一種TSDF判別算法的自適應(yīng)阻抗保護(hù)研究①

龔曉龍, 李 梅

(安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院,安徽 淮南 232001 )

0 引 言

阻抗保護(hù)廣泛用于高壓輸電系統(tǒng)中,其保護(hù)Ⅲ段為電力系統(tǒng)中的輸電線路提供后備保護(hù),Ⅲ段的保護(hù)范圍使得其在低頻振蕩期間更容易誤動(dòng)。針對(duì)上述問題,文獻(xiàn)[1-8]提出了許多方案。

文獻(xiàn)[1-2]針對(duì)由于過渡電阻的存在,采用一種自適應(yīng)阻抗保護(hù)方法來提高耐受過渡電阻的能力。文獻(xiàn)[3]在分析區(qū)外故障時(shí)自適應(yīng)阻抗保護(hù)誤動(dòng)的基礎(chǔ)上,提出一種自適應(yīng)阻抗保護(hù)的改進(jìn)方案。文獻(xiàn)[4]針對(duì)由于超高壓送電線路的穩(wěn)態(tài)超越造成的電力系統(tǒng)輸電情況變動(dòng)時(shí)電阻誤差計(jì)算不準(zhǔn)確,提出一種超高壓送電線路自適應(yīng)阻抗保護(hù)技術(shù)。文獻(xiàn)[5]針對(duì)傳統(tǒng)阻抗保護(hù)整定繁瑣而造成的靈敏度不足,提出一種基于自適應(yīng)在線整定方法的阻抗保護(hù)方案。文獻(xiàn)[6-7]提出一種自適應(yīng)整定算法,解決了因傳統(tǒng)算法整定值固定不變而造成的保護(hù)誤動(dòng)。文獻(xiàn)[8]就用戶整定定值前置、自適應(yīng)整定定值后置、自適應(yīng)整定原則作了較全面的研究,并提出了各保護(hù)定值自整定的方案?；仡櫸墨I(xiàn)[1-8]可知,盡管方法可能不同,但許多自適應(yīng)方法都是應(yīng)用在電力系統(tǒng)正常運(yùn)行狀態(tài)下,并沒有考慮電力系統(tǒng)緊急狀態(tài),如低頻振蕩。

使用Matrix Pencil(MP)方法,以解決在阻抗保護(hù)Ⅲ段內(nèi)發(fā)生三相故障時(shí)的檢測和判別問題,MP方法在各個(gè)工程領(lǐng)域都有許多應(yīng)用,用于傳感器狀態(tài)的檢測,用于電纜電弧故障定位,用于雷達(dá)目標(biāo)分類,用于電力系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析,用于信號(hào)處理[9-13]。將故障電流信號(hào)作為實(shí)際輸入信號(hào),基于實(shí)際信號(hào)與重構(gòu)信號(hào)的振幅差值,提出瞬態(tài)監(jiān)督檢測函數(shù)(Transient Supervisory Detection Function, TSDF),將TSDF用于檢測區(qū)分三相故障與低頻振蕩。通過仿真,驗(yàn)證了所提算法的有效性。

1 自適應(yīng)方案

當(dāng)被保護(hù)線路發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時(shí),保護(hù)元件應(yīng)當(dāng)及時(shí)動(dòng)作。當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生低頻振蕩時(shí),保護(hù)元件應(yīng)避免誤動(dòng)。為了正確區(qū)分三相故障和低頻振蕩,文中采用了以下兩個(gè)判別算法:1)使用傳統(tǒng)的阻抗區(qū)域識(shí)別算法來初步判別事件;2)使用所提出的TSDF來最終判別事件。

1.1 使用傳統(tǒng)判別算法

在保護(hù)安裝點(diǎn)處測得的電壓、電流可以表示為:

v(t)=Vmsin(ωt)

(1)

i(t)=Imsin(ωt+θ)

(2)

式中:Vm是電壓振幅;Im是電流振幅;ω是角頻率;θ是電流超前電壓的角度。

(3)

正常情況下,保護(hù)裝置所測得的視在阻抗要遠(yuǎn)大于其本身所設(shè)的整定阻抗。此時(shí),保護(hù)裝置不會(huì)動(dòng)作。當(dāng)發(fā)生低頻振蕩時(shí),對(duì)于沒有安裝振蕩閉鎖(Power Swing Blocking, PSB)元件的保護(hù)裝置來說,保護(hù)裝置所測得的視在阻抗可能會(huì)小于其本身所設(shè)的整定阻抗。此時(shí),保護(hù)裝置會(huì)發(fā)生誤動(dòng);對(duì)于已經(jīng)安裝了PSB元件的保護(hù)裝置來說,若發(fā)生低頻振蕩的同時(shí),線路再發(fā)生三相故障,PSB元件可能使保護(hù)裝置無法跳閘切除故障。為了避免上述兩種不正常情況的發(fā)生,文中使用MP方法計(jì)算得到的TSDF作為第二判別算法。

