GPS及其在继电保护中的应用.ppt

专题三GPS及其在继电保护中的应用,主要内容第一章 全球定位系统(GPS)简介第二章 基于GPS的行波故障测距第三章 基于GPS的电流纵差保护,第一章 全球定位系统简介(Global Positioning System-GPS),GPS的组成GPS的性能及可靠性GPS的使用政策GPS的用途GPS在电力系统中的应用,1.1 GPS的组成空间卫星地面监控站用户,1.2 GPS的性能及可靠性 全球覆盖、全天候工作、全天24小时连续实时地为地面无限个用户提供高精度三维位置、三维速度和一维时间。最高定位精度达10米，测速精度达0.1米/秒，时间传递精度达101ns。,1.3 GPS的使用政策选择可用性政策(selectiveavailabilitySA):精密定位服务（precise position service-PPS）对象：美国军方及盟友标准定位服务（standard position service-SPS）对象：民间用户（无偿）,1.4 GPS的用途主要用途：导航、定位、授时应用领域：航空、航天、航海、大地测量、海洋探测、科学考察、交通管制、时频校正等,1.5 GPS在电力系统中的应用GPS的时间传递特点如何获取GPS提供的时间信息典型应用,GPS的时间传递特点 GPS传递的时间能与国际标准时间（Universial Co-ordinated Time，简称UCT）保持高精度同步，最高精度可达101ns，这一特点使GPS成为目前世界上传播范围最广、精度最高的时钟同步信号源。民间用户可无偿获得同步精度达微秒级的时间信号。,如何获取GPS提供的时间信息(1)GPS接收机的选择 在众多种类的接收设备中，电力系统用户可选择民用 定时型GPS接收机。该接收机由接收模块和天线组成，具有定时和定位两种功能。,(2)接收机提供的时间信息,间隔为秒的脉冲信号1PPS，其脉冲上升沿与UCT（国际时间标准）的同步误差不超过1 s串口输出信息中的时间代码，它是当前1PPS脉冲对应的UCT绝对时间（年、月、日、时、分、秒）,*在地球上任何地方，只要拥有一台这样的接收机，便可获得这两种时间信号，而且GPS的全球性和高精度能保证所有IPPS与UCT的同步误差都不超过1s。,典型应用电网高精度时间统一同步相量测量双端行波故障测距双端同步数据故障测距数字式电流差动保护继电保护装置同步试验线路带电参数测量,第二章基于GPS的行波故障测距,2.1 行波的基本概念,（1）导线上产生波的运动是因为线路具有分布的电感和电容，若为集中参数则无波过程。（2）行波分为电压波和电流波，它们同时存在且又可分为前行波（沿x正方向）和反行波（沿x负方向）。,2.2 行波的数学描述,根据电磁场理论，单根无损线路上的电压和电流是位置和时间的函数，满足波动过程：式中，L，C为单位长度电感和电容,解得:式中：为行波的传播速度(接近光速)为波阻抗 为沿x正方向传播的前行波 为沿x负方向传播的反行波,2.3 行波的折射和反射,2.4 故障产生的暂态行波过程,如下图所示线路,假定F点发生经 短路,令、和 分别为m母线、F点和n母线处的反射系数,为F点的折射系数,则故障产生的暂态行波过程可用网格图表示如下：,行波信号仿真算例 系统模型：双端电源高压输电系统，系统电压等级为230kv,线路长度为300km，线路模型为分布参数模型，在其距M端100km处发生A相接地故障。模拟故障时刻为0.226s，故障持续时间为0.15s,M母线、N母线和故障点的A相电压行波信号：,M母线、N母线和故障点的B相电压行波信号：,2.5 A型行波测距(单端法),基本原理:设行波传播速度为v，根据行波传播原理有：在m侧：m侧测距方程 在n侧：n侧测距方程 只要准确的测定出 和 或 和，就能准确地计算出故障距离。,2.6 B型行波测距(双端法),设，分别为故障初始行波到达m侧和n侧母线的时刻，则有：式中：行波传播速度 两侧接收到初始行波的时间差 要求：两侧计时器必须保持高精度同步，1 的时间误差将带来150m的测距误差。