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智能变电站站域后备保护原理及实现技术研究

作　者: 刘益青
导　师: 高厚磊
学　校: 山东大学
专　业: 电力系统及其自动化
关键词: 智能变电站站域后备保护全数字化保护电流差动原理傅里叶算法变数据窗相量估计 IEC61850
分类号: TM774
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

长期以来,传统的阶梯式后备保护存在动作延时长、整定配合困难、容易引起连锁跳闸事故等缺陷,始终是电网稳定运行的薄弱环节,已经越来越不适应智能电网的建设要求。智能变电站中采用了非常规互感器、智能一次设备和IEC61850通信标准等新技术,实现了信息采集的数字化、信息传输的网络化以及信息建模的统一化,为研究基于信息共享的新型后备保护提供了极为有利的条件。据此,本文围绕适用于智能变电站的站域后备保护原理及实现技术进行深入研究,完成的主要工作如下：提出了电流差动站域后备保护原理(Substation-area Differential Backup Protection, SDBP)及实现方法。对站域保护做了明确定义,分析了站域保护概念的内涵和外延。定义了边界差动区、站内差动区、元件差动区和搜寻差动区等不同类型的差动区。SDBP根据各差动区的动作状态可以精确定位故障元件,并根据主保护动作信息和断路器位置信息完成整个变电站的后备保护功能。SDBP摈弃了传统后备保护的阶梯式整定原则；动作时间固定并小于一个时间级差；具有绝对的选择性和较高的灵敏度；不受潮流转移引起的过负荷影响,避免了传统后备误动引起的连锁反应。讨论了SDBP的差动判据动作特性、整定原则及灵敏度等关键问题；分析了TA饱和、励磁涌流对SDBP的影响及对策。利用PSCAD仿真软件,对正常运行状态、区内外各种类型故障进行了大量仿真实验,验证了SDBP原理的正确性。针对站域后备保护数据处理量极大的特点,提出了适合于SDBP原理的数据处理新方法,即以傅里叶运算为基础的实用修正算法。新方法不需要进行数据插值和采样率转换,而是直接对采样值序列进行傅里叶运算,然后根据实测的信号频率对有效值和相位进行修正。相比于全数字化保护中广泛采用的数据插值、抽取的预处理方法,新方法大大缩减了计算量,并省去了抗混叠低通滤波环节,从而避免低通环节引入的附加量化误差和滤波器延时。通过ATP和MATLAB等工具验证了新方法完全适用于SDBP等采用相量比较原理的继电保护应用。提出了基于窄带滤波器的变数据窗相量求取新算法—NBDF-Phaselet算法。先利用1/4周期数据窗的Phaselet算法得到窄带滤波器的近似初值,对采样值序列进行窄带滤波,再使用不同数据窗长的Phaselet算法进行精确相量估计。采用新算法后,站域后备保护可以接收相邻变电站的Phaselet数据替代采样值数据,可有效降低SDBP原理对站间数据通信的要求,简化了站域后备保护的设计。通过PSCAD和RTDS试验数据,验证了NBDF-Phaselet算法应用于相量电流差动原理的有效性。设计了站域后备保护装置的实现方案,研制了满足站域后备保护需求的高性能软硬件平台,采用了CPU+DSP的多处理器架构和嵌入式实时多任务操作系统。由PowerPC模块完成管理和网络通信等功能,具备过程层多路千兆以太网通信接口；采用浮点DSP作为数据协处理器。软件上对采样值传输、GOOSE信息的收发等关键模块进行了优化设计,提高了信息处理的实时性。建立了符合IEC61850标准和Q/GDW396标准的站域后备保护信息模型。提出了基于IEC61850标准利用EoS和广域以太网技术扩展过程层网络直接传输采样值的通信方案。

