CN103675538A - 一种利用恢复电压工频检测的单永故障判别方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种利用恢复电压工频检测的单永故障判别方法,属于电力系统继电保护技术领域。本发明为当交流输电线路发生故障时,提取量测端M点故障相电压短视窗内的数据,对提取的数据进行离散傅里叶变换得到工频分量外包络线;再通过包络线采样值之前100ms时窗的数据求取工频分量幅值和;再在幅值和曲线上每隔40ms读取一个工频分量幅值和,连续比较四个工频分量幅值和后选取其中的最小值作为基准值,通过基准值与其之后连续计算的三个工频分量幅值和值的比较来对单永故障进行判别。本发明相比于现有的基于恢复电压的故障判据而言,更具可靠性和普适性。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用恢复电压工频检测的单永故障判别方法,属于电力系统继电保护技术领域。
背景技术
自动重合闸技术作为保证电力系统安全供电和稳定运行的一种有效措施,在超高压电网中得到了广泛应用。运行经验表明,超高压架空输电线路上发生的故障大多为瞬时性故障,在故障熄弧后,重合线路断开相以恢复系统的正常运行,可大大提高供电的可靠性。当前应用的自动重合闸装置仍然是在断路器跳闸后盲目进行重合的,尚未进行瞬时性故障和永久性故障的判别,仍存在重合失败致使电力系统再次受到故障冲击的风险。
准确判别出永久性故障是保证重合闸重合成功率的基础。现有的永久性故障判别原理主要基于瞬时故障电弧特性和线路断开相恢复电压特性。由于故障电弧是一个十分复杂的物理化学过程,造成电弧的许多因素又是非线性的,要建立准确的电弧模型很困难,且不同类型的电弧特性亦存在差异,因此基于瞬时性电弧特性的判别方法难以实用化;现有基于瞬时性故障恢复电压的方法在电容电压小于线路耦合电压时会造成误判,存在死区。根据单永故障(SLG)时,其断开相残余电压表现为很小的稳定幅值的工频正弦,而瞬时性故障则不然,其断开相恢复电压工频幅值存在显著差异的两个阶段,依此可构建基于恢复电压工频检测的单永故障自适应判据。该判据可自适应整定基准值,且不受线路并联电抗器投切的影响,相比于现有的基于恢复电压的故障判据而言,更具可靠性和普适性。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种利用恢复电压工频检测的单永故障判别方法,用以避免输电线路故障后重合失败从而导致的电力系统受到二次故障冲击的问题
本发明的技术方案是:
一种利用恢复电压工频检测的单永故障判别方法,当交流输电线路发生故障时,提取量测端M点故障相电压短视窗内的数据,对提取的数据进行离散傅里叶变换得到工频分量外包络线;再通过包络线采样值之前100ms时窗的数据求取工频分量幅值和;再在幅值和曲线上每隔40ms读取一个工频分量幅值和,连续比较四个工频分量幅值和后选取其中的最小值作为基准值,通过基准值与其之后连续计算的三个工频分量幅值和值的比较来对单永故障进行判别,若基准值后连续计算三个幅值和等于基准值,则判为单永故障;若基准值后连续计算的三个幅值和均大于基准值,则判为瞬时性故障。
所述方法具体步骤如下:
(1)当交流输电线路MN发生故障时,采集输电线路M端故障相电压u M(k) ,并对其进行归一化处理;k为采样点;
(2)利用量测端M获得的故障相电压当前采样值之前20ms时窗的数据,以采样间隔Δt为步长,对u M(k)进行离散傅里叶变化提取其工频分量幅值U1(k),获得工频分量外包络线;
(3)自断路器断开时刻开始,利用此包络线当前采样值之前100ms时窗的数据,以Δt为步长利用式(1)求取工频分量幅值和:
式中l表示采样点,N为一个采样周期,E(k)为幅值和;
(4)在幅值和曲线上每隔40ms读取一个工频分量幅值和,连续比较四个工频分量幅值和的大小,选取这四个值中的最小值作为基准值,即:
E min= E(k); (2)
E(k)为每隔40ms读取的工频分量幅值和,E min为基准值;
(5)将基准值与其之后连续计算的三个工频分量幅值和值再进行比较:
若基准值后连续计算三个幅值和等于基准值,即满足:
则判为单永故障;
式中m为获得基准值之后的采样点,此处引入门槛值门ε,可认为式(3)中各不等式左边的两项在(-ε ε)范围内近似相等;按计算精度要求将ε设为0.05。
若基准值后连续计算的三个幅值和均大于基准值,且不满足式(3)则判为瞬时性故障。
本发明的原理是:瞬时性故障二次电弧熄弧后,故障点消失。健全相通过与故障相之间的耦合联系,使断开相上仍然残存电压,即恢复电压,而永久性故障由于故障点始终存在,其残压特点与瞬时性故障不同。瞬时性故障情况下,如图2所示,电压波形可分为四个阶段,阶段a为正常运行;阶段b为从故障时刻开始到断路器断开之前的一次故障电弧阶段;阶段c为断路器断开后二次电弧阶段;阶段d为二次电弧熄灭后进入恢复电压阶段。永久性故障情况下,如图5所示,a、b阶段和瞬时性故障情况相同,阶段c为残存电压阶段。二次电弧熄灭之后,瞬时性故障情况下恢复电压中的工频分量包括电磁耦合及电容耦合电压,其值一般大于永久性故障情况下残存电压中的工频分量,且瞬时性故障情况下c阶段与d阶段工频分量幅值波形具有明显差异,而永久性故障情况下并不存在此差异。因此,通过检测工频分量幅值是否存在阶段c和阶段d的差异,可形成基于断开相电压工频分量检测的自适应单永故障判据。
