CN112366662A - 一种基于逆推同步算法的母线保护方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种基于逆推同步算法的母线保护方法及装置，该方法在判断出现故障的情况下，标记保护启动时刻，根据构造的相电流突变量模型求解相电流突变量，计算保护元件的故障检测延时Δt，并推算得真正的故障时刻；以故障时刻为起点，计算母线保护判据所需电气量，进行故障处理。相比于传统算法，本算法具有以下优点：不受启动门槛、工频分量故障初始角、直流分量大小及衰减速度等因素影响，不受合并单元、电流互感器差异等因素影响，准确可靠。本发明提出了一种基于真正故障时刻的数据自同步算法，精确推导出真正的故障时刻，各单元皆以真正的故障时刻作为对时同步标准，则可实现数据的精准同步。

Description

一种基于逆推同步算法的母线保护方法及装置

技术领域

本发明涉及电气设备保护技术领域，具体涉及一种基于逆推同步算法的母线保护方法及装置。

背景技术

传统故障数据自同步算法忽略保护元件之间的检测延时时间差，以保护启动时刻代替真实的故障发生时刻作为对时同步标准，实现故障数据的近似同步。母线保护的同步误差允许裕度角受到多种因素的影响，在保证可靠不误动的约束条件下，最大的同步误差允许裕度角约为27°，远小于传统自同步算法可能带来的最大同步误差角(约为90°)。因此，传统自同步算法在理论上可能导致母线保护出现误动或拒动的情况，可靠性无法满足，因此这一算法不能直接应用于母线保护。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于逆推同步算法的母线保护方法及装置，提出基于真正故障时刻的数据自同步算法，精确推导出真正的故障时刻，各单元皆以真正的故障时刻作为对时同步标准，则可实现数据的精准同步。

为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案实现：

本发明的第一方面提供了一种基于逆推同步算法的母线保护方法，包括如下步骤：

实时采集母线相电流，计算母线相电流突变量Δi(t)＝i(t_n)-i(t_n-1)；每个周期采样点为N，n∈N；t为时间；

将相电流突变量与启动门槛进行比较，根据预设条件判断是否出现故障：如果出现故障，则标记保护启动时刻t_d，进行下一步；如果未出现故障，则返回上一步；

构造相电流突变量计算模型；以保护启动时刻t_d为起点，收集一个周期的数据，提取相电流突变量计算模型所需参数；

所述计算模型求解相电流突变量，计算保护元件的故障检测延时Δt，并推算得真正的故障时刻；

以故障时刻为起点，计算母线保护判据所需电气量，进行故障处理。

进一步的，所述将相电流突变量与启动门槛进行比较，根据预设条件判断是否出现故障包括：

若连续3个采样点所计算的母线相电流突变量均超过启动门槛I_op，则判断出现故障。

进一步的，所述标记保护启动时刻t_d包括：标记首个相电流突变量超过启动门槛前一个采样点对应的时刻为保护启动时刻。

进一步的，所述构造的相电流突变量计算模型如下：

其中，t₀为真正的故障时刻，ω为角频率，I_m为工频故障分量幅值、θ₁为保护启动时刻所对应的故障初始相角、I₁为保护启动时刻所对应的直流分量幅值、T₀为衰减时间常数；

利用Prony算法提取相电流突变量计算模型中的参数I_m、θ₁、I₁、T₀，以计算故障时刻t₀；

保护元件的故障检测延时Δt由下式计算：

Δt＝t_d-t₀ (2)

