基于瞬时功率理论的牵引供电系统短路故障辨识探究

基于瞬时功率理论的牵引供电系统短路故障辨识探究

苏嘉宝

广东集明电力工程有限公司 广东东莞 523000

摘要 牵引供电系统，若有短路故障层面问题产生，则必将对整个供电系统的运行安全造成威胁，故务必要积极引入更具先进性、有效性故障识别理论或者方式方法，做好短路故障的有效辨识工作。因而，本文主要采用文献资料检索方法，先检索国内与瞬时功率基础理论、牵引供电系统的短路故障等相关的研究报告和学术论文、等，对相关研究成果进行系统化地梳理及总结分析，并围绕着瞬时功率基础理论下牵引供电系统的短路故障有效辨识开展深入研究及探讨。本次课题研究可谓是运用到各种学科方法、基础理论及成果，并从整体入手综合研究本课题，以保证本次课题研究的客观性及精准性，期望可以为后续更多技术工作者和研究学者对此类课题的实践研究提供有价值的指导或者参考。

关键词：供电系统；瞬时功率；理论；牵引；短路；故障辨识；

前言

牵引供电系统实际运行期间，识别短路故障属于一项重点工作，而若想更好地识别短路故障层面问题，便需积极引入更多先进理论、运用到各种科学手段和方法，如此才真正实现对牵引供电系统的短路故障高效辨识分析。故综合分析瞬时功率基础理论下牵引供电系统的短路故障有效辨识，有着一定的现实意义和价值。

1. 瞬时功率理论

三相电路部分瞬时无功的功率基础理论首次被提出于1983年，而后此理论得到持续研究及完善化。最初系统提出pq理论，也就是定义瞬时的有功功率p及瞬时无功的功率q相应瞬时的功率量，缺陷集中表现为并未对电流量作出定义。伴随此理念持续完善，瞬时有功的电流ip及瞬时无功的电流iq相关瞬时量被逐渐提出来；基于瞬时无功的功率理论，能够获取应用至有源电力的滤波器（APF）谐波及无功电流的实时检测操作方法，工程应用领域当中此方法关注度相对较高^[1]。

2. 故障辨识

2.1在Hilbert变换及计算功率的变化率层面

一是，在Hilbert变换层面。电流信号及单相电压移相的90°构造之下β相电流及电压可借助1/4个周期时延方法予以实现，但电流的谐波含量未知情况，则无法时延各次的谐波电流，难以满足于继电保护基本速动性。Hilbert变换频域传涕的函数即为： 。Hilbert实质变换为1幅频特性，正频率的分量90°相移发生，负频率的分量90°相移发生。故谐波含量未知电流及电压输入信号，借助Hilbert变换，滞后90°移相基本构造β相的电流及电压可实现，无时延存在；二是，在计算功率的变化率层面。单相瞬时的无功功率基础理论应用至瞬时功率和直流分量计算期间，可用P-q计算方式。 。结合瞬时有功的功率及瞬时无功的功率基本定义计算分析获取P、q，经低通滤波装置LPF获取P、q直流分量即为 、 。低通的滤波器类型、阶数、截止频率均会影响到所检测电路基本动态的响应过程及其检测精度^[2]。借助B utterworth二阶滤波器实施直流滤波，其滤波时间比一个工频的周期大，快速动态响应很难实现。借助DFT滑窗迭代算法替代LPF模块，滤波时间得以减少，响应速度能够提高，该列式即为：sum=[sum^，+G_p-data（K_p）]、sum^，=sum、+G_p0（n）= sum。把离散序列G_P当中N个数据均存储至data[N]数组内部，列式当中K_p为采样点滑动的循环指针，sum及sum‘各自代表当前周期及上周期N点的累加总和。DFT滑窗的迭代法仅需第一个周期将N个点累加的求和完成，每个周期仅需一加一减计算便可将迭代完成，计算分析所致延时得以减少，突变响应需滞后大致为一个周期。滤波过程可获取瞬时有功的功率及瞬时无功的功率相应直流分量，结合 该列式计算分析功率的变化率。此列式当中，P_h代表当前某时刻功率的直流分量，Pq代表单位时间的间隔 t前期功率的直流分量， t属于一个工频的周期。

