CN104466922A - 一种新型电流极性比较式快速母线保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型电流极性比较式快速母线保护方法，包括以下步骤：(1)在与母线相连的各出线始端处安装的母线保护单元采集出线始端的电流值；(2)对各出线进行故障检测，滤除故障分量电流的高频分量；(3)利用交流电网相模变换的数学特征，构建新的相模变换矩阵，消除三相线路相间耦合并提取故障分量电流的线模分量；(4)计算各出线母线保护单元检测到的故障分量线模电流的积分值；(5)根据所有出线的线模电流积分值的极性差异，构建母线故障识别判据，判定是否为母线故障。本发明对单母线和复杂的一个半断路器母线接线都能适用，而且基本不受故障初始角、故障接地电阻、故障类型、串补、CT饱和等因素的影响，可靠性高，动作快速。

Description

一种新型电流极性比较式快速母线保护方法

技术领域

本发明涉及一种新型电流极性比较式快速母线保护方法。

背景技术

母线作为电力系统的重要元件之一，是电力系统输配电的枢纽。母线保护装置拒动或误动可能会产生严重的后果，甚至会造成区域电力系统的瓦解。电力系统规模的日益扩大和超高压坚强智能电网的建设对继电保护的可靠性、灵敏性和快速性提出了更高的要求，因此，按照智能变电站的技术特征、选择各种优异的数学分析工具或保护算法来设计性能可靠地快速母线保护，对于保障变电站乃至整个电网的安全稳定运行，具有重要的理论意义和工程应用价值。

按照结构划分，母线保护主要分为两大类：集中式保护和分布式保护。按照保护原理划分，母线保护主要有基于工频量的保护和基于暂态量的保护两大类。目前广泛采用的母线保护是基于工频量的电流差动保护，外部故障造成某个CT饱和时，将导致差动电流的增大，制动电流的减少，母线差动保护可能会因此误动。此外，差动保护还易受CT失配、负荷电流和过渡电阻等因素的影响，灵敏度不高。为消除CT饱和的影响，提高保护的动作速度和可靠性，国内外学者进行了一系列的研究，并取得了一些有益的成果。

《Design,evaluation and implementation of a busbar differential protection relayimmune to the effects of current transformer saturation》提出了带有CT饱和检测算法的母线电流差动保护方案，该算法是基于电流的三阶差分函数。该方法不仅能够保证区外故障时保护的可靠性，而且不会增加区内故障时保护的判别时间，但当发生区外转区内故障时，保护有可能拒动且动作时间不少于20ms，不能满足超高压电网的要求。

《Microprocessor-based busbar protection system》提出了基于微处理器的母线保护系统方案，该方案通过电力系统的正序和负序模型来正确区分母线区内外故障。但该原理是基于工频量的计算，在动作速度上将越来越不能满足电力系统不断发展的要求。

《电流行波差动式母线保护的研究》提出了一种具有比率制动特性的电流行波差动式母线保护，由初始暂态电流行波形成的、带比率制动特性的母线电流行波差动量在母线区内故障与区外故障时差异显著，从而构成电流行波差动式母线保护。理论分析和仿真实验表明该判据能可靠识别母线区内外故障，且基本不受故障类型、故障过渡电阻、故障距离等因素的影响；小波变换技术的应用，使得母线保护实现了行波故障信息的软件同步，不再需要专门的硬件进行同步采样，从而简化保护装置，降低设备投资；由于该母线保护仅仅需要初始行波量，因而能从根本上免受电流互感器暂态饱和的影响。但由于只是利用初始电流行波量，电压过零点发生单相接地故障或高阻接地故障时，保护可能无法正确识别。

《Implementation and testing of directional comparison bus protection based onIEC61850process bus》提出了一种基于IEC61850过程总线的方向比较母线保护原理，该原理利用故障后5个连续采样点(50Hz的电力系统，采样频率为4kHz)来计算故障分量的暂态能量，该方法很好的适用于智能变电站的建设，且动作速度快，但用于计算的母线故障分量电压有时不易获得。

