基于波形相关系数和电流突变量的混压同塔故障选相方法

摘要

本发明公开一种基于波形相关系数和电流突变量的混压同塔故障选相方法。依据故障后故障相的相角和幅值可能发生变化的特征，引入自相关系数和虚拟自相关系数。当相电流差突变量选相元件判别为单相故障时，在考虑强磁场联系下的零序互感影响下，利用以上相关系数表现出来的特征做进一步辅助判别：首先若存在除判定故障相外的相的自相关系数满足小于0.9，则补充判别其为故障相并完成选相，否则进一步判别疑似故障相的虚拟自相关系数，若满足小于‑0.9，则补充判别该相为故障相并完成选相。否则最终选相结果与相电流差突变量选相结果相同。本发明能够避免发生混压同塔四回线跨电压不接地故障时，相电流差突变量选相元件存在的误选相问题。

说明书

技术领域

本发明涉及电力系统领域，特别是涉及一种基于波形相关系数和电流突变量的混压同塔故障选相方法。

背景技术

随着土地资源日趋紧张、输电容量要求增大，不同电压等级的多回输电线路同塔架设(简称为“混压同塔多回线”)技术迅速发展。当混压同塔四回线(不同电压等级各有两回线路)中的某一电压等级线路跨越另一电压等级线路发生短路故障时，相电流差突变量选相元件可能出现错误选相的问题(简称为“误选相”)。混压同塔四回线跨电压故障可分为跨电压接地故障和跨电压不接地故障两大类，其中跨电压不接地故障包括高电压某回线路的单相/两相/三相跨相邻的低电压某回线路的单相/两相/三相不接地故障，当发生单相/两相/三相跨两相故障时，发生两相故障线路的相电流差突变量选相元件存在误选相的可能。

故障选相是高压输电线路继电保护中的一个关键环节。当系统发生故障时，快速准确的选相对于确保输电线路安全和电力系统稳定有着积极意义。在传统常规保护装置中，选相元件主要作用于自动重合闸，随着数字式微机保护装置在电力系统中的广泛应用，要求选相元件不仅要准确判别出单相故障的故障相，还要准确判别相间故障的相别。无疑故障选相的正确与否将是保护装置是否正确动作的依据，从而直接关系到电力系统运行的经济效益和社会效益。

国内数字式高压线路保护在保护启动后第一次选相大多采用相电流差突变量选相元件，其利用不同故障时两相工频电流差的变化量的幅值特征选相，附加鉴别有无零序分量区分两相短路和两相短路接地。该元件在故障初期灵敏度高，不受负荷电流和过渡电阻影响，应用广泛。故若能针对混压同塔四回线系统的某一电压等级发生两相跨电压故障时的相电流差突变量选相元件的误选相情况，在保留相电流差突变量选相的基础上提出改进措施。而现有选相方法中，缺少针对此误选相情况下对相电流差突变量选相的改进方案，因此本领域亟需一种能实现混压同塔四回线跨电压故障时相电流差突变量选相元件正确选相的新方案。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于波形相关系数和电流突变量的混压同塔故障选相方法，能够避免发生误选相的情况。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于波形相关系数和电流突变量的混压同塔故障选相方法包括：

获取电力系统在运行状态下的各相电流；

根据所述各相电流，得到任意两个相电流差突变量；

根据所述相电流差突变量选相原理判断是否为单相故障，得到第一判断结果；

若所述第一判断结果表示不为单相故障，则判定对应的相间故障；

若所述第一判断结果表示为单相故障，则称其它相为疑似故障相，并计算疑似故障相故障前后的自相关系数；

判断是否存在所述自相关系数小于0.9，得到第二判断结果；

若所述第二判断结果表示存在所述自相关系数小于0.9，则说明当前所述自相关系数对应的相故障后相角变化较大，补充判定当前所述自相关系数对应的相为故障相并完成判定；

若所述第二判断结果表示不存在所述自相关系数小于0.9，则计算疑似故障相的虚拟自相关系数；

判断是否存在所述虚拟自相关系数小于-0.9，得到第三判断结果；

若所述第三判断结果表示存在所述虚拟自相关系数小于-0.9，则说明当前所述虚拟自相关系数对应的相故障后幅值变化较大，补充判定当前所述虚拟自相关系数对应的相为故障相并完成判定；

