湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(論文)第頁HUNANUNIVERSITY畢業(yè)論文論文題目線路二次電弧熄滅時刻捕捉方法研究及仿真分析學(xué)生姓名學(xué)生學(xué)號專業(yè)班級電氣工程及其自動化三班學(xué)院名稱電氣與信息工程學(xué)院指導(dǎo)老師學(xué)院院長2015年 5月24日目錄HUNANUNIVERSITY 1線路二次電弧熄滅時刻撲捉方法研究及仿真分析 41. 緒論 51.1 課題背景 51.2 本文的工作： 62. 自適應(yīng)重合閘技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀 72.1 自適應(yīng)重合閘技術(shù)的發(fā)展 72.2 自適應(yīng)重合閘的分類 92.3 自適應(yīng)單相重合閘的判定方法 93. 二次電弧簡介與分析 103.1 概述 103.2 關(guān)于二次電弧的動態(tài)特性的分析 113.3 關(guān)于二次電弧重燃特性的一些分析 123.4 影響二次電弧熄滅的因素 134. 仿真軟件ATP-EMTP簡介 144.1 EMTP的歷史 144.2 ATP-EMTP功能與結(jié)構(gòu)簡介 144.3 EMTP的計算原理 165. 二次電弧熄弧時刻的仿真與分析 185.1 故障電弧模型 185.2 仿真系統(tǒng)模型簡介 195.3 判定二次電弧熄滅時刻的方法 215.4 二次電弧熄滅的判別 235.5 具體方案的實施辦法 255.6 仿真分析 296. 總結(jié) 337. 致謝 338. 參考文獻： 35

摘要：相較于傳統(tǒng)的重合閘技術(shù)，可靠的自適應(yīng)重合閘技術(shù)不僅能夠提高系統(tǒng)供電的可靠性，并且對于保證整個的電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定和經(jīng)濟運行都有十分重要的意義。當(dāng)線路發(fā)生瞬時性故障時會產(chǎn)生二次電弧，由于二次電弧熄滅時刻的不確定性，使用固定的重合閘時間的傳統(tǒng)重合閘并不可靠。針對這一問題，本文提出了一種能夠捕捉二次電弧熄滅時刻的自適應(yīng)重合閘方案。該方案首先判定故障的類型：若為永久性故障則閉鎖重合閘，若為瞬時性故障，則等待捕捉到電弧熄滅的時刻再發(fā)出重合閘信號。該方案是通過數(shù)字識別瞬時性故障與永久性故障。并通過獲取線路上的實時數(shù)據(jù)來確定重合閘的時刻。首先利用零序電壓來區(qū)分瞬時性故障和永久性故障。對于瞬時性故障再利用零序電壓的三次諧波分量來判斷電弧熄滅的時間，并發(fā)出重合閘信號。理論上，新的方法有自適應(yīng)的重合閘動作時間，并且該時間不受故障的位置，系統(tǒng)故障前的運行狀態(tài)，線路參數(shù)等因素的影響的特點。本文利用EMTP仿真計算隨該方案的可行性與可靠性進行了驗證，仿真結(jié)果表明該方法能夠有效區(qū)分瞬時性故障和永久性故障，并在瞬時性故障時順利捕捉到二次電弧的熄滅時刻，在恰當(dāng)?shù)臅r刻發(fā)出重合閘信號，增加了重合閘的成功機率提高了電力系統(tǒng)運行的可靠性與穩(wěn)定性。關(guān)鍵詞：自適應(yīng)重合閘；二次電??；零序電壓；三次電壓諧波Abstract：Comparedwiththeconventionalsingle-phasereclose,reliableadaptivereclosingtechniquecannotonlyimprovethereliabilityofthepowersystem,butalsoplayanimportantroleinsecurityandeconomicoperationofthepowersystem.Inthispaper,anewdigitalalgorithmofadaptiveauto-reclosingwhichcancapturetheextinguishedmomentsecondaryarcisproposed.Thealgorithmfirstdeterminesthetypeoffault:Ifthefaultispermanentlockoutreclosing,ifatransientfault,thenwaitforthemomenttocapturethearcisextinguishedandthensendreclosesignal.Themethodidentifiestransientfaultsandpermanentfaultsviadigitalidentification.Theproposedalgorithmdeterminesthereclosingtimebymeasuring.Thisalgorithmdistinguishesbetweentransientfaultsandpermanentfaultsbyusingthezerosequencevoltagemeasuredattherelayingpoint.Asfortransientfaults,Thisalgorithmusethethirdharmonicofthezerosequencevoltagetoevaluatingtheextinctiontimeofsecondaryarcandtoinitiatingreclosingsignal.Theproposedalgorithmusesanadaptivethresholdlevelandthereforeitsperformanceisindependenttofaultlocation,thesystempre-faultoperatingconditions,andlineparameters.Thealgorithmhasbeensuccessfullytestedbytheelectro-magnetictransientprogram(EMTP)toverifythefeasibilityandreliabilityofthealgorithm.Thetestresultshavedemonstratedvalidityofthealgorithmindeterminingthesecondaryarcextinctiontime,blockingunsuccessfulautomaticreclosingandimprovingthereliabilityandstabilityofpowersystemoperation..Keywords:adaptiveauto-reclosing;secondaryarc;zerosequencevoltage;thirdharmonicofvoltage緒論隨著中國經(jīng)濟的不斷發(fā)展，我們對能源的需求也在不斷提高。作為一種清潔的二次能源，電能在經(jīng)濟的發(fā)展中扮演著重要角色。為適應(yīng)經(jīng)濟發(fā)展的需要，現(xiàn)代電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，電壓等級不斷提高，輸送容量輸送能力不斷增加。超高壓大容量輸送已經(jīng)成為一種常態(tài)。這種情況下，對電力系統(tǒng)可靠性與穩(wěn)定性的要求也越來越高。因此，保證電力系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的運行關(guān)系到我國的經(jīng)濟活動和人民的日常生活。課題背景根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，電力系統(tǒng)短路故障多發(fā)生在輸電線路（尤其是架空輸電線路），它們大概占電力系統(tǒng)短路故障的90%左右。而線路故障又大約80%是瞬時性故障，例如大風(fēng)引起的線路碰撞，鳥類及樹枝等異物造成的短路，污穢或雷擊引起的絕緣子表面閃絡(luò)等。這些故障發(fā)生后，線路繼電保護就會快速動作切除故障線路。對于瞬時性故障，故障相切除之后，故障處的電弧熄滅，故障便會消失，線路可以重新投入運行。自動重合閘技術(shù)便是在故障消失后自動進行合閘的技術(shù)，是保證電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的重要手段。因此在輸電線路中加入自動重合閘裝置，讓發(fā)生故障的線路恢復(fù)正常后再次投入系統(tǒng)不僅可以使輸電線路故障后恢復(fù)正常供電，還可以有效避免線路斷路器可能發(fā)生的誤碰跳閘，繼電保護誤判誤動所造成的損失，大大提高供電系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性。但是電力系統(tǒng)中還存在著永久性的故障，比如斷線，絕緣子被擊穿損壞，線路塔倒地，地震等自然災(zāi)害等。這些故障在繼電保護動作之后仍然存在，即使重合閘動作，由于故障相會再次跳開，并不能恢復(fù)正常供電，造成重合閘失敗。這樣反而會由于重合于故障會給輸電線路造成二次沖擊，使斷路器的工作環(huán)境變得更加惡劣，降低電力系統(tǒng)并列運行的穩(wěn)定性。為了應(yīng)對以上狀況，解決自動重合閘可能重合于永久性故障所帶來的損失，應(yīng)在重合閘之前對故障性質(zhì)進行判別，在發(fā)生瞬時性故障時對故障點的熄弧時刻進行撲捉，在永久性故障發(fā)生時閉鎖重合閘裝置，以求最大程度的保護電力系統(tǒng)。自適應(yīng)重合閘技術(shù)有減少停電次數(shù)，提高供電可靠性，提高電力系統(tǒng)并列運行的穩(wěn)定性，提高輸電送容量，避免了重合于永久性故障所造成的二次沖擊等諸多優(yōu)點。通過捕捉二次電弧熄滅時刻來確定重合閘信號發(fā)出的時間是自適應(yīng)重合閘技術(shù)研究的一個方向。具體辦法是：當(dāng)瞬時性故障發(fā)生時，繼電保護動作使斷路器斷開，然后對二次電弧是否熄滅進行判斷，待電弧熄滅后發(fā)出重合閘信號。本文的工作：本文主要完成了以下工作：區(qū)分瞬時性故障與永久性故障，研究瞬時性故障時二次電弧熄弧時刻的撲捉方法，為輸電線路合閘最優(yōu)時刻的確定提供參考。建立基于EMTP仿真技術(shù)的輸電線路瞬時性故障仿真模型，并根據(jù)該模型，分析輸電線路單相接地故障二次電弧階段故障相端電壓的信號特征。提出輸電線路發(fā)生瞬時性故障時二次電弧熄弧時刻的撲捉方法，并對該方法的可行性進行仿真驗證。自適應(yīng)重合閘技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀自適應(yīng)重合閘技術(shù)的發(fā)展自適應(yīng)重合閘技術(shù)可以說是一種改進的自動重合閘技術(shù)。