徐志強(qiáng)

（山西地方電力有限公司電網(wǎng)分公司，山西 太原 030001）

0 引言

輸電線路是電力系統(tǒng)中最容易發(fā)生故障的元件之一。國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者針對(duì)如何快速識(shí)別輸電線路故障并準(zhǔn)確選出故障相開展了大量研究，取得了許多研究成果[1-4]。微機(jī)保護(hù)之前的繼電保護(hù)裝置中普遍采用相電流、相電壓以及阻抗元件進(jìn)行故障識(shí)別與選相，這些方法都存在受系統(tǒng)運(yùn)行方式和過渡電阻等影響的缺陷，適用的范圍受到限制。微機(jī)保護(hù)通過軟件計(jì)算來實(shí)現(xiàn)故障量的分析計(jì)算，為故障選相帶來了很大的準(zhǔn)確性和靈活性。目前，微機(jī)保護(hù)裝置普遍采用序分量選相和工頻突變量選相相結(jié)合的故障選相方法。

不同原理的選相元件雖有不同的優(yōu)點(diǎn)，但也存在一定的缺陷。例如，采用突變量原理的選相元件雖然負(fù)荷電流的變化對(duì)其沒有影響，但在正序阻抗遠(yuǎn)大于零序阻抗時(shí)，系統(tǒng)兩相接地故障會(huì)誤選三相；在正負(fù)序綜合阻抗不相等時(shí)，選相結(jié)果也會(huì)有較大偏差。采用故障電流中序分量關(guān)系原理的故障選相，盡管不受負(fù)荷電流影響，但選相速度不理想，且受故障點(diǎn)過渡電阻的影響較大。近年來，許多學(xué)者基于故障瞬間的故障電流、電壓信號(hào)中的暫態(tài)分量開發(fā)了暫態(tài)分量故障選相方案。小波變換作為提取暫態(tài)信號(hào)的一種工具也被應(yīng)用于輸電線路的故障選相中[5-6]。文獻(xiàn) [7]基于小波變換提出了一種輸電線路故障的選相原理，該方法利用小波變換以及相模變換相結(jié)合構(gòu)造出選相指標(biāo)，再根據(jù)故障判據(jù)實(shí)現(xiàn)選相，但其判據(jù)過于復(fù)雜無法實(shí)用化；文獻(xiàn) [8]基于小波變換也提出了一種線路故障檢測(cè)算法，仿真結(jié)果表明該方法可以快速有效地完成故障分類和檢測(cè)。然而，這些方法性能的好壞取決于母波的合理選擇[9]，具有很大的局限性，且實(shí)用化困難。

考慮上述算法中高阻接地故障時(shí)難以識(shí)別和正確選相的問題，本文提出了一種新型的高壓輸電線路高阻接地故障的選相方案，并在電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真程序PSCAD（power system computer aided design） /EMTDC （electromagnetic transients including DC） 中搭建高壓輸電系統(tǒng)模型對(duì)所提出的方案進(jìn)行仿真驗(yàn)證。結(jié)果表明，所提出的高阻接地故障選相方案能夠在不同故障情況下正確完成故障選相，且具有抗過渡電阻能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

1 瞬時(shí)功率的定義

瞬時(shí)功率是本文構(gòu)造的一種功率，指繼電保護(hù)安裝處電壓、電流的乘積。假設(shè)電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)各處的電壓和電流均為正弦波，若A相電壓和電流的表達(dá)式為

則瞬時(shí)功率pU為

式中：Um為電壓信號(hào)的幅值；Im為電流信號(hào)的幅值；ω 為角頻率，ω=2πf，f 為系統(tǒng)頻率；φ為初相角。

同理可得

正常運(yùn)行時(shí)，pU、pV、pW中第一項(xiàng)為常數(shù)，第二項(xiàng)為100 Hz 分量為零；輸電線路發(fā)生故障時(shí)瞬時(shí)功率發(fā)生突變，經(jīng)過傅立葉濾波得到100 Hz分量，再計(jì)算出突變量。突變量計(jì)算公式如下

式中： Δ p 為每相瞬時(shí)功率100 Hz 分量的突變量；T 為每周期采樣點(diǎn)數(shù)；p(k)為k 點(diǎn)濾波后瞬時(shí)功率的100 Hz 分量；p(k-T)為k-T 點(diǎn)濾波后瞬時(shí)功率的100 Hz 分量；p(k-2T)為k-2T 點(diǎn)濾波后瞬時(shí)功率的100 Hz 分量；k 為啟動(dòng)時(shí)刻對(duì)應(yīng)的采樣點(diǎn)。

2 本文的故障選相方案

對(duì)于微機(jī)保護(hù)裝置，1 個(gè)CPU 處理大量的數(shù)據(jù)會(huì)消耗大量時(shí)間，因此當(dāng)輸電線路發(fā)生故障時(shí)，在故障進(jìn)入處理程序之前，預(yù)先進(jìn)行故障類型以及相別的選擇與判斷。故障相確認(rèn)后，將相應(yīng)的電流電壓采樣值取出后送至故障處理程序進(jìn)行計(jì)算和判斷時(shí)，選相元件只承擔(dān)選相任務(wù)，不承擔(dān)故障測(cè)距和故障方向的任務(wù)。這就要求故障選相的判別在快速前提下要有足夠的準(zhǔn)確性。本文在仿真分析的基礎(chǔ)上，提出了一種基于瞬時(shí)功率100 Hz 分量突變量的故障選相方法。現(xiàn)以U 相為例進(jìn)行輸電線路故障選相，其流程見圖1。

