CN109188207B - 一种基于初始行波有功功率的母线故障定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于初始行波有功功率的母线故障定位方法，步骤包括：计算综合有功功率动作量以及综合有功功率制动量；利用综合有功功率动作量与综合有功功率制动量计算发生故障时的比率；建立故障定位判据，当测量后计算的比率满足判据时，则判断为母线区内故障，否则判为母线区外故障。该母线故障定位方法利用S变换获取单频率初始行波有功功率，通过分析有功功率动作量与制动量二者比率关系能正确识别母线区内外故障，抗干扰性强；基于初始行波功率分布特征以及比率制动原理，在母线外部故障时，所提出的行波有功功率动作量、制动量的关系与区内故障二者之间差异明显，并具有一定的抗TA饱和影响、噪声干扰等能力。

Description

一种基于初始行波有功功率的母线故障定位方法

技术领域

本发明涉及一种母线保护方法，尤其是一种基于初始行波有功功率的母线故障定位方法。

背景技术

目前，在电网的智能化进程中，母线故障的定位方法也是越来越多，但是在现有的故障定位方法中，会存在各种各样的干扰因素，严重时甚至会影响故障定位精度。例如，过渡电阻、故障初始角、TA饱和以及噪声干扰等。因此有必要设计出一种基于初始行波有功功率的母线故障定位方法，能够有效抵抗各种干扰因素，提供母线故障定位的准确性和实用性。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种基于初始行波有功功率的母线故障定位方法，能够有效抵抗各种干扰因素，提供母线故障定位的准确性和实用性。

为了实现上述发明目的，本发明提供了一种基于初始行波有功功率的母线故障定位方法，包括如下步骤：

步骤1，计算母线关联支路的综合有功功率动作量P_cd以及母线关联支路的综合有功功率制动量P_cz；

步骤2，利用综合有功功率动作量P_cd与综合有功功率制动量P_cz计算发生故障时的比率为

步骤3，建立故障定位判据为λ＞K，K为门槛值，当测量后计算的比率λ满足判据时，则判断为母线区内故障，否则判为母线区外故障。

进一步地，步骤1中，综合有功功率动作量P_cd的计算算法为：

式(1)中，P_ci为第i(i＝1,2,…,n)条母线关联支路的初始行波综合有功功率，综合有功功率制动量P_cz的计算算法为：

P_cz＝|[max(P_c1,P_c2,…P_ci…,P_cn)-min(P_c1,P_c2,…P_ci…,P_cn)]| (2)

式(2)中，P_ci为第i(i＝1,2,…,n)条母线关联支路的初始行波综合有功功率。

进一步地，初始行波综合有功功率为故障发生后的0.1ms时间窗内关联支路上初始行波的20个采样点对应的初始行波有功功率之和。

进一步地，其特征在于，初始行波有功功率的计算步骤为：

步骤a，获取被保护母线的电压以及母线关联支路近母线端电流原始数据；

步骤b，对获取的电压、电流分别进行S变换；

步骤c，在S变换条件下计算选定频率下的复功率为：

式(3)中，

为测量到的母线电压行波，

为母线关联支路近母线端测量到的电流行波，P_i为初始行波有功功率，Q_i为线路初始行波无功功率，则初始行波有功功率P_i为

进一步地，步骤3中，门槛值K＝4。

本发明的有益效果在于：(1)利用S变换获取单频率初始行波有功功率，通过分析综合有功功率动作量与制动量二者比率关系识别母线区内外故障，基本克服了过渡电阻、故障初始角等因素的影响，能正确识别母线区内外故障，抗干扰性强；(2)基于初始行波功率分布特征以及比率制动原理，在母线外部故障时，所提出的行波有功功率动作量、制动量的关系与区内故障二者之间的关系差异明显，并具有一定的抗TA饱和影响、噪声干扰等能力，动作速度快、灵敏度高，且相比于只利用峰值向量信息建立保护判据的母线保护算法具有更高的准确性与更强的实用性。

