陳 昕

國網(wǎng)北京市電力公司檢修分公司

基于ICA的配電網(wǎng)鐵磁諧振檢測(cè)方法的研究

陳 昕

國網(wǎng)北京市電力公司檢修分公司

在母線上接有電磁式電壓互感器的中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中，經(jīng)常會(huì)因?yàn)橄到y(tǒng)發(fā)生故障或者操作中進(jìn)行大的動(dòng)作，導(dǎo)致電磁式電壓互感器的非線性電感產(chǎn)生飽和，其飽和勵(lì)磁阻抗值與各個(gè)線路的對(duì)地電容構(gòu)成諧振回路，使中性點(diǎn)產(chǎn)生零序位移電壓，即鐵磁諧振過電壓。鐵磁諧振對(duì)系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定性影響較大，使系統(tǒng)長時(shí)間工作在超負(fù)荷狀態(tài)，造成設(shè)備的損壞。為降低鐵磁諧振對(duì)電力系統(tǒng)的影響，需要采用消諧裝置破壞諧振條件。

鐵磁諧振；獨(dú)立分量分析技術(shù)；過電壓；電壓互感器

1 鐵磁諧振的影響因素

1.1 系統(tǒng)中性點(diǎn)不同接地方式對(duì)鐵磁諧振的影響

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相故障接地時(shí)，這種采用中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的運(yùn)行方式能夠很好的將零序位移電壓控制在電壓三角形之內(nèi)，進(jìn)而有效的抑制了由瞬時(shí)接地故障恢復(fù)引發(fā)的鐵磁諧振[1]。

1.2 電壓互感器的鐵損對(duì)鐵磁諧振的影響

為了監(jiān)測(cè)電力系統(tǒng)中電壓的大小，故電力系統(tǒng)中存在著很多PT即電磁式電壓互感器，這種電力元件屬于非線性電感元件，發(fā)生鐵磁諧振的原因是非線性電感元件與系統(tǒng)中的電容元件的參數(shù)相匹配時(shí)才有可能發(fā)生，在這過程中諧振會(huì)發(fā)生幅值較高的諧振過電流和過電壓，此后電磁式電壓互感器會(huì)發(fā)生過熱、噴油，甚至爆炸等現(xiàn)象，嚴(yán)重威脅著電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。當(dāng)電磁式電壓互感器的鐵損越小時(shí)，產(chǎn)生鐵磁諧振就越容易，這在中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)中表現(xiàn)的極為明顯[2]。

1.3 系統(tǒng)的母線間電容對(duì)鐵磁諧振的影響

中性點(diǎn)接地高壓系統(tǒng)的變電站母線間電容與工頻鐵磁諧振發(fā)生的概率和諧振電壓的峰值密切相關(guān)，大大增加了發(fā)生的機(jī)率和過電壓的幅值，這是因?yàn)楫?dāng)系統(tǒng)中的三相中的其中某一相若發(fā)生諧振時(shí)，鐵磁諧振過電壓峰值的產(chǎn)生是通過電容耦合到其它兩相，使得這兩相發(fā)生鐵磁諧振的機(jī)率增大[3]。

2 防止鐵磁諧振的措施

在電力系統(tǒng)實(shí)際工作中，常常采用以下方法來抑制鐵磁諧振：

(1)選擇勵(lì)磁特性較好的電壓互感器

(2)減少電壓互感器的數(shù)量

(3)加裝對(duì)地電容器

(4)在電壓互感器高壓側(cè)中性點(diǎn)上串接電壓互感器

(5)在零序回路中加阻尼電阻

3 鐵磁諧振數(shù)字仿真求解方法

仿真的求解方法的主要問題是系統(tǒng)的三個(gè)不同運(yùn)行狀態(tài)之間如何過渡的問題。如何解決上述問題比較關(guān)鍵，可分為兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，這兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)必須達(dá)到要求，一是程序的初始值的確定，它遵循的原則是狀態(tài)轉(zhuǎn)換的瞬間保持能量守恒即磁通守恒[4]。二是要仿真的時(shí)間要連續(xù)，即狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換時(shí)間要連續(xù)。

先來解決初始值的確定問題，即為開始瞬間t=0時(shí)各相中性點(diǎn)位移電壓值和電壓互感器的磁鏈值，三相電源電勢(shì)，其表達(dá)式如下[5]：

系統(tǒng)正常操作過程中，其中性點(diǎn)電壓u0=0，則對(duì)各單相回路有：

將(3-1)代入(3-2)式，進(jìn)行積分得：

當(dāng)t=0時(shí)，則：

上式分別為A相、B相、C相的磁鏈初始值，

則初始狀態(tài)值：

在仿真過程中，系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)的初始值設(shè)置是根據(jù)磁通連續(xù)性及電荷連續(xù)性，由故障發(fā)生時(shí)刻的三項(xiàng)磁通及零序電壓的瞬時(shí)值確定的；同理，故障消除后的初始值，由故障消除時(shí)刻的磁通和電壓瞬時(shí)值確定。而接地故障的持續(xù)時(shí)間在程序運(yùn)行過程中是可人為調(diào)節(jié)的，可以根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的需要設(shè)定。狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)刻的磁通ψ和電壓的瞬時(shí)值u0，都可以通過該時(shí)段的狀態(tài)方程及過渡過程的階躍響應(yīng)求出，并即時(shí)的賦值給下一個(gè)狀態(tài)，從而使整個(gè)仿真過程的連續(xù)性得到了保證。各相電壓可以由電壓互感器的磁鏈和零序位移電壓確定[6]：