《基于序分量综合阻抗的母线保护新原理》提出了一种基于序分量综合阻抗的母线保护新原理，该文中提出了母线正序故障分量综合阻抗、负序综合阻抗和零序综合阻抗的概念，通过分析母线区内、区外故障时3种综合阻抗的特征，分别利用阻抗幅值和相角构成了基于正序故障分量综合阻抗、负序综合阻抗以及零序综合阻抗的母线保护原理。3种保护原理可构成完整的母线保护方案。仿真结果表明该方法不受CT饱和与过渡电阻的影响，但保护需要设定多个判据才能识别所有故障类型，判别复杂，实用性差。

《A travelling-wave-based amplitude integral busbar protection technique》提出了一种行波幅值积分型母线保护新原理，通过计算正向行波幅值和反向行波幅值的比值实现母线区内外故障的判别，该原理基本不受CT饱和、故障初始角和故障接地电阻等因素的影响，但该方法的采样频率高达100kHz，不易实现且论文只考虑了简单的单母线结构。

由此可见，现有关于母线保护的方法，各有优缺点，尚没有完全经济实用、动作速度快、灵敏度和可靠性高的方法。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种新型电流极性比较式快速母线保护方法。本方法根据母线区内外故障时各出线的故障分量电流极性的特征差异来构造故障识别判据，为了提高保护的抗干扰能力，对故障分量电流进行积分计算后再进行判断。与其它母线保护原理相比，该方法只利用故障分量电流信号进行故障识别，不受CT饱和的影响，且采样频率低，传统的CT传变特性就能满足要求，原理简单方便，可靠性高，动作速度快，易于工程实现。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种新型电流极性比较式快速母线保护方法，具体包括以下步骤：

(1)在与母线相连的各出线始端处安装分布式母线保护单元，并实时采集各出线始端的电流值；

(2)对各出线进行故障检测，发生故障后，滤除故障分量电流的高频分量；

(3)利用交流电网相模变换的数学特征，构建一种新的相模变换矩阵，以消除三相线路的相间耦合并提取故障分量电流的线模分量；

(4)各母线保护单元分别计算各自检测到的故障分量线模电流的积分值；

(5)判断步骤(4)中各故障分量线模电流积分值的符号，根据所有出线的电流积分值的极性差异构建母线故障识别判据，从而判定是否为母线故障。

所述步骤(2)中，采用相电流突变量启动元件对各个出线进行故障检测。

所述步骤(2)中，采用二阶低通Butterworth滤波器滤除故障分量电流的高频分量。

所述步骤(2)中，相电流突变量启动元件的具体实现过程如下：

Δi_p(k)＝i_p(k)-i_p(k-N)     (1)

Δi_p(k)≥0.2I_N                 (2)

N为每周波采样点数，k为采样点，i_p(k)为分布式母线保护单元采集的线路出口处的相电流，p分别为a相、b相或c相，I_N为额定相电流。当公式(2)满足时，故障检测启动元件动作。

所述步骤(3)中，利用交流电网相模变换的数学特征，构造一种新的相模变换矩阵，相模变换的本质是将参数矩阵的非对角元素变为零，因此利用参数矩阵的特征值和特征向量求取相模变换矩阵。

所述步骤(3)的具体方法为：三相均匀换位输电线路的参数矩阵是三阶对称循环矩阵，即对角元素相等，非对角元素也相等，设T＝(t_ab)_3×3为三相系统由模分量到相分量的变换矩阵，结合对称循环矩阵的特征向量定理可得：

$\left\{\begin{array}{c}{t}_{11}=t_{21}=t_{31}\\ t_{12}+t_{22}+t_{32}=0\\ t_{13}+t_{23}+t_{33}=0\end{array}\right.---\left(3\right)$

由式(3)可构造出单一线模量能反映所有故障类型的新相模变换矩阵如下所示：

$T=\frac{1}{9}\left(\begin{array}{ccc}3& -3& -3\\ 3& 1& 2\\ 3& 2& 1\end{array}\right)---\left(4\right)$

其逆矩阵即相分量变换为模分量的矩阵为：

$T^{-1}=\left(\begin{array}{ccc}1& 1& 1\\ -1& -4& 5\\ -1& 5& -4\end{array}\right)---\left(5\right)$

将该相模变换矩阵应用于三相系统可得：

$\left(\begin{array}{c}{f}_0\\ f_1\\ f_2\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccc}1& 1& 1\\ -4& -4& 5\\ -1& 5& -4\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{f}_a\\ f_b\\ f_c\end{array}\right)---\left(6\right)$

