CN111478273A - 一种特定波长故障暂态分量的母线继电保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种特定波长故障暂态分量的母线继电保护方法，当母线故障时，其超高速信号采集电路，采集故障行波数据，通过小波变换模极大值启动判据，若小波变换模极大值随着尺度j的增加而增大或不变，则启动元件动作，动作原件启动后，将各电流行波经数学形态学或小波变换后，取首波头对应的模极大值带入比率判据，若对于三相电流行波都满足

则判为外部故障，保护不动作，若至少有一相

则判为母线故障，保护动作于跳闸。该特定波长故障暂态分量的母线继电保护方法，采用经数学形态学或小波变换对信号进行预处理，不会出现因干扰和测量误差而导致故障特征被湮没的情况，可以提高信号可靠性。

Description

一种特定波长故障暂态分量的母线继电保护方法

技术领域

本发明涉及电力保护技术领域，具体为一种特定波长故障暂态分量的母线继电保护方法。

背景技术

母线可连接多条进、出线路，是输配电的枢纽，在电力系统中占有极其重要的地位。母线故障时，若不能及时检测出并切除故障母线，将会扩大事故范围，毁坏更多设备，破坏电力系统安全稳定运行，甚至瓦解整个电力系，母线发生故障造成的后果相当严重，因此，配设可靠性高、选择性好、灵敏度高的母线保护是很有必要的，母线保护总体可分为两种类型：一是由供电元件的保护装置来保护母线，例如线路的限时速断或过流保护、发电机过流保护、变压器过流保护等，都属于后备保护，二是专用母线保护装置，包括传统工频母线保护和近年来被广泛研究的基于故障暂态分量的母线保护，对于不同电压等级的母线，其母线保护的配置不尽相同，以往35kV及以下电压等级的母线不装设专用母线保护，而采用供电元件的保护装置来切除，随着配电网容量与规模的逐渐增大，中低压等级母线故障对系统稳定运行的影响愈发严重，造成的危害巨大，采用传统后备保护的延时较长、无选择性、往往扩大故障范围，已不再满足电力系统对母线保护的要，而电弧光保护由于原理简单、动作迅速可靠、灵敏度高、适用于各种接线、具备故障定位功能等优点，近年来被用作中低压等级母线的专用保护，中低压母线发生故障的表现形式是电弧光放电燃烧，电弧光保护就是通过检测故障产生的弧光强度并结合电流元件判断是否发生故障的，即：当同时检测到来自弧光传感器的弧光信号以及电流元件的过电流信号时，保护动作于跳闸，而在高压及超高压以上等级的系统、重要发电厂及变电所，则应该配设专门的母线保护。传统的母线保护建立在工频量的基础上，具有稳定可靠的优点，缺点是容易受过渡电阻、系统振荡等因素的影响，并且其数据窗较长，导致保护动作速度慢(达数十毫秒)，易受电流互感器(CT)饱和的影响而误动。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种特定波长故障暂态分量的母线继电保护方法，具备使用效果好的优点，解决了上述背景技术中提出的问题。

(二)技术方案

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种特定波长故障暂态分量的母线继电保护方法，当母线故障时，其超高速信号采集电路，采集故障行波数据，通过小波变换模极大值启动判据，若小波变换模极大值随着尺度j 的增加而增大或不变，则启动元件动作，动作原件启动后，将各电流行波经数学形态学或小波变换后，取首波头对应的模极大值带入比率判据，若对于三相电流行波都满足

则判为外部故障，保护不动作，若至少有一相

则判为母线故障，保护动作于跳闸。

本发明要解决的技术问题是提供一种特定波长故障暂态分量的母线继电保护方法，包括以下步骤：

(1)、故障启动

故障启动元件用于故障后快速启动行波保护或暂态保护，对其的要求是灵敏度高、速动性好、可靠性高(故障时可靠启动，无故障、干扰或振荡时可靠不误动)，常用的突变量启动元件通过比较电流行波突变量与整定值的大小形成启动判据，容易受噪声、非故障性雷击等干扰而导致启动元件的频繁误启动，基于小波变换模极大值(WTMM)的启动元件的判据如式(1-0)，若小波变换模极大值随着尺度j的增加而增大或不变，则启动元件动作，该判据在噪声等干扰下不会误启动，但只适用于孤立奇异点，不适于影响锥内有多个奇异点的情况，例如，在线路出口故障的情况下，反射波易落入初始行波的影响锥内，启动元件可能拒动。

