高敬業(yè),楊鴻雁,蔡 瀟,畢貴紅,楊 毅,陳仕龍
(1.昆明理工大學(xué) 電力工程學(xué)院,云南 昆明 650500;2.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院,云南 昆明 650217)
基于全線貫通技術(shù)和同相補(bǔ)償技術(shù)的新型貫通式同相牽引供電系統(tǒng),徹底解決了牽引供電系統(tǒng)中最為嚴(yán)重的過(guò)分相問題和負(fù)序問題,并大幅度提高了牽引供電系統(tǒng)的效率[1-3]。牽引供電系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)受內(nèi)外諸多因素的影響,事故發(fā)生率高[4]。故障暫態(tài)電流信號(hào)中含有的故障信息比故障暫態(tài)電壓信號(hào)更豐富,因此進(jìn)一步研究由故障電流信號(hào)構(gòu)成的牽引網(wǎng)暫態(tài)保護(hù)具有重要意義。由于自耦變壓器(AT)供電方式具有通信防護(hù)效果好、牽引網(wǎng)供電距離長(zhǎng)及牽引網(wǎng)損耗低等優(yōu)點(diǎn),目前高速重載鐵路大部分選擇該供電方式為機(jī)車供電,故本文選取貫通式同相AT牽引供電系統(tǒng)作為對(duì)象展開研究[5]。
數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)是一種處理非線性問題的方法,該方法不僅有速度快、時(shí)延小等優(yōu)點(diǎn),而且通過(guò)形態(tài)學(xué)處理故障暫態(tài)信號(hào)不會(huì)出現(xiàn)幅度衰減及相位移的問題。形態(tài)譜運(yùn)算由開運(yùn)算和閉運(yùn)算組成,可提取故障暫態(tài)信號(hào)的形態(tài)譜,進(jìn)而得到形態(tài)譜值。多分辨形態(tài)梯度(MMG)能可靠判斷故障暫態(tài)電流信號(hào)波形突變點(diǎn)的極性,由此可以構(gòu)成方向起動(dòng)元件的判據(jù)[6]。
牽引變電所出口處電容和區(qū)外一段接觸線共同構(gòu)成貫通式同相牽引供電系統(tǒng)牽引網(wǎng)的天然邊界,且該邊界對(duì)高頻分量具有較強(qiáng)的衰減作用[7]。通過(guò)結(jié)合牽引網(wǎng)邊界對(duì)高頻分量較強(qiáng)的衰減作用和數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)處理故障暫態(tài)信號(hào)的優(yōu)點(diǎn),提出了基于形態(tài)學(xué)的貫通式同相AT牽引供電系統(tǒng)牽引網(wǎng)單端電流方向暫態(tài)保護(hù)方法。通過(guò)MMG判斷故障電流線模分量波形突變點(diǎn)極性的正負(fù),若極性為負(fù),則判別為本側(cè)區(qū)外故障。若極性為正,則通過(guò)形態(tài)譜運(yùn)算得到故障電流線模分量的形態(tài)譜,對(duì)該形態(tài)譜進(jìn)行歸一化并將其變換到頻域,并將頻域中形態(tài)譜值與閾值的大小進(jìn)行比較,來(lái)判斷區(qū)內(nèi)故障、對(duì)側(cè)區(qū)外故障。通過(guò)大量仿真,驗(yàn)證了該保護(hù)方法的可靠性和可行性。
貫通式同相AT牽引供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。公共電網(wǎng)側(cè)輸入三相交流電流,通過(guò)三相PWM整流與單相PWM逆變將三相交流電變換為單相交流電,再通過(guò)單相升壓變壓器升壓后進(jìn)入牽引網(wǎng),為電力機(jī)車的運(yùn)行提供電能。
