一种利用电压电流突变量小波系数相关分析的三角形环网暂态量单元保护方法

摘要

本发明涉及一种利用电压电流突变量小波系数相关分析的三角形环网暂态量单元保护方法，属电力系统继电保护技术领域。三角形环网发生单相接地故障时，通过M、N、Q端的方向元件R1、R2，R3、R4、R5和R6分别获得六组故障电压和电流的暂态量，分别截取故障后0.5ms的电压和电流暂态量并对其进行8尺度小波分解，选取第一尺度下的小波系数进行相关分析求得六组相关系数若且则线路MN故障；若且则线路NQ故障；若且则线路QM故障；当上述条件满足一条时，判定为区内故障；当上述条件均不满足时，判定为区外故障。大量的仿真实验表明，该方法对三角形环网保护有很好的适用性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用电压电流突变量小波系数相关分析的三角形环网暂态量单元保护方 法，属于电力系统继电保护技术领域。

背景技术

随着电力系统规模的不断扩大和电压等级的不断升高，人们对电网线路的保护要求越来 越高。故障发生后以更快的速度准确地切除故障线路，保护系统安全运行是电网保护的不懈 追求。电力系统发生故障时，均为会产生从工频到高频的故障分量，在这些高频分量中，包 含了大量的信息，有如故障的类型、位置、方向、程度和持续时间等。这些信息的有效提取 与应用已成为提高继电保护性能的重要手段，利用线路故障的暂态量来构成线路保护判据可 以更大限度地提高保护速度。近年来，随着DSP技术和小波分析等信号处理工具的不断发展， 一系列基于单端电气量的线路全线速动的超高速保护新原理相继出现。对于这些新的保护方 案，多数研究都以两端线路作为研究对象进行分析，并验证了保护方案的适用性和有效性。

距离继电器被广泛应用于二端输电线路的保护，保护原理利用了故障发生时被保护区末 端补偿电压的相位将产生180°的突变这一特点。目前较为常见的方向元件还包括正序故障 分量方向继电器、负序故障分量方向继电器、零序故障分量方向继电器及方向阻抗继电器等。 为了保障供电的可靠性，三角形环网在输电系统中有着广泛的应用，由于三角形环网的特殊 结构，一些传统的保护方法很难对其实施有效保护，如传统有效的使用电流突变方向构成的 纵联保护方法，由于故障初始行波会通过健全线路构成的回路传播至量测端也变得不再适用。 因此，针对三角形环网的特殊结构探索一种行之有效的保护方法势在必行。

发明内容

本发明要解决的技术问题是充分利用三角形环网故障电压和电流突变量的三端信息，通 过小波变换和相关系数方法和手段，提出一种适用于三角形环网的保护方法，以提高保护方 法的适用性和可靠性。

本发明的技术方案是：一种利用电压电流突变量小波系数相关分析的三角形环网暂态量 单元保护方法，三角形环网发生单相接地故障时，通过M、N、Q端的方向元件R₁、R₂，R₃、 R₄、R₅和R₆分别获得六组故障电压和电流的暂态量，分别截取故障后0.5ms的电压和电流 暂态量并对其进行8尺度小波分解，选取第一尺度下的小波系数进行相关分析求得六组相关 系数若$-1\le r_{u,i\_R_1}\le -0.8$且$-1\le r_{u,i\_R_2}\le -0.8,$则线路MN故障；若且则线路NQ故障；若 且则线路QM故障；若上述条件满足一条时，判定为区 内故障；若上述条件均不满足时，判定为区外故障。

具体步骤为：

A.三角形环网发生单相接地故障时，通过M、N、Q端的方向元件R₁、R₂，R₃、R₄、 R₅和R₆分别获得六组故障电压和电流的暂态量：和和和和和和

B.分别截取六组电压和电流暂态量故障后0.5ms的数据，对其进行8尺度小波分解，小 波基函数选为db4；

C.分别选取电压和电流暂态量第一尺度下的小波系数进行相关分析，求得相关系数分别 为和

D.若$-1\le r_{u,i\_R_1}\le r_{\mathrm{set}}$且$-1\le r_{u,i\_R_2}\le r_{\mathrm{set}},$则线路MN故障；