进而推算真正的故障时刻。

进一步的，采用增值寻根法对公式(1)进行求解：

若Δi(t_n)＝0，则t_n即为真正的故障时刻；

若Δi(t_n)Δi(t_n+1)＞0，则[t_n,t_n+1]为无解区间；

若Δi(t_n)Δi(t_n+1)＜0，则[t_n,t_n+1]为有解区间，此时，若

取

为真正的故障时刻，若

取t_n+1为真正的故障时刻，否则取t_n为真正的故障时刻。

本发明的第二方面提供了一种基于逆推同步算法的母线保护装置，包括：

采集模块，用于实时采集母线相电流，计算母线相电流突变量Δi(t)＝i(t_n)-i(t_n-1)；每个周期采样点为N，n∈N；t为时间；

故障判断模块，用于将相电流突变量与启动门槛进行比较，根据预设条件判断是否出现故障；

相电流突变量计算模型，用于根据参数计算相电流突变量；

故障时刻计算模块，根据计算模型求解的相电流突变量，计算保护元件的故障检测延时Δt，推算得真正的故障时刻；

故障处理模块，以故障时刻为起点，计算母线保护判据所需电气量，进行故障处理。

进一步的，所述故障判断模块按照如下预设条件进行判断：

若连续3个采样点所计算的母线相电流突变量均超过启动门槛I_op，则判断出现故障。

进一步的，所述故障判断模块标记首个相电流突变量超过启动门槛前一个采样点对应的时刻为保护启动时刻。

进一步的，所述相电流突变量计算模型如下：

其中，t₀为真正的故障时刻，ω为角频率，I_m为工频故障分量幅值、θ₁为保护启动时刻所对应的故障初始相角、I₁为保护启动时刻所对应的直流分量幅值、T₀为衰减时间常数；

利用Prony算法提取相电流突变量计算模型中的参数I_m、θ₁、I₁、T₀，以计算故障时刻t₀；

保护元件的故障检测延时Δt由下式计算：

Δt＝t_d-t₀ (2)

进而推算真正的故障时刻。

进一步的，所述相电流突变量计算模型采用增值寻根法对公式(1)进行求解：

若Δi(t_n)＝0，则t_n即为真正的故障时刻；

若Δi(t_n)Δi(t_n+1)＞0，则[t_n,t_n+1]为无解区间；

若Δi(t_n)Δi(t_n+1)＜0，则[t_n,t_n+1]为有解区间，此时，若

取

为真正的故障时刻，若

取t_n+1为真正的故障时刻，否则取t_n为真正的故障时刻。

综上所述，本发明提供了一种基于逆推同步算法的母线保护方法及装置，该方法在判断出现故障的情况下，标记保护启动时刻，根据构造的相电流突变量模型求解相电流突变量，计算保护元件的故障检测延时Δt，并推算得真正的故障时刻；以故障时刻为起点，计算母线保护判据所需电气量，进行故障处理。相比于传统算法，本算法具有以下优点：不受启动门槛、工频分量故障初始角、直流分量大小及衰减速度等因素影响，不受合并单元、电流互感器差异等因素影响，准确可靠。本发明提出了一种基于真正故障时刻的数据自同步算法，精确推导出真正的故障时刻，各单元皆以真正的故障时刻作为对时同步标准，则可实现数据的精准同步。

附图说明

图1是本发明实施例的基于逆推同步算法的母线保护方法的流程示意图；

图2(a)和图2(b)分别是第2个过零点为真正故障点和第1个过零点为真正故障点的波形示意图；

图3(a)和图3(b)分别是真正故障时刻t₀对应的波形和故障后t₁时刻对应的波形示意图；

图4(a)和图4(b)分别是本发明实施例的故障前t₁时刻对应的波形和真正故障时刻t₀对应的波形示意图。

图5是本发明实施例的基于逆推同步算法的母线保护装置的结构框图；

图6是本发明实施例的仿真模型220kV双母线结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

本发明的第一方面提供了一种基于逆推同步算法的母线保护方法，如图1所示，包括如下步骤：

步骤S100，实时采集母线相电流，计算母线相电流突变量Δi(t)＝i(t_n)-i(t_n-1)；每个周期采样点为N，n∈N；t为时间。

步骤S200，将相电流突变量与启动门槛进行比较，根据预设条件判断是否出现故障：如果出现故障，则标记保护启动时刻t_d，进行步骤S300；如果未出现故障，则返回步骤S100。

具体的，将相电流突变量与启动门槛相比较，根据预设条件判断是否出现故障包括：若连续3个采样点所计算的母线相电流突变量均超过启动门槛I_op，则判断出现故障。所述标记保护启动时刻t_d包括：标记首个相电流突变量超过启动门槛前一个采样点对应的时刻为保护启动时刻。

步骤S300，构造相电流突变量计算模型；以保护启动时刻t_d为起点，收集一个周期的数据，提取相电流突变量计算模型所需参数。

故障检测延时不可避免，但如果能够借助保护单元的故障录波数据，逆向推算真正的故障时刻t₀，并以该时刻t₀作为数据对时同步标准，则可降低因故障检测延时不同导致的同步误差。电感电流在故障瞬间不能突变，即在故障瞬间相电流突变量中的工频分量和直流分量应大小相同、方向相反，故障时刻应对应着相电流突变量的第一个过零点。以保护启动时刻t_d为起点，向前逆向推算相电流突变量的过零点，从而确定真正的故障时刻，将这一算法简称逆推自同步算法。