附图说明

图1为本发明的方法流程图；

图2为本发明的母线系统结构示意图；

图3为本发明的母线内部故障时彼得逊等效电路；

图4为本发明的母线外部故障时彼得逊等效电路；

图5为本发明的故障线路L2和非故障线路L4相关波形对比图；

图6为本发明的母线内部故障时L2和L4线路相关波形对比图；

图7为本发明的母线内部故障时电压相关波形对比图；

图8为本发明的母线内部故障时L4线路电流相关波形对比图；

图9为本发明的母线外部故障时电压相关波形对比图；

图10为本发明的母线外部故障时电压相关波形对比图。

具体实施方式

如图1所示，本发明提出的基于初始行波有功功率的母线故障定位方法，包括如下步骤：

步骤1，计算母线关联支路的综合有功功率动作量P_cd以及母线关联支路的综合有功功率制动量P_cz；

步骤2，利用综合有功功率动作量P_cd与综合有功功率制动量P_cz计算发生故障时的比率为

步骤3，建立故障定位判据为λ＞K，K为门槛值，当测量后计算的比率λ满足判据时，则判断为母线区内故障，否则判为母线区外故障。

进一步地，步骤1中，综合有功功率动作量P_cd的计算算法为：

式(1)中，P_ci为第i(i＝1,2,…,n)条母线关联支路的初始行波综合有功功率，综合有功功率制动量P_cz的计算算法为：

P_cz＝|[max(P_c1,P_c2,…P_ci…,P_cn)-min(P_c1,P_c2,…P_ci…,P_cn)]| (2)

式(2)中，P_ci为第i(i＝1,2,…,n)条母线关联支路的初始行波综合有功功率。

进一步地，初始行波综合有功功率为故障发生后的0.1ms时间窗内关联支路上初始行波的20个采样点对应的初始行波有功功率之和。

进一步地，其特征在于，初始行波有功功率的计算步骤为：

步骤a，获取被保护母线的电压行波以及母线关联支路近母线端电流行波；

步骤b，对获取的电压、电流行波分别进行S变换；

步骤c，在S变换条件下计算选定频率(60kHz)下的复功率为：

式(3)中，

为测量到的母线电压行波，

为母线关联支路近母线端测量到的电流行波，P_i为初始行波有功功率，Q_i为线路初始行波无功功率，则初始行波有功功率P_i为

S变换是一种可逆的局部时频分析方法，避免了窗函数的选择，改善了窗宽固定的缺陷，同时S变换提取的特征量对噪声不敏感。

设连续时间信号为h(t)，则时间信号h(t)的连续S变换S(τ,f)定义为：

式中，τ是控制高斯窗口在时间轴上所处位置的参数，f为连续频率，t为时间，i为虚数单位，σ＝1|f|，g(τ-t,f)为高斯窗口，受频率变化影响。

若h[kT](k＝0,1,2,…,N-1)是对信号h(t)进行采样得到的离散时间序列，T为采样间隔，N为采样点数，则h[kT]的离散傅里叶变换函数为：

式中，n＝0,1,···N-1。

则信号h(t)的离散S变换为：

信号h(t)经S变换得到一个复时频矩阵，反映了信号的时域、频域特性，以及行波在时域中的幅值信息。

进一步地，步骤3中，门槛值K＝4。门槛值K需使得母线在各种故障条件下保护判据均能可靠灵敏的判别故障区域，其取值大小主要受采样值数据丢失的影响。

1)当母线内部故障时，此时的等效电路如图3所示，各关联线路综合有功功率均大于0。以图1中的L4线路为例，P_c4＞0，该线路采样点数据丢失会使得P_c4减小，考虑最极端的情况，即L4线路采样点数据全部丢失，此时P_c4＝0。据此推导式(1)和(2)可得：

此时：

即母线内部故障时某一条关联线路采样点数据丢失，比率λ≥4。

2)当母线外部故障时，此时的等效电路如图4所示，故障线路综合有功功率小于0，非故障线路综合有功功率大于0。以图1中L4线路故障并发生L4线路数据丢失为例，P_c4＜0，该线路采样点数据丢失会使得P_c4增大。考虑最极端的情况，即L4线路采样点数据全部丢失，此时P_c4＝0，据此推导式(1)(2)可得：

