基于ICA的配电网铁磁谐振检测方法的研究

2016-12-02陈昕

环球市场 2016年15期

关键词：铁磁中性点过电压

陈昕

国网北京市电力公司检修分公司

基于ICA的配电网铁磁谐振检测方法的研究

陈昕

国网北京市电力公司检修分公司

在母线上接有电磁式电压互感器的中性点不接地系统中，经常会因为系统发生故障或者操作中进行大的动作，导致电磁式电压互感器的非线性电感产生饱和，其饱和励磁阻抗值与各个线路的对地电容构成谐振回路，使中性点产生零序位移电压，即铁磁谐振过电压。铁磁谐振对系统静态稳定性影响较大，使系统长时间工作在超负荷状态，造成设备的损坏。为降低铁磁谐振对电力系统的影响，需要采用消谐装置破坏谐振条件。

铁磁谐振；独立分量分析技术；过电压；电压互感器

1 铁磁谐振的影响因素

1.1 系统中性点不同接地方式对铁磁谐振的影响

当系统发生单相故障接地时，这种采用中性点经消弧线圈接地的运行方式能够很好的将零序位移电压控制在电压三角形之内，进而有效的抑制了由瞬时接地故障恢复引发的铁磁谐振[1]。

1.2 电压互感器的铁损对铁磁谐振的影响

为了监测电力系统中电压的大小，故电力系统中存在着很多PT即电磁式电压互感器，这种电力元件属于非线性电感元件，发生铁磁谐振的原因是非线性电感元件与系统中的电容元件的参数相匹配时才有可能发生，在这过程中谐振会发生幅值较高的谐振过电流和过电压，此后电磁式电压互感器会发生过热、喷油，甚至爆炸等现象，严重威胁着电力系统的安全运行。当电磁式电压互感器的铁损越小时，产生铁磁谐振就越容易，这在中性点直接接地系统中表现的极为明显[2]。

1.3 系统的母线间电容对铁磁谐振的影响

中性点接地高压系统的变电站母线间电容与工频铁磁谐振发生的概率和谐振电压的峰值密切相关，大大增加了发生的机率和过电压的幅值，这是因为当系统中的三相中的其中某一相若发生谐振时，铁磁谐振过电压峰值的产生是通过电容耦合到其它两相，使得这两相发生铁磁谐振的机率增大[3]。

2 防止铁磁谐振的措施

在电力系统实际工作中，常常采用以下方法来抑制铁磁谐振：

(1)选择励磁特性较好的电压互感器

(2)减少电压互感器的数量

(3)加装对地电容器

(4)在电压互感器高压侧中性点上串接电压互感器

(5)在零序回路中加阻尼电阻

3 铁磁谐振数字仿真求解方法

仿真的求解方法的主要问题是系统的三个不同运行状态之间如何过渡的问题。如何解决上述问题比较关键，可分为两个关键点，这两个关键点必须达到要求，一是程序的初始值的确定，它遵循的原则是状态转换的瞬间保持能量守恒即磁通守恒[4]。二是要仿真的时间要连续，即状态之间转换时间要连续。

先来解决初始值的确定问题，即为开始瞬间t=0时各相中性点位移电压值和电压互感器的磁链值，三相电源电势，其表达式如下[5]：

系统正常操作过程中，其中性点电压u0=0，则对各单相回路有：

将(3-1)代入(3-2)式，进行积分得：

当t=0时，则：

上式分别为A相、B相、C相的磁链初始值，

则初始状态值：

在仿真过程中，系统发生故障时的初始值设置是根据磁通连续性及电荷连续性，由故障发生时刻的三项磁通及零序电压的瞬时值确定的；同理，故障消除后的初始值，由故障消除时刻的磁通和电压瞬时值确定。而接地故障的持续时间在程序运行过程中是可人为调节的，可以根据实际系统的需要设定。状态转换时刻的磁通ψ和电压的瞬时值u0，都可以通过该时段的状态方程及过渡过程的阶跃响应求出，并即时的赋值给下一个状态，从而使整个仿真过程的连续性得到了保证。各相电压可以由电压互感器的磁链和零序位移电压确定[6]：

