CN101615777B - 一种适用于带并联电抗器的单相自适应重合闸实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力系统自适应重合闸领域，具体提供一种基于故障相恢复电压功率谱的单相自适应重合闸故障性质判断方法。是利用故障相电压功率谱中谱线在基频附近的分布状态来区分故障类型，采用的技术方案是：一种适用于带并联电抗器的单相自适应重合闸实现方法，当线路发生单相接地故障时，对故障相的恢复电压进行数据采集并计算其功率谱，若其功率谱在规定频率范围内有两条谱线，则证明是瞬时性故障，保护经一定延时后发重合命令；若其功率谱在规定频率范围内有一条谱线，则证明是永久性故障，保护将不再重合。本发明能够避免单相重合于永久性故障对系统造成的冲击及损坏，且算法简单，灵敏度高，易于实现。

Description

一种适用于带并联电抗器的单相自适应重合闸实现方法

技术领域：

本发明涉及电力系统自适应重合闸领域，具体提供一种基于故障相恢复电压功率谱的单相自适应重合闸故障性质判断方法。

背景技术：

自动重合闸是保证电力系统安全稳定运行的重要措施之一，但若重合于永久性故障，不仅会使电力系统再次受到短路电流的冲击，还会使电气设备的工作条件恶化。在220kV及以上电压等级的接地故障中，超过87％的故障为单相接地短路，因此具有故障性质识别的单相自适应重合闸技术对于高压输电系统至关重要。

单相自适应重合闸技术的主要功能是利用线路发生单相接地故障跳闸后的电气量信息，对故障性质进行识别。若线路发生瞬时性故障，则保护经一定延时后发重合命令；若线路发生永久性故障，保护将不再重合。这就避免了盲目重合对系统的带来的冲击和危害。

目前，单相自适应重合闸技术中对故障性质的判断，主要分为基于电弧阶段电气量和基于恢复电压阶段电气量两种。电弧电压一般不足线路额定电压的5％，而且要准确检测出包含高频分量的电弧也需要较高的采样频率，这给基于电弧电压分析原理的判别方法带来不便。相比较而言，恢复电压阶段电气量所包含的各频率分量维持时间长，幅值衰减缓，且不存在高频分量，检测难度小，易于实现。

发明内容：

为克服现有单相自适应重合闸技术的上述缺陷，本发明的目的是提供一种能够确保线路跳闸后、重合前对故障类型进行准确判断的一种适用于带并联电抗器的单相自适应重合闸实现方法，以实现瞬时性故障时保护经进行重合，永久性故障时重合闸闭锁的功能。

本发明的目的是这样实现的：一种适用于带并联电抗器的单相自适应重合闸实现方法，它是利用故障相电压功率谱中谱线在基频附近的分布状态来区分故障类型；以数据分析模块、时钟保持模块、16位6路同时采集的信号采集模块、开关电源和通信电路进行检测，数据分析模块中的DSP执行如下步骤：

第一步，线路发生单相接地故障且故障点熄弧后，故障相进入恢复电压阶段，自电容式电压互感器(CVT)处采集故障相的恢复电压信息，并进行模/数转换；

第二步，利用功率谱估计中的递推MUSIC计算方法，对故障相的恢复电压进行功率谱估计；对电网电压经模/数转换的信号进行处理，获得谐波源的功率谱和频率；

第三步，对故障相恢复电压功率谱中指定区域的信息进行分析，得出被估计量所包含的每种频率分量的谱线数目及谱线高度；将故障相恢复电压所包含频率分量的谱线数目及谱线高度分别与其整定值进行比较，对故障类型进行判断；

若其功率谱在规定频率范围内有两条谱线，则证明是瞬时性故障，保护经一定延时后发重合命令；若其功率谱在规定频率范围内有一条谱线，则证明是永久性故障，保护将不再重合。

进一步的特征是，所述判断输电线路发生瞬时故障的步骤，是通过计算故障相恢复电压的功率谱来实现的，所述谱线高度由频率分量的功率大小决定：

根据判据：

$\left\{\begin{array}{c}{f}_{\min }\≤f_1\≤f_2\≤f_{\max }\\ 20\lg \left|{\hat{P}}_{\mathrm{MUSIC}}\left({\mathrm{\ω}}_i\right)\right|>P_{\mathrm{set}}\end{array}\right.$