早期的自動重合閘技術(shù)由于其原理簡單，成本低，作為一種提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行的重要措施一直是國內(nèi)外學(xué)者的研究的重點。我國是較早采用自動重合閘技術(shù)的國家之一，該技術(shù)讓我國電力系統(tǒng)有效的避免了因瞬時性故障所造成的停電帶來的損失，保證了系統(tǒng)的安全供電和可靠的穩(wěn)定運行，并獲得了可觀的經(jīng)濟效益。但是傳統(tǒng)的重合閘技術(shù)重合于永久性故障對系統(tǒng)造成的危害卻并不能忽視。早期的自動重合閘技術(shù)不對故障性質(zhì)進行判別，即不知道是瞬時性故障還是永久性故障就進行盲目的重合閘。這種情況下，線路可能會重合于永久性故障，對電力系統(tǒng)和電力設(shè)備所造成大于故障本身所造成的破壞。為了使傳統(tǒng)的自動重合閘技術(shù)的這一缺陷得到解決，電力研究人員提出了各種方法。最初，人們把研究的方向是尋找合適的重合閘信號發(fā)出時刻。為了保證瞬時性故障發(fā)生時能夠重合閘成功，而永久性故障發(fā)生時，若重合于永久性故障能時夠及時地再次跳開，以往人們對重合閘時間的整定的想法是越快越好，在保證穩(wěn)定性與可靠性的基礎(chǔ)上取一段最小的時間作為重合閘信號發(fā)出的時間，以求盡可能的減少重合于永久性故障時的危害。后來，有學(xué)者發(fā)現(xiàn)以往的重合閘“越快越好”的觀點其實是人們的一種誤解。并提出了“最優(yōu)的重合閘時間”的方法。該理論認為，不論對于瞬時性故障和永久性的系統(tǒng)故障都存在著一個最佳的重合閘時間，當(dāng)重合于最佳時間時，瞬時性故障可以經(jīng)過較小的波動快速回到穩(wěn)定狀態(tài)；而在永久性故障時，可以有效阻尼系統(tǒng)的搖擺，提高系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定極限。而在實際應(yīng)用中，這種方法有效改善了重合于永久性故障時系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但卻沒有從根本上避免可能重合于永久故障時給電力系統(tǒng)和電氣設(shè)備所帶來的再次沖擊。為了根本解決傳統(tǒng)的盲目重合閘的弊端，我國有學(xué)者在上世紀(jì)八十年代自適應(yīng)重合閘技術(shù)的概念。自適應(yīng)重合閘與傳統(tǒng)的自動重合的根本區(qū)別是是否對故障的性質(zhì)進行判別。方便讀者理解，具體如圖1所示：瞬時性故障瞬時性故障重合閘線路發(fā)生故障斷路器跳開判別故障重合閘永久性故障瞬時性故障永久性故障不重合閘重合閘成功斷路器跳開重合閘失敗圖1將自動重合閘裝置改進為自適應(yīng)重合閘裝置，其主要問題是對重合閘前的故障性質(zhì)的識別，因此對自適應(yīng)重合閘技術(shù)有以下要求：當(dāng)斷路器由繼電保護動作或其他原因跳閘后，若被判定為永久性故障，則自適應(yīng)重合閘不動作。由工作人員手動斷開斷路器，或斷路器處于不正常狀態(tài)而不希望重合閘時，自適應(yīng)重合閘不動作。當(dāng)斷路器由繼電保護或其他原因跳開后，被判定為瞬時性故障時，自適應(yīng)重合閘應(yīng)該動作。自適應(yīng)重合閘動作后應(yīng)能自動復(fù)位，準(zhǔn)備好下次動作。但10kv電壓以下線路，當(dāng)?shù)赜兄蛋嗳藛T時，為簡化自適應(yīng)重合閘的實現(xiàn)，也可以采用手動復(fù)位的方式。對于雙側(cè)電源的自適應(yīng)重合閘，應(yīng)考慮到兩側(cè)電源間的同步問題。自適應(yīng)重合閘的分類自適應(yīng)重合閘相對于傳統(tǒng)的重合閘方式只是增加了對故障性質(zhì)的判別。其分類，可以按照其控制斷路器相數(shù)的不同分為自適應(yīng)單相重合閘、自適應(yīng)三相重合閘、自適應(yīng)分享重合閘。本文只探討自適應(yīng)單相重合閘。自適應(yīng)單相重合閘的判定方法近年來，單相自適應(yīng)重合閘的方法和理論日趨成熟，奠定了實際運用的理論基礎(chǔ)。目前典型的有電壓判據(jù)方法、基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能識別方法、基于電弧原理判斷故障性質(zhì)的判別方法等。利用耦合電壓的判據(jù)：電壓判據(jù)法是自適應(yīng)重合閘技術(shù)已經(jīng)投入到實際應(yīng)用的典型方法?；驹硎强疾炀€路故障跳閘相與正常相引起的電容耦合電壓和電磁耦合電壓。發(fā)生瞬時性故障時，斷路器斷開故障便會消除，因而電容耦合電壓和電磁耦合電壓會同時存在；當(dāng)發(fā)生永久性故障時，由于故障一直存在，電容耦合電壓對地放電到零，只剩電磁耦合電壓。因此便可以判斷出系統(tǒng)此時的故障是瞬時性故障還是永久性故障。但是當(dāng)系統(tǒng)的末端出口處發(fā)生永久性姐弟故障時，在系統(tǒng)線路的對端可能會出現(xiàn)一段誤動區(qū)域，可能會發(fā)生對永久性故障的誤判，將其定性為瞬時性故障。