圖1 貫通式同相AT牽引供電系統(tǒng)示意圖
根據(jù)牽引網(wǎng)各導(dǎo)線的參數(shù),由Carson理論可計(jì)算出牽引網(wǎng)阻抗Z的相量矩陣Z相、電感L的相量矩陣L相、電容C的相量矩陣C相,如下[8]:
(1)
(2)
(3)
式中:Z相、L相、C相的單位分別為Z/km、F/km、H/km。
將貫通式同相AT牽引供電系統(tǒng)的牽引網(wǎng)簡(jiǎn)化為由C相和F相構(gòu)成的兩相不換位線路[9]。由于C相是由接觸線與承力索2條相異的導(dǎo)線共同構(gòu)成的一相二分裂導(dǎo)線,F(xiàn)相為負(fù)饋線、鋼軌和回流線等效合并而成,C相和F相的線路參數(shù)不同,故牽引網(wǎng)是不對(duì)稱線路。牽引網(wǎng)的不對(duì)稱性導(dǎo)致線路的傳播模量也是不平衡的,因此需要不同的變換矩陣對(duì)電壓、電流波動(dòng)方程進(jìn)行對(duì)角化。電流、電壓的相模變換矩陣為[8]
(4)
設(shè)有:
(5)
(6)
經(jīng)計(jì)算可得
(7)
則
(8)
Lm=
(9)
(10)
式中:Rm、Lm、Cm分別表示牽引網(wǎng)電阻R、電感L、電容C的模量矩陣,單位分別是Ω/km、H/km、F/km。
由于牽引網(wǎng)電能質(zhì)量易受交-直-交變換器所生成高次諧波的影響,可通過(guò)裝設(shè)電容電感濾波裝置來(lái)降低高次諧波干擾,該電容并聯(lián)在牽引網(wǎng)上,其在牽引網(wǎng)中的連接方式如圖2所示[10]。
圖2 電容與牽引網(wǎng)并聯(lián)示意圖
文獻(xiàn)[11]分析表明,3 m長(zhǎng)接觸線與牽引變電所出口處電容構(gòu)成的牽引網(wǎng)邊界可以用于判別區(qū)內(nèi)和區(qū)外故障。牽引變電所出口處電容與區(qū)外3 m長(zhǎng)接觸線共同構(gòu)成的牽引網(wǎng)邊界的等效電路如圖3所示。
圖3 牽引網(wǎng)邊界等效電路
圖3中,Z1(jω)為牽引變電所出口處電容的等效阻抗,Z2(jω)為3 m長(zhǎng)接觸線的等效阻抗。由圖3推導(dǎo)出牽引網(wǎng)邊界的傳遞函數(shù)G(jω)為
(11)
傳遞函數(shù)的幅頻特性如圖4所示。
圖4 牽引網(wǎng)邊界傳遞函數(shù)的幅頻特性
由圖4可知,低頻部分傳遞函數(shù)的幅值接近于1;當(dāng)頻率f>1 kHz時(shí),傳遞函數(shù)的幅值遠(yuǎn)小于1,即貫通式同相AT牽引供電系統(tǒng)的邊界元件對(duì)故障信號(hào)的高頻分量有較強(qiáng)的衰減作用。
牽引網(wǎng)線路及邊界對(duì)故障電流高頻分量的衰減作用不同。當(dāng)牽引網(wǎng)的距離較短時(shí),邊界對(duì)高頻分量的衰減作用將大于牽引網(wǎng)對(duì)高頻分量的衰減作用。當(dāng)牽引網(wǎng)的長(zhǎng)度超過(guò)某個(gè)臨界值時(shí),牽引網(wǎng)對(duì)故障電流高頻分量的衰減作用可能會(huì)大于邊界對(duì)故障電流高頻分量的衰減作用,這樣會(huì)導(dǎo)致牽引網(wǎng)區(qū)內(nèi)故障時(shí)保護(hù)安裝處檢測(cè)到的高頻分量小于本側(cè)區(qū)外故障時(shí)保護(hù)安裝處檢測(cè)到的高頻分量,引發(fā)保護(hù)拒動(dòng)[12]。
