CN108767819B - 一种考虑行波波速特性的输电线路行波保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑行波波速特性的输电线路行波保护方法，该方法在线路发生故障后，在电网中各个母线节点处采集暂态电流行波信号，计算得到各母线节点处零模行波和线模行波的首波波头到达的模量时间差；将模量时间差最小的母线节点作为关键母线节点；根据关键母线节点确认故障区域，计算故障区域中每条线路的平均模量穿越时间差，将平均模量穿越时间差最小的线路确认为故障线路，并对故障线路执行线路保护动作。本发明不需要线路两端同步，不受系统负荷、故障初相角、过渡电阻等因素的影响，可靠性高、精度高、动作速度快，具有较高经济性和较强实用价值。

Description

一种考虑行波波速特性的输电线路行波保护方法

技术领域

本发明属于输电线路保护领域，特别涉及一种考虑行波波速特性的输电线路行波保护方法。

背景技术

由于我国的能源主要基地和电力负荷分布的不均衡，电能传输的距离长，跨度远，输电线路所经过的地形环境多种多样，容易受到自然环境、外力破坏等因素的影响，导致发生短路、接地等故障。随着电力系统规模的不断扩大，电网安全稳定运行的要求不断提高，输电线路的可靠性对一个地区的经济生活起到至关重要的作用，因此，发生故障后保护动作是否可靠是否迅速，对电网的安全运行有着重要的意义。

与传统继电保护技术相比，行波保护具有响应速度快、不受分布电容、系统震荡、电流互感器饱和等因素影响的优点，近年来行波保护技术发展迅速。现有行波保护主要利用行波波头的幅值、极性信息等构成保护判据，实现行波距离保护、方向保护或差动保护等。然而，上述行波保护存在后续波头识别困难、误动风险大等问题，易受网络拓扑结构变化、干扰信号的影响，无法满足工程推广的要求。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提出一种考虑行波波速特性的输电线路故障行波保护，适用于远距离高压输电线路，保护范围无死角并且保护动作快，可以准确判断出故障发生的线路，并且有较好的鲁棒性。因此，本发明在原有行波保护技术研究成果的基础上，提出了一种考虑行波波速特性的新型行波保护。该保护从行波在线路上传播特性入手，随着传播距离的增加，零模行波和线模行波波速差异增大，则单位长度上的零模和线模行波传播时间差也会随着距离故障点的不同而不同。因此，可得沿着行波传播方向，随着行波的传播，越是远离故障点的线路上，由于零模行波波速的下降，单位长度上零模行波和线模行波通过该长度的时间差也就越长。因此求出各个节点处测得的时间差，差值最小的节点即为故障线路的一个端点，称之为关键母线节点，与关键母线节点直接相连的线路构成故障区域。根据零模和线模行波波速的不同，提出线路的平均模量穿越时间差概念，计算故障区域中各线路的平均模量穿越时间差，模量时间差最小的线路即为故障线路，该线路的保护动作。本发明不需要线路两端同步，不受系统负荷、故障初相角、过渡电阻等因素的影响，只需要识别第一个波头到达时刻，利用线路两端变电站中的行波测量装置，方便实现，精度高、动作速度快，具有较高经济性和较强实用价值。

技术方案：为实现上述技术效果，本发明采用的技术方案为：

一种考虑行波波速特性的输电线路行波保护方法，包括步骤：

(1)当线路发生故障后，在电网中各个母线节点处采集暂态电流行波信号；根据采集到的暂态电流行波信号使用克拉克相模变换矩阵获取暂态零模电流和线模电流；使用离散小波分析得到各母线节点处零模行波和线模行波的首波波头到达的时间，记母线节点i处零模行波的首波波头到达时间为ti0，线模行波的首波波头到达的时间为ti1；计算各母线节点的模量时间差为：Δt_i＝|t_i0-t_i1|,i＝1,2,Λ,n，n为母线节点总数；

(2)从步骤(1)的计算结果中选取最小模量时间差，并将最小模量时间差相应的母线节点作为关键母线节点；若存在两个关键母线节点，则将这两个关键母线节点之间的线路确认为故障线路，并对故障线路执行线路保护动作，结束保护方法；若只存在一个关键母线节点，则从电网线路中选取所有与关键母线节点直接相连的线路，构成故障区域，对故障区域执行步骤(3)；