若所述第三判断结果表示不存在所述虚拟自相关系数小于-0.9，则以相电流差突变量选相元件判定结果为最终判定结果。

可选的，所述计算疑似故障相故障前后的自相关系数，具体包括：

采用皮尔逊相关系数定义的方法计算疑似故障相故障前后的自相关系数。

可选的，所述计算疑似故障相的虚拟自相关系数，具体包括：

以相电流x故障前一个周波为基准值，将当前相故障前后各一个周波电流分别叠加-1.1倍基准值，得到虚拟故障电流；

根据所述虚拟故障电流确定疑似故障相的虚拟自相关系数。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明公开的基于波形相关系数和电流突变量的混压同塔故障选相方法，依据故障后故障相的相角和幅值可能发生变化的特征，引入“自相关系数”和“虚拟自相关系数”。当相电流差突变量选相元件判别为单相故障时，在考虑强磁场联系下的零序互感影响下，利用以上相关系数表现出来的特征做进一步辅助判别：首先若存在除判定故障相外的相(称其为“疑似故障相”)的自相关系数满足小于0.9，则补充判别其为故障相并完成选相，否则进一步判别疑似故障相的虚拟自相关系数，若满足小于-0.9，则补充判别该相为故障相并完成选相。否则最终选相结果与相电流差突变量选相结果相同。本发明的方法能够避免发生混压同塔四回线跨电压不接地故障时，相电流差突变量选相元件存在的误选相问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1混压同塔故障选相的方法流程图；

图2为本发明实施例3混压同塔故障选相的方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种基于波形相关系数和电流突变量的混压同塔故障选相方法，能够避免发生误选相的情况。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1：

图1为本发明实施例1混压同塔故障选相的方法流程图。如图1所示，一种基于波形相关系数和电流突变量的混压同塔故障选相方法包括：

步骤101：获取电力系统在运行状态下的各相电流。

步骤102：根据所述各相电流，得到任意两个相电流差突变量。

步骤103：根据所述相电流差突变量选相原理判断是否为单相故障，得到第一判断结果。

步骤104：若所述第一判断结果表示不为单相故障，则判定对应的相间故障。

步骤105：若所述第一判断结果表示为单相故障，则称其它相为疑似故障相，并计算疑似故障相故障前后的自相关系数，具体包括：

采用皮尔逊相关系数定义的方法计算疑似故障相故障前后的自相关系数。

步骤106：判断是否存在所述自相关系数小于0.9，得到第二判断结果。整定值0.9考虑了零序互感影响可能使得非故障相的自相关系数略小于1。

步骤107：若所述第二判断结果表示存在所述自相关系数小于0.9，则说明当前所述自相关系数对应的相故障后相角变化较大，补充判定当前所述自相关系数对应的相为故障相并完成判定。

步骤108：所述第二判断结果表示不存在所述自相关系数小于0.9，则计算疑似故障相的虚拟自相关系数，具体包括：

将相电流x故障前后各一个周波电流分别叠加-1.1倍基准值，得到虚拟故障电流；

根据所述虚拟故障电流确定疑似故障相的虚拟自相关系数。

步骤109：判断是否存在所述虚拟自相关系数小于-0.9，得到第三判断结果。整定值-0.9考虑了零序互感影响，给故障相的虚拟故障电流的自相关系数留有一定域度。

步骤110：若所述第三判断结果表示存在所述虚拟自相关系数小于-0.9，则说明当前所述虚拟自相关系数对应的相故障后幅值变化较大，补充判定当前所述虚拟自相关系数对应的相为故障相并完成判定。

