故障行波理论及其应用

目录
序一　
序二　
序三
前言
第1章　绪论　1
1.1　电力系统及故障　1
1.2　电力系统故障分析　3
1.2.1　基尔霍夫定律　4
1.2.2　节点电压法和回路电流法　4
1.2.3　对称分量法　4
1.2.4　拉氏变换法　7
1.2.5　现有电力系统故障分析的不足　8
1.3　传统继电保护和故障检测技术所面临的挑战　8
1.3.1　输电线路分相电流差动保护　8
1.3.2　柔性直流电网保护　10
1.3.3　中性点非有效接地系统配电线路单相接地保护　11
1.3.4　电力线路故障测距技术　11
第2章　电磁波基础　15
2.1　时变电磁场　15
2.1.1　麦克斯韦方程组　15
2.1.2　坡印亭定理　19
2.2　波动方程及其达朗贝尔解　20
2.2.1　电磁场的波动方程　20
2.2.2　动态位　22
2.2.3　波动方程的达朗贝尔解　25
2.3　平面电磁波　28
2.3.1　理想介质中的均匀平面波　29
2.3.2　导电媒质中的均匀平面波　39
2.3.3　电磁波在不同媒质分界面的折反射　42
2.4　均匀传输线中的导行电磁波　46
2.4.1　均匀传输线的基本方程　46
2.4.2　均匀传输线方程的正弦稳态解　52
2.4.3　均匀传输线的等效电路和工作状态　55
2.5　平行多导体线路中的导行电磁波　63
2.5.1　平行多导体线路的波动方程　63
2.5.2　平行多导体线路的相模变换　64　
2.5.3　平行多导体线路模量上的波阻抗和波速度　65
第3章　故障行波理论　67
3.1　单相均匀无损线中的故障行波　67
3.1.1　故障行波的产生　67
3.1.2　单根导体线路的波动方程　68
3.2　三相输电线路中的故障行波　69
3.2.1　相模变换　70
3.2.2　复合模量网络　72
3.3　工频下的行波现象　76
3.3.1　行波分解　76
3.3.2　工频行波的折反射现象　77
3.4　故障行波求解问题研究现状　82
3.5　不考虑参数依频特性的故障行波的暂态解　84
3.5.1　网格法求解故障行波的基本思想　84
3.5.2　故障行波源分析　85
3.5.3　不同行波源模量上的初始行波　86
3.5.4　电力网络的表示方法　91
3.5.5　行波在各节点处的折反射　92
3.5.6　故障行波解析计算方法——FD法　96
3.6　考虑参数依频特性的故障行波暂态解　97
3.6.1　平行多导体线路波动方程的复频域解　97
3.6.2　依频特性下行波的拟合函数的选择　98
3.6.3　畸变系数和衰减系数的获取　100
3.7　故障稳态计算　101
3.8　故障行波暂态解的计算机实现　104
3.8.1　电力网络的表示与存储　104
3.8.2　故障后的网络变化　105
3.8.3　行波传播途径的生成方法　107
3.8.4　故障行波的计算　108
3.8.5　算例分析　108
3.9　瞬时无功理论及故障方向特征　113
3.9.1　瞬时无功理论概述　113
3.9.2　基于Hilbert变换的瞬时无功定义　116
3.9.3　Hilbert变换下的无功功率的故障方向特征　118
3.10　故障行波的故障相特征　121　
第4章　小波变换及其在故障行波分析与检测中的应用　123
4.1　基本概念　123
4.1.1　小波分析的发展史及应用概况　123
4.1.2　信号的时频局部化表示　123
4.1.3　连续小波变换　124
4.1.4　小波变换的时频局部化性能　125
4.1.5　两类重要的小波变换　126
4.1.6　信号的小波表示　127
4.2　离散小波变换　128
4.2.1　离散小波与离散小波变换　128
4.2.2　多分辨分析与尺度函数　129
4.2.3　Mallat算法　130
4.2.4　R小波的系数特点　131
4.2.5　离散小波变换的应用　133
4.3　二进小波变换及信号的奇异性检测　134
4.3.1　二进小波及二进小波变换　134
4.3.2　基于B样条的二进小波函数与尺度函数　135
4.3.3　二进小波变换的分解与重构算法　136
4.3.4　信号的小波变换模极大值表示及奇异性检测理论　137
4.3.5　利用小波变换模极大值重构原信号　137
4.3.6　二进小波变换的应用　139
4.4　故障行波的小波表示　139
4.4.1　引言　139
4.4.2　行波的故障特征　139
4.4.3　各种行波的小波变换模极大值表示　143
4.4.4　电压行波、电流行波和方向行波的比较　145　
第5章　互感器和二次电缆的故障行波传变特性　147
5.1　电流互感器模型及其动态传变特性　147
5.1.1　电流互感器的工作原理及其电磁暂态模型　147
5.1.2　电流互感器的工频传变特性　153
5.1.3　电流互感器的暂态行波传变特性　156
5.2　电压互感器模型及其动态传变特性　157
5.2.1　电压互感器的工作原理及其电磁暂态模型　157
5.2.2　电容分压式电压互感器的工频传变特性　162
5.2.3　简化模型下的电容式电压互感器的暂态行波传变特性　165
5.2.4　详细模型下的电容式电压互感器的暂态行波传变特性　171