(3)计算故障区域中各线路的平均模量穿越时间差，定义故障区域中任意一条线路的平均模量穿越时间差的计算公式为：

式中，ε表示该条线路的平均模量穿越时间差，l为该条线路的长度，Δt_R表示线路右端母线节点的模量时间差，Δt_L表示线路左端母线节点的模量时间差；

(4)将步骤(3)中平均模量穿越时间差最小的线路确认为故障线路，并对故障线路执行线路保护动作，结束保护方法。

进一步的，所述离散小波变换使用db6小波，分解4层；以d4层小波细节系数模极大值对应的时刻为波头到达时刻。

有益效果：本发明考虑行波波速与故障距离的相互变化关系确定故障线路，不受线路参数的影响，也不受故障合闸相角、接地电阻的影响。系统在各种不对称故障情况下都会有零模线模行波的产生，适用性强。本发明适用于输电线路，保护范围无死角，动作迅速准确。保护的有效范围为线路全长。公式简单，计算迅速，能够快速定位故障线路，故障线路保护动作。本发明不需要线路两端变电站的采样同步，减少投资。不需要辨识第二个反射波波头，抗干扰能力强。具有很好的精度及鲁棒性。本发明可以利用变电站装设的行波检测装置实现，实现简单，具有较强的经济性和较好的使用价值。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本发明所提及的保护不需要线路两端的同步采样支持，不需要辨识复杂的第二个行波波头，仅需要检测行波初始波头到达时刻，故障发生时不拒绝动作，不误动作，具有很好的可靠性。

2、本发明不受过渡电阻及故障初相角影响，对任意的不对称故障均能够实施该发明，具有很好的灵敏性。

3、本发明可以准确判断出故障发生的线路，具有很好的选择性。

4、本发明计算复杂度低，能够快速的启动保护，具有很好的速动性。

5、本发明适用于所有电压等级的输电线路，保护范围为线路全长，不存在死区。

6、本发明可以利用大量现有的投运检测设备，实现简单，具有较强的经济性和较好的实用价值。

附图说明

图1是本发明的流程图；

图2是具有双端行波检测装置线路的时空图；

图3是零模波速和线模波速趋势图；

图4是IEEE 30-Bus系统结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

本发明的考虑行波波速特性的输电线路行波保护，如图1所示，具体步骤如下：

步骤1，当线路发生故障后，各变电站中的行波检测装置采集各个母线节点处的暂态电流行波信号，行波检测装置的采样率为1MHz，使用克拉克相模变换矩阵获取暂态零模和线模电流；离散小波变换使用db6小波，分解4层，以d4层小波细节系数模极大值对应的时刻为波头到达时刻。一条线路上具有两端监测单元的时空图，如图2所示。以一条线路为例，使用离散小波分析得到暂态零模和线模电流首波头分别到达线路左右两端的时间t_L1、t_L0、t_R1、t_R0，并求得左右两端的模量时间差为：Δt_L＝t_L0-t_L1，Δt_R＝t_R0-t_R1。从而扩展到电网全部线路与母线节点，得到故障发生后零模行波和线模行波波头分别到达电网各母线节点的时刻t_i0和t_i1(i＝1,2,3…n)，计算各母线节点的模量时间差Δt_i＝|t_i0-t_i1|(i＝1,2,3…n)，n为母线节点总数。

步骤2，如图3所示，零模行波在开始的时候传播速度快，随着传播距离的增加，速度下降，其变化为非线性单调递减，先是变化快，后面逐渐缓和，即变化率由大渐小。考虑零模行波的传播特性，故障点处，故障行波起始时刻，零模行波和线模行波初始波速一致，假设线模行波波速不变，则随着传播距离的增加，零模行波和线模行波波速差异也在增大，则单位长度上的零模和线模行波传播时间差也会随着距离故障点的不同而不同。因此，可得零模和线模行波传播时间差最小的节点就是故障线路的一个端点。比较各母线节点的模量时间差Δt_i(i＝1,2,3…n)，判断最小模量时间差的个数。

步骤3，如果最小模量时间差为两个且相等，则该两个最小模量时间差对应的母线节点即为故障线路的两个端点，故障发生在该线路中点位置，确定故障线路，该线路的保护动作。

步骤4，如果最小模量时间差为一个，则确定该最小模量时间差对应的母线节点M为关键母线节点，与关键母线节点直接相连的线路构成故障区域。

步骤5，沿着行波传播方向，随着行波的传播，越是远离故障点的线路上，由于零模行波波速的下降，单位长度上零模行波和线模行波通过该长度的时间差也就越长，定义其为模量穿越时间差，本质为该处零模和线模行波波速的变化速率之差。模量穿越时间差公式为：

