一种利用暂态能量的交流输电线路故障选相方法

摘要

本发明涉及一种利用暂态能量的交流输电线路故障选相方法。本方法是：当交流输电线路发生故障时，提取故障后三相电流行波的故障分量并构造零模电流和线模电流，对相电流和模电流分别进行小波变换，并求取其暂态能量，若零模的能量值小于最大模量能量值的1%，则可确定为相间故障，否则确定为接地故障；若某相电流能量值大于最大相电流能量值的20%，则可确定为故障相；若为相间故障，且其它两相电流能量值均小于最大相电流能量值的20%，则判为三相故障。该选相判据构成较为简单，对过渡电阻和故障初始角的适应性较强，从综合重合闸的角度考虑，任意故障初始角下，都能为断路器跳闸提供正确的依据。

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用暂态能量的交流输电线路故障选相方法，属电力系统继电保护技术领域。

背景技术

高压交流输电线路发生故障后，准确快速地选择出故障相别对于保证继电保护装置的正确动作、有选择地切除故障相具有非常重要的意义。目前，保护广泛采用的选相原理可分为：利用工频量的传统选相原理^[1]和利用暂态量的选相原理。传统故障选相主要是基于工频量，采用突变量选相与稳态量选相相结合的方案，其性能相对稳定，但速动性受自身原理限制；利用暂态量的选相元件配合行波保护或边界保护，可以满足超、特高压输电线路快速切除故障的要求。

行波选相元件^[2]作为重要的暂态量选相元件，其动作原理是建立在故障产生的暂态行波理论基础上的，由于不同故障类型下的暂态行波中包含有故障类型信息，因此可用于实现故障选相^[3]。为消除三相电流之间的耦合，采用模量电流作为判据所需的电气量。但其不同故障类型下模电流之间的相对关系是利用故障点处的边界条件得到的，当发生接地故障时，由于线、零模分量的衰耗不同，使得在故障点成立的对应关系在保护量测处不再严格成立，特别是在线路末端故障时，很可能误选。利用模电流和相电流的相对关系^[4]进行故障选相可以克服零模衰耗带来的影响，但是利用首波头的行波选相原理都存在弱故障下灵敏度低的问题，利用暂态能量可以有效解决上述问题。

 

参考文献：

[1]      吴大立，尹项根，胡玉峰，张哲.高压线路保护实用选相方案[J].电力系统自动化，2007，31(17)：50-54.

[2]      葛耀中．新型继电保护和故障测距的原理与技术[M]．西安：西安交通大学出版社，2007．

[3]      董新洲，葛耀中．基于小波变换的行波故障选相研究：第1部分 理论基础[J].电力系统自动化，1998，22(12)：24-26,33.

[4]      束洪春，司大军，等.小波变换应用于暂态初始行波分析及故障选线选相[J].云南水力发电，2002，18(2)：6-9。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用暂态能量的交流输电线路故障选相方法，该方法在大部分故障下可以准确选出故障相，在极少数故障下可能出现漏选相，但从综合重合闸的角度，仍能为断路器的动作提供可靠依据。

本发明将交流线路故障的电流行波作小波变换，计算三相电流和模电流的能量，通过比较其相对关系，提取其所包含的故障类型信息，实现暂态量选相。

本发明的技术方案为：

1)当交流线路保护的突变量启动元件检测到故障后启动，记录三相电流行波波形；

2)利用式(1)提取三相电流行波的故障分量，并取故障后1ms时窗内的数据Δi_p(k)：

Δi_p(k)= i_p(k)+ Δi_p(k-N/2)                          (1)

式中，p取A或B或C，分别对应三相电流；k取第1，2，3，···，n个采样点，N为工频周期对应采样点数；Δi_p(k)为相电流故障分量，i_p(k)为采集到的电流；

3)将三相电流行波的故障分量Δi_A(k)、Δi_B(k)和Δi_C(k)代入到扩展的karrenbauer变换公式(2)，得到故障电流的零模分量Δi₀(k)和三个线模分量Δi_α(k)、Δi_β(k)和Δi_γ(k)：

                            (2)

式中，Δi_A(k)、Δi_B(k)和Δi_C(k)分别为三相电流，Δi₀(k)为零模电流，Δi_α(k)、Δi_β(k)和Δi_γ(k)分别为三个线模电流；

4)对三相电流Δi_A(k)、Δi_B(k)、Δi_C(k)，零模电流Δi₀(k)及三个线模电流Δi_α(k)、Δi_β(k)和Δi_γ(k)分别进行3层离散小波分解，小波基选三次B样条，取二尺度下的小波系数W_φ，φ分别取A、B、C、0、α、β和γ，并按式(3)计算各量二尺度下小波系数的能量：

                                    (3)

5)若零模的能量值E₀小于最大模量能量值的1%，则可确定为相间故障；否则确定为接地故障；

6）若相电流能量值大于最大相电流能量值的20%，则可确定为故障相；

7）若步骤5)中判为相间故障，若判为相间故障，但故障相只选出一相，则判为三相相间故障。

以下是本发明的设计原理：

1．小波变换的基本理论

传统的信号分析是建立在傅里叶变换的基础上的，属于全局变量，或完全在时域，或完全在频域，无法表述信号的时频局域性质，而这种性质恰恰是非平稳信号最根本和关键的性质。小波变换作为能随频率的变化自动调整时频窗大小的分析工具，得到了迅速发展。

