CN104391222A - 一种利用序列重叠差分的t接电网线路单元保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用序列重叠差分的T接电网线路单元保护方法，属电力系统继电保护技术领域。T接电网发生单相接地故障时，通过M、N、Q端的方向元件R₁、R₂、R₃获得三组线模电压和线模电流，截取故障后短时窗内的线模电压和线模电流数据分别对其进行序列重叠差分，将线模电压的差分值分别与线模电流差分值进行相乘，在时间轴上得到三组一系列的波头，当三组波头序列中的首个波头的极性均为负值时，判定为区内故障，否则判定为区外故障。大量的仿真实验表明，该方法对T接电网交流输电线路保护有很好的适用性。

Description

一种利用序列重叠差分的T接电网线路单元保护方法

技术领域

本发明涉及一种利用序列重叠差分的T接电网线路单元保护方法，属于电力系统继电保护技术领域。

背景技术

电力系统规模的日益扩大、电压等级的不断提高对线路保护提出了更高的要求，切除故障的时间更短，速度更快是继电保护不懈的追求。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。T接线路较二端口线路有良好的经济性，在超高压输电系统中有着广泛的应用，在T接线路中各方向继电器的应用性能较普通线路中的应用存在差别，其结构的特殊性，决定了传统的保护方法很难对其实施有效保护，因此必须探索新的保护方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是充分利用T接电网故障时线模电压和线模电流的三端信息，通过序列重叠差分的手段提取突变信号，进而提出一种基于方向突变的适用于T接电网保护的方法，以提高保护方法的适用性和可靠性。

本发明的技术方案是：一种利用序列重叠差分的T接电网线路单元保护方法，T接电网发生单相接地故障时，通过M、N、Q端的方向元件R₁、R₂、R₃获得三组线模电压和线模电流，截取故障后短时窗内的线模电压和线模电流数据分别对其进行序列重叠差分，将线模电压的差分值分别与线模电流差分值进行相乘，在时间轴上得到三组一系列的波头，当三组波头序列中的首个波头的极性均为负值时，判定为区内故障，否则判定为区外故障。

具体步骤为：

A.T接电网发生单相接地故障时，M、N、Q端的方向元件R₁、R₂、R₃分别获得三组三组线模电压和线模电流：和和和

B.截取故障后短时窗内的线模电压和线模电流数据分别对其进行序列重叠差分，得到差分值分别为和和和

C.将线模电压的差分值与线模电流差分值分别进行相乘得到 ${\mathrm{SP}}_{R_1}\left(n\right)={\mathrm{Su}}_{R_1}\left(n\right)\×$ ${\mathrm{Si}}_{R_1}\left(n\right),{\mathrm{SP}}_{R_2}\left(n\right)={\mathrm{Su}}_{R_2}\left(n\right)\×{\mathrm{Si}}_{R_2}\left(n\right),{\mathrm{SP}}_{R_3}\left(n\right)={\mathrm{Su}}_{R_3}\left(n\right)\×{\mathrm{Si}}_{R_3}\left(n\right),{\mathrm{SP}}_{R_1}\left(n\right),{\mathrm{SP}}_{R_2}\left(n\right),{\mathrm{SP}}_{R_3}\left(n\right)$ 在时间轴表现为一系列的波头，选取三组波头系列中的第一个波头为研究对象，用符号函数分别表示三组波头系列中第一个波头的极性，其值为-1时，表示波头极性为负；其值为+1时，表示波头极性为正；

D.当 $\mathrm{sgn}\left(S_1{P}_{R_1}\left(n\right)\right)=-1,\mathrm{sgn}\left(S_1{P}_{R_2}\left(n\right)\right)=-1,\mathrm{sgn}\left(S_1{P}_{R_3}\left(n\right)\right)=-1$ 同时满足时，判定为区内故障，否则判定为区外故障。

本发明的原理是：

序列重叠差分是一种基于差分运算的变换，可以描述为：

$S_m\left(n\right)=\underset{j=1}{\overset{m+1}{\mathrm{\Σ}}}{(-1)}^{j+1}{\left(c_j\right)}_{m}Q(n-j+1)---\left(1\right)$

式中，S_m(n)为信号的m阶差分，j＝1,2,3…m+1为差分阶次，m为差分的阶数，Q(n)为原始信号，n＝1,2,3…N，N为原始信号采样点数，(c_j)_m为序列重叠差分变换系数。系数(c_j)_m的取值为(c₁)_m＝(c_m+1)_m＝1，(c₂)_m＝m，(c₂)_m＝(c_j)_m-1+(c_j-1)_m-1，Σ(-1)^j+1(c_j)_m＝0。因此，m取1时，可以减少直流分量，m取3时，可以消除工频50Hz分量。m取值越大，提取得到的高频暂态量的幅值越大。本发明使用的序列重叠差分均采用4阶差分，其变换表达式为：