保護(hù)安裝處區(qū)內(nèi)故障和本側(cè)區(qū)外故障時(shí),可以根據(jù)保護(hù)安裝處檢測(cè)到的故障電流波形突變點(diǎn)極性判定是否為本側(cè)區(qū)外發(fā)生故障[6]。利用歸一化后形態(tài)譜值的大小來(lái)表示保護(hù)裝置檢測(cè)到的故障電流線模信號(hào)中高頻分量的大小,通過(guò)比較閾值與形態(tài)譜值的大小來(lái)判定區(qū)內(nèi)故障或?qū)?cè)區(qū)外故障。由上述原理提出基于形態(tài)學(xué)的貫通式同相AT牽引供電系統(tǒng)牽引網(wǎng)單端電流方向保護(hù)方法,結(jié)合圖5進(jìn)行說(shuō)明,步驟如下:
(1)提取保護(hù)安裝處檢測(cè)到的故障暫態(tài)電流進(jìn)行相模變換。因線模信號(hào)中含有的故障高頻分量比零模信號(hào)多,故選取線模信號(hào)作為研究對(duì)象。通過(guò)MMG變換分析故障電流線模分量波形突變點(diǎn)的極性來(lái)判斷是本側(cè)區(qū)外故障(極性為負(fù),故障f1),還是區(qū)內(nèi)故障或?qū)?cè)區(qū)外故障(極性為正,區(qū)內(nèi)故障f2、f3、f4或?qū)?cè)區(qū)外故障f5)。
(2)若方向元件判斷出故障不是本側(cè)區(qū)外故障(即故障不是發(fā)生在f1處),則需進(jìn)行形態(tài)譜運(yùn)算得到其形態(tài)譜,為消除不同尺度的影響,需要將得到的形態(tài)譜歸一化后變換到頻域。再分別對(duì)不同尺度下的形態(tài)譜求和,得到不同尺度下的形態(tài)譜值,并將得到的形態(tài)譜值進(jìn)行歸一化。
(3)最終通過(guò)比較歸一化后的形態(tài)譜值Q1與閾值Q的大小來(lái)判定區(qū)內(nèi)故障或?qū)?cè)區(qū)外故障。當(dāng)故障電流線模分量的形態(tài)譜值Q1大于閾值Q(Q=1)時(shí),為區(qū)內(nèi)故障(故障f2、f3、f4);當(dāng)故障電流線模分量的形態(tài)譜值Q1小于閾值Q且大于零時(shí),為對(duì)側(cè)區(qū)外故障(故障f5)。
貫通式同相AT牽引供電系統(tǒng)牽引網(wǎng)單端電流方向暫態(tài)保護(hù)的布置如圖5所示,保護(hù)檢測(cè)點(diǎn)在牽引變電所2的區(qū)內(nèi)出口處。規(guī)定牽引變電所1、2之間的牽引網(wǎng)為保護(hù)區(qū)內(nèi),本側(cè)區(qū)外為牽引變電所2的左側(cè),對(duì)側(cè)區(qū)外為牽引變電所1的右側(cè)。
圖5 牽引網(wǎng)單端電流方向暫態(tài)保護(hù)布置圖
設(shè)定母線流向線路為電流正方向。在圖5中,當(dāng)故障發(fā)生在本側(cè)區(qū)外f1處,電流方向與正方向相同,電流的突變方向?yàn)榉捶较蚣丛诓ㄐ瓮蛔兲帢O性為負(fù);當(dāng)區(qū)內(nèi)f2、f3、f4處或者對(duì)側(cè)區(qū)外f5處發(fā)生故障時(shí),電流方向與正方向相反,電流突變方向?yàn)檎较蚣丛诓ㄐ瓮蛔兲帢O性為正[13]。由此可知,可以通過(guò)判定保護(hù)裝置處檢測(cè)到的故障電流波形突變點(diǎn)的極性構(gòu)造方向起動(dòng)元件。若故障電流波形突變處極性為負(fù),則本側(cè)區(qū)外發(fā)生故障,保護(hù)應(yīng)可靠不動(dòng)作;若故障電流波形突變處極性為正,則是區(qū)內(nèi)故障或?qū)?cè)區(qū)外故障,需進(jìn)一步判斷故障位置。
本文采用MMG技術(shù)對(duì)保護(hù)安裝處檢測(cè)到的故障電流線模分量進(jìn)行信號(hào)處理,可以通過(guò)提取電流信號(hào)的上升沿、下降沿來(lái)分析電流信號(hào)的極性[14-15]。
