三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院 王 豐 盧 云
啟動(dòng)元件是電力系統(tǒng)微機(jī)保護(hù)中重要的輔助元件之一,起著檢測(cè)故障信息,開(kāi)放保護(hù)的作用。因此要求啟動(dòng)元件能在故障發(fā)生時(shí),能準(zhǔn)確到檢測(cè)故障,保證保護(hù)可靠動(dòng)作,不拒動(dòng);正常運(yùn)行或僅僅是受到干擾時(shí),不誤動(dòng)。隨著大容量、遠(yuǎn)距離的超高壓輸電線路越來(lái)越多,電網(wǎng)結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜。對(duì)保護(hù)的性能提出了更高的要求,基于暫態(tài)量的行波保護(hù)[1-2]由于速度快,具有不受運(yùn)行方式、分布電容等的影響,得到了國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者的重視。
通過(guò)檢測(cè)行波的奇異性[3],準(zhǔn)確捕捉故障信息,實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)算法是以行波理論為基礎(chǔ)的啟動(dòng)元件常采用的方法。大多數(shù)故障發(fā)生時(shí),都可以檢測(cè)到暫態(tài)行波信號(hào)奇異性,進(jìn)而構(gòu)造啟動(dòng)元件算法或?qū)崿F(xiàn)故障定位。但是,在電壓過(guò)零點(diǎn)故障時(shí),產(chǎn)生的暫態(tài)信號(hào)將十分微弱或沒(méi)有波過(guò)程,使啟動(dòng)算法失效。文獻(xiàn)[4-6]所提的啟動(dòng)算法,都存在在電壓過(guò)零點(diǎn)故障時(shí),啟動(dòng)算法失靈的問(wèn)題。本文在前人的基礎(chǔ)上,通過(guò)建立Matlab/simulink仿真模型,進(jìn)行大量仿真實(shí)驗(yàn),分析了不同故障下的行波信號(hào)特征,提出了基于電流行波積分的啟動(dòng)元件算法,仿真實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)驗(yàn)證了該方法的有效性與可行性,且不受故障類型、故障距離、過(guò)渡電阻和故障合閘角的影響。
為研究不同故障合閘角下的電流行波特征,在Matlab/simulink中建立如圖1所示的分布參數(shù)的輸電線路模型。線路AB為故障線路,線路參數(shù):正序阻抗Z1=(0.01273+j0.2932)Ω/km,負(fù)序阻抗Z2=Z1,零序阻抗Z0=(0.3864+j1.2957)Ω/km,線路對(duì)地正序電容與負(fù)序電容相等C1=C2=0.01274μF/km,線路對(duì)地零序電容C0=0.07751μF/km。
圖1 電力系統(tǒng)模型
針對(duì)三相耦合的三相輸電線路,選用凱倫貝爾變換矩陣作為解耦矩陣,如式(1)所示。
以A相接地短路為例說(shuō)明,在半個(gè)工頻周期內(nèi)分別選取不同的故障合閘角,進(jìn)行仿真分析。故障發(fā)生在仿真開(kāi)始后的第二個(gè)工頻周期,故障點(diǎn)F在AB線路內(nèi)部。采樣頻率設(shè)為1MHz。電流行波中選取1模和2模中較大者,并將故障時(shí)刻設(shè)置為坐標(biāo)原點(diǎn)。
以下給出了兩種有代表性的故障合閘角0°和90°時(shí),A相接地短路時(shí)的電流行波及行波奇異性的波形圖。
圖2 A相接地短路(故障合閘角為0°)
圖3 A相接地短路(故障合閘角為90°)
由圖2、圖3兩圖可以看到,故障合閘角為0°,即電壓過(guò)零點(diǎn)故障時(shí),在故障時(shí)刻的電流行波基本為零,沒(méi)有行波突變的過(guò)程,檢測(cè)不到行波的奇異性,如圖2中圓圈內(nèi)的行波梯度基本為零。若考慮到噪聲干擾信號(hào),通過(guò)檢測(cè)行波奇異性的方法將不能使啟動(dòng)元件可靠動(dòng)作,或者誤動(dòng)作。而類似圖3中,在故障時(shí)刻電流行波突變十分明顯,運(yùn)用檢測(cè)行波的奇異性可以準(zhǔn)確捕捉到故障信息,進(jìn)而使啟動(dòng)元件動(dòng)作,開(kāi)放保護(hù)。
通過(guò)前文的仿真實(shí)驗(yàn),不難發(fā)現(xiàn),僅僅靠檢測(cè)行波奇異性的方法來(lái)設(shè)計(jì)啟動(dòng)元件的算法,在電壓過(guò)零點(diǎn)時(shí),存在啟動(dòng)元件拒動(dòng)的現(xiàn)象。分析圖2可以發(fā)下,在過(guò)零點(diǎn)時(shí)刻過(guò)后,電流行波呈現(xiàn)緩慢增大趨勢(shì),即電流行波不再為零;而圖3中的電流行波則由故障前的零變?yōu)橐粋€(gè)較大的值。另外,在線路正常運(yùn)行時(shí),若不考慮誤差與干擾信號(hào),電流行波將始終保持為零。因此,本文構(gòu)造基于電流行波積分的啟動(dòng)元件,即對(duì)電流行波的絕對(duì)值在Δt 時(shí)間區(qū)間內(nèi)進(jìn)行積分運(yùn)算,如圖4和圖5所示,矩形框內(nèi)為積分區(qū)域。
圖4 A相接地短路(故障合閘角為0°)電流行波積分示意圖
圖5 A相接地短路(故障合閘角為60°)電流行波積分示意圖
當(dāng)積分值大于設(shè)定的閾值M時(shí),啟動(dòng)元件動(dòng)作,開(kāi)放保護(hù)。啟動(dòng)判據(jù)如式(2)所示:
式(2中)M的取值以發(fā)生三相短路故障,故障時(shí)刻出現(xiàn)的最大電流行波值為基準(zhǔn),并考慮 一定的可靠系數(shù),在本文中取為1200,t值取為0。Δt 的取值一般小于行波在本線路上從首端傳到末端的時(shí)長(zhǎng)。
按照?qǐng)D1所示的電力系統(tǒng)模型建立Matlab/simulink仿真模型進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。
(1)不同故障類型及合閘角的仿真實(shí)驗(yàn):設(shè)故障點(diǎn)在距離保護(hù)安裝處65km處,根據(jù)設(shè)定參數(shù):行波傳播度速為:
計(jì)算得到,約經(jīng)過(guò)224μs,故障信息到達(dá)保護(hù)安裝處。在半個(gè)工頻周期內(nèi),每間隔30°改變故障合閘角,進(jìn)行一次仿真,過(guò)渡電阻設(shè)為0,得到不同短路類型的仿真結(jié)果如表1所示。
表1 不同短路故障類型下的仿真結(jié)果
由表1中的仿真數(shù)據(jù)可以看出,式(2)所給出的啟動(dòng)判據(jù),在不同的短路故障時(shí)都能可靠動(dòng)作。除少數(shù)情況下積分時(shí)間稍長(zhǎng)外(如表1中打下劃線的數(shù)據(jù)所示),其他短路情況下都能在故障信息到達(dá)保護(hù)安裝處時(shí)刻附近完成積分運(yùn)算,使啟動(dòng)元件動(dòng)作。另外,短路時(shí),模電流值越大,即故障越嚴(yán)重,積分時(shí)長(zhǎng)越短,速動(dòng)性越好。在相同積分時(shí)長(zhǎng)時(shí),M越大,靈敏度也越高。
(2)不同故障距離的仿真實(shí)驗(yàn):以發(fā)生故障合閘角為60°的A相接地短路為例,改變故障點(diǎn)的位置,驗(yàn)證式(2)中的啟動(dòng)判據(jù)在不同故障距離時(shí)的有效性,仿真結(jié)果如表2所示。
表2中所示的結(jié)果表明,式(2)中的啟動(dòng)判據(jù)基本不受故障點(diǎn)與保護(hù)安裝處之間距離的影響,能得到正確的動(dòng)作結(jié)果,且故障點(diǎn)距離保護(hù)安裝處越遠(yuǎn),積分時(shí)長(zhǎng)越長(zhǎng)。
表2 不同故障距離下A相接地短路故障的仿真結(jié)果
(3)不同過(guò)渡電阻的仿真實(shí)驗(yàn):以距離保護(hù)安裝處65km處,發(fā)生故障合閘角為60°的A相接地短路為例,改變過(guò)渡電阻,來(lái)驗(yàn)證式(2)中的啟動(dòng)判據(jù)耐受過(guò)渡電阻的能力。仿真結(jié)果如表3所示。分析仿真數(shù)據(jù):隨著過(guò)渡電阻的增大,積分時(shí)長(zhǎng)會(huì)隨之變長(zhǎng),但并不影響啟動(dòng)判據(jù)的正確動(dòng)作。
表3 不同過(guò)渡電阻下A相接地短路故障的仿真結(jié)果
本文在大量仿真實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,分析了不同故障情況下的電流行波特征。根據(jù)電流行波模量由故障前為零,而在故障發(fā)生后出現(xiàn)跳變或增長(zhǎng),不再為零這一特征,本文提基于電流行波積分的啟動(dòng)元件算法。仿真實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)驗(yàn)證了該方法的有效性,在故障類型、故障合閘角、過(guò)渡電阻及故障位置改變時(shí),均能正確動(dòng)作,具有良好的適應(yīng)性。
由于該方法基于積分運(yùn)算,當(dāng)積分值超過(guò)閾值時(shí),判據(jù)才會(huì)成立,故障的嚴(yán)重程度、故障距離和過(guò)渡電阻的大小都可能帶來(lái)積分時(shí)長(zhǎng)的改變,影響速動(dòng)性。另外,在正常運(yùn)行時(shí),若有較大的干擾信號(hào)存在,也可能導(dǎo)致啟動(dòng)元件的誤動(dòng)作??梢酝ㄟ^(guò)犧牲靈敏度,提高閾值M的方法來(lái)躲過(guò)因干擾信號(hào)帶來(lái)的誤動(dòng)作。考慮到濾波器性能的發(fā)展,本文的啟動(dòng)元件算法仍然具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
[1]董新洲,葛耀中,李海峰,王鋼.輸電線路行波保護(hù)的現(xiàn)狀與展望[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2000,24(9):56-60.
[2]鄭偉,武霽陽(yáng),賀家李.特高壓直流線路自適應(yīng)行波保護(hù)[J].電網(wǎng)技術(shù),2015,39(7):1995-2001.
[3]魏軍,羅四倍.基于信號(hào)奇異性檢測(cè)的行波啟動(dòng)元件算法的探討[J].繼電器,2007,35(21):1-6.
[4]孔凡坊,王三桃,潘佩芳,吳軍基.基于小波變換模之和的奇異性檢測(cè)啟動(dòng)元件算法[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2009,37(11):24-27.
[5]段建東,張保會(huì).行波啟動(dòng)元件的算法研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2004,24(09):34-40.
[6]蘇煜,羅四倍,王薇.基于形態(tài)梯度與小波變換模之和的行波啟動(dòng)元件[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2009,37(23):5-8+34.