為了解決問題，文獻[6]對于這個缺陷，針對高壓輸電線路長距離重負荷的特點提出了“補償電壓判據(jù)”；針對與特高壓的中性點帶小電抗器或帶并聯(lián)補償電抗器的輸電線路，提出了“組合判據(jù)”的解決方案。但是以上方法均存在特殊情況下發(fā)生的誤判。利用二次電弧電壓特性的方法：二次電弧滅弧時間的撲捉是實現(xiàn)自適應(yīng)重合閘的關(guān)鍵技術(shù)，文獻[7]根據(jù)二次電弧發(fā)生時，奇次諧波的能量的百分比以及諧波的衰減速度在瞬時性故障和永久性故障這兩種不同故障性質(zhì)下，隨時間變化的規(guī)律存在差異這一現(xiàn)象，提出了區(qū)別瞬時性故障與永久性故障的方法。但該方案難以確定判據(jù)使用的時間，必須在短時間內(nèi)連續(xù)多次采樣，并計算各次諧波幅值。另外該方法計算比較復(fù)雜，它的靈敏性還受到諧波幅值的影響。文獻[8-9]介紹了一種利用諧波的含量來判定帶或不帶并聯(lián)電抗器的線路發(fā)生的接地故障的故障的性質(zhì)的方法。文獻[10]通過斷路器斷開后二次電弧的電弧特性的分析，提出了比較不同故障發(fā)生時母線上的諧波性質(zhì)，用同種類型的改進型，遞歸復(fù)小波的相位特性來區(qū)分故障性質(zhì)，同時利用地歸復(fù)小波幅值特性來輔助檢測個暫態(tài)過程，進而實現(xiàn)自適應(yīng)重合閘的方法。除以上所述兩種法外，對于基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等數(shù)學(xué)方法的判據(jù)，對故障電壓分析的基礎(chǔ)上提出的一些判據(jù)等不再做過多介紹。本文主要探討利用二次電弧的熄弧時刻來確定重合閘時刻的方法。二次電弧簡介與分析概述當(dāng)線路發(fā)生故障后，斷路器斷開之前存在的電弧稱作一次電弧。在發(fā)生瞬時性故障時，繼電保護動作，斷路器斷開后在故障點由于故障相與正常相的相間電容和耦合電感相互作用，故障點仍有電弧存在，此時的電弧稱為二次電弧。通常情況下，二次電弧的熄滅可以通過電弧間隙，輸電線路，周圍環(huán)境之間的能量守恒來判定。電弧產(chǎn)生后，當(dāng)弧柱耗散的能量大于吸收的能量時電弧便會熄滅。但實際上，瞬時性故障和永久性故障電弧的動態(tài)變化特性，持續(xù)時間等方面是有差異的。在永久性故障的情況下，電弧很快就會熄滅。而在瞬時性故障的情況下，電弧要經(jīng)歷燃燒-熄滅-重燃的反復(fù)過程。

關(guān)于二次電弧的動態(tài)特性的分析發(fā)生瞬時性故障時，故障相斷路器跳開之前存在的電弧為一次電弧，斷路器斷開后并不會熄滅，而是繼續(xù)存在一段時間的電弧便是二次電弧。圖2a和圖2b分別為一次電弧和二次電弧的電流特性。從圖中可以看出，由于斷路器斷開，二次電弧依靠互感產(chǎn)生電弧電流，因而二次電弧的電弧電流要比一次電弧小得多。同時，二次電弧受到故障點的位置，故障處的環(huán)境溫度，濕度，風(fēng)等更為復(fù)雜的因素的影響。二次電弧在經(jīng)過燃燒-熄滅-重燃的反復(fù)過程后，直到二次電弧重燃電壓大于電弧電壓之后，二次電弧才會最終熄滅。從圖中可以看出，由于不經(jīng)歷重燃的過程，一次電弧的電流波形是較完美的正弦波，而二次電弧的電流波形中存在較多諧波。另外，在二次電弧期間，相對于以次電弧而言，二次電弧的電弧長度被明顯的拉長?？梢酝ㄟ^文獻[11]來參考二次電弧的伏安特性，二次電弧動態(tài)特性的數(shù)學(xué)模型在后文給出。圖2a圖2b關(guān)于二次電弧重燃特性的一些分析電弧的重燃電壓的上升速度與時間存在函數(shù)關(guān)系，電弧的重燃電壓隨著時間的增加不斷的增加，同時，重燃電壓還與電弧電流有關(guān)。它們之間的關(guān)系可以通過如下的經(jīng)驗公式來描述：vrtr=5+1620htr-TeVr=vrt其中，vr是電弧重新?lián)舸r的電位梯度，Te為電弧產(chǎn)生到熄滅（包括暫時的和永久的熄滅）的時間，隨著二次電弧存在時間的持續(xù)和電弧長度的增長二次電弧的重燃電壓不斷升高。因而在故障處的電弧的電壓變化的過程中，當(dāng)電弧電壓小于電弧的重燃電壓時，這時電弧電流在過零點附近，此時電弧便會熄滅；而當(dāng)電弧電壓大于電弧重新燃燒所需的電壓時，二次電弧就會重燃；隨著時間的持續(xù)，電弧重燃所需電壓的不斷提高，最后，電弧電壓永遠小于電弧的重燃電壓，電弧不再重燃并徹底熄滅。二次電弧的長度是影響電弧特性的重要因素，電弧的長度主要受故障發(fā)生后，正常相的電流與故障相由于耦合作用而產(chǎn)生的電磁作用；弧道處的離子與周圍空氣間的相互對流；其它的環(huán)境因素，如濕度，溫度，風(fēng)等，因素的影響。影響二次電弧熄滅的因素文獻[12]中利用約翰弧模型對我國晉東南到荊門高壓輸電線路仿真得到：并聯(lián)電抗器中性點接地的方法可以有效抑制二次電弧的影響，縮短二次電弧的熄弧時間。當(dāng)相間電容完全補償時，電弧電流達到最小值，電弧電流快速熄滅。兩端并聯(lián)電抗器中性點接地的方法要比一端并聯(lián)電抗器中性點接地，另一端直接接地的補償效果好。電弧熄滅的時間都有隨著初始弧長增加而減少的趨勢。二次電弧熄滅時間隨著故障距離的增加有下降的趨勢。在使用懸掛絕緣子串時較大的風(fēng)速可以減少電弧熄滅的時間。當(dāng)絕緣子串受污染時大的風(fēng)速會導(dǎo)致熄弧時間延長甚至無法熄弧。環(huán)境濕度，溫度，氣壓，海拔高度也會影響二次電弧的熄滅時間。因而，二次電弧的熄滅是受復(fù)雜的多因素影響的。電力系統(tǒng)的線路參數(shù)，補償情況，故障發(fā)生的位置，初始電弧長度，氣象，地理條件都是影響二次電弧熄滅原因。其中風(fēng)的速度和方向是影響其的主要氣象因素。