(12)
(13)
(14)
(15)
設(shè)置采樣頻率為40 kHz,采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)為200,選取MMG變換系數(shù)α為2的一層進(jìn)行分析,得到故障電流線模分量的波形如圖6所示。
圖6 經(jīng)MMG變換后的故障電流線模分量波形圖
從圖6中可以明顯看出第1層(本側(cè)區(qū)外故障)故障電流線模分量波形突變點(diǎn)處極性為負(fù);第2層(區(qū)內(nèi)故障)和第3層(對(duì)側(cè)區(qū)外故障)故障電流線模分量波形突變點(diǎn)處極性為正。因此通過(guò)分析故障電流線模分量波形突變點(diǎn)處的極性可以構(gòu)造方向起動(dòng)元件。
當(dāng)貫通式同相AT牽引供電系統(tǒng)牽引網(wǎng)發(fā)生故障后,若方向起動(dòng)元件判斷出不是本側(cè)區(qū)外故障,則需進(jìn)行形態(tài)譜運(yùn)算并比較形態(tài)譜值與閾值的大小,進(jìn)而判定區(qū)內(nèi)故障或?qū)?cè)區(qū)外故障。
牽引網(wǎng)區(qū)內(nèi)故障或?qū)?cè)區(qū)外故障時(shí),本文采用形態(tài)譜值的大小來(lái)表示保護(hù)裝置檢測(cè)到的高頻分量的大小。當(dāng)故障發(fā)生在對(duì)側(cè)區(qū)外時(shí),故障電流線模分量要經(jīng)過(guò)牽引網(wǎng)及邊界的共同衰減作用才能到達(dá)保護(hù)安裝處,區(qū)內(nèi)故障時(shí)電流線模分量?jī)H經(jīng)過(guò)牽引網(wǎng)的衰減作用便到達(dá)保護(hù)安裝處,故區(qū)內(nèi)故障時(shí)線模電流高頻分量必然大于對(duì)側(cè)區(qū)外故障時(shí)線模電流高頻分量。設(shè)原始信號(hào)為f(x),則其形態(tài)學(xué)的開運(yùn)算、閉運(yùn)算為[6]
(f°rg)=(fΘrg)⊕rg,r>0
(16)
(f·rg)=(f⊕rg)Θrg,r>0
(17)
式中:°表示開運(yùn)算;·表示閉運(yùn)算;r為結(jié)構(gòu)元素的半徑;g(x)為一凸結(jié)構(gòu)函數(shù)。設(shè)定義域Rm內(nèi)的面積為A,則形態(tài)譜表達(dá)式如下:
(18)
(19)
形態(tài)譜結(jié)構(gòu)元素類型豐富,本文選取扁平形結(jié)構(gòu)元素,因?yàn)椴恍杩紤]結(jié)構(gòu)元素的高度且隨著寬度的變化而變化,通過(guò)頻率的不斷改變對(duì)信號(hào)進(jìn)行逐頻率分解[16]。
結(jié)構(gòu)元素寬度的選取需要注意:結(jié)構(gòu)元素的寬度必須大于故障信號(hào)的干擾寬度,否則不能有效過(guò)濾噪聲,但寬度選擇過(guò)大會(huì)干擾波形的局部及細(xì)節(jié)特征。當(dāng)結(jié)構(gòu)元素形狀和結(jié)構(gòu)元素寬度選定時(shí),信號(hào)采樣點(diǎn)數(shù)對(duì)形態(tài)學(xué)的頻率響應(yīng)特性并無(wú)影響,只會(huì)改變頻率分辨率[17-18]。對(duì)貫通式同相AT牽引供電系統(tǒng)牽引網(wǎng)的區(qū)內(nèi)和對(duì)側(cè)區(qū)外進(jìn)行故障仿真,故障電流通過(guò)形態(tài)譜運(yùn)算后其線模分量形態(tài)譜如圖7、圖8所示。
圖7 區(qū)內(nèi)故障時(shí)電流線模分量的形態(tài)譜