式中：I_j,max为尺度j下的小波变换模极大值；I_Qset为启动判据的门槛值。

为避免近距离故障时启动元件拒动，提出基于小波变换模极大值之和 (WTMS)的启动元件，其算法步骤如下：

①检测电流行波信号i(m)的奇异性：对信号进行第一尺度的小波变换，定义梯度模极大值Grad(m)为当前点的后3个点之和减去其前3个点之和，即：

若存在梯度模极大值满足Grad(m₀)＝max|Grad(m)|＞G_set，G_set为整定值，则信号奇异，m₀为奇异点。

②计算奇异点m₀影响锥内的小波变换系数W(m,j)，由公式(1-2)求出 m₀影响锥内的小波变换模之和Ni(m₀,j)，j＝1,2,3。

式中：(u-m₀)≤Cj为奇异点m₀的影响锥。

③若

则判为故障行波到来，启动元件动作。

故障启动元件动作后，采集足够长度的行波数据进行下面的内部、外部故障判别。

(2)、故障判别

将各电流行波经数学形态学或小波变换后，取首波头对应的模极大值带入比率判据，若对于三相电流行波都满足

则判为外部故障，保护不动作，若至少有一相

则判为母线故障，保护动作于跳闸。

(三)有益效果

与现有技术相比，本发明提供了一种特定波长故障暂态分量的母线继电保护方法，具备以下有益效果：

该特定波长故障暂态分量的母线继电保护方法，采用经数学形态学或小波变换对信号进行预处理，不会出现因干扰和测量误差而导致故障特征被湮没的情况，可以提高信号可靠性，利用暂态方法，对硬件复杂性及判据要求较低，具有易操作性和稳定性，利用故障行波到来，启动元件动作抗干扰性强，利用电流行波判断故障，需要的判据参数少，不依赖线路结构参数，在短线路故障时，不受到长线电容电流及过度电阻影响。

附图说明：

图1为电流行波母线高速暂态差动保护流程图；

图2为单母线内部、外部故障的故障附加网络图；

图3为3/2接线方式的母线示意图；

图4为母线故障时CT一次侧的各相电流行波及其变换结果示意图；

图5为母线故障时CT二次侧的各相电流行波及其变换结果示意图；

图6为线路故障时CT一次侧的各相电流行波及其变换结果示意图；

图7为线路故障时CT二次侧的各相电流行波及其变换结果示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明的实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为实现上述目的，本发明可用以下述技术方案来实现：

一种利用故障暂态初始能量的谐振接地系统高阻接地故障选线方法，其具体工作原理如下：

行波高速母线继电保护与传统的工频高速母线继电保护均以基尔霍夫电流定律为基础，不同的是后者用电流相量进行判据的计算，前者则取初始电流行波的模极大值进行计算。

以单母线为例说明电流行波高速母线继电保护的原理，如附图2所示为母线内部、外部故障的故障附加网络图，故障时刻相当于故障附加电源合闸，从而产生由故障点向两端传播的暂态行波，附加电源的电压与故障前故障点处的电压大小相等、相位相反，图中仅示出母线M上的2回线路，C_M是母线对地电容，i_AM、i_BM、i_CM分别为母线各相对地电容电流，i_A1、i_B1、i_C1和i_A2、i_B2、 i_C2分别是线路L₁、L₂出口处的CT检测到的三相电流行波，设定电流正方向为母线流入线路。

定义母线各相的电流行波差动量为：

式中：

为A，B或C相；n为母线上所连线路的总数；

为第k条线路测得的

相电流行波。

如图(a)所示，母线内F₁点发生A相故障，故障处产生的电流行波i_F1有一部分经母线A相对地电容流入地中，另一部分沿母线两侧的A相线路传播，并耦合到B、C相线路(母线长度一般在100m以内，因此可忽略母线的相间耦合，只考虑线路上的耦合)，检测到i_A1和i_A2极性相同，由KCL定律得母线A 相差动量|i_A1+i_A2|＝|i_F1-i_AM|，而B、C相差动量|i_B1+i_B2|＝|-i_BM|、|i_C1+i_C2|＝|-i_CM|，由于母线对地电容电流远远小于故障电流，所以此时A相差动量较大，B、C相差动量较小。

