Digital biomedical electrical impedance tomography based on FPGA

A digital biomedical electrical impedance tomography (EIT) system is developed with the aid of FPGA. The key elements of EIT system are described specifically in the paper. The functions are realized to generate excitation source, switch electrode channels, deal collected signals, demodulate measured voltages etc. The system is tested by a circular tank with 16 stainless electrodes attached around the boundary. The adjacent incentive adjacent measurement mode is adapted to collect boundary voltages of the interesting field. By testing, the system works with 36 dB signal-to-noise ratio (SNR) when 1 mA 100 KHz current is applied into a homogenous tank.

基于等效序阻抗差异特征的低频输电线路差动保护优化方案

低频输电线路故障时,两侧短路电流均由模块化多电平矩阵变换器提供,两侧短路电流相角均受控且幅值相当,导致差动保护灵敏度严重下降。分析了低频输电系统定电压控制侧和功率控制侧的等效正、负序阻抗特征,指出因控制策略不同,系统故障时两侧等效正、负序阻抗特征存在明显差异。分析了低频输电线路区内和区外故障两侧保护装置测量到的等效序阻抗之间的差异性和相似性,基于此特征构建了两侧等效序阻抗差异指标,提出了基于等效序阻抗差异指标的差动保护制动系数优化方法。仿真结果表明,所提方案能够显著提升低频输电线路区内故障时差动保护的动作速度和动作灵敏性。

基于XGBoost的配电网高阻接地故障检测方法

配电网高阻接地故障具有电气量微弱、与正常运行工况相似等特点,因此难以检测。针对传统指标阈值法常由经验整定,在复杂环境下适应性较差、灵敏性不足等问题,提出一种基于极端梯度提升(extremegradient boosting, XGBoost)的配电网高阻接地故障检测方法,以避免复杂的阈值整定。首先,通过建立10 kV中压配电系统高阻接地故障的等效模型,获取高阻接地故障和正常运行工况的零序电流数据。然后,在对数据进行归一化处理的基础上,利用XGBoost直接从原始量测信息中学习其与高阻接地故障的映射关系,构建高阻接地故障检测模型,以降低因特征提取产生的误差。最后,大量仿真结果表明,所提方法对高阻接地故障检测具有较好的灵敏性和速动性,并且在噪声和数据缺失等情况下表现出较强的泛化能力。

适应于逆变型风电接入系统的改进故障序分量选相方法

针对传统故障序分量选相元件在逆变型风电接入系统中可靠性较低的问题,提出了一种改进的故障序分量选相方法。首先,分析在最新风电场低电压穿越策略下,风电侧的故障序阻抗特性及传统故障序分量选相元件的适应性。然后,利用负正序、负零序阻抗相位差等效正负序、零负序电流分支系数相位差,以补偿传统序分量选相判据的相角误差。最后,采用补偿后的故障序电流相位差作为选相判据,实现了故障相的判别。同时通过调整零负序选相分区,使其具有较好的耐过渡电阻能力。仿真实验表明,在不同故障类型、故障位置和过渡电阻下改进选相方法均能可靠地选出故障相。

小电流接地配电网馈线单相接地故障零序阻抗特性分析

文章以暂态零序特征为着眼点,从频域角度对小电流接地系统发生单相接地故障后的特性进行详细探讨。从线路入端零序阻抗这一随频率变化的特征量入手,深入挖掘了配电网系统中各馈线零序阻抗的阻抗特性,详细探讨了零序阻抗的幅值、相角随频率的变化规律,并针对不同的中性点接地方式以及线路是否健全加以分析,为更好地利用零序暂态信号,提高故障检测正确率夯实了基础。最后通过PSCAD搭建仿真模型验证了该特性。

构网型变流器的序域等效模型及限流方法

为了了解变流器在故障情况下的响应,基于三相三线制构网型变流器的下垂控制策略,详细讨论了变流器在正序、负序和零序下的输出阻抗并加以分析,提出了对应的阻抗简化模型。同时分析了矢量直接限流法的不足,提出了基于虚拟阻抗对过电流进行限制的方法。最后,通过MATLAB/Simulink对故障情况进行仿真,进一步验证了等效模型以及所提限流方法的正确性。

