基于電流拍頻特性的單相自適應(yīng)重合閘故障識(shí)別方法

賀雨昕張 穎常新建吳 成

(西安工程大學(xué)電子信息學(xué)院,陜西省 西安市 710048)

0 引言

高壓輸電線路上發(fā)生的故障中以單相接地故障為主,并且多數(shù)單相接地故障表現(xiàn)為瞬時(shí)性,所以采用自動(dòng)重合閘技術(shù)可大大提高電力系統(tǒng)供電可靠和穩(wěn)定性[1-4]。但自動(dòng)重合閘存在非常明顯的缺陷,即一旦重合于永久性故障,則會(huì)給電力系統(tǒng)帶來嚴(yán)重的影響,對電力設(shè)備帶來二次傷害[5],甚至發(fā)生大規(guī)模停電事故,因此,為避免這種情況發(fā)生,相關(guān)學(xué)者又提出了自適應(yīng)重合閘的概念[6]。自適應(yīng)重合閘在重合前對于故障性質(zhì)做出判別,當(dāng)故障性質(zhì)為瞬時(shí)性時(shí),發(fā)出合閘命令進(jìn)行合閘操作,否則,不允許進(jìn)行合閘操作,因此可有效避免重合于永久性故障帶來的損害。

目前單相自適應(yīng)重合閘技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛的研究與應(yīng)用[7-10],其主要研究方法根據(jù)故障后的不同階段分為2類:(1)基于斷開相恢復(fù)電壓階段。文獻(xiàn)[11]理論分析了恢復(fù)電壓的組成,提出了采用恢復(fù)電壓拍頻特性作為無故障判據(jù)。除此之外,還將改進(jìn)型相關(guān)法[12]、Prony法[13]、人工智能[14]等數(shù)學(xué)處理方法應(yīng)用于故障性質(zhì)判別。但恢復(fù)電壓不到線路額定電壓的10%,測量精度難以保證,導(dǎo)致利用恢復(fù)電壓的判據(jù)結(jié)果可靠性存在較大問題。(2)基于故障電弧階段。文獻(xiàn)[15]將小波變換應(yīng)用于重合閘中,主要是利用其檢測電壓的極大值來識(shí)別故障性質(zhì)。文獻(xiàn)[16]基于模電流雙窗函數(shù)的暫態(tài)能量比提出了一種新判據(jù),利用所設(shè)計(jì)的窗函數(shù)提取高頻信號前、后時(shí)段的能量,通過能量比構(gòu)成判據(jù)。因電弧過程復(fù)雜,利用故障電弧構(gòu)建準(zhǔn)確模型困難,因此普遍采用恢復(fù)電壓階段的電氣量來構(gòu)建判據(jù)。

本文提出一種基于斷開相并聯(lián)電抗器電流拍頻特性的單相自適應(yīng)重合閘故障性質(zhì)識(shí)別方法。針對瞬時(shí)性故障斷開相并聯(lián)電抗器電流的拍頻特性,利用正弦波預(yù)測算法構(gòu)造符合正弦特性的預(yù)測波形,與實(shí)際波形進(jìn)行對比,提出利用波形互相關(guān)系數(shù)來進(jìn)行故障性質(zhì)識(shí)別的方法。該法原理淺易,計(jì)算簡便,通過Pscad/Emtdc對各種故障情況進(jìn)行大量驗(yàn)證,結(jié)果證明了該判據(jù)的可行性與適用性。

1 故障相并聯(lián)電抗器特征

1.1 瞬時(shí)性故障

以線路發(fā)生A 相瞬時(shí)性單相接地故障為例進(jìn)行分析,如圖1所示。

圖1 瞬時(shí)性單相接地故障等效電路圖Fig.1 Transient single-phase ground fault equivalent circuit diagram

線路發(fā)生單相接地故障后,故障相斷路器跳閘,電弧熄滅,瞬時(shí)性故障的故障點(diǎn)消失后,由健全相線路繼續(xù)運(yùn)行。由于并聯(lián)電抗器的存在使得線路中儲(chǔ)能元件存儲(chǔ)的能量在電感電容之間充放電,從而產(chǎn)生低頻自振分量。因此,斷開相并聯(lián)電抗器的電流由工頻分量和低頻自振分量2部分組成。

