本发明属于电力系统
技术领域：
，尤其涉及一种合闸于故障保护的识别判断方法。
背景技术：
：随着电力系统的迅速发展，越来越多的大容量机组和超高压输电线路广泛运用于电力系统中。若能减少继电保护的动作时间，不仅提高了系统稳定性，同时增大输电线传输容量。为此，对继电保护提出了更高的要求，要求继电保护设备能够可靠、快速切除故障，否则，电力系统将因振荡而失同步，造成不堪设想的后果。传统的继电保护原理是建立在工频电气量的基础上的，故障暂态过程所产生的有用信息常被视为有害的干扰而被滤除。继电保护装置虽然基本上能满足电力系统的要求，但还不够完善，不能满足快速切除故障的要求，同时也遇到一些困难。通过研究，看到曾今被视为有害的干扰而被滤除高频暂态量与发生的故障情况有着密切的关系，它不受工频分量影响，且与系统运行状况、过渡电阻无关。能快速检测、识别故障。继电保护工作者更加侧重通过对线路暂态量的研究来寻求对高压输电线路的超高速保护。对于线路暂态量的研究最初是从行波开始的。从20世纪70年代末，Chamia等人利用故障时电压行波和电流行波极性的不同作为保护判据开始，到20世纪90年代Z.Q.Bo.和A.T.Johns等人又提出了利用双端信息综合判断以实现方向保护。在此基础上，A.T.Johns等又提出了利用弧光故障所产生的高频电流信号作为判断量。随着研究的不断深入，行波保护理论已日趋完善，保护方式也不尽相同，比较成熟的保护理论有：行波极性比较式方向保护(又称为RALDA型保护)、行波差动保护、行波判别式方向保护、行波幅值比较式方向保护，以及行波电流极性比较式方向保护。到了20世纪末，A.T.Johns和Z.Q.Bo等人经过一系列的研究，提出了利用单端暂态量来实现对线路的保护，并将这一保护原理应用在平行双回线上取得了很好的效果。但无论采取什么样的保护判据，由于雷击、刀闸操作等所引起的暂态信号容易引起保护误动、难以实现故障选相、电压过零点故障时保护灵敏度不够等问题。因而，对于高压甚至超高压输电线路而言，合闸过程会产生过电压，为防止过电压事故的发生，要求断路器合闸操作产生的行波和暂态量能使保护启动，若线路上有故障，则保护应迅速动作以切除故障；若无故障，则保护不应误动。因此，高压甚至超高压保护面临一个断路器合闸时如何正确识别线路状况的问题。此外，由于输电线的输送能力与其额定电压的平方成正比，与波阻抗成反比。首先，如果只从电压方面考虑，750kV输电线的自然功率就比500kV输电线大1倍多；其次，考虑到750kV输电线的波阻抗小于500kV输电线的波阻抗，其自然功率将更高；从建设投资看，750kV输电线的投资比500kV输电线投资的增长不到半倍，故有显著的经济效益和技术优势；最后，从实际国情考虑，我国地域辽阔、人口众多、资源丰富，人口和能源分布极不平衡，要充分利用西部能源和东部的工业基础有效、快速地发展经济，特高压输电线路是不可或缺的。就目前而言，我国正在进行特高压输电系统的研究和建设，于2005年9月在西北建成的官亭至兰州东140.708km长的750kV输电线路就是其中的一部分。由此可见，当前乃至今后远距离高压甚至特高压输电线路将是未来电力系统发展的必然趋势，也正是因为高压和特高压输电线路的输送容量更大、线路距离更长、系统短路容量更大，因而对线路继电保护的要求也就越高。然而，由于高压甚至特高压输电线路继电保护的任务首先是保证不产生不能允许的过电压，其次是保证系统稳定。因为特高压输电线绝缘子短时间能承受过电压的裕度较小，当过电压使线路绝缘子击穿时，更换绝缘子停电造成的经济损失远大于系统稳定破坏造成的损失，而雷击和刀闸操作，将对这类输电线路产生不必要的过电压。此外，对合闸于永久性故障和瞬时性故障也是合闸操作不得不考虑的一大现实问题。如果盲目合闸于永久性故障，一方面电力系统会再次遭受短路电流的冲击，且可能使电力系统失去稳定性；另一方面，继电保护再次使断路器断开，断路器在短时间内连续两次切断短路电流，恶化了断路器的工作条件，缩短了断路器的使用寿命，有时甚至会造成断路器爆炸事故。为最大限度地消除重合于永久性故障的危害，必须在重合之前判断线路故障情况和性质。综上所述，合闸过电压乃是高电压甚至特高压输电线路面临的一大主要问题。要解决这一问题，就必须得对合闸操作与输电线路之间的关系进行深入细致的分析和研究，也就是本发明所指的合闸于故障保护。对于这类保护形式，可以形象地认为合闸于故障保护乃是线路主保护的二次保护，其主要目的在于及时快速地发现待合闸线路的故障状况，分析研究是否符合二次合闸的条件。无论采取什么样的暂态保护判据，由雷击、刀闸操作等所引起的暂态信号容易引起暂态量保护的误动。对于高压或超高压输电线路而言，无论是合闸或重合闸过程中，若线路上有故障，则保护应迅速动作以切除故障；若无故障，则保护不应误动。为此，需要在线路保护中另设合闸于故障保护装置。传统的合闸于故障保护常采取加速的零序电流保护或距离保护。