式中，f_a、f_b和f_c为电力系统的三相电压或电流，或为故障分量电压或故障分量电流，利用公式(6)变换得到的1模分量f₁和2模分量f₂均能反映所有的故障类型，f₀为0模分量。

所述步骤(4)中，具体的实现过程为：

以公式作为第j条出线的母线保护单元检测到的故障分量线模电流积分值的计算公式，定义电流的正方向为母线流向本线路，m为用于计算的采样点数。

所述步骤(5)中，具体的母线判据为：

计算式中，n代表与母线相连的出线的总数目，sign(S_j')是S_j'的符号；规定当S_j'>0时，sign(S_j')＝1；当S_j'＝0时，sign(S_j')＝0；当S_j'<0时，sign(S_j')＝-1；如果λ＝n，则判别为母线故障；否则，母线正常。

本发明的工作原理为：当母线故障时，与故障母线相连的所有出线上的保护单元检测到的故障分量电流积分值极性相同；当任意一条出线故障时，在故障出线上检测到的故障分量电流积分值的极性与其它出线相反。

本发明的有益效果为：

(1)该方法只利用故障分量电流进行故障识别，识别方法的原理简单、清楚，识别准确，采样频率低，传统的CT传变特性就能满足要求，易于工程实现；

(2)所提保护原理对单母线和复杂的一个半断路器母线接线都能可靠适用，而且基本不受故障初始角、故障接地电阻、故障类型、串补等因素的影响，适应性强，灵敏度高；

(3)区外故障CT饱和时保护不会误动，可靠性高；

(4)动作速度快，一般不会超过8ms。

附图说明

图1为一简单变电站母线故障示意图；

图2为母线B上发生单相接地短路时的故障附加网络；

图3为线路l₁上f₁处发生单相接地短路时的故障附加网络；

图4为母线保护算法流程图；

图5为500kV母线仿真模型；

图6(a)为典型母线故障时R₁、R₃和R₅检测到的线模电流波形；

图6(b)为典型母线故障时R₁、R₃和R₅检测到的线模电流积分值波形；

图7(a)为典型母线故障时R₂、R₄和R₆检测到的线模电流波形；

图7(b)为典型母线故障时R₂、R₄和R₆检测到的线模电流积分值波形；

图8(a)为典型母线区外故障时R₁、R₃和R₅检测到的线模电流波形；

图8(b)为典型母线区外故障时R₁、R₃和R₅检测到的线模电流积分值波形；

图9(a)为典型母线区外故障时R₂、R₄和R₆检测到的线模电流波形；

图9(b)为典型母线区外故障时R₂、R₄和R₆检测到的线模电流积分值波形；

图10(a)为l₁故障时I母CT₁的C相电流(CT₁的C相电流严重饱和)；

图10(b)为l₁故障时I母CT₃的C相电流(CT₁的C相电流严重饱和)；

图10(c)为l₁故障时I母CT₅的C相电流(CT₁的C相电流严重饱和)；

图11(a)为l₁故障时II母CT₂的C相电流(CT₁的C相电流严重饱和)；

图11(b)为l₁故障时II母CT₄的C相电流(CT₁的C相电流严重饱和)；

图11(c)为l₁故障时II母CT₆的C相电流(CT₁的C相电流严重饱和)；

图12(a)为l₁故障时I母的A相差动电流(CT₁的C相电流严重饱和)；

图12(b)为l₁故障时I母的B相差动电流(CT₁的C相电流严重饱和)；

图12(c)为l₁故障时I母的C相差动电流(CT₁的C相电流严重饱和)；

图13(a)为l₁故障时II母的A相差动电流(CT₁的C相电流严重饱和)；

图13(b)为l₁故障时II母的B相差动电流(CT₁的C相电流严重饱和)；

图13(c)为l₁故障时II母的C相差动电流(CT₁的C相电流严重饱和)；

图14(a)为l₁故障时R₁、R₃和R₅检测到的线模电流波形(CT₁的C相电流严重饱和)；

图14(b)为l₁故障时R₂、R₄和R₆检测到的线模电流波形(CT₁的C相电流严重饱和)；

图15(a)为l₁故障时R₁、R₃和R₅检测到的线模电流积分值波形(CT₁的C相电流严重饱和)；

图15(b)为l₁故障时R₂、R₄和R₆检测到的线模电流积分值波形(CT₁的C相电流严重饱和)。

具体实施方式：

下面结合附图与实例对本发明作进一步说明。

如图4所示，一种新型电流极性比较式快速母线保护方法，包括以下步骤：