对故障类型进行判断，其中ω_i＝2πf_i，i＝1，2；f₁≠f₂、f₂分别为在指定区域内可能检测到的频率值，f_min为检测范围的下限频率，视系统的补偿度及估计功率谱时可能产生的最大误差而定，一般f_min取理论计算值向下浮动5Hz，f_max为检测范围的上限频率，与系统频率的最大偏移量及估计功率谱时可能产生的最大误差有关，一般取系统允许的频率偏移最大值向上浮动5Hz，

为频率分量为f_i的谱线高度，P_set为谱线高度的整定值；

瞬时性故障恢复电压的功率谱在规定频率范围内有两条高度超过P_set的谱线，f₁≠f₂；永久性故障恢复电压的功率谱在规定频率范围内有一条谱线，f₁＝f₂。

相比现有技术，本发明具有如下优点：

1、本发明提出的利用故障相电压功率谱的不同来区分故障性质，物理概念明确，不受熄弧产生的高频分量和过渡电阻的影响，灵敏度高；

2、该方法能应用于整条线路，仅利用单端电气量，易于实现。

3、本发明可避免盲目重合对系统的带来的冲击和危害，提高系统运行的安全性和稳定性。

附图说明：

图1为单相故障后的静电耦合回路图；

图2为根据图1简化的恢复电压的拉普拉斯计算电路图。

图3为实施方法中算例系统的模型图；

图4为算例系统发生单相瞬时性故障时故障相电压的功率谱；

图5为算例系统发生单相永久性故障时故障相电压的功率谱。

最佳实施方式：

一种适用于带并联电抗器的单相自适应重合闸实现方法，它是利用故障相电压功率谱中谱线在基频附近的分布状态来区分故障类型；以基于TMS320LF2407的DSP为核心，以及CY7C1021型片外程序存储器及周边电路组成的数据分析模块、时钟保持模块、16位6路同时采集的信号采集模块AD8364、开关电源和通信电路进行检测的，DSP执行如下步骤：

第一步，线路发生单相接地故障且故障点熄弧后，故障相进入恢复电压阶段，自电容式电压互感器(CVT)处采集故障相的恢复电压信息，并进行模/数转换；

第二步，利用功率谱估计中的递推MUSIC计算方法，对故障相的恢复电压进行功率谱估计；对电网电压经模/数转换的信号进行处理，获得谐波源的功率谱和频率；

第三步，对故障相恢复电压功率谱中指定区域的信息进行分析，得出被估计量所包含的每种频率分量的谱线数目及谱线高度；将故障相恢复电压所包含频率分量的谱线数目及谱线高度分别与其整定值进行比较，对故障类型进行判断；

若其功率谱在规定频率范围内有两条谱线，则证明是瞬时性故障，保护经一定延时后发重合命令；若其功率谱在规定频率范围内有一条谱线，则证明是永久性故障，保护将不再重合。

下面就本发明所以提出的故障判据的理论依据，结合具体实例做进一步说明。

随着高压电网的发展，在超高压大容量电力系统中必定要安装一定数量的并联电抗器。对于带并联电抗器补偿的线路，因故障(以A相故障为例)而单相断开后的静电耦合回路如图1所示，图2为利用拉普拉斯变换对图1进行求解的等效电路。

当系统发生瞬时性故障时，设 ${\stackrel{\·}{E}}_a/2=e\left(t\right)=\cos (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\θ}),$ 潜供电流

在某时刻熄弧，恢复电压的变化过程近似为

$U_h\left(t\right)=[\frac{2C_m}{C_0+2C_m}+\frac{1}{1-{(\mathrm{\ω}/{\mathrm{\ω}}_0)}^2}(\frac{2L_0}{2L_0+L_m}-\frac{2C_m}{C_0+2C_m})].$

