專利名稱：基于單端電流暫態(tài)信息的單回線路故障選相方法
技術領域：
本發(fā)明涉及的是一種選擇故障相的線路保護方法，具體是一種基于單端電流暫態(tài)信息的單回線路故障選相方法，用于繼電保護領域。
背景技術：
當線路發(fā)生故障后，迅速的判斷出故障相別進行分相跳閘對及時切除故障，對提高系統(tǒng)供電穩(wěn)定性有重大意義。經(jīng)過廣泛的文獻檢索發(fā)現(xiàn)，目前的選相方法基本上是基于傳統(tǒng)的工頻量或工頻序分量來進行。由于工頻量受工況影響較大，而且序分量的分布與網(wǎng)絡的結構有很大的關系，因此這些方法的靈敏度及可靠性都受系統(tǒng)結構及運行條件的影響。此外，這些方法的選相速度都不快。
經(jīng)對現(xiàn)有技術的公開文獻檢索發(fā)現(xiàn)，許慶強、索南加樂等人在《電力系統(tǒng)自動化》(Vol.27，No.7，Apr.10，2003)上發(fā)表的“一種電流故障分量高壓線路保護選相元件”，該文利用電流正序突變量、負序、零序分量相位之間的關系，提出了基于電流序分量間相位關系和幅值關系的選相新方法。但這種方法受系統(tǒng)參數(shù)和運行條件的影響，而且雖然其比相裕度較大，但是在正、負序分支系數(shù)相差較大時也不能保證此方法仍具有較好的特性。這種利用工頻量的新方法，其動作速度也不可能很快。目前，在實際應用中，都是采用多種不同原理構成的選相元件來綜合對線路進行故障選相，這種措施雖然在絕大多數(shù)情況下都可以很好的完成任務，但是在理論上仍然存在缺陷，而且這種方法不但造成資源浪費，而且也增加了設備的故障機率。因此，研究新的快速、可靠的選相保護元件仍具有重要意義。本專利提出的選相新原理，是在行波理論和模量分析理論的基礎上，利用現(xiàn)代信號處理新技術—小波分析，從能量的觀點出發(fā)提出的。它是根據(jù)故障產(chǎn)生的高頻電流信息進行故障分析，因此具有不受系統(tǒng)負荷和參數(shù)的影響，抗過渡電阻能力強，動作可靠、快速等優(yōu)點。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術中的不足，提出了一種基于單端電流暫態(tài)信息的單回線路故障選相方法，利用現(xiàn)代信號處理技術和模量分析理論，使其具有很高的靈敏性和很快的選相速度(不大于5ms)。
本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的，本發(fā)明方法如下(1)采集保護安裝處的三相電流量，作為選相元件所需電量，電流互感器接線形式采用標準接線；(2)選相元件的待分析量為三相電流測量量經(jīng)Karrenbeauer模量變換所得到的三個模量電流值(兩個空間模量和一個地模量)；(3)利用Daubechies小波(db4)對模量高頻暫態(tài)電流分量進行小波變換，并計算一給定時間段內三個模量高頻暫態(tài)電流分量的能量函數(shù)值；(4)根據(jù)三個模量高頻暫態(tài)電流分量的能量函數(shù)值大小的相互關系進行線路故障相的識別，包括故障啟動判據(jù)，接地故障發(fā)生時故障相的識別，不接地故障發(fā)生時故障相的識別。
所述的(1)中，選相元件所需電量具體如下本發(fā)明所需的電量為保護安裝處的線路三相電流(IA，IB，IC)，數(shù)據(jù)采樣頻率為2000Hz。
