王乾永故障录波数据的再现与分析.docx
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王乾永故障录波数据的再现与分析
编号:
审定成绩:
重庆邮电大学
毕业设计(论文)
设计(论文)题目:
故障录波数据的再现与分析
学院名称:
自动化学院
学生姓名:
王乾永
专业:
电气工程与自动化
班级:
0831203
学号:
2012212955
指导教师:
黄淼
答辩组负责人:
陈勇
填表时间:
二O一六年六月
重庆邮电大学教务处制
诚信承诺书
本人慎重承诺和声明:
本人在毕业设计(论文)过程中遵守学校有关规定,恪守学术规范,在指导教师的指导下独立完成,没有剽窃和抄袭他人的学术观点、思想和成果,未篡改研究数据,若有违规行为的发生,我愿接受学校处理,并承担一切法律责任。
论文作者签名:
年月日
摘 要
随着现代工业地蓬勃发展,对于作为工业基础支持的电力系统的性能也提出了更高的要求。
当故障发生时,快速地判断出故障原因并针对性地进行处理对于电网的稳定性非常重要。
故障录波器是一种当电力系统发生短路或者震荡的情况时开始启动并记录数据的一种重要辅助装置。
其记录下的数据为判别故障类型以及分析故障时电力系统的状态提供了准确的科学依据。
其记录数据规范格式为COMTRADE格式。
当故障或振荡发生时,因为当代电网的相关性和复杂性,某些没有发生故障处的故障录波器也会启动,从而记录下大量的无关数据。
如果通过传统方式人为地去分析数据就会显得非常的繁琐和缓慢。
由于电力系统结构复杂,随着生产发展,技术进步系统日趋扩大和复杂化,故障分析计算工作量也随之增大,为了保证实时性和准确性,采用功能强大的计算机进行辅助计算势在必行。
针对这种状况,本系统编写了一套针对COMTRADE数据的故障分析程序。
以MATLAB为开发软件,能重现故障波形,采用序分量分析或者结合故障录波图的方法判断出系统故障类型,采用谐波分析的方法来检测系统的谐波和是否发生谐振。
经试验证明,该程序能够高效,迅速,准确地分析出故障原因并重现故障波形,具有一定的实用价值。
【关键词】COMTRADE故障分析故障再现MATLAB
ABSTRACT
Withmodernpowersystemtoflourish,tothestabilityofpowersystemarealsoputforwardhigherrequest.Whenfaultsoccur,toquicklydeterminethecauseoftheproblemanddealwithtargetedforthestabilityofpowergridisveryimportant.Faultwaverecorddeviceisakindofwhenpowersystemoscillationorfailureoccurswhenabnormalsituation,tostartandlogdataisanimportantdevice,therecordeddatatodeterminethefaulttypeandrecreatefailurestateprovidesaccuratescientificbasis,forthemainformatCOMTRADEformat.Whenfaultoccurs,becauseoftherelevanceandcomplexityofmodernpowergrid,somenofailureoffaultwaverecordwillstart,whichrecordedalargeamountofirrelevantdata.Iftheartificiallythroughatraditionalwaytoanalyzedataisverycumbersomeandslow.Becausethecomputercanquicklycompletethecomplexcomputation,sopeoplewanttobeabletousecomputertoreplacemanualcalculation.Duetothecomplexityofpowersystemstructure,withthedevelopmentofproduction,technologysystemandwideningcomplications,failureanalysisandcalculationworkloadalsoincrease,usingcomputeraidedcalculationisimperative.Aimedatthissituation,thissystemdesignasetoffaultforCOMTRADEdataanalysissoftware.SoftwarebasedonMatlab,themethodsofharmonicanalysis,sequencecomponentanalysis,throughtheanalysisofharmonicandsequencecomponenttoachievefastdeterminethefaulttypeandthefunctionoffaultwaveform.Experimentsprovethatthesystemcanefficiently,quicklyandaccuratelyanalyzethecauseoftheproblemandreconstructthefaultwaveform,hastheveryhighusevalue.