由圖1等效電路圖可得

式中:XL=jωL1;XN=jωLN。

恢復(fù)電壓階段,斷開相并聯(lián)電抗器電流由工頻分量與低頻自振分量組成,其瞬時(shí)表達(dá)式可表示為

1.2 永久性故障

輸電線路發(fā)生永久性故障時(shí),線路的儲(chǔ)能元件存儲(chǔ)的能量由于故障點(diǎn)一直存在,會(huì)持續(xù)對地放電。

(2) 當(dāng)經(jīng)過渡電阻發(fā)生接地故障時(shí),斷開相并聯(lián)電抗器電流為

可見,當(dāng)過渡電阻RF增大時(shí)的值會(huì)隨之減少。

永久性故障下的故障相并聯(lián)電抗器電流主要由工頻分量組成,表示如下:

通過分析可知,在不同的故障性質(zhì)下,斷開相故障回路差異明顯,斷開相并聯(lián)電抗器電流呈現(xiàn)出不同的組成,因此,本文提出一種基于斷開相并聯(lián)電抗器電流特性來進(jìn)行斷路器單相重合前故障性質(zhì)判別的方法。

2 基本原理及判據(jù)

利用瞬時(shí)或永久故障斷路器跳閘后的二次電弧階段符合正弦特征的短數(shù)據(jù)窗來構(gòu)造一個(gè)符合正弦特征的預(yù)測波形,然后將采樣得到的實(shí)際電流波形和構(gòu)造的預(yù)測波形進(jìn)行相關(guān)性分析,通過2個(gè)信號的歸一化互相關(guān)系數(shù)計(jì)算,來對線路故障的不同性質(zhì)進(jìn)行識(shí)別。

2.1 正弦波預(yù)測算法

結(jié)合文獻(xiàn)[17]的正弦波預(yù)測算法對斷開相并聯(lián)電抗器電流進(jìn)行預(yù)測。

(1) 設(shè)原始信號x(n)為采樣得到的斷開相并聯(lián)電抗器電流,原始信號在二次電弧階段存在直流衰減分量,會(huì)對后續(xù)預(yù)測產(chǎn)生干擾,因此首先對其進(jìn)行低通濾波處理:

(2) 設(shè)置預(yù)測波形起點(diǎn),并采用最大面積法確定最佳計(jì)算起點(diǎn):

計(jì)算N個(gè)s（k）,然后取s（k）的最大值所對應(yīng)的k值作為x(n)的新起點(diǎn)。

(3) 判斷x(n)上的點(diǎn)是否滿足正弦特征。正弦信號上相鄰的3個(gè)采樣點(diǎn)應(yīng)滿足

式中Ts為取樣周期。從x(n)的預(yù)測起點(diǎn)處取3個(gè)相鄰的采樣點(diǎn),利用式(14)對其進(jìn)行判斷,若滿足,則由這3點(diǎn)進(jìn)行波形預(yù)測。

(4) 利用算法得到預(yù)測信號y(n)。式(14)可寫為

通過上述步驟即可得到斷開相并聯(lián)電抗器電流在瞬時(shí)性和永久性故障下的預(yù)測正弦波形。

2.2 互相關(guān)系數(shù)

由前述分析可知,瞬時(shí)性故障恢復(fù)電壓階段電流實(shí)際采樣波形存在拍頻特性,因此與預(yù)測正弦波形差異較大,而永久性故障時(shí)2 種波形保持一致。通過上述算法對采樣波形進(jìn)行處理,并得到預(yù)測波形后,對2種波形的互相關(guān)系數(shù)進(jìn)行計(jì)算,來判斷2種信號的相似程度,本文采用歸一化互相關(guān)系數(shù)[10],可以排除信號幅度的影響。

3 瞬時(shí)性故障判據(jù)及實(shí)現(xiàn)方案

3.1 瞬時(shí)性故障判據(jù)

為反映輸電線路在不同故障性質(zhì)下電流波形的互相關(guān)程度,便于對瞬時(shí)性故障進(jìn)行識(shí)別,利用2種不同故障下電流波形信號互相關(guān)系數(shù)的特點(diǎn),在計(jì)算兩種波形互相關(guān)系數(shù)的基礎(chǔ)上提出如下判據(jù):

(1) 判據(jù)1為

(2) 判據(jù)2為

式中:ρmax為在一個(gè)計(jì)算周期內(nèi)斷開相并聯(lián)電抗器電流預(yù)測波形與實(shí)際波形互相關(guān)系數(shù)的最大值;ρmin為1個(gè)計(jì)算周期內(nèi)二者互相相關(guān)數(shù)的最小值;ˉρ為1個(gè)計(jì)算周期內(nèi)二者互相關(guān)系數(shù)的平均值;k1、k2為整定值,考慮到誤差,k1一般取0.5,k2一般取0.05。