2.2在识别方法层面

先依照着同等采样频率，采集牵引供电系统内部馈线瞬时的电流信号和电压，获取离散数字信号；借助Hilbert变换数字信号，对基波和各次的谐波分量实施90°的移相处理，获取α、β两相电流信号及电压，α、β的坐标系当中实现电压矢量及电流矢量合成，分别求取电压矢量及电流矢量叉积、点积，获取瞬时的无功/有功功率，经DFT的滑窗滤波，获取瞬时无功/有功的直流分量。结合功率的变化率相应计算分析表达列式，求取工频前后周期范围功率的变化率 P，对比 P大小范围，对故障情况予以有效识别判断。

2.3在系统建模和仿真分析层面

借助Matlab/Simulink仿真系统平台构建全并联AT全长为25km牵引供电系统基础模型，结合牵引网的短路阻抗基本特性，对所构建全并联AT全长为25km牵引供电系统仿真模型正确性实施仿真验证分析。基于瞬时的无功功率基础理论，Simulink内部实施瞬时功率的计算模块构建。T=0.2s条件下，分别牵引网同等位置（l=1km）布设高阻接地的短路故障（R=10Ω过渡电阻）、金属性的短路故障（T-F、T-R）、车载式变压器的空载合闸情况之下，获取瞬时功率及功率的变化率相应仿真结果，从中可了解到变压器的空载合闸在励磁涌流产生、短路故障所致短路电流产生后，功率的直流分量便伴随着瞬时电压及电流的改变而有突变产生

^[3]。经计算分析可了解到，以上情况之下功率的变化率为0.2s情况下可达最大值，基本上可验证功率的变化率能够将电流变化基本特征可行性反映出来。牵引网位置不同空载投入相应变压器或者是设短路故障情况下，获取以上情况之下功率的变化率均会伴随着距离增加而有变化产生。变压器的空载合闸条件之下，有功及无功功率的变化率均比这三种不同短路情况之下所产生功率的变化率大；变压器的空载合闸条件之下，有功功率的变化率和这三种不同短路情况之下所产生功率的变化率存在10倍差异，无功功率的变化率和金属性的短路故障条件之下，其无功功率的变化率呈10倍差异，和高阻的接地故障条件之下无功功率的变化率也有差异存在；伴随着距离持续变大，变压器的空载合闸和短路故障这一情况之下，功率的变化率相互间存在10倍差异。结合仿真分析最终结果可了解到，有功及无功功率的变化率有效结合，对空载合闸所致励磁涌流及短路故障所产生的短路电流等情况区分，可用于电流增量有效保护相应辅助性的识别判断依据或者参考。

3. 结语

综上所述，牵引供电系统内部馈线电流的增量保护，其可经短时间范围内电流实际变化幅度，对负荷电流及故障电流予以区分，因牵引供电系统内部负荷电流有着极高的突变率，电流增量极易有保护误动现象产生。故以瞬时无功的功率理论为基础，以电流突变期间功率的变化率为基本特征值，对励磁涌流及短路故障的电流予以有效识别区分，可用于电流增量的保护辅助性识别判断依据或者参考，借助Matlab/Simulink的仿真验证分析后，可确保此方法有着极高可行性及有效性，值得持续推广运用，但因具体情况不同，具体应用期间仍需与实际情况相结合，予以灵活应用及调整，以便于更好地实现瞬时功率基础理论下牵引供电系统的短路故障有效识别分析。

参考文献

[1]张丰鸣.电气化铁路牵引供电系统电能质量检测方法研究[D].长沙理工大学，2019，26（002）：139-141.

[2]刘炜，李思文，王竞，等.基于EWT能量熵的直流短路故障辨识[J].电力自动化设备，2020,10(002):207-228.

[3]熊和平，陈科.直流牵引供电系统短路故障及解决措施[J].建材与装饰，2019,30(015):236-237.