(1)各母线保护单元实时采集与母线相连的各出线出口处的电流值；

(2)采用相电流突变量启动元件进行故障检测，故障启动后，采用二阶低通Butterworth滤波器滤除故障分量电流的高频分量；

(3)采用一种新的相模变换消除三相线路的相间耦合并提取故障分量电流的线模分量；

(4)计算线模电流的积分值。

(5)故障判别，若与母线相连的所有线路的始端(靠近母线侧)的母线保护单元检测到的故障分量电流积分值的极性相同，则判别为母线故障，否则母线正常。

步骤(4)中，具体的实现过程为：

以公式作为第j条出线的母线保护单元检测到的故障分量线模电流积分值的计算公式，定义电流的正方向为母线流向本线路，m为用于计算的采样点数。

步骤(5)中，对于有n条出线的母线，具体的母线判据为：

以公式作为判断母线是否发生故障的依据，式中，sign(S_j')是S_j'的符号，规定当S_j'>0时，sign(S_j')＝1；当S_j'＝0时，sign(S_j')＝0；当S_j'<0时，sign(S_j')＝-1。如果λ为n，则判别为母线故障；否则，母线正常。

本发明的识别原理为：

1故障分析

图1所示为一简单的变电站母线结构故障示意图，假设母线B上共有n条出线，分别为l₁至l_n，R₁至R_n为母线就地保护单元，安装于各线路出口处，规定电流以母线流向线路的方向为正。为方便分析，假定该母线为单相系统。

1)母线故障。若图1中母线B上f点发生单相接地短路故障，其故障附加网络如图2所示。

在高压输电系统中，输电线路的阻抗角接近90°，下面的分析忽略了电阻，且这种近似对分析结果无实质影响。如图2所示，L₁至L_n分别是各支路的等值电感。假设故障前故障点的电压为V_F＝U_msin(ωt+θ)，则各母线保护单元检测到的故障分量电流及其积分值的计算过程如下：

$L_j\frac{\mathrm{d\&Delta;}{i}_j\left(t\right)}{\mathrm{dt}}=-V_F=-U_m\sin (\mathrm{\&omega;t}+\mathrm{\&theta;})---\left(7\right)$

$\mathrm{\&Delta;}{i}_j\left(t\right)=-\frac{U_m}{X_j}(\cos \mathrm{\&theta;}-\cos (\mathrm{\&omega;t}+\mathrm{\&theta;}))---\left(8\right)$

$S_j={\&Integral;}_0^t\mathrm{\&Delta;}{i}_j\left(\mathrm{\&tau;}\right)\mathrm{d\&tau;}=-\frac{U_m}{\mathrm{\&omega;}{X}_j}(\mathrm{\&omega;}t\cos \mathrm{\&theta;}+\sin \mathrm{\&theta;}-\sin (\mathrm{\&omega;t}+\mathrm{\&theta;}))---\left(9\right)$

式中，j＝1...n，X_j＝ωL_j，θ是故障初始角，Δi_j(t)代表出线l_j的故障分量电流，S_j为出线l_j的故障分量电流的积分值。由以上公式可得，母线故障时，各出线的母线保护单元检测到的故障分量电流的极性相同，相应的故障分量电流积分值的极性也相同，对故障分量电流进行积分运算是为了提高保护算法的抗干扰能力和可靠性。

2)出线故障。若图1中的线路l₁上f₁点发生接地短路故障，则其故障附加网络如图3所示。图3中，L₁₁和L₁₂分别是故障点到母线B和故障点到线路末端的电感(包括电源或负载)。则各母线保护单元检测到的故障分量电流及其积分值的计算结果如下：

$\mathrm{\&Delta;}{i}_1\left(t\right)=\frac{U_m}{X^{\&prime;}}(\cos \mathrm{\&theta;}-\cos (\mathrm{\&omega;t}+\mathrm{\&theta;}))---\left(10\right)$