所述的(2)中，選相元件的待分析量具體如下選相元件的待分析量為三相電流測量量經(jīng)Karrenbeauer模量變換得到的三個模電流量(M1，M2，M3)。其數(shù)學表達式為M1M2M3=1111-1010-1IAIBIC]]>所述的(3)中，模量高頻暫態(tài)電流分量的能量函數(shù)值計算具體如下利用Daubechies小波(db4)對一給定時間長度的三個模量電流值中的高頻暫態(tài)電流成分(500Hz～1000Hz)進行小波變換，得到相應的模量高頻電流小波變換系數(shù)序列(W1，W2，W3)，然后計算小波變換系數(shù)的平方和。此數(shù)值即代表了待分析高頻暫態(tài)模量的能量函數(shù)值。則能量函數(shù)值的數(shù)學表達式為Ui=Σk=1NWi2(k);i=1,2,3]]>
其中，N為一給定時間段內(4毫秒)的采樣點數(shù)，k為整數(shù)。則Ui就是本發(fā)明用來進行故障相別分析的模量小波能量函數(shù)。
所述的(4)中，故障啟動判據(jù)具體如下當線路發(fā)生故障時，故障將產(chǎn)生暫態(tài)高頻電流分量，這些高頻量經(jīng)模量變換得到三個電流模分量，其在線路上將按照固定的方式從故障點沿線路兩側進行傳播。當故障產(chǎn)生時，三個模分量的能量大小將發(fā)生突變，根據(jù)這一特點，利用小波變換提取模量能量的大小，以模量小波變換系數(shù)的平方和大小來判別是否啟動選相程序當接地故障發(fā)生時，模電流分量1(地模分量)理論上是從無到有，因此其數(shù)值將有很大的突變。當線路發(fā)生相間不接地故障時，模電流分量1的能量很小，接近為零。但是模電流分量2、3的值卻有很大的變化。
故障啟動利用三個模量電流的能量值大于給定閾值和/或三者相互比例值大小來判斷故障的發(fā)生。其具體判據(jù)如下①啟動接地故障選相U1(k)-U1(k-1)U1(k-1)>θ1---1)]]>U1(k)＞1 2)②啟動不接地故障選相U1(k)＜1 3)U2(k)U2(k-1)>θ2andU3(k)U3(k-1)>θ2---4)]]>上述啟動判據(jù)由于是采用一段時間內的模量高頻電流的能量值大小及其比例值作為閾值，因此啟動判據(jù)不受負荷電流影響且具有很好的抗干擾性。
所述的(4)中，接地故障發(fā)生時故障相的識別具體如下當接地故障選相程序啟動后，選擇故障相的判別方法如下
a)A相接地故障|U2-U3|min(U2,U3)<θ3---5)]]>b)B相接地故障U2>U3U3-U30U30<θ2---6)]]>c)C相接地故障U2<U3U2-U20U20<θ2---7)]]>d)AB相間接地故障U2>max(U1,U3)U2-U20U20>θ2U3-U30U30>θ2---8)]]>e)AC相間接地故障U3>max(U1,U2)U2-U20U20>θ2U3-U30U30>θ2---9)]]>f)BC相間接地故障由于此時其三個模量能量函數(shù)的相互關系特征與A相接地故障相似，因此，應采用逆序模量變換的方法對其進行處理，即對電流IC，IA，IB進行模量變換，其數(shù)學表達式如下M1M2M3=1111-1010-1ICIAIB---10)]]>則在新的模量變換空間中，其能量函數(shù)Ui的相互關系滿足關系式9)。
則當故障選相結果為A相接地時，應利用上述逆序變換方法，即公式10)重新進行模量變換并重新計算Ui，利用新的Ui進行選相，如果此時能量函數(shù)Ui的相互關系滿足關系式9)，則判為BC相間接地故障，若滿足關系式6)，就判為A相接地故障。
根據(jù)關系式5)～10)即可以識別出接地故障相。
所述的(4)中，不接地故障發(fā)生時故障相的識別具體如下a)AB相間不接地故障U2-U3U3>θ4---11)]]>b)BC相間不接地故障|U2-U3|min(U2,U3)<θ4---12)]]>c)AC相間不接地故障U3-U2U2>θ4---13)]]>根據(jù)關系式11)～13)即可以識別出不接地故障時的故障相。