1.2 使用TSDF判別算法

在判別算法1中,如果正序阻抗ZP小于阻抗保護(hù)Ⅲ段的整定阻抗,此時(shí)為了確定是否真正存在故障,則還應(yīng)通過判別算法2來核驗(yàn)。在判別算法2中,通過MP法重構(gòu)電流信號(hào)來提取用于狀態(tài)分析的有用信息。

在文中,MP法用于估算TSDF的指數(shù)g。如下所示:

1)計(jì)算重構(gòu)信號(hào)與原始信號(hào)之間的差值。

(4)

式中:N為采樣點(diǎn)數(shù)。

2)將TSDF定義為去除掉最大的絕對(duì)誤差和最小的絕對(duì)誤差之后,剩余誤差的絕對(duì)值之和的平均值。

(5)

3)當(dāng)發(fā)生三相故障時(shí),至少可以在電流信號(hào)三相中的一相中,觀察到顯著衰減的直流分量[14]。將TSDF的指數(shù)g定義為:

g=max(TSDFa,TSDFb,TSDFc)

(6)

1.3 自適應(yīng)閾值的計(jì)算

電力系統(tǒng)是一個(gè)高度復(fù)雜的系統(tǒng),基于固定閾值的保護(hù)算法可能不適用于所有的操作場景,文中所提出的算法中應(yīng)用了自適應(yīng)閾值。

中國教師：您曾說過，一個(gè)沒有閱讀的學(xué)校永遠(yuǎn)不可能有真正的教育，您認(rèn)為，閱讀與學(xué)校教育的關(guān)系是怎樣的？目前，學(xué)生中普遍存在閱讀淺層化、低俗化現(xiàn)象，您認(rèn)為解決的關(guān)鍵是什么？

1)令矩陣H定義為,從矩陣D中去除掉最大的絕對(duì)誤差和最小的絕對(duì)誤差之后,剩余誤差所構(gòu)成的矩陣。

H=[h1,h2,h3,…,hN-2]T

(7)

2)在一個(gè)完整的采樣周期中,從H提取出最小值hmin和最大值hmax。

hmin=min|hi|,(i=0,1,2,…,N-2)

(8)

hmax=max|hi|,(i=0,1,2,…,N-2)

(9)

3)將閾值gth定義為最小值hmin和最大值hmax的平均值:

(10)

如果g>gth,則說明發(fā)生了三相故障。

1.4 算法流程圖

集成算法的流程圖如圖1所示。使用三相電壓和三相電流計(jì)算正序阻抗。如果計(jì)算出來的阻抗小于阻抗保護(hù)Ⅲ段的整定阻抗,則使用判別算法2來核驗(yàn)判斷。

圖1 算法流程圖

2 仿真驗(yàn)證

2.1 仿真系統(tǒng)

可以將PSCAD與MATLAB進(jìn)行聯(lián)合使用。在PSCAD/EMTDC軟件中,搭建的仿真模型示意圖如圖2所示。該模型將用于驗(yàn)證所提集成算法的性能。

圖2 雙端電源系統(tǒng)示意圖

圖2所示系統(tǒng)為220 kV系統(tǒng),電源S1電壓為242 kV,電源S2電壓為220 kV,電源S2滯后電源S110°,忽略電源內(nèi)阻抗。線路AB長度為100 km,線路BC長度為100 km,線路CD長度為100 km,線路DE長度為280 km。R點(diǎn)為保護(hù)裝置安裝點(diǎn),F點(diǎn)為故障點(diǎn)。架空線路線型為LGJQ-400/35,線路參數(shù)如表1所示。為模擬電力系統(tǒng)振蕩情況,將電壓源S2的頻率設(shè)為49.8 Hz,電壓源S1的頻率設(shè)為50.2 Hz。

表1 線路電氣參數(shù)

仿真時(shí),系統(tǒng)的采樣頻率為1 kHz,工作頻率為50 Hz。在時(shí)域輸入信號(hào)上,MP方法通過滑動(dòng)窗口并可視化相對(duì)于窗口信號(hào)時(shí)間的參數(shù)來實(shí)現(xiàn)參數(shù)提取。分析時(shí),滑動(dòng)窗口的長度為20 ms。