如图(b)所示，线路上F₂点发生A相故障，故障处电流行波i_F2沿A相线路向母线传播，并耦合到B、C相线路。电流行波到达母线后，一部分由母线对地电容流入地中，另一部分沿线路继续传播，检测到的i_A1和i_A2的极性相反，由KCL定律可得母线A相差动量|i_A1+i_A2|＝|i_AM|，B、C相差动量|i_B1+i_B2|＝|i_BM|、 |i_C1+i_C2|＝|i_CM|，由于母线对地电容电流很小，所以此时三相的差动量都较小。

以上是以A相故障为例进行说明的，其它故障的分析过程类似，可见，选择合适的门槛值，当三相电流行波的差动量都小于门槛值时判为外部故障，若至少有一相差动量大于门槛值则判为母线故障，但在电压过零附近母线故障时，各电流互感器测得的电流行波很微弱，导致差动量很小甚至小于门槛值，此时母线故障被判为线路故障，本应该动作的保护拒动，为防止该情况，可以采用带比率制动特性的保护判据。

定义电流行波的制动量为：

差动量与制动量的比值构成比率判据的表达式如下：

当母线外部故障时，

从而

母线故障时，至少有一相

即

因此，设定合适的门槛值K_set(略小于1，可以取0.9)，母线分相差动保护的比率判据可以表述为：若三相电流行波都满足

则判为母线外部故障，保护不动作；若至少有一相

则判为母线故障，保护动作。

实现步骤为：

(1)、故障启动

故障启动元件用于故障后快速启动行波保护或暂态保护，对其的要求是灵敏度高、速动性好、可靠性高(故障时可靠启动，无故障、干扰或振荡时可靠不误动)，常用的突变量启动元件通过比较电流行波突变量与整定值的大小形成启动判据，容易受噪声、非故障性雷击等干扰而导致启动元件的频繁误启动，基于小波变换模极大值(WTMM)的启动元件的判据如式(1-0)，若小波变换模极大值随着尺度j的增加而增大或不变，则启动元件动作，该判据在噪声等干扰下不会误启动，但只适用于孤立奇异点，不适于影响锥内有多个奇异点的情况，例如，在线路出口故障的情况下，反射波易落入初始行波的影响锥内，启动元件可能拒动。

