項(xiàng)目研究和實(shí)驗(yàn)的目的、內(nèi)容和要解決的主要問題
一、研究目的
本團(tuán)隊(duì)指導(dǎo)教師長期從事輸電網(wǎng)、配電網(wǎng)故障定位、保護(hù)方法的研究。本項(xiàng)目基于指導(dǎo)教師前期的研究成果,擬借鑒輸電線路暫態(tài)信號(hào)傳輸特性與定位方法相關(guān)原理,將其應(yīng)用于配電網(wǎng)中。
本項(xiàng)目充分結(jié)合指導(dǎo)教師的前期科研成果,以本科大二課程《Matlab在電力系統(tǒng)分析中的應(yīng)用》和本科大三課程《高電壓技術(shù)》中的理論知識(shí)為基礎(chǔ),借助電氣學(xué)院搭建的配電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室和暫態(tài)信號(hào)故障定位實(shí)驗(yàn)平臺(tái),將理論知識(shí)與工程實(shí)驗(yàn)有機(jī)結(jié)合,力求培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)開展理論研究、積極設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案培養(yǎng)工程動(dòng)手能力。
本項(xiàng)目將具體完成以下三點(diǎn)理論研究和一點(diǎn)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì):
(1)對(duì)樹形結(jié)構(gòu)的配電網(wǎng)故障暫態(tài)信號(hào)傳輸特性進(jìn)行理論研究和仿真分析;
(2)結(jié)合本科大二課程《Matlab》的學(xué)習(xí),將小波包變換應(yīng)用于暫態(tài)信號(hào)的提?。?/span>
(3)提出一種基于多端故障行波時(shí)差的配電網(wǎng)故障行波定位新方法;
(4)利用學(xué)院搭建的配電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái),設(shè)計(jì)相關(guān)試驗(yàn),并驗(yàn)證項(xiàng)目提出方法的正確性。
二、研究內(nèi)容
1、配電網(wǎng)故障暫態(tài)信號(hào)傳輸特性分析
學(xué)習(xí)本科大三課程《高電壓技術(shù)》,著重學(xué)習(xí)課本中“暫態(tài)信號(hào)波過程理論”,學(xué)習(xí)暫態(tài)信號(hào)產(chǎn)生機(jī)理,折、反射特性,波形的色散特性,掌握研究對(duì)象的理論知識(shí);基于此,學(xué)習(xí)PSCAD仿真軟件,搭建配電網(wǎng)模型,模擬各種故障類型、故障地點(diǎn)和故障程度,高頻暫態(tài)信號(hào)在配電網(wǎng)的傳輸特性,全面總結(jié)不同故障情況下暫態(tài)信號(hào)的傳輸特性。
2、基于小波包分解和重構(gòu)的暫態(tài)信號(hào)主頻分量提取
充分結(jié)合本科大二課程《Matlab》中學(xué)習(xí)的小波包分解和重構(gòu)理論,將寬頻帶暫態(tài)信號(hào)進(jìn)行小波包分解,得到不同頻帶的暫態(tài)波形,對(duì)每一個(gè)頻帶的暫態(tài)波形進(jìn)行重構(gòu),提取暫態(tài)波形能量最大的頻段,所對(duì)應(yīng)的波形信息,即為暫態(tài)信號(hào)的主頻分量。
3、基于多端故障行波時(shí)差的配電網(wǎng)故障行波定位新方法
學(xué)習(xí)文獻(xiàn)的檢索方法,在中國知網(wǎng)上下載相關(guān)文獻(xiàn),深入學(xué)習(xí)現(xiàn)有的基于暫態(tài)信號(hào)的故障定位方法,比較其優(yōu)缺點(diǎn),并在此基礎(chǔ)上,擬提出一種基于雙端暫態(tài)信號(hào)定位原理的多端配電網(wǎng)故障支路判定新指標(biāo)—故障支路判定矩陣,利用該矩陣元素的數(shù)值特征實(shí)現(xiàn)對(duì)配電網(wǎng)故障支路的判定;進(jìn)一步定位故障點(diǎn)精確位置。
4、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
利用學(xué)院搭建的配電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái),搭建具有四條饋線、多分支的配電網(wǎng)絡(luò),在每一個(gè)分支末端配置暫態(tài)信號(hào)檢測(cè)裝置,設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案,驗(yàn)證本項(xiàng)目提出的基于暫態(tài)信號(hào)的配電網(wǎng)故障定位方法的可行性。
三、設(shè)計(jì)方案
1、配電網(wǎng)暫態(tài)信號(hào)傳輸特性研究
學(xué)習(xí)PSCAD虛擬仿真軟件,并搭建配電網(wǎng)仿真分析模型。首先, 在配電網(wǎng)PSCAD仿真模型中設(shè)置短路,考慮架空線路-電纜混合線路、分支節(jié)點(diǎn)處、母線處、及短路點(diǎn)參數(shù)(不同故障點(diǎn)位置、不同故障類型、不同故障初相角)對(duì)故障暫態(tài)信號(hào)傳輸特性的影響; 其次,對(duì)產(chǎn)生的暫態(tài)信號(hào)進(jìn)行解耦變換,經(jīng)過三相線路解耦后,故障暫態(tài)信號(hào)變換為彼此獨(dú)立的線模暫態(tài)信號(hào)和零模暫態(tài)信號(hào),理論研究和仿真分析線模暫態(tài)信號(hào)和零模暫態(tài)信號(hào)的依頻特性(線路電阻、波阻抗、波速度均是頻率的函數(shù)),并研究線模暫態(tài)信號(hào)和零模暫態(tài)信號(hào)在不同傳輸路徑、不同傳輸材質(zhì)、不同故障情況下暫態(tài)信號(hào)的傳輸特性,以及色散和衰減的情況;最后,從機(jī)理層面上全面總結(jié)暫態(tài)信號(hào)傳輸特性。