由于输电线路合闸于空载线路时，将产生严重的暂态过程，电流含有大量的各次谐波和非周期分量，而且衰减速度缓慢，将会引起保护的测量误差，易造成保护误动作。为此，需要抬高动作门槛，或采用延时的措施，为躲过合闸后暂态过程出现的不平衡电流，加速的零序电流保护需延时100毫秒，约5个周波，降低了保护的动作速度；加速距离保护为躲过合闸后的不平衡电流需延时约1周波，这大大影响了合闸于故障保护的快速性和灵敏性。目前，基于合闸操作时产生的行波过程，比较成熟的理论主要有以下三类：一是基于行波测距和行波极性的合闸于故障保护，其保护原理为：假定输电线路全长为L，l为故障点距离保护安装处的长度。当l≤L时，说明线路上有故障，且此时判断为区内故障，反之线路上无故障。该方法通过把行波测距和行波极性关系进行融会贯通，综合对合闸操作时线路中产生的行波过程进行分析和比较，最终提出了利用行波的极性关系和行波测距结果等时域特征来判断断路器是否合闸于故障线路。二是基于非同期合闸的行波合闸于故障保护。该保护方案的判断原理是：首先考虑单相无损线路，当合闸到无故障的线路时，电流行波在线路末端的反射系数为-1，在线路首端(合闸端)检测到的反向电流行波将与正向行波大小相同但极性相反。而当线路存在故障时，电流行波在故障点的反射系数将不再是-1，若故障在线路中部，线路首端检测到的反向电流行波将与正向行波极性相反；若故障在线路末端，反向初始电流行波的极性与正向电流行波的极性关系将与过渡电阻大小有关，极性可能相同也可能相反，但极性相反时大小不会相近。因此，根据正向行波与反向行波初始波头的大小与极性关系就可以识别线路是否存在故障，考虑到线路无故障时行波仅在线路末端发生反射且电流行波反射系数为-1，因此反向行波将是正向行波经过时间τ(τ为行波从线路一侧传播到另一侧所用的时间)的延迟再取反，并且在合闸后的时间范围内都成立。从实际线路考虑，由于线路往往是有损的，因而文中提出将正、反行波的到达时间进行离散化，取一定时间窗内的离散数据进行分析。其次，对于三相不同期合闸，依据相模变换理论，文中提出将三相线路解耦为三个相互独立的单相线路，并利用扩展的相模变换矩阵对三个线模α、β、γ线模分别按照单相线路的方法计算正、反向行波到达的时间关系，同时考虑到三相是不同期合闸这一特殊情况，按照单相有损线路的识别原理，在三相不同期合闸的时间差内，不断地采集离散化的且与三个线模量相对应的单相线路正、反方向行波波头到达的时间量，直到三相断路器完全闭合为止。三是基于行波测距和故障高、低频能量比值的合闸于故障保护。该方法的识别原理为：除线路末端故障和三相同期合闸的问题之外，仍然采用前述基于行波测距和行波极性关系的识别判据。而对于线路末端故障，考虑到线路测量误差和计算误差的因素，引入一个时间裕度τ，即把线路末端的区间缩小在这一时间τ的范围内，也就是行波在时间τ内传播的距离。当初始前、反行波到达保护安装处的时间差刚好位于区间τ内时，即判定为线路末端故障。而对于三相不同期合闸的问题，文中在对合闸操作时线路中的频域特征进行深入分析的基础上，得出如下结论：当合闸到非故障相时，在合闸操作短暂态过程中，线路将会产生大量频率较高的自振荡频率分量，而对于故障相(无论接地故障还是相间故障)，线路中不存在明显的各次自振荡频率分量，而只有频率较低的工频分量和直流分量。总体上看，基于线路中合闸操作行波时域特性的合闸于故障保护的三种方法存在的问题主要包括以下三个方面：一是由于测量误差等因素的影响，导致基于行波测距原理的合闸于故障保护对线路末端故障难以识别；二是基于行波极性关系的识别判据必须依据线路对端出线条数，实际运用时必然要选择相应的保护元件而造成使用成本的增加；三是对于三相不同期合闸问题，由于三相合闸时间差的不易掌握以及采用离散化的方式容易导致故障采集信号的失真。因此，有必要对合闸于故障保护原理作进一步探索和研究。技术实现要素：本发明的目的在于提供一种合闸于故障保护的识别判断方法，旨在满足继电保护快速性的要求，又能大大减少算法的运算量，满足工程应用的要求；对于合闸于一定长度线路内部以及末端的故障情况都能准确识别；对于三相非同期合闸，也能够准确判定是否合闸于故障。本发明是这样实现的，一种合闸于故障保护的识别判断方法，所述合闸于故障保护的识别判断方法运用Prony分析方法对电流波形拟合，获取电流各分量的频率、幅值、衰减因子、相位的特征量；并利用频率、幅值、衰减因子、相位的特征量参数对合闸于线路故障保护提出判据，识别信号的频域特征。合闸于故障线路时，故障相电流主要包含故障基频分量，以及幅值很小的高频分量；非故障相电流存在明显的高频自振荡频率分量。可以通过合闸操作时三相暂态电流中主要包含的分量来判别线路是否合闸于故障。如果主要包含的分量是基频分量，则为故障相，如果主要包含的分量是高频分量则为非故障相。计保护方案时考虑按相检测：任意一相故障时即判定为合闸于故障。