王昊, 李明遠(yuǎn), 孫偉楠, 黃文宇

(江蘇省送變電有限公司,江蘇 南京 210028)

0 引 言

在交流輸電線路日常運(yùn)行過(guò)程中,通常會(huì)受到不同形式的暫態(tài)干擾,導(dǎo)致發(fā)生線路故障［1-3］。及時(shí)有效地分析出干擾的來(lái)源可以為交流輸電線路的故障識(shí)別做好提前準(zhǔn)備,使維修人員可以盡快排除故障［4］。研究可靠的暫態(tài)干擾源識(shí)別方法可以提升線路的運(yùn)行水平,有較多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行研究。紀(jì)思等［5］研究一種基于零序電流的輸電線路行波保護(hù)雷擊干擾識(shí)別方法,但該方法僅能夠識(shí)別雷擊干擾,當(dāng)出現(xiàn)短路故障干擾時(shí)無(wú)法精確識(shí)別干擾性質(zhì)。例如盧詩(shī)華等［6］研究一種基于最大相關(guān)-最小冗余算法的輸電線路故障定位方法,但該方法更加傾向于故障定位,對(duì)于不會(huì)造成故障的暫態(tài)干擾源依然無(wú)法有效識(shí)別。因此,本文研究基于卡爾曼濾波的交流輸電線路暫態(tài)干擾源識(shí)別方法,通過(guò)分析雷擊暫態(tài)干擾源與短路故障干擾暫態(tài)的特征,得到不同形式的干擾源特征,之后利用卡爾曼濾波方法,實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾源的識(shí)別。

1 交流輸電線路暫態(tài)干擾源識(shí)別方法

1.1 交流輸電線路暫態(tài)干擾源特征

1.1.1 雷擊暫態(tài)干擾源特征

由于交流輸電線路在接收到雷擊暫態(tài)干擾時(shí),三相導(dǎo)線接收到的電壓具備幅值接近以及波形相似的特性,因此在這種情況下,與暫態(tài)電壓波相應(yīng)的零模分量會(huì)隨之提升,且要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他線膜［7-8］。為了使它們之間能夠?qū)崿F(xiàn)量化,通過(guò)式(1)設(shè)定指標(biāo)。

δ=max{|Δuα|,|Δuβ|}/|Δu0|

(1)

式中:Δu0為零膜分量;Δuα為α模分量;Δuβ為β模分量;δ為暫態(tài)電壓波。

同時(shí),接收到雷擊干擾時(shí)這一比值不會(huì)太大,甚至較為接近零。若設(shè)定雷擊點(diǎn)與交流輸電線路距離為50 m,利用式(2)計(jì)算與之相應(yīng)的接收到雷擊干擾后的電壓幅值差,計(jì)算得知約為16%,因此相應(yīng)的δ=0.137 9。雷擊干擾點(diǎn)越遠(yuǎn),則出現(xiàn)的幅值差越小,導(dǎo)致δ值逐漸變小。因此,當(dāng)出現(xiàn)雷擊干擾時(shí),δ的值會(huì)很小。

Lmax(d)=hI0ek0+k1lnd+k2ln5d

(2)

式中:Lmax(·)為接收到雷擊干擾后的電壓幅值;d為雷擊干擾點(diǎn)與輸電線路的距離;h為輸電線路的離地高度;k0、k1、k2為系數(shù);I0為當(dāng)前電壓。

1.1.2 短路故障暫態(tài)干擾特征

交流輸電線路暫態(tài)故障干擾存在四種狀態(tài),分別為單相接地短路干擾、兩相接地干擾、兩項(xiàng)短路干擾和三相短路干擾。對(duì)每種干擾源進(jìn)行詳細(xì)分析,設(shè)zAA≈zBB≈zCC,zAB≈zAC≈zBC。這種假設(shè)與現(xiàn)實(shí)情況較為接近,其中A、B、C分別表示A相、B相與C相。

1) 單相接地短路干擾

(1) A相接地狀態(tài)下: 利用式(3)計(jì)算三相輸電線路之間的電壓與電流的耦合關(guān)系。

(3)

式中:u為電流;z為暫態(tài)電壓波;n為輸電線路個(gè)數(shù);i為電壓。出現(xiàn)故障干擾時(shí),可利用式(3)計(jì)算得到故障干擾處三相輸電線路上出現(xiàn)的電壓行波,如式(4)所示。

(4)

式中:ΔuA、ΔuB、ΔuC分別為三相暫態(tài)行波;ΔiA當(dāng)故障干擾出現(xiàn)在A相時(shí)線路的電流行波。

(2) B或C相接地狀態(tài)下:在大部分情況下B相與C相接地狀態(tài)下相應(yīng)的模量同樣一致,因此只針對(duì)一種接地情況進(jìn)行分析即可。假定B相出現(xiàn)接地故障干擾,利用式(3)可以計(jì)算出現(xiàn)故障干擾位置上、三相交流輸電線路上的電壓行波,如式(5)所示。

ΔuA=zABΔiB,ΔuB=zBBΔiB,ΔuC=zBCΔiB

(5)

當(dāng)故障干擾出現(xiàn)在B相時(shí),該線路的電流行波為ΔiB。

2) 兩相短路干擾與三相短路干擾

當(dāng)交流輸電線路出現(xiàn)兩項(xiàng)或三相短路干擾時(shí),三相交流輸電線路上不會(huì)出現(xiàn)零模分量,由此可設(shè)定δ為無(wú)窮大。根據(jù)以上分析,當(dāng)出現(xiàn)雷擊干擾時(shí),線路暫態(tài)電壓零膜十分清晰,且遠(yuǎn)大于線模,同時(shí)相應(yīng)的δ非常小;當(dāng)出現(xiàn)短路故障干擾時(shí),δ值要高于雷擊干擾狀態(tài),且零膜小于線膜,由此可得交流輸電線路上的暫態(tài)干擾特征。

