Modified Notch Filter-based Instantaneous Phasor Estimation for High-speed Distance Protection

A novel method for estimating the instantaneous phasor of a fault current signal is proposed for high-speed distance protection immune to a DC-offset. The method uses a modified notch filter in order to eliminate the fundamental frequency component from the fault current signal. Since the output of the modified notch filter is the delayed DC-offset, delay compensation results in the same waveform as the original DC-offset. Subtracting the obtained DC-offset from the fault current signal yields a sinusoidal waveform, which becomes the real part of the instantaneous phasor. The imaginary part of the instantaneous phasor is based on the first difference of the fault current signal. Since a DC-offset also appears in the first difference, the DC-offset is removed from the first difference using the results of the delay compensation. The performance of the proposed method was evaluated for a–phase to ground faults on a 345 kV 100 km overhead transmission line. The Electromagnetic Transient Program was used to generate fault current signals for different fault locations and fault inception angles. The performance evaluation showed that the proposed method can estimate the instantaneous phasor of a fault current signal with high speed and high accuracy. The paper concludes by describing the hardware implementation of the proposed method on a prototype unit based on a digital signal processor.     

An analytic method for measuring accurate fundamental frequencycomponents

This paper proposes an analytic method for measuring the accurate fundamental frequency component of a fault current signal distorted with a DC-offset, a characteristic frequency component, and harmonics. The proposed algorithm is composed of four stages: sine filter, linear filter, Prony's method, and measurement. The sine filter and the linear filter eliminate harmonics and the fundamental frequency component, respectively. Then Prony's method is used to estimate the parameters of the DC-offset and the characteristic frequency component. Finally, the fundamental frequency component is measured by compensating the sine-filtered signal with the estimated parameters. The performance evaluation of the proposed method is presented for a-phase to ground faults on a 345 kV 200 km overhead transmission line. The electromagnetic transient program (EMTP) is used to generate fault current signals under different fault locations and fault inception angles. It is shown that the analytic method accurately measures the fundamental frequency component regardless of the characteristic frequency component as well as the DC-offset     

串联补偿的远距离输电线路潜供电弧参数特性

对于综合配置串、并联补偿的输电线路,在某些配置方案情况下,潜供电弧参数中将存在由故障相串联电容通过短路点与并联电抗器放电形成的低频分量,不利于单相重合闸的成功。基于EMTDC仿真计算和拉普拉斯变换数学分析相结合的方法,针对这一问题在远距离输电线路中表现出的特点,分别对远距离输电线路中设置和不设开关站的情况进行了研究分析。研究结果表明:在线路中不设开关站时,输电距离的增加使低频分量的振荡频率和衰减系数同时增大,导致其衰减较快。在线路中设置开关站时,即使对故障线路段故障相串补电容采取了旁路措施,某些情况下仍会有非故障线路段故障相的串补电容通过开关站内的电气联系经接地点的潜供电弧放电,产生的低频分量较严重时将影响单相重合闸的成功。在此基础上,探讨了低频分量限制措施的采用和优化潜供电弧参数的串、并联补偿配置方案等相关问题。     

考虑衰减直流分量的动态相量强跟踪测量算法

故障电流信号的频率变化以及包含的衰减直流分量会严重影响基于傅里叶变换的相量测量算法的精度和动态响应速度。文中提出了一种利用强跟踪滤波器滤除衰减直流分量的动态相量测量算法。首先,将衰减直流分量用其二阶泰勒展开多项式来表示,在状态变量中添加衰减直流分量及其一阶导数和二阶导数,建立含有基波角频率、幅值等参数和衰减直流分量参数的故障电流的非线性状态空间模型,减小信号估计的模型误差。其次,为了提高扩展卡尔曼滤波器在系统达到稳定时对系统参数突变的跟踪能力,利用强跟踪滤波器递推估计各状态变量。所提方法能够有效抑制衰减直流分量对相量测量精度的影响,对时变故障电流信号具有良好的动态响应能力。采用所提算法对加噪声的数值信号以及ATP-EMTP故障仿真信号进行相量测量,结果验证了算法的正确性与有效性。     