圖8 對(duì)側(cè)區(qū)外故障時(shí)電流線模分量的形態(tài)譜
由圖7和圖8可知,當(dāng)結(jié)構(gòu)元素的寬度接近180時(shí),無(wú)論故障發(fā)生在區(qū)內(nèi)還是對(duì)側(cè)區(qū)外,故障電流線模分量波形的形態(tài)譜值均接近0。結(jié)構(gòu)元素的個(gè)數(shù)大于180時(shí),區(qū)內(nèi)故障及對(duì)側(cè)區(qū)外故障的譜線值均為0,將會(huì)對(duì)波形的局部特征及細(xì)節(jié)特征造成影響,故本文選取結(jié)構(gòu)元素的寬度為1~180。不同的譜尺度對(duì)應(yīng)不同的小波分解層數(shù)及不同的頻段,對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。
表1 頻域內(nèi)多尺度小波分解層數(shù)與形態(tài)譜尺度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系
通過(guò)形態(tài)譜運(yùn)算得到形態(tài)譜,并對(duì)其進(jìn)行歸一化處理,消除尺度變換對(duì)形態(tài)譜的影響;對(duì)不同尺度下的形態(tài)譜分別求和,得到不同尺度下的形態(tài)譜值并進(jìn)行歸一化,最終得到歸一化處理后的形態(tài)譜值Qi(i=1、2、3、4、5)。由于形態(tài)譜尺度128~256對(duì)應(yīng)的頻段很低,不宜用于牽引網(wǎng)單端電流方向暫態(tài)保護(hù),故將其舍棄。因此Q1、Q2、Q3、Q4、Q5對(duì)應(yīng)的尺度分別為1~8、8~16、16~32、32~64、64~128。
通過(guò)大量仿真結(jié)果可知,高頻段的形態(tài)譜值Q1在區(qū)內(nèi)故障時(shí)分布在100~101,故障發(fā)生在對(duì)側(cè)區(qū)外時(shí),經(jīng)過(guò)牽引網(wǎng)及邊界共同的衰減作用后形態(tài)譜的譜值Q1均分布在10-1數(shù)量級(jí),比區(qū)內(nèi)故障時(shí)大約降低一個(gè)數(shù)量級(jí)。低頻段形態(tài)譜值Q2、Q3、Q4、Q5,在區(qū)內(nèi)故障時(shí)較均勻地分布在10-1數(shù)量級(jí)附近,對(duì)側(cè)區(qū)外故障與區(qū)內(nèi)故障時(shí)的形態(tài)譜值相比,變化并不大,這是由于牽引網(wǎng)邊界自身通低頻阻高頻的特性造成的,邊界對(duì)低頻分量的衰減作用并不明顯,而對(duì)高頻分量有較強(qiáng)的衰減作用。因此,本文選取了對(duì)區(qū)內(nèi)故障、對(duì)側(cè)區(qū)外故障反應(yīng)較靈敏的高頻段形態(tài)譜值Q1作為研究對(duì)象,且將Q1放大了102倍以方便后續(xù)工作的開展。設(shè)定閾值Q為1,將最終得到的歸一化后的高頻段形態(tài)譜值Q1與閾值Q進(jìn)行比較,從而構(gòu)成故障判據(jù):當(dāng)Q1大于Q時(shí),故障發(fā)生在區(qū)內(nèi);當(dāng)Q1小于Q且大于0時(shí),故障發(fā)生在對(duì)側(cè)區(qū)外。
本文參照?qǐng)D1,利用PSCAD平臺(tái)搭建貫通式同相AT牽引供電系統(tǒng)仿真模型,模型參數(shù)如下:電壓取220 kV/27.5 kV;頻率為50 Hz;通過(guò)三相PWM整流與單相PWM逆變的變換方式來(lái)構(gòu)成三相-單相變換,并利用SPWM調(diào)制技術(shù)輸出以基波為主的單相交流電,同時(shí)抑制高次諧波的產(chǎn)生[19];電力機(jī)車模型選取總牽引功率為4 800 kW的CHR2型交-直-交電動(dòng)機(jī)車。