2、基于小波包分解和重構(gòu)的暫態(tài)信號(hào)主頻分量提取
小波包分解是一種有效的時(shí)頻分析手段,特別對(duì)于頻率很高的暫態(tài)信號(hào),可以實(shí)現(xiàn)全頻段分解,以1MHz采樣率為例,基于奈奎斯特采樣定理可知,原始暫態(tài)信號(hào)范圍為0-500kHz,對(duì)原始暫態(tài)信號(hào)進(jìn)行6層小波包分解,分解示意圖如圖1所示:
圖1 小波包信號(hào)分解示意圖
第6層小波包分解,將原始信號(hào)分解為26 = 128個(gè)頻段,對(duì)每一個(gè)頻段進(jìn)行小波包重構(gòu),即可獲得重構(gòu)后各頻段的原始暫態(tài)信號(hào),提取2kHz暫態(tài)信號(hào)以上能量最大的頻段波形進(jìn)行分析,提取暫態(tài)初始波頭信息,如圖2所示,圖2(a)為原始暫態(tài)信號(hào),圖2(b)為小波包分解、重構(gòu)后能量最大的暫態(tài)信號(hào)波形。從該頻段信號(hào)中可以獲取初始暫態(tài)信號(hào)的到達(dá)時(shí)刻。
圖2(a) 原始暫態(tài)電壓波形 圖2(b) 2kHz暫態(tài)信號(hào)以上能量最大的頻段波形
3、基于多端故障行波時(shí)差的配電網(wǎng)故障暫態(tài)定位新方法
基于單一暫態(tài)信息的故障定位方法,可靠性得不到保障;而且配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、分支眾多,采用單一行波信息,將產(chǎn)生偽故障點(diǎn),從而影響定位的準(zhǔn)確性。因此,信息融合技術(shù)將有效提高定位可靠性,解決偽故障點(diǎn)問題。
本項(xiàng)目擬借鑒信息領(lǐng)域的信息融合技術(shù),充分利用與挖掘復(fù)雜配電網(wǎng)海量數(shù)據(jù)。首先,分析網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(多分支結(jié)構(gòu))對(duì)雙端故障信息算法的影響;搭建故障支路判定矩陣,利用矩陣的形式,分析網(wǎng)絡(luò)中任意兩個(gè)檢測(cè)點(diǎn)(I,J)計(jì)算的故障距離與以檢測(cè)點(diǎn)I為起點(diǎn)到檢測(cè)點(diǎn)J最近的分支節(jié)點(diǎn)之間距離的關(guān)系,深入研究不同點(diǎn)位置發(fā)生故障(分支故障、節(jié)點(diǎn)故障、節(jié)點(diǎn)之間故障)時(shí),對(duì)應(yīng)矩陣某列或某行參數(shù)的共性,提出故障區(qū)域判定矩陣準(zhǔn)則,再利用雙端定位原理,確定精確故障點(diǎn)位置。
4、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
配電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室和暫態(tài)信號(hào)故障定位實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖3-4所示。在暫態(tài)信號(hào)故障定位實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建如圖5所示多分支輻射性配電網(wǎng),母線電壓取自10kV配電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室中的升壓變壓器。
圖3 10kV配電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室
圖4 暫態(tài)信號(hào)故障定位實(shí)驗(yàn)平臺(tái)
項(xiàng)目組成員將在項(xiàng)目指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下,在暫態(tài)信號(hào)故障定位實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建四條饋線、多分支的配電網(wǎng)絡(luò),如圖5所示。在如圖所示① ~ ⑩標(biāo)注的十個(gè)地點(diǎn)安裝暫態(tài)信號(hào)采集裝置,四條饋線和多分支線路采用電力電纜,可以實(shí)現(xiàn)暫態(tài)信號(hào)波過程模擬,在網(wǎng)絡(luò)中分別設(shè)置不同故障點(diǎn)位置,故障類型、故障過渡電阻、故障初相角,如表1所示,記錄暫態(tài)信號(hào)采集裝置測(cè)到的初始故障暫態(tài)信號(hào)波頭到達(dá)時(shí)刻,依據(jù)本項(xiàng)目提出的多端信息融合的故障暫態(tài)信號(hào)定位算法,判斷故障線路,進(jìn)而計(jì)算精確故障點(diǎn)位置,驗(yàn)證本項(xiàng)目方法的可行性。
圖5 擬搭建模擬配電網(wǎng)拓?fù)鋱D
表1 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試故障點(diǎn)參數(shù)設(shè)計(jì)
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