Δt_R和Δt_L分别为线路左右两端的模量时间差，l为线路全长。

计算故障区域中各线路的平均模量穿越时间差ε_ij(i＝1,2,3…n；j＝1,2,3…n)，模量时间差ε_ij最小的线路即为故障线路，该线路的保护动作。

本发明在各等级输电线路中具有很高的定位精度并且任何不对称故障类型，故障影响因素，本发明均可以满足。现以一个模型为例分析。

在PSCAD中搭建IEEE30电网拓扑模型，模型结构如图4所示，电网电压等级为220kv，线路型号选择参照2*LGJ-240/30的线路参数，线路模型选择依频特性模型，采样率为1MHz，电源侧接Δ-Y型变压器，变比为500/220kV，负载侧接Y-Δ型变压器，变比为220/110kV。线路长度参数见表1。

表1IEEE 30节点模型线路长度

1、在BUS 10和BUS17之间设置A相接地故障，故障距离BUS10有56km，距离BUS17有60km，利用克拉克相模变换将各母线节点电压解耦成零模和线模行波信号，使用db6小波的d4层实现行波波头到达时刻的标定，表2为该条件下测得的各母线节点的模量时间差。

表2各母线节点的模量时间差

表2中，各母线节点中Bus 10的模量时间差最短为4us，因此可以确定Bus 10为故障线路的一端，是关键母线节点，判断故障区域为Bus 4连接的线路l_6-9，l_9-10，l_10-17，l_10-20，l_10-21，l_10-22。计算故障区域内线路的平均模量穿越时间差如表3。

表3故障区域内线路的平均模量穿越时间差

线路编号	l<sub>6-9</sub>	l<sub>9-10</sub>	l<sub>10-17</sub>	l<sub>10-20</sub>	l<sub>10-21</sub>	l<sub>10-22</sub>
							穿越时间差(ε)	0.0606	0.0208	0.0172	0.0308	0.0818	0.0392

表3中，线路l_10-17的平均穿越时间差最小，因此，判断故障线路为l_10-17,线路l_10-17保护动作。

在MATLAB环境中运行整个程序，运行时间为0.02s，满足保护的速动性。

2、考虑不同过渡电阻情况下，保护的精确性。控制变量的相同，故障初相角为60度，故障发生在线路10-17上，改变故障距离和过渡电阻，根据所提方法的故障线路结果如表4。

表4不同过渡电阻下的结果

3、考虑不同故障初相角情况下，保护的精确性。控制变量的相同，过渡电阻为10Ω，故障发生在线路10-17上，改变故障距离和故障初相角，根据所提方法的故障线路结果如表5。

表5不同故障初相角下的结果

4、可以得出本发明所提及的保护可以准确判断出故障发生的线路，并且不受过渡电阻及故障初相角影响。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种考虑行波波速特性的输电线路行波保护方法，其特征在于，包括步骤：

(1)当线路发生故障后，在电网中各个母线节点处采集暂态电流行波信号；根据采集到的暂态电流行波信号使用克拉克相模变换矩阵获取暂态零模电流和线模电流；使用离散小波变换得到各个母线节点处零模行波和线模行波的首波波头到达的时间，记母线节点i处零模行波的首波波头到达时间为t_i0，线模行波的首波波头到达的时间为t_i1；计算各个母线节点的模量时间差为：Δt_i＝|t_i0-t_i1|,i＝1,2,…,n，n为母线节点总数；

(2)从步骤(1)的计算结果中选取最小模量时间差，并将最小模量时间差相应的母线节点作为关键母线节点；若存在两个关键母线节点，则将这两个关键母线节点之间的线路确认为故障线路，并对故障线路执行线路保护动作，结束保护方法；若只存在一个关键母线节点，则从电网线路中选取所有与关键母线节点直接相连的线路，构成故障区域，对故障区域执行步骤(3)；

(3)计算故障区域中各线路的平均模量穿越时间差，定义故障区域中任意一条线路的平均模量穿越时间差的计算公式为：

式中，ε表示该条线路的平均模量穿越时间差，l为该条线路的长度，Δt_R表示线路右端母线节点的模量时间差，Δt_L表示线路左端母线节点的模量时间差；

(4)将步骤(3)中平均模量穿越时间差最小的线路确认为故障线路，并对故障线路执行线路保护动作，结束保护方法。

2.根据权利要求1所述的一种考虑行波波速特性的输电线路行波保护方法，其特征在于，所述离散小波变换使用db6小波，分解4层；以d4层小波细节系数模极大值对应的时刻为波头到达时刻。