摘 要

经济社会发展的重要物质基础就是能源。随着民生生产需求的增加，电力系统向超高压，大规模发展，电力故障对生产和生活的影响以及经济物质损失也在增加，这使得电气设备的安全运行特别重要。安全性，可靠性和经济性是配电网乃至整个电力系统运行的基础，也是电力工业发展的基础条件。然而对于配单网设备，虽然在理论方面对故障诊断取得了一定的成果，但在实际的工程中的应用很少，尤其是其中的保护卡件的检测与维护技术目前仍处于不成熟的阶段。本文将故障诊断理论应用于配电网保护卡元件的故障检测系统的实践，研究和设计。完成配电网过电流保护卡的功能分析和故障诊断。

本文的目的是为配电网提供的典型过流保护卡件设计一个故障诊断系统。作为保证配电安全稳定的重要卡片，卡片的正常运行直接影响整个配电网络保护装置和用户电力系统的安全稳定。针对该类保护卡件中的一块典型卡件，文章基于 PSpice的仿真分析和故障诊断功能，在分析卡片工作原理和功能模块的基础上，建立了一个集成仿真分析和故障诊断的故障检测系统。这确保了继电保护设备的可靠运行。

本文重点研究了典型配电网中过电流保护卡元件的PSPICE仿真建模和故障诊断。首先，利用计算机仿真软件PSPICE软件对卡进行仿真建模，故障设置和故障建模。获取其正常状态下和各故障状态的波形，利用其特有的傅里叶变换功能得到波形的频谱图，再将其特征值导出形成离线数据库库。然后，根据模拟数据建立的故障离线数据库与实际波形的对比，构建了频谱分析与波形识别相结合的诊断方法。最后通过数据对比分析确定故障卡件的故障类型，再根据结果对卡件进行相应的更换或维修，形成完整的配电网设备故障诊断系统，这减少了配电网维护人员的工作量。在故障发生前实施预防措施，实现故障期间的快速诊断和定位，并在故障发生后快速维护和优化。最终降低配电网保护卡件维护、更换和检测费用以及配电网故障扩大的风险。

关键词：配电保护卡件；PSPICE仿真；故障诊断；频谱分析；

ABSTRACT

The important material foundation of economic and social development is energy. With the increasing demand of people's livelihood, the power system has developed to ultra high pressure. The impact of power failure on production and life as well as economic material losses is also increasing, which makes the safe operation of electrical equipment particularly important. Safety, reliability and economy are the foundation of the distribution network and even the whole power system operation, and also the basic condition for the development of the power industry. However, for the single network equipment, although some achievements have been achieved in the theory of fault diagnosis, it is seldom used in the actual engineering, especially the detection and maintenance technology of the protection card is still in the immature stage. In this paper, the fault diagnosis theory is applied to the research, design and practice of the fault detection system for distribution network protection card components.

The purpose of this paper is to design a fault diagnosis system for typical overcurrent protection parts provided by distribution network. As an important card to ensure the safety and stability of power distribution, the normal operation of the card directly affects the safety and stability of the entire distribution network protection device and the user power system. Based on the simulation analysis and fault diagnosis function of PSpice, based on the analysis of the working principle and function module of the card, a fault detection system with integrated simulation analysis and fault diagnosis is established.

This paper focuses on the PSPICE simulation modeling and fault diagnosis of overcurrent protection card elements in typical distribution networks. First, the computer simulation software PSPICE is used to simulate the card, set up the fault and model the fault. The waveforms of the normal state and the fault state are obtained. The spectrum of the waveform is obtained by its special Fourier transform function, and then the characteristic value is derived to form an off-line database. Then, based on the comparison between the off-line database and the actual waveform established by the simulated data, a diagnostic method combining spectrum analysis with waveform recognition is constructed. Finally, the fault type of the fault card is determined by the data contrast analysis, and then the card is replaced or repaired according to the result. The complete fault diagnosis system of the distribution network equipment is formed, which reduces the workload of the maintenance personnel of the distribution network. Preventive measures should be implemented before failure occurs, so as to achieve rapid diagnosis and location during the failure period, and maintain and optimize after failure. Finally, it will reduce the risk of maintenance, replacement and inspection of distribution card, and the expansion of distribution network failure.