電壓互感器的電流i則可以從i=f (Ψ )=aΨ+bΨ3中得出。

4 諧振過電壓信號(hào)的頻率及幅值的確定

上一節(jié)中利用FastICA將諧振過電壓信號(hào)從觀測(cè)信號(hào)中提取出來。應(yīng)用其對(duì)電網(wǎng)電壓和電流的頻率測(cè)量能夠有效的減小柵欄效應(yīng)和頻譜泄露現(xiàn)象，測(cè)量精度能夠滿足實(shí)際要求，原理如下文所分析[7]。

設(shè)信號(hào)頻率f與離散頻率間隔Δf滿足如下關(guān)系:

一般情況下k為整數(shù);Δk為小數(shù)，則Xw(n)為：

而Δk的近似計(jì)算公式如下:

一般情況下，|Xw(k)|是|Xw(n)|中的極大值。因?yàn)閮H僅需要計(jì)算發(fā)生諧振這段時(shí)間內(nèi)電壓信號(hào)的頻率、幅值,所以沒有必要對(duì)整段的電壓信號(hào)全部進(jìn)行傅里葉變換,可減少很多計(jì)算量。該算法具有實(shí)現(xiàn)

容易。此處，在編寫程序是的具體參數(shù)設(shè)置如下：

設(shè)置采樣頻率：fs=20000；

數(shù)據(jù)截?cái)嚅L度：N =2048；

從上節(jié)分解信號(hào)中觀察到，諧振過電壓信號(hào)在0.2秒后帶到諧振穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)的諧振過電壓幅值最大，因此只要在0.2秒后選取一段信號(hào)，分析其頻率、幅值及相位即可判斷諧振的類型。MATLAB/ Simulink仿真過程中設(shè)置0～0.5秒內(nèi)有10001個(gè)采樣點(diǎn)，在檢測(cè)諧振頻率時(shí)，選取信號(hào)從第2001個(gè)采樣點(diǎn)開始選取到4048點(diǎn)結(jié)束，即s0.2=[ y2001, y2002, y2003,…, y4048]。計(jì)算處理后得到幅值以及相位[8]：

從信號(hào)的的頻譜中，第一行頻率分量的的幅值要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他分量，根據(jù)鐵磁諧振的先驗(yàn)知識(shí)——諧振過電壓信號(hào)幅值要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他頻率分量的幅值，以此依據(jù)確定諧振過電壓的頻率：fICA=25.47559Hz；由此，可以判斷系統(tǒng)發(fā)生了1/2分頻鐵磁諧振。

同理，計(jì)算MATLAB/Simulink仿真輸出的諧振過電壓信號(hào)的幅值、頻率、相位得：(見表1)

同上，可以確定仿真輸出諧振過電壓信號(hào)的頻率：f0=25.87401Hz；兩表數(shù)據(jù)比較，我們發(fā)現(xiàn)兩表數(shù)據(jù)中的頻率、相位基本吻合，導(dǎo)致幅值在數(shù)量級(jí)上發(fā)生了變化，不影響對(duì)頻率的計(jì)算[9]。

通過兩表數(shù)據(jù)比較，表明本文所選用的方法極其有效，信號(hào)頻率誤差率只有1.53%。

結(jié)語

本文利用MATLAB/Simulink對(duì)電網(wǎng)的10kV中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)進(jìn)行仿真。鐵磁諧振是中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中一種常見的現(xiàn)象，經(jīng)常發(fā)生在中性點(diǎn)不接地配電網(wǎng)中。電力系統(tǒng)中鐵磁諧振過電壓的信號(hào)檢測(cè)的問題研究相對(duì)較少。對(duì)鐵磁諧振過電壓的信號(hào)檢測(cè)的研究應(yīng)給予重視，對(duì)于諧振過電壓信號(hào)的檢測(cè)主要是檢測(cè)諧振過電壓的幅值和判斷鐵磁諧振的類型兩個(gè)方面。本文主要研究成果如下：

1、外部激發(fā)條件與系統(tǒng)內(nèi)部的參數(shù)相匹配，導(dǎo)致了鐵磁諧振的發(fā)生。其諧振的類型和過電壓、過電流的幅值與外部激發(fā)因素和互感器的鐵芯質(zhì)量有著密切關(guān)系[10]。

表1 頻率分量對(duì)應(yīng)的幅值及相位

2、本文將獨(dú)立分量分析技術(shù)運(yùn)用到鐵磁諧振過電壓分析領(lǐng)域中，利用基于負(fù)熵的固定點(diǎn)算法對(duì)含有強(qiáng)干擾的諧振過電壓信號(hào)進(jìn)行分離，并通過傅里葉變換對(duì)分離后的過電壓信號(hào)進(jìn)行特征提取，從而判斷鐵磁諧振類型。結(jié)果表明：FastICA能夠很好的從復(fù)雜的觀測(cè)信號(hào)中提取出零序諧振過電壓信號(hào)，結(jié)合加Hanning窗的快速傅里葉變換得到其瞬時(shí)頻率及其瞬時(shí)幅值，準(zhǔn)確的辨識(shí)諧振類型，且用數(shù)據(jù)證明了方法的有效性。

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表2 C35P8大體積混凝土配合比kg/m3

表3 混凝土配合比試驗(yàn)結(jié)果

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