基于電流行波積分的啟動算法研究

三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院 王 豐 盧 云

啟動元件是電力系統(tǒng)微機(jī)保護(hù)中重要的輔助元件之一，起著檢測故障信息，開放保護(hù)的作用。因此要求啟動元件能在故障發(fā)生時，能準(zhǔn)確到檢測故障，保證保護(hù)可靠動作，不拒動；正常運行或僅僅是受到干擾時，不誤動。隨著大容量、遠(yuǎn)距離的超高壓輸電線路越來越多，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜。對保護(hù)的性能提出了更高的要求，基于暫態(tài)量的行波保護(hù)[1-2]由于速度快，具有不受運行方式、分布電容等的影響，得到了國內(nèi)外專家學(xué)者的重視。

通過檢測行波的奇異性[3]，準(zhǔn)確捕捉故障信息，實現(xiàn)啟動算法是以行波理論為基礎(chǔ)的啟動元件常采用的方法。大多數(shù)故障發(fā)生時，都可以檢測到暫態(tài)行波信號奇異性，進(jìn)而構(gòu)造啟動元件算法或?qū)崿F(xiàn)故障定位。但是，在電壓過零點故障時，產(chǎn)生的暫態(tài)信號將十分微弱或沒有波過程，使啟動算法失效。文獻(xiàn)[4-6]所提的啟動算法，都存在在電壓過零點故障時，啟動算法失靈的問題。本文在前人的基礎(chǔ)上，通過建立Matlab/simulink仿真模型，進(jìn)行大量仿真實驗，分析了不同故障下的行波信號特征，提出了基于電流行波積分的啟動元件算法，仿真實驗及數(shù)據(jù)驗證了該方法的有效性與可行性，且不受故障類型、故障距離、過渡電阻和故障合閘角的影響。

1.故障電流的行波特征

為研究不同故障合閘角下的電流行波特征，在Matlab/simulink中建立如圖1所示的分布參數(shù)的輸電線路模型。線路AB為故障線路，線路參數(shù)：正序阻抗Z1=（0.01273+j0.2932）Ω/km，負(fù)序阻抗Z2=Z1，零序阻抗Z0=（0.3864+j1.2957）Ω/km，線路對地正序電容與負(fù)序電容相等C1=C2=0.01274μF/km，線路對地零序電容C0=0.07751μF/km。

圖1 電力系統(tǒng)模型

針對三相耦合的三相輸電線路，選用凱倫貝爾變換矩陣作為解耦矩陣，如式（1）所示。

以A相接地短路為例說明，在半個工頻周期內(nèi)分別選取不同的故障合閘角，進(jìn)行仿真分析。故障發(fā)生在仿真開始后的第二個工頻周期，故障點F在AB線路內(nèi)部。采樣頻率設(shè)為1MHz。電流行波中選取1模和2模中較大者，并將故障時刻設(shè)置為坐標(biāo)原點。

以下給出了兩種有代表性的故障合閘角0°和90°時，A相接地短路時的電流行波及行波奇異性的波形圖。

圖2 A相接地短路（故障合閘角為0°）

圖3 A相接地短路（故障合閘角為90°）

由圖2、圖3兩圖可以看到，故障合閘角為0°，即電壓過零點故障時，在故障時刻的電流行波基本為零，沒有行波突變的過程，檢測不到行波的奇異性，如圖2中圓圈內(nèi)的行波梯度基本為零。若考慮到噪聲干擾信號，通過檢測行波奇異性的方法將不能使啟動元件可靠動作，或者誤動作。而類似圖3中，在故障時刻電流行波突變十分明顯，運用檢測行波的奇異性可以準(zhǔn)確捕捉到故障信息，進(jìn)而使啟動元件動作，開放保護(hù)。

2.基于電流行波積分的啟動算法

通過前文的仿真實驗，不難發(fā)現(xiàn)，僅僅靠檢測行波奇異性的方法來設(shè)計啟動元件的算法，在電壓過零點時，存在啟動元件拒動的現(xiàn)象。分析圖2可以發(fā)下，在過零點時刻過后，電流行波呈現(xiàn)緩慢增大趨勢，即電流行波不再為零；而圖3中的電流行波則由故障前的零變?yōu)橐粋€較大的值。另外，在線路正常運行時，若不考慮誤差與干擾信號，電流行波將始終保持為零。因此，本文構(gòu)造基于電流行波積分的啟動元件，即對電流行波的絕對值在Δt 時間區(qū)間內(nèi)進(jìn)行積分運算，如圖4和圖5所示，矩形框內(nèi)為積分區(qū)域。