进一步，所述频率、幅值、衰减因子、相位的特征量的计算公式：进一步，所述Prony分析方法的参数包括：采样频率、时间长度和模型有效阶数；进一步，所述采样频率按四倍最高频率采样；时间长度至少包含已知信号中最低频率模式的两个周期。本发明的另一目的在于提供一种利用所述合闸于故障保护的识别判断方法的自动重合闸装置。本发明的另一目的在于提供一种利用所述合闸于故障保护的识别判断方法的输电线路。本发明通过大量的仿真，验证了Prony算法对于合闸于空载线路的故障保护的可行性，以及准确性和快速性。Prony算法从采样数据中提取出来的各次振荡的频率，幅值，相位，衰减因子和实测数据比较吻合，能够准确反映合闸操作产生的暂态过程。近年来，超高压输电因其可以增大输送容量和传输距离，降低单位功率电力传输的工程造价，减少线路损耗，节省线路占地面积，具有显著的经济效益和社会效益，将是今后国内乃至国际广泛使用的输电手段和发展方向。目前，随着超高压远距离输电网络在国内相继投入运行，特高压电网的建设也提在议事日程上。在类似的输电网络中，由于电压等级的不断提高，输电距离增长，电网负荷加重，故障暂态过程中产生的暂态分量也将大大增加，持续时间也会相应变长，对传统的保护装置正确动作将产生不利影响，甚至不能正确运行。合闸于故障保护因其利用被保护线路上的行波时域和频域特征差异，其识别原理简单、故障检测快速(通常在不超过几个毫秒的时间范围内)，尤其能够准确地判断出线路末端故障，具有传统的保护装置难以比拟的优势，势必会在未来超高压和特高压电网中起到举足轻重的作用。本发明通过分析和研究合闸操作时线路中产生的暂态信号的频域特征，重点是对合闸操作时线路中是否存在自振主频率，以及对合闸相中的电流波形进行频谱估计的结果，作为线路是否合闸于故障线路的判断依据，提出了合闸于故障保护方案，同时利用MATLAB仿真软件对方案的可靠性进行了较为充分的验证，并最终确定了设计方案的可行性。附图说明图1是本发明实施例提供的合闸于故障保护的识别判断方法流程图。具体实施方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。如图1所示，本发明实施例提供的合闸于故障保护的识别判断方法包括以下步骤：S101：启动保护：断路器合闸操作时闭锁可能误动作的暂态量保护，启动合闸于故障保护；S102：设定采样频率和Prony算法的参数：根据线路的长度，以一定的采样频率对合闸过程产生的三相暂态电流进行采样，按上文所述的方法设定Prony算法的时间窗长度和模型阶数；S103：提取暂态电流各分量的特征值：应用Prony算法对三相电流分别进行分析，提取出三相暂态电流各个分量的频率、幅值、衰减因子以及相位特征量；S104：进行各相线路故障识别：提取出三相暂态电流的主要分量，即能量(幅值)最大的分量。若主要分量的频率为工频分量，则该相线路存在故障；若主要分量为高频分量，则该相线路无故障；S105：保护方案按照单相检测，任意一相线路存在故障，即判定为合闸于故障，三相断路器跳闸，保护快速动作切除故障。下面结合具体实施例对本发明的应用原理作进一步的描述。实施例11prony算法的原理和运用1.1prony分析方法的提出：Prony分析方法的提出已经有两百多年的历史，但真正得到广泛应用却是随着计算机技术的发展直到最近才出现的。1795年，Prony通过研究气体膨胀问题提出:各种气体膨胀定律可以用指数项的线性组合来描述，并提出了一种利用指数项模型拟合被测样本点来提供内插样本的方法。该方法是用含有N个指数项的指数曲线来拟合2N个数据样本，当数据样本个数大于2N时，该方法也是在最小二乘原则下实现的。1.2Prony方法描述1.2.1Prony分析方法Prony分析方法是用多个指数函数对目标函数进行线性拟和，如果被拟和信号为N次，Prony分析方法将对这个信号进行两次N维的最小二乘分析，第一次计算给出信号的特征向量，第二次计算给出各次分量的留数。可用式(4-1)所示的衰减的复指数函数的线性组合来拟合间隔采样数据：式中：Ai为振幅；αi为衰减因子；fi为振荡频率，Hz；θi为相位，rad；由上式可知。第n个采样点的数据的近似值表示为：其中：Δt为采样的时间间隔。当αi＝0时，相当于频率为fi的正弦分量，将cos(2πfit+θi)按欧拉公式展开，可得：所以，函数近似值的离散形式可表达为：其中，bi,zi为复数，可将上式写成如下矩阵形式：其中：b＝[b1,b1,…,bp]T；为了求出Ai，αi，fi，θi，令x(n)为信号的实际值。应当使误差平方和，即：的值为最小。求解这样的非线性方程是一种迭代过程。可把zi看作线性常系数差分方程的根，那么zi满足下列特征方程：其中，α0＝1。由(4-2)可得：等式两边同时乘以α，并进行求和计算，可得：因为可得：右边第二项求和刚好是(4-2)式位于根zi处的特征方程。