CN102540019A - 一种测后模拟识别母线区内外故障的方法 - Google Patents

一种测后模拟识别母线区内外故障的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种测后模拟识别母线区内外故障的方法，属于电力系统继电保护技术领域。当系统母线发生内部故障时，将输电线路等效为一个rl电路模型，在短时窗内，实测母线处α模量的电压故障分量
Figure DEST_PATH_IMAGE003
和电流故障分量
Figure 354595DEST_PATH_IMAGE004
,然后分析rl模型的故障分量网络特性，利用基尔霍夫电压定理列出方程
Figure DEST_PATH_IMAGE005
，模拟计算出母线处电压
Figure 947436DEST_PATH_IMAGE006
，再计算出模拟电压
Figure 793033DEST_PATH_IMAGE006
波形与实测电压
Figure 803714DEST_PATH_IMAGE003
波形的相关系数r，将模拟电压与实测电压
Figure 54753DEST_PATH_IMAGE003
相比较，根据两者波形的相似程度和相关系数r，判断识别母线区内、外故障。本发明利用母线处α模量的电流故障分量
Figure 160615DEST_PATH_IMAGE004
，由基尔霍夫电压定理计算模拟电压量，再与其实测电压波形的进行相关性比较，识别母线区内外故障，具有识别区内外故障灵敏、可靠等优点，适宜在电力系统中推广使用。

Description

一种测后模拟识别母线区内外故障的方法
技术领域
本发明涉及一种测后模拟识别母线区内外故障的方法，属于电力系统母线区内外故障识别保护技术领域。
背景技术
母线是电力系统输配电的枢纽，在母线上连接着发电机，变压器，输电线路，配电线路等设备，其发生故障可能会破坏较大范围的电气设备、破坏电力系统稳定运行、破坏发电厂的正常运行甚至造成电力系统的瓦解、发生大面积用户停电。相对于线路保护的发展，母线保护的发展比较缓慢。因此，有必要加强对母线保护的研究。
目前的母线保护按通用的原理可以分为两种：电流差动式原理和电流相位比较式原理。虽然这两种原理基本能满足系统的要求，但在实际应用中依然存在不足。电流差动原理受负荷电流影响较大，电流相位比较式原理必须在母联电流存在的情况下才能动作，且这两种原理都不适用于3/2断路器接线的母线内部故障时有电流流出的情况，可能引起保护的误动和拒动。因此，需要进一步研究新的母线保护新原理。
通过对母线区内、外                                                
Figure DEST_PATH_IMAGE001
模量的故障分量网络的分析发现：当母线发生区内故障时，于短数据窗内，母线处
Figure 981936DEST_PATH_IMAGE001
模量的故障分量电压、电流满足基尔霍夫电压定理方程
Figure 119525DEST_PATH_IMAGE002
（电流方向以流入母线为正）；当发生区外故障时，母线处的电压电流故障分量不满足此方程。藉此，提出着眼于电压响应求解的区内外故障识别的测后模拟时域方法。
发明内容
本发明的目的是提出一种测后模拟识别母线区内外故障的方法，通过分析母线区内、外模量的故障分量的网络特性，实现对母线区内外故障快速、可靠的判断识别。
本发明的技术方案是：当母线发生内部故障时，将输电线路等效为一个
Figure DEST_PATH_IMAGE003
电路模型，在短时窗内，实测母线处
Figure 482078DEST_PATH_IMAGE001
模量的故障分量电压
Figure 362310DEST_PATH_IMAGE004
和分量电流
Figure DEST_PATH_IMAGE005
，然后分析
Figure 800244DEST_PATH_IMAGE003
模型的故障分量网络特性，利用基尔霍夫电压定理列出方程
Figure 673391DEST_PATH_IMAGE002
，模拟计算母线处
Figure 880382DEST_PATH_IMAGE001
模量的电压故障分量
Figure 931514DEST_PATH_IMAGE006
，再计算出模拟电压波形与实测电压
Figure 268003DEST_PATH_IMAGE004
波形的相关系数