带并补的超高压输电线路单相自适应重合闸新判据

带并联电抗器的超高压输电线路发生单相瞬时性故障时,二次电弧熄灭后断开相端电压及并联电抗器电流因含有自由振荡分量而呈现拍频特征,永久性故障时则基本为基波量。在分析故障相断开后的序网的基础上,给出了自由分量频率的正确计算方法,提出了利用正弦函数的正交性检测自由分量从而快速判断故障性质的拍频新判据,有效解决了拍频周期较长时利用现有判据判断故障性质所需时间较长的问题。该判据原理简单,判断速度快且具有较高灵敏度。仿真实验验证了所得结论。     

带并联电抗器输电线路单相故障性质识别判据

针对带并联电抗器超特高压输电线路,分析了瞬时性故障时低频分量频率基本不受系统阻抗及故障点位置变化的影响,在低频分量频率离线准确计算的前提下,提出采用最小二乘拟合方法快速检测断开相并联电抗器电流低频分量和工频分量幅值实现的单相故障性质识别新判据。瞬时性故障时,低频分量幅值接近或超过工频分量幅值;永久性故障时,低频分量幅值接近0。判别算法仅利用断开相并抗电流,原理简单可靠,且易于实现。大量ATP仿真验证表明,该判据正确有效,能快速实现单相故障性质判别,有望提高单相重合闸动作的成功率。     

基于同步相量测量单元的串联补偿线路自适应故障定位算法

针对串联补偿线路提出了基于同步相量测量单元的自适应故障定位算法。基于串联补偿线路两侧同步相量,采用最小二乘法在线估计串联补偿线路实时参数。线路故障后,采用分布参数模型,基于故障通路电压、电流相位特性构造故障定位函数,无需串补模型。理论分析及仿真表明,所构造的故障定位函数在定位区间具有单调近似线性变化的特性,采用二分法或弦截求根法即可快速精确求解故障点。基于PSCAD/EMTDC和Matlab的仿真结果表明,故障定位方法实现简单,计算速度快、精度高,对不同的故障类型、过渡电阻和故障位置均有较好的适用性。     

基于线路参数修正的同杆双回线故障定位方法

当电力系统在功率低频振荡等动态情况下发生故障时,电力信号的幅值和频率往往表现出一定的动态特性,然而目前大部分同杆双回线故障定位方法并未考虑这一因素。为此提出了动态条件下基于线路参数修正的同杆双回线故障定位方法,新方法拓展了传统的静态信号模型,建立时变的信号模型使其能正确表示信号的动态特性,并加入基于同步相量测量单元(phasor measurement units,PMUs)的动态同步相量测量算法估计的信号相量值,从而可以在动态条件下精确修正线路参数,最后通过牛顿迭代算法得到准确的故障距离。应用PSCAD/EMTDC软件模拟各种工况对算法进行验证,仿真结果表明:与传统的算法相比,经过线路参数修正的方法在动态条件下具有较高的故障定位精度,并且不受故障位置、过渡电阻、故障类型和故障初始角的影响。     

动态条件下的T形输电线路故障测距算法

当电力系统在功率低频振荡等动态情况下发生故障时,电力信号幅值和频率往往表现出一定的动态特性,影响了传统的T形输电线路故障测距算法的精度.因此,提出了动态条件下T形输电线路故障测距算法.该方法拓展了传统的静态信号模型,建立了时变的信号模型使其能正确表示信号的动态特性,并加入基于同步相量测量单元(PMU)的动态同步相量测量...     