ψ(zi)＝0；所以有：设实际数据x(n)和近似值的差为e(n)，即：代入(4-5)可得：上式表明白噪声中的指数过程是一个自回归-移动平均模型(ARMA(p，p)模型)，同时具有相同的AR和MA参数，且激励噪声为原加性白噪声e(n)。为了求解非线性方程，定义：使用最小二乘估计使为最小。求得α0，α1，…，αp。即求出了特征方程的系数，然后由特征方程式ψ(z)＝0，可求出特征根zi(i＝0,1,…p)。把zi(i＝0,1,…p)代入式(4-3)，经过计算，可得最小二乘解：最后，得到如下结论：通过上述过程，可求得信号的幅值、相位、频率和衰减因子。1.2.2衡量Prony分析精度的指标----信噪比(SNR)拟合信号和原信号x(n)越接近，误差越小。但两者不可能完全一致，采用信噪比SNR(signal/noiserobit)Ssnr来表征Prony分析的精确度。Ssnr越大，表示Prony分析方法的结果越准确。其中，rms为求均方根。Ssnr单位为dB。信噪比越高，拟合的准确度越高。1.2.3Prony算法的参数选择Prony算法的可靠性与准确性和参数的选择有很大关系，参数选择不当，可能会出现错误或无法拟合信号。主要参数包括：采样频率、时间长度和阶数。主要参数是相互关联的。1)采样频率的选取采样频率的选择应满足Nyquist采样定理，为了避免频谱发生混叠，采样频率应大于信号最高频率的两倍。构造如下信号进行分析：f(x)＝1800cos(2π×50t+0.88)+2000e-0.2tcos(2π×375t+1.4)+1200e-0.25tcos(2π×675t+0.4)+150e-6.25tcos(2π×750t+0.23)+90e-56.5tcos(2π×975t+0.78)(4-6)该信号包含5个衰减振荡模式，其中最高频率为975HZ。由采样定理，采样频率大于信号最高频率的两倍。在时间长度为0.1秒内，仿真时按2000HZ进行采样并进行Prony分析。分析结果如表4.1：表4.1按2000HZ进行采样分析结果振荡模式频率幅值衰减因子相位150.00001.8000e+0030.00000.88002375.00002.0000e+003-0.20001.40003675.00001.2000e+003-0.25000.40004750.00070.1500e+003-6.25000.23005975.04150.0900e+003-56.50000.7800仿真计算结果与实际构造的信号各个特征量几乎完全相同，唯一误差仅在高频振荡模式4，5的频率计算上有极小的误差。继续采用不同的采样频率进行Prony分析，当采样频率为20kHz时的得到结果如表4.2所示。表4.2按20kHz进行采样分析结果振荡模式频率幅值衰减因子相位149.98561.8005e+0030.00550.88442375.00471.9989e+003-0.18831.39853674.99411.2014e+003-0.27300.40194750.00500.1498e+003-6.23200.22865975.05550.0899e+003-65.50260.7800仿真结果表明，与采样频率为2000HZ相比，出现了相对较大的误差。可见，对于一定的模型，并非采样频率越高，拟合结果越准确。理论上采样频率越高，越能正确辨识信号，但参与计算的数据成倍增长，使计算量变大，因此对硬件要求也较高；同时，在一定的数据长度下，信号时间长度将变短，计算精度将下降。实际应用中，一般按四倍最高频率采样即可。2)时间长度的选取时间长度过短，会影响信号的采集，导致重大误差。一般认为，时间长度应至少包含已知信号中最低频率模式的两个周期。在一定采样频率和噪声水平的情况下，时间长度越长，Prony算法精度越高。实际应用中，在不影响结果准确性的前提下，为了提高运算速度，减小运算量，可适当的缩短时间窗长度。以(4-6)式给定的信号为例，若在10毫秒(半个基频周期)内进行Prony分析，以4000HZ为采样频率，仅用20个采样数据，也能得到准确的结果。可见利用PRONY算法，可以实现在半个周波里准确提取故障信息的特征量，对快速切除故障十分有利。3)模型有效阶数的选取对式(4-6)的实际构造信号，在已知其阶数p的情况下，对其进行Prony分析，得出了精确的结果。但一般情况下，利用Prony分析方法时得到的只是一定时间内的采样数据，并不能确定信号的阶数p。由于电力系统暂态过程的阶数非常高，所以只能用降阶的模型进行近似拟合。一般地，阶数越高，越接近于真实，但计算量也越大，对硬件要求也越高。通常，系统有多少个独立储能元件，用于描述系统的方程就有多少阶。本发明主要研究Prony分析方法在合闸于输电线路故障保护的应用，对于阶数p的选择，主要取决于输电线路的长度L和参与分析的采样数据的个数。