式中：I_j,max为尺度j下的小波变换模极大值；I_Qset为启动判据的门槛值。

为避免近距离故障时启动元件拒动，提出基于小波变换模极大值之和 (WTMS)的启动元件，其算法步骤如下：

①检测电流行波信号i(m)的奇异性：对信号进行第一尺度的小波变换，定义梯度模极大值Grad(m)为当前点的后3个点之和减去其前3个点之和，即：

若存在梯度模极大值满足Grad(m₀)＝max|Grad(m)|＞G_set，G_set为整定值，则信号奇异，m₀为奇异点。

②计算奇异点m₀影响锥内的小波变换系数W(m,j)，由公式(1-2)求出 m₀影响锥内的小波变换模之和Ni(m₀,j)，j＝1,2,3。

式中：(u-m₀)≤Cj为奇异点m₀的影响锥。

③若

则判为故障行波到来，启动元件动作。

故障启动元件动作后，采集足够长度的行波数据进行下面的内部、外部故障判别。

(2)、故障判别

将各电流行波经数学形态学或小波变换后，取首波头对应的模极大值带入比率判据，若对于三相电流行波都满足

则判为外部故障，保护不动作，若至少有一相

则判为母线故障，保护动作于跳闸。上述基于比率判据的电流行波母线高速暂态差动保护的流程图如图1所示。

母线故障时，利用上述原理可以实现完善的故障判断，具体实现流程如下。

本发明的具体实现步骤如下：

当母线故障时，高速采集行波故障数据，故障行波到来，启动元件动作。

采用电流行波经数学形态学或小波变换，利用取首波头对应的模极大值带入比率判据，若对于三相电流行波都满足

则判为外部故障，保护不动作，若至少有一相

则判为母线故障，保护动作于跳闸。

暂态仿真例：

1—母线避雷器；2—线路避雷器；3—线路保护用电流互感器； 4—母线保护用电流互感器；5—电压互感器；6—母联断路器；7—阻波器

如附图3所示为500kV的3/2接线方式母线，母线对地电容为0.01μF，在PSCAD中对母线M的不同故障进行仿真研究，F₁、F₂分别是母线M的内部、外部故障，仿真采样频率为500kHz、数据窗为1ms，为讨论CT传变特性是否对保护的正确动作有影响，将仿真中CT的一次、二次电流行波波形均示出，此处CT的变比为1250A/1A。

⑴母线故障

在故障初始角为90°(假设故障前故障点处的电压为正弦函数)时母线 M发生A相金属性接地故障，故障时刻相当于故障附加电源合闸，产生的电流行波将从母线向两侧的A相导线传播，并耦合到B、C相导线，电流互感器CT1、 CT2一次侧i₁、i₂的各相电流行波，及其三次B样条小波变换第3尺度的结果、形态学变换后的结果如图所示，CT1、CT2二次侧检测到的i₁′、i₂′各相电流行波及其小波和形态学的变换结果如下图所示。

由附图4可见，母线所连各线路的A相导线上都能检测到较明显的电流行波，故小波或数学形态学变换后的模极大值较大，而耦合到B、C相的电流行波较小，故它们的模极大值较小。

母线故障时CT一次侧的各相电流行波及其变换结果(AG,R＝0,θ＝90°)。

附图4中i₁各相初始电流行波(i_1A、i_1B和i_1C)的小波变换模极大值分别为-673.51、3.65、3.65A，i₂各相初始电流行波(i_2A、i_2B和i_2C)的小波变换模极大值分别为-1052.6、11.65、11.65A，代入公式(1-5)中得到

满足母线故障判据，母线保护应动作。

i₁各相初始电流行波的形态学变换模极大值分别为-1488.85、26.75、 26.75A，i₂各相初始电流行波的形态学变换模极大值分别为-2339.92、74.31、 74.31A，计算得

判为母线故障，母线保护应动作。

母线故障时CT二次侧的各相电流行波及其变换结果(AG,R＝0,θ＝90°)。

在附图5中，i₁各相初始电流行波(i_1A′、i_1B′和i_1C′)的小波变换模极大值分别为-0.44、0.005、0.005A，i₂′各相初始电流行波(i_2A′、i_2B′和i_2C′)的小波变换模极大值分别为-0.69、0.005、0.005A，代入公式(1-5)中得到

满足母线故障判据，母线保护动作于跳闸。

i₁′各相初始电流行波的形态学变换模极大值分别为-1.4、0.014、0.014A，i₂′各相初始电流行波的形态学变换模极大值分别为-2.2、0.042、0.042A，计算得

判为母线故障，母线保护动作于跳闸。

⑵线路故障

在故障初始角为90°时，线路L₁在距离母线70km处的F₂点发生A相金属性接地故障，故障处产生的电流行波沿A相导线传到母线后再沿各线路继续传播，CT1、CT2一次侧i₁、i₂的各相电流行波及其三次B样条小波和形态学的变换结果如图所示，CT1、CT2二次侧检测到的i₁′、i₂′各相电流行波及其小波和形态学变换结果如图所示。

由图可见，母线上各线路均能检测到较明显的电流行波，且故障线路L₁各相初始电流行波的极性与非故障线路L₂的各相初始电流行波极性相反，其小波变换结果也具有相反的符号，所以用公式计算得各相的比率制动系数都较小。

线路故障时CT一次侧的各相电流行波及其变换结果(AG,R＝0,θ＝90°)。

在附图6中，i₁各相初始电流行波的小波变换模极大值分别为245.51、 -66.37、-66.37A，i₂各相初始电流行波的小波变换模极大值分别为-225.74、 66.2、66.2A，由公式(1-5)得到K_A＝0.042，K_B＝K_C＝0.0013，可见三者都小于K_set，不满足母线故障的判据，则判为母线外部故障。

i₁各相初始电流行波的形态学变换模极大值分别为533.4、-144.66、 -144.66A，i₂三相电流行波的形态学变换模极大值分别为-456.31、143.98、 143.98A，得到K_A＝0.078，K_B＝K_C＝0.0023，三者都小于K_set，不满足母线故障的判据，判为母线外部故障。

