基于PRONY法的超高压线路单相自适应重合闸故障性质识别新方法

张宇辉，武东斌，王劼妍，孙玉成，李秋晨

(东北电力大学 电气工程学院，吉林 吉林 132012)

基于PRONY法的超高压线路单相自适应重合闸故障性质识别新方法

张宇辉，武东斌，王劼妍，孙玉成，李秋晨

(东北电力大学 电气工程学院，吉林 吉林 132012)

摘要：为解决带并联电抗器超高压输电线路中自动重合闸盲目重合及永久性故障问题，针对瞬时性故障时恢复电压的拍频现象进行研究，发现其恢复电压中除工频频率外还存在位于30-45 Hz之间的频率。根据该频率特性，提出了基于PRONY算法的超高压单相自适应重合闸故障性质识别判据。利用PRONY算法计算恢复电压信号频率，快速准确识别瞬时性故障与永久性故障。仿真及实测结果验证了判据的有效性和准确性。

关键词：超高压输电线路；单相自适应重合闸；恢复电压；瞬时性故障

随着电网规模日益扩大，超高压输电线路也日益增多。而在超高压输电线路中，80%故障为单相瞬时性故障，因此保证高压输电线路安全可靠运行具有重大意义。而实际的定时重合闸存在盲目重合对永久性故障造成二次冲击的危险，因此需要在重合前判定故障为瞬时性故障还是永久性故障。

当前超高压输电网中，安装一定数量的并联电抗器必不可少[1，2]。其具有稳定电网运行电压、实际潜供电流及吸收无功功率等优点。在装有并联电抗器的输电网中，瞬时性故障时故障相的恢复电压除基波量还含有自由分量，将导致出现拍频现象。而永久性故障则因为故障点始终存在，断开相电压中只含有基波量，不会出现拍频现象[3]。文献[4]采用将自由分量幅值与整定值进行比较的方法来判断不同的故障性质。文献[5]采用Prony法求取电压信号各分量的振幅，将其与阈值进行比较，从而判断瞬时性故障与永久性故障。文献[6]通过计算电流量的幅值来确定故障性质。以上方法存在的问题是测量的电压或电流有可能过小，从而导致计算错误，无法正确识别故障性质。

本文从恢复电压的频率角度切入，提出基于Prony法的单相自适应重合闸故障性质识别新方法。采用Prony法计算出恢复电压中存在的频率成分，根据两种故障类型下恢复电压频率成分的不同，从而识别故障性质。

1Prony算法故障性质识别原理

1.1Prony算法

Prony算法是利用一系列指数函数的线性组合来描述等间隔的采样数据[7]，其优点在于可以通过采样数据估算出信号各分量的幅值、频率和相角等数据[8]。其离散时间函数模型为：

(1)

式中：Ai为第i个分量的幅值；αi为第i个分量的衰减系数； fi为第i个分量的频率；φi为第i个分量的相位；△t为采样间隔；p为分解阶数。

对于Prony算法已有许多分析，其详细原理可参考文献[9]，本文不再赘述。

1.2故障相恢复电压特性

带并联电抗器超高压线路单相故障时，相端电压可分为一次电弧、二次电弧、恢复电压及恢复正常4个阶段。在一次及二次电弧阶段，电弧因故障条件不同而很难建立统一模型。故本文以恢复电压阶段瞬时性故障与永久性故障电压的不同特性作为故障识别依据。

当带并联电抗器超高压线路发生单相瞬时性故障时，除工频分量外，因电感、电容等元件储能的释放而存在自由分量，且该自由分量频率与工频分量接近，幅值衰减，故其故障相端部电压的恢复电压阶段存在拍频特性。在并联电抗器补偿度为0.6-0.8的超高压输电线路中，自由分量的频率一般在30-45 Hz之间，符合拍频特性的频差要求。以补偿度为0.7的500 kV带并联电抗器超高压输电线路为例，其瞬时性故障时断开相端电压仿真波形如图1所示。

图1　单相瞬时性故障仿真波形

瞬时性故障恢复电压阶段自由分量表示为：

uz(t)=Uze-δtsin(2πfzt+φz)，

(2)

式中：Uz为自由分量的幅值； fz为频率；φz为相位；δ为衰减系数。

瞬时性故障恢复电压阶段工频分量表示为：

us(t)=Ussin(2πfst+φs)，

(3)

式中：Us为幅值； fs为频率；φs为相位。

瞬时性故障恢复电压为自由分量与工频分量的和，即

u(t)=uz(t)+us(t)=Uze-δtsin(2πfzt+φz)+Ussin(2πfst+φs)，

(4)

