一种快速单相自适应重合闸方案.pdf

第 36卷 第 3 期第 36卷 第 3 期 湖南电力湖南电力 HUNAN ELECTRIC POWER2016年 6 月2016年 6 月 doi:10. 3969/j. issn. 1008-0198. 2016. 03. 012 一种快速单相自适应重合闸方案 A high speed single phase adaptive reclosing scheme 胡凯 (国网湖南省电力公司检修公司，湖 南 长 沙 410005) 摘 要 ：输电线路发生瞬时性单相接地故障时，故障点处会产生复杂变化的电弧。故障 相切除后，由于健全相与故障相之间存在电磁与静电耦合，故障点处电弧不会立即熄 灭。伴随着时间的推移，故障点处电弧经历熄灭与重燃过程，同时故障点电弧不断拉伸 使得故障相电弧电压幅值不断上升。而永久性故障时，由于存在稳定的接地点，故障相 切除后，故障相电压迅速下降为一较低的值且幅值保持不变。基于这种差异，提出一种 故障相电压幅值法的自适应重合方案。大量的EMTP仿真表明，该方案具有较高的灵敏 度 ，实现简单，对采样频率依赖性较低，能够快速准确的识别故障性质，实现单相自适 应重合闸。 关键词：输电线路；故障识别；电压幅值; 中图分类号：TM762.2 文献标志码：B 大量运行经验表明，输电线路故障主要表现为 单相接地故障。为提高电力系统运行的稳定性，减 少系统缺相运行的时间，保障供电的连续性，重合 闸技术广泛运用输电系统中。但现有的重合闸方案 是通过固定时延的方式实现，并未对故障性质进行 识别，如果重合于永久性故障或者瞬时性故障电弧 未熄弧阶段，系统会再一次遭受到短路电流的冲 击 ，严重破坏电力系统的稳定性。因此，若能准确 识别故障性质，保证永久性故障时不再进行重合， 瞬时性故障时在故障点熄弧后进行重合，将进一步 提高系统安全运行水平，确保重合闸成功。 近年来，大量的学者为了解决固定时延的重合 闸方案的不足，提出了大量单相自适应重合闸的理 论与方法。其中，文 献 1利用故障相发生瞬时 故障时电容稱合电压较大、而永久性故障时电容耦 合电压很小来区分故障类型，其主要不足在于灵敏 度低；文 献 2分析瞬时性故障时断开相计算电 压与两健全相电压和沿线变化规律的相似程度远大 于永久性故障接地故障时的相似程度，根据相似的 相关系数不同，识别故障性质，高阻接地时具有较 自适应重合闸 文章编号：1008-0198(2016)03-0043-04 高的灵敏性，受线路长度、负荷电流及故障距离的 影响较小。为限制潜供电流、补偿线路分布电容， 并联电抗器的使用使得恢复电压阶段故障相电压呈 现拍频现象 3-4 ，文 献 5-6根据恢复电压呈现 拍频特性，提取故障电压、电流中的低频分量实现 故障性质的判别。二次电弧阶段故障点处产生复杂 变化的非线性电弧 7-9 ，使得故障相电压中含有大 量的高频分量，文 献 10利用原子稀疏分解法 较强的时域和频域分析能力提取故障不同频段分 量 ，依据熄弧前后故障相电压频率分布的不连续性 点 ，准确地确定故障熄弧时刻，文 献 11利用 离散小波分析，提取故障相信号的高频成分，根据 瞬时故障与永久性故障时，谱能量的变化趋势存在 的明显差异，作为故障识别的依据。这类通过原子 分解、小波变换提出去故障相电压的频率分量，存 在着基函数构建困难与不能够自适应分解故障相的 缺陷，不利于微机保护的实现。此外，随着人机智能 技术的发展，利用人工神经网络（ ANN) 1 2 - 1 4 、支持 向 量 机 （ SVC) 1 5 模式分类与模式识别功能运用到 单相自适应重合闸中，识别线路故障为瞬时性故障 收稿日期：2015-10-16 43 43 第 36卷 第 3 期第 36卷 第 3 期湖南电力湖南电力2016年 6 月2016年 6 月 还是永久性故障，以选择正确的策略进行重合闸。 人工智能算法具有较高的自适应性、鲁棒性和容错 性。但算法需要大量的样本数据作为训练的素材， 大量的仿真与计算使得算法离实际运用还有一定的 距离。 为了快速准确的实现单相自适应重合闸，解决 已有重合闸方案的不足，在学习和总结前人的研究 成果中，文中提出了一种快速实现自适应重合闸的 方案，该方案基于输电线路永久性故障与瞬时性故 障时故障相电压在断路器断开后的幅值变化趋势的 差异来实现。