1.2.4噪声与非线性对Prony算法的影晌由于Prony算法是对实时测量数据进行分析，噪声信号对该分析方法的干扰很大，应当考虑避免噪声干扰。对电力系统进行Prony分析，噪声主要来源于负荷的随机变化，采样误差以及计算过程中的截断误差。可将这些误差之和整体上看成白噪声。可采用卡尔曼滤波，插值算法、多个输出信号同时进行Prony分析或数据窗滑动等方法对噪声进行处理。1.3本发明简述了Prony分析方法基本原理。并利用Prony算法提取出了信号的频率，幅值，衰减因子，相位的特征量。从而可以识别信号的频域特征；文中简述了其基本思想和重要结论，其中包括Prony分析方法的及应用特点和参数选择等。下面结合仿真对本发明的应用效果作详细的描述。仿真建模合闸操作时，非故障线路或故障时的非故障相中将产生明显的自振荡频率分量；故障线路或线路的故障相中则主要包含故障基频分量和极弱高频分量，并不存在明显的自振荡频率分量。对500KV的输电线路的合闸操作进行了仿真，分析了长度不同的输电线路，在故障或非故障情况下的各相电流的波形。定性的在时域上验证了上述结论。利用这一特性，可以考虑用来识别合闸操作时，究竟是合闸于故障线路还是非故障线路，防止合闸操作(尤其是自动重合闸操作)对线路造成不必要的损害。考虑对电流信号进行频域分析。由于信号包含各次振荡的衰减。而Prony分析方法是用复指数衰减线性组合来拟合等间隔采样数据，所以它非常符合合闸于故障保护的模型。本发明引入了Prony分析方法，简要介绍了其原理和推导过程以及算法参数的选择。对500KV输电线路合闸操作进行了仿真。对合闸操作后100毫秒(5个工频周期)的数据进行了采样，并按照Prony分析方法时间长度选择的一般原则对操作后40毫秒(2个工频周期)的数据进行了Prony分析。提取出了线路保护安装处所测的电流的各次振荡的频率，幅值，衰减因子，相位特征量。但考虑工程应用的需要，2个工频周期的动作时间显然无法满足保护快速性的要求。而且随着线路长度的增加，各次振荡的幅值将逐渐减小，振荡速度将逐渐减慢，衰减程度也将逐渐增大。本发明目前所做的研究和仿真还无法形成合闸保护完整的判据。(1)系统结构500kV输电线路，当输电线路L发生故障后，M，N端的保护都已断开，假定M端先于N端保护合闸，相当于线路的空载合闸，当N端合闸时，由于M端已经完成了合闸操作，说明线路无故障或故障已排除，N端可测得电压信号，N端无需进行识别。若N端先合闸，M端也无需进行故障判定。(2)仿真软件运用Matlab进行仿真。MATLAB是矩阵实验室(MatrixLaboratory)的简称，是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。(3)仿真模型电源M：短路容量S＝200MVAZ＝7.2+j0.7165；输电线路：Z1＝0.01165+j0.8679e-3/KmZ0＝0.2676+j3.008e-3/KmC1＝0.01341uF/KmC0＝0.00857uF/Km。Prony分析为了满足继电保护快速性的要求，对合闸操作后半个周波(10毫秒)时间窗的采样数据进行Prony分析方法提取各个振荡的特征量。为了减少算法的运算量，采样频率取1200HZ。当采样频率取1200HZ时，半个周波的采样数据为12个，模型的阶数为p＝3。将对这12个采样数据进行拟合。先讨论三相同期合闸的情况。合闸于不同的长度线路(1)当线路长度为100KM时情况一线路无故障三相空载合闸于100KM输电线路时。对A、B、C三相电流的进行Prony分析，提取出电流的各个特征量如表5.1a所示：表5.1a三相电流Prony分析把各次振荡中幅值最大的分量看作该相电流的主要分量，并将其频率与工频(50Hz)进行比较，若主要分量为工频分量，则判定为故障，若主要分量为高频分量，则判定为非故障。下面提取出各相电流的主要分量进行故障识别，判据如下表5.1b：表5.1b故障识别判据主要分量幅值(A)频率(Hz)是否工频分量结论A相1806.3501否无故障B相884.0285501否无故障C相949.8894501否无故障可见，判据的结论与实际相符。情况二线路末端三相短路三相合闸于100KM输电线路末端三相短路故障时，假设过渡电阻为50欧姆。对A、B、C三相电流的进行Prony分析，提取出电流的各个特征量如表5.2a所示：表5.2a三相电流Prony分析把各次振荡中幅值最大的分量看作该相电流的主要分量，并将其频率与工频(50Hz)进行比较，若主要分量为工频分量，则判定为故障，若主要分量为高频分量，则判定为非故障。下面提取出各相电流的主要分量进行故障识别，判据如下表5.2b：表5.2b故障识别判据主要分量幅值(A)频率(Hz)是否工频分量结论A相5715.6≈50是故障B相5640.2≈50是故障C相6423.6≈50是故障综上所述，可以正确识别合闸于100KM末端三相短路故障。