S₄＝Q(n)-4×Q(n-1)+6×Q(n-2)-4×Q(n-3)+Q(n-4)   (2)

如图1所示的T接线路模型，对于M端而言，假设故障发生在正方向F₁处，由R₁获得的线模电压和线模电流在分别进行序列重叠差分后，其乘积得到的波头序列中的首波头极性为负；若故障发生在反方向F₄处，则由R₁获得的线模电压和线模电流在分别进行序列重叠差分后，其乘积得到的波头序列中的首波头极性为正。对于N端和Q端而言，通过设置不同方向的故障F₂、F₅和F₃、F₆，R₂和R₃获得的线模电压和线模电流在经过相同变换后亦得到相同的结论。如果将R₁、R₂和R₃对应的首波头的极性用符号函数来定义，那么当 $\mathrm{sgn}\left(S_1{P}_{R_1}\left(n\right)\right)=-1,\mathrm{sgn}\left(S_1{P}_{R_2}\left(n\right)\right)=-1,\mathrm{sgn}\left(S_1{P}_{R_3}\left(n\right)\right)=-1$ 同时满足时，可判定故障为区内故障，否则判定为区外故障。

本发明的有益效果是：

1.本发明充分利用了T接线路三端的故障信息，多渠道信息的联合使用提高了保护的可靠性；

2.本发明本质上使用了线模电压和线模电流的乘积，通过将信号适度放大，有效克服了信号微弱时，单独使用其中一个量不易检测分析的不足。

3.本发明使用了序列重叠差分变换，将方向突变量进行有效提取，一定层度上减低了噪声信号的干扰，提高了分析的可靠性，保障了保护方法的准确性。

附图说明

图1为本发明实施例1、2、3的T接电网线路模型；

图2为本发明实施例1中R₁测量得到的信号序列重叠差分结果；

图3为本发明实施例1中R₂测量得到的信号序列重叠差分结果；

图4为本发明实施例1中R₃测量得到的信号序列重叠差分结果；

图5为本发明实施例2中R₁测量得到的信号序列重叠差分结果；

图6为本发明实施例2中R₂测量得到的信号序列重叠差分结果；

图7为本发明实施例2中R₃测量得到的信号序列重叠差分结果；

图8为本发明实施例3中R₁测量得到的信号序列重叠差分结果；

图9为本发明实施例3中R₂测量得到的信号序列重叠差分结果；

图10为本发明实施例3中R₃测量得到的信号序列重叠差分结果。

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。

一种利用序列重叠差分的T接电网线路单元保护方法，T接电网发生单相接地故障时，通过M、N、Q端的方向元件R₁、R₂、R₃获得三组线模电压和线模电流，截取故障后短时窗内的线模电压和线模电流数据分别对其进行序列重叠差分，将线模电压的差分值分别与线模电流差分值进行相乘，在时间轴上得到三组一系列的波头，当三组波头序列中的首个波头的极性均为负值时，判定为区内故障，否则判定为区外故障。

具体步骤为：

A.T接电网发生单相接地故障时，M、N、Q端的方向元件R₁、R₂、R₃分别获得三组三组线模电压和线模电流：和和和

B.截取故障后短时窗内的线模电压和线模电流数据分别对其进行序列重叠差分，得到差分值分别为和和和

C.将线模电压的差分值与线模电流差分值分别进行相乘得到 ${\mathrm{SP}}_{R_1}\left(n\right)={\mathrm{Su}}_{R_1}\left(n\right)\×$ ${\mathrm{Si}}_{R_1}\left(n\right),{\mathrm{SP}}_{R_2}\left(n\right)={\mathrm{Su}}_{R_2}\left(n\right)\×{\mathrm{Si}}_{R_2}\left(n\right),{\mathrm{SP}}_{R_3}\left(n\right)={\mathrm{Su}}_{R_3}\left(n\right)\×{\mathrm{Si}}_{R_3}\left(n\right),{\mathrm{SP}}_{R_1}\left(n\right),{\mathrm{SP}}_{R_2}\left(n\right),{\mathrm{SP}}_{R_3}\left(n\right)$ 在时间轴表现为一系列的波头，选取三组波头系列中的第一个波头为研究对象，用符号函数分别表示三组波头系列中第一个波头的极性，其值为-1时，表示波头极性为负；其值为+1时，表示波头极性为正；