圖1 U 相輸電線路高阻接地故障選相流程圖

保護(hù)裝置在x 時(shí)刻啟動(dòng)后，得到繼電保護(hù)裝置啟動(dòng)前兩個(gè)周期和啟動(dòng)后母線U 相、V 相、W相電壓互感器二次電壓及電流互感器二次電流的采樣值；計(jì)算出保護(hù)裝置啟動(dòng)前后輸電線路的瞬時(shí)功率pU；利用傅立葉濾波，對(duì)瞬時(shí)功率進(jìn)行濾波處理，提取出其中的100 Hz 分量；從x 時(shí)刻對(duì)應(yīng)點(diǎn)開始，計(jì)算瞬時(shí)功率100 Hz 分量的突變量ΔpU和模值par；將瞬時(shí)功率100 Hz 分量的突變量和模值與整定值Δp、pd分別進(jìn)行比較。當(dāng)ΔpU和par均大于整定值時(shí)，LU=1，確定A 為故障相，否則，LU=0，進(jìn)入V 相和W 相判別。當(dāng)U、V、W 三相判別完成后，根據(jù)LU、LV、LW即可確定故障相別。

根據(jù)式（2）、式（5），基于瞬時(shí)功率的高阻接地故障選相的100 Hz 分量突變量定值整定公式如下

100 Hz 分量模值定值整定公式如下

本文取Δp=25 MW，pd=130 MW。

3 仿真研究

3.1 仿真模型

圖2 交流系統(tǒng)仿真模型圖（m）

本文采用電磁暫態(tài)仿真程序建立了一個(gè)典型的雙端電源供電的電力系統(tǒng)仿真模型，具體的模型情況見圖2。其中，輸電線路采用Frequency Dependent（Phase） Model Options 模型，系統(tǒng)頻率為50 Hz，電壓等級(jí)為500 kV，線路長(zhǎng)度100 km，輸電線路M 端配置高壓并聯(lián)電抗器3×40 Mvar。輸電線路和電源參數(shù)如下：EM=525 kV∠0°，ZM=0.3 Ω+j50 Ω；EN=520 kV∠-10°，ZN=0.1 Ω+j30 Ω；導(dǎo)線直流電阻為0.026 Ω/km。

下面針對(duì)上述方法進(jìn)行各種故障情況的仿真研究。在2.0 s 時(shí)刻在輸電線路中點(diǎn)處發(fā)生A 相金屬性接地故障，持續(xù)時(shí)間0.1 s，M 端測(cè)量的三相電壓、電流波形見圖3。

圖3 U 相接地故障時(shí)M 端三相電壓、電流波形圖

從圖3 可以看出，當(dāng)線路發(fā)生U 相接地故障時(shí)，故障相U 相電壓降低，電流迅速增大。因故障電流上升較電壓降低的幅度大很多，導(dǎo)致故障相的瞬時(shí)功率大幅增大。為了清楚地表示出故障后的電壓、電流和瞬時(shí)功率100 Hz 分量的變化，在仿真結(jié)束后，利用MATLAB 提取故障數(shù)據(jù)并進(jìn)行瞬時(shí)功率的計(jì)算，經(jīng)過傅立葉濾波后得到U 相瞬時(shí)功率的100 Hz 分量。M 端故障前后故障相電壓、電流及其瞬時(shí)功率100 Hz 分量的變化波形見圖 4、圖 5。

圖4 經(jīng)100 Ω 電阻接地故障時(shí)A 相電壓、電流波形圖

圖5 經(jīng)100 Ω 電阻接地故障時(shí)U 相瞬時(shí)功率100 Hz 分量圖

從圖4、圖5 可以看出，故障前，U 相的瞬時(shí)功率100 Hz 分量很小。當(dāng)發(fā)生故障后，電壓因過渡電阻變化并不大，電流發(fā)生突變，導(dǎo)致U 相瞬時(shí)功率中100 Hz 分量迅速增大。對(duì)其他類型接地故障的仿真也得到了相同的結(jié)果，這里不再贅述。

3.2 不同故障位置的仿真研究

在圖2 的仿真系統(tǒng)中，以輸電線路M 端為起點(diǎn)，每隔25 km 設(shè)置一個(gè)故障點(diǎn)。針對(duì)每一個(gè)故障位置設(shè)置了3 種典型的經(jīng)100 Ω 過渡電阻接地故障即U 相接地、VWG 兩相接地和UVWG 三相短路接地故障進(jìn)行仿真研究，故障時(shí)刻均設(shè)置在2 s，仿真結(jié)果見表1。