在目前技术条件下,利用基于GPS的同步时钟可满足双端行波测距的时间同步要求。,第三章基于GPS的输电线路电流纵差保护,3.1电流纵联差动保护的特点,基于基尔霍夫电流定律的纵联电流差动保护，是到目前为止最为完善的继电保护原理，在发电机、变压器、母线、电抗器、大容量电动机等电气设备中都得到了广泛应用。当应用于输电线路时，具有众多非常突出的优点。,不存在与引入电压量有关的一切问题，如：PT二次回路断线、CVT暂态特性、出口故障电压死区等；不受系统振荡的影响；不受系统非全相运行和单侧电源运行方式的影响；不受线路串补电容的影响；不受平行线路互感的影响；适合于多端线路；分相差动本身具有选相能力，易于实现单相重合闸。,3.2电流纵差保护的基本原理,被保护设备,*,*,*,*,I-I,纵联电流差动保护示意图,TA1,TA2,KD,被保护设备：发电机 变压器 电动机 母线 线路 电抗器等,即流入到差动继电器中的电流为0，继电器不会动作。,正常及外部故障时，,流入差动继电器中的电流为：,被保护设备发生故障时（区内故障时），流入差动继电器的电流为故障电流，继电器动作。,3.3 电流纵差保护动作判据,在实际系统中，由于电流互感器误差等因素的存在，在正常运行及外部故障时也会有一定量的不平衡电流流入差动继电器，特别是在外部故障电流互感器饱和的情况下，误差将会大大增加，将产生较大的不平衡电流。为防止差动保护误动，差动继电器的动作电流必须按躲过外部故障的最大不平衡电流来整定。,躲最大不平衡电流将使动作值过大，内部故障的灵敏度会降低。采用带制动特性的差动保护，是解决可靠性与灵敏性之间矛盾的有效措施。,(1)基于全电流的动作判据,在图示参考方向下动作量：制动量选为：动作表达式：K制动系数，0,(2)基于故障分量电流的判据,动作量：,制动量：,动作方程：,3.4 电流纵差保护的通信,可用的通信手段：（1）导引线（2）载波（3）微波（4）光纤 光纤通道具有传输速率高、抗干扰性能好、安全可靠性高、能保持长期不间断地传输信号的特点,已成为纵联保护信号传输通道的首选方式。,(1)光纤纵联差动保护的信号传输方式,专用光纤方式(图a)PCM复用方式(图b)。,(2)光纤纵联差动保护的信号传输数据格式,在数字电流差动保护中，普遍采用基于HDLC（高层次数据链络控制规约）通信规约的数据格式。HDLC是面向位（比特）的传输方式，即任意比特数的任何序列都可以帧的形式传送。,3.5电流纵差保护的同步问题,电流差动保护从原理上要求参加差动比较的电流量必需是同时刻得到的，否则无法保证正确性；对于模拟式差动保护，因比较的是连续波形故不存在同步采样问题；对数字式差动保护，线路各端必需进行同步采样或采样同步化处理，这是实现数字式电流差动保护的关键所在。,目前采用的同步方式主要有两类：（1）基于通道的同步方法（2）基于GPS的同步方法基于通道的同步方法包括：采样时刻调整法，采样数据修正法和参考相量比较法；基于GPS的同步方法以GPS提供的高精度时间为基准，实现线路两端的同步采样，不受通道的任何影响。,采样数据修正法的工作原理,A端计算的通道延时：td=td1=td2=0.5(tA*-tA1-tm)tm=(tB3-tB*)tB3*=(tA*-td)与tA4时刻对应的B端电流向量：同理可计算出tA3时刻对应的B 端电流向量,采样数据修正法的缺陷(1)当通道双向时延不相等时失效；（2）同步误差和可靠性受通道因数影响；（3）占用通道传输带宽。,3.6 GPS同步的输电线路电流差动保护,（1）总体构成,(2)同步采样控制单元,基于GPS的同步方法特点(1)线路两端实现独立的同步采样；(2)同步精度高；(3)不受通道影响,不占用通道资源；(4)易于实现不同算法的差动保护。,（3）基于故障分量瞬时值的动作判据,线路两端同名相故障分量电流瞬时值,k制动系数，k1,i0门槛电流,在故障后3/4周波的时间内，若有4个样点（不一定连续）满足动作方程，同时在此期间过零点的次数不超过2，则发出跳闸命令。,（4）仿真及实验结果-同步采样误差小于20微秒;-动作判据灵敏度高,响应速度快;-整体方案可行.,