Figure DEST_PATH_IMAGE007
，将模拟电压
Figure 532763DEST_PATH_IMAGE006
与实测电压相比较，根据两者波形的相关系数
Figure 964061DEST_PATH_IMAGE007
，判断识别母线区内、外故障。
本测后模拟识别母线区内外故障的方法的具体步骤是：
（1）母线发生故障后，在短时窗内，实测母线处模量的故障分量电压
Figure 360593DEST_PATH_IMAGE004
和分量电流
Figure 753528DEST_PATH_IMAGE005
，然后根据实测得到的
Figure 387772DEST_PATH_IMAGE001
模量故障分量电流
Figure 155482DEST_PATH_IMAGE005
和系统正序电阻值
Figure 457150DEST_PATH_IMAGE008
、正序电感值
Figure DEST_PATH_IMAGE009
，利用基尔霍夫电压定理列出的方程
Figure 20987DEST_PATH_IMAGE002
（电流方向以流入母线为正），模拟计算出母线处电压
Figure 142526DEST_PATH_IMAGE010
；
（2）根据如下相关系数公式，计算模拟电压
Figure 699279DEST_PATH_IMAGE006
波形与实测电压
Figure 855453DEST_PATH_IMAGE004
波形之间的相关系数
Figure 590191DEST_PATH_IMAGE007
；
Figure DEST_PATH_IMAGE011
；
式中，N为测量数据的长度，k表示第1,2,3……N个采样点；
Figure 385978DEST_PATH_IMAGE007
的取值区间为[-1，+1]，+1表示两个信号100%正相关，-1表示两个信号100%负相关；
（3）根据计算出的相关系数
Figure 293891DEST_PATH_IMAGE007
，判断识别母线区内、外故障；时，为母线区内故障；
Figure DEST_PATH_IMAGE013
时，为母线区外故障。
本发明中，测量母线处
Figure 210211DEST_PATH_IMAGE001
模量的故障分量电压时，短时窗的长度为3ms，采样频率为20kHZ。
本发明的原理是：
1、母线区内外故障特征的短窗描述
（1）线区内故障
当母线区内故障时，故障分量网络如图2所示，图中，为母线上的故障分量电压，
Figure 204898DEST_PATH_IMAGE014
(
Figure DEST_PATH_IMAGE015
=1,2…n)分别为与母线相连接的各回出线上流过的故障分量电流。
当发生母线区内故障时，根据基尔霍夫电流定理，可将母线上故障分量电压和故障分量电流的关系表示为：
Figure 7769DEST_PATH_IMAGE002
；
其中，系统正序电感值
Figure 336507DEST_PATH_IMAGE016
，正序电阻值
Figure DEST_PATH_IMAGE017
，
Figure 919935DEST_PATH_IMAGE018
（
Figure DEST_PATH_IMAGE019
）为差动电流
Figure 372913DEST_PATH_IMAGE005
在各回出线上的分支系数。
观察上述方程式可知，在采样频率为20kHz、数据窗长度为3ms的短时窗内，当母线发生区内故障时，由基尔霍夫电流定理列出的方程模拟计算出母线处故障分量电压与实测电压波形相正相关（如图5所示）。
(2)母线区外故障
当母线区外故障时，故障分量网络如图3所示。图中，
Figure 589316DEST_PATH_IMAGE004
为母线上的故障分量电压，
Figure 597724DEST_PATH_IMAGE014
(
Figure 651130DEST_PATH_IMAGE015
=1,2…n)分别为与母线相连接的各回出线上流过的故障分量电流。
当发生母线区外故障时，根据基尔霍夫电流定理，母线上故障分量电压和故障分量电流的关系为：
Figure DEST_PATH_IMAGE021
观察上述方程式可知，在采样频率为20kHz、数据窗长度为3ms的短时窗内，当母线发生区外故障时，由基尔霍夫电流定理列出的方程模拟计算出母线处故障分量电压与实测电压波形相负相关（如图6、图7、图8所示）；
2、利用测后模拟进行区内外故障识别的相关系数