2.2 系統(tǒng)單純振蕩情況仿真

在穩(wěn)定振蕩期間,基于傳統(tǒng)的阻抗保護(hù)Ⅲ段設(shè)置,如果保護(hù)裝置R沒有安裝PSB元件,則R會(huì)認(rèn)為此時(shí)發(fā)生了故障,并發(fā)出動(dòng)作指令。系統(tǒng)單純振蕩無故障情況的仿真結(jié)果如圖3所示。

(a) 計(jì)算結(jié)果圖

(b) 保護(hù)動(dòng)作圖

由圖3(a)可以看出,當(dāng)系統(tǒng)僅發(fā)生振蕩而無故障時(shí),g值一直位于閾值gth以下,保護(hù)裝置不動(dòng)作。集成算法能有效防止保護(hù)裝置在振蕩時(shí)誤動(dòng)。

2.3 系統(tǒng)單純故障情況仿真

三相故障F發(fā)生在175 km處,即F點(diǎn)距R點(diǎn)175 km,故障發(fā)生時(shí)刻為2.5 s,故障持續(xù)時(shí)間為0.5 s。系統(tǒng)單純故障無振蕩情況的仿真結(jié)果如圖4所示。

(a) 計(jì)算結(jié)果圖

(b) 保護(hù)動(dòng)作圖

由圖4(a)可以看出,當(dāng)系統(tǒng)僅發(fā)生故障而無振蕩時(shí),g值在故障發(fā)生后位于閾值gth以上,保護(hù)裝置動(dòng)作。集成算法在2.556 s檢測出故障,并進(jìn)行保護(hù)。

2.4 系統(tǒng)振蕩且區(qū)內(nèi)故障情況仿真

在穩(wěn)定振蕩期間,如果保護(hù)裝置R有安裝PSB元件,則PSB元件會(huì)將保護(hù)裝置閉鎖,以避免保護(hù)裝置誤動(dòng)。在穩(wěn)定振蕩期間發(fā)生三相故障時(shí),正序阻抗軌跡在阻抗保護(hù)Ⅲ段范圍內(nèi)。此時(shí),由于對(duì)稱性,PSB元件無法解鎖保護(hù)裝置R。通過將傳統(tǒng)區(qū)域算法與MP法相結(jié)合,可以實(shí)現(xiàn)將保護(hù)裝置R解鎖。系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置如2.3小節(jié)。系統(tǒng)振蕩且區(qū)內(nèi)三相故障情況的仿真結(jié)果如圖5所示。

(a) 計(jì)算結(jié)果圖

(b) 保護(hù)動(dòng)作圖

由圖5(a)可以看出,集成算法在2.516 s時(shí)檢測到三相故障F,保護(hù)裝置R發(fā)出動(dòng)作指令,將故障線路切除。

2.5 系統(tǒng)振蕩且區(qū)外故障情況仿真

在圖2所示系統(tǒng)中,在距離保護(hù)裝置安裝點(diǎn)240 km處發(fā)生三相故障,發(fā)生時(shí)刻為2.5 s,持續(xù)時(shí)間為0.5 s。系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖6所示。

(a) 計(jì)算結(jié)果圖

(b) 保護(hù)動(dòng)作圖

由圖6(a) 可以看出,可以看出,當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生振蕩且在振蕩期間發(fā)生保護(hù)區(qū)外的三相故障時(shí),經(jīng)集成算法的計(jì)算,保護(hù)裝置不會(huì)發(fā)生誤動(dòng)。

3 結(jié) 論

為了改善阻抗保護(hù)Ⅲ段的適用情況,提出一種瞬態(tài)監(jiān)督檢測函數(shù)。通過對(duì)該函數(shù)的使用,可以提高保護(hù)裝置在低頻振蕩情況下動(dòng)作的可靠性。

(1)所提出的集成算法根據(jù)重構(gòu)信號(hào)與原始信號(hào)之間的誤差來設(shè)置閾值,閾值不需要人為每次重新設(shè)置。集成算法可以檢測電力系統(tǒng)在低頻振蕩下的多種情況;

(2)系統(tǒng)在僅振蕩或故障的單一情況下,可以保證保護(hù)裝置可靠動(dòng)作;

(3)系統(tǒng)在振蕩且分別發(fā)生區(qū)內(nèi)外故障的兩種情況下,可以保證保護(hù)裝置可靠動(dòng)作。