此时：

即母线外部故障时发生故障线路采样点数据丢失，比率λ≤4。

3)母线外部故障时，此时的等效电路如图4所示，以图1中L4线路故障并发生非故障线路L2数据丢失为例，故障发生后满足P_c4＜0,P_c2＞0。L2线路采样点数据丢失时，P_c4保持不变，P_c2会减小，但无论L2线路数据如何丢失，始终满足P_c2≥0。考虑最极端的情况，即L2线路采样点数据全部丢失，此时P_c4＜0保持不变，P_c2＝0，并且此时测量到的有功功率满足下式：

式中：

为L2线路在不发生数据丢失情况下的综合有功功率。

因此在L4线路故障时，非故障线路L2发生采样点数据全部丢失的情况下推导式(1)(2)(8)可得：

此时：

即母线外部故障时发生非故障线路采样点数据丢失时，比率

综合上述分析可知，由于在实际工程中很难存在一条线路所有采样点全部丢失或多条线路采样点大量丢失的情况。因此分析式(4)～式(10)可知，一般情况下母线内部故障时λ＞4，母线外部故障时λ＜4，因此选择K＝4。

仿真实例：

利用PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真软件建立如图1所示500kV母线系统仿真模型，母线采用LGJQT-1400型特种轻型钢芯铝绞线，线路采用华中电网500kV平武线结构参数(导线采用LGJQ-300×4四分裂导线，单根导线电阻0.108Ω/km)。其中L1～L5线路长度分别为200km、300km、250km、130km、180km。母线杂散电容设定为C_m＝0.01μF，采样频率200kHz，S变换后选择60kHz对应的初始行波信号计算行波有功功率，数据窗为故障后0.1ms数据。为验证本文所提行波功率型母线保护算法的性能，需要考虑母线在实际工作状态下可能出现的各种故障情况，因此文章选择在不同故障初始角(5°～100°)，不同过渡电阻(0Ω～800Ω)以及不同故障类型下仿真母线区内外故障，分析仿真结果进而验证算法的准确性和可靠性。

(1)母线外部故障时：

设定线路L₂距M母线80km处的F₂点发生B相接地故障，故障初始角45°，过渡电阻100Ω。选择母线关联线路近母线端初始行波和S变换后60kHz对应的单频率故障行波有功功率，图5给出了故障相与非故障相的相关波形。依据前文分析计算故障后0.1ms内20个采样点对应的单频率初始行波有功功率，再进一步计算各关联线路综合有功功率得到：

P_c1≈P_c3≈P_c4≈P_c5≈1179.01kW

P_c2＝-4908.35kW

即有：

不满足判据，判为母线外部故障，保护不动作。

为了充分验证算法的有效性，本文做了大量仿真实验，表1～表3给出了母线外部故障时保护在不同情况下的仿真验证结果。

表1母线外部故障时不同初始角下保护算法的测试结果

由表1可知，当母线外部故障时，随着故障初始角的变化，综合有功功率动作量P_cd和综合有功功率制动量P_cz也会随之发生变化，但始终满足动作量P_cd远小于制动量P_cz，比率λ远小于门槛值K，均不满足判据，判定为区外故障。

由表2可知，当过渡电阻变化时，P_cd与P_cz均基本保持不变，且P_cd始终小于P_cz，比率λ大小基本不受过渡电阻影响，均不满足判据，判定为母线区外故障。

表3母线外部故障时不同故障类型下保护算法的测试结果

由表3可知，在不同故障类型和故障位置下，P_cd与P_cz值大小会受到一定程度的影响，但P_cd始终远小于制动量P_cz，均不满足判据，能可靠判定为母线区外故障。

综上分析，母线外部故障时，由于故障线路近母线端获得的初始电流行波与非故障线路初始电流行波极性相反，理想情况下(以L₂线路故障为例)满足-P_c2≈P_c1+P_c3+P_c4+P_c5，但实际运行中受噪声、计算误差等因素影响综合有功功率动作量P_cd不等于零，而是一个较小的数值，由于综合有功功率制动量P_cz始终较大，仍能够实现可靠制动，因此该判据基本不受故障初始角、过渡电阻和故障类型的影响，能够准确识别各种情况下的母线区外故障。实验结果和前文的理论分析相吻合。