Key Words: Distribution protection card; PSPICE simulation; fault diagnosis; spectrum analysis

目 录

第1章 绪论 8

1.1 研究目的及意义 8

1.2 国内外研究现状 9

1.2.1 目前常用电路仿真软件背景功能对比 9

1.2.2 故障诊断技术发展现状 11

1.3 主要研究内容 12

1.4 本章小结 13

第2章 配电网故障诊断系统方案设计 14

2.1配电网结构及设备组成 14

2.1.1 配电网拓扑结构 14

2.1.2 传统配电网的保护配置 15

2.2 系统设计方案 16

2.2.1 整体构架设计 16

2.2.2 仿真建模设计 18

2.3 本章小结 19

第3章 建立PSPICE仿真正常及故障波形离线数据库 20

3.1 PSPICE仿真软件介绍 20

3.2过电流保护卡件功能介绍 21

3.3 PSPICE仿真模型搭建 23

3.4 卡件仿真结果 24

3.4.1 卡件正常状态仿真 24

3.4.2 卡件故障状态仿真 26

3.5 本章小结 28

第4章 基于频谱分析诊断方法的研究与应用 29

4.1 故障诊断方法概述 29

4.2频谱分析原理 29

4.3 故障类型及位置确定 30

4.3.1判断卡件是否为正常状态 32

4.3.2 故障波形处理及故障类型检测 32

4.3.3 离线数据库的建立 33

4.4 本章小结 34

第5章 总结与展望 36

5.1 总结 36

5.2 展望 37

参考文献 38

致 谢 40

第1章 绪论

1.1 研究目的及意义

随着社会的不断发展，人们的生产生活都与电力资源的联系越来越紧密，电能成为人们生活中不可或缺的重要能源。正是由于电能的重要性，电力系统的安全稳定就显得尤为重要，直接影响企业的正常运转以及人们的日常生活质量。长久以来，与基本实现供求平衡的发达国家相比，我国配电网方面的建设速度和质量均落后于正在快速发展的国家经济水平，仍然处于亚健康状态。社会经济的不断发展壮大需要更多的电力资源作为支撑，传统配电网的容量和电压等级均已不能满足日益增长的工业生产和人们生活的要求，因此电力系统急需向超高电压和大容量发展，供电企业急切的需要对现有配电网络进行进一步的建设和改造^[1]。

       近些年来，随着科学技术的不断发展进步，越来越多的研究学者们对电网进行研究，将自动化技术投入电网，大大增加了电网的智能化程度，也直接降低了故障发生次数，使故障得到有效的控制。但是对于目前快速发展的经济社会而言，偶尔的配电网故障会导致政府和企业供电障碍，直接影响其供电可靠性，造成愈发重大的经济能源损失。近年来随着国家对电力行业的重视，电网规模的不断扩大，其中配电网的拓扑结构也越来越复杂，直接导致配电网故障诊断难度的提高，对运行维护人员的水平有了更高的要求。因此，提高配电网的自动化程度，巩固其自动化系统，利用技术手段使配电网故障的诊断和定位更加精准已经势在必行。

为保护和控制电路并简化工作人员的维修难度，各种保护卡件逐渐被研发并应用在配电网中^[2-3]。配电网保护卡是配电网保护装置中使用的重要电路板卡，其可靠性对工作人员的配电质量，稳定性和工作效率有重大影响。由于保护卡成员的正常运行直接影响整个配电网系统的安全性和稳定性，因此员工应该努力避免在 恶劣的工作条件下卡组件性能不佳以及由于长期运行期间自然老化导致的突然故障造成的突然故障。为了充分了解卡片的工作性能，运行状态和信号特征，需要对卡片的性能状态进行模拟和测试。通过仿真我们可以全面了解配电网保护卡件的工作性能、运行状态和信号特点。同时，它可以分析和总结故障条件下卡中各种敏感元件不准确的原因。 对于后期故障诊断，可以建立一个可以依靠比较分析的离线数据库，确保配电网运行稳定可靠。

目前，使用多于配电网的保护卡主要是过电流保护卡，过载保护卡和接口控制卡电路^[4-6]。

1. 过流保护卡件：其主要功能是设置配电网中过流保护的整定值设置值和动作时间设置，并将相应的控制信号输出到逻辑判断接口控制卡。
2. 过负荷保护卡件：主要用于设置过载保护时的电压设定值和动作时间，对接口控制卡提供的信号做出逻辑判断以及控制相应信号的输出。
3. 接口控制卡：：其主要功能是为过电流保护卡和过载保护卡提供所需的电源电压和测试电流，并根据过流保护卡件和过载保护卡件发出的控制信号进行相应的动作， 形成对配电网线路的保护。

这些卡片通常从一些技术更先进的国家购买。 运输过程需要很长时间并且很昂贵。因此亟需通过相应的检测技术对已投入配电网运行和的替换备用的配电网这些卡片通常从一些技术更先进的国家购买。 运输过程需要很长时间并且很昂贵。卡件进行检测，一方面，由于卡的故障导致配电网正常工作的可能性降低，一方面也可能在卡完全失效之前发现潜在的问题。采取恢复性的卡件维修方式来取代简单的替换，避免不必要的故障损失、也延长卡件的寿命。这一做法大大减少了因配电网故障供电不足或质量不达标造成的损失，也降低了卡件的更换率，节约了配电网维护成本。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 目前常用电路仿真软件背景功能对比