本文針對(duì)不同的故障初始角、故障位置及不同的過(guò)渡電阻等多種情況進(jìn)行大量故障仿真。采樣頻率設(shè)置為40 kHz,扁平結(jié)構(gòu)元素的寬度為1~180,根據(jù)濾波窗寬度(=結(jié)構(gòu)元素寬度/采樣頻率)的計(jì)算公式可得濾波窗為4.5 ms。故障初始角為10°時(shí),不同故障位置及不同過(guò)渡電阻條件下的仿真結(jié)果如表2所示。
分析表2可知,在故障初始角一定的情況下改變故障位置及過(guò)渡電阻:本側(cè)區(qū)外故障時(shí),故障電流線模分量波形突變點(diǎn)的極性為負(fù);區(qū)內(nèi)故障時(shí),故障電流線模分量波形突變點(diǎn)的極性為正,且故障電流線模分量的形態(tài)譜值Q1均大于閾值Q(Q=1);當(dāng)對(duì)側(cè)區(qū)外發(fā)生故障時(shí),故障電流線模分量波形突變點(diǎn)的極性為正,且故障電流線模分量的形態(tài)譜值Q1均小于閾值Q并大于0。通過(guò)仿真結(jié)果還可以看出,故障位置距離保護(hù)檢測(cè)點(diǎn)越遠(yuǎn),形態(tài)譜值越??;隨著過(guò)渡電阻的增大,形態(tài)譜值減小。
表2 故障初始角為10°時(shí)的仿真結(jié)果
過(guò)渡電阻設(shè)置為0.1 Ω時(shí),不同故障初始角及不同故障位置條件下的仿真結(jié)果如表3所示。
通過(guò)分析表3可知,在過(guò)渡電阻一定的情況下改變故障位置及故障初始角:故障發(fā)生在本側(cè)區(qū)外時(shí),故障電流線模分量的波形突變點(diǎn)極性為負(fù);區(qū)內(nèi)故障及對(duì)側(cè)區(qū)外故障時(shí)故障電流線模分量的波形突變點(diǎn)極性為正;發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時(shí),故障電流線模分量的形態(tài)譜值Q1均大于閾值Q(Q=1);當(dāng)發(fā)生對(duì)側(cè)區(qū)外故障時(shí),故障電流線模分量的形態(tài)譜值Q1均小于閾值Q且大于0。且故障位置越接近保護(hù)安裝處、故障初始角越大,則形態(tài)譜值越大。
表3 過(guò)渡電阻為0.1 Ω時(shí)的仿真結(jié)果
基于牽引網(wǎng)邊界對(duì)高頻分量有較強(qiáng)的衰減作用,提出一種基于形態(tài)學(xué)的貫通式同相AT牽引供電系統(tǒng)牽引網(wǎng)單端電流方向暫態(tài)保護(hù)方法,通過(guò)大量故障仿真驗(yàn)證了所提保護(hù)方法的可行性,主要結(jié)論如下:
(1)通過(guò)對(duì)故障電流線模分量進(jìn)行MMG變換,可以得到故障電流線模分量波形突變點(diǎn)的極性:若極性為負(fù),判定為本側(cè)區(qū)外故障;若極性為正,判定為區(qū)內(nèi)故障或?qū)?cè)區(qū)外故障。
(2)當(dāng)判定為區(qū)內(nèi)故障或?qū)?cè)區(qū)外故障時(shí),通過(guò)形態(tài)譜運(yùn)算對(duì)故障電流線模分量進(jìn)行處理,并變換歸一化后的形態(tài)譜到頻域。通過(guò)比較頻域下的形態(tài)譜值Q1與閾值Q的大小,判斷故障發(fā)生位置:當(dāng)形態(tài)譜值Q1大于閾值Q時(shí),為區(qū)內(nèi)故障;當(dāng)形態(tài)譜值Q1小于閾值Q且大于0時(shí),為對(duì)側(cè)區(qū)外故障。