D.当 $\mathrm{sgn}\left(S_1{P}_{R_1}\left(n\right)\right)=-1,\mathrm{sgn}\left(S_1{P}_{R_2}\left(n\right)\right)=-1,\mathrm{sgn}\left(S_1{P}_{R_3}\left(n\right)\right)=-1$ 同时满足时，判定为区内故障，否则判定为区外故障。

实施例1：建立如图1所示的T接电网线路模型。系统中，线路长度l_MN＝120km，l_TQ＝80km，l_PM＝70km。规定电流正方向为母线指向线路。现假设在线路MT上距M端40km发生单相接地故障F₁，故障初始相角为90°，采样率为20kHz。通过M、N、Q端的方向元件R₁、R₂、R₃获得三组线模电压和线模电流，截取故障后2ms窗内的线模电压和线模电流数据分别对其进行4阶序列重叠差分，将线模电压的差分值分别与线模电流差分值进行相乘，在时间轴上得到三组一系列的波头，如图2-5所示，由图2-4可知 同时满足，因此判定为区内故障，与假设一致，判定结果正确。

实施例2：与实施例1相同的T接电网线路模型。现假设在线路PM上距M端30km发生单相接地故障F₄，故障初始相角为90°采样率为20kHz，。通过M、N、Q端的方向元件R₁、R₂、R₃获得三组线模电压和线模电流，截取故障后2ms窗内的线模电压和线模电流数据分别对其进行4阶序列重叠差分，将线模电压的差分值分别与线模电流差分值进行相乘，在时间轴上得到三组一系列的波头，如图5-7所示，由图6-8可知 不满足区内故障判定条件，判定为区外故障，与假设一致，判定结果正确。

实施例3：与实施例1相同的T接电网线路模型。在母线N上发生单相接地故障F₅，故障初始相角为90°,采样率为20kHz。通过M、N、Q端的方向元件R₁、R₂、R₃获得三组线模电压和线模电流，截取故障后2ms窗内的线模电压和线模电流数据分别对其进行4阶序列重叠差分，将线模电压的差分值分别与线模电流差分值进行相乘，在时间轴上得到三组一系列的波头，如图8-10所示，由图8-10可知 $\mathrm{sgn}\left(S_1{P}_{R_1}\left(n\right)\right)=-1,\mathrm{sgn}\left(S_1{P}_{R_2}\left(n\right)\right)=-1,\mathrm{sgn}\left(S_1{P}_{R_3}\left(n\right)\right)=-1$ 不满足区内故障判定条件，判定为区外故障，与假设一致，判定结果正确。

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。

Claims (2)

1.一种利用序列重叠差分的T接电网线路单元保护方法，其特征在于：T接电网发生单相接地故障时，通过M、N、Q端的方向元件R₁、R₂、R₃获得三组线模电压和线模电流，截取故障后短时窗内的线模电压和线模电流数据分别对其进行序列重叠差分，将线模电压的差分值分别与线模电流差分值进行相乘，在时间轴上得到三组一系列的波头，当三组波头序列中的首个波头的极性均为负值时，判定为区内故障，否则判定为区外故障。

2.根据权利要求1所述的利用序列重叠差分的T接电网线路单元保护方法，其特征在于具体步骤为：

A.T接电网发生单相接地故障时，M、N、Q端的方向元件R₁、R₂、R₃分别获得三组三组线模电压和线模电流：和和和

B.截取故障后短时窗内的线模电压和线模电流数据分别对其进行序列重叠差分，得到差分值分别为和和和

C.将线模电压的差分值与线模电流差分值分别进行相乘得到 ${\mathrm{Si}}_{R_1}\left(n\right),{\mathrm{SP}}_{R_2}\left(n\right)={\mathrm{Su}}_{R_2}\left(n\right)\×{\mathrm{Si}}_{R_2}\left(n\right),{\mathrm{SP}}_{R_3}\left(n\right)={\mathrm{Su}}_{R_3}\left(n\right)\×{\mathrm{Si}}_{R_3}\left(n\right),$ 在时间轴表现为一系列的波头，选取三组波头系列中的第一个波头为研究对象，用符号函数分别表示三组波头系列中第一个波头的极性，其值为-1时，表示波头极性为负；其值为+1时，表示波头极性为正；

D.当 $\mathrm{sgn}\left(S_1{P}_{R_1}\left(n\right)\right)=-1,\mathrm{sgn}\left(S_1{P}_{R_2}\left(n\right)\right)=-1,\mathrm{sgn}\left(S_1{P}_{R_3}\left(n\right)\right)=-1$ 同时满足时，判定为区内故障，否则判定为区外故障。