CN100527557C - 一种输电线路不同期合闸的行波合闸保护方法 - Google Patents

Abstract

一种适用于输电线路不同期合闸的行波合闸保护方法，属电力系统继电保护领域。方法为：采集三相电流、电压行波；进行相模变换，得到零模和三个线模α、β与γ；分别计算三个线模的正、反向行波；利用三次B样条小波寻找三个线模的正、反向行波的初始行波波头并获得正、反向初始行波波头到达的时刻T_f，m和T_b，m，下标m表示αβγ三个线模；根据T_f，m和T_b，m用一定时间内的数据计算三个线模正向行波与反向行波的相关系数C_oeff，m；若C_oeff，m有一个小于整定值C_zd，则认为线路有故障；若C_oeff，m都大于整定值C_zd，则需判断三相断路器是否已经全部闭合，当判为已经闭合则线路无故障，否则在一定的延迟后重新计算C_oeff，m再行相应的判断，直到三个断路器都已闭合。本方法在各种情况下保护都可正确动作。

Description

一种输电线路不同期合闸的行波合闸保护方法

技术领域：

本发明涉及一种输电线路不同期合闸的行波合闸保护方法，属电力系统继电保护领域。

背景技术：

由于行波保护具有超高速动作特性，原理上不受过渡电阻大小、故障位置等因素影响，是一种理想的保护(参考文献1)，因此受到广大电力工作者的广泛关注，并提出了许多的行波保护原理(参考文献2-8)。在这些原理中，大多数行波保护原理主要针对正常运行线路中发生故障的情况，因此不适用于合闸的情况，特别是不适用于不同期合闸的情况。为此，一些学者对合闸到故障的行波保护方法进行了研究。文献9使用电压行波提出了一种合闸到故障的行波识别方法，它主要基于初始行波与第二个行波的极性关系、行波测距结果、第二个行波的李氏指数进行判断，但没有考虑线路末端故障以及断路器的不同期合闸，并且在线路有故障与无故障情况下第二个行波的李氏指数差别很小，很难使用李氏指数识别出线路是否存在故障。文献10根据线路故障时反向电压行波与正向电压行波极性相反的原理提出了一种合闸到故障的识别方法，该方法考虑了断路器的不同期合闸，但没有考虑线路末端故障的情况。以上两种识别方法只能用于非末端故障，当线路末端故障时，测距结果、正反向行波的极性可能出现与无故障线路空载合闸相同的情况。

经文献检索，未见与本发明相同的公开报道。

参考文献：

[1]董新洲，葛耀中，贺家李等。输电线路行波保护的现状与展望。电力系统自动化，2000，24(9)：56-60

[2]董杏丽，葛耀中，董新洲。基于小波变换的行波测距式距离保护原理的研究。电网技术，2001，25(7)：9-13

[3]司大军，束洪春，陈学允。一种新的相间行波距离保护方法。电力系统自动化，2003，27(11)：41-44，52

[4]段建东，张保会，张胜祥。利用线路暂态行波功率方向的分布式母线保护。中国电机工程学报，2004，24(6)：7-12

[5]Dommel H W，Michels J M，High Speed Relaying Using Travelling Wave TransientAnalysis[A].IEEE PES Winter Meeting[C].New York，1978

[6]Chamia M，Liberman S.Ultra High Speed Relay for EHV/UHY Transmission Lines—Development，Design and Application[J].IEEE Trans on Power Apparatus and Systems，1978，97(6)：2104-2116

[7]胡文丽，焦彦军，崔鸿斌。基于小波变换的新型暂态行波方向保护。电网技术，2005，29(3)：68-71，80

[8]张举，张晓东，林涛。基于小波变换的行波电流极性比较式方向保护。电网技术，2004，28(4)：51-54

[9]L.Shang，G.Herold，J.Jaeger.A New Approach to High-speed Protection fortransmission Line Based on Transient Signal Analysis Using Wavelets.Developments inPower System Protection IEE 2001，2001，173-176

[10]董杏丽，葛耀中，董新洲。行波保护中合闸到故障线路的检测方法。中国电机工程学报，2002，22(10)：77-80，90

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术之不足，而提供一种适用于输电线路不同期合闸的行波合闸保护方法。

本发明首先对单相输电线路进行了研究，通过比较合闸到有、无故障线路产生行波的不同得出单相输电线路识别合闸到故障线路的方法。在此基础上，根据三相输电线路可以使用相模变换将其解耦为三个相互独立的单相输电线路的原理，提出了一种考虑不同期合闸的输电线路行波合闸保护方法。