长距离输电线路中间带并联电抗器的双端非同步故障定位算法

针对线路中间带并联电抗器的长距离输电线路提出了基于双端工频量的非同步故障定位算法。对于等值阻抗固定的并联电抗器,采用故障前的双端相量估计并联电抗器的实际等值阻抗,从而基于故障后正序网络得到故障点位置。对于可控并联电抗器或故障前数据无法获取的情况,还提出了一种与并联电抗器模型无关的故障定位算法,根据不同故障类型的故障边界条件,利用故障点电压电流相位特性构造定位函数,分析表明该函数在相应定位区间具有单调变化特性,因而各定位区间不存在伪根,求解快速。所提算法均基于分布参数模型,双端数据不同步角采用故障前或故障后测量相量进行补偿。基于PSCAD/EMTDC和MATLAB的仿真结果表明,所提方法计算简单、精度高,对不同步角、故障类型、过渡电阻、故障位置均有较好的适用性。     

利用基波相量变化率的快速选相方法

针对目前选相方法不能快速、可靠识别所有故障类型的问题,提出了利用基波相量变化率的故障选相方法。线路发生短路故障后,故障相基波电流相量变化率受衰减直流分量及工频故障分量影响,其值迅速增大,而非故障相基波电流相量变化率变化较小;如果发生接地故障,零序电流基波相量变化率受衰减直流分量及工频故障分量影响,其值也会迅速增大,否则其值在零附近波动。依据不同类型故障中基波电流相量变化率的特征能够快速、可靠识别故障相。利用PSCAD/EMTDC仿真数据对算法进行测试,仿真结果表明:算法能够在故障后四分之一周波内准确判断故障相,具有较高可靠性。     

带并联电抗器的超高压输电线路单相自适应重合闸新算法

带有并联电抗器的超高压输电线路发生单相故障两端跳闸后,断开相恢复电压的组成成分在瞬时性故障时比永久性故障时多了一项自由分量,因此通过对断开相恢复电压在一个工频周期内进行积分就可以区分两种不同性质的故障.该判据原理简单,灵敏度高,实际操作方便,判断时间快,有效地解决了现有判据判断时间长的问题.大量的仿真实验验证了所得结论的正确性.     

并联电容器组中电容器击穿的特征分析与仿真研究

并联电容器组是交流电力系统输配电环节的主要无功补偿装置,在变电站中普遍采用10 kV框架式高压并联电力电容器组。实际运行中,电容器内部元件击穿的故障是电容器组故障比例最高的。以常用的10 kV并联电容器为研究对象,分析了电容器组在运行过程中内部元件击穿一串、二串情况的击穿放电量,故障相电容器的电压暂态变化量,并估计了放电电流的峰值。在EMTP仿真软件中建立了电容器的击穿模型,计算并分析了击穿元件的等效电路参数对放电电流峰值的影响:电阻值越大,则击穿峰值电流越小,随着电阻值的增加,击穿电流峰值下降减缓。最后,将仿真分析与电容器击穿的故障记录进行对比分析,验证了理论分析的正确性和仿真的有效性,为电容器击穿的实时监测和快速定位提供参考。     

带并联电抗器的超/特高压输电线路单相自适应重合闸故障性质识别判据

针对带并联电抗器的超/特高压输电线路,提出了通过检测断开相端电压自由分量实现的单相自适应重合闸故障性质识别判据。当自由分量频率可精确计算时,该判据可直接应用于超/特高压输电线路中,且具有较高的灵敏度。若自由分量频率计算误差不超过10%,则该判据应用于超高压输电线路与自由分量频率低于45Hz的特高压输电线路中时可快速准确地判断故障性质。采用频率计算误差补偿算法后,该判据适用于所有的超/特高压输电线路,且灵敏度高,判断速度快。该判据的性能受自由分量频率估算误差的影响。大量仿真实验验证了所得出结论的正确性。     

综合电能质量控制器

提出了一种新型的综合电能质量控制器（UPQC）。该控制器能满足大容量综合补偿的要求。该控制器由晶闸管投切的电容器组、串联有源电力滤波器和并联有源电力滤波器组成。并联电容器组补偿系统无功，并联滤波器补偿负序电流和谐波电流，串联滤波器补偿谐波电压和不对称电压。文中建立了仿真模型以检验UPQC的补偿效果。仿真结果表明，UPQC的补偿效果是比较理想的。     