3.2 單相自適應(yīng)重合閘方案

根據(jù)上述瞬時(shí)性故障判據(jù),提出重合閘方案,方案流程如圖2所示。

圖2 單相自適應(yīng)重合閘流程圖Fig.2 Flow chart of single-phase adaptive reclosing

(1) 以A相線路發(fā)生單相接地故障的情況為例,在發(fā)生故障相斷路器跳閘之后,采集A 相的斷開相并聯(lián)電抗器電流數(shù)據(jù),得到其離散數(shù)據(jù)序列。

(2) 將斷開相并聯(lián)電抗器電流的部分離散數(shù)據(jù)序列帶入到式(15)中,得到1個(gè)正弦波的離散數(shù)據(jù);然后將正弦波的離散數(shù)據(jù)序列和采集電流的離散數(shù)據(jù)序列帶入到式(16)中,求出2個(gè)信號的互相關(guān)系數(shù)ρ,數(shù)據(jù)窗為20 ms;再將ρ帶入到故障判據(jù)1和2中,求出計(jì)算結(jié)果,數(shù)據(jù)窗為115 ms。

(3) 當(dāng)故障判據(jù)的計(jì)算結(jié)果連續(xù)3次大于整定值時(shí),判定為瞬時(shí)性故障已熄弧,可進(jìn)行合閘操作,即發(fā)出合閘命令;當(dāng)故障判據(jù)的計(jì)算結(jié)果小于整定值時(shí),判定為永久性故障,不可進(jìn)行合閘操作,即發(fā)出閉鎖重合閘的命令。

4 仿真驗(yàn)證及分析

4.1 系統(tǒng)仿真模型

為了對本文提出的瞬時(shí)性故障判據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確性和可靠性驗(yàn)證,采用Pscad/Emtdc搭建圖3所示雙端帶并聯(lián)電抗器的500 k V 線路模型,進(jìn)行仿真驗(yàn)證。輸電線路的具體參數(shù)如表1所示。

圖3 輸電線路仿真模型Fig.3 Transmission line simulation model

表1 雙端帶并聯(lián)電抗器線路參數(shù)Table 1 Line parameters

4.2 仿真分析

以雙端帶并聯(lián)電抗器的輸電線路發(fā)生單相接地故障為例,設(shè)置兩端等效電源電勢角差為30°,在距離M 端179 km處A相發(fā)生經(jīng)RF=500Ω接地故障。設(shè)置仿真總時(shí)長為1 s,故障在0.2 s時(shí)發(fā)生,故障相斷路器在0.22 s時(shí)斷開,瞬時(shí)性故障持續(xù)0.2 s,如圖4所示;永久性故障一直持續(xù)到仿真結(jié)束,如圖5所示。

圖4 瞬時(shí)性故障Fig.4 Transient failure

圖5 永久性故障Fig.5 Permanent failure

由圖4可知,當(dāng)發(fā)生瞬時(shí)性故障時(shí),斷路器跳閘后的一段時(shí)間內(nèi),即0.22～0.4 s,斷開相并聯(lián)電抗器電流的波形為正弦波,其實(shí)際采樣波形和預(yù)測正弦波形保持一致,互相關(guān)系數(shù)為1;在0.4s以后,斷開相并聯(lián)電抗器電流存在拍頻特性,其采樣波形由正弦波變?yōu)榘j(luò)線上下波動(dòng)的非正弦曲線,而其預(yù)測電流波形為正弦波,因此2種波形的互相關(guān)系數(shù)波動(dòng)劇烈,并且隨時(shí)間呈現(xiàn)周期性的變化,基于互相關(guān)系數(shù)的判據(jù)計(jì)算結(jié)果如圖4(c)所示,其值恒大于整定值k1,滿足式(17);互相關(guān)系數(shù)的波動(dòng)系數(shù)如圖4(d)所示,由圖可知δ＞0且滿足式(18)。

根據(jù)上述分析,可判定故障為瞬時(shí)性故障,且已經(jīng)熄弧,因此,可發(fā)出允許合閘的命令,進(jìn)行合閘操作,使故障線路恢復(fù)運(yùn)行。