1）连续小波变换

设φ(t)为一平方可积函数，若其傅里叶变换ψ(ω)满足可容许性条件，即：

                          （4）

则称φ(t)为一个基本小波，或者小波母函数。将小波母函数φ(t)进行伸缩和平移，可以得到连续小波基函数φ_a,b(t)：

                     （5）

式中：a是伸缩因子，或称为尺度因子；b是平移因子。对于任意的函数f(t)∈L²(R)的连续小波变换（Continuous Wavelet Transform，CWT）为：

                （6）

式中：表示的共轭。

2）离散小波变换

由连续小波变换的概念可知，连续小波变换中的尺度因子a和平移因子b是连续的变量。在实际应用中，通常将φ_a,b(t)中的连续变量a和b取做整数离散形式，将φ_a,b(t)表示为：

                        （7）

相应的函数f(t)的离散小波变换（Discrete Wavelet Transform，DWT）可表示为：

                                （8）

由于该离散小波φ_j,k(t)是由小波函数φ(t)经2^j整数倍放、缩和经整数k平移所生成的函数族{φ_j,k(t)}，j,k∈Z。因此，该离散后的小波序列一般称为离散二进小波序列。

2．基于暂态能量的故障选相

设图1中，线路MN距M端150km处发生A相接地故障，M端保护检测到的三相电流和模量电流如图2所示。由图2可以看出，故障相行波分量明显，非故障相行波分量较小，原因在于非故障相电压电流行波分量是由于相间电磁耦合引起的，这一故障特征可用于故障选相。利用能量表征这一特征，即可构成暂态能量的选相元件。

本发明与现有技术相比具有下列优点：

1）选相判据构成较为简单。

2）只利用零模分量判断是否接地，不需要利用其与线模分量的相对关系判断故障相，故不受零模分量衰减的影响，特别是在线路末端故障时，零模分量衰减较为严重的情况下，该方法仍适用。

3）对过渡电阻和故障初始角的适应性较强，从综合重合闸的角度考虑，任意故障初始角下，都能为断路器跳闸提供正确的依据。

附图说明

图1为500kV交流输电系统仿真图，图中被保护线路为MN，F为故障点。

图2为线路MN距M端150km处发生A相接地故障，过渡电阻为10Ω，故障初始角为90°时，M端保护检测到的三相电流和模量电流。

具体实施方式

以图1的500kV交流输电系统为例，在长为L=150km的交流线路末端发生A相接地故障，接地电阻为10Ω，故障初始角为90°，仿真采样频率为250kHz。具体实施步骤如下：

1)当交流线路保护的突变量启动元件检测到故障后启动，记录三相电流行波波形。

2)利用式(1)提取三相电流行波的故障分量，并取故障后1ms时窗内的数据Δi_p(k)；

Δi_p(k)= i_p(k)+ Δi_p(k-N/2)                          (1)

式中，p取A或B或C，分别对应三相电流；k取第1，2，3，···，n个采样点，N为工频周期对应采样点数；Δi_p(k)为相电流故障分量，i_p(k)为采集到的电流。

3)将三相电流行波的故障分量Δi_A(k)、Δi_B(k)和Δi_C(k)代入到扩展的karrenbauer变换公式(2)中，得到故障电流的零模分量Δi₀(k)和三个线模分量Δi_α(k)、Δi_β(k)和Δi_γ(k)：

                            (2)

式中，Δi_A(k)、Δi_B(k)和Δi_C(k)分别为三相电流，Δi₀(k)为零模电流，Δi_α(k)、Δi_β(k)和Δi_γ(k)分别为三个线模电流。

4)对三相电流Δi_A(k)、Δi_B(k)、Δi_C(k)，零模电流Δi₀(k)及三个线模电流Δi_α(k)、Δi_β(k)和Δi_γ(k)分别进行3层离散小波分解，小波基选三次B样条，取二尺度下的小波系数W_φ，φ分别取A、B、C、0、α、β和γ，并按式(3)计算各量二尺度下小波系数的能量：

                                    (3)

5) 计算得到零模的能量值E₀=0.074，最大模量能量值为 0.244，零模的能量值E₀大于最大模量能量值的1%，判断为接地故障。

6) 最大相电流能量值为E_A=0.280。E_B=0.020，E_C=0.020，均小于20%E_A，故判断为A相接地故障。

本发明中对不同的故障类型、不同的接地电阻进行了仿真验证，得到的选相结果如表1所示；线路末端发生故障，不同故障初始角下的选相结果如表2所示。

 

 注：AG表示A相接地当故障，AB表示AB相间故障，ABG表示AB接地故障，ABC表示ABC三相短路；故障类型为AB相间故障时，故障初始角是以故障点处AB相电压的向量差为正弦函数时的角度；ABG和ABC故障时，故障初始角为A相的故障初始角。