式中U₁、ω、θ和U₂、ω₀、

分别为工频分量与自由分量的标幺幅值、角频率和初相角，在高压输电线路上并联电抗器的补偿度一般小于100％，所以ω₀＜ω，其中 ${\mathrm{\ω}}_0=1/\sqrt{L_0{L}_m(C_0+2C_m)/(2L_0+L_m)}.$

由式(1)可见，瞬时故障断开相恢复电压由2个不同频率的信号--自由振荡分量与工频分量叠加而成，且在单相重合闸期间始终存在。在高压线路上并联电抗器的补偿度一般为90％～100％，为避免谐振，一般低于100％，所以其自由分量的频率应该在45～49Hz之间。

而发生永久性故障时，在熄弧后，由于故障点始终存在，线路上各储能元件储存的能量将快速衰减，线路端电压中仅有工频分量，没有低频振荡分量。

因此，检测故障相恢复电压所包含频率分量的个数即可区分故障类型。本发明所采用的检测频率分量的工具为功率谱估计中的MUSIC法。现代功率谱估计是近30年来信号处理研究领域的热点之一，它反映了功率有限信号的功率在频域随频率ω的分布。在利用MUSIC法求出功率谱后，每一种频率在其相应的位置呈现一个尖峰，峰值高度与其对应频率分量功率密度的大小成正比，最大值为0。这样就可以从谱上读出被检测信号所有组成部分的频率。

在单相接地故障发生后，自CVT采集故障断开相的恢复电压，并应用MUSIC法进行功率谱估计，可从谱上规定区域读出被检测信号所有组成部分的频率。由于不同故障类型恢复电压所包含的频率分量不同，得到故障类型判据：

$\left\{\begin{array}{c}{f}_{\min }\≤f_1\≤f_2\≤f_{\max }\\ 20\lg \left|{\hat{P}}_{\mathrm{MUSIC}}\left({\mathrm{\ω}}_i\right)\right|>P_{\mathrm{set}}\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中ω_i＝2πf_i，i＝1，2；f₁≠f₂、f₂分别为在指定区域内可能检测到的频率值，f_min、f_max为检测范围的上、下限频率，

为频率分量为f_i的谱线高度，P_set为谱线高度的整定值；

瞬时性故障恢复电压的功率谱在规定频率范围内有两条高度超过p_set的谱线，f₁≠f₂，f₁、f₂分别代表自由分量频率和工频分量频率；永久性故障恢复电压的功率谱在规定频率范围内有一条谱线，f₁＝f₂，均为工频分量频率。

在本发明中，采用递推MUSIC算法。递推MUSIC算法对传统MUSIC方法进行改进，与传统方法的主要区别主要在于对自相关矩阵的计算方法上不同。

传统方法将计算所需的N个数据一次性形成N*N阶自相关矩阵，计算量大，计算时间长，且占用计算机内存较多。而本发明中改进过后的MUSIC递推方法并不一次形成N*N阶自相关矩阵，而是随着采样点数的增加逐渐增大自相关矩阵的阶数，一旦计算结果符合要求，即停止计算，因此减少了计算时间，具体实施如下：

1)在得到故障相采样数据之后，形成故障前50个采样点的自相关矩阵，并进行功率谱估计，此时功率谱中只有一条谱线；

2)对于故障后的故障相数据，每采样一点，即在原来的自相关矩阵中加上一行、一列，形成新的自相关矩阵，并将新自相关矩阵进行处理，估计出功率谱；

3)当估计出的功率谱中出现两条谱线时，即可判断为瞬时性接地故障，停止计算，出口重合命令；

4)当自相关矩阵的阶数增加至N时，若功率谱中仍然只有一条谱线，即可判断为永久性接地故障，其中，N为最大采样点数；

与传统方法相比，改进后的递推MUSIC方法计算大大的减少了计算时间，效率更高。

以一个750kV的超高压输电系统为例，如图3所示，线路全长400km，根据线路参数得到自由分量的频率在45～49Hz之间，取f_min＝40Hz，f_max＝55Hz，p_set＝-8。结果见图4和图5。

