基于PRONY法的超高壓線路單相自適應(yīng)重合閘故障性質(zhì)識別新方法

張宇輝，武東斌，王劼妍，孫玉成，李秋晨

(東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

基于PRONY法的超高壓線路單相自適應(yīng)重合閘故障性質(zhì)識別新方法

張宇輝，武東斌，王劼妍，孫玉成，李秋晨

(東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

摘要：為解決帶并聯(lián)電抗器超高壓輸電線路中自動重合閘盲目重合及永久性故障問題，針對瞬時性故障時恢復(fù)電壓的拍頻現(xiàn)象進行研究，發(fā)現(xiàn)其恢復(fù)電壓中除工頻頻率外還存在位于30-45 Hz之間的頻率。根據(jù)該頻率特性，提出了基于PRONY算法的超高壓單相自適應(yīng)重合閘故障性質(zhì)識別判據(jù)。利用PRONY算法計算恢復(fù)電壓信號頻率，快速準(zhǔn)確識別瞬時性故障與永久性故障。仿真及實測結(jié)果驗證了判據(jù)的有效性和準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：超高壓輸電線路；單相自適應(yīng)重合閘；恢復(fù)電壓；瞬時性故障

隨著電網(wǎng)規(guī)模日益擴大，超高壓輸電線路也日益增多。而在超高壓輸電線路中，80%故障為單相瞬時性故障，因此保證高壓輸電線路安全可靠運行具有重大意義。而實際的定時重合閘存在盲目重合對永久性故障造成二次沖擊的危險，因此需要在重合前判定故障為瞬時性故障還是永久性故障。

當(dāng)前超高壓輸電網(wǎng)中，安裝一定數(shù)量的并聯(lián)電抗器必不可少[1，2]。其具有穩(wěn)定電網(wǎng)運行電壓、實際潛供電流及吸收無功功率等優(yōu)點。在裝有并聯(lián)電抗器的輸電網(wǎng)中，瞬時性故障時故障相的恢復(fù)電壓除基波量還含有自由分量，將導(dǎo)致出現(xiàn)拍頻現(xiàn)象。而永久性故障則因為故障點始終存在，斷開相電壓中只含有基波量，不會出現(xiàn)拍頻現(xiàn)象[3]。文獻[4]采用將自由分量幅值與整定值進行比較的方法來判斷不同的故障性質(zhì)。文獻[5]采用Prony法求取電壓信號各分量的振幅，將其與閾值進行比較，從而判斷瞬時性故障與永久性故障。文獻[6]通過計算電流量的幅值來確定故障性質(zhì)。以上方法存在的問題是測量的電壓或電流有可能過小，從而導(dǎo)致計算錯誤，無法正確識別故障性質(zhì)。

本文從恢復(fù)電壓的頻率角度切入，提出基于Prony法的單相自適應(yīng)重合閘故障性質(zhì)識別新方法。采用Prony法計算出恢復(fù)電壓中存在的頻率成分，根據(jù)兩種故障類型下恢復(fù)電壓頻率成分的不同，從而識別故障性質(zhì)。

1Prony算法故障性質(zhì)識別原理

1.1Prony算法

Prony算法是利用一系列指數(shù)函數(shù)的線性組合來描述等間隔的采樣數(shù)據(jù)[7]，其優(yōu)點在于可以通過采樣數(shù)據(jù)估算出信號各分量的幅值、頻率和相角等數(shù)據(jù)[8]。其離散時間函數(shù)模型為：

(1)

式中：Ai為第i個分量的幅值；αi為第i個分量的衰減系數(shù)； fi為第i個分量的頻率；φi為第i個分量的相位；△t為采樣間隔；p為分解階數(shù)。

對于Prony算法已有許多分析，其詳細原理可參考文獻[9]，本文不再贅述。

1.2故障相恢復(fù)電壓特性

帶并聯(lián)電抗器超高壓線路單相故障時，相端電壓可分為一次電弧、二次電弧、恢復(fù)電壓及恢復(fù)正常4個階段。在一次及二次電弧階段，電弧因故障條件不同而很難建立統(tǒng)一模型。故本文以恢復(fù)電壓階段瞬時性故障與永久性故障電壓的不同特性作為故障識別依據(jù)。

當(dāng)帶并聯(lián)電抗器超高壓線路發(fā)生單相瞬時性故障時，除工頻分量外，因電感、電容等元件儲能的釋放而存在自由分量，且該自由分量頻率與工頻分量接近，幅值衰減，故其故障相端部電壓的恢復(fù)電壓階段存在拍頻特性。在并聯(lián)電抗器補償度為0.6-0.8的超高壓輸電線路中，自由分量的頻率一般在30-45 Hz之間，符合拍頻特性的頻差要求。以補償度為0.7的500 kV帶并聯(lián)電抗器超高壓輸電線路為例，其瞬時性故障時斷開相端電壓仿真波形如圖1所示。

圖1　單相瞬時性故障仿真波形

瞬時性故障恢復(fù)電壓階段自由分量表示為：

uz(t)=Uze-δtsin(2πfzt+φz)，

(2)

式中：Uz為自由分量的幅值； fz為頻率；φz為相位；δ為衰減系數(shù)。

瞬時性故障恢復(fù)電壓階段工頻分量表示為：

us(t)=Ussin(2πfst+φs)，

(3)