(2)母线内部故障：

设定M母线F₁点发生三相短路，故障初始角60°，过渡电阻200Ω，图6为故障相关行波波形和功率波形。依据前文分析可计算各采样点对应单频率初始行波有功功率，进一步计算综合有功功率得到：

P_c1≈P_c2≈P_c3≈P_c4≈P_c5≈3.58×10⁵kW

即有：

满足判据，判为母线内部故障，保护动作。

表4～表6给出了母线内部故障时保护在不同情况下的仿真验证结果，分析可知，母线内部故障时各关联支路综合有功功率基本相同，因此P_cd值较大，而P_cz值很小几乎为0，比率λ>>K。

表4内部故障时不同初始角下保护算法的测试结果

表4验证了母线内部故障时不同初始角对保护算法的影响，当故障初始角变化时，P_cd值也会随之发生变化，但P_cz值始终约等于0，且动作量P_cd远大于制动量P_cz，均满足判据，可靠判定为母线区内故障。

表5内部故障时不同过渡电阻下保护算法的测试结果

表5给出了不同过渡电阻在母线内部故障时的仿真结果。随着过渡电阻增大，P_cd值会逐渐减小，但P_cz值始终约为零，且动作量P_cd仍远大于制动量P_cz，能可靠满足判据，即判定为母线内部故障。

表6验证了内部故障时不同故障类型对保护算法的影响。分析仿真结果可知，无论故障类型如何变化，P_cd始终远大于P_cz，λ＞＞K，均可靠满足判据，判定为区内故障。

上述仿真分析表明，在故障后几个ms内，基于初始行波综合有功功率比较的母线保护方案能可靠地识别出母线内外部故障，保护动作速度快。尤其在发生母线区内故障时综合有功功率制动量P_cz几乎为0，判据能够灵敏可靠的识别母线故障。该保护方法基本不受故障初始角、过渡电阻以及故障类型的影响，且只需获取各关联线路的初始行波有功功率信息，使用的信息量小。

(3)噪声影响分析：

为验证信号在噪声影响下算法的可靠性，表7做了相应的仿真验证。仿真条件为分别在母线电压和母线各关联支路电流信号中加入噪声信号，信噪比(SNRs)为30dB～70dB。图7～图8为母线内部故障时电压、电流相关行波波形对比图；图9～图10为母线外部故障时电压、电流相关行波波形对比图。

分析表7中仿真结果可知，母线内部故障时随着噪声比的减小，P_cd和P_cz均增大，比率λ减小；母线外部故障时随着噪声比的减小，P_cd和P_cz均增大，比率λ增大，但即使在信噪比为30dB时判据也能可靠识别母线区内外故障。即本文所提算法受噪声影响较小。由于S变换具有一定的时频滤波去噪功能，结合图7～图10可知，S变换后的电压、电流波形受噪声影响较小。5.2抗CT饱和能力分析

为验证本文所提保护算法的抗CT饱和性能，分别对母线区内外故障时CT饱和进行了仿真分析(以L₄线路出现CT饱和为例)，CT饱和仿真模型采用具有较好时频特性的非线性时域等效电路模型，仿真结果见表8所示。

由仿真结果分析可知，母线区外故障时，故障线路出现CT(current transformer)饱和时，比率λ均小于门槛值K，能可靠识别为外部故障；母线区内故障，L4线路出现CT(currenttransformer)饱和，比率λ均大于K，可靠识别为内部故障。因此，本发明所提算法基本不受CT(current transformer)饱和影响，能可靠识别故障区域。

(4)动作速度分析：

基于初始行波综合有功功率的母线保护算法中的运算主要体现在Clarke相模变换和S变换两个方面。

电压、电流相摸变换需要9×2＝18次乘法。S变换的运算量通常较大。对于N点离散信号，完成S变换需要的运算量约为N²log₂N+N²次实数相乘。本发明方法选择的原始信号长度为20(0.1ms数据窗，采样频率200kHz)，对其进行S变换，大约需要2129次乘法。对电压和各关联线路电流分别进行S变换共需2129×2＝4258次乘法。因此算法需要大约4276次乘法和少量累加运算。快速数字信号处理芯片(DSP)可快速完成上述运算，以基于TMS320C40的DS1003为例，实现上述运算不会超过0.5ms，若采用更高主频的DSP处理器，运算速度将更快。