若$-1\le r_{u,i\_R_3}\le r_{\mathrm{set}}$且$-1\le r_{u,i\_R_4}\le r_{\mathrm{set}},$则线路NQ故障；

若$-1\le r_{u,i\_R_5}\le r_{\mathrm{set}}$且$-1\le r_{u,i\_R_6}\le r_{\mathrm{set}},$则线路QM故障；

若上述条件满足一条时，判定为区内故障；

若上述条件均不满足时，判定为区外故障。

所述相关系数门槛值r_set＝-0.8。

本发明的原理是：如图1所示的三角形环网对于M端而言，假设故障发生在正方向F₁或 F₃处，则由M端方向元件R₁或R₆侧检测到的故障电压暂态量和电流暂态量的突变方向相反； 假设故障发生在反方向F₄处，则由M端方向元件R₁或R₆检测到的故障电压暂态量和电流暂 态量的突变方向相同。为了提取故障主要特征，排除噪声信号的干扰，分别对正向故障和反 向故障下的两组电压、电流暂态量进行8尺度小波分析，小波基函数选为db4，分析第一尺 度下的小波系数可以发现：正向故障时，故障电压暂态量与电流暂态量除了突变方向相反外， 在波形上还表现出相当高的负相关性，相关系数在-0.1到-0.8之间；反向故障时，故障电压 暂态量与电流暂态量除了突变方向相同外，在波形上还表现出相当高的正相关性，相关系数 在0.8到1之间。对于N端和Q端而言，通过设置不同方向的故障F₁、F₂和F₅，F₂、F₃和F₆， 所检测到的故障电压暂态量和电流暂态量的突变方向和相似性也能得出上述结论。因此故障 发生在线路MN段时，相关系数满足且故障发生在线路 NQ段时，$-1\le r_{u,i\_R_3}\le -0.8$且$-1\le r_{u,i\_R_4}\le -0.8;$故障发生在线路QM段时，$-1\le r_{u,i\_R_5}\le -0.8$且由于线路MN、NQ、QM均属于保护区段，因此上述三个条件中一条 满足时就为区内故障，三条均不满足时为区外故障。

本发明的有益效果是：

1.本发明充分利用了三角形环网三端的故障信息，多渠道信息的联合使用提高了保护的 可靠性；

2.本发明联合使用故障电压暂态量和故障电流暂态量实施保护，有效降低了因使用单一 类型的暂态量而降低保护可靠性的风险；

3.本发明使用了小波变换和相关分析等手段，小波变换有效减低了噪声信号的干扰，相 关分析则直接对波形相似性进行量化，从而最大程度地提高了保护的准确性。

附图说明

图1为本发明实施例1、2、3的三角形环网线路模型；

图2为本发明实施例1中R₁测得的电压、电流暂态量第一尺度下的小波系数；

图3为本发明实施例1中R₂测得的电压、电流暂态量第一尺度下的小波系数；

图4为本发明实施例1中R₃测得的电压、电流暂态量第一尺度下的小波系数；

图5为本发明实施例1中R₄测得的电压、电流暂态量第一尺度下的小波系数；

图6为本发明实施例1中R₅测得的电压、电流暂态量第一尺度下的小波系数；

图7为本发明实施例1中R₆测得的电压、电流暂态量第一尺度下的小波系数。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。