圖4 A相接地短路（故障合閘角為0°）電流行波積分示意圖

圖5 A相接地短路（故障合閘角為60°）電流行波積分示意圖

當(dāng)積分值大于設(shè)定的閾值M時，啟動元件動作，開放保護(hù)。啟動判據(jù)如式（2）所示：

式（2中）M的取值以發(fā)生三相短路故障，故障時刻出現(xiàn)的最大電流行波值為基準(zhǔn)，并考慮 一定的可靠系數(shù)，在本文中取為1200，t值取為0。Δt 的取值一般小于行波在本線路上從首端傳到末端的時長。

3.仿真驗證及數(shù)據(jù)分析

按照圖1所示的電力系統(tǒng)模型建立Matlab/simulink仿真模型進(jìn)行仿真實驗。

（1）不同故障類型及合閘角的仿真實驗：設(shè)故障點在距離保護(hù)安裝處65km處，根據(jù)設(shè)定參數(shù)：行波傳播度速為：

計算得到，約經(jīng)過224μs，故障信息到達(dá)保護(hù)安裝處。在半個工頻周期內(nèi)，每間隔30°改變故障合閘角，進(jìn)行一次仿真，過渡電阻設(shè)為0，得到不同短路類型的仿真結(jié)果如表1所示。

表1 不同短路故障類型下的仿真結(jié)果

由表1中的仿真數(shù)據(jù)可以看出，式（2）所給出的啟動判據(jù)，在不同的短路故障時都能可靠動作。除少數(shù)情況下積分時間稍長外（如表1中打下劃線的數(shù)據(jù)所示），其他短路情況下都能在故障信息到達(dá)保護(hù)安裝處時刻附近完成積分運算，使啟動元件動作。另外，短路時，模電流值越大，即故障越嚴(yán)重，積分時長越短，速動性越好。在相同積分時長時，M越大，靈敏度也越高。

（2）不同故障距離的仿真實驗：以發(fā)生故障合閘角為60°的A相接地短路為例，改變故障點的位置，驗證式（2）中的啟動判據(jù)在不同故障距離時的有效性，仿真結(jié)果如表2所示。

表2中所示的結(jié)果表明，式（2）中的啟動判據(jù)基本不受故障點與保護(hù)安裝處之間距離的影響，能得到正確的動作結(jié)果，且故障點距離保護(hù)安裝處越遠(yuǎn)，積分時長越長。

表2 不同故障距離下A相接地短路故障的仿真結(jié)果

（3）不同過渡電阻的仿真實驗：以距離保護(hù)安裝處65km處，發(fā)生故障合閘角為60°的A相接地短路為例，改變過渡電阻，來驗證式（2）中的啟動判據(jù)耐受過渡電阻的能力。仿真結(jié)果如表3所示。分析仿真數(shù)據(jù)：隨著過渡電阻的增大，積分時長會隨之變長，但并不影響啟動判據(jù)的正確動作。

表3 不同過渡電阻下A相接地短路故障的仿真結(jié)果

4.結(jié)論

本文在大量仿真實驗的基礎(chǔ)上，分析了不同故障情況下的電流行波特征。根據(jù)電流行波模量由故障前為零，而在故障發(fā)生后出現(xiàn)跳變或增長，不再為零這一特征，本文提基于電流行波積分的啟動元件算法。仿真實驗及數(shù)據(jù)驗證了該方法的有效性，在故障類型、故障合閘角、過渡電阻及故障位置改變時，均能正確動作，具有良好的適應(yīng)性。

由于該方法基于積分運算，當(dāng)積分值超過閾值時，判據(jù)才會成立，故障的嚴(yán)重程度、故障距離和過渡電阻的大小都可能帶來積分時長的改變，影響速動性。另外，在正常運行時，若有較大的干擾信號存在，也可能導(dǎo)致啟動元件的誤動作?？梢酝ㄟ^犧牲靈敏度，提高閾值M的方法來躲過因干擾信號帶來的誤動作?？紤]到濾波器性能的發(fā)展，本文的啟動元件算法仍然具有一定的實際應(yīng)用價值。

[1]董新洲,葛耀中,李海峰,王鋼.輸電線路行波保護(hù)的現(xiàn)狀與展望[J].電力系統(tǒng)自動化,2000,24(9):56-60.

[2]鄭偉,武霽陽,賀家李.特高壓直流線路自適應(yīng)行波保護(hù)[J].電網(wǎng)技術(shù),2015,39(7):1995-2001.

[3]魏軍,羅四倍.基于信號奇異性檢測的行波啟動元件算法的探討[J].繼電器,2007,35(21):1-6.

[4]孔凡坊,王三桃,潘佩芳,吳軍基.基于小波變換模之和的奇異性檢測啟動元件算法[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2009,37(11):24-27.

[5]段建東,張保會.行波啟動元件的算法研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報,2004,24(09):34-40.

[6]蘇煜,羅四倍,王薇.基于形態(tài)梯度與小波變換模之和的行波啟動元件[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2009,37(23):5-8+34.