從表1 可以看出，使用本文提出的瞬時(shí)功率中100 Hz 分量的突變量和模值選相算法，對(duì)線路不同位置的單相、相間和三相短路經(jīng)100 Ω 過渡電阻接地故障時(shí)能夠正確識(shí)別故障相別，證明本文提出的選相方案的性能不受故障位置和故障類型的影響。

3.3 故障電阻對(duì)選相性能的影響研究

在圖2 的仿真系統(tǒng)中，針對(duì)經(jīng)不同故障電阻的不同接地故障對(duì)本文提出的選相算法進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，故障點(diǎn)設(shè)置在線路的中點(diǎn)處，仿真時(shí)間為5 s，故障時(shí)刻設(shè)定為2 s。其中故障電阻值從200 Ω 開始增加到500 Ω。針對(duì)每個(gè)電阻值，仿真研究了單相接地故障UG、兩相接地故障VWG 和三相接地故障UVWG 3 種典型故障時(shí)故障選相的性能。仿真結(jié)果見表2。

表1 不同位置不同故障經(jīng)100 Ω 電阻時(shí)選相結(jié)果

表2 線路中點(diǎn)經(jīng)200～500 Ω 故障電阻時(shí)選相結(jié)果

從表2 可以看出，本文提出的故障選相算法在不同故障類型、不同的故障電阻情況下均能準(zhǔn)確地進(jìn)行識(shí)別，并且延時(shí)都在20 ms 之內(nèi)。

3.4 故障初始角對(duì)選相性能的影響研究

故障初始角是以線路M 端保護(hù)安裝處A 相電壓的過零點(diǎn)作為相角的參考點(diǎn)，設(shè)置的故障類型為A 相經(jīng)100 Ω 過渡電阻接地故障，故障位置為線路中點(diǎn)處。故障初始角為 0°、60°、120°、180°，表3 為不同故障初始角時(shí)本文選相算法的選相結(jié)果。

表3 不同故障初始角時(shí)選相結(jié)果

從表3 可以看出，在不同故障初始角時(shí)，本文選相算法均能準(zhǔn)確地選出故障相。對(duì)于其他類型經(jīng)過渡電阻故障也做了類似的仿真研究，得到了類似的結(jié)果。

3.5 單相接地耐受過渡電阻能力的仿真研究

為了驗(yàn)證過渡電阻對(duì)本文故障選相算法的影響，結(jié)合圖2 所示的仿真系統(tǒng)，對(duì)選相算法耐受過渡電阻的能力進(jìn)行了仿真研究。在系統(tǒng)的輸電線路中點(diǎn)處設(shè)置了U 相經(jīng)過渡電阻接地故障，故障時(shí)刻為2 s，過渡電阻分別為100 Ω、200 Ω、300 Ω、400 Ω、500 Ω、600 Ω、700 Ω、800 Ω、900 Ω、1 000 Ω。仿真結(jié)果見圖6。

圖6 不同故障電阻情況下的故障選相延時(shí)

從圖6 可以看出，本文提出的故障選相算法在1 000 Ω 以內(nèi)的過渡電阻時(shí)均能準(zhǔn)確地識(shí)別故障相；大于1 000 Ω 時(shí)，由于過渡電阻對(duì)故障電流的衰減作用，導(dǎo)致故障前后故障相的瞬時(shí)功率變化小于閾值，已難以實(shí)現(xiàn)故障選相的正確性。從圖6 還可以看出，隨著過渡電阻的增大，選相延時(shí)也在增大，在1 000 Ω 以內(nèi)時(shí)本文的故障選相算法能夠準(zhǔn)確完成故障的識(shí)別，說明本文的選相算法具有很強(qiáng)的耐受過渡電阻的能力。另外，本文對(duì)相間短路、三相短路經(jīng)高阻接地故障的選相進(jìn)行了驗(yàn)證，從結(jié)果來看，使用瞬時(shí)功率100 Hz 分量的突變量和模值的選相算法在各種高阻接地故障情況下能夠正確識(shí)別故障相。

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種基于瞬時(shí)功率100 Hz 分量的輸電線路高阻接地故障選相算法，該算法利用正常和故障時(shí)各相瞬時(shí)功率中100 Hz 分量的突變量和模值的差異進(jìn)行高阻接地故障相識(shí)別。在PSCAD/EMTDC 中搭建了典型的雙端電力系統(tǒng)仿真模型，設(shè)置了不同的高阻接地故障類型對(duì)本文所提算法進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。結(jié)果表明本文提出的故障選相算法在各種高阻接地故障情況下都能準(zhǔn)確完成故障選相，并且具有延時(shí)較小等優(yōu)點(diǎn)。另外，對(duì)算法進(jìn)行了耐受過渡電阻能力的仿真研究，結(jié)果表明算法能夠在高過渡電阻情況下正確識(shí)別故障相，具有很好的躲過渡電阻能力。本文提出的高阻接地故障選相算法可靠性較高，在輸電線路的故障選相中具有一定的應(yīng)用潛力。

當(dāng)然，本文所提出的方案并非完美，特別是在某些復(fù)雜故障時(shí)還會(huì)出現(xiàn)誤選相的情況，因此還需在以后的研究中進(jìn)行深入的分析研究。