1、.,1,電網(wǎng)故障監(jiān)測與定位,.,2,主要內(nèi)容,緒論電力系統(tǒng)故障分量基本理論電網(wǎng)故障監(jiān)測輸電網(wǎng)故障定位配電網(wǎng)故障定位,.,3,參考書,葛耀中新型繼電保護(hù)和故障測距的原理與技術(shù)（第2版）西安：西安交通大學(xué)出版社，2007,.,4,緒論,.,5,電力系統(tǒng)構(gòu)成,.,6,電力系統(tǒng)構(gòu)成,.,7,電網(wǎng)：通常把由輸電、變電、配電設(shè)備及相應(yīng)的輔助系統(tǒng)組成的聯(lián)系發(fā)電與用電的統(tǒng)一整體稱為電力網(wǎng)，簡稱電網(wǎng)。,什么是電網(wǎng)？,.,8,電力網(wǎng),按規(guī)模劃分遠(yuǎn)距離輸電網(wǎng)區(qū)域電力網(wǎng)地方電力網(wǎng),.,9,.,10,電力網(wǎng),按作用劃分輸電網(wǎng)配電網(wǎng),.,11,電力網(wǎng),特高壓(UHV)：1000kV及以上,超高壓(EHV)：330kV，5

2、00kV，750kV,輸電網(wǎng),配電網(wǎng),高壓：220kV,高壓：35kV，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,.,12,輸電網(wǎng)接線方式,交流輸電網(wǎng)：一般采用多電源環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)雙端線路T型線路（220kV）帶串聯(lián)補(bǔ)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(diǎn)對點(diǎn)接線（帶接地極線路）,.,13,變電站小電流接地系統(tǒng)接線方式,.,14,配電網(wǎng)接線方式,“手拉手”環(huán)網(wǎng)接線,單電源輻射網(wǎng)接線,架空

3、配電網(wǎng)接線方式,“手拉手”環(huán)網(wǎng)接線,.,15,電纜配電網(wǎng)接線方式,單環(huán)網(wǎng),配電網(wǎng)接線方式,.,16,雙環(huán)網(wǎng),雙射網(wǎng),雙射網(wǎng),=雙射網(wǎng)+雙射網(wǎng),電纜配電網(wǎng)接線方式,配電網(wǎng)接線方式,.,17,電網(wǎng)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(wǎng)與配電網(wǎng)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(zhì)架空線：高阻/低阻，永久/瞬時電纜：低阻/高阻（泄漏、閃絡(luò)性），一般為永久性故障。,.,18,電網(wǎng)故障監(jiān)測,基本概念采用特定的技術(shù)手段對電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)量進(jìn)行實(shí)時監(jiān)視，旨在判斷電網(wǎng)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

4、性質(zhì)、故障點(diǎn)所處范圍等。定量故障信息：故障及其持續(xù)時間、故障點(diǎn)準(zhǔn)確位置等。,.,19,電網(wǎng)故障監(jiān)測,故障監(jiān)測內(nèi)容故障發(fā)生時間故障線路（選線，定位到故障線路）故障類型（選相）故障性質(zhì)（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(diǎn)）故障錄波,.,20,電網(wǎng)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,.,21,電網(wǎng)故障監(jiān)測與繼電保護(hù),電網(wǎng),故障監(jiān)測,開關(guān)驅(qū)動控制,信號采集,開關(guān)操作控制,故障監(jiān)測是繼電保護(hù)的核心,繼電保護(hù),.,22,電網(wǎng)保護(hù)與故障信息管理系統(tǒng),故障錄波器及其聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能、特點(diǎn)、存在問題繼電保護(hù)與故障信息管理系統(tǒng)

5、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能、特點(diǎn)、存在問題,.,23,電網(wǎng)故障定位,基本概念當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障后，采用特定的技術(shù)手段（在線或離線），定性或定量給出故障點(diǎn)位置信息。定性的故障點(diǎn)位置信息：故障線路、故障區(qū)段等。定量的故障點(diǎn)位置信息：故障點(diǎn)坐標(biāo)、故障距離等。,故障監(jiān)測,故障定位,.,24,電網(wǎng)故障定位,輸電網(wǎng)故障定位通過專門的在線故障定位（測距）原理計(jì)算出故障點(diǎn)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(lián)補(bǔ)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）,.,25,電網(wǎng)故障定位,配電網(wǎng)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

6、障區(qū)段，在線）故障測距（定位到故障點(diǎn)，在線或離線）,.,26,電網(wǎng)故障監(jiān)測與定位系統(tǒng),監(jiān)測終端通信網(wǎng)絡(luò)主站系統(tǒng),.,27,電網(wǎng)故障監(jiān)測與定位發(fā)展概況,繼電保護(hù)（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,.,28,山東理工大學(xué)智能電網(wǎng)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(shù)發(fā)明二等獎。,.,29,電力線路行波故障測距系統(tǒng),.,30,山東理工大學(xué)智能電網(wǎng)研究中心成果,小電流接地故障監(jiān)測（選線）系統(tǒng),.,31,山東