计及光伏阵列的光伏发电阻抗建模与特性分析

大规模光伏电站并网振荡风险急剧增高,序阻抗建模逐步成为广泛采用的分析方法。目前针对光伏发电的阻抗建模将光伏阵列等效为恒定电流源,未计及光伏阵列自身动态特性的影响。实际光伏发电系统中,光伏阵列输出电压、电流非线性且与幅照度和温度强相关,光伏阵列自身动态对光伏发电阻抗特性的影响存在且不可忽略。该文基于光伏发电交-直流小信号耦合关系,建立及光伏阵列的光伏发电阻抗解析模型,揭示光伏阵列动态特性对光伏发电交流侧阻抗的耦合机理,定量分析直流电容容量、直流电压环、光伏阵列幅照度和温度等因素对耦合特性影响规律。基于控制硬件在环仿真平台,开展计及光伏阵列的光伏发电系统阻抗扫描与振荡复现。研究表明,光伏阵列自身阻抗不可忽略,且与幅照度和温度强相关,通过直流母线耦合至交流端口,最终对光伏发电交流端口阻抗特性产生影响。直流母线电容容量、直流电压环带宽以及幅照度均会影响光伏阵列对光伏发电交流端口阻抗的耦合程度。

考虑频率耦合的MMC序阻抗建模及附加陷波器阻抗重塑方法

模块化多电平变流器(modular multilevel converter,MMC)与电网间的频率耦合会影响变流器的阻抗特性,常规研究未考虑频率耦合造成的阻抗模型不准确,对分析系统阻抗特性造成了困扰。针对此问题,建立考虑频率耦合下MMC的全阶阻抗模型,进而分析系统稳定性。在此基础上提出一种基于陷波滤波器的MMC阻抗优化方案,解决弱电网互联系统的稳定问题。在分析MMC传统阻抗建模不能有效发现实际低频段振荡的原因基础上,研究频率耦合在MMC建模中的产生机理和影响程度。根据频率耦合的产生机理,建立小信号模型及变量关系,推导出频率耦合下的MMC全阶阻抗模型。依据全阶模型,提出一种基于陷波器的系统阻抗优化方案,有效解决了MMC弱网互联系统的低频振荡及稳定分析问题。仿真结果验证了耦合下MMC全阶阻抗模型的准确性及低频振荡阻抗优化的可行性。

考虑线路序阻抗耦合的风电并网系统电压不平衡机理及抑制方法研究

我国大规模风电并网系统多采用远距离传输模式,易存在线路不换位或换位不充分的情况,导致送端系统产生电压不平衡现象。为此,以典型实际风电并网系统为研究对象,首先建立风电机组、线路的基频阻抗模型,在此基础上形成风电并网系统分序等效电路,进而从正、负序耦合角度,分析送出线路参数不对称所导致的相间耦合场景下电压不平衡产生机理;其次基于电压不平衡产生机理,详细剖析源、网侧主要因素对电压不平衡的影响程度和影响规律,并提出虚拟导纳抑制策略;最终通过实测数据和MATLAB/Simulink仿真开展了算例研究,验证了理论分析的准确性和抑制策略的有效性。

输电线路零序阻抗测试研究

输电线路零序阻抗的突降会直接影响线路接地距离保护和零序方向保护的工作可靠性。针对线路参数测试过程中发现的零序阻抗偏大问题,从架空地线的接地方式以及变电站的地网接地电阻分析了零序阻抗的测试,并对线路进行了排查以及参数的复测,最后给出了线路参数零序阻抗测试方法步骤以及测试建议。

基于零序分量的阻抗法配电网故障定位技术

精准故障定位对提高配电网的安全性、可靠性有着重要意义。提出了一种基于零序分量的阻抗法定位技术。依据线电压对称性及零序电压幅值判断是否发生单相接地故障,再利用安装在母线处及线路末端的同步相量测量单元获取线路发生单相接地故障后的稳态零序信号。在此基础上,根据线路两端零序电压、母线侧零序电流及线路零序参数建立各区段发生单相接地故障时的测距方程,以区段线路长度为限制排除伪根、确定真实根,通过遍历系统各区段可同时实现区段定位及故障测距。在EMTP/ATP仿真软件中搭建10 kV配电网。结果表明,所提方法在混合线路、多分支线路等多种配电网结构下都能保持较高精度,且测距精度不受接地电阻和故障相角的影响。