仿真軟件ATP-EMTP簡介EMTP的歷史EMTP最初是由加拿大大不列顛哥倫比亞大學(xué)的H.W.Dommel創(chuàng)建的，H.W.Dommel在他的博士論文中將水力學(xué)中用于流體計算的Schnyder-Bergeron法用于電壓和電流的行波計算。1966年H.W.Dommel到美國邦納維爾電力局（BPA）就職，并繼續(xù)EMTP的開發(fā)。并于1968年完成了EMTP的原形。Dommel1960年從邦納維爾電力局退職，W.S.Meyer接替他繼續(xù)EMTP的開發(fā)和管理工作。1976年EMTP完成了可用于課中計算機的通用版本UTFP和E/T。1982年EMTP成立了聯(lián)合開發(fā)機構(gòu)DCG。第二年，EPRI加入DCG，成立了DCG/EPRI。后來，在關(guān)于EMTP的版權(quán)問題上，BPA與EPRI產(chǎn)生分歧，并對立化。作為美國政府機構(gòu)，BPA主張無償公開使用EMTP。而EPRI是私營性質(zhì)的企業(yè)，主張占有版權(quán)，有償使用EMTP。1984年BPA停止了EMTP的開發(fā)，W.S.Meyer著手開發(fā)ATP。1987年BPA退出了DCG。在1984年之前的十多年里，BPA主導(dǎo)了EMTP程序的開發(fā)的工作，并對EMTP的開發(fā)工作提供了人力和財力上的大力支持。EMTP是一個不斷發(fā)展的軟件，并擁有大量的資源，因而成為美國電力系統(tǒng)和電子電子仿真方面的工作標(biāo)準(zhǔn)。EMTP在用于個人計算機方面已發(fā)展成多種版本，比如ATP，DCG，BPA等。它們都擁有EMTP原版的大部分功能。其DCG-EMTP是有償使用的EMTP，BPA-EMTP是最早期BPA無償提供的EMTP版本，現(xiàn)在已經(jīng)停止了更新。BPA的用戶現(xiàn)在大多轉(zhuǎn)用ATP。本文使用的軟件為ATP。ATP-EMTP功能與結(jié)構(gòu)簡介EMTP軟件基本的功能是用來電力系統(tǒng)的仿真計算，最常用也是最典型的功能是預(yù)測電力系統(tǒng)在經(jīng)過某個擾動，比如故障或開關(guān)的投入切斷等，之后研究某個被關(guān)注的變量隨時間的變化規(guī)律。另外，同時利用EMTP的穩(wěn)態(tài)分析與暫態(tài)分析功能，可以對電力系統(tǒng)的諧波進行仿真分析。此外，電力電子領(lǐng)域的仿真計算，EMTP軟件也有很多用武之地。目前，ATP-EMTP中的數(shù)學(xué)數(shù)學(xué)模型包括了常見的電容、電感、電阻、電源、輸電線路、開關(guān)等常見的電氣元件之外，還包括了控制系統(tǒng)和用戶自定義模塊?？刂葡到y(tǒng)可以利用TACS（控制系統(tǒng)暫態(tài)分析）來實現(xiàn)，它是一個在時間領(lǐng)域的仿真模塊，允許不同種類的邏輯與非線性運算。控制系統(tǒng)的輸入與輸出可以與EMTP的電網(wǎng)絡(luò)互相借口。TACS作為EMTP控制系統(tǒng)的模擬工具，擴展了EMTP的功能與應(yīng)用。TACS提供了供電網(wǎng)絡(luò)與控制系統(tǒng)的接口，控制系統(tǒng)利用方形結(jié)構(gòu)圖來表示限幅器，傳遞函數(shù)等控制元器件之間的相互關(guān)系，并且只要對輸入的信號和輸出的信號進行合適的命名，各個模塊之間便能隨意連接。TACS模塊對模擬裝置、控制系統(tǒng)與現(xiàn)象和電氣網(wǎng)絡(luò)之間進行分開求解，電氣網(wǎng)絡(luò)的輸出結(jié)果可以作為同時步的TACS模塊的輸入值，而TACS模塊的輸出結(jié)果只能作為下一時步的電氣網(wǎng)絡(luò)解的輸入值。網(wǎng)絡(luò)的電流源，電壓源，節(jié)電電壓，開關(guān)電源，開關(guān)狀態(tài)和一些內(nèi)部量都可以作為TACS的輸入量。而TACS的輸出信號可以作為網(wǎng)絡(luò)解的電壓源或電流源，也可以作為開關(guān)通斷的命令。同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的控制模擬，電力系統(tǒng)保護和監(jiān)視設(shè)備的模擬，HVDC換流站的控制的模擬都可以通過TACS來實現(xiàn)。除了TACS以外，ATP-EMTP還配有靈活的描述語言MODELS（仿真語言）。MODELS語言是研究時域系統(tǒng)特性的一種通用描述語言，并且支持多種仿真工具。MODELS描述每個模型可以使用自由格式、無主題詞的語法來限制上下文，即主要由自我引證。通過MODELS語言，ATP用戶可以描述任何自定義的控制系統(tǒng)和電路結(jié)構(gòu)，并且為其它程序或模塊提供一個連接到ATPDRAW的接口。MODELS語言在ATP-EMTP中的作用可以歸納為以下幾個方面：當(dāng)所需電路或控制元件模型難以用ATP和TACS中的現(xiàn)有元件實現(xiàn)時，作為開發(fā)電路與控制元件模型的工具。