利用相关系数来刻画模拟电压和实测电压的相关程度，构造母线区内外故障的识别判据。
信号f(t)和g(t)的互相关函数的严格定义如下：
；
式中，T是平均时间，t是时间，τ是表征其中一个信号在时间上移动（超前或滞后）τ时间。互相关函数表征两个信号的乘积的时间平均。
如果f(t)和g(t)是周期为T 0的周期信号，则上式可以表示为：
Figure DEST_PATH_IMAGE023
；
将相关函数离散化，并排除信号幅度的影响，对相关运算做归一化。对于离散实测电压信号
Figure 654224DEST_PATH_IMAGE024
和模拟电压
Figure 432693DEST_PATH_IMAGE020
，相关函数可以表示为：
；
式中，N为数据长度，j表征两个信号相差的采样点数，
Figure 64663DEST_PATH_IMAGE015
=0,1,2…n；当j取零时，上式可以表示为:
Figure 981804DEST_PATH_IMAGE026
；
模拟电压值与实测电压值的相关系数r可表示为：
Figure 951421DEST_PATH_IMAGE011
；
式中，N为数据长度，k表示第1,2,3……N个采样点。r的取值区间为[-1，+1]，+1表示两个信号100%正相关，-1表示两个信号100%负相关。
3、基于测后模拟的区内、区外故障的甄别
根据实测得到的模量的故障分量电流
Figure DEST_PATH_IMAGE027
和系统正序电阻值
Figure 98686DEST_PATH_IMAGE008
、正序电感值
Figure 921148DEST_PATH_IMAGE009
，利用基尔霍夫电压定理列出的方程
Figure 375132DEST_PATH_IMAGE002
（电流方向以流入母线为正），模拟计算出母线处电压，然后将模拟电压和实测电压进行比较。
若假设为真，实测电压波形和模拟电压波形正相关；而当假设为假时，实测电压波形和模拟电压波形差异较大，且表现为负相关。
由此，得出如下判据：
若
Figure 180594DEST_PATH_IMAGE012
，则为母线故障；
若
Figure 173958DEST_PATH_IMAGE013
，则为非母线故障。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
（1）利用测后模拟的时域算法进行区内外故障识别，在原理上不受过渡电阻的影响，能够正确识别母线高阻故障。
（2）采用测后模拟的区内外故障识别的时域方法，综合利用了每一频率分量的相位关系和幅值信息，克服了单一信息检测故障的缺陷。
（3）采用测后模拟的区内外故障识别算法实质是边界元件算法，传递的对端信息仅为相关系数之极性。动作可靠性和灵敏性明显优于现有的差动保护，用它可加速母线的后备保护。
（4）利用测后模拟算法进行母线区内外故障识别，只需提取故障后几毫秒以内的高频暂态行波信息，可以避免TA饱和的影响，并且不受过渡电阻、负荷电流、系统振荡等因素的影响，因而在一定程度上克服现有母线保护存在的困难，有效提高了保护的速动性、灵敏性，具有实际研究意义。
附图说明
图1为本发明单母线正常运行结构示意图；图中，对于母线M，假设其上有n条支路，电流以母线流向线路的方向为正，(
Figure 852250DEST_PATH_IMAGE030
=1,2…n)分别为各条支路的系统阻抗的电阻分量，
Figure DEST_PATH_IMAGE031
(
Figure 313318DEST_PATH_IMAGE030
=1,2…n)分别为各条支路的系统阻抗的电感分量，
Figure 930113DEST_PATH_IMAGE032
(
Figure 171739DEST_PATH_IMAGE030
=1,2…n)分别为各条支路的线路阻抗的电阻分量，(=1,2…n)分别为各条支路的线路阻抗的电感分量；
图2为本发明单母线内部故障时故障附加状态示意图；图中，对于母线M，假设其上有n条支路，电流以母线流向线路的方向为正，
Figure 28016DEST_PATH_IMAGE028
(=1,2…n)分别为各条支路的系统阻抗的电阻分量，
Figure 281985DEST_PATH_IMAGE031
(
Figure 298482DEST_PATH_IMAGE030
=1,2…n)分别为各条支路的系统阻抗的电感分量，
Figure 796460DEST_PATH_IMAGE032
