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基于EWT理论的超高压输电线路故障识别与定位探讨

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  • 用途: 硕士毕业论文 Master Thesis
  • 作者:上海论文网
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  • 日期:2023-01-18
  • 来源:上海论文网

电力论文哪里有?本文通过对比单端与双端行波测距的基本原理,选择更精准的双端行波测距方法进行定位,通过结合TK能量算子,提出故障定位方法,仿真结果表明,该方法能完全避免行波波速、线路悬垂的误差,同时不受噪声、故障位置和过渡电阻等因素的影响。同时相比其他算法,该方法具有更好的检测效果和更小的定位误差。

第1章绪论

1.2国内外研究现状

1.2.1自适应重合闸技术研究现状

由于超高压输电线路相距较远,导致其故障形式多为单相瞬时性故障,在不同的电压水平下发生单相瞬时性故障概率分布如下:

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当发生单相瞬时性故障时如能顺利跳闸,不仅能提高输电线路的稳定可靠性也能提高经济性,但为永久性故障时,则会导致线路造成二次损害。葛耀中教授针对传统定时限重合闸所面临的问题,提出了“自适应重合闸”的概念,其主要思想是:当线路出现故障时,能够迅速、精准地识别故障模式,能根据不同线路故障进行“自适应”操作,即瞬时性故障时重合,永久性故障时闭锁重合[9]。自适应合闸技术的普及,将极大地改善电力系统的传输可靠性和安全性,使其所属的继电保护技术在工程上的适用性得到了提高。

自适应重合闸的概念被提出后,引起了许多学者的广泛关注并对其进行了持续的研究。根据故障发生时特征量的差异,给出了相应的判据,并将其划分为:基于故障电弧特性、模型参数特性、人工智能、电压恢复电压以及拍频特性等识别方法。

(1)基于故障电弧特性的识别方法。故障电弧产生于电弧后至电弧完全熄灭之前,可分为一次电弧和二次电弧。其中一次电弧是在短路后至断路器跳闸期间出现的,此时电弧电流、电压中都会产生大量的高次谐波,其判据的核心思想是:在瞬时性故障时,其内部会出现方波等较大的电弧电压,导致其电弧电压远远大于永久性故障时的电弧电压。文献[10]首先利用通过傅里叶变换对一次电弧电压进行频谱分析,并通过最小二乘法求出了两种不同类型的电压方波大小,并据此判别故障的性质。文献[11]当发生线路故障时,母线的短路电流和高频电压之间有较小的差别,采用FFT方法来进行母线的电压分析,并依据有无谐波成分来判定其故障的本质。二次电弧出现在断路器跳闸到全熄弧期间,这期间会重复熄灭、重燃直至电弧熄灭。

第3章基于EWT与改进的Prony算法的故障识别

3.1经验小波变换基本原理

3.1.1经验模态分解

经验模态分解(EMD)是一种信号时域分解方法[56],基于传统时变信号分解方法无法描述真实的物理含义,利用其自身特性进行自适应分解,适合于多种信号的识别和分析。利用EMD可以将信号分解成几种不同的固有模态分量(IMF)和一种残留分量r[57]。

与傅里叶变换和小波变换等传统信号分析方法相比,EMD在处理非线性和非连续信号方面表现出较强的适应性,但近年来,随着对EMD的不断深入,人们逐渐认识到EMD的不足之处。首先,EMD方法中的包络拟合法的结束状态是由经验公式决定的,缺乏准确的理论支持,而且三次样条插补的方法有过冲倾向,降低了其拟合曲线准确性,从而降低了信号分解的精度。其次,当一个固有模态分量包含的特征时间较长时,会使相邻的IMF波形与其混叠,即模态混叠现象,从而失去其原本的物理意义。此外,EMD分解中需要进行大量的迭代运算,计算量较大。