用來描述元件是如何運行的，元件的初始狀態(tài)是如何建立的。由于程序語言的靈活性因而不需要再編成級別上與ATP程序相互作用。在模擬級上，通過電壓、袋內(nèi)和控制信號建立與ATP標(biāo)準(zhǔn)的程序接口，不需要通過編程，用變量，公用數(shù)據(jù)區(qū)和子程序與ATP接口。這樣，當(dāng)ATP與外部相連時不用必須知道ATP內(nèi)部是如何運行的，也不用改變ATP的源程序。本文利用了ATP-EMTP中的TACS模塊進行了仿真。EMTP的計算原理EMTP對于電磁暫態(tài)過程的計算是基于梯形積分的規(guī)則，將伴隨模型作為動態(tài)元件，并建立節(jié)電方程，然后再利用稀疏矩陣，LU因式分解法來對稀疏矩陣進行求解。EMTP將分布參數(shù)線路在內(nèi)的，全部電力系統(tǒng)的元件用等值的電流源和等值電阻來代替，之后再對等值回路的節(jié)點電壓方程進行求解，如圖3所示。這樣，從原理上來說，不管網(wǎng)絡(luò)多么復(fù)雜，都可以用來相應(yīng)的節(jié)點導(dǎo)納矩陣來表示。程序本身不再受到計算網(wǎng)絡(luò)的限制。雖然EMTP主要用于電力系統(tǒng)暫態(tài)過程的計算，但是通常來講，暫態(tài)過程是電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行的繼續(xù)。因此，為了方便暫態(tài)過程的計算，為其提供必要的初始條件，EMTP還可以進行電力系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)下的計算。在進行穩(wěn)態(tài)計算時，對于網(wǎng)絡(luò)中的非線性元件EMTP會對其進行線性化，并不會考慮元件的非線性特性。當(dāng)利用EMTP進行暫態(tài)計算時，對于線性元件，程序會用其等值元件進行替代，然后再求出其等值電路節(jié)點導(dǎo)納矩陣的解。而對于非線性元件，程序會對其進行分段線性化，補償?shù)炔煌姆椒ㄟM行處理。在EMTP中TACS模塊和MODELS分別可以模仿控制系統(tǒng)和非線性元件，比如電暈電弧等等。TACS采用與實際系統(tǒng)相似的結(jié)構(gòu)，它是由控制系統(tǒng)中的各種模擬元件連接而成，因而可以對各種各樣的控制系統(tǒng)進行模擬。利用TACS可以同時對電力系統(tǒng)的暫態(tài)過程和控制系統(tǒng)的暫態(tài)過程進行研究。由于沒有采用迭代的方法進行求解，TACS避免了迭代法可能帶來的不收斂性和解的不確定。同時TACS內(nèi)部采用了一些特殊的方法來加快了計算的速度，節(jié)省了計算的時間。程序進行初始狀態(tài)非零的計算時，可以通過用戶輸入或穩(wěn)態(tài)相量解法來確定初始狀態(tài)。另外，EMTP的穩(wěn)態(tài)計算功能也可以為暫態(tài)計算提供初始條件。采用這種方法時，若研究的網(wǎng)絡(luò)中含有在穩(wěn)態(tài)過程中起作用的非線性元件時，該方法可能得不到正確的初始狀態(tài)。這時需要考慮非線性元件的影響的基礎(chǔ)上來對穩(wěn)態(tài)過程進行計算，并以此為基礎(chǔ)進行暫態(tài)計算，一直到達到穩(wěn)定狀態(tài)為止。輸入數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)歷史項計算和構(gòu)筑G矩陣旋轉(zhuǎn)電機和非線性元件初始化EMTP啟動編制接續(xù)表稀疏矩陣處理構(gòu)筑Y矩陣穩(wěn)態(tài)計算TACS初始化t=0TACS計算G矩陣更新和三角化歷史項更新旋轉(zhuǎn)電機和非線性元件處理開關(guān)處理輸出結(jié)果計算t=t+?tt≥Tmax?節(jié)點方程式求解支路電流計算電源計算ENDNY圖3.EMTP暫態(tài)計算流程圖除了進行電力系統(tǒng)暫態(tài)過程和穩(wěn)定狀態(tài)的計算，EMTP還可以用來分析雷擊，開關(guān)的閉合等對稱和不對稱故障或擾動；利用頻率掃描的方法可以計算相量網(wǎng)絡(luò)的頻率響應(yīng)特性；利用諧波電流注入的方法可以進行頻域的諧波分析；TACS控制系統(tǒng)和MODELS語言還可以用來模擬無線網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)系統(tǒng)。REF_Ref420239830\r\h二次電弧熄弧時刻的仿真與分析故障電弧模型上面已經(jīng)講過，故障電弧可以分為故障發(fā)生時產(chǎn)生的高電流的一次電弧和斷路器斷開后仍然存在的低電流的二次電弧，并且，二次電弧是靠正常相遇故障相之間的互相耦合維持的。一次電弧與二次電弧通常用公式（5.1）來描述：dgdt=1τG其中g(shù)是時變電弧電導(dǎo)，G是固定電弧電導(dǎo)，τ是給定電弧的時間常數(shù)。文獻[13]中提出，電弧的固定電導(dǎo)可由以下公式得到：G=iu0+ri其中i是電弧電流的絕對值，u0是單位長度的電弧電壓，r是單位長度的電弧電阻，l對于一次電弧而言，τ和l是恒定的，分別等于它們的初始值。而二次電弧的τ和l是隨時間變化而變化的。