本发明的技术方案如下：

一.单相输电线路

根据行波的折、反射理论，对于单相无损线路，当合闸到无故障的线路，电流行波在线路末端的反射为-1，在线路首端(合闸端)检测到的反向电流行波将与正向行波大小相同但极性相反。而当线路存在故障时，电流行波在故障点的反射系数将不再是-1。若故障位于线路中部，线路首端检测到的反向电流行波将与正向行波极性相反；若故障位于线路末端，反向初始电流行波的极性与正向电流行波的极性关系将与过渡电阻大小有关，极性可能相同也可能相反，但极性相反时大小不会相近。因此根据正向行波与反向行波初始波头的大小与极性关系就可以识别线路是否存在故障，考虑到线路无故障时行波仅在线路末端发生反射且电流行波反射系数为-1，合闸后较长一段时间内反向行波将是正向行波经过时间τ(τ为行波从线路一侧传播到另一侧所需要的时间)的延迟再取反，即：

i_b(t)＝-i_f(t-τ)   (a)

式(a)中i_b(t)表示反向行波，i_f(t)表示正向行波。对于无损单相线路，当线路存在故障时，式(a)不再满足，这样通过检测正向行波与反向行波是否满足式(a)就可以判断在合闸时线路是否有故障。

实际中由于输电线路存在比较小的损耗，因此实际中的有损的输电线路可以近似满足式(a)。为了便于形成保护判据，将i_b(t)和i_f(t)离散化并引入了反向行波与正向行波的相关系数C_oeff(n)，其定义如式(b)所示：

$C_{\mathrm{oeff}}\left(n\right)=\frac{\underset{k=n}{\overset{M+n-1}{\mathrm{\Σ}}}\left[i_f(k+T_f)i_b(k+T_b)\right]}{\underset{k=n}{\overset{M+n-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left[i_f(k+T_f)\right]}^2}---\left(b\right)$

式(b)中，n表示计算相关系数所取数据的起始点，M为计算相关系数对应的时窗宽度，以采样点数表示，T_f和T_b为正、反向行波的初始行波波头到达的时刻。虽然仅用正向与反向行波初始波头的大小与极性就可以判断线路是否存在故障，但从可靠性上讲，使用一定时间内的行波进行计算比仅用一个行波波头的大小与极性判断有更高的可靠性。

二.三相输电线路

对于存在耦合的三相输电线路，根据相模变换理论将三相线路解耦为三个相互独立的单相线路，即三相输电线路可以解耦为一个零模和两个线模，并以单相线路进行分析与计算。由于零模的参数受大地电阻率、频率等因素影响很大，而线模参数受这些因素影响较小，因此本方法使用常规的线模构造保护算法。为了便于保护判断，本方法再增加一个线模，利用三个线模构成保护，使用扩展的相模变换矩阵T′如式(c)所示。那么使用T′矩阵可以将A、B、C三相变换为0、α、β、γ四个模量，其中α、β、γ三个模量为线模，它们是线性相关的。

$T\′=\left[\begin{array}{ccc}1& 1& 1\\ 1& -1& 0\\ 1& 0& -1\\ 0& 1& -1\end{array}\right]---\left(c\right)$

此外，单相输电线路与三相输电线路还有一个重大的不同是，单相输电线路不存在不同期合闸的问题，而三相输电线路断路器的三个触头是不同期闭合的，即三相输电线路存在不同期合闸的问题。表现在以下两个方面：

1、由后合闸两相构成线模行波的反向行波可能不是这个模量的正向行波的反射波，而是其它模行波的透射波。为了便于说明，假设三相线路参数对称，C相某处带有接地故障，而合闸顺序为：A→B→C。当A相闭合瞬间，将产生α、β模行波。由于此时B、C两相电压相等且无电流，因此γ模行波为0。当α、β模行波到达故障点时，由于线路在故障点不能解耦，模量间在故障点存在耦合，因此α、β模行波将透射到γ模中，形成γ模的反向行波。可见，此时的γ模反向行波不是由γ模正向行波反射形成。