$\mathrm{\&Delta;}{i}_j\left(t\right)=-\frac{{(X^{\&prime;}-X_{11})U}_m}{{X^{\&prime;}X}_j}(\cos \mathrm{\&theta;}-\cos (\mathrm{\&omega;t}+\mathrm{\&theta;}))---\left(11\right)$

$S_1=\frac{U_m}{\mathrm{\&omega;}{X}^{\&prime;}}(\mathrm{\&omega;}t\cos \mathrm{\&theta;}+\sin \mathrm{\&theta;}-\sin (\mathrm{\&omega;t}+\mathrm{\&theta;}))---\left(12\right)$

$S_j={\&Integral;}_0^t\mathrm{\&Delta;}{i}_j\left(\mathrm{\&tau;}\right)\mathrm{d\&tau;}=-\frac{(X^{\&prime;}-X_{11})U_m}{\mathrm{\&omega;}{X^{\&prime;}X}_j}(\mathrm{\&omega;}t\cos \mathrm{\&theta;}+\sin \mathrm{\&theta;}-\sin (\mathrm{\&omega;t}+\mathrm{\&theta;}))---\left(13\right)$

式中，j＝2…n，L_//代表L₂至L_n并联后的电感，X’＝ωL’，L’＝L₁₁+L_//，X₁₁＝ωL₁₁。由以上公式可以看出，任意一条出线故障时，故障线路上母线保护单元检测到的故障分量电流的极性与其它出线的极性相反，相应的积分值极性也相反。

上述分析是基于单相电力系统，但实际的电力系统三相之间存在着相互耦合，所以需要对故障分量电流进行相模变换，而传统的相模变换，如Clarke变换和Karenbauer变换，其单一模量都不能反映所有的故障类型。为此，本文利用交流电网相模变换的数学特征，构造了一种新的相模变换矩阵。

相模变换的本质是将参数矩阵的非对角元素变为零，因此利用参数矩阵的特征值和特征向量可以求取相模变换矩阵。三相均匀换位输电线路的参数矩阵是三阶对称循环矩阵，即对角元素相等，非对角元素也相等。设T＝(t_ab)_3×3为三相系统由模分量到相分量的变换矩阵，

结合对称循环矩阵的特征向量定理可得：

$\left\{\begin{array}{c}{t}_{11}=t_{21}=t_{31}\\ t_{12}+t_{22}+t_{32}=0\\ t_{13}+t_{23}+t_{33}=0\end{array}\right.---\left(14\right)$

由式(14)可构造出单一线模量能反映所有故障类型的新相模变换矩阵如下所示：

$T=\frac{1}{9}\left(\begin{array}{ccc}3& -3& -3\\ 3& 1& 2\\ 3& 2& 1\end{array}\right)---\left(15\right)$

其逆矩阵即相分量变换为模分量的矩阵为：

$T^{-1}=\left(\begin{array}{ccc}1& 1& 1\\ -1& -4& 5\\ -1& 5& -4\end{array}\right)---\left(16\right)$

将该相模变换矩阵应用于三相系统可得：

$\left(\begin{array}{c}{f}_0\\ f_1\\ f_2\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccc}1& 1& 1\\ -4& -4& 5\\ -1& 5& -4\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{f}_a\\ f_b\\ f_c\end{array}\right)---\left(17\right)$

式中，f_a、f_b和f_c可为电力系统的三相电压或电流，也可为故障分量电压或故障分量电流。为了更好地分析该相模变换矩阵的特点，表1给出了不同故障类型下的线模量i₁和i₂的值。由表1可得，i₁和i₂在不同故障类型下都不等于0，新相模变换得到的线模量i₁和i₂均能反映所有的故障类型。

表1各种故障类型下的线模电流

故障类型	故障边界条件	i1	i2
				Ag	ifb＝ifc＝0	-ifa	-ifa
Bg	ifa＝ifc＝0	-4ifb	5ifb
				Cg	ifa＝ifb＝0	5ifc	-4ifc
ABg	ifc＝0	-ifa-4ifb	-ifa+5ifb
				ACg	ifb＝0	-ifa+5ifc	-ifa-4ifc
BCg	ifa＝0	-4ifb+5ifc	5ifb-4ifc
				ABC	ifa+ifb+ifc＝0	-3ifb+6ifc	6ifb-3ifc
AB	ifc＝0ifa＝-ifb	-3ifb	6ifb
				AC	ifb＝0ifa＝-ifc	6ifc	-3ifc
BC	ifa＝0ifb＝-ifc	9ifc	-9ifc