其中，θ1，θ2，θ3，θ4是常數(shù)，這些數(shù)值中參數(shù)θ1的數(shù)值在理論上是為無窮大的，但在實際應用中，它不可能有這么大，因此只要所取閾值大于干擾，能夠可靠啟動選相程序即可，在本發(fā)明中其值取為10。參數(shù)θ2，θ3，θ4的數(shù)值是在理論基礎和大量的仿真實驗基礎上，考慮可靠性后而得到的，其值分別為1.5，0.5，0.6。
本發(fā)明是利用故障產(chǎn)生的高頻電流量來進行選相，因此本發(fā)明不受系統(tǒng)運行方式的影響，而且它僅僅需要單端的電流信息量，提高了設備的可靠性。
本發(fā)明利用高頻電流量在故障時的突變奇異值大小作為能量的表征值，具有很高的靈敏度，在一個220KV系統(tǒng)的弱電源側發(fā)生經(jīng)200歐姆電阻接地的兩相故障時，傳統(tǒng)的基于工頻量的選相元件很難選出故障相，本發(fā)明能夠可靠的選出故障相。
本發(fā)明具有實質性特點和顯著進步，傳統(tǒng)的選相元件由于原理上的缺陷，不能夠在各種運行條件下都正確選相，并且選相速度較慢，不能滿足現(xiàn)代超高壓輸電線路的快速動作保護要求。本發(fā)明提出的方法利用Daubechies小波變換對故障產(chǎn)生的暫態(tài)電流直接進行能量分析，在各種故障條件下，特別是高阻接地時，能可靠的檢測出故障相別，仿真結果和動模實驗表明其在各種系統(tǒng)運行條件下均有很高的保護靈敏度和可靠性，是一種很好的適合各種系統(tǒng)運行情況的線路故障選相保護方法。
具體實施例方式
結合本發(fā)明方法的內容提供以下仿真實施例本發(fā)明方法利用世界廣泛采用的電磁暫態(tài)仿真程序EMTP進行了仿真實驗。下面是仿真實例結果。
仿真系統(tǒng)為220KV的雙端輸電系統(tǒng)，線路為分布參數(shù)模型。數(shù)據(jù)采樣率為2000hz。表1是利用本發(fā)明方法進行故障選相的結果與實際設定故障相的比較。從這兩個結果表明，本發(fā)明方法具有很高的可靠性和靈敏性。
表1保護選相與實際設定故障相的比較 √表示保護選相結果與實際設定故障相一致
權利要求
1.一種基于單端電流暫態(tài)信息的單回線路故障選相方法，其特征在于(1)采集保護安裝處的三相電流量，作為選相元件所需電量，電流互感器接線形式采用標準接線；(2)選相元件的待分析量為三相電流測量量經(jīng)Karrenbeauer模量變換所得到的三個模量電流值即兩個空間模量和一個地模量；(3)利用Daubechies小波db4對模量高頻暫態(tài)電流分量進行小波變換，并計算一給定時間段內三個模量高頻暫態(tài)電流分量的能量函數(shù)值；(4)根據(jù)三個模量高頻暫態(tài)電流分量的能量函數(shù)值大小的相互關系進行線路故障相的識別，包括故障啟動判據(jù)，接地故障發(fā)生時故障相的識別，不接地故障發(fā)生時故障相的識別。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于單端電流暫態(tài)信息的單回線路故障選相方法，其特征是，所述的(1)中，選相元件所需電量具體如下所需電量為保護安裝處的線路三相電流測量量IA，IB，IC，數(shù)據(jù)采樣頻率為2000Hz。
3.根據(jù)權利要求1所述的基于單端電流暫態(tài)信息的單回線路故障選相方法，其特征是，所述的(2)中，選相元件的待分析量具體如下選相元件的待分析量為三相電流測量量經(jīng)Karrenbeauer模量變換得到的三個模電流量M1，M2，M3，其數(shù)學表達式為M1M2M3=1111-1010-1IAIBIC]]>