全文目录

目录  5-8
TABLE OF CONTENTS  8-11
摘要  11-13
ABSTRACT  13-15
第一章绪论  15-31
  1.1 课题背景及意义  15-16
  1.2 智能变电站概述  16-18
  1.3 智能变电站的全数字化保护  18-24
    1.3.1 全数字化保护关键技术  18-22
    1.3.2 全数字化保护测试方法  22-24
  1.4 非传统继电保护的研究概况  24-29
    1.4.1 广域保护与有限广域保护  24
    1.4.2 集合保护与系统保护  24-25
    1.4.3 集成保护与集中式保护  25-26
    1.4.4 非传统继电保护研究的重点和难点  26-29
  1.5 本文的主要工作及章节安排  29-31
第二章智能变电站站域后备保护原理  31-64
  2.1 引言  31-32
  2.2 智能变电站继电保护配置方案  32-39
    2.2.1 传统变电站继电保护配置及存在的问题  32-35
    2.2.2 智能变电站集中式保护配置  35-36
    2.2.3 智能变电站继电保护配置新方案  36-39
  2.3 站域后备保护原理  39-51
    2.3.1 站域保护的概念  39-40
    2.3.2 基于电流差动原理的站域后备保护  40-49
    2.3.3 站域保护与广域保护的比较  49-51
  2.4 站域后备保护几个问题的讨论  51-54
    2.4.1 相量电流差动的动作特性、整定及灵敏度  51-52
    2.4.2 TA饱和的影响  52
    2.4.3 励磁涌流的识别  52-53
    2.4.4 采样值信息的容错处理  53-54
  2.5 仿真与分析  54-62
  2.6 小结  62-64
第三章站域后备保护的数据处理方法  64-86
  3.1 引言  64-65
  3.2 智能变电站数据采集与处理  65-67
    3.2.1 智能变电站与常规变电站的数据流比较  65-66
    3.2.2 继电保护对数据采集处理的基本要求  66-67
  3.3 全数字化保护中数据插值、抽取方法分析  67-70
  3.4 站域后备保护的数据处理新方法  70-81
    3.4.1 傅里叶算法  70-73
    3.4.2 等时间间隔采样对傅里叶算法的影响  73-74
    3.4.3 傅里叶算法的修正方法  74-77
    3.4.4 数据处理新方法在站域后备保护中的实际应用  77-81
  3.5 仿真与实验  81-84
    3.5.1 两种修正方法仿真比较  81-82
    3.5.2 实用算法的仿真与分析  82-84
    3.5.3 实用算法在保护装置中的验证  84
  3.6 小结  84-86
第四章站域后备保护的变数据窗相量估计算法  86-114
  4.1 引言  86-88
  4.2 全数字化保护常用滤波算法  88-98
    4.2.1 最小二乘算法  88-92
    4.2.2 Phaselet算法  92-97
    4.2.3 常用滤波算法之间的关系  97-98
  4.3 Phaselet算法应用于站域后备保护及存在的问题  98-100
  4.4 基于Phaselet和窄带通滤波器的变数据窗相量估计算法  100-105
    4.4.1 狭窄带通数字滤波算法  100-103
    4.4.2 变数据窗相量估计算法原理  103-105
  4.5 变数据窗相量估计算法的性能仿真  105-113
  4.6 小结  113-114
第五章站域后备保护装置的实现方案设计  114-138
  5.1 引言  114
  5.2 总体结构设计及功能特点  114-118
  5.3 硬件平台设计  118-123
    5.3.1 主处理器模块  118-119
    5.3.2 DSP数据处理模块  119-120
    5.3.3 FPGA综合处理模块  120-121
    5.3.4 以太网通信模块  121-122
    5.3.5 其他辅助模块  122-123
  5.4 软件设计  123-133
    5.4.1 软件总体架构  123-125
    5.4.2 模拟量采集与采样值传输  125-127
    5.4.3 GOOSE信息传输  127-129
    5.4.4 站域后备保护的数据计算和保护逻辑  129-130
    5.4.5 符合IEC61850标准的信息建模  130-133
  5.5 站域后备保护通信实现方案  133-137
    5.5.1 变电站之间的数据通信方案  133-136
    5.5.2 站域后备保护装置的通信能力需求  136-137
  5.6 小结  137-138
第六章结论  138-140
  6.1 本文工作总结  138-139
  6.2 工作展望  139-140
附录  140-141
  附录A 验证变数据窗相量估计算法的RTDS动模试验录波图  140-141
参考文献  141-149
致谢  149-150
攻读博士学位期间申请的发明专利  150-151
攻读博士学位期间发表的学术论文  151-152
攻读博士学位期间的科研情况  152-153
学位论文评阅及答辩情况表  153

智能变电站站域后备保护原理及实现技术研究

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