【Keywords】COMTRADEFaultanalysisFailurereappearancematlab
目 录
前 言
1980年以后,我国经济得到了飞速发展,作为工业基础的电力行业也得到了大力发展。
近几年,国家在不断努力构建和完善智能电网。
不可否认的是,电力工业未来的是大力发展智能电网。
在整个智能电网的推动下,变电站调度自动化系统的研究、应用得到了蓬勃的发展。
随着科学技术的发展和设备制造水平的提高,电力设备在原理、构成、性能和可靠性等方面都有了很大的改善,但在电网运行过程中由于各种自然灾害或其他原因引起的大范围故障或大面积停电事故时有发生。
历史经验告诉我们电网大事故对国民生产、生活有着重大的负面影响。
因此,避免电网事故的扩大发生,及时掌握故障时的第一手信息就显得格外重要。
因为当代电网的相关性和复杂性,某些没有发生故障处的故障录波器也会启动,从而记录下大量的无关数据。
如果通过传统方式人为地去分析数据就会显得非常的繁琐和缓慢。
所以,设计出一套合适的故障录波信息分析程序,精确的找出相关的故障录波文件,对其数据进行分析,快速地诊断出故障原因和重现故障时的情景,能够让指挥中心迅速知道故障的原因和实际状况。
该分析结果能够应用于分析继电保护装置动作行为和装置错误动作原因、装置运行状态监测、电力系统负荷预测、事故现场分析等。
能够增强电力系统保护装置的准确性和及时性,从而提升电力系统的安全等级。
绪 论
一、研究现状
随着电力系统的大规模发展,各种为了提高电力系统的安全性的装置也应运而生,故障录波器被称作电力系统的“黑匣子”,其所存储的信息既可以作为诊断电网故障的评判依据之一,也是评判保护装置动作正确与否的“裁判”。
其记录数据对于诊断电力系统故障,研究电力系统结果,提高保护装置动作性具有十分重要的作用。
在国外,电力系统建立时间相对较早,其对电力故障录波信息的分析也相对较早,一般采用总体模块化,子系统分散式的结构来设计故障录波器,再结合以太网,能够将故障录波信息统一传输到一台超级计算机或指挥中心,并且具备常用的分析程序,可以进行故障录波信息大规模集中处理。
如通用电气公司OPEN系统、美国RIS公司SIMEASR智能化故障录波处理系统,ABB公司的PSM系统等。
其系统的主要思想是通过对厂站端非实时信息,如故障信息、动作事件信息、录波文件的收集和关联,提高电力系统的可靠性,缩短电力系统的故障恢复时间,从而降低电网运行维护成本,增加工作效率。
系统设计了开放式的平台,引入了数据仓库的概念,通过对不同来源数据的有效处理产生直接面向电网运行所需的应用。
此外,系统还提出了“价值事件”的概念,即通过电力故障录波信息的分析方法研究及系统开发对各种数据的采集、分析,把握电力系统变化的内在原因,根据系统存在的问题有针对性地采取措施,避免时间和费用的浪费。
在国内,现代信息技术的发展为数字式保护装置和故障录波器在电网故障分析诊断的普及应用提供了很好的技术平台。
如今,信息共享及信息利用的有效性已成为评价现代电网运行技术的重要指标之一,国内外在故障信息系统的研发、建设、实施上都取得了实质上的进展。
国内故障信息联网初期,故障信息分析系统的应用功能尚不完善,在电力系统中的应用处于试点摸索阶段,主要是为继电保护专业人员服务,以便在电力系统发生故障时能更有效的掌握现在保护装置的动作情况,这种方式较之以往基于传真保护打印输出结果分析方式而言,从某种程度上实现了应用的突破,但是在实施的时候存在很大的问题,如开发系统时缺少系统功能规范方面的明确要求,对系统的应用定位不够清晰等。
且由于早期IT方面的不足,并不具备自己设计一个成熟系统的能力。
因此大多数电力故障信息分析系统都是基于Windows操作系统,开发语言多选择面向对象的语言,如C++或者C++与MATLAB的混合编程。
目前开发的有银山公司的CBZ-8000/P系统,许继公司的YS-8A系统,中元华电的CSFM-2002继电保护及故障信息管理系统等。
二、研究方法
制作能够实现以下功能的故障录波信息分析的程序,一是能够根据数据信息诊断出故障类型,二是能够还原其故障时的状态,三是能够显示其序分量与谐波分量:
1数据处理部分:
是将COMTRADE格式的数据文件和配置文件导入到matlab中,并将通道里面模拟量的电压值和电流值等转换成实际的电压值和电流值。
