本發(fā)明涉及一種基于電壓電流短時窗小波系數(shù)相關(guān)分析的母線保護方法，屬于電力系統(tǒng)繼電保護技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

母線作為發(fā)電廠和變電站內(nèi)的重要設(shè)備，直接參與電力傳輸并承擔電能在同一電壓等級的匯集與分配，在電力系統(tǒng)中占極其重要的地位。如果母線上發(fā)生故障，故障母線上所有支路上的元件將被迫切換到無故障母線上運行，若不能及時檢測并切除故障，可能會破壞電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，毀壞電力設(shè)備，嚴重的情況下可能會擴大事故范圍，甚至瓦解整個電力系統(tǒng)，造成嚴重后果。隨著電力系統(tǒng)的日益擴大，電網(wǎng)等級也逐步提高，因此，提高母線保護的可靠性、選擇性、速動性以及靈敏性變得尤為重要。

按照保護原理劃分，母線保護有工頻量保護和暫態(tài)量保護兩大類。傳統(tǒng)的工頻量母線保護受振蕩、過渡電阻、CT飽和等影響，而采用暫態(tài)量進行母線保護，提取暫態(tài)量中高頻信號，從中提取所需要的方向、位置、持續(xù)時間等信號來解決實際問題。因此，采用暫態(tài)量進行母線保護的研究，不受CT飽和影響，不反映電力系統(tǒng)振蕩，具有工頻量母線保護所不具有的優(yōu)點，對母線保護的深入探索具有重要意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是利用故障后母線電壓以及各線路電流短時窗數(shù)據(jù)經(jīng)過小波分解后，計算母線電壓與各線路電流的相關(guān)系數(shù)，提出一種利用母線電壓與線路電流相關(guān)性進行母線保護的方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種基于電壓電流短時窗小波系數(shù)相關(guān)分析的母線保護方法，當母線或線路發(fā)生故障后，檢測并記錄故障后短時窗內(nèi)的母線電壓以及與母線相連各條線路電流數(shù)據(jù)，對母線電壓與各條線路所測電流進行小波分解，選取母線電壓的小波分解第一尺度結(jié)果與各線路所測電流的小波分解第一尺度結(jié)果作為研究對象；對短時窗內(nèi)母線以及各條線路的小波分解第一尺度結(jié)果進行相關(guān)分析并計算相關(guān)系數(shù)r_u,i，根據(jù)相關(guān)系數(shù)r_u,i判斷母線以及各條線路的極性，進而判斷故障是母線故障還是線路故障。

具體步驟為：

(1)當母線或線路發(fā)生故障后，測量單元取故障前1ms至故障后2ms的母線電壓數(shù)據(jù)以及各條線路電流數(shù)據(jù)；

(2)對測量的母線電壓數(shù)據(jù)以及母線上各線路電流數(shù)據(jù)進行小波變換；

(3)取母線電壓小波分解第一尺度結(jié)果d_1u與母線上各線電流的小波分解第一尺度結(jié)果d_1i進行歸一化處理；

(4)分別選取母線電壓數(shù)據(jù)以及母線上各線路電流數(shù)據(jù)第一尺度下的小波系數(shù)進行相關(guān)分析，求得基于電壓電流短時窗小波系數(shù)相關(guān)分析的相關(guān)系數(shù)r_u,i為：

$r_{u,i}=\underset{k=1}{\overset{N}{\Σ}}{d}_{1u}\left(k\right)\·d_{1i}\left(k\right)/\sqrt{\underset{k=1}{\overset{N}{\Σ}}{d}_{1u}{\left(k\right)}^2\underset{k=1}{\overset{N}{\Σ}}{d}_{1i}{\left(k\right)}^2}---\left(1\right)$