2判据的构建

根据上述分析，无论是出线故障还是母线故障，可得结论如下：

1)当母线上发生故障时，与该母线相连的所有线路的始端(靠近母线侧)的母线保护单元检测到的故障分量电流积分值的极性相同。

2)当某条出线发生故障时，在此线路出口处的母线保护单元所检测到的故障分量电流积分值的极性与其它线路相反，此结论适应于任何一条出线。

对于每条出线，定义电流的正方向为母线流向本线路，Δi_j'和S_j'分别是第j条出线的母线保护单元检测到的故障分量线模电流及其积分值，计算如下：

${S_j}^{\&prime;}=\underset{k=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{\&Delta;}{i_j}^{\&prime;}\left(k\right)---\left(18\right)$

式中，m为用于计算的采样点数，对于有n条出线的母线，具体的母线判据为：

$\mathrm{\&lambda;}=\left|\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{sign}\left({S_j}^{\&prime;}\right)\right|---\left(19\right)$

式中，sign(S_j')是S_j'的符号，规定当S_j'>0时，sign(S_j')＝1；当S_j'＝0时，sign(S_j')＝0；当S_j'<0时，sign(S_j')＝-1。如果λ为n，则判别为母线故障；否则，母线正常。

以图5所示仿真模型进行仿真分析：

1)建立模型

为测试所提母线保护原理的性能，参照某超高压变电站500kV母线的一个半断路器接线方式，利用仿真软件PSCAD/EMTDC构造了母线仿真模型，如图5所示。

图5显示，I母和II母之间通过3串开关相连，共有4回进出线，2回变压器支路。R_i是分布式母线保护单元，装于各线路的出口处。其中，R₁、R₃和R₅构成一组，分别提取CT₁、CT₃和CT₅的电流，负责识别I母的运行状态；R₂、R₄和R₆构成另一组，分别提取CT₂、CT₄和CT₆的电流，负责识别II母的运行状态。C₁和C₂为母线的对地杂散电容，取0.01μF。输电线路采用频率相关模型，且均匀换位，各线路的长度如图5中所示，对于各母线保护单元，规定电流的正方向为由母线流向线路。采用低通滤波器滤除高频分量，然后提取线模分量进行计算。当前智能变电站中合并单元的采样频率一般为80点/每周波，故采样频率设置为4kHz，本发明采用10个连续采样点的数据来判别故障方向。如果没有特殊说明则故障发生时刻为0.5ms。

2)典型故障仿真

a、母线故障。不失一般性，设置I母线上f₁点发生B相接地故障，接地电阻为50Ω，故障初始角为45°。图6(a)、(b)显示了I母各母线保护单元检测到的故障分量线模电流及其积分值的波形，图7(a)、(b)显示了II母各母线保护单元检测到的故障分量线模电流及其积分值的波形，据此计算出的积分值和判别结果如表2所示。

从图6(a)、(b)和图7(a)、(b)可以看出，故障发生后，I母侧各母线保护单元检测到的线模电流及其积分值均为正，而II母侧各母线保护单元检测到的线模电流及其积分值有正有负，而且可以看出积分增加了保护的可靠性。综合分析表2数据和极性判别结果，可正确识别为I母故障，II母正常。

表2典型母线故障时的仿真结果

b、母线外部故障。设置线路l₂上f₂点发生AB相间故障，过渡电阻50Ω，故障点距离I母40km。图8(a)、(b)和图9(a)、(b)分别显示了I母和II母的各母线保护单元检测到的线模电流及其积分值波形，表3给出了相应的仿真结果。

表3典型母线区外故障时的仿真结果

由图8(a)、(b)与图9(a)、(b)和表3可知，对于线路l₂上f₂点故障，发生故障后，R₁检测到的线模电流和积分值的极性与R₃和R₅相反，R₂检测到的线模电流和积分值的极性与R₄和R₆相反。根据母线区内外故障识别逻辑，可判为母线区外故障，判断结果正确。