复合型功率同步逆变器:序阻抗建模与并网特性

分布式能源通常借助逆变器接入电网,但基于锁相环的传统电流控制策略在弱电网并网场景下易引发失稳现象。因此,文中提出“复合型功率同步逆变器”概念,通过有功功率与无功功率相结合的复合功率同步方法替代传统锁相环,以改善逆变器在弱电网条件下的并网暂态响应,并有效提升并网稳定性。基于谐波线性化方法,推导建立复合型功率同步逆变器的序阻抗模型,并针对同步系数及稳态工作点对并网逆变器稳定性影响机理展开理论分析。阻抗分析结果表明,所提出的复合型功率同步逆变器的输出阻抗基频段幅值在宽工作范围内主要受同步系数影响。同时,搭建实验样机,硬件实验结果证明了所提复合功率同步方法的有效性与阻抗分析的正确性。

基于序阻抗的虚拟同步发电机并网稳定性分析及虚拟阻抗设计

在分布式发电高渗透率的微电网中,虚拟同步发电机(VSG)因可提供必要的频率和电压支撑而被广泛关注,其并网稳定性研究已成为热点问题。该文首先在获得VSG输出序阻抗矩阵的基础上,通过建立单输入单输出(SISO)等效模型,并结合Nyquist准则对VSG进行并网稳定性分析;然后,针对正负序之间存在的频率耦合现象,基于所建SISO等效序阻抗模型,对比分析了考虑频率耦合效应前后的VSG输出阻抗特性,揭示了频率耦合效应对VSG并网稳定性的影响机理,以及造成VSG并入强电网失稳的根本原因;最后,在上述机理分析的基础上,提出一种用于提升系统稳定性的虚拟阻抗简化设计方法,该方法从提升系统的幅值裕度的角度出发,直接利用SISO等效输出阻抗与电网阻抗二者的交互关系实现虚拟阻抗的定量计算,简化了虚拟阻抗的设计过程。仿真结果验证了稳定性分析的正确性以及虚拟阻抗设计方法的有效性。

基于饱和深度动态相量图的变压器涌流不平衡分析

为阐释高阻抗变压器三相涌流严重不平衡的产生机理,定义了可反映三相涌流不平衡特性的铁心“饱和深度”概念,并结合相量理论提出了基于饱和深度动态相量图的涌流不平衡特性分析方法。基于该方法可直观掌握变压器运行时各相铁心饱和深度随分合闸角度及时间的变化规律,从而快速辨识涌流极限不平衡的边界角度。不同分合闸角度时的数值模拟结果表明不平衡度和零序电流大小趋势基本一致,仿真和录波验证了出现涌流极限不平衡和零序电流峰值的边界角度的一致性。基于高阻抗变压器参数特征及边界角度,阐释了高阻抗变压器因原边零模涌流变大和副边环流变小两方面原因导致三相涌流严重不平衡的现象。

直驱风电场送出线路的正序电压极化距离保护适用性分析

新型电力系统发展背景下,故障特性发生深刻变化,基于同步机特性设计的继电保护面临严峻挑战。文中重点讨论了永磁直驱风机大规模交流送出线路中,以正序电压为极化电压的距离保护的适用性问题。计及并网逆变器的暂态穿越控制行为,分析了永磁直驱风机的故障特征,并重点研究了永磁直驱风机接入下以正序电压作为极化电压的线路阻抗继电器动作性能,讨论了不同穿越控制策略、不同系统工况对其动作性能的影响。研究发现,风电场侧相间继电器的可靠性会受直驱风机并网逆变器的故障穿越控制影响,且在不同无功补偿策略下表现不同:“增发无功、有功置零”的穿越方式下,相间阻抗继电器的可靠性较好;“增发无功、定有功”和“增发无功、限有功”的穿越方式下,相间阻抗继电器的可靠性会显著降低。此外“,增发无功、定有功”穿越方式下,相间阻抗继电器的可靠性还与稳定运行时的系统工况有关,风电出力越多,相间继电器可靠性越低。基于实时数字仿真系统搭建典型直驱风电场并网模型,通过大量实时仿真测试验证了理论分析的正确性。