设t＝t_d时刻，保护检测到了故障，可测得工频故障分量幅值I_m、故障初始相角θ₁、此时刻的直流分量幅值I₁、衰减时间常数T₀，则相电流突变量可表示为：

启动判据为：|Δi(t)|＞I_op

设真正的故障时刻为t＝t₀，将真正的故障初始相角设为θ₀，已知工频故障分量、直流分量的衰减时间常数不会随时间变化，将故障瞬间直流分量幅值设为I₀，则相电流突变量也可表示为：

由于t₀≤t≤t_d时，相电流突变量仍由工频故障分量和衰减直流分量组成，仍满足式(1)，故构造相电流突变量计算模型如下：

步骤S400，根据所述计算模型求解相电流突变量，计算保护元件的故障检测延时Δt，并推算得真正的故障时刻；

求解上式超越方程式(3)，即相电流突变量计算模型方程，可得故障检测延时时间为：Δt＝t_d-t₀，进而推算真正的故障时刻与故障初始相角。

在保护启动时刻t_d，需要检测并提取以下相关量：工频故障分量幅值I_m、故障初始相角θ₁、直流分量幅值I₁、衰减时间常数T₀，Prony算法具有较高的分辨率和适应性，和FFT算法相比，对衰减时间常数的提取具有明显优势，因此，选用Prony算法进行参数辨识和提取。

由Prony算法提取的参数，可构造唯一确定的相电流突变量，以保护启动时刻t_d为起点向前逆向推算相电流突变量的过零点，即可从中筛选出真正的故障时刻。分析已知，最严重时故障检测延时可达6.2ms，考虑一定的允许裕度，将最大逆向推算时间选为7ms。在最大逆向推算时间内，相电流突变量最多存在两个过零点，过零点的个数与相电流突变量的故障初始相角有关。

超越方程(3)无法直接得出解析解，本发明采用增值寻根法进行求解，如前所述，将寻根区间选为[t_d-0.007,t_d]s：

若Δi(t_n)＝0，则t_n即为超越方程的解；

若Δi(t_n)Δi(t_n+1)＞0，则[t_n,t_n+1]为无解区间；

若Δi(t_n)Δi(t_n+1)＜0，则[t_n,t_n+1]为有解区间，此时，若

取

为超越方程的解，若

取t_n+1为超越方程的解，否则取t_n为超越方程的解。

如图2(a)、图2(b)所示，t_d为保护启动时刻，由该时刻起，收集一个周波的数据，采用Prony算法提取相关参数后，构造了相电流突变量波形，向前逆向推算时存在两个过零点，对应的时刻分别表示为t₀、t₁，如何筛选真正的故障时刻成为了关键。

理想情况下，保护装置实测的相电流突变量在真正的故障时刻t₀之前，幅值近似为0，而利用提取参数构造的相电流突变量在t＜t₀时，仍表现为正弦波，利用这一特点可以实现真正故障时刻的筛选。为此，引入波形相似系数，将实测的相电流突变量与提取参数构造的相电流突变量进行相似性对比。

设推算出的第i个过零点为t_i，当t_i≥t₀时，则以t_i时刻为起点的实测波形与构造波形相似，当t_i＜t₀时，则以t_i时刻为起点的实测波形包含一段恒为零的数据，与构造波形相似度较低。

当存在两个过零点时，若如图2(a)所示，距离保护启动时刻较近的过零点是真正的故障时刻，则如图3(a)、图3(b)所示：即以两个过零点为起点的构造波形与实测波形均具有较高的相似度，计算得到的两个波形相似系数值ρ₁、ρ₂均接近于1。因此，当min(ρ₁,ρ₁)＞0.8时，判断距离保护启动时刻较近的过零点为真正的故障时刻点。

若如图2(b)所示，距离保护启动时刻较远的过零点是真正的故障时刻，则如图4(a)、图4(b)所示：即以t₀过零点为起点的构造波形与实测波形具有较高的相似度，波形相似系数较大，而以t₁过零点为起点的构造波形与实测波形的相似度较低，波形相似系数值较小。此时，应将波形相似度较高的过零点确定为真正的故障时刻点。当仅存在一个过零点时，则这个过零点所对应的时刻为真正的故障时刻。