同時，電弧的長度還受風(fēng)速的影響。當(dāng)風(fēng)速較小時（0到1m/s之間），它們之間的關(guān)系可以用近似公式（5.4）來描述：l=10trl0其中tr是二次電弧持續(xù)的時間，l另外，時間常數(shù)τ與電弧長度l存在以下關(guān)系：τ=τ0ll其中τ0是初始時間常數(shù)，α仿真系統(tǒng)模型簡介圖4.輸電線路仿真本文仿真如圖4所示，圖4是一條600kv，300km的單線輸電線路。具體參數(shù)如下所示：R1=0.01133V/km,，B1=3.81mmho/km，X1=0.3037V/km。B兩條母線的源節(jié)點阻抗為：Z1A=8∠85°Ω，故障前的負載狀態(tài)數(shù)據(jù)為A與B的電壓比以及他們的相位差：ρ=VA∕利用EMTP中的TACS來模擬圖4所述電路的故障電弧模型，電弧的初始數(shù)據(jù)如下所示：u0=0.9kv/m，τ0=1ms，r=22mΩ/m，α=-0.5，l模擬故障分別設(shè)定為發(fā)生在輸電線路A相的單相接地的瞬時性故障和永久性故障。利用圖5a和圖5b所示的模型對故障進行仿真，得到故障時的電壓波形，結(jié)果如圖6a和圖6b所示。圖6a中，瞬時性故障時，當(dāng)t=0.1s時刻，故障發(fā)生，并產(chǎn)生一次電弧。在t=0.2s時刻，繼電保護讓斷路器動作，并斷開故障相。此時，故障電弧由一次電弧變?yōu)槎坞娀?。最后，在t3?0.6s時刻，經(jīng)過弧經(jīng)的去離子，二次電弧熄滅。由于故障相與正常相之間的相互耦合，恢復(fù)電壓出現(xiàn)直流偏移。圖6b中為永久性故障的情況，t=0.1s時刻，故障發(fā)生，次電弧。在圖5a.瞬時性故障仿真電路圖5b.永久性故障仿真電路圖6a.瞬時性故障時的電壓波形圖6b.永久性故障時的電壓波形判定二次電弧熄滅時刻的方法新的方法通過利用測量故障后的零序電壓分量來實現(xiàn)自適應(yīng)重合閘。零序電壓的時域可以通過對陳分量變換等數(shù)學(xué)方法獲得。V0i=13Va其中V0i是零序電壓的第i個樣本，Vai，Vbi，永久性故障與瞬時性故障的判別圖7a和圖7b分別為永久性故障個瞬時性故障發(fā)生時零序電壓的仿真波形。從圖中可以看出：對于瞬時性故障，在故障發(fā)生時，二次電弧熄滅之后將會出現(xiàn)恢復(fù)電壓的直流偏移。而對于永久性故障，由于故障一直存在將不會出現(xiàn)這種情況。新的算法利用這個現(xiàn)象，通過計算零序電壓的平均值（直流偏移），來區(qū)分永久性故障與瞬時性故障。直流偏移的絕對值Mi可以通過下面公式來計算Mi=1Nn=i-N+1其中N為樣本數(shù)量。圖7a.永久性故障時的零序電壓圖7b.瞬時性故障時的零序電壓通過計算可以得到，發(fā)生瞬時性故障時，二次電弧熄滅后M出現(xiàn)非零值，而永久性故障時，M恒為零。這一差別可以用來區(qū)分永久性故障和瞬時性故障。當(dāng)M為零且保持不變時，認定為永久性故障，若M發(fā)生變化時，則認定為瞬時性故障。即fi=1Mif為1時代表瞬時性故障，0代表永久性故障。另外，需要提到的是，上述對電壓的判定方法并不適用于電流。也就是說瞬時性故障和永久性故障的零序電流波形并無太大區(qū)別。這種情況我們從恢復(fù)電壓會出現(xiàn)偏移而電流并無這種情況便可以預(yù)料到。這一現(xiàn)象也可以通過仿真驗證，本文不再詳細贅述。二次電弧熄滅的判別上面提到的方法可以有效區(qū)分瞬時性故障于永久性故障，但它并不能用來判定二次電弧熄滅的時間。這是因為在二次電弧時段，M值受到電弧性質(zhì)，線路參數(shù)，線路長度等多種因素的影響。下面會講到電弧熄滅時間的判定方法。圖8a.瞬時性故障時的零序電壓的三次諧波分量圖8b.永久性故障時的零序電壓的三次諧波分量通過對瞬時性故障的非線性特性引起的電弧電壓的畸變和零序電壓的諧波進行分析發(fā)現(xiàn)，三次諧波較其它次諧波在二次電弧熄滅前后發(fā)生明顯的變化。圖8a與圖8b分別為瞬時性故障與永久性發(fā)生時零序電壓的三次諧波分量波形圖。故障設(shè)定為0.1s時刻故障發(fā)生，0.2s時刻斷路器斷開。對于瞬時性故障，在0.6s時刻二次電弧熄滅。從圖中可以看出，瞬時性故障時，0.2s斷路器斷開后，零序電壓的三次諧波分量經(jīng)歷一次突變后緩慢上升，在二次電弧熄滅后突變?yōu)榱?。因而，可以利用零序電壓的三次諧波來作為判定電弧熄滅的重要參數(shù)。三次諧波可以用離散的傅立葉變換來描述：V30i=2V30i=V在獲取零序電壓的三次諧波之后，當(dāng)前時步的值與上一時步的值相累加，得到一個累加信號Wk=Δtn=1Δt為采樣時間間隔圖圖4.單相接地故障時W與V3將V30和W的計算值進行對比發(fā)現(xiàn)，可以得到在二次電弧期間，V30是大于W的，而電弧熄滅以后，V30小于ei=1Wi≥因而可以通過e的變化來判斷電弧是否熄滅。具體方案的實施辦法新算法利用EMTP中的TACS仿真，詳見圖9：圖9圖9.該方法的仿真框圖該算法的信號邏輯圖如圖10所示，AND#1的作用是為了防止正常操作以及斷路器動作前所產(chǎn)生的零序電壓的影響。當(dāng)繼電器檢測到故障或斷路器動作時，AND#1的輸出值將變?yōu)椤?’。AND#1的輸出結(jié)果要經(jīng)過3個周期的循環(huán)來克服斷路器動作所產(chǎn)生的擾動。