吳 浩， 李群湛， 南曉強， 劉 煒

(1.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院， 成都 610031；2.四川理工學(xué)院自動化與電子信息學(xué)院， 自貢 643000)

基于行波信息的廣域后備保護(hù)故障判別新原理

吳 浩1，2， 李群湛1， 南曉強1， 劉 煒1

(1.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院， 成都 610031；2.四川理工學(xué)院自動化與電子信息學(xué)院， 自貢 643000)

提出一種利用廣域行波信息進(jìn)行故障判別的新原理。采集電網(wǎng)各節(jié)點電壓，利用小波變換獲取電壓初始行波，計算電壓初始行波能量。依據(jù)行波傳播特性，越靠近故障點，電壓行波能量越大。比較廣域行波能量大小，電壓初始行波能量最大的節(jié)點判斷為故障節(jié)點。在該節(jié)點下，獲取節(jié)點相關(guān)支路電流初始行波信息，得到節(jié)點各相關(guān)支路的初始行波功率方向。在確定的故障節(jié)點下，若功率方向為負(fù)，則該關(guān)聯(lián)支路即為電網(wǎng)故障線路。通過大量仿真分析，驗證了文中所提方法正確、清晰，實現(xiàn)簡單，具有良好的應(yīng)用前景。

廣域后備保護(hù)； 廣域行波信息； 電壓初始行波能量； 初始行波功率方向； 故障判別

隨著高壓大電網(wǎng)的形成，電網(wǎng)的安全穩(wěn)定越顯重要，對繼電保護(hù)也提出了更高的要求，進(jìn)而出現(xiàn)了廣域后備保護(hù)的研究與應(yīng)用[1，2]。目前的研究內(nèi)容主要有基于方向比較原理和廣域電流差動原理的廣域后備保護(hù)[3～6]，而行波法用于主保護(hù)已經(jīng)有很多研究和相應(yīng)的應(yīng)用裝置[7～9]，其原理主要是應(yīng)用初始行波的模極大值、極性等來構(gòu)成超高速的行波保護(hù)，但將行波方法用于廣域后備保護(hù)的研究還不是很多。文獻(xiàn)[10]提出了一種基于行波極性比較的廣域行波保護(hù)方案，根據(jù)記錄的線路初始行波極性和線路關(guān)聯(lián)矩陣，實現(xiàn)故障線路判別。文獻(xiàn)[11]分析廣域行波過程和測距原理，構(gòu)造了僅使用行波信息完整的擾動記錄數(shù)據(jù)篩選和校驗，進(jìn)行擾動線路判斷及擾動點定位的廣域行波保護(hù)新算法。文獻(xiàn)[12]通過分析故障行波到達(dá)電網(wǎng)各個變電所的時間關(guān)系，并對得到的初始行波到達(dá)時間進(jìn)行信息融合，提出了基于整個電網(wǎng)行波信息的故障定位算法。

本文在分析電壓電流行波傳播特性的基礎(chǔ)上，提出了基于電網(wǎng)節(jié)點電壓初始行波能量和節(jié)點相關(guān)支路初始行波功率方向的廣域后備保護(hù)故障判別新原理。計算故障時電網(wǎng)各節(jié)點電壓初始行波能量，確定能量最大的節(jié)點為故障節(jié)點，在該故障節(jié)點下獲取節(jié)點相關(guān)支路的初始行波功率方向，功率方向為負(fù)的線路即判定為故障線路。該保護(hù)算法與傳統(tǒng)的行波主保護(hù)相配合，速度快，靈敏度高。

1 基于行波信息的廣域后備保護(hù)故障判別

1.1 廣域初始行波傳播特性分析

線路某處發(fā)生故障時，將產(chǎn)生由故障點向兩側(cè)傳播的電壓初始行波u1f和電流初始行波i1f，行波方向仍然以母線流向線路為正方向。由于電網(wǎng)中波阻抗不均衡，初始行波在傳播過程中遇見母線或分支線路等情況時，通常會從一種波阻抗進(jìn)入到另一種波阻抗，發(fā)生行波的折反射[13]，則必然要使得行波電磁能量在傳播過程中重新分配。以圖1所示電路說明電壓行波在電網(wǎng)中的傳播特性。

