CN104393580A - 一种利用电压电流突变量小波系数相关分析的t接电网暂态量单元保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用电压电流突变量小波系数相关分析的T接电网暂态量单元保护方法，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分别获得三组故障电压和电流的暂态量，分别截取故障后0.5ms的电压和电流暂态量并对其进行8尺度小波分解，对应选取电压和电流暂态量第一尺度下的小波系数进行相关分析，当三组相关系数同时满足大于或等于-1且小于或等于-0.8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

一种利用电压电流突变量小波系数相关分析的T接电网暂态量单元保护方法

技术领域

本发明涉及一种利用电压电流突变量小波系数相关分析的T接电网暂态量单元保护方法，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。

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。由于T接电网的特殊结构，传统的保护方法很难对其实施有效保护。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。而对于T接线路而言，从三端口到T接点的反馈将使得补偿电压的相位变化变得不可预测，所以继电器动作门槛值的设置就变得十分困难，误动、拒动的情况时有发生。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，大量的研究结果表明，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，各方向元件间的相互配合由于T接线路的复杂结构变得更加困难，某些情况下联动保护甚至会失效。

发明内容

本发明要解决的技术问题是充分利用T接电网故障电压和电流突变量的三端信息，通过小波变换和相关系数方法和手段，提出一种适用于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：一种利用电压电流突变量小波系数相关分析的T接电网暂态量单元保护方法，当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分别获得故障电压和电流的暂态量，分别对三组电压和电流暂态量进行8尺度小波分解，并对应选取电压和电流暂态量第一尺度下的小波系数进行相关分析，当三组相关系数同时满足大于或等于-1且小于或等于-0.8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分别获得三组故障电压和电流的暂态量：u_M和i_M、u_N和i_N、u_Q和i_Q；

B.分别截取三组电压和电流暂态量故障后0.5ms的数据，对其进行8尺度小波分解，小波基函数选为db4；

C.分别选取电压和电流暂态量第一尺度下的小波系数进行相关分析，求得相关系数分别为r_{u,i_M}、r_{u,i_N}和r_{u,i_Q}；

D.若 $\left\{\begin{array}{c}-1\≤r_{u,i\_M}\≤r_{\mathrm{set}}\\ -1\≤r_{u,i\_N}\≤r_{\mathrm{set}}\\ -1\≤r_{u,i\_Q}\≤r_{\mathrm{set}}\end{array}\right.,$ 则判定为区内故障；否则判定为区外故障；

其中，r_set为相关系数门槛值。

所述相关系数门槛值r_set＝-0.8。

本发明的原理是：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，则在M端一次侧检测到的故障电压暂态量和电流暂态量的突变方向相反；假设故障发生在反方向F₄处，则在M端一次侧检测到的故障电压暂态量和电流暂态量的突变方向相同。为了提取故障主要特征，排除噪声信号的干扰，分别对正向故障和反向故障下的两组电压、电流暂态量进行8尺度小波分析，小波基函数选为db4，分析第一尺度下的小波系数可以发现：正向故障时，故障电压暂态量与电流暂态量除了突变方向相反外，在波形上还表现出相当高的负相关性，相关系数在-0.1到-0.8之间；反向故障时，故障电压暂态量与电流暂态量除了突变方向相同外，在波形上还表现出相当高的正相关性，相关系数在0.8到1之间。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，所检测到的故障电压暂态量和电流暂态量的突变方向和相似性也能得出上述结论。因此对于区内故障而言，M、N、Q端所检测到的故障电压暂态量与电流暂态量在小波变换和相关分析后，三组相关系数必同时满足-1≤r_u,i≤-0.8，相关系数的符号其实就表征了二者突变方向相反；而对于区外故障而言，三组相关系数中必有一组满足0.8≤r_u,i≤1。因此可将利用电压电流突变量小波系数相关分析的T接电网暂态量单元保护方法判据构建为，

当 $\left\{\begin{array}{c}-1\≤r_{u,i\_M}\≤0.8\\ -1\≤r_{u,i\_N}\≤0.8\\ -1\≤r_{u,i\_Q}\≤0.8\end{array}\right.,$ 时，判定为区内故障；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.本发明联合使用故障电压暂态量和故障电流暂态量实施保护，有效降低了因使用单一类型的暂态量而降低保护可靠性的风险；

3.本发明使用了小波变换和相关分析等手段，小波变换有效减低了噪声信号的干扰，相关分析则直接对波形相似性进行量化，从而最大程度地提高了保护的准确性。

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测量得到的故障电压暂态量；

图3为本发明实施例1中R₁测量得到的故障电流暂态量；

图4为本发明实施例1中R₂测量得到的故障电压暂态量；

图5为本发明实施例1中R₂测量得到的故障电流暂态量；

图6为本发明实施例1中R₃测量得到的故障电压暂态量；

图7为本发明实施例1中R₃测量得到的故障电流暂态量；

图8为本发明实施例1中R₁测得的电压、电流暂态量第一尺度下的小波系数；

图9为本发明实施例1中R₂测得的电压、电流暂态量第一尺度下的小波系数；

图10为本发明实施例1中R₃测得的电压、电流暂态量第一尺度下的小波系数。

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。

一种利用电压电流突变量小波系数相关分析的T接电网暂态量单元保护方法，当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分别获得故障电压和电流的暂态量，分别对三组电压和电流暂态量进行8尺度小波分解，并对应选取电压和电流暂态量第一尺度下的小波系数进行相关分析，当三组相关系数同时满足大于或等于-1且小于或等于-0.8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分别获得三组故障电压和电流的暂态量：u_M和i_M、u_N和i_N、u_Q和i_Q；