因此，使用后合两相构成的行波进行判断时，若在故障点存在其它模量对该模的透射，则所得出的结果是没有意义的。

2、当线路末端存在过渡电阻较大的故障、故障相不是先合相且先合相与故障相的合闸时间相差较大时，由先合相与故障相构成的线模行波中，正向行波与反向行波的关系能近似满足式(a)。下面将举例进行说明，设图1中线路l₁末端(N侧)C相带有200Ω过渡电阻的接地故障，仅A相合闸而其它两相不合(先合相与故障相的合闸时间差为无穷大)，合闸端(M侧)检测到的β模正向电流行波与反向电流行波波形如图2所示。由图2可见，正向电流行波与反向电流行波近似满足式(a)。而此时的α模在理论上也是近似满足式(a)的，γ模又没有使用价值，因此这种情况下将不能判断出线路存在故障。虽然实际中不会出现一相合闸之后，其它相不合的情况，但实际中允许三相不同期合闸的时间差为10ms，而10ms对于行波是一个比较长的时间。

对于第一种情况，可以先判断先合相与其它两相构成的行波是否满足式(a)，若不满足则线路存在故障，否则再判断由后合两相构成的行波是否满足式(a)，若不满足则线路存在故障，否则线路无故障。对于第二种情况，不能只用合闸后一段时间的数据进行判断，而应该不断的使用最新数据进行判断，直到三相断路器都已闭合为止。

三.本方法的具体步骤如下：

步骤一：采集线路合闸产生的三相电流行波与线路侧三相电压行波；

步骤二：将采集到的电流行波与电压行波使用 $T\′=\left[\begin{array}{ccc}1& 1& 1\\ 1& -1& 0\\ 1& 0& -1\\ 0& 1& -1\end{array}\right]$ 式进行相模变换，得到零模与三个线模α模、β模与γ模；

步骤三：提取αβγ三个线模，分别使用式 $i_{f,m}\left(n\right)=\frac{u_m\left(n\right)+Z_{c,m}{i}_m\left(n\right)}{2}$ 和式 $i_{b,m}\left(n\right)=\frac{u_m\left(n\right)-Z_{c,m}{i}_m\left(n\right)}{2}$ 计算三个线模的正向行波i_f，m(n)与反向行波i_b，m(n)，式中，n表示采样点，下标m表示αβγ三个线模，

和i_m(n)分别为αβγ三个线模的电压和电流行波；

步骤四：利用三次B样条小波寻找αβγ三个线模正、反向行波的初始行波波头。得到αβγ三个线模正、反向行波的初始行波波头到达的时刻T_f.m和T_b.m；

步骤五：令计算反向行波与正向行波的相关系数的起始时间T_st＝0；

步骤六：将三个线模的T_f.m、T_b.m以及T_st分别代入 $C_{\mathrm{oeff}}\left(n\right)=\frac{\underset{k=n}{\overset{M+n-1}{\mathrm{\Σ}}}\left[i_f(k+T_f)i_b(k+T_b)\right]}{\underset{k=n}{\overset{M+n-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left[i_f(k+T_f)\right]}^2}$ 中的T_f、T_b以及n，计算三个线模正向行波与反向行波的相关系数C_oeff，m(T_st)，式中；n表示计算相关系数所取数据的起始点，M为计算相关系数对应的时窗宽度，以采样点数表示，T_f和T_b为正、反向行波的初始行波波头到达的时刻；

步骤七：若αβγ三个线模正、反向行波的相关系数C_oeff，m中有一个小于整定值C_zd，则认为线路有故障；若三个线模的C_oeff，m均大于C_zd，则需要判断三相断路器是否已经闭合，当判断为三相断路器已经闭合则判断为线路无故障，否则令T_st＝T_st+N，将计算相关系数的时间向后推移一定时间，转入步骤五重新计算，其中N表示向后推移的时间步长。

本发明的优点在于：

1.由于本方法是基于线路无故障时电流行波在线路末端的反射系数为-1，而在有故障情况下故障点的反射系数不是-1的原理构成，因此不仅可以适用于线路中部故障，而且适用于线路末端故障，可以保证在各种情况下都可以正确动作。

2.本方法不使用行波波头构成保护算法，而利用一段时间(如：3ms)内正向行波与反向行波的相关性构成，由于使用了更多的数据，可以更有效地克服干扰的影响，此外还可以适用于电压过零附近故障行波波头微弱的情况。

附图说明：

图1双电源输电系统；

图2β模正向电流行波与反向电流行波波形。

具体实施方式：

本方法实现步骤如下：

1.对线路合闸产生的行波进行采集，采集量包括三相电流行波与线路侧三相电压行波，采集时间需要含盖整个不同期合闸的过程，并有一定的裕度；

2.将采集到的电流行波与电压行波使用式(c)进行相模变换，得到零模与三个线模α模、β模与γ模；

3.提取αβγ三个线模，分别使用式 $i_{f,m}\left(n\right)=\frac{u_m\left(n\right)+Z_{c,m}{i}_m\left(n\right)}{2}$ 和式 $i_{b,m}\left(n\right)=\frac{u_m\left(n\right)-Z_{c,m}{i}_m\left(n\right)}{2}$ 计算三个线模的正向行波i_f.m(n)与反向行波i_b.m(n)；