电压互感器的电流i则可以从i=f (Ψ )=aΨ+bΨ3中得出。

4 谐振过电压信号的频率及幅值的确定

上一节中利用FastICA将谐振过电压信号从观测信号中提取出来。应用其对电网电压和电流的频率测量能够有效的减小栅栏效应和频谱泄露现象，测量精度能够满足实际要求，原理如下文所分析[7]。

设信号频率f与离散频率间隔Δf满足如下关系:

一般情况下k为整数;Δk为小数，则Xw(n)为：

而Δk的近似计算公式如下:

一般情况下，|Xw(k)|是|Xw(n)|中的极大值。因为仅仅需要计算发生谐振这段时间内电压信号的频率、幅值,所以没有必要对整段的电压信号全部进行傅里叶变换,可减少很多计算量。该算法具有实现

容易。此处，在编写程序是的具体参数设置如下：

设置采样频率：fs=20000；

数据截断长度：N =2048；

从上节分解信号中观察到，谐振过电压信号在0.2秒后带到谐振稳定状态，此时的谐振过电压幅值最大，因此只要在0.2秒后选取一段信号，分析其频率、幅值及相位即可判断谐振的类型。MATLAB/ Simulink仿真过程中设置0～0.5秒内有10001个采样点，在检测谐振频率时，选取信号从第2001个采样点开始选取到4048点结束，即s0.2=[ y2001, y2002, y2003,…, y4048]。计算处理后得到幅值以及相位[8]：

从信号的的频谱中，第一行频率分量的的幅值要远远大于其他分量，根据铁磁谐振的先验知识——谐振过电压信号幅值要远远大于其他频率分量的幅值，以此依据确定谐振过电压的频率：fICA=25.47559Hz；由此，可以判断系统发生了1/2分频铁磁谐振。

同理，计算MATLAB/Simulink仿真输出的谐振过电压信号的幅值、频率、相位得：(见表1)

同上，可以确定仿真输出谐振过电压信号的频率：f0=25.87401Hz；两表数据比较，我们发现两表数据中的频率、相位基本吻合，导致幅值在数量级上发生了变化，不影响对频率的计算[9]。

通过两表数据比较，表明本文所选用的方法极其有效，信号频率误差率只有1.53%。

结语

本文利用MATLAB/Simulink对电网的10kV中性点不接地系统进行仿真。铁磁谐振是中性点不接地系统中一种常见的现象，经常发生在中性点不接地配电网中。电力系统中铁磁谐振过电压的信号检测的问题研究相对较少。对铁磁谐振过电压的信号检测的研究应给予重视，对于谐振过电压信号的检测主要是检测谐振过电压的幅值和判断铁磁谐振的类型两个方面。本文主要研究成果如下：

1、外部激发条件与系统内部的参数相匹配，导致了铁磁谐振的发生。其谐振的类型和过电压、过电流的幅值与外部激发因素和互感器的铁芯质量有着密切关系[10]。

表1 频率分量对应的幅值及相位

2、本文将独立分量分析技术运用到铁磁谐振过电压分析领域中，利用基于负熵的固定点算法对含有强干扰的谐振过电压信号进行分离，并通过傅里叶变换对分离后的过电压信号进行特征提取，从而判断铁磁谐振类型。结果表明：FastICA能够很好的从复杂的观测信号中提取出零序谐振过电压信号，结合加Hanning窗的快速傅里叶变换得到其瞬时频率及其瞬时幅值，准确的辨识谐振类型，且用数据证明了方法的有效性。

[1]王晶，束洪春，陈学允.小波变换在电力系统应用综述[J].电网技术，2003，Vol.27(6)：52～63

[2]贾焕年，曹梅月.电力系统谐振接地[M].北京：中国电力出版社，2000，11～15

[3]解广润.电力系统过电压[M].北京：水利电力出版社，1993，253～254

[4]孙增杰，王铁强，王海棠.电力系统铁磁谐振分析综述[J].电力设备，2007，Vol.8(12)：62～64

[5]杨秋霞,宗伟,田璧元.基于小波分析的铁磁谐振检测[J].电网技术,2001, Vol.25(11):55～57