情况三线路末端不对称故障A相接地故障：假设接地电阻为300欧姆。对A、B、C三相电流的进行Prony分析，提取出电流的各个特征量如表5.3a所示：表5.3a三相电流Prony分析把各次振荡中幅值最大的分量看作该相电流的主要分量，并将其频率与工频(50Hz)进行比较，若主要分量为工频分量，则判定为故障，若主要分量为高频分量，则判定为非故障。下面提取出各相电流的主要分量进行故障识别，判据如下表5.3b：表5.3b故障识别判据主要分量幅值(A)频率(Hz)是否工频分量结论A相1155.7≈50是故障B相759.1612460.0616否无故障C相1123.6470.2760否无故障综上所述，可以正确识别合闸于100KM末端A相接地故障。B，C相短路故障：假设过渡电阻为50欧姆。对A、B、C三相电流的进行Prony分析，提取出电流的各个特征量如表5.4a所示：表5.4a三相电流Prony分析把各次振荡中幅值最大的分量看作该相电流的主要分量，并将其频率与工频(50Hz)进行比较，若主要分量为工频分量，则判定为故障，若主要分量为高频分量，则判定为非故障。下面提取出各相电流的主要分量进行故障识别，判据如下表5.4b：表5.4b故障识别判据主要分量幅值(A)频率(Hz)是否工频分量结论A相1771.3502.2747否无故障B相4234.6≈50是故障C相5110.2≈50是故障综上所述，可以正确识别合闸于100KM末端B、C相短路故障。B，C相短路接地故障：假设过渡电阻为50欧姆，接地电阻为300欧姆。对A、B、C三相电流的进行Prony分析，提取出电流的各个特征量如表5.5a所示：表5.5a三相电流Prony分析把各次振荡中幅值最大的分量看作该相电流的主要分量，并将其频率与工频(50Hz)进行比较，若主要分量为工频分量，则判定为故障，若主要分量为高频分量，则判定为非故障。下面提取出各相电流的主要分量进行故障识别，判据如下表5.5b：表5.5b故障识别判据主要分量幅值(A)频率(Hz)是否工频分量结论A相1847487.6814否无故障B相5770.4≈50是故障C相5325.1≈50是故障综上所述，可以正确识别合闸于100KM末端B、C相短路接地故障。并且可以准确区分故障相和非故障相。(2)当线路长度为200KM时随着线路长度的增加，空载合闸于线路操作产生的各次振荡频率将减小，衰减速度也将变快。采用Prony分析方法可以准确识别三相合闸于100KM线路的故障，若线路长度增加到200KM，运用Prony方法是否还能保持同样准确的识别线路的故障，将是关心的问题。由于线路的长度发生了变化，运用Prony方法分析出的结果可能出现误差。可以通过改变Prony方法分析的参数来正确识别合闸于不同长度线路的的故障请况。随着输电线路长度的增加，可考虑增加采样的数据(提高采样时间窗长度或提高采样频率)，或增加模型的阶数。若提高采样时间窗长度，必然延长保护的动作时间，为了满足继电保护快速性的要求，在10毫秒(半个周波)内准确识别故障，同时考虑减少Prony运算量的基础上，在对200KM线路的基于Prony算法合闸于故障保护中，任然取采样频率为1200HZ，模型的阶数P＝3.若拟合出现较大误差，但是仍然正确识别出了合闸操作的故障，那么对prony拟合出现的误差忽略不记。下面对于线路大于100KM或小于100KM的线路的分析均以这种思想为指导，即优先识别故障，其次拟合的准确性。情况一线路无故障三相空载合闸于200KM输电线路时。对A、B、C三相电流的进行Prony分析，提取出电流的各个特征量如表5.6a所示：表5.6a三相电流Prony分析把各次振荡中幅值最大的分量看作该相电流的主要分量，并将其频率与工频(50Hz)进行比较，若主要分量为工频分量，则判定为故障，若主要分量为高频分量，则判定为非故障。下面提取出各相电流的主要分量进行故障识别，判据如下表5.6b：表5.6b故障识别判据主要分量幅值(A)频率(Hz)是否工频分量结论A相1703.0294.1943否无故障B相903.0088293.4953否无故障C相909.9069294.9469否无故障综上所述，可以正确识别合闸于200KM末端无故障情况。情况二线路末端三相短路三相合闸于200KM输电线路末端三相短路故障时，假设过渡电阻为50欧姆。对A、B、C三相电流的进行Prony分析，提取出电流的各个特征量如表5.7a所示：表5.7a三相电流Prony分析把各次振荡中幅值最大的分量看作该相电流的主要分量，并将其频率与工频(50Hz)进行比较，若主要分量为工频分量，则判定为故障，若主要分量为高频分量，则判定为非故障。下面提取出各相电流的主要分量进行故障识别，判据如下表5.7b：表5.7b故障识别判据主要分量幅值(A)频率(Hz)是否工频分量结论A相5313.4≈50是故障B相4693.1≈50是故障C相4609.2≈50是故障综上所述，可以正确识别三相合闸于200KM末端三相短路故障情况。