2程序处理部分:
是用谐波分析,序分量分析等方法来确定故障或者振荡发生的类型与时间,并再现故障时的情景。
3故障录波数据再现与分析部分:
对故障录波数据进行故障状态时重现,运用故障录波图和序分量分析来判断故障,并采用谐波分析作为辅助的判断。
三、本研究的主要内容
1、设计目标
①设计一个基于系统COMTRADE数据格式的故障分析与再现系统;
②当导入故障数据和配置文件时,能够迅速的分析出故障原因以及再现出故障波形。
2、设计内容
本文是基于COMTRADE数据格式的故障分析与再现系统。
首先通过matlab读入数据文件和配置文件,然后将相对应的模拟信息量进行变换得到准确的数值量。
电脑对数据进行滤波处理后,先对其做傅里叶变换进行谐波分析,分析对比其正常状态下与发生故障时各种谐波的状态。
再对其进行序分量分析,分析其各相序分量在正常状态下与发生故障时的状态,以这两点作为判断故障的依据,最终判断出故障类型。
为了做到良好的人机交互,所有的分析结果尽量做到显示图和表格,方便测试人员进行分析。
四、本设计研究的目的与意义
一个稳定的电力系统对于现代工业的重要性不言而喻,当电力系统发生故障时,如果不能够及时发现故障原因,无法迅速处理处理故障,其所造成的损害将会是非常巨大的。
本设计从工程实际需求出发,设计,研究故障录波文件的分析方法,针对目前市场上常见的故障录波分析系统的不足,设计了一套故障录波信息分析处理系统,该系统操作简单,直观,分析结果迅速,准确。
能够从复杂的录波数据信息文件中找出与故障相关的文件。
再对其进行精准分析,能够重现故障发生时电力系统的状态和自动判断出电力系统的故障原因,并采取措施降低故障带来的危害性。
是一个自动化水平较高的系统,其具有一定的现实意义。
第一章 电力系统常见故障介绍
第一节 短路产生的原因
所谓短路,是由于电力线路中相与相或者相与大地之间的绝缘被破坏,出现了非常规的低阻抗通路。
一个稳定的电力系统是波形应该是对称的,电压电流的波形为稳定的正弦波,而零序电压,零序电流应该为零。
外部和内部的原因都有可能导致短路。
短路产生的原因多种多样,其中,设计、安装及维护不良等所造成的设备缺陷发展成短路,电路外面的绝缘层的在恶劣的自然环境中被破坏等属于内部原因;电气设备在检修过后带接地线加电压,鸟兽直接跨接在两条相线裸露部分之间,恶劣的自然环境破坏了输电线路的绝缘,如雷击在电气设备上造成的闪络放电,暴风雪使得输电线路重量大大增加,造成电杆倒塌或者架空断线;电力维护人员不按照规程带电合闸等行为都属于外部原因。
第二节 短路的分类
电力运行中常见的故障有很多,就本次论文中,可以分为两大部分:
横向故障和纵向故障。
横向故障包括了常见的各种短路故障,主要是指三相接地短路、两相接地短路、单相接地短路及两相相间短路。
纵向故障则指电力系统中出现了各种输电线路断路,主要有单相断线、两相断线和三相断线。
我们可以按照电力系统发生短路后的现象将其分为四种类型:
三相接地短路、两相接地短路、单相接地短路及两相相间短路。
正常时的电力系统电路会保持对称状态,发生短路后,因为某相电压的减小或者电流增大,电力系统的对称状态被破坏,但是三相短路时,每相的电压电流都会增大或者减小,可能有仍然对称的情况出现。
根据短路故障的时间、重合闸后短路是否存在,将短路划分为瞬时性短路与持续性短路。
例如,当动物接触到带电体引发的短路,当动物因为通过身体较大电流而被烧毁过后,短路消失,重合闸后电力系统能恢复正常状态,因此这种短路被称为瞬时性短路。
电气设备绝缘破坏,输电线倒塌引起的短路则是持续性短路[1]。
第三节 短路造成的危害
短路发生过后,会造成严重的不良后果。
主要分为两个部分:
短路持续中对系统造成的损害和短路停止后对系统造成的损害[2]。
在短路持续的过程中,电路中电流增大,从而让电力设备迅速升温,如果该故障没有被立即处理,导致短路时间过长,电力设备会因为高温而被损害。
这种因为短路电流高温而引起的电力电子元件损坏被称作为热破坏,该破坏是不可逆的,对于电子元件寿命影响特别大。
短路发生过后,会使得电路中的电流因为阻抗地减小而增大,如单相短路时,对地阻抗基本为零,接地点电路电流巨大,根据电磁感应定律,导线通过电流时会产生一个以导线为中心的磁场,巨大的短路电流会产生一个较大的磁场,该磁场会使得附近某些电子设备失灵,如GPS定位被干扰。