5.3　二次电缆的故障行波传输特性　180
5.3.1　二次侧电缆集中参数模型与分布参数模型等效性分析　180
5.3.2　二次侧电缆等效建模　181
5.4　二次电流传输通道的行波传输特性　183
5.4.1　二次电流回路联合建模　183
5.4.2　二次侧回路传变特性分析　185　
第6章　输电线路纵联行波方向保护　192
6.1　波阻抗继电器　192
6.1.1　波阻抗继电器的基本原理　192
6.1.2　波阻抗继电器的算法研究　198
6.1.3　利用波阻抗继电器构成纵联方向保护　208
6.2　统一行波方向继电器　208
6.2.1　统一行波方向继电器的基本原理　208
6.2.2　统一行波方向继电器动作判据　210
6.2.3　建模与仿真　212
6.2.4　动作特性分析　216
6.2.5　基于统一行波方向继电器的输电线路纵联方向保护　229
6.3　极化电流行波方向继电器　230
6.3.1　不同频带下电压故障行波极性的一致性　230
6.3.2　极化电流行波方向继电器原理与算法　240
6.3.3　极化电流行波方向继电器动作性能分析　242
6.3.4　TP-01超高速行波保护装置　260　
第7章　输电线路纵联行波差动保护　263
7.1　行波差动保护　263
7.1.1　行波差动保护基本原理　263
7.1.2　行波差动电流和行波制动电流构成　264
7.1.3　区外扰动或故障时不平衡行波差动电流分析　269
7.1.4　区内外故障时行波差动电流比较　275
7.1.5　动作判据　275
7.1.6　保护算法　277
7.1.7　建模仿真与性能评价　280
7.1.8　PT断线处理　287
7.1.9　TP-02行波差动保护装置　288
7.2　重构电流行波差动保护　289
7.2.1　重构电流行波　290
7.2.2　重构电流行波的特征分析　291
7.2.3　重构电流行波差动保护原理　297
7.2.4　重构电流行波差动保护算法　297
7.2.5　重构电流行波差动保护性能评估　301
7.3　基于小波变换模极大值的行波差动保护　310
7.3.1　利用初始行波模极大值构造行波差动保护的思想　310
7.3.2　基于小波变换模极大值的行波差动保护算法　310
7.3.3　通信量分析　311
7.3.4　影响因素分析与性能评价　311
7.4　模量行波差动保护　315
7.4.1　分布电容电流时域补偿算法及误差分析　315
7.4.2　模量行波差动保护原理　319
7.4.3　模量行波差动保护的动作特性　327
7.4.4　带并联电抗器线路　331
7.4.5　带串联电容补偿装置的线路　332
第8章　直流线路行波保护　333
8.1　直流输电系统保护与控制　333
8.1.1　直流输电系统　333
8.1.2　直流控制保护系统　333
8.2　直流输电线路故障分析　337
8.2.1　直流系统的等效电路　337
8.2.2　直流线路故障行波特征　338
8.2.3　LCC直流线路故障暂态特征　348
8.2.4　LCC直流线路故障稳态特征　350
8.2.5　VSC直流线路故障行波分析　351
8.2.6　MMC直流输电网线路短路故障电流的近似计算方法　355
8.3　直流线路单端量超高速行波保护　360
8.3.1　单端量行波保护原理　360
8.3.2　单端量行波保护实现方案　368
8.3.3　建模仿真与性能评价　369
8.3.4　Ultra-PSL3000柔性直流线路保护装置　378
8.4　基于电流变化率的单端量直流线路保护　379
8.4.1　不同故障和运行情况下线路电流变化率的特征分析　379
8.4.2　单端量电流变化率保护方案　388
8.5　直流线路纵联行波差动保护　393
8.5.1　直流线路行波差动保护原理　393
8.5.2　故障差流的时域计算方法　395
8.5.3　直流线路行波差动保护算法　398
8.5.4　建模仿真与性能评价　399
8.5.5　TP-03特高压直流线路行波差动保护装置　404　
第9章　输电线路暂态行波故障测距　406
9.1　基于小波变换的行波故障距离特征分析　406
9.1.1　行波故障测距方法　406
9.1.2　基于小波变换的行波故障距离特征分析　407
9.2　输电线路单端量行波故障测距　421
9.2.1　特征行波　421
9.2.2　利用模量方向行波作为特征行波的故障测距　422
9.2.3　利用非故障线电流和故障线电流组成方向行波作为特征行波实现故障测距　423
9.2.4　波形比较法　425
9.2.5　单端电气量行波故障测距的小波变换法　426
9.2.6　考虑二次回路暂态特性的行波波形比较法　430
9.2.7　故障点反射波判据构建　431
9.2.8　相邻母线反射波判据构建　432
9.2.9　考虑二次回路暂态特性的波形比较法流程图　432
9.3　输电线路单端量组合故障测距　433
9.3.1　问题的提出　433
9.3.2　具有鲁棒性的单端电气量阻抗故障测距方法　435
9.3.3　组合的单端故障测距方法　436
9.3.4　改进的组合故障测距算法　440
9.4　输电线路双端量行波故障测距　441
9.4.1　两端电气量