本发明的有益效果是:通过比较瞬时性故障时断开相恢复电压工频特征与永久性故障时断开相残余电压工频特征差异构建基于恢复电压工频检测的单永故障自适应判据,该判据可自适应整定基准值,且不受线路并联电抗器投切的影响,在6个工频周期内即可判断处故障性质,相比于现有的基于恢复电压的故障判据而言,更具可靠性和普适性。
附图说明
图1为本发明实施例1、2中的输电线路模型示意图;
图2为本发明实施例1中的量测端M获得的故障相电压波形;
图3为本发明实施例1中的故障相电压的工频分量幅值;
图4为本发明实施例1中按式(1)求得的工频分量幅值和曲线E(k);
图5为本发明实施例1中在包络线曲线上每隔40ms读取的幅值和;
图6为本发明实施例2中的量测端M获得的故障相电压波形;
图7为本发明实施例2中的故障相电压的工频分量幅值;
图8为本发明实施例2中按式(1)求得的工频分量幅值和曲线E(k);
图9为本发明实施例2中在包络线曲线上每隔40ms读取的幅值和;
图10为本发明实施例3中的带并联补偿器的输电线路模型示意图;
图11为本发明实施例3中的量测端M获得的故障相电压波形;
图12为本发明实施例3中的故障相电压的工频分量幅值;
图13为本发明实施例3中在包络线曲线上每隔40ms读取的幅值和。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式,对本发明作进一步说明。
一种利用恢复电压工频检测的单永故障判别方法,当交流输电线路发生故障时,提取量测端M点故障相电压短视窗内的数据,对提取的数据进行离散傅里叶变换得到工频分量外包络线;再通过包络线采样值之前100ms时窗的数据求取工频分量幅值和;再在幅值和曲线上每隔40ms读取一个工频分量幅值和,连续比较四个工频分量幅值和后选取其中的最小值作为基准值,通过基准值与其之后连续计算的三个工频分量幅值和值的比较来对单永故障进行判别,若基准值后连续计算三个幅值和等于基准值,则判为单永故障;若基准值后连续计算的三个幅值和均大于基准值,则判为瞬时性故障。
所述方法具体步骤如下:
(1)当交流输电线路MN发生故障时,采集输电线路M端故障相电压u M(k) ,并对其进行归一化处理;k为采样点;
(2)利用量测端M获得的故障相电压当前采样值之前20ms时窗的数据,以采样间隔Δt为步长,对u M(k)进行离散傅里叶变化提取其工频分量幅值U1(k),获得工频分量外包络线;
(3)自断路器断开时刻开始,利用此包络线当前采样值之前100ms时窗的数据,以Δt为步长利用式(1)求取工频分量幅值和:
式中l表示采样点,N为一个采样周期,E(k)为幅值和;
(4)在幅值和曲线上每隔40ms读取一个工频分量幅值和,连续比较四个工频分量幅值和的大小,选取这四个值中的最小值作为基准值,即:
E min= E(k); (2)
E(k)为每隔40ms读取的工频分量幅值和,E min为基准值;
(5)将基准值与其之后连续计算的三个工频分量幅值和值再进行比较:
若基准值后连续计算三个幅值和等于基准值,即满足:
则判为单永故障;
式中m为获得基准值之后的采样点,此处引入门槛值门ε,可认为式(3)中各不等式左边的两项在(-ε ε)范围内近似相等;按计算精度要求将ε设为0.05。
若基准值后连续计算的三个幅值和均大于基准值,且不满足式(3)则判为瞬时性故障。
实施例1:如图1所示的500kV输电线路仿真系统模型,被保护线路为MN,线路长度LPM=150km,LMN=358km,LNQ=220km,采样率为20kHz。现假设在线路MN上距M端50km发生A相接地瞬时性故障,此时量测端M获得的故障相电压波形u M(k)如图2所示,由图2可知,故障发生时刻为0.3s,断路器断开时刻为0.4s;
利用量测端M获得的故障相电压当前采样值之前20ms时窗的数据,以采样间隔Δt为步长,对u M(k)进行离散傅里叶变化提取其工频分量幅值U1(k),获得工频分量外包络线如图3所示;
自断路器断开时刻开始,利用此包络线当前采样值之前100ms时窗的数据,以Δt为步长求取工频分量幅值和,如图4所示;
在图4中幅值和曲线上每隔40ms读取一个工频分量幅值和,如图5所示,计算得到基准值为第4个值,即E(4)= E min,值为51.43pu,而连续计算三个幅值和E(5)=58.13pu、E(6)=92.89pu、E(7)=194.8pu,因为|E(5)- E min|=6.7>ε1、|E(6)- E min|= 41.46>ε1、|E(7)- E min|= 143.37>ε1,均不满足式(2),据此可判为瞬时性故障。
