CN103166205A - 输电线路暂态高频分量处理量差动纵联保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明是电力输电线路暂态保护方案。由于输电线在短路故障情况下，产生大量暂态高频信号，母线对地存在杂散电容，故障电流或电压高频分量通过母线时会显著减小，同一故障高频分量在被保护线路母线内侧检测到的值总是大于或丰富于在外侧检测到的值。本发明利用上述原理，采集被保护线路两端母线内侧、外侧的电流或电压，提取其高频分量，通过适当处理，计算母线内、外两侧暂态高频分量处理量的差，如能量差、或熵差、或复杂度差、或奇异度差、或模极大值差、或其它处理量差值，基于输电线路两端的暂态高频分量处理量的差值，判别区内、区外故障，从而实现线路的保护。该保护原理简单、具有绝对的选择性、性能稳定可靠、动作快速、能保护线路全长。

Description

输电线路暂态高频分量处理量差动纵联保护方法

技术领域

本发明涉及电力输电线路保护技术，尤其涉及到利用输电线路的暂态高频分量处理量之差(暂态电流高频分量处理量之差，或暂态电压高频分量处理量之差)，从而实现保护区内故障还是区外故障的识别，以进行保护的方法。

背景技术

电流差动保护是电力系统中应用最为广泛的保护原理之一。该原理被誉为具有绝对选择性的快速保护。但是，随着电力系统规模的日益扩大，要求继电保护切除故障的时间更短。目前，在电力系统中广泛采用基于故障工频量变化特征的纵联保护方案，整套保护动作速度不够快，难以满足超高、特高压线路保护的需要。

随着信号处理手段不断改善提高，利用线路故障暂态高频分量构成的线路保护可以更大限度的提高保护动作速度。近年来，国内外学者提出了一系列基于线路单端暂态量的超高速保护，其中最为典型的是基于单端量不同高频段能量比值来实现的保护。该原理利用暂态信号通过母线时，其中的高频分量衰减得多，低频分量衰减得少，这样根据能量比值不同，从而判断区内/区外故障。这一原理存在固有缺陷，实际电力系统故障情况非常复杂且多变，不同故障情况下产生的暂态信号中包含的高频分量成分与低频分量成分相差很大，致使某些情况下区外故障的高、低频分量的能量比值，可能比区内故障时高、低频分量的能量比值大很多，导致在线路一端检测到区外故障时高、低频分量的能量比值反而比区内故障情况下的比值大，致使保护误动作。同时由于采用能量比值构成故障判据的方法使用了除法，这样很容易放大小信号的干扰，使得计算的比值不能完全真实反应实际情况，容易不稳定，抗干扰性差，最终导致保护装置可靠性降低。其它基于单端暂态信号处理量比值的方法，如暂态信号熵的比值、暂态信号奇异度比值、信号复杂度比值等方法，原理上都存在类似的固有缺陷与不足。

因此，针对传统差动保护动作速度不够快，目前暂态保护性能不够稳定、不够可靠的缺点和不足，需要研究性能更佳的超高速暂态保护新方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于暂态高频分量处理量差动纵联保护方法，应用于保护电力系统中的各种元器件，尤其适用于输电线路，能够大大提高保护动作的快速性，同时最大限度的提高保护动作的可靠性，即具有绝对的选择性。

暂态高频分量处理量差动纵联保护判据的原理是将线路每一端母线内、外两侧的电流(或电压)暂态高频分量分别引入本端的保护装置，进行适当处理得到高频分量处理量，然后将母线内、外两侧暂态高频分量的处理量作差，构造判据，同时结合对端的保护装置是否发来“发生故障”的信号，从而判断区内、还是区外故障，决定是否发出跳闸命令，该发明保护方法具有绝对的选择性和可靠性。由于该发明保护方法依据的是剔除了工频分量的故障高频分量作为被处理对象，从而保证了保护动作的超高速性。