该方案具有较高的灵敏度，实现简 单 ，对采样频率依赖性较低，能够快速准确的识别 故障性质，实现自适应重合闸。 1瞬时性故障时电弧模型 输电线路线路发生单相接地故障时，根据故障 点处的电弧电流的大小分为一次电弧阶段、二次电 弧阶段两个阶段。一次电弧阶段是指故障开始到故 障相断路器断开时间段，二次电弧则是值故障相跳 开直至故障点完全熄弧这一时间段。为分析电弧的 动态行为，文 中 采 用 文 献 16 中的电弧模型进 行仿真与分析。文 献 16 中指出一、二电弧的 动态特性可由下式来表述： 竽(1) 出 Tk 式中 或 ， p 表示一次电弧， 表示二次电 弧；为时变的电弧电导，为 时 间 常 数 ， 线路正序电感 为 0. 922 6 mH/km，零序电感。 为 1. 465 0 mH/km; 线路正序电容q 为 0.014 6 pF/km，线路零序电容 。 为0.034 1 / 。麗、端系统电源、阻抗参 数为： M侧系统电源五=500 2/ 3 Z 20kV，系统 阻抗： Zm 1 =3.1+j49.57ft，零 序 阻 抗 。=1.6 + j26. 2 ft; N 侧电源 = 5 0 0 2/ 3 Z 0kV，系统阻 抗 Zn 1 =6.4+j20.3ft， Z 0 =2.7+j19.54ft。 瞬时性故障时故障相M 端 电 压 波 形 如 图 2 所示。 从图2 可知，线路在T1 时刻发生短路，T2 时 刻故障相断路器跳开（ T1-T2 阶段即为一次电弧 阶段） ，T3 时刻故障点完成熄弧（ T2-T3 阶段即为 二次电弧阶段） ，T2-T3 阶段故障相电压的幅值随 着时间不断上升且波形受扰程度很大，表现为三角 波通过FFT分析发现，电压波形中主要有奇次谐 波与基波分量组成，故障点熄弧后，故障相电压出 现直流偏置分量，T4 时刻由于故障点已完全熄弧， 重合闸装置启动，故障相再次投人运行。 2 . 2 永久性故障时故障相电压变化特征 输电线路永久性故障时ATP/EMTP仿真示意 图如图3 所示。 图 3 中 为 接 地 电 阻 ，线路参数与瞬时性故 障时的保持一致。永久性故障时故障相M端电压 44 44 第 36卷 第 3 期第 36卷 第 3 期 胡凯：一种快速单相自适应重合闸方案胡凯：一种快速单相自适应重合闸方案 2016年 6 月2016年 6 月 波形如图4 所示c 图3 永久性故障示意图 0 0.2 0 . 4 日寸丨司“s 0 . 6 0 . 8 1 图4故障电压波形 由图4 可知，线 路 在 01时刻发生短路， D2 时 刻故障相断路器跳闸，故障相电压在刚发生短路时 电压幅值下降，且下降幅值与接地电阻有关，接地 电阻越大幅值就越小。故障相断路器断开后，故障 相电压迅速下降维持在一固定很低的值，且故障相 电压波形表现为正弦波。 通过对图2 与图4 对比可知，瞬时性故障时， 故障相断路器动作，将故障相切除后，由于健全相 与故障相之间存在电磁与静电耦合，故障点处电弧 长度不断拉伸使得故障相电弧电压幅值不断上升。 而永久性故障时，由于存在稳定的接地点，在故障 相切除后，故障相电压幅值迅速下降保持在一稳恒 较低的值。永久性故障与瞬时性故障时，故障相电 压幅值表现出较大的差异。为实现基于故障相电压 幅值法的单相自适应重合闸提供坚实的理论依据。 3单相自适应重合方案的实现 通过上节中的仿真与分析可知，不同故障类型 时故障相电压在故障相短路器断开后表现出不同的 变化特性。为了分析故障相电压幅值的变化特性， 采用离散傅里叶变换求取故障相电压的基频分量。 对 于 N 点的长度故障相电压序列U (A)， 其离散傅里叶变换实现如下： uR n N-1 2nkn cos( )(2) Un = 2 N-1 、？。 Z 心) . 2nkn sin( ) N (3) 则故障相电压的n 次频率分量的幅值为： un = u2 R n + u2 In 式中 n = 0, 1，2 , ，W /2-1。 利用离散傅里叶变换求取故障相电压基频分量 的以下步骤来实现： 1 ) 取工频时间i 为 20 ms为固定长时间窗，利 用 式 （ 24 ) 求取故障相电压在固定长时间窗内 基波分量ut。 2 ) 移动固定长时间窗，移动的步长为20 ms， 然后求取故障相电压在固定长时间窗内基波分量。 