一种利用电压电流突变量小波系数相关分析的三角形环网暂态量单元保护方法，三角形 环网发生单相接地故障时，通过M、N、Q端的方向元件R₁、R₂，R₃、R₄、R₅和R₆分别获 得六组故障电压和电流的暂态量，分别截取故障后0.5ms的电压和电流暂态量并对其进行8 尺度小波分解，选取第一尺度下的小波系数进行相关分析求得六组相关系数若$-1\le r_{u,i\_R_1}\le -0.8$且$-1\le r_{u,i\_R_2}\le -0.8,$则线路MN故障； 若$-1\le r_{u,i\_R_3}\le -0.8$且$-1\le r_{u,i\_R_4}\le -0.8,$则线路NQ故障；若$-1\le r_{u,i\_R_5}\le -0.8$且 则线路QM故障；若上述条件满足一条时，判定为区内故障；若上述条 件均不满足时，判定为区外故障。

具体步骤为：

A.三角形环网发生单相接地故障时，通过M、N、Q端的方向元件R₁、R₂，R₃、R₄、 R₅和R₆分别获得六组故障电压和电流的暂态量：和和和和和和

B.分别截取六组电压和电流暂态量故障后0.5ms的数据，对其进行8尺度小波分解，小 波基函数选为db4；

C.分别选取电压和电流暂态量第一尺度下的小波系数进行相关分析，求得相关系数分别 为和

D.若$-1\le r_{u,i\_R_1}\le r_{\mathrm{set}}$且$-1\le r_{u,i\_R_2}\le r_{\mathrm{set}},$则线路MN故障；

若$-1\le r_{u,i\_R_3}\le r_{\mathrm{set}}$且$-1\le r_{u,i\_R_4}\le r_{\mathrm{set}},$则线路NQ故障；

若$-1\le r_{u,i\_R_5}\le r_{\mathrm{set}}$且$-1\le r_{u,i\_R_6}\le r_{\mathrm{set}},$则线路QM故障；

若上述条件满足一条时，判定为区内故障；

若上述条件均不满足时，判定为区外故障。

所述相关系数门槛值r_set＝-0.8。

实施例1：建立如图1所示的三角形环网线路模型。系统中，l_MN＝100km，l_NQ＝70km， l_QM＝80km，l_PM＝70km。规定电流正方向为母线指向线路。现假设在线路MN上距M端40km 处发生A相金属性接地故障F₁，初始相角为90°，采样频率为20kHz。通过M、N、Q端的 方向元件R₁、R₂，R₃、R₄、R₅和R₆分别获得六组故障电压和电流的暂态量，分别截取六 组电压和电流暂态量故障后0.5ms的数据，对其进行8尺度小波分解，小波基函数选为db4， 得到第一尺度下电压、电流突变量小波系数分别如图2-7所示。通过相关分析求得相关系数 和故障区段判断结果如表1所示。

表1故障F₁时方向元件R₁～R₆的综合判断结果

判断结果与假设一致，判断正确。

实施例2：与实施例1相同的三角形环网线路模型。现假设线路NQ上距N端30km处 发生A相金属性接地故障F₂，初始相角为90°，采样频率为20kHz。通过M、N、Q端的方 向元件R₁、R₂，R₃、R₄、R₅和R₆分别获得六组故障电压和电流的暂态量，分别截取六组 电压和电流暂态量故障后0.5ms的数据，对其进行8尺度小波分解，小波基函数选为db4， 得到第一尺度下电压、电流突变量小波系数，通过相关分析求得相关系数和故障区段判断结 果如表2所示。

表2故障F₂时方向元件R₁～R₆的综合判断结果

判断结果与假设一致，判断正确。

实施例3：与实施例1相同的三角形环网线路模型。现假设线路PM上距M端50km发 生A相金属性接地故障F₄初始相角为90°，采样频率为20kHz。通过M、N、Q端的方向元 件R₁、R₂，R₃、R₄、R₅和R₆分别获得六组故障电压和电流的暂态量，分别截取六组电压 和电流暂态量故障后0.5ms的数据，对其进行8尺度小波分解，小波基函数选为db4，得到 第一尺度下电压、电流突变量小波系数，通过相关分析求得相关系数和故障区段判断结果如 表3所示

表3故障F₄时方向元件R₁～R₆的综合判断结果

判断结果与假设一致，判断正确。

上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方 式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出 各种变化。