为达到上述目的，本发明的技术方案是，一种暂态高频分量处理量差动纵联保护方法，采用被保护线路两端母线内、外两侧的电流(或电压)中暂态高频分量的处理量值构成差动纵联保护判据：

式中P_I_1hf、P_I_2hf、P_I_3hf、P_I_4hf为线路两端母线内、外两侧的电流I₁、I₂、I₃、I₄中暂态高频分量I_1hf、I_2hf、I_3hf、I_4hf的能量、或熵、或复杂度、或奇异度、或模极大值、或高频分量其它处理量值中的一种(P_U_1hf、P_U_2hf、P_U_3hf、P_U_4hf为两端母线两侧的电压U₁、U₂、U₃、U₄中暂态高频分量I_1hf、U_2hf、U_3hf、U_4hf的能量、或熵、或复杂度、或奇异度、或模极大值、或高频分量其它处理量值中的一种)。k_set1、k_set2为暂态高频分量处理量差动纵联保护整定值。diff₁、diff₂表示两端母线内、外两侧暂态高频分量处理量的能量差、或熵差、或复杂度差、或奇异度差、或模极大值差、或其它差值。

本发明专利中所述的暂态高频分量指的是故障电流或电压中区别于工频量的分量。

本发明提出暂态高频分量处理量差动纵联保护方法，可产生如下有益效果。

1、本发明提出的暂态高频分量处理量差动纵联保护判据引入了线路两端母线内、外两侧暂态高频分量处理量的差值，实现了区内、外故障准确判别，不会发生误判，具有绝对的选择性，可靠性非常高。另外，可采用滤波器组提取暂态信号多个频段的高频分量，分别作对应相关处理，进行综合判断，在硬件上实现冗余后备配置，这样从原理和硬件实现方式上达到容错保护技术，有利于进一步提高该保护方法的容错性、抗干扰性、可靠性。

2、本发明提出的暂态高频分量处理量差动纵联保护，线路每一端保护装置采集该端母线内、外两侧的暂态信号进行处理并作差，差值如果大于整定值，则向对端发送“发生故障”的信号，这样只需向对端传递开关量，无需将采集到的海量高频信号传递到对端，大大减轻通信通道传输容量压力，也更有利于提高可靠性。

3、本发明提出的暂态高频分量处理量差动纵联保护利用的是故障信号高频分量，并结合现代信号处理技术，从原理上保证了保护超高速动作性能，能满足超高压、特高压线路保护动作的快速性要求。

4、本发明提出的暂态高频分量处理量差动纵联保护，对于母线对地杂散电容的大小要求很低，一般母线都能满足其要求，同时该原理的保护不受负荷电流影响、不受系统震荡影响，且抗过度电阻能力强，不受互感器饱和影响。

附图说明

图1(a)是超高压线路采用暂态电流量进行处理，实现暂态高频分量处理量差动纵联保护的电网系统示意图。

图1(b)是超高压线路采用暂态电压量进行处理，实现暂态高频分量处理量差动纵联保护的电网系统示意图。

具体实施方式

下面以暂态高频分量处理量中的一种——暂态高频分量的能量为例，结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

图1所示为500kV超高压输电线路模型。在该模型中，M端短路容量为8GVA、W端短路容量为5GVA，线路MN长为120km、线路NW长为200km，各母线对地电容为6000PF。对图1所示的超高压输电线路，暂态高频分量处理量差动纵联保护方法，包括如下步骤：

第一步：分别采集母线M内、外两侧电流I₁、I₂(或电压U₁、U₂)，并提取其高频分量(本实例提取10kHz～20kHz分量)I_1hf、I_2hf(或U_1hf、U_2hf)，采样频率取200kHz。计算高频分量的能量Power_I_1hf、Power_I_2hf(Power_U_1hf、Power_U_2hf)，进一步计算该端M母线内侧与外侧暂态高频电流(或电压)的能量差diff₁＝Power_I_2hf- Power_I_1hf(或diff₁＝Power_U_2hf- Power_U_1hf)，如果满足diff₁＞k_set1，则启动线路本端的保护，同时向对端N发送“发生故障”的信号，其中k_set1为暂态高频分量处理量差动纵联保护的整定值，为正实数。Power_I_1hf、Power_I_2hf(Power_U_1hf、Power_U_2hf)按下式求得：