线路故障时CT二次侧的各相电流行波及其变换结果(AG,R＝0,θ＝90°)。

在附图7中，i₁′各相初始电流行波的小波变换模极大值分别为0.224、 -0.061、-0.061A，i₂′各相初始电流行波的小波变换模极大值分别为-0.21、 0.061、0.061A，代入公式(1-5)中得到K_A＝K_B＝K_C≈0，三者都小于K_set，不满足母线故障判据，则判为母线外部故障，母线保护不动作。

i₁′各相初始电流行波的形态学变换模极大值分别为0.51、-0.138、 -0.138A，i₂′各相初始电流行波的形态学变换模极大值分别为-0.422、0.13、 0.13A，计算得K_A＝0.094，K_B＝K_C＝0.030，可见三者都小于K_set，不满足母线故障的判据，则判为母线外部故障，母线保护不动作。

此外，对比上述图，可见CT在传变一次电流时，会引起振荡，使二次电流行波的首波头附近出现多个附加模极大值，理论上可能影响首波头的准确获取，从而导致误动，然而，行波母线保护仅利用暂态行波的第一个波头，即CT引起的振荡对首波头的变换结果没有什么影响，保护能准确获取到首波头。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (2)

1.一种特定波长故障暂态分量的母线继电保护方法，其特征在于，当母线故障时，其超高速信号采集电路，采集故障行波数据，通过小波变换模极大值启动判据，若小波变换模极大值随着尺度j的增加而增大或不变，则启动元件动作，动作原件启动后，将各电流行波经数学形态学或小波变换后，取首波头对应的模极大值带入比率判据，若对于三相电流行波都满足

则判为外部故障，保护不动作，若至少有一相

则判为母线故障，保护动作于跳闸。

2.根据权利要求1所述的一种特定波长故障暂态分量的母线继电保护方法，包括以下步骤：

(1)、故障启动

故障启动元件用于故障后快速启动行波保护或暂态保护，对其的要求是灵敏度高、速动性好、可靠性高(故障时可靠启动，无故障、干扰或振荡时可靠不误动)，常用的突变量启动元件通过比较电流行波突变量与整定值的大小形成启动判据，容易受噪声、非故障性雷击等干扰而导致启动元件的频繁误启动，基于小波变换模极大值(WTMM)的启动元件的判据如式(1-0)，若小波变换模极大值随着尺度j的增加而增大或不变，则启动元件动作，该判据在噪声等干扰下不会误启动，但只适用于孤立奇异点，不适于影响锥内有多个奇异点的情况，例如，在线路出口故障的情况下，反射波易落入初始行波的影响锥内，启动元件可能拒动。

式中：I_j,max为尺度j下的小波变换模极大值；I_Qset为启动判据的门槛值。

为避免近距离故障时启动元件拒动，提出基于小波变换模极大值之和(WTMS)的启动元件，其算法步骤如下：

①检测电流行波信号i(m)的奇异性：对信号进行第一尺度的小波变换，定义梯度模极大值Grad(m)为当前点的后3个点之和减去其前3个点之和，即：

若存在梯度模极大值满足Grad(m₀)＝max|Grad(m)|＞G_set，G_set为整定值，则信号奇异，m₀为奇异点。

②计算奇异点m₀影响锥内的小波变换系数W(m,j)，由公式(1-2)求出m₀影响锥内的小波变换模之和Ni(m₀,j)，j＝1,2,3。

式中：(u-m₀)≤Cj为奇异点m₀的影响锥。

③若

j＝1,2，则判为故障行波到来，启动元件动作。

故障启动元件动作后，采集足够长度的行波数据进行下面的内部、外部故障判别。

(2)、故障判别

将各电流行波经数学形态学或小波变换后，取首波头对应的模极大值带入比率判据，若对于三相电流行波都满足

则判为外部故障，保护不动作，若至少有一相

则判为母线故障，保护动作于跳闸。

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