一个电力系统中,某个电力节点输出功率基本恒定,当短路发生时,短路处相当于在故障点处加了一个功耗非常非常大的设备,既相当于在此处并联了一个非常小的电阻,由于供电输出的功率是固定的。
P=UI其中P不变I变大了当然U会变小,线路供电跟不上所以电压下降。
电压下降会导致负载侧的电力设备无法正常运行,会出现电灯亮度降低,电脑因为供电不足而关机等状况。
尤其是对于电动机,电压下降会导致其转速降低,其旋转频率与电力系统频率出现差值,会大大增加电力系统谐波成分,进一步影响电力系统稳定性。
当发生不对称短路过后,电力系统中会出现较大零序或者负序电流,这些本应该非常小的电流会使得交流电动机的转子大量发热,从而造成了对电动机的破坏[3]。
当短路部分的继电保护装置切除故障部分后,又会有以下两个问题:
故障点被从电力系统分离出去,一个较大的完整的电力系统可能会被分割成两个或者多个小的电力系统,系统中的主要发电部分与主要负荷部分可能会被分离成为独立的两个电力系统,主要发电部分因为负荷功率较低从而只能够降低发电量来保证该小系统的平衡,不利于经济的发展;主要负荷部分会因为发电量不足以支撑负荷的消耗,从而导致该部分电力系统崩溃。
电力系统配有的安全自动装置,其目的就是减小以上几种危害。
短路发生故障点离发电机组较近时,短路所产生的谐波会对发电机造成较大的影响,破坏发电侧的稳定性。
当时间过长时,发电侧的频率与系统无法同步,会使得发电侧与电力系统脱网,这无疑是一种非常巨大的危害。
短路的危害有很多,有些人为引起的危害可以避免或者减少;但是那些因为客观原因引起的危害,只能通过技术提升的途径尽力减少其危害程度。
第四节 本章小结
本章仔细地叙述了电力系统中故障产生的原因和故障的分类,为后文分析故障奠定了基础。
叙述了各种故障对于系统的不良后果,阐发出本论文研究的实际意义。
第二章 故障录波器和故障录波文件介绍
第一节 电力故障录波器结构
电力故障录波器是一种广泛使用于电力系统中的仪器,当整个电网处于故障运行的状态时,电力故障录波器会自动地存入全部电流、电压、电阻和各断路器的状态等在故障运行的情况下的变化。
由于人类对电能的需求日益扩大,电网为了满足社会的需求不仅增多了电网的分支,而且电压、电流在电网中传输的等级和以往也不可同日而语。
在当今电网系统日益趋于复杂化和网络化的条件下,该设备能无时无刻的存储电网中需要监测的各种物理量,为电网的完善做出的贡献是其他设备无法比拟的。
不仅为电力系统的研究者提供了价值连城的数据基础,而且能让我们能得质量更加优越的电能。
随着现代高科技技术的发展和人类对数据准确性的要求不断提高,故障录波器也发展出了很多的新产品。
由最初的以集成电路为核心的功能单一录波器,到现在最新的运用光电效应的高精度数字式录波器。
随着单片机的发展和大规模集成电路的运用,具有大容量,大数据存储的录波器越来越多。
同时,随着人类对智能化的需求以及科技的进步,微型计算机也加入了电力系统的领域,人类为了追求效率和准确率,很多制造商开始采用DSP技术,利用专业的DSP芯片代替单片机的数据采集系统。
故障录波器的能力也在不断增强,具备正确存储故障时间,无线传输,波形再现,大规模数据存储等优点[4]。
一、硬件结构
故障录波器的硬件结构主要由三部分构成:
数据采集卡、采集系统管理单元和现场分析站构成。
故障录波器装置采用多CPU并行方式构成,数据采集卡相互独立。
采集系统管理单元主要是负责现场分析站和数据采集卡中的数据通信以及掉电后对数据的保存管理,现场分析站通过以太网获得从采集系统管理单元的数据进行人机交互,还负责与其他系统通过网络通信。
数据采集卡包括模拟量采集卡和开关量采集卡,负责采集各种电压、电流模拟量以及各种开关量。
采集系统管理单元一般选用微型工控机,内可插专门设计的的各种智能型数据采集卡,能够使数据采集系统模块化。
对主机配置的要求不是很高。
现场分析站一般选用高档工业化计算机,它需要对采集系统管理单元传送的数据进行计算分析,很好的进行人机交互。
其硬件结构图如下:
图2.1故障录波器硬件结构图
二、软件结构
故障录波器的软件结构分为各种数据采集卡软件、采集系统管理单元软件和现场分析站软件。
