基于卡尔曼滤波的交流输电线路暂态干扰源识别方法

王昊, 李明远, 孙伟楠, 黄文宇

(江苏省送变电有限公司,江苏 南京 210028)

0 引 言

在交流输电线路日常运行过程中,通常会受到不同形式的暂态干扰,导致发生线路故障［1-3］。及时有效地分析出干扰的来源可以为交流输电线路的故障识别做好提前准备,使维修人员可以尽快排除故障［4］。研究可靠的暂态干扰源识别方法可以提升线路的运行水平,有较多学者对此进行研究。纪思等［5］研究一种基于零序电流的输电线路行波保护雷击干扰识別方法,但该方法仅能够识别雷击干扰,当出现短路故障干扰时无法精确识别干扰性质。例如卢诗华等［6］研究一种基于最大相关-最小冗余算法的输电线路故障定位方法,但该方法更加倾向于故障定位,对于不会造成故障的暂态干扰源依然无法有效识别。因此,本文研究基于卡尔曼滤波的交流输电线路暂态干扰源识别方法,通过分析雷击暂态干扰源与短路故障干扰暂态的特征,得到不同形式的干扰源特征,之后利用卡尔曼滤波方法,实现对干扰源的识别。

1 交流输电线路暂态干扰源识别方法

1.1 交流输电线路暂态干扰源特征

1.1.1 雷击暂态干扰源特征

由于交流输电线路在接收到雷击暂态干扰时,三相导线接收到的电压具备幅值接近以及波形相似的特性,因此在这种情况下,与暂态电压波相应的零模分量会随之提升,且要远远高于其他线膜［7-8］。为了使它们之间能够实现量化,通过式(1)设定指标。

δ=max{|Δuα|,|Δuβ|}/|Δu0|

(1)

式中:Δu0为零膜分量;Δuα为α模分量;Δuβ为β模分量;δ为暂态电压波。

同时,接收到雷击干扰时这一比值不会太大,甚至较为接近零。若设定雷击点与交流输电线路距离为50 m,利用式(2)计算与之相应的接收到雷击干扰后的电压幅值差,计算得知约为16%,因此相应的δ=0.137 9。雷击干扰点越远,则出现的幅值差越小,导致δ值逐渐变小。因此,当出现雷击干扰时,δ的值会很小。

Lmax(d)=hI0ek0+k1lnd+k2ln5d

(2)

式中:Lmax(·)为接收到雷击干扰后的电压幅值;d为雷击干扰点与输电线路的距离;h为输电线路的离地高度;k0、k1、k2为系数;I0为当前电压。

1.1.2 短路故障暂态干扰特征

交流输电线路暂态故障干扰存在四种状态,分别为单相接地短路干扰、两相接地干扰、两项短路干扰和三相短路干扰。对每种干扰源进行详细分析,设zAA≈zBB≈zCC,zAB≈zAC≈zBC。这种假设与现实情况较为接近,其中A、B、C分别表示A相、B相与C相。

1) 单相接地短路干扰

(1) A相接地状态下: 利用式(3)计算三相输电线路之间的电压与电流的耦合关系。

(3)

式中:u为电流;z为暂态电压波;n为输电线路个数;i为电压。出现故障干扰时,可利用式(3)计算得到故障干扰处三相输电线路上出现的电压行波,如式(4)所示。

(4)

式中:ΔuA、ΔuB、ΔuC分别为三相暂态行波;ΔiA当故障干扰出现在A相时线路的电流行波。

(2) B或C相接地状态下:在大部分情况下B相与C相接地状态下相应的模量同样一致,因此只针对一种接地情况进行分析即可。假定B相出现接地故障干扰,利用式(3)可以计算出现故障干扰位置上、三相交流输电线路上的电压行波,如式(5)所示。

ΔuA=zABΔiB,ΔuB=zBBΔiB,ΔuC=zBCΔiB

(5)