小电阻接地系统高阻接地故障检测技术综述

小电阻接地系统发生高阻接地故障时电流小于传统的零序电流保护动作阈值,并且时常伴随有电弧的发生,难以准确检测与切除高阻接地故障。文章基于零序等效网络分析了小电阻接地系统单相高阻接地故障时母线零序电压理论特性和各出线零序电流特征;针对高阻接地故障常伴随发生的电弧现象,从故障点燃弧的物理过程出发,详尽分析了常用的Cassie电弧模型、Mayr电弧模型、改进的Mayr电弧模型、Mayr-Cassie组合电弧模型和Emanuel电路模型等六种电弧模型的物理近似过程、数值推导过程、试验验证及适用条件;分别从时域的伏安特性分析法和零序电流畸变法、频域的故障电流信号法和故障电压信号法出发,分析了高阻接地故障检测方法中的信号处理过程、故障特征提取方法、检测方法的优点与不足;认为采用零序电流波形在过零点附近畸变引起的波形斜率曲线变化作为故障特征具有明确的数学与物理意义,采用零序电压信号经小波包分解后高频段与低频段能量比作为故障特征,基本不受故障条件、系统结构等因素的影响,具有较好的检测效果。

考虑不可测负荷分支的有源配电网单相断线故障保护方法

有源配电网断线故障造成过电压、人身伤亡及电机损毁等事故时有发生,针对这一问题,首先分析了有源配电网断线故障后各节点负序阻抗以及断口两侧零序电压差。借鉴电流差动保护的思想,定义了负序差动阻抗,基于区内外故障时负序差动阻抗的特征差异,提出了一种基于负序差动阻抗的保护方法。该方法利用负序差动阻抗幅值作为动作量,利用其相位构造具有自适应性的制动阈值。其次,针对重载保护失效的情况,提出了将零序电压幅值差作为辅助判据。最后,分析了不可测负荷分支对上述保护判据的影响,并提出了通过比较负序电流幅值进行故障定位的方法。仿真结果表明,所述方法可以可靠定位,具有不受中性点接地方式、过渡电阻、负荷以及分布式电源影响的特点。

新能源场站并网联络线纵联零序方向保护的整定研究

提出了新能源并网联络线零序方向纵联保护的整定方法。考虑了新能源场站的各种主变联结组别,包括YNd、YNdd、YNynd接线方式,推导了并网联络线区内与区外接地故障时线路两侧零序测量阻抗表达式。结果表明:并网联络线区内接地故障时,主变采用YNd、YNdd联结组别的新能源场站侧零序测量阻抗与联结组别有关,而主变采用YNynd联结组别的新能源场站侧零序测量阻抗与联结组别和系统运行方式有关。据此给出了新能源并网联络线零序正方向元件和反方向元件最大灵敏角和动作区的整定方法。PSCAD/EMTDC仿真结果表明,各种故障情况下的零序阻抗角与分析结论一致,零序方向纵联保护能够正确可靠动作。

计及负序控制策略的光伏逆变器故障特性分析

光伏接入系统发生不对称故障时,逆变器会同时控制正序电流和负序电流的输出,但目前针对计及负序控制策略的逆变器故障特性研究较少。为此,首先推导了逆变器稳态短路电流的求解方法。然后考虑不同的负序控制策略,研究了不对称故障下逆变器输出的短路电流特征和等效负序阻抗特征,揭示了光伏发电在不同控制策略和不同故障类型下故障特性的相似性和差异性。最后搭建仿真模型,对理论分析结果进行了验证。结果表明,在新能源接入电网的故障特性及保护原理研究中需充分考虑负序控制策略的影响。