這樣只有繼電器檢測處于高電平且故障電流變小時間超過60ms（三個循環(huán)）時，該算法才會啟動。需要指出的是，這種方法動作的速度不受特定的時間的影響。當(dāng)發(fā)生永久性故障時將不會有重合閘信號發(fā)出。而發(fā)生瞬時性故障時，由于二次電弧的影響，則可能要持續(xù)數(shù)個周期。通過公式（5.12），不斷地比較W和V30的值來產(chǎn)生信號‘e’。當(dāng)斷路器動作，并且故障被清除時AND#2的輸出結(jié)果變?yōu)椤?’，當(dāng)二次電弧徹底熄滅時‘e’的輸出變?yōu)椤畯睦碚撋现v，為了獲得用于區(qū)分瞬時性故障和永久性故障的信號‘f’，M應(yīng)該和‘0’相比較。但實際上，為了預(yù)防永久性故障時零序電壓的小擾動，M和一個極小值ε比較。在本文所用的400KV的仿真中，ε被設(shè)定為40V。更多的案例研究表明，ε的設(shè)定值達到400V甚至更高時并不影響該方法的正常工作。這是因為在瞬時性故障當(dāng)中，電弧熄滅之后的M值遠遠高于系統(tǒng)正常電壓的千分之一。因而確定固定的ε值并沒有太多的意義，甚至可以不用考慮ε的整定。根據(jù)上文描述，當(dāng)發(fā)生瞬時性故障時，‘f’的值為‘1’。這樣，經(jīng)過AND#2，‘e’值不發(fā)生改變并被傳送到S。而當(dāng)發(fā)生永久性故障時，‘f’的值為‘0’，AND#2，的輸出結(jié)果也為‘0’，不改變S的狀態(tài)，因而重合閘不動作。由于零序電壓的三次諧波（V30）的小擾動可能會使S的狀態(tài)發(fā)生交替變化。為了解決這個問題，S信號在作為合閘信號之前被輸入到一個RS觸發(fā)器之上，她的真指表如表1所示。我們可以從表1看出RS觸發(fā)器，實際上是被用作了一個鎖存器。如圖11所示故障發(fā)生后的三個循環(huán)之后，R的狀態(tài)是‘0’，因為S也是‘0’狀態(tài)，Q的最終輸出結(jié)果不變。當(dāng)S的狀態(tài)發(fā)生第一次改變時，鎖存器將會被重置，輸出Q的狀態(tài)變?yōu)椤?’。之后，由于R一直為‘0’，S之后的變化將不會對RS觸發(fā)器比較器≥比較器RS觸發(fā)器比較器≥比較器≥3個循環(huán)圖圖10.重合閘信號的邏輯圖RSQ動作00上一狀態(tài)不變011置數(shù)100重置11？禁止表表1.觸發(fā)器的真值表圖11.圖11.瞬時性故障是邏輯電路的狀態(tài)變化利用本文所講的故障模型對這種方法進行仿真驗證，結(jié)果如圖12所示。從仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)二次電弧熄滅時，Q的狀態(tài)變?yōu)椤?’，發(fā)出重合閘信號。而當(dāng)發(fā)生永久性故障時，Q的狀態(tài)不變，不進行重合閘。為了進一步驗證該算法的可行性，對一條144.4km的輸電線路進行了仿真，設(shè)定A相在距離端口36.1km處單相接地故障。圖13的結(jié)果表明該方法可以正確判定電弧熄滅的時間而不需要設(shè)定固定的動作時間。圖14表明在瞬時性故障和永久性故障的情況下，該方法均能正確運行。圖圖12.瞬時性故障與永久性故障情況下的重合閘信號a．瞬時性故障b.永久性故障仿真分析該算法已經(jīng)經(jīng)過不同故障情況的仿真驗證，為了簡潔起見，將圖2所示的測試模型在不同位置發(fā)生故障的情況列在表2。在表2中Tq是二次電弧熄滅的時刻，Tr是重合閘信號發(fā)出的時間，Δt是他們兩個的差值。在所有的案例中，故障發(fā)生在t1=100ms時刻，斷路器在t2=200ms從表2可以看出，二次電弧的熄弧時間受到故障位置以及操作條件的影響。盡管電弧熄滅的時間不是固定的。但是當(dāng)故障發(fā)生在靠近在輸電線路末端的位置時，電弧將會燃燒更長時間，二次電弧的熄滅也將會更久。但是，不管在什么情況下，該算法能夠在8ms以內(nèi)判斷出二次電弧的熄滅。圖圖13.單相接地故障時W與V3圖14圖14.瞬時性故障與永久性故障情況下的重合閘信號a．瞬時性故障b.永久性故障負載角（δ°故障位置/km電弧熄滅時間Tq/ms重合閘時間Tr，ms時間差,msΔ-320804.05812.5580525100743.72751.537.8200742.78750.37.525300811.28819.227.95-160793.03801.538.511100753.03760.787.75200752.55760.087.525300801.55809.55800791.88800.358.51100752.74760.037.55200752.33759.787.45300801.83809.888.05160800.63809.258.62100751.7759.337.625200752.05759.587.525300802.08810.138.05320809.53710.138.58100750.88758.657.775200731.95739.337.375300802.3810.287.975表表2.不同位置故障的仿真數(shù)據(jù)

總結(jié)本文介紹了一種基于零序電壓分量的新的自適應(yīng)重合閘的方法。通過確定零序電壓的值在瞬時性故障的情況下會出現(xiàn)偏移，來區(qū)分瞬時性故障和永久性故障。對于瞬時性故障，通過二次電弧熄滅前后電壓的三次諧波分