情况三线路末端不对称故障C相接地故障：假设接地电阻为300欧姆。对A、B、C三相电流的进行Prony分析，提取出电流的各个特征量如表5.8a所示：表5.8a三相电流Prony分析把各次振荡中幅值最大的分量看作该相电流的主要分量，并将其频率与工频(50Hz)进行比较，若主要分量为工频分量，则判定为故障，若主要分量为高频分量，则判定为非故障。下面提取出各相电流的主要分量进行故障识别，判据如下表5.8b：表5.8b故障识别判据主要分量幅值(A)频率(Hz)是否工频分量结论A相1751.7292.5495否无故障B相986.2093287.8513否无故障C相1128≈50是故障综上所述，可以正确识别三相合闸于200KM末端C相短路接地故障。B，C相短路故障：假设过渡电阻为50欧姆。对A、B、C三相电流的进行Prony分析，提取出电流的各个特征量如表5.9a所示：表5.9a三相电流Prony分析把各次振荡中幅值最大的分量看作该相电流的主要分量，并将其频率与工频(50Hz)进行比较，若主要分量为工频分量，则判定为故障，若主要分量为高频分量，则判定为非故障。下面提取出各相电流的主要分量进行故障识别，判据如下表5.9b：表5.9b故障识别判据主要分量幅值(A)频率(Hz)是否工频分量结论A相1724.6292.9768否无故障B相4265.9≈50是故障C相1700.2≈50是故障综上所述，可以正确识别三相合闸于200KM末端B、C相短路故障。B，C相短路接地故障：假设过渡电阻为50欧姆，接地电阻为300欧姆。对A、B、C三相电流的进行Prony分析，提取出电流的各个特征量如表5.10a所示：表5.10a三相电流Prony分析把各次振荡中幅值最大的分量看作该相电流的主要分量，并将其频率与工频(50Hz)进行比较，若主要分量为工频分量，则判定为故障，若主要分量为高频分量，则判定为非故障。下面提取出各相电流的主要分量进行故障识别，判据如下表5.10b：表5.10b故障识别判据主要分量幅值(A)频率(Hz)是否工频分量结论A相1783.9282.7626否无故障B相2941.6≈50是故障C相3478.8≈50是故障综上所述，可以正确识别三相合闸于200KM末端B、C相短路接地故障。大量仿真证明：当采样频率为1200HZ时，采样时间长度为半个周波(10毫秒)，对采样的12个数据进行Prony分析方法可以准确识别长度为200KM以下线路的各类型故障。对于长度超过200KM的输电线路，可提高采样频率，或增加采样时间窗长度。本发明采取增加采样时间窗长度进行分析，稍后再考虑提高采样频率。对一个周波(20毫秒)的数据进行分析，数据个数为24个，模型的阶数为6。大量仿真证明，基于Prony算法可以准确的识别合闸于不同长度的输电线路故障情况。随着线路长度的增加，为了准确提取各次振荡的各个特征量，可考虑改变Prony的参数进行分析，对于不同长度的输电线路，利用Prony算法进行分析有如下结论:当采样频率为1200HZ时，可在半个周波准确识别200KM以内的输电线路合闸于输电线路的各种类型的故障；可在一个周波准确识别出500KM以内的故障。当采样频率为5000HZ时，可在四分之一个周波准确识别出100KM以内的故障；可在半个周波准确识别出300KM以内的故障；可在一个周波准确识别出500KM以内的故障。合闸于线路不同位置的故障假设L＝100KM。在合闸操作后二分之一个周波(10毫秒)的时间长度内对测量数据进行采样，采样频率为1200HZ。模型的阶数p＝3。假设线路10％，50％，90％分别发生故障。(1)线路10％处(10KM)发生A相接地故障(接地电阻为300欧姆):假设接地电阻为300欧姆。对A、B、C三相电流的进行Prony分析，提取出电流的各个特征量如表5.11a所示：表5.11a三相电流Prony分析把各次振荡中幅值最大的分量看作该相电流的主要分量，并将其频率与工频(50Hz)进行比较，若主要分量为工频分量，则判定为故障，若主要分量为高频分量，则判定为非故障。下面提取出各相电流的主要分量进行故障识别，判据如下表5.11b：表5.11b故障识别判据主要分量幅值(A)频率(Hz)是否工频分量结论A相1242.9≈50是故障B相31014572.5849否无故障C相1306553.1254否无故障综上所述，能准确识别线路10％处单相接地故障。(2)线路50％处(50KM)发生三相短路故障(过渡电阻为50欧姆)合闸于线路50％处三相短路故障。对A、B、C三相电流的进行Prony分析，提取出电流的各个特征量如表5.12a所示：表5.12a三相电流Prony分析把各次振荡中幅值最大的分量看作该相电流的主要分量，并将其频率与工频(50Hz)进行比较，若主要分量为工频分量，则判定为故障，若主要分量为高频分量，则判定为非故障。