7、理工大學(xué)智能電網(wǎng)研究中心成果,架空配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)（具有故障區(qū)段定位功能）,.,32,山東理工大學(xué)智能電網(wǎng)研究中心成果,電纜配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)（具有故障區(qū)段定位功能）,.,33,電力系統(tǒng)故障分量基本理論,.,34,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(nèi)部故障信息和外部故障信息，其中蘊(yùn)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(yùn)行狀態(tài)與故障狀態(tài)最本質(zhì)的特征。故障信息的識別、處理和利用一直是繼電保護(hù)及故障測距發(fā)展的基礎(chǔ)。,.,35,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

8、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(dāng)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。,.,36,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(xiàn)，而在系統(tǒng)正常運(yùn)行及不正常運(yùn)行時不存在的電氣分量，即它隨著故障的出現(xiàn)而出現(xiàn)，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(shí)際上蘊(yùn)涵于故障分量之中，因而對故障信息的提取和處理可以轉(zhuǎn)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。,.,37,故障分量的基本概念,應(yīng)用故障分量構(gòu)成繼電保護(hù)動作判據(jù)時，只需要尋找區(qū)內(nèi)故障與區(qū)外故障的“差異”，而

9、不必考慮正常及不正常情況，因而，保護(hù)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(hù)誤動的措施。,.,38,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),.,39,故障分量的特點(diǎn),非故障狀態(tài)下不存在故障分量，故障分量僅在故障狀態(tài)下出現(xiàn)；故障分量獨(dú)立于非故障狀態(tài)，受電網(wǎng)運(yùn)行方式的影響不大（有一定的影響，但比傳統(tǒng)保護(hù)?。?；故障點(diǎn)的電壓故障分量最大，系統(tǒng)中性點(diǎn)處故障分量電壓為零；保護(hù)安裝處故障分量電壓電流之間的關(guān)系，取決于背后系統(tǒng)的阻抗，與故障點(diǎn)的遠(yuǎn)近及過渡電阻的大小沒有關(guān)系（但故障分量值的大小受過渡電阻及故障點(diǎn)遠(yuǎn)近的影響）。,.,40,故

10、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(shù)模型就可以了，如果還要進(jìn)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，輸電線路模型必須取為分布參數(shù)模型，如果還要進(jìn)一步考慮線路損耗及參數(shù)的依頻特性，同樣要對線路模型予以修正。,.,41,故障分量的組成,.,42,故障分量的利用,上述這些分量都可以用來構(gòu)成繼電保護(hù)：即故障分量中的工頻分量，可以用來構(gòu)成工頻變化量方向保護(hù)、工頻變化量距離保護(hù)、工頻變化量差動保護(hù)、零序保護(hù)、負(fù)序保護(hù)等；：即全部的故障分量，可以用來構(gòu)成電流突變量起動

11、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(hù)等；：暫態(tài)分量中的高頻部分，用來構(gòu)成反映單端電氣量的暫態(tài)保護(hù)。,.,43,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(gòu)成反映故障分量的繼電保護(hù)時，應(yīng)設(shè)法將故障分量從全電壓和全電流中提取出來。在微機(jī)保護(hù)中，故障分量的提取方法為（電流）：,.,44,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(jì)算出故障分量的采樣序列，利用微機(jī)保護(hù)中的各種算法可以求出其幅值、相位等特征量。,.,45,故障分量的提取與識別方法,以n2為例，波形如下：,.,46,故障分

12、量的應(yīng)用,目前在電力系統(tǒng)中廣泛采用反應(yīng)工頻電氣量的微機(jī)保護(hù)裝置，這類裝置利用了由穩(wěn)態(tài)故障分量構(gòu)成的電流元件、方向元件、選相元件和距離元件等分別構(gòu)成不同原理的保護(hù)，包括電流保護(hù)、方向性保護(hù)、差動保護(hù)、距離保護(hù)、縱聯(lián)保護(hù)及自適應(yīng)保護(hù)等。在這些保護(hù)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(diǎn)在于如何設(shè)計(jì)性能較好的工頻濾波器。,.,47,故障分量的應(yīng)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(yán)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(yīng)現(xiàn)代電力系統(tǒng)發(fā)展的需要，研究超高速線路保護(hù)具有十分重要的現(xiàn)實(shí)

13、意義。,.,48,故障分量的應(yīng)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(yán)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(hù)需要采用大量的濾波措施才能保證測量精度。嚴(yán)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(hù)不能較好地解決可靠性與速動性之間的矛盾，從而很難滿足超高速動作的要求。,.,49,故障分量的應(yīng)用,20世紀(jì)70年代以來，國內(nèi)外許多繼電保護(hù)工作者一直在致力于超高速線路保護(hù)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(hù)思想，而直接分析故障產(chǎn)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

14、。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(fù)荷變化及CT飽和等因素的影響，從而為繼電保護(hù)理論的發(fā)展開辟了一條新的途徑，這就是反應(yīng)故障暫態(tài)信息的超高速繼電保護(hù)。,.,50,故障分量的應(yīng)用,故障測距問題一直困繞著廣大的繼電保護(hù)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(jì)算測量回路的阻抗實(shí)現(xiàn)故障測距，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(zhǔn)確獲得線路兩端的系統(tǒng)參數(shù)，而這在實(shí)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(shù)據(jù)采集一般還要求能夠同步。此外，上述測距方法

