電網故障監(jiān)測與定位

1、電網故障監(jiān)測與定位,主要內容,緒論 電力系統(tǒng)故障分量基本理論 電網故障監(jiān)測 輸電網故障定位 配電網故障定位,參考書,葛耀中新型繼電保護和故障測距的原理與技術（第2版）西安：西安交通大學出版社，2007,緒 論,電力系統(tǒng)構成,電力系統(tǒng)構成,電網：通常把由輸電、變電、配電設備及相 應的輔助系統(tǒng)組成的聯系發(fā)電與用電的統(tǒng) 一整體稱為電力網，簡稱電網,什么是電網,電力網,按規(guī)模劃分 遠距離輸電網 區(qū)域電力網 地方電力網,電力網,按作用劃分 輸電網 配電網,電力網,特高壓(UHV)：1000kV及以上,超高壓(EHV)：330kV，500kV，750kV,輸電網,配電網,高 壓：220kV,高壓：35kV

2、，66kV,110kV,中壓：6kV，10kV，20kV,低壓：380V/220V,交流,直流,特高壓(UHVDC)：800kV,高 壓(HVDC)：100kV，500kV,輸電網接線方式,交流輸電網：一般采用多電源環(huán)網結構 雙端線路 T型線路（220kV） 帶串聯補償線路（500kV） 雙回線路 輸電電纜（500kV海底電纜） 架空線電纜混合輸電線路（220kV，500kV） 直流輸電系統(tǒng)：采用點對點接線（帶接地極線路,變電站小電流接地系統(tǒng)接線方式,配電網接線方式,手拉手”環(huán)網接線,單電源輻射網接線,架空配電網接線方式,手拉手”環(huán)網接線,電纜配電網接線方式,單環(huán)網,配電網接線方式,雙環(huán)網,雙

3、射網,雙射網,雙射網+雙射網,電纜配電網接線方式,配電網接線方式,電網故障,故障原因 根本原因是絕緣損壞。 1）架空線與電纜故障原因不同 2）輸電網與配電網故障原因不同 故障類型 架空線：單相接地、相間短路（接地）、斷線 電纜：短路、開路 故障性質 架空線：高阻/低阻，永久/瞬時 電纜：低阻/高阻（泄漏、閃絡性），一般為永久性故障,電網故障監(jiān)測,基本概念 采用特定的技術手段對電網運行狀態(tài)量進行實時監(jiān)視，旨在判斷電網是否發(fā)生故障，并定性或定量給出故障信息。 定性故障信息：故障類型、故障性質、故障點所處范圍等。 定量故障信息：故障及其持續(xù)時間、故障點準確位置等,電網故障監(jiān)測,故障監(jiān)測內容 故障發(fā)生

4、時間 故障線路（選線，定位到故障線路） 故障類型（選相） 故障性質（高阻/低阻，永久/瞬時） 故障持續(xù)時間 故障位置（定位到故障區(qū)段或故障點） 故障錄波,電網故障監(jiān)測,故障監(jiān)測基本算法 穩(wěn)態(tài)相量算法 故障分量算法 對稱分量算法 功率算法 暫態(tài)能量算法,電網故障監(jiān)測與繼電保護,電網,故障監(jiān)測,開關驅動控制,信號采集,開關操作控制,故障監(jiān)測是繼電保護的核心,繼電保護,電網保護與故障信息管理系統(tǒng),故障錄波器及其聯網系統(tǒng) 系統(tǒng)結構、功能、特點、存在問題 繼電保護與故障信息管理系統(tǒng) 系統(tǒng)結構、功能、特點、存在問題,電網故障定位,基本概念 當電網發(fā)生故障后，采用特定的技術手段（在線或離線），定性或定量給出

5、故障點位置信息。 定性的故障點位置信息：故障線路、故障區(qū)段等。 定量的故障點位置信息：故障點坐標、故障距離等,故障監(jiān)測,故障定位,電網故障定位,輸電網故障定位 通過專門的在線故障定位（測距）原理計算出故障點到線路末端的距離。 （1）交流輸電線路 雙端線路 T型線路 帶串聯補償線路 雙回線路 輸電電纜 架空線電纜混合輸電線路 （2）直流輸電線路（含接地極線路,電網故障定位,配電網故障定位（架空線、電纜、混合線路） 故障選線（定位到故障線路，在線） 故障區(qū)段定位（定位到故障區(qū)段，在線） 故障測距（定位到故障點，在線或離線,電網故障監(jiān)測與定位系統(tǒng),監(jiān)測終端 通信網絡 主站系統(tǒng),電網故障監(jiān)測與定位發(fā)展