(
Figure 755057DEST_PATH_IMAGE030
=1,2…n)分别为各条支路的线路阻抗的电阻分量，
Figure 705696DEST_PATH_IMAGE033
(=1,2…n)分别为各条支路的线路阻抗的电感分量；
Figure 878368DEST_PATH_IMAGE004
为母线上的故障分量电压，(
Figure 445802DEST_PATH_IMAGE015
=1,2…n)分别为与母线相连接的各回出线上流过的故障分量电流。母线故障时的差动电流
Figure 866419DEST_PATH_IMAGE034
；
图3为本发明单母线外部故障时故障附加状态示意图；图中，对于母线M，假设其上有n条支路，电流以母线流向线路的方向为正，
Figure 276671DEST_PATH_IMAGE028
(
Figure 390121DEST_PATH_IMAGE030
=1,2…n)分别为各条支路的系统阻抗的电阻分量，
Figure 502302DEST_PATH_IMAGE031
(
Figure 726610DEST_PATH_IMAGE030
=1,2…n)分别为各条支路的系统阻抗的电感分量，
Figure 725790DEST_PATH_IMAGE032
(
Figure 10141DEST_PATH_IMAGE030
=1,2…n)分别为各条支路的线路阻抗的电阻分量，
Figure 600829DEST_PATH_IMAGE033
(
Figure 628828DEST_PATH_IMAGE030
=1,2…n)分别为各条支路的线路阻抗的电感分量；
Figure 748094DEST_PATH_IMAGE004
为母线上的故障分量电压，
Figure 937767DEST_PATH_IMAGE014
(
Figure 24540DEST_PATH_IMAGE015
=1,2…n)分别为与母线相连接的各回出线上流过的故障分量电流。母线故障时的差动电流
Figure 590651DEST_PATH_IMAGE034
；
图4为母线内部故障附加状态等效网络图；假设图1中各回出线的阻抗的阻抗角近似相等，且差动电流在各回出线上的分支系数
Figure 190577DEST_PATH_IMAGE018
（）为实数，
Figure 134448DEST_PATH_IMAGE016
；
Figure 25043DEST_PATH_IMAGE017
；
图5为本发明实施例1单母线接线下母线区内故障时母线处实测模量的故障分量电压和模拟电压波形图；图中，
Figure DEST_PATH_IMAGE035
为实测电压，
Figure 555568DEST_PATH_IMAGE010
为模拟电压，t/ms为时间/毫秒，u/kV为电压/千伏；
图6为本发明实施例2单母线接线下出线1故障时母线处实测模量的故障分量电压和模拟电压波形图；图中，
Figure 677425DEST_PATH_IMAGE035
为实测电压，
Figure 645381DEST_PATH_IMAGE010
为模拟电压，t/ms为时间/毫秒，u/kV为电压/千伏；
图7为本发明实施例3单母线接线下出线2故障时母线处实测
Figure 931393DEST_PATH_IMAGE001
模量的故障分量电压和模拟电压波形图；图中，为实测电压，
Figure 445868DEST_PATH_IMAGE010
为模拟电压，t/ms为时间/毫秒，u/kV为电压/千伏；
图8为本发明实施例4单母线接线下出线3故障时母线处实测
Figure 771676DEST_PATH_IMAGE001
模量的故障分量电压和模拟电压波形图；图中，
Figure 355104DEST_PATH_IMAGE035
为实测电压，
Figure 542503DEST_PATH_IMAGE010
为模拟电压，t/ms为时间/毫秒，u/kV为电压/千伏。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步阐述，但本发明的保护范围不限于所述内容。
实施例1：系统为单母线接线、三回出线，线路为分裂导线，采用考虑频变影响的分布参数模型（J.Marti依频率线路模型），出线长度300km, 其中，
Figure 527776DEST_PATH_IMAGE036
，
Figure DEST_PATH_IMAGE037