15、均受傳感器誤差的影響，因而測距精度得不到保證。,.,51,故障分量的應(yīng)用,理論研究和現(xiàn)場運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)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(nèi)（誤差小于1km）。因而可以預(yù)見，反應(yīng)故障行波信息的故障測距技術(shù)必將成為快速、準(zhǔn)確查找輸電線路故障點(diǎn)的有力武器。,.,52,故障分量的應(yīng)用,在暫態(tài)故障分量中，最引人注目的莫過于行波分量，迄今為止的絕大多數(shù)超高速保護(hù)及高精度故障測距原理都是基于行波理論提出的。,.,53,故障分量的應(yīng)用,利用暫態(tài)故障分量的小電流接地故障定位（選線）技術(shù)可望徹底解決長期困擾電力部門的小電流接地故障定位

16、問題。,.,54,.,55,電網(wǎng)故障監(jiān)測,.,56,電網(wǎng)故障監(jiān)測,基本概念采用特定的技術(shù)手段對電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)量進(jìn)行實(shí)時監(jiān)視，旨在判斷電網(wǎng)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(zhì)、故障點(diǎn)所處范圍等。定量故障信息：故障及其持續(xù)時間、故障點(diǎn)準(zhǔn)確位置等。,.,57,電網(wǎng)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(wǎng)故障定位配電網(wǎng)故障定位電網(wǎng)故障監(jiān)測基本算法,.,58,故障啟動元件,.,59,故障啟動元件,.,60,故障啟動元件,.,61,故障方向檢測元件,正方向故障,反方向故障,.,62,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

17、；可用于選相跳閘。,.,63,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。,.,64,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。,.,65,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。,.,66,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。,.,67,故障選相元件,（2）選相算法的基本原理突變量電流選相,.,68,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

18、同時存在零序電流和負(fù)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(fù)序電流之間的相位差進(jìn)一步區(qū)分單相接地短路和兩相接地短路。,.,69,故障選相元件,（2）選相算法的基本原理對稱分量選相,.,70,距離元件阻抗判據(jù),距離元件動作條件：,.,71,距離元件阻抗判據(jù),距離元件動作條件：,.,72,距離元件電壓判據(jù),Zset,定義：,.,73,k1,z,Zset,k2,k3,(a),(b),(c),(d),距離元件電壓判據(jù),.,74,保護(hù)區(qū)內(nèi)k1點(diǎn)故障：,保護(hù)區(qū)外k2點(diǎn)故障：,保護(hù)區(qū)反向k3點(diǎn)故障：,距離元件電壓判據(jù),.,75,保護(hù)動作判據(jù)：,滿足該條件，說明為區(qū)內(nèi)故障，否則

19、為區(qū)外故障。,距離元件電壓判據(jù),.,76,輸電網(wǎng)故障定位,.,77,配電網(wǎng)故障定位,.,78,配電網(wǎng)故障定位,.,79,故障選線,大電流接地系統(tǒng)線路保護(hù)裝置能夠可靠檢測被保護(hù)線路發(fā)生的各種類型故障，故無需配備單獨(dú)的選線設(shè)備。小電流接地系統(tǒng)線路保護(hù)裝置只能可靠檢測被保護(hù)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(dú)的選線設(shè)備。,.,80,小電流接地系統(tǒng),中性點(diǎn)不接地（絕緣）系統(tǒng),諧振（消弧線圈）接地系統(tǒng),.,81,小電流接地系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn),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(wǎng)自動恢復(fù)正常運(yùn)行。接地電流小，可防止事故進(jìn)一步擴(kuò)大。,.,82,小電流接地系統(tǒng)存

20、在的問題,單相接地故障會導(dǎo)致非故障相電壓升高，危害電網(wǎng)絕緣。一般情況下，單相接地引起非故障相電壓升高1.732倍。接地點(diǎn)間歇拉電弧，線路電容反復(fù)充放電，電壓升高可達(dá)3.5倍。接地電弧長期存在，可能燒壞接地點(diǎn)絕緣，造成相間短路故障，導(dǎo)致保護(hù)跳閘。,.,83,小電流接地系統(tǒng)存在的問題,繼電保護(hù)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(shè)備正常工作，甚至可能造成停電事故。,.,84,小電流接地系統(tǒng)新技術(shù),消弧線圈自動調(diào)諧技術(shù)可以精確地補(bǔ)償電容電流，使接地點(diǎn)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(hù)技術(shù)利用暫態(tài)行波的小電流接地系統(tǒng)故障定位技術(shù)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(shù),.,85,小電流接地故障仿真,中性點(diǎn)不接地和經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)仿真模型,.,86,中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)仿真結(jié)果（1）,不接地系統(tǒng)故障時零模電壓和各條出線零模電流,.,87,中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)仿真結(jié)果（2）,零模電壓和各出線零模電流的暫態(tài)放大圖,.,88,中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)仿真結(jié)果（3）,