3)不同故障初始条件的仿真与分析

母线保护的性能容易受到各种故障初始条件的影响，如故障类型、故障接地电阻和故障初始角。为了测试不同故障初始条件对所提保护方法的影响，进行了如下仿真。

a、设置I母线上f₁点发生不同类型的故障，故障电阻为100Ω，仿真结果见表4。设置线路l₂上f₂点发生不同类型的故障，故障电阻为60Ω，仿真结果见表5。

由表4和表5中的仿真数据可知，对于不同故障类型的母线区内外故障，保护均能正确做出判断。

表4I母上发生不同类型故障时的仿真数据

表5线路l₂上发生不同类型故障时的仿真数据

b、不同故障电阻的仿真测试。设置I母线上f₁点发生AB接地故障，接地电阻分别为50Ω、200Ω和300Ω，仿真结果见表6。设置线路l₂上f₂点发生AC接地故障，接地电阻和仿真结果见表7。

表6I母上发生不同过渡电阻故障时的仿真数据

表7线路l₂上发生不同过渡电阻故障时的仿真数据

由表6和表7的仿真数据可知：无论母线内部故障还是外部故障，随着故障电阻的增大，各母线保护单元计算得到的故障分量线模电流积分值的绝对值逐渐减小，但这并不影响故障识别结果，两条母线的保护单元均能正确识别故障。

c、不同故障初始角的仿真测试。设置II母线上f₄点发生C相接地故障，故障初始角分别为0°、45°和120°，仿真结果见表8。设置线路l₃上f₃点发生B相接地故障，故障初始角和相应的仿真结果见表9。

表8 II母上发生不同初始角故障时的仿真数据

表9线路l₃上发生不同初始角故障时的仿真数据

由以上两表仿真结果可知，对于不同故障初始角的母线区内外故障，保护均能正确做出判断。零初始角故障时，故障分量线模电流积分值的绝对值有所降低，但是母线保护仍能正确识别故障，故所提母线保护方法具有很高的灵敏性。

4)考虑串补时的仿真测试。超高压长距离线路常采用串联电容补偿装置来提高线路输送能力和加强电力系统的动、静稳定性，所以需要考虑串联补偿电容对所提母线保护原理的影响。在l₁上靠近I母处装设串联电容，串补度为50％。分别在f₁、f₃和f₅(距离I母70km处)设置故障，仿真结果见表10。

表10加串补后的仿真结果

由表9的数据可得，线路加上串联补偿电容后，保护仍能够正确可靠的识别母线区内外故障。

5)CT饱和影响分析

传统的母线差动保护在区外故障导致CT饱和时容易发生误动。为了分析CT饱和对传统母线差动保护和所提方法的影响，在l₁上f₅点设置C相接地故障，且CT₁的C相电流发生严重饱和，则I母线各出线出口处的C相电流如图10(a)、(b)、(c)所示，II母线各出线出口处的C相电流如图11(a)、(b)、(c)所示，而I母和II母的各相差动电流分别如图12(a)、(b)、(c)和13(a)、(b)、(c)所示。图14(a)、(b)为各母线保护单元检测到的故障分量线模电流的波形，图15(a)、(b)为各母线保护单元检测到的故障分量线模电流积分值的波形，在图10(a)-15(b)中，故障发生在10ms处，表11为所提方法的仿真结果。

表11CT饱和时的仿真结果

从图10(a)-13(c)可以看出，线路1的C相电流在故障后4.22ms达到了饱和，I母C相的差动电流也达到了-2361A，故I母的差动保护可能会误动。图14(a)、(b)和图15(a)、(b)和表10表明所提方法在区外故障导致CT饱和时能正确识别为母线区外故障，这是因为该方法只利用故障后2.25ms的数据窗，在CT饱和以前保护就做出了判断，而且积分后保护的可靠性大大提高。

本发明先对故障分量电流进行相模变换，再利用线模电流的积分值的极性进行故障识别，且该发明是用来识别母线上是否发生故障。该发明不需要故障选相，采样频率低至4kHz，传统的CT和CVT传变特性即可满足要求。另外，该发明只需要2.25ms的数据窗进行计算，计算量小，动作速度快。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种新型电流极性比较式快速母线保护方法，其特征是：具体包括以下步骤：

