張大倫

（國(guó)網(wǎng)四川寶興縣供電有限責(zé)任公司，四川 寶興 625700）

電力系統(tǒng)故障錄波數(shù)據(jù)分析

張大倫

（國(guó)網(wǎng)四川寶興縣供電有限責(zé)任公司，四川 寶興 625700）

本文提出了電力系統(tǒng)故障錄波數(shù)據(jù)分析的數(shù)學(xué)分析方法，并針對(duì)雙端測(cè)距中出現(xiàn)的偽根問題,提出了新的求解過程。關(guān)鍵詞：電力故系統(tǒng)故障分析；故障錄波數(shù)據(jù)；雙端測(cè)距

針對(duì)電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)產(chǎn)生的振蕩原理，相關(guān)研究人員研發(fā)出了一種自動(dòng)記錄電力系統(tǒng)故障波動(dòng)的系統(tǒng)——電力系統(tǒng)故障錄波系統(tǒng)，并開發(fā)出了不同類型的故障錄波器。隨著電網(wǎng)調(diào)度的需要，目前通過專用網(wǎng)和電話網(wǎng)已實(shí)現(xiàn)了集中處理電網(wǎng)故障錄波數(shù)據(jù)的要求，但針對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)的故障分析以及保護(hù)動(dòng)作行為評(píng)價(jià)等還需要進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

1 電力故障錄波器

目前，在各個(gè)電壓等級(jí)的變電站中，故障錄波器的應(yīng)用非常普遍。

故障錄波器的系統(tǒng)運(yùn)行原理是基于三相制（三相電壓和三相電流）的電力系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)作的。以單相為例，電力系統(tǒng)的電壓經(jīng)由濾波器將低頻漂移信號(hào)和高頻干擾信號(hào)過濾，再由霍爾電壓傳感器變?yōu)殡娏餍盘?hào)，調(diào)理電路則將電流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榈缺壤妷盒盘?hào)，并將該信號(hào)傳遞給模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，通過相關(guān)的計(jì)算方法對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以得到關(guān)于電壓的各項(xiàng)參數(shù)，包括電壓峰值、有效值、最大值、THD等，監(jiān)控中心獲得這些參數(shù)后，則可根據(jù)分析結(jié)果向電力系統(tǒng)故障錄波器發(fā)送如檢測(cè)電壓、電流以及調(diào)整故障記錄限值的相關(guān)控制指令，并以此促使電力系統(tǒng)始終處于正常的工作狀態(tài)中。由此可見，故障錄波器是對(duì)電力系統(tǒng)故障進(jìn)行動(dòng)態(tài)記錄的主要設(shè)備，其負(fù)責(zé)對(duì)電力系統(tǒng)中高速故障及其動(dòng)態(tài)過程的全程記錄工作。

（1）對(duì)高速故障的記錄是針對(duì)新型高速斷電保護(hù)以及安全自動(dòng)裝置進(jìn)行檢測(cè)的主要手段，包括對(duì)電力系統(tǒng)的短路及通過線路分布參數(shù)與電流和電壓的系統(tǒng)操作錯(cuò)誤的暫態(tài)過程進(jìn)行記錄。

（2）對(duì)故障動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行記錄是針對(duì)繼電保護(hù)與安全自動(dòng)裝置的動(dòng)作行為進(jìn)行檢測(cè)的主要手段，由于大擾動(dòng)的原因使得電流、電壓及其導(dǎo)出量發(fā)生有功、無(wú)功、頻率的變化的全過程都是故障錄波器對(duì)故障動(dòng)態(tài)過程記錄的相關(guān)內(nèi)容。

（3）長(zhǎng)過程動(dòng)態(tài)記錄是對(duì)發(fā)電機(jī)組和電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)的記錄，其內(nèi)容包括對(duì)母線電壓及頻率、線路有功潮流、變壓器電壓分接頭位置以及自動(dòng)裝置的動(dòng)作行為等。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

電力系統(tǒng)故障錄波系統(tǒng)是電力故障錄波器的軟件部分，也是電力故障錄波器的核心技術(shù)。本文提出的電力系統(tǒng)故障錄波數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)是在適用于各種操作系統(tǒng)的java平臺(tái)開發(fā)的基于IEEE標(biāo)準(zhǔn)的可視化程序，該系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思路如下。

（1）數(shù)據(jù)格式。數(shù)據(jù)格式為COMTRADE格式，每個(gè)COMTRADE記錄都包含了4個(gè)相關(guān)文件——CFG、DAT、HDR、COMTRADE文件。CFG和DAT文件負(fù)責(zé)存儲(chǔ)通道數(shù)據(jù)和與之相關(guān)的解釋信息，因此是有嚴(yán)格的文件格式的。而HDR對(duì)于格式的要求沒有固定模式。相關(guān)程序采取固定的記錄格式進(jìn)行程序的編寫，目的是保證COMTRADE文件有效讀取相關(guān)數(shù)據(jù)，在文件中一個(gè)單位錄波信息即為一行，不同信息和數(shù)據(jù)以逗號(hào)分隔開來(lái)。

