CN110244122A - 电力系统谐振过电压检测与控制方法 - Google Patents

Abstract

电力系统谐振过电压检测与控制方法，用于实现对电力系统谐振过电压的检测和控制。它包括以下步骤：(1)利用故障后的暂态分量，将波形相似性度量引入故障选线，通过提取并计算故障后各线路零序电流的Hausdorff距离，可以准确判断故障线路；(2)利用单相接地故障和基频铁磁谐振零序分量相位差不同的特性，提出一种能够有效区分单相接地故障和基频铁磁谐振的综合判据，利用Matlab/Simulink软件，对小电流接地系统故障进行仿真。本发明可实现对电力系统谐振过电压检测，检测精确度高和灵敏度较高。

Description

电力系统谐振过电压检测与控制方法

技术领域

本发明涉及电力系统过电压检测技术领域，具体地说是一种电力系统谐振过电压检测与控制方法。

背景技术

世界上各国采用的应对配电系统发生单相接地故障的措施不尽相同。在俄罗斯，中性点经消弧线圈接地系统应用十分普遍，过去主要运用过流保护、功率方向保护，后来逐渐发展为运用群体比幅比相的方法；美国倾向于大电流接地方式，包括中性点直接接地或者经过小电阻、小电抗接地，因此故障线路电流数值容易被检测，实现迅速选线的方法是基于零序电流过流、零序电流有功分量。中性点经消弧线圈接地方式起源于德国，上世纪三十年代就提出了利用暂态的相关信息进行保护，现在该运行方式仍然处于主流地位。法国在前些年广泛使用低阻接地(NRS)，而后逐步用经过消弧线圈接地(NES)取代之，后来采用零序导纳选线方法，对高阻接地灵敏度较高。挪威采用经消弧线圈接地系统，通过测量空间电场和磁场相位，反映零序电压和电流的相位，制造了一种接地故障探测装置，分区间安装在线路以及交叉的位置上。20世纪90年代以来，世界上研究靠前的组织尝试运用诸如人工神经网络、专家系统等方法来实现接地选线功能。从现实应用中的效果来看，中性点不接地系统(NUS)和中性点经过低阻接地系统(NRS)使用零序电流比幅比相的方法，能大概率地找出正确的故障馈电线。不过NES系统，因为加装了消弧线圈，其电感会起到补偿的效果，发生接地的线路零序电流的流向以及数值失去了足够辨别的特点，所以该运行万式下选线更加困难。

从我国采用的系统运行方式来看，小电流接地系统往往运用于6～35kv配电线路，鉴于配电线路的要求，中性点不接地系统或经消弧线圈接地运行方式使用率最高。因此，小电流接地系统发生单相接地的问题得到了重视，我国从电力系统发展落后的状况下，不断加大研发力度，先后采用过零序电流保护，零序无功方向保护，研究过通过基波获取短路信息，逐渐向高次谐波研究发展，后来研发出根据首半波极性进行选线保护的策略。

从1958年起国内就一直对此问题进行研究，进入80年代，微型计算机开始慢慢使用，依托微型计算机的计算能力，发展出能够在微型计算机中计算运行程序的选线的方法，进而生产出微机型接地选线装置，应用的方法大多是比较零序电流五次谐波的大小，几种谐波(3、5、7次)加和比较，比幅比相法和其改进方法群体比幅比相等可以借助微型计算机方便实施的方法。

随着各方面技术的提升，从90年代以来，各种选线理论层出不穷，生产出基于“有功功率法”，“S注入法”，“注入变频信号法”，“接地残留增量法”等原理的新型故障选线和保护的装置。随着控制芯片，采样装置的可控频率和精度等多方面的发展，慢慢开始研究应用故障发生后暂态信息进行故障选线。这些方法虽然新颖巧妙，取得一定效果，但也存在一定的局限性，因此，研究小电流系统故障选线，从而进行电力系统过电压防治，提出具有更高可靠性和速动性的识别方法具有重要的意义。

近年来，基于零序电流暂态分量的小电流接地系统故障选线的方法得到学者的广泛研究，首半波法通过比较故障线路与健全线路暂态零序电压和电流的首半波形进行选线，要求检测装置必须灵敏地检测到完整的首半波形，对采样速率要求极高。当故障发生在相电压过零点处，首半波内的零序电容电流幅值很小，容易引发误判。

暂态小波分析法是将故障暂态信号分解为较集中的频段进行分析，但面对实际情况复杂的线路故障，不容易选择合适的小波基函数以及分解尺度。随着接地电阻增大以及采样频率的限制，也会导致选线失败。