4.根據(jù)權利要求1所述的基于單端電流暫態(tài)信息的單回線路故障選相方法，其特征是，所述的(3)中，計算模量高頻暫態(tài)電流分量的能量函數(shù)值具體如下利用Daubechies小波db4對一給定時間長度的三個模量電流值中的高頻暫態(tài)電流成分進行小波變換，得到相應的模量高頻電流小波變換系數(shù)序列W1，W2，W3，然后計算小波變換系數(shù)的平方和，此數(shù)值即代表了待分析高頻暫態(tài)電流的模量能量值，能量函數(shù)的數(shù)學表達式為Ui=Σk=1NWi2(k);i=1,2,3]]>其中，N為一給定時間段內的采樣點數(shù)，k為整數(shù)。
5.根據(jù)權利要求1所述的基于單端電流暫態(tài)信息的單回線路故障選相方法，其特征是，所述的(4)中，故障啟動判據(jù)具體如下以Ui(k)，(i＝1，2，3)分別表示模量電流1、2、3的能量在時刻k的數(shù)值，則①啟動接地故障選相判據(jù)U1(k)-U1(k-1)U1(k-1)>θ1---1)]]>U1(k)＞1 2)②啟動不接地故障選相判據(jù)U1(k)＜1 3)U2(k)U2(k-1)>θ2andU3(k)U3(k-1)>θ2---4)]]>
6.根據(jù)權利要求1或者5所述的基于單端電流暫態(tài)信息的單回線路故障選相方法，其特征是，所述的(4)中，接地故障發(fā)生時故障相的識別具體如下a)A相接地故障|U2-U3|min(U2,U3)<θ3---5)]]>b)B相接地故障 c)C相接地故障 d)AB相間接地故障 e)AC相間接地故障 f)BC相間接地故障對電流IC，IA，IB進行逆序模量變換，其數(shù)學表達式如下M1M2M3=1111-1010-1ICIAIB---10)]]>則在新的模量變換空間中，其能量函數(shù)Ui的相互關系滿足關系式9)；則當故障選相結果為A相接地時，利用上述逆序變換方法，即公式10)重新進行模量變換并重新計算Ui，利用新的Ui進行選相，如果此時能量函數(shù)Ui的相互關系滿足關系式9)，則判為BC相間接地故障，若滿足關系式6)，就判為A相接地故障；根據(jù)關系式5)～10)即識別出接地故障相。
7.根據(jù)權利要求1或者5所述的基于單端電流暫態(tài)信息的單回線路故障選相方法，其特征是，所述的(4)中，不接地故障發(fā)生時故障相的識別具體如下a)AB相間不接地故障U2-U3U3>θ4---11)]]>b)BC相間不接地故障|U2-U3|min(U2,U3)<θ4---12)]]>c)AC相間不接地故障U3-U2U2>θ4---13)]]>上述公式中，θ1，θ2，θ3，θ4是常數(shù)，其值分別為10，1.5，0.5，0.6，根據(jù)關系式11)～13)即識別出不接地故障時的故障相。
全文摘要
一種繼電保護領域的基于單端電流暫態(tài)信息的單回線路故障選相方法，步驟如下采集保護安裝處的三相電流量，作為選相元件所需電量，電流互感器接線形式采用標準接線；選相元件的待分析量為三相電流測量量經(jīng)Karrenbeauer模量變換所得到的三個模量電流值；利用Daubechies小波db4對模量高頻暫態(tài)電流進行小波變換，并計算一給定時間段內三個模量高頻暫態(tài)電流分量的能量函數(shù)值；根據(jù)三個模量高頻暫態(tài)電流成分的能量函數(shù)值大小的相互關系進行線路故障相的識別。本發(fā)明在各種故障條件下，特別是高阻接地時，能可靠的檢測出故障相別，仿真結果和動模實驗表明其在各種系統(tǒng)運行條件下均有很高的保護靈敏度和可靠性，是一種很好的適合各種系統(tǒng)運行情況的線路故障選相保護方法。
文檔編號H02H3/26GK1601840SQ20041006678
公開日2005年3月30日 申請日期2004年9月29日 優(yōu)先權日2004年9月29日
發(fā)明者楊贏, 邰能靈, 郁惟鏞 申請人:上海交通大學