（2）界面顯示。系統(tǒng)中采用了GUI（Graphical User Interface）程序的編寫設(shè)計(jì)，目的是加快機(jī)器獲取的有效信息向技術(shù)人員進(jìn)行傳遞的速度，使得系統(tǒng)不管是采取哪種數(shù)據(jù)分析計(jì)算方法，其數(shù)據(jù)分析結(jié)果都會(huì)通過屏幕直觀的顯示出其相關(guān)的分析結(jié)果視圖，體現(xiàn)了該系統(tǒng)的可視化性能。

3 電力系統(tǒng)故障錄波數(shù)據(jù)分析的相關(guān)算法及程序介紹

3.1 波形分析

故障錄波器所采集的數(shù)據(jù)通常都是一系列離散的點(diǎn)，而COMTRADE文件通過對(duì)這些離散的點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算得到實(shí)時(shí)的電壓、電流瞬時(shí)值，再利用圖表繪制類庫(kù)jfreechart得到對(duì)應(yīng)的電壓、電流波形圖。系統(tǒng)生成單通道波形的程序?yàn)椋?/p>

3.2 頻率計(jì)算

假設(shè)采樣時(shí)電壓幅值和系統(tǒng)頻率保持不變，那么以一正弦電壓為采樣電壓信號(hào)的相關(guān)計(jì)算則可通過以下公式表示系統(tǒng)電壓信號(hào)采樣：v(t)=Vsin(2πft)

以N代表每周波的采樣點(diǎn)數(shù)，n表示每0．1s采樣獲得的點(diǎn)數(shù)，當(dāng)電壓信號(hào)采樣的時(shí)間間隔為T時(shí)：

根據(jù)上式經(jīng)過n-3次計(jì)算，1?4sin2(πfT)取絕對(duì)值并對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償?shù)玫揭韵鹿剑?/p>

利用采樣值計(jì)算出每0．1s的x值。

由以上兩式得出公式：

3.3 全周傅式變換算法

電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，常會(huì)出現(xiàn)較大的衰減現(xiàn)象，而全周傅式變換算法可以將由此產(chǎn)生的誤差進(jìn)行消除。利用采樣值之差x(n+1)?x(n)取代x(n)的差分變換,以此降低直流分量對(duì)計(jì)算造成的影響。在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時(shí)，假設(shè)采樣信號(hào)為包含了基波、不衰減直流分量和各次諧波的周期性時(shí)間函數(shù)，并以自然數(shù)n來(lái)表示諧波次數(shù)，那么各次諧波的余弦項(xiàng)振幅則以an表示，各次諧波的正弦項(xiàng)振幅以bn表示。a1和b1則分別表示基波分量的余弦項(xiàng)和正弦項(xiàng)振幅。由此得出公式：

3.4 雙端測(cè)距

就計(jì)算原理分析，雙端測(cè)距算法可以不受故障過渡電阻和雙端系統(tǒng)的阻抗因素的影響，而保持相關(guān)數(shù)據(jù)分析的精度，但建立專門傳遞對(duì)端信息的通道才能進(jìn)行該方法的計(jì)算。為保證測(cè)距精度，雙端數(shù)據(jù)同步、消除測(cè)距方程偽根等手段也是不可缺少的。一般情況下，雙端電壓和電流量是進(jìn)行雙端測(cè)距的重要數(shù)據(jù)，并依據(jù)這些數(shù)據(jù)列出兩端到故障點(diǎn)的輸電廠線路分布參數(shù)電壓方程。根據(jù)本電力系統(tǒng)故障錄波數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思路，得出電路方程：

根據(jù)以上4個(gè)公式，可得出公式：

針對(duì)電力系統(tǒng)中出現(xiàn)的非對(duì)稱故障，取s=1，2，代入公式計(jì)算：

針對(duì)電力系統(tǒng)中出現(xiàn)的對(duì)稱故障，則取故障前的雙端電壓、電流代入公式計(jì)算：

上式對(duì)于系統(tǒng)中所有短路類的故障分析都具有較強(qiáng)的適用性。由于上式的求解過程較為繁瑣，而且常常得到的結(jié)果為復(fù)數(shù)，因此本文提出了將非線性方法f(x)=0帶入線性方程進(jìn)行求解，從而達(dá)到收斂快的目的的計(jì)算方法。將D1(x)和D2(x)設(shè)為0，并將上面的公式變?yōu)閒(x)函數(shù)，在xk點(diǎn)展開，再通過下山法防止迭代發(fā)散，保證函數(shù)值的穩(wěn)定下降，將兩者的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行結(jié)合后適當(dāng)加權(quán)平均，與前一步的近似值xk得出新的改進(jìn)值：

公式中，下山因子λ的范圍為0＜λ≤1。同時(shí)加入附加判據(jù)，而附加判據(jù)的加入則是根據(jù)模值平方相等建立的相關(guān)公式：

并在最終選擇能使f(x)最小的解。

4 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)本文所述的電力系統(tǒng)故障錄波數(shù)據(jù)分析方法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)采樣分析，獲得如下結(jié)果。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電力系統(tǒng)的自動(dòng)化程度越來(lái)越高，本文設(shè)計(jì)的電力系統(tǒng)故障錄波數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)是基于COMTRADE的進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化有效性的相關(guān)軟件，該軟件可針對(duì)實(shí)際情況，完善相關(guān)系統(tǒng)中關(guān)于頻率分析、諧波分析、故障定位的數(shù)學(xué)分析方法，具有一定的實(shí)用性和參考性。

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