每基频周期N点采样：

fs=1/Ts=N·f1（f1为基频）

则幅频特性：

|H（ω）|=|2Sin[k2πω/（2N·ω1）]|=|2Sin（

）|（3-3）

当

=I（I=0,1,2,…）时，|H（ω）|为0

故可滤除的谐次数为：

=

·I（其中I=0,1,2,…,但

）

为保证采样定理，经前置滤波后信号中的最高频率ωh<

）

适当选择N与k的值，即可滤除相应的谐波。

该滤波器频谱示意图如下图3-4所示：

图3-4相减滤波单元滤波频谱示意图

（2）相加滤波单元

差分方程：

（3-4）

对上式Z变换得：

（3-5）

转移函数：

H（z）=Y（z）/X（z）=1+z-k

幅频特性：

|H（ω）|=|2Cos（

）|

可滤除的谐波次数为：

=

·（I+1/2）（其中I=0,1,2,…,但

）

该滤波器频谱示意图如下图3-5所示：

图3-5相加滤波单元滤波频谱示意图

（3）积分滤波单元

差分方程：

（3-6）

转移函数：

H（z）=Y（z）/X（z）=1+z-1+z-2+…+z-k=（1-z-（k+1））/（1-z-1）

幅频特性：

|H（ω）|=|H（f）|=|Sin[（k+1）ωTs/2]/Sin（ωTs/2）|

=|Sin[

]/Sin（

）|（设：

ωs=N·ω1）

可滤除的谐波次数为：

=

·I（其中I=1,2,…,但

）

该滤波器频谱示意图如下图3-6所示：

图3-6积分滤波单元滤波频谱示意图

（4）加减滤波单元

差分方程：

（3-7）

转移函数：

H（z）=Y（z）/X（z）=1-z-1+z-2-…+（-1）kz-k=[1+（-1）kz-（k+1）]/（1+z-1）

设：

ωs=N·ω1

1）k为奇数时的幅频特性：

|H（ω）|=|H（f）|=|Sin[（k+1）ωTs/2]/Cos（ωTs/2）|=|Sin[

]/Cos（

）|

可滤除的谐波次数为：

=

·I（其中I=0,1,2,…,但

）

其频谱示意图如下图3-7所示：

图3-7k为奇数时加减滤波器滤波频谱示意图

2）k为偶数时幅频特性：

|H（ω）|=|H（f）|=|Cos[（k+1）ωTs/2]/Cos（ωTs/2）|=|Cos[

]/Cos（

）|

可滤除的谐波次数为：

=

·（I+1/2）（其中I=0,1,2,…,但

）

其频谱示意图如下图3-8所示：

图3-8k为偶数时加减滤波器滤波频谱示意图

3.2.3简单滤波单元的特点：

（1）运算简单

相加、相减滤波只需1次加、减法

积分、加减滤波利用递推公式后只需2次加减法

（2）梳状频谱（出现较大的旁瓣，存在频率泄漏）

（3）希望滤除的谐波次数越低→k越大→时间窗Tw越大→时延τc越长

（4）为有限长冲击响应（只有零点没有极点，无稳定性问题）

3.3导数算法及采样值积算法

3.3.1导数算法（只需2个或3个采样点）：

（1）一阶导数算法（Mann-Morrison算法）

设u=UmSin（ωt+φu）则：

u'=ωUmCos（ωt+φu）故：

Um2=u2+（u'/ω）2（3-8）

用采样值