基于HHT的故障选线方法，将提取的故障信号进行经验模式分解(EMD)得到固有模态函数信号(IMF)，再对其进行Hilbert变换进行时频分析。虽然相比于小波分析有了更强的自适应性，且对噪声有一定抗干扰能力，但在经验模式分解(EMD)中还留有端点效应和模态混叠等未待解决的问题，在实际应用中不够理想。

随着我国智能电网的迅速发展，这些方法虽然新颖巧妙，取得一定效果，但也存在一定的局限性，因此，研究小电流接地系统单相接地故障机理，提出具有更高可靠性和速动性的选线方法具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电力系统谐振过电压检测与控制方法，用于实现对电力系统谐振过电压的检测和控制。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：电力系统谐振过电压检测与控制方法，其特征是，它包括以下步骤：

(1)利用故障后的暂态分量，将波形相似性度量引入故障选线，通过提取并计算故障后各线路零序电流的Hausdorff距离，可以准确判断故障线路；

(2)利用单相接地故障和基频铁磁谐振零序分量相位差不同的特性，提出一种能够有效区分单相接地故障和基频铁磁谐振的综合判据，利用Matlab/Simulink软件，对小电流接地系统故障进行仿真。

进一步地，综合Hausdorff距离为：H_CHD(A，B)＝max[h_CHD(A，B)，h_CHD(B，A)]；

其中，k＝round(N_A×f)；

式中，h_L(A,B)表示按升序将集合A到集合B的单相HD值进行排序，并取第L个值；h_CHD(A,B)表示将集合A到集合B中的HD距离按升序排序，累加之后取平均值，排除了孤立点产生的较大HD值，有效消除了信号噪声和外部孤立点对于CHD精度的影响；f为修正系数，一般取0.85。

进一步地，对于实值信号f(t)，它的希尔伯特变换定义为f(t)与1/πt的卷积，公式为：

对信号f(t)做一次希尔伯特变换，相当于对信号进行一次滤波因子为h(t)＝1/πt的滤波，对h(t)进行傅立叶变换可得滤波频谱H(f)：

由和推导相位差的具体方法如下：

设零序电流和零序电压：

经过希尔伯特变换后可得：

令：

用z₁(t)/z₂(t)，即可得到两者相位差

通过希尔伯特变换可得出各条出线上的零序相位差θ_n[θ₁、θ₂、θ₃…]，若所有θ_n＜0，则系统发生基频铁磁谐振；否则θ＞0的线路即为单相接地故障的故障线路。

本发明的有益效果是：本发明可实现对电力系统谐振过电压检测，检测精确度高和灵敏度较高。

附图说明

图1为线路L₁～L₄暂态零序电流波形；

图2为线路L₁～L₄暂态零序电流归一化处理值图；

图3为小电流接地系统故障辨识流程图。

具体实施方式

电力系统谐振过电压检测与控制方法，包括以下步骤：

(1)利用故障后的暂态分量，将波形相似性度量引入故障选线，通过提取并计算故障后各线路零序电流的Hausdorff距离，可以准确判断故障线路。

由于传统Hausdorff距离存在抗噪声能力弱的问题，对选线结果可能存在误判，本发明对传统Hausdorff距离进行了优化改进，提高了算法对信号噪声和外部孤立点的干扰。

综合Hausdorff距离可表示为：

H_CHD(A，B)＝max[h_CHD(A，B)，h_CHD(B，A)]；

其中，

k＝round(N_A×f)；

式中，h_L(A,B)表示按升序将集合A到集合B的单相HD值进行排序，并取第L个值；h_CHD(A,B)表示将集合A到集合B中的HD距离按升序排序，累加之后取平均值，排除了孤立点产生的较大HD值，有效消除了信号噪声和外部孤立点对于CHD精度的影响；f为修正系数，一般取0.85。

基于MALTAB/SIMULINK仿真软件搭建10kV小电流接地系统模型，对故障的暂态分量进行仿真分析，设置故障电压初相角故障点距离母线1km，接地电阻为0Ω，故障后各线路零序电流波形如图1所示。

为了保证信号之间的可比性，需要对采集到的离散信号序列进行归一化处理，得到无量纲的标准数据，归一化公式为：

其中i＝1，2，...k。进行归一化处理后的信号序列，其信号序列内特征点幅值会落入[0，1]之内，如图2所示。用综合Hausdorff距离对线路L₁～L₄的无量纲信号序列两两之间进行计算，得到线路之间的CHD值，范围应为[0，1]。CHD值越小，表明两条线路之间的暂态零序电流波形相似度越高，理想情况下，故障发生后健全线路的CHD值应为0，但在线路实际运行中，由于线路对地电容、互感器电流、三相参数不平衡以及线路阻抗的影响，健全线路的暂态零序电流波形会有一定差别，但总体相似度依然很高，健全线路之间的CHD值趋于0，而健全线路与故障线路之间的波形相似度很低，计算得到的CHD值会远大于0。