步骤S500，以故障时刻为起点，计算母线保护判据所需电气量，进行故障处理。

本发明的第二方面提供了一种基于逆推同步算法的母线保护装置，如图5所示，包括采集模块、故障判断模块、相电流突变量计算模型、故障时刻计算模块和故障处理模块。采集模块用于实时采集母线相电流，计算母线相电流突变量Δi(t)＝i(t_n)-i(t_n-1)；每个周期采样点为N，n∈N；t为时间。故障判断模块用于将相电流突变量与启动门槛进行比较，根据预设条件判断是否出现故障，若连续3个采样点所计算的母线相电流突变量均超过启动门槛I_op，则判断出现故障；所述故障判断模块标记首个相电流突变量超过启动门槛前一个采样点对应的时刻为保护启动时刻；相电流突变量计算模型，用于根据参数计算相电流突变量；故障时刻计算模块，根据计算模型求解的相电流突变量，计算保护元件的故障检测延时Δt，推算得真正的故障时刻；故障处理模块以故障时刻为起点，计算母线保护判据所需电气量，进行故障处理。

本发明利用PSCAD搭建仿真模型，搭建如图如图6所示的220kV双母线模型。母线Ⅰ接电源进线Tline2，母线Ⅱ接电源进线Tline1和远端出线Tline3。变压器T1接于母线Ⅰ，变压器T2接于母线Ⅱ。110kV和35kV侧用等效电源代替。母线Ⅰ和母线Ⅱ通过母联断路器相连。

采样频率为4kHz，每周期获得采样点80个。根据相电流突变量故障检测原理进行故障识别，启动门槛设为0.3倍额定电流。在仿真模型中，分别设置不同的故障时刻点，获得相应的采样信息，根据本章节所提的逆向推算故障时刻算法，对故障时刻进行推导，并与设定的故障时刻点进行比较，对本章所提方法进行验证。结果如表1所示。

表1逆向推算法仿真验证结果

可看出，利用PSCAD得到的仿真数据，对于现有的故障数据自同步算法，故障初始相角不同，故障检测延时角不同，最大自同步可达103.5°并且从结果可知，在0°～40°和94°～175°之间，故障检测延迟角相对较小，而在49°～94°，故障检测延时角较大，这是由于相电流突变量在第二个增大过程中才超过启动门槛值。仿真结果与理论分析结果相一致，验证了理论分析的正确性。

同时，利用本报告提出的逆向推算方法带来的同步误差最大为4.5°即0.25ms，应用于母线保护时，各进出线之间的检测延时时间差最大为0.5ms，满足母线保护对数据同步精度的要求，验证了算法的可行性。

相比于传统算法，本算法具有以下优点：不受启动门槛、工频分量故障初始角、直流分量大小及衰减速度等因素影响，不受合并单元、电流互感器差异等因素影响，准确可靠。

综上所述，本发明提供了一种基于逆推同步算法的母线保护方法及装置，该方法在判断出现故障的情况下，标记保护启动时刻，根据构造的相电流突变量模型求解相电流突变量，计算保护元件的故障检测延时Δt，并推算得真正的故障时刻；以故障时刻为起点，计算母线保护判据所需电气量，进行故障处理。相比于传统算法，本算法具有以下优点：不受启动门槛、工频分量故障初始角、直流分量大小及衰减速度等因素影响，不受合并单元、电流互感器差异等因素影响，准确可靠。本发明提出了一种基于真正故障时刻的数据自同步算法，精确推导出真正的故障时刻，各单元皆以真正的故障时刻作为对时同步标准，则可实现数据的精准同步。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (10)