数据采集卡软件直接对硬件进行操作,一般使用汇编语言编写;采集系统管理单元软件涉及到数据采集的实时性,同时也有对硬件的操作,一般采用C++语言加汇编语言嵌套编写;现场分析站软件的开发一般选用VisualC++6.0编写,可实现多线程多任务的操作。
数据采集卡软件的主要功能就是接收上层单元的指令并对数据进行采集。
其软件结构图如下:
图2.2故障录波器软件结构图
第二节 故障录波文件介绍
COMTRADE是一种由IEEE继电保护委员会制定出来的一种电力系统暂态数据的国际化通用格式。
主要用于存储,记录电力系统暂态的电压,电流数据量以及时间点。
目前,每一个COMTRADE记录都包含有四个文件,它们分别是:
头文件、配置文件、数据文件和信息文件,这四个文件都应具有相同的文件名,仅通过说明不同类型文件的扩展名加以区分[4]。
文件名格式是xxxxxxxx.yyy。
“xxxxxxxx”部分是用来标识记录的名称,“.yyy”部分用于标识文件的类型,作为识别名。
“.HDR”用来作为头文件的识别名,“.CFG”用来表示配置文件的识别名,“.DAT”用来表示数据文件的识别名,“.INF”用来表示信息文件的识别名。
由上可以看出,文件名限定为8个字符长度,扩展名限定为3个字符。
一、头文件
头文件是一种格式类型为ASCII格式的文本文件,是用来帮助使用者快速,准确地知道该故障录波器工作状况及状态所编写的文件,能够通过手动录入全部的相关信息,但是在程序读写的过程中,其应该是被保护的,不可写[5]。
有些故障录波器并没有这一项,其内容主要构成如下:
1正常工作时的电网信息;
2该系统中变压器、电容器、电抗器、线路的标示;
3该系统输电线路的长度;
4各相序电阻、容抗和感抗;
5并联电抗和串联电容的位置和额定值;
6电流互感器与电压互感器绕组的标称电压等级;
7变压器的接线方式与额定功率;
8数据的来源。
是通过计算机模拟得到或者从电网中心得到的;
9该系统电路说明;
10存储记录的文件位置。
二、配置文件
配置文件是一种格式类型为ASCII格式的文本文件,是一种肯定存在的用来提供对故障录波数据的详细介绍的文件,程序通过阅读这个文件,可以得到数据文件的相关指标,如采样频率,通道名称,变换因子等。
通过计算机阅读这个文件,就可以知道数据文件的每一个数据所代表的意义。
其主要内容如下:
厂名介绍;
1COMTRADE格式版本;
2通道数量,模拟通道和数字通道数量;
3模拟量依次为:
该通道名称,通道相,XX,单位,转换因子A,转换因子B,该通道模拟量最小值,该通道模拟量最大值;
4电网频率;
5采样频率数量;
6采样频率与采样点数;
7触发点的日期和时间;
8采样开始于采样结束时间点;
9数据文件的类型;
三、数据文件
数据文件主要记录着通道中模拟量的值,按照某种对应关系式,即可将其转换成实际的电压电流值等,其数据的保存方式应与对应的配置文件相吻合。
由配置文件可知,通过ft来确定数据文件类型,ft通常为ASCII或者Binary。
ASCII代表了数据文件为文本类型;Binary代表了数据文件为二进制类型,数据文件中的每一个模拟量都存在与之相对应的相量编号,时刻点,装换因子。
在ASCII数据文件中,数据与数据并不是连续的,被通过逗号隔开,这种数据文件容易导入各种数值处理软件中;而在Binary数据文件中,因为只用0、1值,所以数据无法被隔开。
是连续的二进制数据流[6]。
数据文件中包含了最主要的系统采集的数据值,该数据值并非系统实际的数据值,需要通过转换才能够得到系统的实际值。
通过读出配置文件中,该数据所对应的变换因子A和变换因子B,设该数据为X,则其实际值Y与采样记录数据X的关系:
Y=A*X+B*X(2-1)
同理可以推出,该通道中记录最大值与最小值为Xmax,Xmin,则其实际最大值Ymax,最小值Ymin为:
Ymax=A*Xmax+B*Xmax
Ymin=A*Xmin+B*Xmin(2-2)
1.ASCII数据文件
ASCII数据文件为文本类型数据文件。
当其导入数值处理软件中时,整个数据文件会以一个表的方式存储,具有若干行和若干列,储存模拟量的时间长短决定了数据表的行数,每个采样时刻点的各个模拟量值就用一行来存储。
记录的模拟通道和数字通道则决定了表的列数,第一列是从零开始的采样序列号,每一行的值比前一行的值大
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