目前常见的通用电路仿真软件包括了ORCAD/PSPICE、PROTEL和EleetroniesWorkbeneh, 而这几种软件各有各的仿真环境特点和不同的数据分析处理功能,应根据仿真对象自身的特点与仿真软件各自的环境特色的匹配程度进行合理选择^[7-8]。

(1) ORCAD/PSPICE:在运行于PC机的电路仿真软件中最早推出的就是PSPICE软件^[9]，在长时间的版本更新功能拓展以及元件库数据的增加后，PSpice电路软件可以说是现在所有PC机电路仿真软件里最优秀的一款。其特别的强大功能体现在这几个方面：其器件模型建立环境(ModelEidtor)非常强大，其中包含了大部分市面上常见的不同型号和厂家的元器件模型和具体数据，用户可根据所用实物在软件中找到完全一致的元器件，再根据其提供的具体性能数据对实物建模，由此判断使用购买何种器件进行实物搭建更合适经济;其仿真结果观察分析模块(PROBE)功能强大，除了大部分仿真软件都具备的对基本结果波型显示和一些常见的函数运算，,还能对结果波形的特征点数据进行判断读取，例如曲线的幅值最大最小点、曲线斜率最大最小点的数据等特征点；其性能分析功能(PerformanceAanlyiss)可为电路的最化设计提供可靠的判断依据，该功能可通过计算给出和各元器件参数电路性能的影响程度。最新版本的PSIPCE的功能更加强大，因为该版本与ORCAD软件进行了结合,提供了完整的电子系统设计工具，提供了从设计前端输入的电路原理,方案的模拟、验证到后端的PCB物理实现。但是，该软件的使用范围并不十分广泛，因为其使用起来非常昂贵。

(2) PROTEL:PROTEL软件和其他电路仿真软件相比历史很短，该软件直到98版本才有了电路仿真功能^[10-11]。但这丝毫不影响它功能上的强大，这是由于其采用了MicorCode的仿真技术的核心，使其具备了齐全的仿真功能、丰富的模型器件库。且PROTEL软件一贯易学易用的风格在新版本中都得到了延续。该软件原理图(Shcametic)绘制方便、输入快捷且结果波形输出(Waveform)清晰易懂，便于调试这些优点使得仿真软件PROTEL适合学生和初学者快速上手仿真。而PROTEL电路原理图输入质量高还兼具PCB布线模块，方便灵活、性能高、低使用价格，具有较高的性价比,这些优点综合起来另该软件拥有极其广泛的使用范围。

(3) EleetroniesWorkbeneh: EWB仿真软件的特点在于其所占内存非常小，最新版5.0只有16M,但并不影响其功能的强大。EWB软件^[12]是一种混合模拟EDA软件, 结合了模拟电路和数字电路。正如电子工作室的名称一样，该软件具有直接在桌面上提供各种电子工具的特点，如万用表，示波器，信号发生器，逻辑分析仪等。该软件的另一个特点是它在器件库中俱有各种公司生产的不同的晶体管元器件、集成电路和数字门电路，甚至还包含了很多仪器且其外观、使用方法都与实际仪器相似度极高。EWB软件易于掌握也是一个优点,这是由于它的工作界面很直观,将各种工具和原理图结合在同一窗口,初学者上手很快，熟练使用需花费的学习时间是最短的,这是因为其高度模仿了各种仪器设备的外观，给使用者营造一种在一个真正的设备齐全的实验室中调试电路的感受。极高的仿真性也使它也非常适合作为教学软件使用。与其他仿真软件相比,EleetroniesWorkbeneh的成本远低于其使用价格，具有成本效益。

综上所述，ORCADP / PSIPCER软件性能稳定，功能全面，适用于复杂大规模电路综合仿真优化和物理设备选型。 PROTEL综合性好，使用范围广，易于操作，性价比高; EWB直观易用，适合初学者或者实验教学使用。

1.2.2 故障诊断技术发展现状

故障诊断技术是一种评估和识别被测物体工作状况的技术。该方法的核心是比较分析被测物体的现状和历史条件，再利用信号处理分析法对工作状态进行估计和诊断。故障诊断技术起源于19世纪末20世纪初的国外，在此期间，它们经历了原始阶段，传感器和数据库计算机技术的诊断阶段，专家诊断阶段和智能诊断阶段仍在发展之中。

目前用于配电网故障诊断的方法包括：专家系统；模拟理论；遗传算法；人工神经网络算法；Petri 网络等^[13-17]。以下便是对这些方法的详细介绍：

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