1.一种基于逆推同步算法的母线保护方法，其特征在于，包括如下步骤：

实时采集母线相电流，计算母线相电流突变量Δi(t)＝i(t_n)-i(t_n-1)；每个周期采样点为N，n∈N；t为时间；

将相电流突变量与启动门槛进行比较，根据预设条件判断是否出现故障：如果出现故障，则标记保护启动时刻t_d，进行下一步；如果未出现故障，则返回上一步；

构造相电流突变量计算模型；以保护启动时刻t_d为起点，收集一个周期的数据，提取相电流突变量计算模型所需参数；

所述计算模型求解相电流突变量，计算保护元件的故障检测延时Δt，并推算得真正的故障时刻；

以故障时刻为起点，计算母线保护判据所需电气量，进行故障处理。

2.根据权利要求1所述的基于逆推同步算法的母线保护方法，其特征在于，所述将相电流突变量与启动门槛进行比较，根据预设条件判断是否出现故障包括：

若连续3个采样点所计算的母线相电流突变量均超过启动门槛I_op，则判断出现故障。

3.根据权利要求1或2所述的基于逆推同步算法的母线保护方法，其特征在于，所述标记保护启动时刻t_d包括：标记首个相电流突变量超过启动门槛前一个采样点对应的时刻为保护启动时刻。

4.根据权利要求3所述的基于逆推同步算法的母线保护方法，其特征在于，所述构造的相电流突变量计算模型如下：

其中，t₀为真正的故障时刻，ω为角频率，I_m为工频故障分量幅值、θ₁为保护启动时刻所对应的故障初始相角、I₁为保护启动时刻所对应的直流分量幅值、T₀为衰减时间常数；

采用Prony算法提取相电流突变量计算模型中的参数I_m、θ₁、I₁、T₀，以计算故障时刻t₀；

保护元件的故障检测延时Δt由下式计算：

Δt＝t_d-t₀ (2)

进而推算真正的故障时刻。

5.根据权利要求4所述的基于逆推同步算法的母线保护方法，其特征在于，采用增值寻根法对公式(1)进行求解：

若Δi(t_n)＝0，则t_n即为真正的故障时刻；

若Δi(t_n)Δi(t_n+1)＞0，则[t_n,t_n+1]为无解区间；

若Δi(t_n)Δi(t_n+1)＜0，则[t_n,t_n+1]为有解区间，此时，若

取

为真正的故障时刻，若

取t_n+1为真正的故障时刻，否则取t_n为真正的故障时刻。

6.一种基于逆推同步算法的母线保护装置，其特征在于，包括：

采集模块，用于实时采集母线相电流，计算母线相电流突变量Δi(t)＝i(t_n)-i(t_n-1)；每个周期采样点为N，n∈N；t为时间；

故障判断模块，用于将相电流突变量与启动门槛进行比较，根据预设条件判断是否出现故障；

相电流突变量计算模型，用于根据参数计算相电流突变量；

故障时刻计算模块，根据计算模型求解的相电流突变量，计算保护元件的故障检测延时Δt，推算得真正的故障时刻；

故障处理模块，以故障时刻为起点，计算母线保护判据所需电气量，进行故障处理。

7.根据权利要求1所述的基于逆推同步算法的母线保护装置，其特征在于，所述故障判断模块按照如下预设条件进行判断：

若连续3个采样点所计算的母线相电流突变量均超过启动门槛I_op，则判断出现故障。

8.根据权利要求7所述的基于逆推同步算法的母线保护装置，其特征在于，所述故障判断模块标记首个相电流突变量超过启动门槛前一个采样点对应的时刻为保护启动时刻。

9.根据权利要求8所述的基于逆推同步算法的母线保护装置，其特征在于，所述相电流突变量计算模型如下：

其中，t₀为真正的故障时刻，ω为角频率，I_m为工频故障分量幅值、θ₁为保护启动时刻所对应的故障初始相角、I₁为保护启动时刻所对应的直流分量幅值、T₀为衰减时间常数；

利用Prony算法提取相电流突变量计算模型中的参数I_m、θ₁、I₁、T₀，以计算故障时刻t₀；

保护元件的故障检测延时Δt由下式计算：

Δt＝t_d-t₀ (2)

进而推算真正的故障时刻。

10.根据权利要求9所述的基于逆推同步算法的母线保护装置，其特征在于，所述相电流突变量计算模型采用增值寻根法对公式(1)进行求解：

若Δi(t_n)＝0，则t_n即为真正的故障时刻；

若Δi(t_n)Δi(t_n+1)＞0，则[t_n,t_n+1]为无解区间；

若Δi(t_n)Δi(t_n+1)＜0，则[t_n,t_n+1]为有解区间，此时，若

取

为真正的故障时刻，若

取t_n+1为真正的故障时刻，否则取t_n为真正的故障时刻。

Images