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非有效接地电网接地保护研究

作　者: 王媛媛
导　师: 简金宝
学　校: 广西大学
专　业: 电力系统及其自动化
关键词: 非有效接地电网馈线接地保护定子接地保护高压发电机聚类分析判别分析
分类号: TM862
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

非有效接地电网馈线接地保护是我国在建、改建的配电系统亟待解决的重要课题。但由于故障残流小、故障电弧及干扰影响等原因,现有方法在实际运行中选线正确率很低。Powerformer是一种高压发电机,其中性点广泛采用经高电阻接地方式或经消弧线圈接地方式,也属于非有效接地电网。Powerformer的内部故障机理及选择性定子单相接地保护研究,是目前鲜有报道的保护领域最新研究方向,需要深入研究。论文共分为七章,第一章为绪论,第二章至第六章为主要研究工作,第七章对全文进行了总结。本文主要研究成果如下：(1)馈线接地保护是非有效接地电网中长期存在的难题。为深入挖掘故障信息的本质特征和内在规律,对多源故障信息进行有机综合处理,论文第二章介绍了样本相似性度量和类间距离的计算方法,给出定量判定聚类有效性的方法,寻找出适用于馈线接地保护的最佳系统聚类算法；提出了系统聚类故障检测的模型与方法,根据零序导纳法、负序电流法、零序电流法、接地故障电阻法、小波分析法、零序能量函数法等多源故障信息的相似性程度,即空间距离的远近进行保护判断。仿真分析表明：该选线方法不受系统运行方式变化的影响,能满足配电自动化的要求,有望提高配电网故障选线的精度和鲁棒性。(2)非有效接地电网馈线接地保护中,各种故障保护方法所获取的信息或多或少地受到系统参数变化、干扰等因素的影响,具有一定的模糊性。为建立样本对于类别的模糊描述,更客观地反映样本数据的模糊特征,论文第三章提出了一种基于模糊聚类分析的馈线接地保护方法。首先,采用模糊C均值聚类分析方法,采用不同属性的故障特征量,以4种基于稳态的保护方法和3种基于暂态的保护方法提取出的多源信息为指标,将历史数据分成故障类和非故障类；然后,根据各聚类中心与待测样本的空间相对距离识别出待测样本的故障类别,从而实现感知到认知的过程,完成保护判断。仿真分析验证了该方法的有效性和可行性,同时表明干扰、系统运行方式和过渡电阻等因素对该方案影响很小。(3)为提高非有效接地电网馈线保护方法的鲁棒性和精度,论文第四章应用统计学理论并结合工程实际,借助判别分析方法将稳态故障信息和暂态故障信息进行融合处理,选取5个故障特征量作为故障选线的判别因子,建立距离判别分析模型,并利用回代估计法对距离判别分析模型进行检验。通过配电网单一保护单元内部不同选线方法在不同历史时段所呈现出的特性不同,构建面向单一保护单元的选线方法,实现感知到认知的过程,完成选线判断。研究结果表明,经过训练后的判别分析模型误判率较低。利用该模型对待测样本数据进行测试,测试结果与实际情况吻合,验证了该接地故障选线方法的高效性和实用性。(4)高压发电机在系统中处于重要地位,其定子绕组单相接地故障保护需可靠灵敏以及具有100%的保护范围,对于并列运行的多台高压发电机,需具备选择性。论文第五章分析了定子单相接地故障前后Powerformer机端零序电流基波分量和三次谐波故障分量的变化特征。通过比较各高压发电机零序电流的大小和能量判断单相接地点是否在本发电机定子绕组内部。给出了不同接地点和不同过渡电阻情况下的仿真结果,仿真分析结果表明：该保护方案可实现100%定子接地保护,能可靠地识别出发电机内部、外部的定子接地故障,判断故障发电机。该方案构成原理较简单,具有鲁棒性强,精度高等特点。(5)对于一个具有若干台机组的大型电厂,所用发电机组会通过厂内的公共母线进行功率汇集,再向系统统一供电。针对并列运行发电机组的选择性定子绕组单相接地保护问题,论文第六章基于高压发电机内部故障仿真模型,分析了高压发电机发生定子绕组单相接地故障时的电气特性,利用故障发电机与非故障发电机零序功率方向不同的特点来实现有选择性的保护。利用零序功率的基波分量和三次谐波故障分量共同判断单相接地点是否在本发电机定子绕组内部,实现100%定子接地保护。给出三种运行状态(正常运行、外部故障、内部故障)的仿真结果。理论分析和仿真结果表明,该保护原理不仅能有效检测接地故障,还可较好地区分故障发电机与非故障发电机。