下面提取出各相电流的主要分量进行故障识别，判据如下表5.12b：表5.12b故障识别判据主要分量幅值(A)频率(Hz)是否工频分量结论A相7367.9≈50是故障B相7267.6≈50是故障C相7409.1≈50是故障综上所述，可准确识别三相合闸于长度100KM的50％处三相短路故障。(3)线路90％处(90KM)发生BC相短路接地故障假设过渡电阻为50欧姆，接地电阻为300欧姆。对A、B、C三相电流的进行Prony分析，提取出电流的各个特征量如表5.13a所示：表5.13a三相电流Prony分析把各次振荡中幅值最大的分量看作该相电流的主要分量，并将其频率与工频(50Hz)进行比较，若主要分量为工频分量，则判定为故障，若主要分量为高频分量，则判定为非故障。下面提取出各相电流的主要分量进行故障识别，判据如下表5.13b：表5.13b故障识别判据主要分量幅值(A)频率(Hz)是否工频分量结论A相1725.3525.2771否无故障B相5996≈50是故障C相5437.3≈50是故障综上所述，可准确识别三相合闸于100KM90％处BC相短路接地故障时的故障相与非故障相。综上所述，Prony分析方法可以准确识别发生在线路内部各处的各种类型的故障。可得出结论：故障距离不影响Prony识别结果。本发明通过大量的仿真，验证了Prony算法对于合闸于空载线路的故障保护的可行性，以及准确性和快速性。Prony算法从采样数据中提取出来的各次振荡的频率，幅值，相位，衰减因子和实测数据比较吻合，能够准确反映合闸操作产生的暂态过程。对于200KM以下的输电线路，Prony算法可在1200HZ的采样频率下对合闸操作后半个周波的12个数据进行分析，模型阶数可设为p＝3，能够准确的识别三相同期和非同期合闸时，线路的故障相和非故障相。对于500KM以下的输电线路，Prony算法可在1200HZ的采样频率下对合闸操作后一个周波的24个数据进行分析，模型阶数可设为p＝6，能够准确的识别三相同期和非同期合闸时，线路的故障相和非故障相。在5000HZ的采样频率下，对于100KM以下的输电线路，Prony算法对合闸操作后四分之一个周波的25个数据进行分析，模型阶数可设为p＝6，能够准确的识别三相同期和非同期合闸时，线路的故障相和非故障相。对于300KM以下的输电线路，Prony算法可在对合闸操作后半个周波的50个数据进行分析，模型阶数可设为p＝12，能够准确的识别三相同期和非同期合闸时，线路的故障相和非故障相。对于500KM以下的输电线路，Prony算法可在对合闸操作后一个周波的100个数据进行分析，模型阶数可设为p＝12，能够准确的识别三相同期和非同期合闸时，线路的故障相和非故障相。本发明针对这个问题，通过分析和研究合闸操作时线路中产生的暂态信号的频域特征，重点是对合闸操作时线路中是否存在自振主频率，以及对合闸相中的电流波形进行频谱估计的结果，作为线路是否合闸于故障线路的判断依据，提出了合闸于故障保护方案，同时利用MATLAB仿真软件对方案的可靠性进行了较为充分的验证，并最终确定了设计方案的可行性。本发明所完成的工作和取得的成果如下：(1)分析了基于行波测距、行波极性关系和把行波频域分量作为补充判据的合闸于故障保护原理，同时对不同期合闸问题进行了简要综述，指出了各识别原理存在的优缺点，为寻求更加简便快速的保护方案奠定了基础。(2)对线路空载合闸操作时线路中过电压的产生进行了回顾。同时认为，由于非故障线路中存在L-C振荡回路的缘故，导致线路中最终形成了比原有电源更为强大的过电压，从而导致在非故障线路中，由于合闸操作将会引起比较明显的自振荡频率分量，而且这种自振荡频率分量的频率值和幅度值将远远大于故障基频分量和线路中的衰减直流分量，并且这种自振荡频率分量将随着故障距离的增加而进一步的衰减。因而，利用合闸操作时线路暂态信号频域特征作为合闸于故障保护的判据仍需要考虑线路故障距离等问题。(3)介绍了Prony分析方法，并对一实际500kV输电线路模型进行了研究。重点是对线路合闸操作中产生的行波过程进行了分析，尤其是对合闸短暂态过程的电流波形频域特征进行了研究，从而提出了基于Prony算法的合闸于故障保护方案。(4)通过大量仿真实验对故障距离分别为10km、50km、90km、100km、200km和300km，400kM时线路空载合闸、单相故障和三相故障线路的电流波形进行了仿真，运用Prony分析方法对电流波形进行了拟合，提起了电流各分量的频率，幅值，衰减因子，相位。并用这些参数对合闸于线路故障保护提出了判据，仿真结果证明了其准确性和可靠性。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。当前第1页1 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