通过大量的对不同接地电阻、故障电压初相角、短路距离等条件分别进行仿真实验，通过多组数据分析，说明在不同故障情况下，健全线路间的CHD值稳定位于0.25以下，而故障线路与健全线路间的CHD值均大于0.75。在实际的现场检测中，可以通过设置相应的故障CHD阀值，并按顺序依次计算相邻两条出线之间的CHD值，当第k次和第k+1次的检测值均大于CHD阀值，可以立刻判断故障线路为第k+1条线路；若第一次检测即超过CHD阀值，第二次检测值如果小于阀值，则可判定为第一条出线发生故障，否则为第二条发生故障；若最后一次检测值超过CHD阀值，而前一次的检测值并未达到阀值，则可判定为最后一条出线发生故障。实际检测所需计算次数少于n/2次，大大加快了选线时间。

(2)利用单相接地故障和基频铁磁谐振零序分量相位差不同的特性，提出一种能够有效区分单相接地故障和基频铁磁谐振的综合判据，利用Matlab/Simulink软件，对小电流接地系统故障进行仿真。

对于实值信号f(t)，它的希尔伯特变换定义为f(t)与1/πt的卷积，公式为：

从上式可以看出，对信号f(t)做一次希尔伯特变换，相当于对信号进行一次滤波因子为h(t)＝1/πt的滤波。对h(t)进行傅立叶变换可得滤波频谱H(f)：

由和推导相位差的具体方法如下：

设零序电流和零序电压：

经过希尔伯特变换后可得：

令：

用z₁(t)/z₂(t)，即可得到两者相位差

通过希尔伯特变换可得出各条出线上的零序相位差θ_n[θ₁、θ₂、θ₃…]，若所有θ_n＜0，则系统发生基频铁磁谐振；否则θ＞0的线路即为单相接地故障的故障线路。

如图3所示，采用具有16位精度的AD7606芯片测量各条出线的零序电流和零序电压，判断U₀是否大于门限阀值U_N，若大于则系统发生故障。若可以对U₀进行频谱分析则可判断系统发生的是分频谐振或倍频谐振，从而进行相应的消谐；否则将U₀和I₀进行希尔伯特变换计算其相角差θ_n。若所有θ_n＜0，则系统发生基频铁磁谐振，否则发生单相接地故障，故障线路为θ＞0的线路。由此可以有效判断单相接地故障与铁磁谐振故障，从而进行相应的选线和消谐。

Claims (3)

1.电力系统谐振过电压检测与控制方法，其特征是，它包括以下步骤：

(1)利用故障后的暂态分量，将波形相似性度量引入故障选线，通过提取并计算故障后各线路零序电流的Hausdorff距离，可以准确判断故障线路；

(2)利用单相接地故障和基频铁磁谐振零序分量相位差不同的特性，提出一种能够有效区分单相接地故障和基频铁磁谐振的综合判据，利用Matlab/Simulink软件，对小电流接地系统故障进行仿真。

2.根据权利要求1所述的电力系统谐振过电压检测与控制方法，其特征是，综合Hausdorff距离为：H_CHD(A，B)＝max[h_CHD(A，B)，h_CHD(B，A)]；

其中，k＝round(N_A×f)；

式中，h_L(A,B)表示按升序将集合A到集合B的单相HD值进行排序，并取第L个值；h_CHD(A,B)表示将集合A到集合B中的HD距离按升序排序，累加之后取平均值，排除了孤立点产生的较大HD值，有效消除了信号噪声和外部孤立点对于CHD精度的影响；f为修正系数，一般取0.85。

3.根据权利要求2所述的电力系统谐振过电压检测与控制方法，其特征是，

对于实值信号f(t)，它的希尔伯特变换定义为f(t)与1/πt的卷积，公式为：

对信号f(t)做一次希尔伯特变换，相当于对信号进行一次滤波因子为h(t)＝1/πt的滤波，对h(t)进行傅立叶变换可得滤波频谱H(f)：

由和推导相位差的具体方法如下：

设零序电流和零序电压：

经过希尔伯特变换后可得：

令：

用z₁(t)/z₂(t)，即可得到两者相位差

通过希尔伯特变换可得出各条出线上的零序相位差θ_n[θ₁、θ₂、θ₃…]，若所有θ_n＜0，则系统发生基频铁磁谐振；否则θ＞0的线路即为单相接地故障的故障线路。