6、概況,繼電保護（線路、變壓器） 故障錄波器及故障信息管理系統(tǒng) 輸電線路故障定位（測距） 配電線路故障定位（饋線自動化） 配電線路故障選線 配電線路故障指示器及定位系統(tǒng) 配電線路故障測距,山東理工大學智能電網研究中心成果,在利用暫態(tài)（行波）信號的電力線路故障監(jiān)測與定位研究方面走在世界前列。 研究成果獲2007年度國家技術發(fā)明二等獎,電力線路行波 故障測距系統(tǒng),山東理工大學智能電網研究中心成果,小電流接地故障監(jiān)測（選線）系統(tǒng),山東理工大學智能電網研究中心成果,架空配電網自動化系統(tǒng)（具有故障區(qū)段定位功能,山東理工大學智能電網研究中心成果,電纜配電網自動化系統(tǒng)（具有故障區(qū)段定位功能,電力系統(tǒng)故障分量基

7、本理論,電力系統(tǒng)故障信息,電力系統(tǒng)的故障是通過故障信息來表征的。故障信息分為內部故障信息和外部故障信息，其中蘊涵故障發(fā)生時間、故障方向、故障類型、故障距離及故障持續(xù)時間等信息，因而是區(qū)別正常運行狀態(tài)與故障狀態(tài)最本質的特征。 故障信息的識別、處理和利用一直是繼電保護及故障測距發(fā)展的基礎,故障分量的基本概念,電力系統(tǒng)的故障狀態(tài)可視為故障前狀態(tài)與故障附加狀態(tài)的疊加，其中故障前狀態(tài)可以是各種非故障狀態(tài)，也可以是前一次故障狀態(tài)的繼續(xù)，而故障附加狀態(tài)則是由當前故障所激發(fā)的。 故障附加狀態(tài)中的電氣量（電壓、電流）稱為故障分量,故障分量的基本概念,故障分量是僅在系統(tǒng)發(fā)生故障時出現，而在系統(tǒng)正常運行及不正常運行

8、時不存在的電氣分量，即它隨著故障的出現而出現，隨著故障的消失而消失。所以，故障分量的存在，是電力系統(tǒng)處于故障狀態(tài)的表征。 故障信息實際上蘊涵于故障分量之中，因而對故障信息的提取和處理可以轉化為對故障分量的提取和處理，即通過故障分量來判別故障方向、故障類型及故障距離等,故障分量的基本概念,應用故障分量構成繼電保護動作判據時，只需要尋找區(qū)內故障與區(qū)外故障的“差異”，而不必考慮正常及不正常情況，因而，保護具有較高的靈敏度，一般也具有較快的動作時間和較好的選擇性，不必采用振蕩閉鎖等防止振蕩時保護誤動的措施,故障分量的分析方法疊加原理,故障狀態(tài),故障前狀態(tài),故障附加狀態(tài),故障分量的特點,非故障狀態(tài)下不存

9、在故障分量，故障分量僅在故障狀態(tài)下出現； 故障分量獨立于非故障狀態(tài)，受電網運行方式的影響不大（有一定的影響，但比傳統(tǒng)保護?。?； 故障點的電壓故障分量最大，系統(tǒng)中性點處故障分量電壓為零； 保護安裝處故障分量電壓電流之間的關系，取決于背后系統(tǒng)的阻抗，與故障點的遠近及過渡電阻的大小沒有關系（但故障分量值的大小受過渡電阻及故障點遠近的影響）,故障分量的分類,故障分量分為穩(wěn)態(tài)故障分量和暫態(tài)故障分量，二者都是可以利用的。 為了研究穩(wěn)態(tài)故障分量，輸電線路模型取為集中參數模型就可以了，如果還要進一步消除暫態(tài)故障分量的影響，除了采取濾波措施以外，輸電線路模型也要加以修正。 為了研究暫態(tài)故障分量，輸電線路模型必須