永 久 性 故 障 时 故 障 相 电 压 基 频 分 量 如 图 5 所示。 6 0 - 2 4 0 , M 20 0 -1-1-1-1-1- 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5 0 . 6 0 . 7 0 . 8 时间f/s 图5永久性故障时电压基频分量 故障相在切除瞬间，线路阻抗呈现为感性，故 障电流不会发生突变，存在一个短暂的过渡过程。 在故障相断路器断开瞬间，故障相电压存在一个快 速衰减的区段，在此区段内故相电压包含大量的高 频分量。为防止电压幅值判据失效，固定时间窗的 起始点选取为故障相断路器跳开后的3 个工频周期 时间点。由图5 知，永久性故障时，在故障相断路 器跳开后3 个工频周期到0. 8 s 时段内，故障相电 压幅值保持不变。 瞬时性故 障 时 故 障 相 电 压 基 频 分 量 如 图 6 所示。 瞬时性故障故障相电压基频幅值在二次电弧阶 段逐渐上升，在故障点熄弧后基频幅值保持不变。 由图56 对故障相电压幅值变化特性的描述， 提出以下单相自适应重合闸方案。 1 ) 计算丨= Ul+1 /Ut (卜 1，2 , ，n )， n 为 时间窗移动的次数。 2 ) 计算/t的均值人 3 ) 比较/ 与总的大小。若，则说明故 障为永久性故障，反之则为永久性故障。 AO T X /m# 45 45 第 36卷 第 3 期第 36卷 第 3 期湖南电力湖南电力2016年 6 月2016年 6 月 表 1 给出在不同短路位置，接地电阻时间窗移 动 9 次后J 的 值 （ 人代表永久性故障，厶代表瞬时 故障） 。 表 1不同故障情形时/值 故障位置/km接地电阻/n A 2 10%/ 50. 9913. 110 500. 9218.237 40%/ 51.0013.986 500. 9548.087 50%/ 50. 9844. 114 501.0129. 674 80%/ 50. 9455.098 500. 9789.789 从 表 1 知 ，永久性故障时人取值接近于1 , 而 瞬时性故障时厶的值远大于1 , 且在同一短路点随 着接地电阻的增大厶随之增大，因此本文将的 取 为 1.5,大量的仿真表明/S 6 , = 1.5具有较高的灵 敏性。 4结语 1 ) 瞬时性故障时故障点处电弧不断拉伸使得 故障相电弧电压幅值不断上升。而出现永久性故障 时，由于存在稳定的接地点，故障相切除后，故障 相电压迅速下降为一较低的值且幅值保持不变。 2 ) 文中所提的自适应重合闸方案，不受故障 位置、接地电阻、系统运行方式的影响，实现方式 简单，抗干扰能力强，能够快速识别故障类型，确 保重合闸装置在永久性故障时闭锁、瞬时性故障时 启动，实现单相自适应重合闸。 参考文献 1 葛耀中.在单相自动重合闸过程中判别瞬时故障和永久性故 障 的 方 法 J.西安交通大学学报，1984， 18 (2): 23-32. 2王増平，刘 浩 芳 ，徐 岩 ，等 .基 于 改 进 型 相 关 法 的 单 相 自 适 应 重 合 闸 新 判 据 J.中 国 电 机工程学报，2007, 27 ( 10): 49-55. 3李 斌 ，李 永 丽 ，盛 鵾 ，等 .带 并 联 电 抗 器 的 超 高 压 输 电 线 单 相 自 适 应 重 合 闸 的 研 究 J.中 国 电 机 工 程 学 报 ，2004, 24 (5): 52-56. 4 索南加乐，邵 文 权 ，宋 国 兵 ，等 .带 并 联 电 抗 器 永 久 性 故 障 识 别 新 方 法 J.中 国 电 机 工 程 学 报 ，2008, 28 ( 28 ): 79-85. 5李博通，李永丽.带并联电 抗 器 的 超 高 压 输 电 线 路 自 适 应 重 合 闸 新 判 据 J.电力系统自动化，2009, 33 (23): 48-54. 6邵文权，章 霄 微 ，宋 江 喜 ，等 .特 高 压 交 流 输 电 线 路 单 相 重 合 闸无故障识别电压电流组合判据J.高 电 压 技 术 ，2013, 39 ( 3) : 546-554. 7 Kizilcay M， Ban G， Prikler L， Handl P. 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