n取200。

第二步：分别采集母线N两侧电流I₃、I₄(或电压U₃、U₄)，并提取其高频分量(本实例提取10kHz～20kHz分量)I_3hf、I_4hf(或U_3hf、U_4hf)，采样频率取200kHz。计算高频分量能量Power_I_3hf、Power_I_4hf(Power_U_3hf、Power_U_4hf)，进一步计算该端N母线内侧与外侧暂态高频电流(或电压)的能量差diff₂＝Power_I_3hf-Power_I_4hf(或diff₂＝Power_U_3hf- Power_U_4hf)，如果满足diff₂＞k_set2，则启动线路本端的保护，同时向对端M发送“发生故障”的信号，其中k_set2为暂态高频分量处理量差动纵联保护的整定值，为正实数。Power_I_3hf、Power_I_4hf(Power_U_3hf、Power_U_4hf)按下式求得：

n取200。

第三步：线路一端的保护装置根据本端的保护装置计算的暂态高频分量处理量的差值，以及对端是否发来“发生故障”的信息，则依据以下进行故障判别：

A)当

则判为线路MN区内故障。

B)当

则判为线路MN区内故障。

C)即， $\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{diff}}_1>k_{\mathrm{set}1}\\ {\mathrm{diff}}_2>k_{\mathrm{set}2}\end{array}\right.,$ 则判为被保护线路MN故障，即区内故障；否则，判为区外故障。

上述判据中，k_set1、k_set2均为暂态高频分量处理量差动纵联保护的整定值，且均为正实数。具体整定时，可以实际系统为基础，结合一定的裕度进行整定。本实例中k_set1、k_set2均取100。

上述实施例为本发明典型的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其它任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化所获得的技术方案，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种新型的实用输电线路暂态高频分量处理量差动纵联保护方法，其特征在于采集被保护线路两端母线内、外两侧暂态电流(或暂态电压)，提取其暂态高频分量，然后，分别计算每一端母线内、外两侧的暂态高频分量的能量差、或熵差、或复杂度差、或奇异度差、或模极大值差，或其它差值，依据输电线路两端的高频分量处理量差值的情况，判断是区内、还是区外故障。具体采用下述步骤：

(1)采集被保护输电线路一端母线内、外两侧暂态电流I₁、I₂(或电压u₁、u₂)，并提取其中的高频分量I_1hf、I_2hf(或电压u_1hf、u_2hf)，接着求取高频分量的能量、或熵、或复杂度、或奇异度、或模极大值、或高频分量其它处理量值P_I_1hf(或P_U_1hf)、P_I_2hf(或P_U_2hf)，然后计算该端母线内、外两侧暂态高频电流(或电压)的能量差、或熵差、或信号复杂度差、或奇异度差、或模极大值差、或其它差值diff₁，如果满足diff₁＞k_set1，则启动线路本端的保护，同时向对端发送“发生故障”的信号，其中k_set1为暂态高频分量处理量差动纵联保护的整定值，为正实数。

(2)类似地采集被保护输电线路另一端母线内、外两侧暂态电流I₃、I₄(或电压u₃、u₄)，并提取其中的高频分量I_3hf、I_4hf(或电压u_3hf、u_4hf)，接着求取高频分量的能量、或熵、或复杂度、或奇异度、或模极大值、或高频分量其它处理量值P_I_3hf、P_I_4hf(或P_U_3h、P_U_4hf)，然后计算该端母线内、外两侧高频暂态电流(或电压)的能量差、或熵差、或复杂度差、或奇异度差、或模极大值差、或其它差值diff₂，如果满足diff₂＞k_set2，则启动线路本端的保护，同时向对端发送“发生故障”的信号，其中k_set2为暂态高频分量处理量差动纵联保护的整定值，为正实数。