式(1)中，k是與母線相連線路上電流互感器故障時的數(shù)量，N是與母線相連線路上電流互感器的總數(shù)量；

(5)通過電壓電流短時窗小波系數(shù)相關(guān)分析的母線保護判別式和與母線相連線路上電流互感器的總數(shù)量進行比較，來進行線路故障判斷：

若判為線路故障；

若判為母線故障；

式中，sgn為符號函數(shù)，r_u,i(k)為母線上第k個電流互感器的d_1i與d_1u的相關(guān)系數(shù)。

本發(fā)明的原理是：

(1)對母線電壓及各線路電流進行小波分解

當母線或線路發(fā)生故障后，測量單元取故障前1ms至故障后2ms的母線電壓數(shù)據(jù)以及各條線路電流數(shù)據(jù)。

利用db4小波對母線電壓數(shù)據(jù)以及各條線路電流數(shù)據(jù)進行小波分解，db4小波分解公式為：

$W_{DWT\·\mathrm{\ψ}}\[f(m,n)\]=2^{-\frac{m}{2}}{\∫}_{-\mathrm{\∞}}^{+\mathrm{\∞}}f\left(t\right)\mathrm{\Ψ}{\left(t\right)}^{*}\left(\frac{t-2^{m}n}{2^m}\right)dt$

式中：*代表復(fù)共軛；m，n∈Z，為尺度和時間平移參數(shù)；Ψ(t)是給定的基函數(shù)。

(2)利用小波分解第一尺度判斷故障后母線電壓與各線路電流的相關(guān)性

選取母線電壓數(shù)據(jù)以及母線上各線路電流數(shù)據(jù)第一尺度下的小波系數(shù)進行相關(guān)分析，在發(fā)生母線故障時，各條出線的電流行波浪涌極性相同，各條出線電流的小波分解第一尺度結(jié)果與母線電壓的小波分解第一尺度都呈正相關(guān)；發(fā)生線路故障時，因故障線與健全線電流行波浪涌的極性相反，故障線電流的小波分解第一尺度結(jié)果與母線電壓的小波分解第一尺度結(jié)果呈負相關(guān)，而健全線電流的小波分解第一尺度結(jié)果與母線電壓的小波分解第一尺度結(jié)果呈正相關(guān)。

(3)保護判據(jù)

基于電壓電流短時窗小波系數(shù)相關(guān)分析的母線保護判別式為：若判為線路故障；判為母線故障。

式中，sgn為符號函數(shù)，r_u,i(k)為母線上第k個電流互感器的d_1i與d_1u的相關(guān)系數(shù)。

本發(fā)明的有益效果是：

(1)本發(fā)明使用故障后母線電壓和各線路電流的變化趨勢實施保護，可靠性高。

(2)本發(fā)明從極性的角度出發(fā)，利用故障后母線電壓與各線路電流的極性對故障進行判斷，避免了行波波頭難以捕捉的問題。

附圖說明

圖1是本發(fā)明仿真系統(tǒng)圖；

圖2是本發(fā)明母線M發(fā)生接地故障時，各量測點母線電壓以及出線1電流小波分解第一尺度結(jié)果的比較；

圖3是本發(fā)明母線M發(fā)生接地故障時，各量測點母線電壓以及出線2電流小波分解第一尺度結(jié)果的比較；

圖4是本發(fā)明母線M發(fā)生接地故障時，各量測點母線電壓以及出線3電流小波分解第一尺度結(jié)果的比較；

圖5是本發(fā)明線路L₁發(fā)生金屬性單相接地故障時，各量測點母線電壓以及出線1電流小波分解第一尺度結(jié)果的比較；

圖6是本發(fā)明線路L₁發(fā)生金屬性單相接地故障時，各量測點母線電壓以及出線2電流小波分解第一尺度結(jié)果的比較；

圖7是本發(fā)明線路L₁發(fā)生金屬性單相接地故障時，各量測點母線電壓以及出線3電流小波分解第一尺度結(jié)果的比較。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施方式，對本發(fā)明作進一步說明。

一種基于電壓電流短時窗小波系數(shù)相關(guān)分析的母線保護方法，當母線或線路發(fā)生故障后，檢測并記錄故障后短時窗內(nèi)的母線電壓以及與母線相連各條線路電流數(shù)據(jù)，對母線電壓與各條線路所測電流進行小波分解，選取母線電壓的小波分解第一尺度結(jié)果與各線路所測電流的小波分解第一尺度結(jié)果作為研究對象；對短時窗內(nèi)母線以及各條線路的小波分解第一尺度結(jié)果進行相關(guān)分析并計算相關(guān)系數(shù)r_u,i，根據(jù)相關(guān)系數(shù)r_u,i判斷母線以及各條線路的極性，進而判斷故障是母線故障還是線路故障。

