基于多速率滤波器组的高压输电线暂态电流保护新方法

1 高压输电线路的行波分析

(1) 行波的概念输电线可看成由无数个长度为dx微元的小段组成, 是一个具有分布参数的电路元件, 设每单位长度导线的电感及串联电阻为L及尺、每单位长度导线的对地电容及对地电导为C及G, 线路的分布参数特性使得线路中的能量传递或者线路上的扰动均以电压波、电流波的形式在线路中按一定的速度运动, 故称为线路中的行波。为分析方便, 只对无损传输线的行波过程进行分析, 即L、C为常数, R—O, G=0。如果线路上观测点的位置和过渡过程时间分别用z和t来表示, 则无损分布参数线路中的冲击波电压U和电流i的传播可用下面的一元波动方程表示:

该微分方程组的通解具有下列形式:

u+=f1 (x-vt) 为向前 (即从始端向终端) 运动的行波分量, 即入射波, u-f1 (x-ut) 为反射波。电流行波与电压行波的波形相似, 只是幅值与波阻抗有关, 可表示为:

i+, i-, 分别代表电流行波入射波和反射波。因此, 在任何瞬间, 沿线的电压和电流都可以看作是入射波和反射波的叠加。

(2) 单端暂态电流保护的基本原理。利用故障暂态电流的不同频率成分的衰减差别来区别区内、区外故障的。当区外故障时, 故障产生的暂态电流经过母线时, 由于母线对地杂散电容等影响, 对于低频电流成分呈现出低阻抗而对于高频电流成分则呈现出高阻抗, 因此在保护安装处测量到的暂态电流的高频与低频成分的衰减差别很大;而当区内故障时, 高频与低频成分的衰减差异较少。从而可以利用这一特征区别区内、区外故障。本文应用多速率滤波器组对暂态行波电流信号在时域中进行多分辨率的分解, 再根据不同频带的分量衰减不同的表现判定故障是否发生在保护区内。

2 多速率滤波器组在单端暂态电流保护中的应用

2.1 多速率滤波器组

多速率滤波器组在通信、图像编码、语音编码、雷达等领域都有广泛的应用, 图2为一个典型的M通道最大抽取滤波器组, 输入信号进入有M个通道的分析滤波器组, 每个通道有一个滤波器h (n) 。设x (n) 是一个宽带信号, 经过通道中的带通滤波器后被分成M个子频带信号yk (n) , yk (n) 是一个窄带信号。如果x (n) 是个满带信号, 即频谱占满-π～π的区域, 每个通道的信号都具有相同的带宽, π/m;然后信号再通过综合滤波器组可得到综合后的信号。在满足一定条件下, 滤波器组可以是完全重构的系统, 信号在分析前后没有变化, 只有一个时间上的延迟。用这样的滤波器组分析信号不会对原信号产生任何影响, 提高了分析的正确性, 而且还可以使用滤波器组的多相形式, 减少了计算工作量。

2.2 多速率滤波器组的设计

本文采用余弦调制法设计多速率多通道滤波器组。余弦调制滤波器组 (CMFB) 是一种特殊的多速率滤波器组, 它的分析和综合滤波器是由一个或两个低通原型滤波器经过余弦调制得到。因此, 余弦调制滤波器组的设计可简化为原型滤波器的设计。由于CMFB设计简单、频带等宽、完全可以重构, 而且有高效实现形式, 将这种滤波器组应用于故障暂态信号分析有很大的优势, 对暂态信号的分析更加快速准确。

在余弦调制滤波器组中, 原型滤波器是一个线性相位、低通FIR滤波器, 截止频率为π/2M。分析滤波器Hk (z) 和综合滤波器Fk (z1) 的脉冲响应分别为:

设计了一个通带边缘为0.025, 阻带边缘为0.1, 159阶的原型滤波器。幅频响应在阻带小于120dB, 它的滤波性能较好, 相频响应在通带内具有严格的线性相位。通过对低通原型滤波器进行余弦调制实现10个信道的分析滤波器组, 其幅频响应如图2所示。分析滤波器组各信道间通带频率依次邻接占据整个数字频带, 其间没有空隙。

2.3 应用CMFB分析HV输电线路暂态电流

本文对HV输电线路中最为常见的单相对地短路故障, 运用所设计的余弦调制分析滤波器组, MATLAB为平台, 对图3所示一实际500k V输电线路模型仿真模型的A相区内、区外对地短路的两种故障情况进行研究。

假定母线M, N, R对地电容均为0.11μF。仿真时0.5ms时发生故障, 采样频率200kHz。

图3中MN末端距N为15km的F1处区内A相对地短路故障, 抽样频率为的200kHz的A相故障暂态电流IAf, 用3.2设计的10信道余弦调制分析滤波器组对IAf进行分析, 则分析滤波器组第1个到第10个信道的输出的分别是0KHz～10KHz, 10KHz～20KHz, 20KHz～30KHz, 90KHz～100KHz分量的时域信号, 鉴于篇幅关系图6中列举了第5和第10信道的时域信号。由图6分析容易得出, 在HV输电线路短路暂态电流中含有丰富的暂态高频信号, 并且频率越高信号越弱。

对上述区内和区外两种故障情况, 不同信道能量比值结果进行详细分析综合, 可以得出:对应于短路故障时刻, 不同信道之间的能量比值有明显的突变;频带相差越远的两个信道能量比值在故障时刻突变得越大, 故障特征越明显;暂态信号在传播过程中频率越高的成分衰减的越多, 频率越低衰减得越少;区外故障对应的能量比值比区内故障比值大很多, 可以根据这一特征构造故障判据。

3 结语

从仿真结果可看出, 多速率滤波器组技术应用到HV输电线路单端量暂态电流保护, 所提取的故障特征明显、判据明确, 能够很好区分区内与区外故障。随着多速率数字信号处理理论的日益完善, DSP技术的快速发展, 能够从硬件和软件层面很好的解决短路故障暂态量的抽取和故障判据的计算等问题, 多速率滤波器组技术应用到HV输电线路单端量暂态电流保护具有很好的应用前景。

摘要：高压输电线路保护直接影响电力系统的安全经济运行。传统保护不能满足超高压电网发展的要求, 探索新的保护原理和可行的实现方法提高输电线路保护的性能, 是继电保护研究领域中的一个重要课题。多速率滤波器组应用于高压输电线路单端保护, 具有对故障高频信号处理分辨率高、处理速度快等优点性能。分析暂态电流特征, 利用多速率滤波器组抽取暂态电流和电压信号并计算能量比, 根据能量比来判定故障类型。

关键词：高压输电线路,暂态电流保护,多速率信号处理,多速率滤波器组