(3)由(1)、(2)计算出被保护线路两端母线的暂态高频分量处理量的差值diff₁、diff₂后，则根据以下判据进行故障判别：

A)当

则判为区内故障。

B)当

则判为区内故障。

C)即，当

则判为区内故障；否则，判为区外故障。

其中，k_set1、k_set2为暂态高频分量处理量差动纵联保护的整定值，为正实数。

2.根据权利要求1所述的输电线路暂态高频分量处理量差动纵联保护方法，其特征在于：步骤(1)、(2)所述采集到被保护线路两端母线内、外两侧暂态电流(或电压)信号后，提取其中的高频分量，分别计算每一端母线内、外两侧暂态高频分量的能量差、或熵差、或复杂度差、或奇异度差、或模极大值、或模极大值差、或其它差值，具体方法如下：

其中，I_1hf、I_2hf、I_3hf、I_4hf为I₁、I₂、I₃、I₄(U_1hf、U_2hf、U_3hf、U_4hf为U₁、U₂、U₃、U₄)中的高频分量。P_I_1hf、P_I_2hf、P_I_3hf、P_I_4hf(或P_U_1h、P_U_2hf、P_U_3h、P_U_4hf)表示线路两端母线内、外两侧暂态电流(或电压)高频分量的能量、或熵、或复杂度、或奇异度、或模极大值、或高频分量的其它处理量值。diff₁、diff₂表示线路两端母线内、外两侧的暂态高频分量处理量的差，如能量差、或熵差、或信号复杂度差、或奇异度差、或模极大值差、或其它差值。

3.根据权利要求1所述输电线路暂态高频分量处理量差动纵联保护方法，其特征在于：步骤(1)～(3)中的k_set1、k_set2，在具体整定时，以结合实际系统，保留适当的裕度进行整定。

4.根据权利要求1所述输电线路暂态高频分量处理量差动纵联保护方法，在采集到两端母线内、外两侧的暂态电流(或电压)信号后，可采用滤波器组提取暂态电流(或电压)信号中多个频段的高频分量，对各频段高频分量作类似的暂态高频分量处理量差，结合线路两端的故障信号多个频段的暂态高频分量处理量的差值判断区内、还是区外故障的判断。这样从原理和硬件实现方式上达到容错保护技术，以进一步提高该保护方法的容错性、抗干扰性、可靠性。这些都在本发明专利保护之列。

5.根据权利要求1所述输电线路暂态高频分量处理量差动纵联保护方法，在母线与互感器(电流互感器或电压互感器)之间，添加阻波器或其它设备，而后求取母线内、外两侧暂态高频分量处理量的差值，再利用有关差值构造保护判据(这中间还包括利用这些有关差值构造成单端暂态高频分量处理量差动保护的方法)，为本发明保护方法的变形处理，都落在本发明专利的保护之列。

6.根据权利要求1所述输电线路暂态高频分量处理量差动纵联保护方法，本发明方法既适用于电流暂态高频分量处理量差动纵联保护，也适用于电压暂态高频分量处理量差动纵联保护，基于暂态电流或暂态电压的高频分量处理量差动的纵联保护都落在本发明保护之列。

7.根据权利要求1所述输电线路暂态高频分量处理量差动纵联保护方法，任何基于先提取被保护线路两端母线内、外两侧暂态电流(或电压)的高频分量，然后对暂态高频分量进行处理得到某些处理量值，接着分别对每一端母线内、外两侧的这些处理量值作差，依据这些暂态高频分量处理量的差值构造保护判据，都为对本发明方法的等效替换和变形处理，比如以求暂态高频分量的绝对值代替求暂态高频分量的能量，之后再作差，构造与本发明类似的保护判据，都在本发明专利保护之列。

8.其它任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化所获得的技术方案，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

9.根据权利要求1所述输电线路暂态高频分量处理量差动纵联保护方法，本发明专利方法同样适用于直流输电线路保护，在直流输电系统中应用本方法，同样落在本发明专利保护范围之内。