1.2 卡爾曼濾波識(shí)別方法

卡爾曼濾波器屬于一種效率較高的遞歸濾波方法,首先將交流輸電線路暫態(tài)干擾源識(shí)別過(guò)程認(rèn)定為一種卡爾曼濾波系統(tǒng);然后將上述分析得到的暫態(tài)干擾特征投入到濾波系統(tǒng)中進(jìn)行計(jì)算;最后通過(guò)線性隨機(jī)微分方程表示該識(shí)別系統(tǒng),如式(6)所示。

X(t|t)=GX(t-1)+FU(t)+W(t)QR

(6)

并通過(guò)式(7)添加交流輸電線路干擾特征值與預(yù)測(cè)值。

J(t)=HX(t)+V(t)+δ

(7)

式中:X(t)為t時(shí)間狀態(tài)下系統(tǒng)狀態(tài);U(t)為t控制系統(tǒng)的總量;J(t)為預(yù)測(cè)值;W(t)、V(t)為過(guò)程與預(yù)測(cè)的噪聲;H為識(shí)別系統(tǒng)的參數(shù);G、F為系統(tǒng)的參數(shù);Q、R為系統(tǒng)的參量;δ為控制估算值。卡爾曼濾波器可將特征值與預(yù)測(cè)值相結(jié)合,得到當(dāng)前狀態(tài)t下的最優(yōu)化估算值X(t|t),即有效識(shí)別干擾源。

1.3 基于卡爾曼濾波干擾源識(shí)別實(shí)現(xiàn)

由于已經(jīng)確定交流輸電線路的干擾源特征,因此,當(dāng)線路受到各種方面的干擾時(shí),可從時(shí)域、頻域以及空域方面實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾源的識(shí)別。當(dāng)交流輸電線路受到干擾后,通過(guò)百分比確定干擾的程度,并對(duì)不同的干擾要素進(jìn)行識(shí)別,這些要素分別為時(shí)域、空域、頻域吻合度以及能量壓制度。

通過(guò)Ds描述交流輸電線路暫態(tài)發(fā)生的位置,并將干擾源與輸電線路暫態(tài)位置之間的距離通過(guò)Dj描述,然后通過(guò)有效干擾距離對(duì)干擾源進(jìn)行識(shí)別,即干通比E。

(8)

干擾效能不僅全面考慮了交流輸電線路暫態(tài)干擾源的識(shí)別,還考慮了不同環(huán)境因素對(duì)識(shí)別的影響,因此通過(guò)合理的參數(shù)設(shè)定,可有效實(shí)現(xiàn)干擾源識(shí)別。

2 試驗(yàn)分析

通過(guò)仿真驗(yàn)證本文方法有效性,利用高壓直流輸電系統(tǒng)模擬訓(xùn)練樣本,實(shí)現(xiàn)對(duì)本文方法的驗(yàn)證。

選取不同暫態(tài)干擾源采樣率,分別為20 kHz、40 kHz和60 kHz。分析不同采樣率下,隨著識(shí)別時(shí)間的逐漸增加,識(shí)別誤差的變化情況,結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同采樣率下識(shí)別誤差情況

由圖1可知,隨著時(shí)間的增加,本文方法在三種采樣率下的識(shí)別誤差逐漸下降。其中,在采樣率為60 kHz時(shí),識(shí)別的誤差最低,而采樣率為20 kHz時(shí)識(shí)別誤差略高于其他兩種采樣率。因此可知,利用本文方法可以有效降低干擾源的識(shí)別誤差。在交流輸電線路運(yùn)行過(guò)程中,設(shè)定電壓均值始終為0,模擬仿真40 ms時(shí)出現(xiàn)雷擊暫態(tài)干擾。利用本文方法識(shí)別在干擾發(fā)生時(shí)的電壓均值變化情況,分析結(jié)果如圖2所示。

圖2 雷擊干擾時(shí)電壓均值變化識(shí)別

由圖2可知,當(dāng)交流輸電線路在運(yùn)行的40 ms處出現(xiàn)暫態(tài)雷擊干擾,電壓均值迅速?gòu)? p.u.下降至-0.5 p.u.,之后電壓均值迅速修正。雖然在遭受到干擾時(shí)受到一定的電壓均值波動(dòng),但最終恢復(fù)到額定電壓均值。利用本文方法對(duì)干擾過(guò)程中的電壓均值進(jìn)行識(shí)別,可以看出與實(shí)際波動(dòng)十分接近,因此,利用本文方法識(shí)別暫態(tài)雷擊干擾時(shí)的電壓均值波動(dòng)非常清晰。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文基于卡爾曼濾波的交流輸電線路暫態(tài)干擾源識(shí)別方法,詳細(xì)分析了交流輸電線路中可能會(huì)出現(xiàn)的不同形式的干擾源,其中包括雷擊暫態(tài)干擾以及短路故障暫態(tài)干擾,并利用卡爾曼濾波方法,有效識(shí)別得到暫態(tài)干擾源。同時(shí),通過(guò)仿真試驗(yàn)分析方法性能,得到本文方法可精確識(shí)別不同類型的干擾源。在未來(lái)研究階段,可針對(duì)當(dāng)前識(shí)別方法繼續(xù)優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)多種線路上的干擾源以及故障識(shí)別。