B.分别截取三组电压和电流暂态量故障后0.5ms的数据，对其进行8尺度小波分解，小波基函数选为db4；

C.分别选取电压和电流暂态量第一尺度下的小波系数进行相关分析，求得相关系数分别为r_{u,i_M}、r_{u,i_N}和r_{u,i_Q}；

D.若 $\left\{\begin{array}{c}-1\≤r_{u,i\_M}\≤r_{\mathrm{set}}\\ -1\≤r_{u,i\_N}\≤r_{\mathrm{set}}\\ -1\≤r_{u,i\_Q}\≤r_{\mathrm{set}}\end{array}\right.,$ 则判定为区内故障；否则判定为区外故障；

其中，r_set为相关系数门槛值。

所述相关系数门槛值r_set＝-0.8。

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处发生A相金属性接地故障F₁，故障初始相角为90°，采样频率为20kHz。由M端方向元件R₁、N端方向元件R₂和Q端方向元件R₃获得故障后0.5ms时窗内的电压、电流暂态量分别如图2-7所示。对其进行8层小波分解，小波基函数选为db4，得到第一尺度下电压、电流突变量小波系数分别如图8-10所示。通过相关分析求得，相关系数r_{u,i_M}＝-0.9992、r_{u,i_N}＝-1和r_{u,i_Q}＝-0.9979，满足 $\left\{\begin{array}{c}-1\≤r_{u,i\_M}\≤0.8\\ -1\≤r_{u,i\_N}\≤0.8\\ -1\≤r_{u,i\_Q}\≤0.8\end{array}\right.,$ 判断为区内故障，与假设一致，判断正确。

实施例2：与实施例1相同的T接电网线路模型。现假设在TN段线路上距N端20km处发生A相金属性接地故障F₂，故障初始相角为90°，采样频率为20kHz。分别由M、N、Q端方向元件R₁、R₂、R₃获得故障后0.5ms时窗内的电压、电流暂态量，并对其进行8层小波分解，小波基函数选为db4，得到第一尺度下电压、电流突变量小波系数的相关系数为r_{u,i_M}＝-0.9960、r_{u,i_N}＝-0.9984和r_{u,i_Q}＝-0.9984，满足 $\left\{\begin{array}{c}-1\≤r_{u,i\_M}\≤0.8\\ -1\≤r_{u,i\_N}\≤0.8\\ -1\≤r_{u,i\_Q}\≤0.8\end{array}\right.,$ 判断为区内故障，与假设一致，判断正确。

实施例3：与实施例1相同的T接电网线路模型。现假设在线路PM段距离M端20km处发生A相金属性接地故障F₄，故障初始相角为90°，采样频率为20kHz。分别由M、N、Q端方向元件R₁、R₂、R₃获得故障后0.5ms时窗内的电压、电流暂态量，并对其进行8层小波分解，小波基函数选为db4，得到第一尺度下电压、电流突变量小波系数的相关系数为r_{u,i_M}＝0.9999、r_{u,i_N}＝-0.9998和r_{u,i_Q}＝-1，不满足 $\left\{\begin{array}{c}-1\≤r_{u,i\_M}\≤0.8\\ -1\≤r_{u,i\_N}\≤0.8\\ -1\≤r_{u,i\_Q}\≤0.8\end{array}\right.,$ 判断为区外故障，与假设一致，判断正确。

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 (3)

1.一种利用电压电流突变量小波系数相关分析的T接电网暂态量单元保护方法，其特征在于：当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分别获得故障电压和电流的暂态量，分别对三组电压和电流暂态量进行8尺度小波分解，并对应选取电压和电流暂态量第一尺度下的小波系数进行相关分析，当三组相关系数同时满足大于或等于-1且小于或等于-0.8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所述的利用电压电流突变量小波系数相关分析的T接电网暂态量单元保护方法，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分别获得三组故障电压和电流的暂态量：u_M和i_M、u_N和i_N、u_Q和i_Q；

B.分别截取三组电压和电流暂态量故障后0.5ms的数据，对其进行8尺度小波分解，小波基函数选为db4；

C.分别选取电压和电流暂态量第一尺度下的小波系数进行相关分析，求得相关系数分别为r_{u,i_M}、r_{u,i_N}和r_{u,i_Q}；

D.若 $\left\{\begin{array}{c}-1\≤r_{u,i\_M}\≤r_{\mathrm{set}}\\ -1\≤r_{u,i\_N}\≤r_{\mathrm{set}}\\ -1\≤r_{u,i\_Q}\≤r_{\mathrm{set}}\end{array}\right.,$ 则判定为区内故障；否则判定为区外故障；

其中，r_set为相关系数门槛值。

3.根据权利要求2所述的利用电压电流突变量小波系数相关分析的T接电网暂态量单元保护方法，其特征在于：所述相关系数门槛值r_set＝-0.8。