CN103048567B

CN103048567B - 基于波形估计的带并联电抗器输电线路故障性质判别方法

Info

Publication number: CN103048567B
Application number: CN201210560065.2A
Authority: CN
Inventors: 王慧芳; 林达; 何奔腾
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2012-12-21
Filing date: 2012-12-21
Publication date: 2014-12-31
Anticipated expiration: 2032-12-21
Also published as: CN103048567A

Abstract

本发明涉及一种基于波形估计的带并联电抗器输电线路故障性质判别方法。现有的故障性质判据应用范围各异，受影响的因素较多。本发明首先采样健全相单侧线路端电压和电流以及并联电抗器中的电流量。其次以瞬时性故障恢复电压阶段等效模型为参考模型，计算故障相端电压。然后利用时域波形估计的方法得到故障相端电压计算值与实际值的相似度。最后利用相似度计算得到的目标比例系数与整定值连续比较来判断故障性质。本发明故障性质判别受影响因素少、灵敏度高。

Description

基于波形估计的带并联电抗器输电线路故障性质判别方法

技术领域

本发明属于电力系统技术领域，具体是涉及一种基于波形估计的带并联电抗器输电线路故障性质判别方法。

背景技术

目前国内外输电线路中基本都采用的是自动重合闸技术，对保证电力系统稳定运行起着至关重要的作用。然而，自动重合闸在带来巨大经济效益的同时，也给电力系统带来了负面的影响。因为输电线路的故障性质分为瞬时性故障和永久性故障，如果重合于永久性故障上，相当于电力设备再次受到故障电流的冲击，会缩短电力设备的寿命。为了减少电力系统的损失，在重合闸之前判断出故障性质显得至关重要。浙江大学继电保护实验室研究发现，不同性质的故障具有不同的故障特征。可以先通过假设为瞬时性故障，建立等效电路模型，利用电路原理知识计算得到故障相线路端电压量，然后通过比较该计算值与实际值的波形相似度和偏差量来识别故障性质。若波形相似度接近于1，而且偏差量很小，是瞬时性故障，否则是永久性故障。把基于最小二乘的波形估计理论加入到故障性质判别中是一个新的尝试。为了更充分利用不同故障性质下故障特征的差异以及减小误判的可能，构造了基于波形相似度和偏差值的目标函数U。在瞬时性故障恢复电压阶段U值很小，而在永久性故障时U值较大。此外，由于带并联电抗器的输电线路在瞬时性故障恢复电压阶段存在拍频现象（除工频分量外，还存在频率相近的自由频率分量），而在永久性故障下端电压只存在工频分量，因此一周波内故障相端电压积分绝对值U _z大小在不同故障性质下存在很大的差异。在瞬时性故障恢复电压阶段U _z值很大，而在永久性故障时U _z值较小。利用U与U _z的比值K与整定值进行比较可以准确地判断出故障性质，而且能够实时地得到故障消失时刻，从而可以实现永久性故障可靠不重合闸，瞬时性故障最佳时间快速重合闸的目标。大量分析发现，该方法判断灵敏度高，耐过渡电阻能力强，而且不受故障位置、系统频率和负荷电流等因素的影响，可靠性高。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于波形估计的带并联电抗器输电线路故障性质判别方法。

本发明根据瞬时性故障时恢复电压阶段的等效电路模型，利用已知准确可测得的电气量计算得到故障相线路端电压；而实际值可以利用并联电抗器的电流量求解得到。因此，如果是瞬时性故障而且故障消失后，计算值与实际值的差距将很小，而在瞬时性故障消失之前和永久性故障时计算值与实际值的差距较大。构造目标函数U：，其中：λ为计算值和实际值波形相似度，为一周波内计算值与实际值的偏差量绝对值总和。此外，在带并联电抗器的输电线路中，不同故障性质还具有以下不同的故障特征：瞬时性故障恢复电压阶段存在拍频现象，而永久性故障时只存在工频分量。因此，对实际值电压进行一周波积分，永久性故障时一个周波的积分值较小，而瞬时性故障恢复电压阶段由于存在自由分量，其积分绝对值将会比较大。结合该特征，令，U _z为一周波内的故障相端电压积分绝对值。再令比例系数，通过将比例系数与整定值进行连续比较即可准确的判断出故障性质。

更进一步，利用本发明判断出的故障性质以及瞬时性故障熄弧时间，可以实施自适应重合闸方案。具体是：如果判别出故障为瞬时性故障及熄弧时刻，则投入重合闸；如果判别为永久性故障，则线路两端跳开不重合。

本发明方法具体包括以下步骤：

步骤(1)：采样获得健全相线路一侧的电压量和电流量以及并联电抗器中的电流量。以A相接地故障为例，健全相线路一侧的电压量和电流量为：、和，并联电抗器中的电流量为：。

步骤(2)：计算故障相线路端电压值；具体是：以瞬时性故障时恢复电压阶段等效电路模型为参考模型，根据电路原理的知识，可以得到利用已知量求解故障相端电压的微分方程：

其中：，其余为线路参数，具体包括：为线路的对地电容；为相间电容；为线路自电阻；R _ml为线路互电阻；L _s为线路自电感；L _ml 为线路互电感；L _m为并联电抗器等效相间电感；L ₀ 为并联电抗器等效对地电感。L _m和 L ₀可以通过得到，分别为并联电抗器和中性点小电抗的电感值。在求解上述微分方程时用差分代替微分，并且进行平滑处理，得到故障相线路端电压值。