具體步驟為：

(1)當母線或線路發(fā)生故障后，測量單元取故障前1ms至故障后2ms的母線電壓數(shù)據(jù)以及各條線路電流數(shù)據(jù)；

(2)對測量的母線電壓數(shù)據(jù)以及母線上各線路電流數(shù)據(jù)進行小波變換；

(3)取母線電壓小波分解第一尺度結(jié)果d_1u與母線上各線電流的小波分解第一尺度結(jié)果d_1i進行歸一化處理；

(4)分別選取母線電壓數(shù)據(jù)以及母線上各線路電流數(shù)據(jù)第一尺度下的小波系數(shù)進行相關(guān)分析，求得基于電壓電流短時窗小波系數(shù)相關(guān)分析的相關(guān)系數(shù)r_u,i為：

$r_{u,i}=\underset{k=1}{\overset{N}{\Σ}}{d}_{1u}\left(k\right)\·d_{1i}\left(k\right)/\sqrt{\underset{k=1}{\overset{N}{\Σ}}{d}_{1u}{\left(k\right)}^2\underset{k=1}{\overset{N}{\Σ}}{d}_{1i}{\left(k\right)}^2}---\left(1\right)$

式(1)中，k是與母線相連線路上電流互感器故障時的數(shù)量，N是與母線相連線路上電流互感器的總數(shù)量；

(5)通過電壓電流短時窗小波系數(shù)相關(guān)分析的母線保護判別式和與母線相連線路上電流互感器的總數(shù)量進行比較，來進行線路故障判斷：

若判為線路故障；

若判為母線故障；

式中，sgn為符號函數(shù)，r_u,i(k)為母線上第k個電流互感器的d_1i與d_1u的相關(guān)系數(shù)。

實施例1：以如圖1所示的單母線接線方式的仿真模型進行仿真，母線對地電容為0.01μF，線路L₁全長180km，線路L₂全長300km，線路L₃全長240km，對母線M的不同故障進行仿真研究，在F₁點發(fā)生的故障為母線M的內(nèi)部故障、在F₂發(fā)生的故障為出線L₁距母線70km處故障。采樣頻率設(shè)為1MHz。

以圖1所示仿真模型為例，設(shè)母線M發(fā)生接地故障，對母線上各線路電流的小波分解第一尺度結(jié)果d_1i與母線電壓小波分解第一尺度結(jié)果d_1u的比較如圖2、圖3、圖4所示，小波分解的結(jié)果都經(jīng)過歸一化處理。

由圖2、圖3、圖4可知，在發(fā)生母線故障時，各條出線的電流行波浪涌極性相同，各條出線電流的小波分解第一尺度結(jié)果與母線電壓的小波分解第一尺度都呈正相關(guān)，取故障前1ms和故障后2ms的數(shù)據(jù)計算相關(guān)系數(shù)，相關(guān)系數(shù)r_u,i都為0.9993。

在發(fā)生母線故障的情況下，所有與母線相連的CT所測電流行波浪涌的突變方向都相同，r_u,i(k)都大于0，可準確判為母線故障。

實施例2：仍以圖1所示仿真模型為例，設(shè)線路L₁在距離母線M處70km處發(fā)生金屬性單相接地故障，故障初始角為90°，母線M上各線路所測電流的小波分解第一尺度結(jié)果d_1i與母線電壓小波分解第一尺度結(jié)果d_1u的比較如圖5、圖6、圖7所示，小波分解的結(jié)果都經(jīng)過歸一化處理。

由圖5、圖6、圖7可知，發(fā)生線路故障時，因故障線與健全線電流行波浪涌的極性相反，故障線電流的小波分解第一尺度結(jié)果與母線電壓的小波分解第一尺度結(jié)果呈負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)r_u,i為-0.9811，而健全線電流的小波分解第一尺度結(jié)果與母線電壓的小波分解第一尺度結(jié)果呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)r_u,i分別為0.9802和0.9796。

在發(fā)生線路故障的情況下，故障線電流行波浪涌與健全線行波浪涌的突變方向相反，故障線的r_u,i與健全線的r_u,i極性相反，可準確判為線路故障。

以上結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式作了詳細說明，但是本發(fā)明并不限于上述實施方式，在本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所具備的知識范圍內(nèi)，還可以在不脫離本發(fā)明宗旨的前提下作出各種變化。