(1)在与母线相连的各出线始端处安装分布式母线保护单元，各母线保护单元实时采集出线始端的电流值；

(2)对各出线进行故障检测，发生故障后，滤除故障分量电流的高频分量；

(3)利用交流电网相模变换的数学特征，构建一种新的相模变换矩阵，以消除三相线路的相间耦合并提取故障分量电流的线模分量；

(4)各母线保护单元分别计算各自检测到的故障分量线模电流的积分值；

(5)判断步骤(4)中各故障分量线模电流积分值的符号，根据所有出线的电流积分值的极性差异构建母线故障识别判据，从而判定是否为母线故障。

2.如权利要求1所述的快速母线保护方法，其特征是：所述步骤(3)中，利用交流电网相模变换的数学特征，构造一种新的相模变换矩阵，相模变换的本质是将参数矩阵的非对角元素变为零，因此利用参数矩阵的特征值和特征向量求取相模变换矩阵。

3.如权利要求1所述的快速母线保护方法，其特征是：所述步骤(3)的具体方法为：三相均匀换位输电线路的参数矩阵是三阶对称循环矩阵，即对角元素相等，非对角元素也相等，设T＝(t_ab)_3×3为三相系统由模分量到相分量的变换矩阵，结合对称循环矩阵的特征向量定理可得：

$\left\{\begin{array}{c}{t}_{11}=t_{21}=t_{31}\\ t_{12}+t_{22}+t_{32}=0\\ t_{13}+t_{23}+t_{33}=0\end{array}\right.---\left(3\right)$

由式(3)可构造出单一线模量能反映所有故障类型的新相模变换矩阵如下所示：

$T=\frac{1}{9}\left(\begin{array}{ccc}3& -3& -3\\ 3& 1& 2\\ 3& 2& 1\end{array}\right)---\left(4\right)$

其逆矩阵即相分量变换为模分量的矩阵为：

$T^{-1}=\left(\begin{array}{ccc}1& 1& 1\\ -1& -4& 5\\ -1& 5& -4\end{array}\right)---\left(5\right)$

将该相模变换矩阵应用于三相系统可得：

$\left(\begin{array}{c}{f}_0\\ f_1\\ f_2\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccc}1& 1& 1\\ -1& -4& 5\\ -1& 5& -4\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{f}_a\\ f_b\\ f_c\end{array}\right)---\left(6\right)$

式中，f_a、f_b和f_c为电力系统的三相电压或电流，或为故障分量电压或故障分量电流，利用公式(6)变换得到的1模分量f₁和2模分量f₂均能反映所有的故障类型，f₀为0模分量。

4.如权利要求1所述的快速母线保护方法，其特征是：所述步骤(4)中，具体的实现过程为：

以公式作为第j条出线的母线保护单元检测到的故障分量线模电流积分值的计算公式，定义电流的正方向为母线流向本线路，m为用于计算的采样点数。

5.如权利要求1所述的快速母线保护方法，其特征是：所述步骤(5)中，对于有n条出线的母线，具体的母线判据为：

计算式中，sign(S_j′)是S_j′的符号，n代表与母线相连的出线的总数目。规定当S_j′>0时，sign(S_j′)＝1；当S_j′＝0时，sign(S_j′)＝0；当S_j′<0时，sign(S_j′)＝-1；如果λ＝n，则判别为母线故障；否则，母线正常。

6.如权利要求1所述的快速母线保护方法，其特征是：所述步骤(2)中，采用相电流突变量启动元件对各个出线进行故障检测。

7.如权利要求1所述的快速母线保护方法，其特征是：所述步骤(2)中，采用二阶低通Butterworth滤波器滤除故障分量电流的高频分量。

8.如权利要求1所述的快速母线保护方法，其特征是：所述步骤(2)中，相电流突变量启动元件的具体实现过程如下：

Δi_p(k)＝i_p(k)-i_p(k-N)                                       (1)

Δi_p(k)≥0.2I_N                                             (2)

式中，N为每周波采样点数，i_p(k)为母线保护单元采集的各出线出口处的相电流，p分别为a相、b相或c相，I_N为额定相电流；当公式(2)满足时，故障检测启动元件动作。