由圖5 可知,發(fā)生永久性故障時(shí),斷路器跳閘后,斷開相并聯(lián)電抗器電流一直為正弦波,在0.4 s后,斷開相并聯(lián)電抗器電流不存在拍頻特性,實(shí)際采樣波形仍然為正弦波,預(yù)測波形也為正弦波,2種波形在幅值和相位上保持一致,幾乎重合,呈現(xiàn)正相關(guān),因此二者的互相關(guān)系數(shù)在1附近很小的范圍內(nèi)波動(dòng),基于互相關(guān)系數(shù)的故障判據(jù)計(jì)算結(jié)果如圖5(c)所示,其值約等于0,且恒小于整定值,不滿足式(17);互相關(guān)系數(shù)的波動(dòng)系數(shù)如圖5(d)所示,由圖可知δ≈0且恒小于整定值,不滿足式(18)。

由上述分析可判定故障為永久性故障,因此發(fā)出閉鎖重合閘命令。

4.3 不同故障情況下的仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證在不同并聯(lián)電抗器安裝位置、不同故障位置和不同過渡電阻下本文所提故障判據(jù)的準(zhǔn)確可靠性和方法的適用性,對線路雙端帶并聯(lián)電抗器的各種故障情況進(jìn)行仿真。

圖6、7為雙端帶并聯(lián)電抗器輸電線路斷開相并聯(lián)電抗器電流實(shí)際采樣波形與預(yù)測正弦波形互相關(guān)系數(shù)差動(dòng)判據(jù)計(jì)算結(jié)果的最大值和最小值。由圖可知,在發(fā)生瞬時(shí)性故障時(shí),由于互相關(guān)系數(shù)波動(dòng)劇烈,其判據(jù)計(jì)算結(jié)果的最大值和最小值均大于整定值k1,滿足瞬時(shí)性故障判據(jù)式(17);在發(fā)生永久性故障時(shí),互相關(guān)系數(shù)為1附近的穩(wěn)定值,其判據(jù)計(jì)算結(jié)果的最大值和最小值均小于整定值k1,不滿足瞬時(shí)性故障判據(jù)式(17)。

圖6 差動(dòng)判據(jù)計(jì)算結(jié)果最大值Fig.6 Maximum value of differential criterion calculation result

圖7 差動(dòng)判據(jù)計(jì)算結(jié)果最小值Fig.7 Minimum value of differential criterion calculation result

圖8、9為雙端帶并聯(lián)電抗器輸電線路斷開相并聯(lián)電抗器電流實(shí)際采樣波形和預(yù)測正弦波互相關(guān)系數(shù)的波動(dòng)系數(shù)的最大值和最小值。由圖8、9 可知,在發(fā)生瞬時(shí)性故障時(shí),互相關(guān)系數(shù)的波動(dòng)系數(shù)較大,其最大值和最小值均大于整定值k2,滿足瞬時(shí)性故障判據(jù)式(18);在發(fā)生永久性故障時(shí),互相關(guān)系數(shù)的波動(dòng)系數(shù)較小,其最大值和最小值均小于整定值k2,不滿足瞬時(shí)性故障判據(jù)式(18)。

圖8 波動(dòng)系數(shù)最大值Fig.8 Maximum fluctuation coefficient

圖9 波動(dòng)系數(shù)最小值Fig.9 Minimum fluctuation coefficient

5 結(jié)論

本文基于斷開相并聯(lián)電抗器電流在瞬時(shí)性和永久性故障下的波形差異性,利用斷路器跳閘后的二次電弧階段符合正弦特征的短數(shù)據(jù)窗來構(gòu)造預(yù)測波形,將采樣得到的實(shí)際電流波形和構(gòu)造的預(yù)測波形進(jìn)行相似度比較,兩種波形在瞬時(shí)性故障下差別較大,永久性故障下則保持一致;基于波形互相關(guān)系數(shù),提出了一種利用斷開相并聯(lián)電抗器電流拍頻特性的單相自適應(yīng)重合閘瞬時(shí)性故障識(shí)別方法,該方法原理簡單,易于實(shí)現(xiàn),對于拍頻特性明顯的線路更加適合。最后通過PSCAD 搭建500k V 輸電線路仿真模型,對不同的故障情況進(jìn)行了大量的仿真,實(shí)驗(yàn)結(jié)果充分表明,該方法能夠準(zhǔn)確地識(shí)別出瞬時(shí)故障性質(zhì)。