目前继电保护中广泛使用全周或半周傅氏算法进行相量计算，其运算速度取决于算法的运算量和所要求的数据窗长。在运算量方面，每工频周期采样N点时，应用全周傅氏算法计算一个相量需要2N次乘法和加法，而半周傅氏算法需要N次乘法和加法。考虑采样率为1600Hz(32点采样)时，计算一个相量全周傅氏算法需要64次乘法和加法，半周傅氏算法需要32次乘法算法，两者运算次数均远小于所提算法。在数据窗长方面，为了保证计算的精度，全周傅氏算法需要20ms的数据窗，而半周傅氏算法需要10ms的数据窗，均远大于所提算法。综上，虽然所提方法在运算量上较大，但借助DSP可在0.5ms内完成运算，同时所需数据窗长仅为0.1ms，与传统母线保护算法相比，大大缩短了数据窗长，所提算法的动作速度将远高于传统母线保护算法。

综上，本发明提出了初始行波综合有功功率差动式母线保护定位方法。基于S变换计算故障后0.1ms内20个采样点的初始行波有功功率，根据母线各关联线路电流极性定义有功功率正负值，在此基础上进一步定义综合有功功率动作量与制动量，通过分析综合有功功率动作量与制动量之间的比率关系进行母线故障识别。理论推导和仿真实验结果表明：

该方法利用S变换获取单频率初始行波有功功率，通过分析综合有功功率动作量与制动量二者比率关系识别母线区内外故障，基本克服了过渡电阻、故障初始角等因素的影响，能正确识别母线区内外故障，抗干扰性强。

该方法基于初始行波功率分布特征，以及比率制动原理，在母线外部故障时，新原理所提的行波有功功率动作量、制动量的关系与区内故障二者之间的关系差异明显，并具有一定的抗TA饱和影响、噪声干扰等能力，动作速度快、灵敏度高，且相比于只利用峰值向量信息建立保护判据的母线保护算法具有更高的准确性与更强的实用性。

Claims (4)

1.一种基于初始行波有功功率的母线故障定位方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，计算母线关联支路的综合有功功率动作量P_cd以及母线关联支路的综合有功功率制动量P_cz；

步骤2，利用综合有功功率动作量P_cd与综合有功功率制动量P_cz计算发生故障时的比率为

步骤3，建立故障定位判据为λ＞K，K为门槛值，当测量后计算的比率λ满足判据时，则判断为母线区内故障，否则判为母线区外故障；

步骤1中，综合有功功率动作量P_cd的计算算法为：

式(1)中，P_ci为第i(i＝1,2,…,n)条母线关联支路的初始行波综合有功功率，综合有功功率制动量P_cz的计算算法为：

P_cz＝|[max(P_c1,P_c2,…P_ci…,P_cn)-min(P_c1,P_c2,…P_ci…,P_cn)]| (2)

式(2)中，P_ci为第i(i＝1,2,…,n)条母线关联支路的初始行波综合有功功率。

2.根据权利要求1所述的基于初始行波有功功率的母线故障定位方法，其特征在于，初始行波综合有功功率为故障发生后的0.1ms时间窗内关联支路上初始行波的20个采样点对应的初始行波有功功率之和。

3.根据权利要求2所述的基于初始行波有功功率的母线故障定位方法，其特征在于，初始行波有功功率的计算步骤为：

步骤a，获取被保护母线的电压以及母线关联支路近母线端电流原始数据；

步骤b，对获取的电压、电流分别进行S变换；

步骤c，在S变换条件下计算选定频率下的复功率为：

式(3)中，

为测量到的母线电压行波，

为母线关联支路近母线端测量到的电流行波，P_i为初始行波有功功率，Q_i为线路初始行波无功功率，则初始行波有功功率P_i为

4.根据权利要求1所述的基于初始行波有功功率的母线故障定位方法，其特征在于，步骤3中，门槛值K＝4。

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