本发明利用故障相电压功率谱中谱线在基频附近的分布状态来区分故障类型，数据分析模块、时钟保持模块、信号采集模块、开关电源和通信电路进行检测，当线路发生单相接地故障时，DSP执行如下方案：故障点熄弧后，故障相进入恢复电压阶段，对故障相的恢复电压进行数据采集并计算其功率谱，若其功率谱在规定频率范围内有两条谱线，则证明是瞬时性故障，保护经一定延时后发重合命令；若其功率谱在规定频率范围内有一条谱线，则证明是永久性故障，保护将不再重合。本发明利用故障相电压功率谱的不同来区分故障性质，物理概念明确，不受熄弧产生的高频分量和过渡电阻的影响，灵敏度高。该方法能应用于整条线路，而且仅利用单端电气量，易于实现。

Claims (2)

1.一种适用于带并联电抗器的单相自适应重合闸实现方法，它是利用故障相电压功率谱中谱线在基频附近的分布状态来区分故障类型；以数据分析模块、时钟保持模块、16位6路同时采集的信号采集模块、开关电源和通信电路进行检测，数据分析模块中的DSP执行如下步骤：

第一步，线路发生单相接地故障且故障点熄弧后，故障相进入恢复电压阶段，自电容式电压互感器(CVT)处采集故障相的恢复电压信息，并进行模/数转换；

第二步，利用功率谱估计中的递推MUSIC计算方法，对故障相的恢复电压进行功率谱估计；对电网电压经模/数转换的信号进行处理，获得谐波源的功率谱和频率；

第三步，对故障相恢复电压功率谱中指定区域的信息进行分析，得出被估计量所包含的每种频率分量的谱线数目及谱线高度；将故障相恢复电压所包含频率分量的谱线数目及谱线高度分别与其整定值进行比较，对故障类型进行判断；

若其功率谱在规定频率范围内有两条谱线，则证明是瞬时性故障，保护经一定延时后发重合命令；若其功率谱在规定频率范围内有一条谱线，则证明是永久性故障，保护将不再重合；

其中，所述递推MUSIC计算方法具体实施如下：

1)在得到故障相采样数据之后，形成故障前50个采样点的自相关矩阵，并进行功率谱估计，此时功率谱中只有一条谱线；

2)对于故障后的故障相数据，每采样一点，即在原来的自相关矩阵中加上一行、一列，形成新的自相关矩阵，并将新自相关矩阵进行处理，估计出功率谱；

3)当估计出的功率谱中出现两条谱线时，即可判断为瞬时性接地故障，停止计算，出口重合命令；

4)当自相关矩阵的阶数增加至N时，若功率谱中仍然只有一条谱线，即可判断为永久性接地故障，其中，N为最大采样点数。

2.如权利要求1所述的适用于带并联电抗器的单相自适应重合闸实现方法，其特征在于，所述判断输电线路发生瞬时故障的步骤，是通过计算故障相恢复电压的功率谱来实现的，所述谱线高度由频率分量的功率大小决定：

根据判据：

$\left\{\begin{array}{c}{f}_{\min }\≤f_1\≤f_2\≤f_{\max }\\ 201g\left|{\hat{P}}_{\mathrm{MUSIC}}\left({\mathrm{\ω}}_i\right)\right|>P_{\mathrm{set}}\end{array}\right.$

对故障类型进行判断，其中ω_i＝2πf_i，i＝1，2；f₁≠f₂、f₂分别为在指定区域内可能检测到的频率值，f_min为检测范围的下限频率，视系统的补偿度及估计功率谱时可能产生的最大误差而定，一般f_min取理论计算值向下浮动5HZ，f_max为检测范围的上限频率，与系统频率的最大偏移量及估计功率谱时可能产生的最大误差有关，一般取系统允许的频率偏移最大值向上浮动5Hz，

为频率分量为f_i的谱线高度，P_set为谱线高度的整定值；

瞬时性故障恢复电压的功率谱在规定频率范围内有两条高度超过P_set的谱线，f₁≠f₂；永久性故障恢复电压的功率谱在规定频率范围内有一条谱线，f₁＝f₂。

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