式中：Us為幅值； fs為頻率；φs為相位。

瞬時性故障恢復(fù)電壓為自由分量與工頻分量的和，即

u(t)=uz(t)+us(t)=Uze-δtsin(2πfzt+φz)+Ussin(2πfst+φs)，

(4)

圖2　單相永久性故障仿真波形

圖3　兩端帶并聯(lián)電抗器輸電線路

當(dāng)帶并聯(lián)電抗器超高壓線路發(fā)生單相永久性故障時，因為故障點始終存在，斷開相電壓中只含有工頻分量，不會出現(xiàn)拍頻現(xiàn)象。以補償度為0.7的500 kV帶并聯(lián)電抗器超高壓輸電線路為例，其永久性故障時斷開相端電壓仿真波形如圖2所示。

永久性故障恢復(fù)電壓表示為：

us(t)=Ussin(2πfst+φs)，

(5)

式中：U為幅值； f為頻率；φ為相位。

通過瞬時性故障與永久性故障的恢復(fù)電壓階段故障相端電壓公式可以得出，當(dāng)電壓中除工頻頻率外，存在30-45 Hz之間的頻率時，單相故障為瞬時性故障；當(dāng)電壓中只含有工頻頻率時，單相故障為永久性故障。

2仿真及實例驗證

2.1仿真驗證

本文基于EMPT對雙端帶并聯(lián)電抗器的500 kV超

表1　模型線路參數(shù)

高壓輸電線路進行仿真，以驗證本文方法的有效性，其中系統(tǒng)補償度為0.7。仿真模型如圖3所示。

模型線路參數(shù)如表1所示。

表2　仿真結(jié)果

針對故障發(fā)生在線路首端30%，60%，80%及不同過渡電阻(故障電流從一相流入地的途徑物質(zhì)的電阻)，分別在不同的故障類型下驗證本文方法的有效性。將仿真結(jié)果故障相端電壓數(shù)據(jù)在Matlab平臺下進行分析，用Prony算法求出各故障信號的頻率，其結(jié)果如表2所示。

表2中給出的部分仿真數(shù)據(jù)表明，瞬時性故障時，故障相恢復(fù)電壓中除工頻頻率外，還存在另一位于30-45 Hz之間的頻率。永久性故障時，故障相恢復(fù)電壓中只含有工頻頻率。且故障點位置和過渡電阻發(fā)生改變時，不影響故障性質(zhì)的判別。仿真實驗與理論分析一致，表明了本文方法的有效性。

圖4　C相瞬時性故障波形

2.2實例驗證

以重慶市萬縣至龍泉500 kV輸電系統(tǒng)為例[10，11]，當(dāng)其C相發(fā)生瞬時性故障時，故障波形如圖4所示。

以Prony算法計算44 ms-440 ms電壓數(shù)據(jù)，求得其所含頻率為44.0 Hz、50.5 Hz，依據(jù)本文判據(jù)，為瞬時性故障，符合實際結(jié)果，且只利用小于半個拍頻周期的信號數(shù)據(jù)，大幅縮減了重合閘時間。

3結(jié)論

本文以故障相端電壓恢復(fù)電壓頻率成分的不同為故障性質(zhì)判別依據(jù)，為超高壓輸電線路的單相瞬時性和永久性故障識別提供了一種新的方案。根據(jù)瞬時性故障存在拍頻現(xiàn)象的特性，采用Prony算法計算出恢復(fù)電壓的頻率，從而確定故障性質(zhì)。仿真結(jié)果表明，該方法不受過渡電阻、故障位置的影響，可分析非平穩(wěn)、非線性信號，能夠有效、準(zhǔn)確的識別故障性質(zhì)，有一定的工程意義，為單相自適應(yīng)重合閘方案提供了一種新思路。

參考文獻

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A New Method of Fault Identification for Single-phase Adaptive Reclosure in EHV Transmission Lines Based on PRONY

ZHANG Yu-hui，WU Dong-bin，WANG Jie-yan，SUN Yu-cheng，LI Qiu-chen

(Electrical Engineering College，Northeast Dianli University,Jilin Jilin 132012)

Abstract：In order to solve the problem of the permanent failure of the automatic coincidence gate in the EHV transmission line with shunt reactor，the frequency of the frequency of the voltage in the recovery voltage is found to exist in the frequency of 30-45Hz.According to the characteristic of the frequency，the characteristics of the fault characteristics of the EHV single phase adaptive based on the PRONY algorithm are proposed.Using the PRONY algorithm to calculate the frequency of the recovery voltage signal，so as to quickly and accurately identify the transient faults and permanent faults.Simulation and experimental results verify the validity and accuracy of the criteria.

Key words：EHV Transmission Line；Single Phase Adaptive Auto Adaptive Circuit；Recovery Voltage；Transient Fault

收稿日期：2016-04-12

作者簡介：張宇輝(1962-)，男，吉林省吉林市人，東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院副教授，主要研究方向：自動控制理論、信號處理在電力系統(tǒng)中的教學(xué)與應(yīng)用研究.

文章編號：1005-2992(2016)03-0007-04

中圖分類號：TM77

文獻標(biāo)識碼：A