第4章基于EWT-TK的超高压输电线路双端行波故障定位

4.1输电线路行波测距基本原理

上章节主要对输电线路中故障识别方法进行分析,当发生永久性故障时闭锁重合,此时则需要对故障位置进行定位,从而有利于减少检修时间,提高电力系统的稳定性。因此本章节对输电线路故障定位方法进行研究。二十世纪九十年代,我国也参与了行波测距的研究,但受当时条件限制,行波测量设备的可靠性和准确性不高,因此行波法测距装置并没有得到推广。随着我国计算机、数字信号处理及通讯技术等高科技装置飞速发展,行波法测距研究得到很多的学者关注。与其他测距法相比,行波法原理简单、精度高且不受故障类型和过渡电阻影响,因而具有广泛的应用前景。根据信息来源行波测距可以将其划分为:单端和双端行波测距。其中单端线行波测距法仅需要一端的电气量,方法易实现,但由于行波在阻抗变换处的情况较为复杂,导致该方法会存在原理性误差。相比单端行波测距法,双端行波测距法采用全球定位系统(GPS)与高速采集信号装置相配合的方式进行测距,具有测距精度高和可靠性高等优点。目前国内投入使用的行波测距装置大多为双端行波测距装置,因此本文通过双端行波测距法进行研究。

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4.2双端行波测距的主要影响因素

4.2.1行波检测与波头标定的影响

行波定位法的精确性取决于对行波波头的精确标定和对暂态行波信号的精确检测。暂态行波信号分为暂态电压行波信号与暂态电流行波信号,由于电压互感器截止频率较低无法有效检测高频信号,会导致电压行波信号的失真与衰减[65],因此本文通过电流互感器检测暂态行波电流信号进行故障定位,相比电压互感器,电压互感器能获取更高频率的信号,同时具有灵敏度高,易安装等优点。对于行波波头的标定,主要有以下方法:

(1)短时傅里叶变换

相比传统傅里叶变换不能特定提供某一时间段频率的问题,短时傅里叶(Short-timeFourier Transform,STFT)变换引入时间-频率窗函数的概念[66],根据窗固定时间的分析方法体现窗内频率信息。

(2)小波变换

与短时傅里叶变换相比,小波变换能够处理多个尺度的非线性小波,而小波变换在局域上表现出良好的特征,可以把信号分成不同规模、不同位置的小波之和[67]。对于较小的局部特征,通过对不同频率下时频窗进行小波变换获得对应的信号。利用小波变换对行波电流进行检测,可以对出行波波头的奇异性进行有效的分析,并从奇点处得到初始行波的波头到达时间和极性。小波变换也存在着自适应性较差的缺陷,不同的小波基函数与分解尺度下的小波变换对同一波形检测效果也不同,对行波波头的确定存在一定影响。基于本文电流行波波形,选用结果较好的db小波变换作为对比算法。

结论

越来越多的超高压输电线路已在电网中投入使用,精准故障识别与定位已经成为众学者关注的问题之一,超高压输电线路的识别与定位不仅能及时排查故障保证电力系统的稳定性,还能减轻巡线人员负担,减小检修时间和经济损失,本文通过MATLAB/Simulink仿真平台,深入研究超高压输电线路故障识别与定位方法,对本课题的研究内容和总结如下:

(1)本文首先介绍了故障识别与故障定位的研究现状,通过阐述断开相端电压原理与行波特性分析,奠定了恢复电压特性与行波定位法的理论基础。

(2)介绍了EMD与EWT算法基本原理与分解过程,针对EMD算法本身模态混叠等缺陷,本文通过EWT与改进的Prony算法相结合,提出故障识别判据。仿真结果表明,该判据具有强噪声免疫力,同时不受故障位置和过渡电阻等因素的影响。

(3)通过对比单端与双端行波测距的基本原理,选择更精准的双端行波测距方法进行定位,通过结合TK能量算子,提出故障定位方法,仿真结果表明,该方法能完全避免行波波速、线路悬垂的误差,同时不受噪声、故障位置和过渡电阻等因素的影响。同时相比其他算法,该方法具有更好的检测效果和更小的定位误差。

参考文献(略)

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