实施例2:如图1所示的500kV输电线路仿真系统模型,被保护线路为MN,线路长度LPM=150km,LMN=358km,LNQ=220km,采样率为20kHz。现假设在线路MN上距M端50km发生A相永久性接地故障,此时量测端M获得的故障相电压波形u M(k)如图5所示,由图6可知,故障发生时刻为0.3s,断路器断开时刻为0.4s;
利用量测端M获得的故障相电压当前采样值之前20ms时窗的数据,以采样间隔Δt为步长,对u M(k)进行离散傅里叶变化提取其工频分量幅值U1(k),获得工频分量外包络线如图7所示;
自断路器断开时刻开始,利用此包络线当前采样值之前100ms时窗的数据,以Δt为步长求取工频分量幅值和,如图8所示;
在图8中幅值和曲线上每隔40ms读取一个工频分量幅值和,如图9所示,计算得到基准值为第6个值,即E(6)= E min,值为19.61pu,而计算得到的第7个、第8个、第9个幅值和E(7)= E(8)= E(9)=19.61pu,因为|E(7)- E min|=0<ε1,且满足式,据此可判为永久性故障。
实施例3:如图10所示的500kV带并联电抗器的输电线路仿真系统模型,被保护线路为MN,线路长度LPM=150km,LMN=358km,LNQ=220km,并联电抗器电抗X L=1680.56Ω,X n=434Ω。采样率为20kHz。现假设在线路MN上距M端50km发生A相瞬时性接地故障,此时量测端M获得的故障相电压波形u M(k)如图11所示,由图11可知,故障发生时刻为0.3s,断路器断开时刻为0.4s,且恢复电压阶段出现了拍频现象;
利用故障相电压当前采样点之前的一个工频周期的数据对u M(k)进行离散傅里叶变化,提取工频分量幅值U 1(k),如图12所示;
自断路器断开时刻0.4s开始,利用此包络线当前采样值之前100ms时窗的数据,以Δt为步长求取工频分量幅值和,在幅值和曲线上每隔40ms读取一个工频分量幅值和,如图13所示,在图13所示的能量值中计算得到基准值为第3个能量值,即E(3)= E min,值为48.23pu,而连续计算三个能量值E(4)=56.56pu、E(5)=80.6pu、E(6)=197.2pu,因为|E(4)- E min|=8.33>ε1、|E(5)- E min|=32.37>ε1、|E(6)- E min|=148.97>ε1,均不满足式(2),据此可判为瞬时性故障。
上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明,但是本发明并不限于上述实施方式,在本领域普通技术人员所具备的知识范围内,还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (2)
1.一种利用恢复电压工频检测的单永故障判别方法,其特征在于:当交流输电线路发生故障时,提取量测端M点故障相电压短视窗内的数据,对提取的数据进行离散傅里叶变换得到工频分量外包络线;再通过包络线采样值之前100ms时窗的数据求取工频分量幅值和;再在幅值和曲线上每隔40ms读取一个工频分量幅值和,连续比较四个工频分量幅值和后选取其中的最小值作为基准值,通过基准值与其之后连续计算的三个工频分量幅值和值的比较来对单永故障进行判别,若基准值后连续计算三个幅值和等于基准值,则判为单永故障;若基准值后连续计算的三个幅值和均大于基准值,则判为瞬时性故障。
2.根据权利要求1所述的利用恢复电压工频检测的单永故障判别方法,其特征在于所述方法具体步骤如下:
(1)当交流输电线路MN发生故障时,采集输电线路M端故障相电压u M(k) ,并对其进行归一化处理;k为采样点;
(2)利用量测端M获得的故障相电压当前采样值之前20ms时窗的数据,以采样间隔Δt为步长,对u M(k)进行离散傅里叶变化提取其工频分量幅值U1(k),获得工频分量外包络线;
(3)自断路器断开时刻开始,利用此包络线当前采样值之前100ms时窗的数据,以Δt为步长利用式(1)求取工频分量幅值和:
式中l表示采样点,N为一个采样周期,E(k)为幅值和;
(4)在幅值和曲线上每隔40ms读取一个工频分量幅值和,连续比较四个工频分量幅值和的大小,选取这四个值中的最小值作为基准值,即:
E min = E(k); (2)
E(k)为每隔40ms读取的工频分量幅值和,E min为基准值;
(5)将基准值与其之后连续计算的三个工频分量幅值和值再进行比较:
若基准值后连续计算三个幅值和等于基准值,即满足:
则判为单永故障;
式中m为获得基准值之后的采样点,此处引入门槛值门ε,可认为式(3)中各不等式左边的两项在(-ε ε)范围内近似相等;
若基准值后连续计算的三个幅值和均大于基准值,且不满足式(3)则判为瞬时性故障。
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