，，，
Figure 32893DEST_PATH_IMAGE040
，
Figure DEST_PATH_IMAGE041
，系统发生A相接地故障，接地电阻为10欧姆。
当母线发生内部故障时，将电力网络等效为一个
Figure 273250DEST_PATH_IMAGE003
电路模型，在短时窗内，实测母线处模量的故障分量电压
Figure 531373DEST_PATH_IMAGE004
和分量电流,然后分析
Figure 870792DEST_PATH_IMAGE003
模型的故障分量网络特性，利用基尔霍夫电压定理
Figure 502762DEST_PATH_IMAGE002
（电流方向以流入母线为正），模拟计算母线处电压，再计算出模拟电压
Figure 386590DEST_PATH_IMAGE006
波形与实测电压
Figure 719483DEST_PATH_IMAGE042
波形的相关系数，将模拟电压
Figure 543268DEST_PATH_IMAGE006
与实测电压
Figure 810301DEST_PATH_IMAGE004
相比较，根据两者波形的相似程度和相关系数
Figure 9202DEST_PATH_IMAGE007
，判断识别母线区内、外故障。具体步骤是：
（1）母线发生故障后，取采样频率为20kHz、短时窗3ms，实测母线处模量的故障分量电压
Figure 609127DEST_PATH_IMAGE004
和分量电流
Figure 550407DEST_PATH_IMAGE005
；然后根据实测得到的
Figure 287419DEST_PATH_IMAGE001
模量故障分量电流
Figure 748487DEST_PATH_IMAGE005
和系统正序电阻值
Figure 178332DEST_PATH_IMAGE008
、正序电感值，利用基尔霍夫电压定理列出的方程
Figure 884961DEST_PATH_IMAGE002
（电流方向以流入母线为正），模拟计算出母线处电压
Figure 466115DEST_PATH_IMAGE010
；
（2）根据如下相关系数公式，计算模拟电压
Figure 801282DEST_PATH_IMAGE006
波形与实测电压
Figure 530203DEST_PATH_IMAGE004
波形之间的相关系数
Figure 795968DEST_PATH_IMAGE007
；
Figure 293946DEST_PATH_IMAGE011
；
其中，测量数据长度N=60，k表示第1,2,3……N个采样点；
（3）根据相关系数识别区内外故障
通过计算可知，当母线发生故障时，母线处实测电压与模拟电压的相关系数为正，
Figure 737697DEST_PATH_IMAGE007
=0.2346>0，据此判断为母线故障。
实施例2：系统母线结构和参数与实施例1相同。出线1发生 A相接地故障（A-G），故障位置距母线200km，过渡电阻10欧姆。短数据窗（时间窗）长度取3ms，采样频率为20kHz。
取采样频率为20kHz、短时窗3ms，测量数据长度N=60。出线1发生故障后，按实施例1相同的方法，根据实测得到的
Figure 953914DEST_PATH_IMAGE001
模量的故障分量电流
Figure 23370DEST_PATH_IMAGE027
和系统正序电阻值
Figure 375854DEST_PATH_IMAGE008
、正序电感值
Figure 256086DEST_PATH_IMAGE009
，计算出母线处模拟电压和模拟电压波形与实测电压波形的相关系数，得到
Figure DEST_PATH_IMAGE043
=-0.5815<0，据此判断为非母线故障;
实施例3：系统母线结构与参数同例1。出线2发生A相接地故障（A-G），故障位置距母线150km，过渡电阻10欧姆。短数据窗（时间窗）长度取3ms，采样频率为20kHz。
取采样频率为20kHz、短时窗3ms，测量数据长度N=60。出线2发生故障后，按实施例1相同的方法，根据实测得到的模量的故障分量电流和系统正序电阻值
Figure 774157DEST_PATH_IMAGE008
、正序电感值
Figure 559711DEST_PATH_IMAGE009
，计算出母线处模拟电压和模拟电压波形与实测电压波形的相关系数，得到=-0.6348<0，据此判断为非母线故障;