串补线路的数学形态学行波测距法研究

因存在串联电容及其并联保护元件MOV,带串联电容补偿装置的输电线路的高度非线性特性对故障测距和继电保护产生了较大影响,使常规的故障测距和距离保护算法均已不再适用。为此,讨论了串联电容补偿对输电线路行波法测距的影响,并提出了一种基于数学形态学梯度技术的串补线路行波法故障测距新算法,该算法不受MOV非线性特性的影响。相对于小波变换等积分运算来说,形态学对突变信号检测能力强,对噪声不敏感,算法简单,耗时较小,易于硬件实现。ATP仿真结果表明,该算法具有很好的准确性和鲁棒性。     

基于故障分量综合阻抗的输电线路纵联保护

提出了一种基于故障分量综合阻抗的纵联线路保护新原理。利用故障时线路两端故障分量电压相量和与故障分量电流相量和的比值,来判断线路上是否发生了故障。在外部故障时,该比值反映输电线路上的容抗,其模值较大;内部故障时,该比值反映系统电源阻抗和线路阻抗,其模值相对较小,据此可以区分线路上的内部和外部故障。新原理易整定,本身具有选相能力,不受电容电流的影响,可以用于带或不带电抗器补偿的线路,理论上与过渡电阻无关。EMTP仿真和动模数据验证了该原理的有效性。     

同杆并架双回线基于电流突变量的综合选相

相电流差突变量选相元件在单回线故障中具有良好的选相性能,但在同杆双回线跨线故障中可能误选相.利用六序故障分量的分析方法,分析了相电流突变量在同杆双回线跨线故障中的幅值和相位特征,给出了其相位比相方程.在此基础上,提出了一种运用测量阻抗和方向元件相结合的综合选相方法,并给出了选相流程图.仿真结果表明,在双回线简单故障和跨线故障时,基于单回线单端电气量的同杆并架双回线综合选相方法具有较理想的选相性能.     

并联电容器零序电压保护的改进方法分析

并联电容器零序电压保护是通过检测零序电压来判断电容器组内部是否出现故障,从而给出报警信号或者跳闸信号使电容器组退出运行。零序电压保护不能识别故障相,不能消除三相电压不平衡的影响。为克服这些缺陷,对电容器零序电压保护进行了改进方法的研究,分析了电容器组内部故障时的过电压和相电流的变化,并给出了计算公式。同时,提出了消除三相电压不平衡及识别故障相的改进方法。     

Removal of dc offset and subsynchronous resonance in current signals for series compensated transmission lines using a novel Fourier filter algorithm

In this paper, a novel Fourier filter algorithm for high-accuracy and high-convergence-speed fundamental frequency component calculation of series compensated transmission line is proposed. The performance of digital relaying is highly reliant on the algorithm of digital filtering, especially involving the dc offset and subsynchronous resonance. Input signals of protective relays must be filtered in advance to reject unwanted quantities and retain signal quantities of interest. Accuracy and convergence speed of filter algorithms are essential for protective relays. However, the voltage and current signals contain large harmonics and dc offset during fault intervals. A widely applied filter algorithm, the Discrete Fourier Transform (DFT), can easily eliminate harmonics via simple calculations. The dc offset heavily influences the precision and convergence speed of fundamental frequency component from DFT. Under high resistive fault conditions, the current signals will have subsynchronous resonance. The subsynchronous resonance current and voltage signals influence the performance of DFT much more than the dc offset. Although capable of erasing high order harmonics, the low pass filter cannot remove the dc offset and subsynchronous resonance. The Alternative Transient Program (ATP) of the Electromagnetic Transients Program (EMPT) is utilized to simulate the transient responses of series compensated transmission lines during the fault period. Adopting the proposed algorithm in distance relays effectively locks the dc offset and subsynchronous resonance signals and quickly estimates the accurate fundamental frequency components.