步骤111：若所述第三判断结果表示不存在所述虚拟自相关系数小于-0.9，则以相电流差突变量选相元件判定结果为最终判定结果。

混压同塔四回线发生某一回线中的两相跨越另一电压等级线路发生不接地短路故障时，相电流差突变量选相元件可能发生误选相的情况，对此本发明提出一种基于波形相关系数与相电流差突变量的混压同塔故障选相新方法。根据所述相电流差突变量选相元件误判的故障相的相角故障后是否发生突变将故障分为两类。引入“自相关系数r_x”—相电流x故障前与故障后各一个周波电流间的相关系数，识别相角发生突变的故障相；对于故障后相角不变，仅幅值变化的故障相电流x，进一步引入“虚拟自相关系数r_x’”进行识别：将该故障相电流x故障前后各一个周波电流分别叠加-1.1倍基准值(取x故障前一个周波电流为基准值)，得到虚拟故障电流x’，进而求取虚拟故障电流x’的波形自相关系数，即“虚拟自相关系数r_x’”。当相电流差突变量选相元件判别为单相故障时，考虑强磁场联系下的零序互感影响，利用以上相关系数表现出来的特征做进一步辅助判别：首先若存在疑似故障相的自相关系数小于0.9，则补充判别其为故障相并完成选相，否则进一步判别疑似故障相的虚拟自相关系数r_x’，若小于-0.9，则补充判别该相为故障相并完成选相。否则最终选相结果与相电流差突变量选相结果相同。该方法的具体分析过程如下：

(1)波形相关系数的计算

皮尔逊相关系数定义如下：

其中：Cov(X，Y)为变量X与Y的协方差；Var(X)、Var(Y)分别为为X、Y的方差；r(X，Y)为变量X与Y的相关系数，|r(X，Y)|≤1，其值越接近1表明两个变量的相关程度越大。r(X，Y)＞0表示正相关，r(X，Y)＜0表示负相关。对于相关系数中的方差，可采用公式(2)计算。

其中T为保护判别所采用的数据窗长度，本发明中取一个周波长度；Ts为采样步长；X_i第i次采样的数值，为T时间段内采样值的平均值。

自相关系数r_x：当X、Y分别取相电流x故障前后各一个周波采样值时的相关系数。

虚拟自相关系数r_x’：将相电流x故障前后各一个周波电流分别叠加-1.1倍基准值(取x故障前一个周波电流为基准值)，得到虚拟故障电流x’，X、Y分别取虚拟故障电流x’故障前后各一个周波采样值时的相关系数。

(2)当发生相间短路故障(包含跨电压故障和非跨电压故障)，若相电流差突变量选相元件判断为非单相故障，无需补充判定，完成最终选相。

(3)当发生两相短路故障(包含跨电压故障和非跨电压故障)，若相电流差突变量选相元件误选为单相故障，则进入辅助判别。若疑似故障相中的故障相相角发生改变，在故障前后同样时间窗长内，故障后的电流会因出现的相角突变量而与故障前电流变化趋势不同，使得故障相波形自相关系数远小于1，故此情况下基于自相关系数可识别故障相；若疑似故障相中故障相的相角未发生变化，则利用此时故障相电流幅值为故障前k倍的特点加以判别。若k大于1.1，则由故障相构造的虚拟电流故障前后一个周波的相角差为180度，进而计算虚拟电流波形的自相关系数，虚拟自相关系数r_x’接近-1，从而判别出相角未变的故障相；

(4)当发生单相短路故障时(包含跨电压故障和非跨电压故障)，相电流差突变量选相元件判断为单相故障，则进入辅助判别。此时两疑似故障相为非故障相，故障前后波形幅值近乎相等，无法满足两故障相的判定条件，故无补充故障相，最终选相结果与相电流差突变量选相元件选相结果一致。

依据上述说明，可以得出两相故障与单相故障体现在波形相关系数上的差异。

实施例2：

一种基于波形相关系数与相电流差突变量的混压同塔故障选相新方法，包括以下步骤：

步骤一：测量系统运行状态下的各相电流；

步骤二：保护元件动作后，若相电流差突变量选相元件判定为相间故障，则完成此次选相，否则进入下一步判定；

步骤三：计算疑似故障相故障前后的自相关系数r_x，若存在自相关系数r_x小于0.9，则认为该相故障后相角变化较大，补充判别其为故障相并完成判定，否则进行下一步判定；