当故障干扰出现在B相时,该线路的电流行波为ΔiB。

2) 两相短路干扰与三相短路干扰

当交流输电线路出现两项或三相短路干扰时,三相交流输电线路上不会出现零模分量,由此可设定δ为无穷大。根据以上分析,当出现雷击干扰时,线路暂态电压零膜十分清晰,且远大于线模,同时相应的δ非常小;当出现短路故障干扰时,δ值要高于雷击干扰状态,且零膜小于线膜,由此可得交流输电线路上的暂态干扰特征。

1.2 卡尔曼滤波识别方法

卡尔曼滤波器属于一种效率较高的递归滤波方法,首先将交流输电线路暂态干扰源识别过程认定为一种卡尔曼滤波系统;然后将上述分析得到的暂态干扰特征投入到滤波系统中进行计算;最后通过线性随机微分方程表示该识别系统,如式(6)所示。

X(t|t)=GX(t-1)+FU(t)+W(t)QR

(6)

并通过式(7)添加交流输电线路干扰特征值与预测值。

J(t)=HX(t)+V(t)+δ

(7)

式中:X(t)为t时间状态下系统状态;U(t)为t控制系统的总量;J(t)为预测值;W(t)、V(t)为过程与预测的噪声;H为识别系统的参数;G、F为系统的参数;Q、R为系统的参量;δ为控制估算值。卡尔曼滤波器可将特征值与预测值相结合,得到当前状态t下的最优化估算值X(t|t),即有效识别干扰源。

1.3 基于卡尔曼滤波干扰源识别实现

由于已经确定交流输电线路的干扰源特征,因此,当线路受到各种方面的干扰时,可从时域、频域以及空域方面实现对干扰源的识别。当交流输电线路受到干扰后,通过百分比确定干扰的程度,并对不同的干扰要素进行识别,这些要素分别为时域、空域、频域吻合度以及能量压制度。

通过Ds描述交流输电线路暂态发生的位置,并将干扰源与输电线路暂态位置之间的距离通过Dj描述,然后通过有效干扰距离对干扰源进行识别,即干通比E。

(8)

干扰效能不仅全面考虑了交流输电线路暂态干扰源的识别,还考虑了不同环境因素对识别的影响,因此通过合理的参数设定,可有效实现干扰源识别。

2 试验分析

通过仿真验证本文方法有效性,利用高压直流输电系统模拟训练样本,实现对本文方法的验证。

选取不同暂态干扰源采样率,分别为20 kHz、40 kHz和60 kHz。分析不同采样率下,随着识别时间的逐渐增加,识别误差的变化情况,结果如图1所示。

图1 不同采样率下识别误差情况

由图1可知,随着时间的增加,本文方法在三种采样率下的识别误差逐渐下降。其中,在采样率为60 kHz时,识别的误差最低,而采样率为20 kHz时识别误差略高于其他两种采样率。因此可知,利用本文方法可以有效降低干扰源的识别误差。在交流输电线路运行过程中,设定电压均值始终为0,模拟仿真40 ms时出现雷击暂态干扰。利用本文方法识别在干扰发生时的电压均值变化情况,分析结果如图2所示。

图2 雷击干扰时电压均值变化识别

由图2可知,当交流输电线路在运行的40 ms处出现暂态雷击干扰,电压均值迅速从0 p.u.下降至-0.5 p.u.,之后电压均值迅速修正。虽然在遭受到干扰时受到一定的电压均值波动,但最终恢复到额定电压均值。利用本文方法对干扰过程中的电压均值进行识别,可以看出与实际波动十分接近,因此,利用本文方法识别暂态雷击干扰时的电压均值波动非常清晰。

3 结束语

本文基于卡尔曼滤波的交流输电线路暂态干扰源识别方法,详细分析了交流输电线路中可能会出现的不同形式的干扰源,其中包括雷击暂态干扰以及短路故障暂态干扰,并利用卡尔曼滤波方法,有效识别得到暂态干扰源。同时,通过仿真试验分析方法性能,得到本文方法可精确识别不同类型的干扰源。在未来研究阶段,可针对当前识别方法继续优化,实现多种线路上的干扰源以及故障识别。