实施例4：系统母线结构与参数同例1。出线3发生A相接地故障（A-G），故障位置距母线100km，过渡电阻10欧姆，短数据窗（时间窗）长度取3ms，采样频率为20kHz。
取采样频率为20kHz、短时窗3ms，测量数据长度N=60。出线3发生故障后，按实施例1相同的方法，根据实测得到的模量的故障分量电流
Figure 237925DEST_PATH_IMAGE027
和系统正序电阻值、正序电感值
Figure 872485DEST_PATH_IMAGE009
，计算出母线处模拟电压和模拟电压波形与实测电压波形的相关系数，得到
Figure 821856DEST_PATH_IMAGE044
=-0.5706<0，据此判断为非母线故障。

Claims (3)

1.一种测后模拟识别母线区内外故障的方法，其特征在于：当母线发生内部故障时，将输电线路等效为一个                                                
Figure 261865DEST_PATH_IMAGE001
电路模型，在短时窗内，实测母线处
Figure 777160DEST_PATH_IMAGE002
模量的故障分量电压
Figure 700117DEST_PATH_IMAGE003
和分量电流
Figure 9875DEST_PATH_IMAGE004
，然后分析
Figure 1971DEST_PATH_IMAGE001
模型的故障分量网络特性，利用基尔霍夫电压定理列出方程
Figure 55378DEST_PATH_IMAGE005
，模拟计算母线处
Figure 832841DEST_PATH_IMAGE002
模量的电压故障分量
Figure 313501DEST_PATH_IMAGE006
，再计算出模拟电压波形与实测电压
Figure 649990DEST_PATH_IMAGE003
波形的相关系数
Figure 609856DEST_PATH_IMAGE007
，将模拟电压
Figure 199100DEST_PATH_IMAGE006
与实测电压相比较，根据两者波形的相关系数
Figure 563927DEST_PATH_IMAGE007
，判断识别母线区内、外故障。
2.根据权利要求1所述的测后模拟识别母线区内外故障的方法，其特征在于检测识别方法的具体步骤是：
（1）母线发生故障后，在短时窗内，实测母线处
Figure 378299DEST_PATH_IMAGE002
模量的故障分量电压
Figure 138445DEST_PATH_IMAGE003
和分量电流
Figure 592429DEST_PATH_IMAGE004
，然后根据实测得到的
Figure 791329DEST_PATH_IMAGE002
模量故障分量电流
Figure 397891DEST_PATH_IMAGE004
和系统正序电阻值、正序电感值
Figure 332535DEST_PATH_IMAGE009
，利用基尔霍夫电压定理列出方程
Figure 335126DEST_PATH_IMAGE005
，模拟计算出母线处电压
Figure 796194DEST_PATH_IMAGE010
；
（2）根据如下相关系数公式，计算模拟电压
Figure 147410DEST_PATH_IMAGE006
波形与实测电压
Figure 389035DEST_PATH_IMAGE003
波形之间的相关系数
Figure 929738DEST_PATH_IMAGE007
；
Figure 245313DEST_PATH_IMAGE011
；
式中，N为测量数据的长度，k表示第1,2,3……N个采样点；
（3）根据计算出的相关系数
Figure 846058DEST_PATH_IMAGE007
，判断识别母线区内、外故障；
Figure 499281DEST_PATH_IMAGE012
时，为母线区内故障；
Figure 843675DEST_PATH_IMAGE013
时，为母线区外故障。
3.根据权利要求1或2所述的测后模拟识别母线区内外故障的方法，其特征在于：测量母线处
Figure 13756DEST_PATH_IMAGE002
模量的故障分量电压时，短时窗的长度为3ms，采样频率为20kHz。
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