全文目录

摘要  4-7
ABSTRACT  7-13
第一章绪论  13-30
  1.1 引言  13-16
  1.2 配电网中性点接地方式  16-17
  1.3 国内外馈线保护研究现状及发展动态分析  17-21
    1.3.1 单一的馈线保护方法  18-19
    1.3.2 基于信息融合的馈线保护方法  19-20
    1.3.3 基于聚类算法的馈线保护方法  20-21
  1.4 发电机中性点接地方式  21-22
  1.5 国内外发电机定子单相接地保护研究现状  22-28
    1.5.1 传统发电机定子单相接地保护  22-26
    1.5.2 扩大单元接线发电机定子单相接地保护  26-27
    1.5.3 Powerformer定子接地保护  27-28
  1.6 本文主要研究工作  28-30
第二章系统聚类分析技术在馈线接地保护中的应用  30-47
  2.1 引言  30
  2.2 系统聚类分析  30-37
    2.2.1 数学模型  30-31
    2.2.2 数据预处理  31-32
    2.2.3 样本相似性度量  32-33
    2.2.4 类间距离计算方法  33-34
    2.2.5 样本相似性度量及类间距离计算方法比较  34
    2.2.6 聚类有效性的定量判别方法  34-37
  2.3 基于系统聚类的馈线接地保护方法  37-39
    2.3.1 用于系统聚类分析的馈线接地保护方法的选择  37-38
    2.3.2 保护原理  38
    2.3.3 保护实现流程  38-39
  2.4 仿真分析  39-45
    2.4.1 算例1  40-42
    2.4.2 算例2  42-45
  2.5 小结  45-47
第三章基于模糊聚类分析的馈线接地保护方法  47-60
  3.1 引言  47
  3.2 模糊聚类分析  47-49
    3.2.1 发现任意形状簇的算法  47-48
    3.2.2 初始点问题  48
    3.2.3 选择性聚类融合算法  48-49
  3.3 基于模糊聚类分析的馈线接地保护原理  49-53
    3.3.1 保护模型  49
    3.3.2 构造历史数据库  49-50
    3.3.3 模糊聚类分析  50-52
    3.3.4 保护判据  52
    3.3.5 馈线接地保护流程  52-53
  3.4 模糊聚类分析馈线接地保护的特点  53-54
  3.5 仿真分析  54-59
    3.5.1 算例1  54-57
    3.5.2 算例2  57-59
  3.6 小结  59-60
第四章基于判别分析的馈线保护方法  60-70
  4.1 引言  60
  4.2 判别分析  60-64
    4.2.1 距离判别法  61-63
    4.2.2 Bayes判别法  63-64
  4.3 馈线保护的总体思路  64-65
  4.4 判别因子的确定  65-66
  4.5 距离判别分析模型的构建  66
  4.6 仿真分析  66-69
    4.6.1 构建距离判别分析模型  66-68
    4.6.2 距离判别分析模型的检验  68
    4.6.3 选线方法的启动  68
    4.6.4 仿真结果  68-69
  4.7 小结  69-70
第五章基于机端零序电流的选择性Powerformer保护方案  70-92
  5.1 引言  70
  5.2 大型同步发电机内部故障模型  70-75
  5.3 Powerformer机端出线侧零序电流分析  75-79
    5.3.1 定子接地故障时零序基波电流分析  75-77
    5.3.2 外部故障时零序基波电流分析  77
    5.3.3 定子接地故障时三次谐波电流故障分量分析  77-78
    5.3.4 外部故障时三次谐波电流故障分量分析  78-79
  5.4 零序电流定子接地保护原理  79-81
    5.4.1 保护启动  79-80
    5.4.2 零序电流大小保护  80
    5.4.3 零序能量保护  80-81
  5.5 仿真波形与结果  81-91
    5.5.1 Powerformer仿真  81-89
    5.5.2 Powerformer与传统发电机对比分析  89-91
  5.6 小结  91-92
第六章基于零序功率方向的选择性Powerformer保护方案  92-102
  6.1 引言  92
  6.2 研究模型  92-93
  6.3 Powerformer内部故障分析  93-94
  6.4 Powerformer外部故障分析  94-95
  6.5 零序功率方向定子接地保护原理  95-96
    6.5.1 保护启动  95-96
    6.5.2 保护判据  96
  6.6 仿真波形与结果  96-101
    6.6.1 算例1  96-98
    6.6.2 算例2  98-101
    6.6.3 结果分析  101
  6.7 小结  101-102
第七章结论和展望  102-105
  7.1 结论  102-103
  7.2 展望  103-105
参考文献  105-114
附录A 攻读博士学位期间科研成果  114-115
附录B 攻读博士学位期间主持或参加的科研项目  115-116
附录C 学术论文与学位论文相关章节的对应表  116-117
致谢  117

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