圖1 電壓初始行波在電網(wǎng)中的傳播過程

當(dāng)K1點發(fā)生故障時，電壓初始行波1到達(dá)B節(jié)點，在B節(jié)點處會產(chǎn)生反射波1，同時一部分折射到線路AB和線路BC中，即產(chǎn)生折射波1和折射波2，計及線路傳播過程中的能量損耗，則到達(dá)節(jié)點A和節(jié)點C的電壓初始行波能量要比B節(jié)點小得多。折射波2在線路BC中傳播，到達(dá)C節(jié)點時，再一次發(fā)生折反射，到達(dá)節(jié)點D的初始行波，只是折射波3，則節(jié)點D的行波能量值更小。因而可得線路故障時電網(wǎng)中測量到電壓初始行波能量最大的節(jié)點，必然是故障線路所在節(jié)點。當(dāng)然，電網(wǎng)正常運行時，沒有行波，各個節(jié)點也測量不到相應(yīng)的行波能量。

由能量傳播特性，故障線路上的初始行波功率必然是由線路流向母線的，即初始行波功率方向為負(fù)。而各節(jié)點可以通過PMU裝置獲得節(jié)點電壓行波和節(jié)點相關(guān)支路電流行波信息，因而不但能確定電網(wǎng)各節(jié)點的電壓初始行波能量分布情況，還能確定相關(guān)支路的初始行波瞬時功率方向。所以依據(jù)行波能量分布和功率方向信息，可以建立基于行波信息的廣域后備保護(hù)故障判別算法。

無論是獲取電壓初始行波能量，還是判別初始行波功率方向，都要求對暫態(tài)電壓行波、電流行波進(jìn)行提取和描述，利用小波變換可以很好地完成這個工作[13～21]。

1.2 利用小波變換分析行波信息

小波變換是一種新型的時頻分析工具[13～17]，可對指定頻帶和時段內(nèi)的信號成分進(jìn)行分析。B樣條小波的時頻局部特性最逼近GAUSS函數(shù)且容易實現(xiàn)，同時其緊支集性質(zhì)要優(yōu)于GAUSS函數(shù)。φn(x)函數(shù)可用B樣條表示成：

(1)

其中：n為分段多項式的次數(shù)；a(i)為B樣條系數(shù)；λn(x)為連接n+2個空間點(0，1，2，3，…，(n+1))的n次B樣條函數(shù)。

(2)

B樣條小波經(jīng)常被用作尺度函數(shù)，具有最佳的時頻分辨率。三次B樣條小波在噪聲下檢測信號的奇異性是漸近最優(yōu)的，因此本文采用三次B樣條小波對行波信息進(jìn)行提取與分析。

由于實際三相線路之間存在電磁耦合，不能直接利用三相電壓電流，須先利用相模變換方法進(jìn)行解耦處理，得到三相獨立的電壓電流行波模量。本文選取CLARK變換法，電壓CLARK變換矩陣為

(3)

電流CLARK變換矩陣為

(4)

因為采用一種模量分析，可能導(dǎo)致某些故障下幾乎沒有暫態(tài)行波分量，這會使保護(hù)在一定情況下失靈，這在高壓大電網(wǎng)保護(hù)中是不允許的。為了盡可能提高保護(hù)的靈敏度，本文采用組合模量法[18]，電壓組合模量為：

uz=4uα+uβ

(5)

電流組合模量為

iz=4iα+iβ

(6)

利用CLARK變換和組合模量法，得到需要的電流電壓初始行波模量，對初始行波模量進(jìn)行三層小波分解，取尺度三上的小波分解系數(shù)信息計算相應(yīng)的行波能量和瞬時功率。電壓初始行波能量計算：設(shè)采樣點數(shù)為N，則在時間窗t0～tN內(nèi)，選擇窗寬為100且逐點滑動計算。電壓初始行波能量為

(7)

可得到相應(yīng)時間內(nèi)的電壓初始行波能量分布。當(dāng)初始行波傳播到電網(wǎng)節(jié)點時，在各線路出口可檢測到初始行波u1f和i1f。初始行波瞬時功率為[16]

P1f=u1f×i1f

(8)

該功率的傳播特性與電壓電流初始行波有關(guān)，本文只關(guān)心行波瞬時功率方向，可以通過瞬時功率模極大值極性來判別。小波變換的模極大值對應(yīng)于初始行波功率的奇異點，設(shè)P1f為某條線路一端的初始行波瞬時功率在尺度s下的小波變換模極大值，若P1fgt;0，則該線路端的初始行波功率為正方向，若P1flt;0，則該線路端的初始行波功率為負(fù)方向。