步骤四：计算疑似故障相的虚拟自相关系数r_x’，若存在虚拟自相关系数r_x’小于-0.9，则认为该相故障后幅值变化较大，补充判别其为故障相并完成判定，否则进入下一步判定；

步骤五：以相电流差突变量选相元件判定结果为最终判定结果。

实施例3：

图2为本发明实施例3混压同塔故障选相的方法流程图。如图2所示，一种混压同塔故障选相的方法包括：

步骤1：相电流差突变量选相元件动作

步骤2：判断是否是单相故障。

步骤3：若不是单相故障，则判定对应的相间故障。

步骤4：若是单相故障，则进行疑似故障选相。

步骤5：明确所选故障相。

步骤6：判断所选故障相是否为a相。

步骤7：若不是a相，则判断是否为b相。

步骤8：若不是b相，则判断是否为c相。

步骤9：若是a相，则计算疑似故障相b、c相自相关系数r_b、r_c。

步骤10：判断r_b是否小于0.9。

步骤11：若r_b小于0.9，则补充b为故障相。

步骤12：判定a、b两相故障。

步骤13：若r_b大于等于0.9，则判断r_c是否小于0.9。

步骤14：若r_c小于0.9，则补充c为故障相。

步骤15：判定a、c两相故障。

步骤16：若r_c大于等于0.9，则计算疑似故障相b、c相虚拟自相关系数r_b’、r_c’。

步骤17：判断r_b’是否小于-0.9。

步骤18：若r_b’小于-0.9，则补充b为故障相。

步骤19：判定a、b两相故障。

步骤20：若r_b’大于等于-0.9，则判断r_c’是否小于-0.9。

步骤21：若r_c’小于-0.9，则补充c为故障相。

步骤22：判定a、c两相故障。

步骤23：若r_c’大于等于-0.9，则判定a相故障。

以上方法中还包括判断为b或为c相故障后，方法参照a相的步骤。

实施例4：

将同一杆塔线路按电压等级不同分为I、II两个系统。以II系统为例，当发生I系统单相/两相/三相跨II系统两相(假设为bc两相)不接地短路故障时，若II系统的相电流差突变量选相元件判定为两相故障，完成选相；若相电流差突变量选相元件判定为单相故障(假设为b相)，此时进入辅助判别，表1是以II系统为例两系统特殊相电源相角差不同时，发生各类单相、双相不接地短路故障时各相电流的波形自相关系数r_a，r_b，r_c，由表1中仿真数据可知，疑似故障相(a、c两相)中的非故障相(a相)的相关系数r_a大于0.9，而故障相的相关系数r_c则小于0.9，满足本发明的判定内容，故补充判别c相为故障相。当发生I系统单相/两相/三相跨II系统单相(假设为a相)短路故障时，此时II系统的相电流差突变量选相元件会判定为单相故障，并进入辅助判别，由表1中仿真数据可知，此时两疑似故障相的波形自相关系数都大于0.9，故需计算疑似故障相的虚拟自相关系数，由表2中的数据可知其虚拟自相关系数皆大于0.9，无法满足两故障相的判定条件，故无补充故障相，最终选相结果与相电流差突变量选相元件选相结果一致，选为单相故障。

表1是以II系统为例两系统特殊相电源相角差不同时，发生各类单相、双相不接地短路故障时各相电流的波形自相关系数r_a，r_b，r_c。

表2是针对表1中无法满足自相关系数判别的情况(此处指表1中的单相故障，由于两相故障时故障相相角未变的几率较小，且限于篇幅，表1中仅取典型两系统特殊相电源相角差，故仿真结果未曾出现两相故障时故障相相角未变的情况)进行虚拟自相关系数r_a’，r_b’，r_c’的计算。由于相电流差突变量选相元件选出的故障相无需进行计算，故用“—”表示。

表1发生各类单相、双相不接地短路故障时各相电流的波形自相关系数r_a，r_b，r_c

表2针对表1中无法满足自相关系数判别的情况

仿真结果可以看出，本发明所设计的方法能够结合相电流差突变量选相元件正确选相。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。