10、取為分布參數模型，如果還要進一步考慮線路損耗及參數的依頻特性，同樣要對線路模型予以修正,故障分量的組成,故障分量的利用,上述這些分量都可以用來構成繼電保護： ：即故障分量中的工頻分量，可以用來構成工頻變化量方向保護、工頻變化量距離保護、工頻變化量差動保護、零序保護、負序保護等； ：即全部的故障分量，可以用來構成電流突變量起動元件、電流突變量選相元件、方向行波元件、行波距離（測距）保護等； ：暫態(tài)分量中的高頻部分，用來構成反映單端電氣量的暫態(tài)保護,故障分量的提取與識別方法,來自電壓互感器TV和電流互感器TA的電壓電流都是故障后的全電壓和全電流，構成反映故障分量的繼電保護時，應設法將故障分量 從全

11、電壓和全電流中提取出來。在微機保護中，故障分量的提取方法為（電流,故障分量的提取與識別方法,通常情況下，取n1、2或4： n1： n2： n4： 這樣可以計算出故障分量的采樣序列，利用微機保護中的各種算法可以求出其幅值、相位等特征量,故障分量的提取與識別方法,以n2為例，波形如下,故障分量的應用,目前在電力系統(tǒng)中廣泛采用反應工頻電氣量的微機保護裝置，這類裝置利用了由穩(wěn)態(tài)故障分量構成的電流元件、方向元件、選相元件和距離元件等分別構成不同原理的保護，包括電流保護、方向性保護、差動保護、距離保護、縱聯保護及自適應保護等。 在這些保護裝置中，暫態(tài)故障分量被視作干擾和噪聲而被濾除，因而所有的研究重點在于

12、如何設計性能較好的工頻濾波器,故障分量的應用,隨著電力系統(tǒng)輸送功率的不斷增加，電壓等級也在不斷提高，系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性問題也日趨嚴重，而提高系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性最直接而又簡單有效的方法是超高速切除系統(tǒng)中發(fā)生的各種故障。 為了適應現代電力系統(tǒng)發(fā)展的需要，研究超高速線路保護具有十分重要的現實意義,故障分量的應用,由于電壓等級的提高，系統(tǒng)暫態(tài)的持續(xù)時間加長，故障后的一次波形嚴重畸變，再加上傳感器暫態(tài)過程的影響，使得基于工頻電氣量的繼電保護需要采用大量的濾波措施才能保證測量精度。 嚴格來說，故障信號為一非平穩(wěn)信號即時變信號，傳統(tǒng)的Fourier分析方法存在先天不足，因而常規(guī)保護不能較好地解決可靠性與速動性之間

13、的矛盾，從而很難滿足超高速動作的要求,故障分量的應用,20世紀70年代以來，國內外許多繼電保護工作者一直在致力于超高速線路保護的理論研究，并取得豐碩成果。 這些研究工作完全擯棄傳統(tǒng)的繼電保護思想，而直接分析故障產生暫態(tài)分量的特征以期從中提取出有用的故障暫態(tài)信息。 研究表明，暫態(tài)故障分量中含有比穩(wěn)態(tài)故障分量中更多的故障信息，且這些信息不受系統(tǒng)振蕩、負荷變化及CT飽和等因素的影響，從而為繼電保護理論的發(fā)展開辟了一條新的途徑，這就是反應故障暫態(tài)信息的超高速繼電保護,故障分量的應用,故障測距問題一直困繞著廣大的繼電保護工作者。傳統(tǒng)的阻抗測距法以及基于單端信息的故障分析法只能通過計算測量回路的阻抗實現故

14、障測距，這不可避免地受過渡電阻的影響。 為了徹底消除過渡電阻的影響，必須能夠準確獲得線路兩端的系統(tǒng)參數，而這在實際系統(tǒng)中是很難的?；陔p端信息的故障分析法不受過渡電阻的影響，但需要交換兩端的信息，而且兩端的數據采集一般還要求能夠同步。 此外，上述測距方法均受傳感器誤差的影響，因而測距精度得不到保證,故障分量的應用,理論研究和現場運行經驗表明，從暫態(tài)故障分量中提取出來的故障行波信息可以用于故障測距，而且基本不存在上述缺陷，完全可以將故障距離定位到一個桿塔之內（誤差小于1km）。因而可以預見，反應故障行波信息的故障測距技術必將成為快速、準確查找輸電線路故障點的有力武器,故障分量的應用,在暫態(tài)故障分