1.3 基于行波信息的廣域后備保護(hù)方案

以電網(wǎng)各變電所為節(jié)點(假設(shè)電網(wǎng)有N個節(jié)點)，各個節(jié)點裝設(shè)相應(yīng)的同步相量測量單元PMU獲取節(jié)點電壓電流信息，通過相模變換和小波分析，由公式(7)計算各節(jié)點電壓初始行波能量。獲取全網(wǎng)電壓初始行波能量之后，按下式進(jìn)行故障節(jié)點的判斷：

Em=max(E1，E2，E3，…，EN)

(9)

若節(jié)點m的電壓初始行波能量滿足該判別式，則首先確定電網(wǎng)節(jié)點m為故障節(jié)點，故障線路可能是和該節(jié)點關(guān)聯(lián)的任何一條線路。

為了利用電網(wǎng)廣域行波信息進(jìn)行故障線路判別，在確定故障節(jié)點后，由公式(8)計算所有連到該節(jié)點的相關(guān)線路初始行波瞬時功率，并判定每條線路的瞬時功率的模極大值極性以得到線路的功率方向，若功率方向為負(fù)方向，則對應(yīng)線路為故障線路，功率方向為正方向，對應(yīng)的線路是非故障線路。算法流程圖如圖2所示。

圖2 廣域后備保護(hù)算法流程圖

2 仿真分析

本文采用500 kV多電源的6節(jié)點輸電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行仿真分析，利用PSCAD/EMTDC構(gòu)造仿真電路，采樣頻率1 MHz，對典型線路上的不同故障進(jìn)行了仿真，取故障發(fā)生后1 ms內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計算，仿真電路如圖3所示。

為了使本產(chǎn)品可以達(dá)到不用添加其他調(diào)味料直接使用的目的，必須添加味精、食鹽、白砂糖這些烹飪必需的基本調(diào)料，可使應(yīng)用效果達(dá)到五味平衡，咸鮮適中。另外，添加干貝素與味精協(xié)同產(chǎn)生鮮味相乘的效果，具有調(diào)味效果的同時，還能緩和其他調(diào)味料的刺激(如鹽味)，增強呈味力，產(chǎn)生好的口感，使它更能起到美味的作用。

圖3 仿真電路模型

其中線路：

L1=100 km L2=110 km L3=90 km

L4=130 km L5=120 km L6=150 km

以線路L2發(fā)生三相短路為例，故障點距離節(jié)點B長度為10 km，距離節(jié)點C長度為100 km，故障角127.8°。故障發(fā)生時，全網(wǎng)各節(jié)點均能獲取相應(yīng)的節(jié)點電壓及節(jié)點相關(guān)電流的初始行波信息。各節(jié)點的電壓初始行波分析波形見圖4所示。

由仿真結(jié)果圖可以看出故障后1 ms內(nèi)，節(jié)點C的電壓初始行波能量Ec最大，故此時確定C為故障節(jié)點。而節(jié)點A、E、F的電壓初始行波能量相對來說非常小，在圖中顯示不明顯。見圖5所示。

在確定的故障節(jié)點C上，連到該節(jié)點的線路有

(a) 節(jié)點A電壓初始行波分析波形

(b) 節(jié)點B電壓初始行波分析波形

(c) 節(jié)點C電壓初始行波分析波形

(e) 節(jié)點E電壓初始行波分析波形

(f) 節(jié)點F電壓初始行波分析波形

圖5 電網(wǎng)各節(jié)點電壓初始行波能量分布

L2和L3兩條，對應(yīng)的電流為I4、I5，由節(jié)點PMU獲取的線路電流初始行波，進(jìn)行小波分解，對應(yīng)的行波分析波形見圖6～7所示。

根據(jù)公式(8)，可得節(jié)點C相關(guān)線路L2和L3的初始行波功率波形，見圖8～9所示，可知L2線路C端初始行波功率模極大值Plt;0，所以判定該線路在故障節(jié)點C測到的功率方向為負(fù)，即L2線路為故障線路。