4.利用三次B样条小波寻找αβγ三个线模正、反向行波的初始行波波头。得到αβγ三个线模正、反向行波的初始行波波头到达的时刻T_f.m和T_b.m；

5.令计算反向行波与正向行波的相关系数的起始时间T_st＝0；

6.将三个线模的T_f，m、T_b，m以及T_st分别代入 $C_{\mathrm{oeff}}\left(n\right)=-\frac{\underset{k=n}{\overset{M+n-1}{\mathrm{\Σ}}}\left[i_f(k+T_f)i_b(k+T_b)\right]}{\underset{k=n}{\overset{M+n-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left[i_f(k+T_f)\right]}^2}$ 中的T_f、T_b以及n，计算三个线模正向行波与反向行波的相关系数C_oeff，m(T_st)，式中；n表示计算相关系数所取数据的起始点，M为计算相关系数对应的时窗宽度，以采样点数表示，T_f和T_b为正、反向行波的初始行波波头到达的时刻；

7.若αβγ三个线模正、反向行波的相关系数C_oeff，m有一个小于保护的整定值C_zd，则认为线路有故障；若三个线模的C_oeff，m均大于，则需要判断三相断路器是否已经闭合，当判断为三相断路器已经闭合则判断为线路无故障，否则令T_st＝T_st+N，将计算相关系数的时间向后推移一定时间，转入第5步重新计算。其中N表示向后推移的时间步长。

本发明经大量的电磁暂态仿真证明，该方法不仅可以适用于线路中部故障，而且适用于线路末端故障，可以保证在各种情况下都可以正确动作。能有效地克服干扰的影响，还可以适用于电压过零附近故障行波波头微弱的情况。

Claims (1)

1、一种输电线路中不同期合闸的行波合闸保护方法，其特征在于本方法的实现步骤如下：

步骤一：采集线路合闸产生的三相电流行波与线路侧三相电压行波；

步骤二：将采集到的电流行波与电压行波使用 $T\′=\left[\begin{array}{ccc}1& 1& 1\\ 1& -1& 0\\ 1& 0& -1\\ 0& 1& -1\end{array}\right]$ 式进行相模变换，得到零模与三个线模α模、β模与γ模；

步骤三：提取αβγ三个线模，分别使用式 $i_{f,m}\left(n\right)=\frac{u_m\left(n\right)+Z_{c,m}{i}_m\left(n\right)}{2}$ 和式 $i_{b,m}\left(n\right)=\frac{u_m\left(n\right)-Z_{c,m}{i}_m\left(n\right)}{2}$ 计算三个线模的正向行波i_f，m(n)与反向行波i_b，m(n)，式中，n表示采样点，下标m表示αβγ三个线模，u_m(n)和i_m(n)分别为αβγ三个线模的电压和电流行波；

步骤四：利用三次B样条小波寻找αβγ三个线模正、反向行波的初始行波波头。得到αβγ三个线模正、反向行波的初始行波波头到达的时刻T_f，m和T_b，m；

步骤五：令计算反向行波与正向行波的相关系数的起始时间T_st＝0；

步骤六：将三个线模的T_f，m、T_b，m以及T_st分别代入 $C_{\mathrm{oeff}}\left(n\right)=-\frac{\underset{k=n}{\overset{M+n-1}{\mathrm{\Σ}}}\left[i_f(k+T_f)i_b(k+T_b)\right]}{\underset{k=n}{\overset{M+n-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left[i_f(k+T_f)\right]}^2}$ 中的T_f、T_b以及n，计算三个线模正向行波与反向行波的相关系数C_oeff，m(T_st)，式中；n表示计算相关系数所取数据的起始点，M为计算相关系数对应的时窗宽度，以采样点数表示，T_f和T_b为正、反向行波的初始行波波头到达的时刻；

步骤七：若αβγ三个线模正、反向行波的相关系数C_oeff，m中有一个小于整定值

则认为线路有故障；若三个线模的C_oeff，m均大于，则需要判断三相断路器是否已经闭合，当判断为三相断路器已经闭合则判断为线路无故障，否则令T_st＝T_st+N，将计算相关系数的时间向后推移一定时间，转入步骤五重新计算，其中N表示向后推移的时间步长。

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