步骤(3)：计算偏差量；具体是：计算故障相线路端电压实际值与计算值一周波内的偏差量绝对值总和：，其中：N为20ms中采样数据长度，i为采样起始时刻。

步骤(4)：计算波形相似度λ；为了能够准确地估计出波形之间的相似度，采用最小二乘波形估计的方法连续计算相似度λ的值，具体计算如下：。

步骤(5)：构造目标函数：，其中和λ分别为步骤(3)和步骤(4)中计算得到的偏差量和波形相似度。令，其中T _s为采样周期。利用U和U _z计算得到目标比例系数：。

步骤(6)：将目标比例系数K与裕度整定值进行比较，输出结果为out：，此处裕度整定值设定为0.3。若在跳闸后的设定时间内，K值能够持续小于整定值，即out出现连续时间高电平，则判定为瞬时性故障，经过一定延时后进行重合闸操作；若在设定时间内K值连续大于整定值，即out保持低电平，则判定为永久性故障，线路跳开后不重合闸。

本发明充分利用不同故障性质下的故障特征，综合不同故障性质下偏差量、相似度以及一周波内的积分值的差别，构造目标比例系数与整定值进行连续比较，从而判断故障性质。具有应用范围广，判断灵敏度高，耐过渡电阻能力强等优点。

具体实施方式

其中：，其余为已知的线路参数。求解上述微分方程时微分用差分代替，并且进行平滑处理，得到故障相线路端电压值。

步骤(4)：计算波形相似度λ；为了能够准确地估计出波形之间的相似度，采用最小二乘波形估计的方法连续计算相似度的值：。

Claims

1.基于波形估计的带并联电抗器输电线路故障性质判别方法，在输电线路发生单相接地故障使得故障相线路两侧断路器跳闸后，执行以下步骤：

步骤(1)：采样获得健全相线路一侧的电压量和电流量以及并联电抗器中的电流量；设健全相线路一侧的电压量和电流量为：u_nb、u_nc和i_bl、i_cl，并联电抗器中的电流量为：i_nax、i_nbx、i_ncx；

步骤(2)：计算故障相线路端电压值具体是：以瞬时性故障时恢复电压阶段等效电路模型为参考模型，根据电路原理的知识，可以得到利用已知量求解故障相端电压的微分方程：

(1 + \frac{L_{m}}{2 L_{0}}) u_{na} + \frac{L_{m} (C_{0} + 2 C_{m})}{2} \frac{d^{2} u_{na}}{d t^{2}} =

\frac{A}{2} + \frac{L_{m} C_{m}}{2} \frac{d^{2} A}{d t^{2}} - \frac{(C_{0} + C_{m})}{2} \cdot \frac{R_{ml} L_{m} (C_{0} + C_{m}) - R_{s} L_{m} C_{m}}{4} \frac{d^{3} A}{d t^{3}}

- \frac{(C_{0} + C_{m})}{2} \cdot \frac{L_{m} L_{ml} (C_{0} + C_{m}) - L_{s} L_{m} C_{m}}{4} \frac{d^{4} A}{d t^{4}}

其中：

\begin{matrix} A = u_{nb} + u_{nc} \\ B = i_{bl} + i_{cl} + i_{nbx} + i_{ncx} \end{matrix},

- \frac{R_{ml} L_{m} (C_{0} + C_{m}) - R_{s} L_{m} C_{m}}{4} \frac{d^{2} B}{d t^{2}}

- \frac{L_{m} L_{ml} (C_{0} + C_{m}) - L_{s} L_{m} C_{m}}{4} \frac{d^{3} B}{d t^{3}}

C₀为线路的对地电容；C_m为相间电容；R_s为线路自电阻；R_ml为线路互电阻；L_s为线路自电感；L_ml为线路互电感；L_m为并联电抗器等效相间电感；L₀为并联电抗器等效对地电感；L_m和L₀可以通过

\{\begin{matrix} L_{m} = \frac{L}{L_{n}} (L + 3 L_{n}) \\ L_{0} = L + 3 L_{n} \end{matrix}

得到，L、L_n分别为并联电抗器和中性点小电抗的电感值；在求解上述微分方程时用差分代替微分，并且进行平滑处理，得到故障相线路端电压值

步骤(3)：计算偏差量∑|Δu|；具体是：计算故障相线路端电压实际值u_na与计算值一周波内的偏差量绝对值总和：其中：N为20ms中采样数据长度，i为采样起始时刻；

步骤(4)：计算波形相似度λ；为了能够准确地估计出波形之间的相似度，采用最小二乘波形估计的方法连续计算相似度的值：

步骤(5)：构造目标函数U：其中∑|Δu|和λ分别为步骤(3)和步骤(4)中计算得到的偏差量和波形相似度；令其中T_s为采样周期；利用U和U_z计算得到目标比例系数：

K = \frac{U}{U_{z}};

步骤(6)：将目标比例系数K与裕度整定值进行比较，输出结果为out：

out = \{\begin{matrix} 0; & K &GreaterEqual; 0.3 \\ 1; & K < 0.3 \end{matrix},

此处整定值设定为0.3；若在跳闸后的设定时间内，K值能够持续小于整定值，即out出现连续时间高电平，则判定为瞬时性故障，经过一定延时后进行重合闸操作；若在设定时间内K值连续大于或等于整定值，即out保持低电平，则判定为永久性故障，线路跳开后不重合闸。

2.根据权利要求1所述的基于波形估计的带并联电抗器输电线路故障性质判别方法，其特征在于：故障性质判别方法可以构成单相自适应重合闸方案，根据故障性质判断结果决定是否进行重合闸，即如果判断为瞬时性故障，则投入重合闸；如果判断为永久性故障，则线路两端跳开后不重合。