圖6 電流I4初始行波分析波形

圖7 電流I5初始行波分析波形

圖8 L2線路C端初始行波功率波形

圖9 L3線路C端初始行波功率波形

當(dāng)線路L4發(fā)生BC相接地短路時，設(shè)故障點距離E節(jié)點110 km，距離D節(jié)點10 km，故障角90°。限于篇幅，這種故障只給出各節(jié)點能量分布圖，見圖10所示，可知電壓初始行波能量以節(jié)點D最大，可判定D節(jié)點為電網(wǎng)故障節(jié)點。

圖10 電網(wǎng)各節(jié)點電壓初始行波能量分布

和故障節(jié)點D相關(guān)的線路是L3、L4和L5，對應(yīng)的電流為I6、I7、I9。三條線路D端測量到的初始行波瞬時功率波形如圖11所示。

(a) L3線路D端初始行波功率波形

(b) L5線路D端初始行波功率波形

(c) L4線路D端初始行波功率波形

可知L4線路D端初始行波功率模極大值Plt;0，所以判定該線路為故障線路。

為了進(jìn)一步驗證本文所提算法的正確性，選擇了其他不同故障點、不同故障類型和不同故障角進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明基于行波信息的廣域后備保護(hù)均能正確判別故障線路,具體分析如表1所示。

表1 電網(wǎng)不同線路故障時故障判別結(jié)果

3 結(jié)語

本文對基于行波信息的廣域后備保護(hù)做了探討與研究，利用節(jié)點的電壓初始行波信息，計算各個節(jié)點的電壓初始行波能量，通過比較，判定能量最大的節(jié)點為故障節(jié)點，在該節(jié)點下，通過PMU獲取各線路初始行波功率，判斷線路的功率方向，若方向為負(fù)，則該線路為故障線路。

仿真實驗表明，該方法判斷故障線路具有很高的準(zhǔn)確性，由于采用了組合模量，對各種類型的故障均能夠正確判別，而且只采用了節(jié)點PMU獲取的初始行波信息，信息量單一，需要的采樣時間短,數(shù)據(jù)少，所以處理速度快，動作時間短，反應(yīng)靈敏。

在行波傳遞過程中，由于折反射和線路損耗始終存在，所以電壓初始行波能量的分布必定以故障線路直接相關(guān)的節(jié)點為最大，幾乎不受故障距離、過渡電阻和故障類型的影響。因此本文提出的基于行波信息的廣域后備保護(hù)故障判別新原理具有很好的動作性能，在通信通道及其他硬件滿足要求前提下，可應(yīng)用于實際中。

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吳 浩(1980-)，男，博士研究生，主要從事變電站自動化系統(tǒng)及繼電保護(hù)方面的研究。Email:wuhao801212@163.com

李群湛(1957-)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為電力系統(tǒng)自動化、電能質(zhì)量等。Email:lqz3431@263.net

南曉強(1985-)，男，博士研究生，主要從事電力系統(tǒng)自動化方面的研究。Email:nanxiaoqiang6@163.com

NewPrincipleofFaultIdentificationforWide-areaBack-upProtectionBasedonTravelingWaveInformation

WU Hao1，2， LI Qun-zhan1， NAN Xiao-qiang1， LIU Wei1

(1.Electrical Engineering Institute, Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031, China；2.School of Automation and Electronic Information Engineering, Sichuan University of Science amp; Engineering, Zigong 643000, China)

A new fault identification method using wide-area traveling wave information is proposed. Getting grid voltage of each node, and using wavelet transform to obtain the initial traveling wave voltage, the initial traveling wave voltage energy can be calculated. Based on traveling wave propagation characteristics, the closer to the fault node the traveling wave is and the larger the traveling wave voltage energy will be. Comparing the size of wide-area traveling wave energy, if one node's initial traveling wave voltage energy is maximum, this node is determined as the fault node. Then accessing the initial traveling wave current information of all branches related to the fault node, the direction of the initial traveling wave power for each relevant branches can be determined, and if the power direction of one branch under the fault node is negative, the associated branch is fault line. The proposed method is verified correctly, clearly, simple by a large number of simulation analysis, and with a good prospect.

wide-area back-up protection； wide-area traveling wave information； initial voltage traveling wave energy； direction of the initial traveling wave power； fault identification

TM771

A

1003-8930(2012)06-0083-07

2011-10-11；

2011-11-30

人工智能四川省重點實驗室項目(2010RY005，2011RZY02)