15、量中，最引人注目的莫過于行波分量，迄今為止的絕大多數超高速保護及高精度故障測距原理都是基于行波理論提出的,故障分量的應用,利用暫態(tài)故障分量的小電流接地故障定位（選線）技術可望徹底解決長期困擾電力部門的小電流接地故障定位問題,電網故障監(jiān)測,電網故障監(jiān)測,基本概念 采用特定的技術手段對電網運行狀態(tài)量進行實時監(jiān)視，旨在判斷電網是否發(fā)生故障，并定性或定量給出故障信息。 定性故障信息：故障類型、故障性質、故障點所處范圍等。 定量故障信息：故障及其持續(xù)時間、故障點準確位置等,電網故障監(jiān)測,故障檢測啟動元件 故障方向檢測元件 故障選相元件 距離元件 輸電網故障定位 配電網故障定位 電網故障監(jiān)測基本算法,故障

16、啟動元件,故障啟動元件,故障啟動元件,故障方向檢測元件,正方向故障,反方向故障,故障選相元件,1）意義 有助于投入故障特征最明顯的阻抗測量元件； 可用于選相跳閘,故障選相元件,2）選相算法的基本原理 突變量電流選相 單相接地故障：兩個非故障相電流之差為零,故障選相元件,2）選相算法的基本原理 突變量電流選相 兩相不接地短路：非故障相電流為零，兩個故障相電流之差最大,故障選相元件,2）選相算法的基本原理 突變量電流選相 兩相接地短路：兩個故障相電流之差最大,故障選相元件,2）選相算法的基本原理 突變量電流選相 三相短路：三個相電流差的有效值均相等,故障選相元件,2）選相算法的基本原理 突變量電流

17、選相,故障選相元件,2）選相算法的基本原理 對稱分量選相 基本思路：首先通過檢測是否同時存在零序電流和負序電流分量來區(qū)分相間短路和接地故障。對于接地故障，可通過比較零序電流和負序電流之間的相位差進一步區(qū)分單相接地短路和兩相接地短路,故障選相元件,2）選相算法的基本原理 對稱分量選相,距離元件阻抗判據,距離元件動作條件,距離元件阻抗判據,距離元件動作條件,距離元件電壓判據,Z set,定義,k1,z,Z set,k2,k3,a,b,c,d,距離元件電壓判據,保護區(qū)內k1點故障,保護區(qū)外k2點故障,保護區(qū)反向k3點故障,距離元件電壓判據,保護動作判據,滿足該條件，說明為區(qū)內故障，否則為區(qū)外故障,距

18、離元件電壓判據,輸電網故障定位,配電網故障定位,配電網故障定位,故障選線,大電流接地系統(tǒng) 線路保護裝置能夠可靠檢測被保護線路發(fā)生的各種類型故障，故無需配備單獨的選線設備。 小電流接地系統(tǒng) 線路保護裝置只能可靠檢測被保護線路發(fā)生的相間故障，而不能檢測單相接地故障，故需要配備單獨的選線設備,小電流接地系統(tǒng),中性點不接地（絕緣）系統(tǒng),諧振（消弧線圈）接地系統(tǒng),小電流接地系統(tǒng)的優(yōu)點,避免接地故障跳閘，提高供電可靠性。 大部分情況下，接地電弧能夠熄滅，電網自動恢復正常運行。 接地電流小，可防止事故進一步擴大,小電流接地系統(tǒng)存在的問題,單相接地故障會導致非故障相電壓升高，危害電網絕緣。 一般情況下，單相接

19、地引起非故障相電壓升高1.732倍。 接地點間歇拉電弧，線路電容反復充放電，電壓升高可達3.5倍。 接地電弧長期存在，可能燒壞接地點絕緣，造成相間短路故障，導致保護跳閘,小電流接地系統(tǒng)存在的問題,繼電保護配置困難 單相接地故障電流微弱，接地電弧不穩(wěn)定，接地故障選線的問題一直沒有得到很好地解決； 小電流接地故障選線難，主要難在諧振接地系統(tǒng)； 許多供電部門仍然采用拉路法選擇接地線路。供電瞬時中斷，影響用戶用電設備正常工作，甚至可能造成停電事故,小電流接地系統(tǒng)新技術,消弧線圈自動調諧技術 可以精確地補償電容電流，使接地點電流盡可能的小，提高了電弧自動熄滅的幾率。 利用暫態(tài)行波的小電流接地故障選線保護技術 利用暫態(tài)行波的小電流接地系統(tǒng)故障定位技術 利用暫態(tài)行波的小電流接地系統(tǒng)瞬時性故障監(jiān)測技術,小電流接地故障仿真,中性點不接地和經消弧線圈接地系統(tǒng)仿真模型,中性點不接地系統(tǒng)仿真結果（1,不接地系統(tǒng)故障時零