图2　单相永久性故障仿真波形

图3　两端带并联电抗器输电线路

当带并联电抗器超高压线路发生单相永久性故障时，因为故障点始终存在，断开相电压中只含有工频分量，不会出现拍频现象。以补偿度为0.7的500 kV带并联电抗器超高压输电线路为例，其永久性故障时断开相端电压仿真波形如图2所示。

永久性故障恢复电压表示为：

us(t)=Ussin(2πfst+φs)，

(5)

式中：U为幅值； f为频率；φ为相位。

通过瞬时性故障与永久性故障的恢复电压阶段故障相端电压公式可以得出，当电压中除工频频率外，存在30-45 Hz之间的频率时，单相故障为瞬时性故障；当电压中只含有工频频率时，单相故障为永久性故障。

2仿真及实例验证

2.1仿真验证

本文基于EMPT对双端带并联电抗器的500 kV超

表1　模型线路参数

高压输电线路进行仿真，以验证本文方法的有效性，其中系统补偿度为0.7。仿真模型如图3所示。

模型线路参数如表1所示。

表2　仿真结果

针对故障发生在线路首端30%，60%，80%及不同过渡电阻(故障电流从一相流入地的途径物质的电阻)，分别在不同的故障类型下验证本文方法的有效性。将仿真结果故障相端电压数据在Matlab平台下进行分析，用Prony算法求出各故障信号的频率，其结果如表2所示。

表2中给出的部分仿真数据表明，瞬时性故障时，故障相恢复电压中除工频频率外，还存在另一位于30-45 Hz之间的频率。永久性故障时，故障相恢复电压中只含有工频频率。且故障点位置和过渡电阻发生改变时，不影响故障性质的判别。仿真实验与理论分析一致，表明了本文方法的有效性。

图4　C相瞬时性故障波形

2.2实例验证

以重庆市万县至龙泉500 kV输电系统为例[10，11]，当其C相发生瞬时性故障时，故障波形如图4所示。

以Prony算法计算44 ms-440 ms电压数据，求得其所含频率为44.0 Hz、50.5 Hz，依据本文判据，为瞬时性故障，符合实际结果，且只利用小于半个拍频周期的信号数据，大幅缩减了重合闸时间。

3结论

本文以故障相端电压恢复电压频率成分的不同为故障性质判别依据，为超高压输电线路的单相瞬时性和永久性故障识别提供了一种新的方案。根据瞬时性故障存在拍频现象的特性，采用Prony算法计算出恢复电压的频率，从而确定故障性质。仿真结果表明，该方法不受过渡电阻、故障位置的影响，可分析非平稳、非线性信号，能够有效、准确的识别故障性质，有一定的工程意义，为单相自适应重合闸方案提供了一种新思路。

参考文献

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[9]张贤达.现代信号处理[M].北京：清华大学出版社，2002.

[10] 汤涌，李晨光，朱方，等.川电东送工程系统调试[J].电网技术，2003，27(12)：14-21.

[11] 赵礼杰.基于EMD的Prony算法在低频振荡模态参数识别中的应用[J].电力系统保护与控制，2009，37(23)：9-19.

A New Method of Fault Identification for Single-phase Adaptive Reclosure in EHV Transmission Lines Based on PRONY

ZHANG Yu-hui，WU Dong-bin，WANG Jie-yan，SUN Yu-cheng，LI Qiu-chen

(Electrical Engineering College，Northeast Dianli University,Jilin Jilin 132012)

Abstract：In order to solve the problem of the permanent failure of the automatic coincidence gate in the EHV transmission line with shunt reactor，the frequency of the frequency of the voltage in the recovery voltage is found to exist in the frequency of 30-45Hz.According to the characteristic of the frequency，the characteristics of the fault characteristics of the EHV single phase adaptive based on the PRONY algorithm are proposed.Using the PRONY algorithm to calculate the frequency of the recovery voltage signal，so as to quickly and accurately identify the transient faults and permanent faults.Simulation and experimental results verify the validity and accuracy of the criteria.

Key words：EHV Transmission Line；Single Phase Adaptive Auto Adaptive Circuit；Recovery Voltage；Transient Fault

收稿日期：2016-04-12

作者简介：张宇辉(1962-)，男，吉林省吉林市人，东北电力大学电气工程学院副教授，主要研究方向：自动控制理论、信号处理在电力系统中的教学与应用研究.

文章编号：1005-2992(2016)03-0007-04

中图分类号：TM77

文献标识码：A