曹錦成，張飛云

（國網(wǎng)江蘇省電力有限公司 常州供電分公司，江蘇 常州 213000）

0 引 言

在電力系統(tǒng)的運(yùn)行中，母線負(fù)責(zé)連接變壓器、發(fā)電機(jī)、調(diào)相設(shè)備，需要具備較強(qiáng)的抗飽和性能[1]。母線差動保護(hù)指的是在母線區(qū)內(nèi)出現(xiàn)故障時(shí)，相應(yīng)的設(shè)備快速跳閘，避免母線區(qū)外出現(xiàn)故障誤動現(xiàn)象，進(jìn)而提升電力系統(tǒng)其他支路運(yùn)行的安全性[2]。現(xiàn)階段，我國在電力系統(tǒng)母線差動保護(hù)方面的研究逐漸成熟。然而受到部分技術(shù)因素的影響，對于母線差動保護(hù)非故障相飽和判別方法的研究仍然存在一定的不足，主要體現(xiàn)在制動電流變化量與差動變化量判別結(jié)果精度較低，無法較好地滿足母線保護(hù)動作靈敏性的需求[3]。諧波分析法對改善這一問題具有明顯優(yōu)勢，通過分析原始相電流的諧波含量變化，判斷母線運(yùn)行中是否存在閉鎖差動保護(hù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)判別母線差動保護(hù)非故障相飽和的目標(biāo)[4]。

基于此，本文在傳統(tǒng)母線差動保護(hù)非故障相飽和判別方法的基礎(chǔ)上引入諧波分析原理，提出了一種新的飽和判別方法，為提升母線運(yùn)行的安全性提供保障。

1 母線差動保護(hù)非故障相飽和判別方法設(shè)計(jì)

1.1 提取母線差動非故障相飽和電流特征

本文設(shè)計(jì)的基于諧波分析的母線差動保護(hù)非故障相飽和判別方法中，根據(jù)電力系統(tǒng)與變電站運(yùn)行的實(shí)際情況與特征提取對應(yīng)的母線差動非故障相飽和電流特征，為后續(xù)的判別提供基礎(chǔ)保障。

利用諧波分析的方法，分析母線差動保護(hù)中故障電流的非周期分量，根據(jù)非周期分量含量的實(shí)際情況，獲取非故障相二次電流的變化情況[5]。故障電流的非周期分量分析結(jié)束后，基于諧波分析原理確定母線差動保護(hù)故障點(diǎn)的具體位置，以電源位置為基準(zhǔn)，確定故障點(diǎn)位置與電源位置的距離差距，得出母線近端區(qū)外故障特征[6]。由于非故障相產(chǎn)生的突變電流不受母線其他支路的影響，因此在非故障相飽和時(shí)，對應(yīng)的母線支路電流無明顯變化，需要進(jìn)一步分析母線支路突變電流中的諧波分量，根據(jù)母線支路突變電流中的諧波分量含量，提取母線差動非故障相飽和電流特征[7]。

1.2 基于諧波分析選取非故障相飽和隸屬函數(shù)

在上述母線差動非故障相飽和電流特征提取結(jié)束后，結(jié)合諧波分析原理選取母線差動保護(hù)非故障相飽和隸屬函數(shù)，用于描述飽和母線差動保護(hù)非故障隸屬集合程度。設(shè)定A表示非故障飽和隸屬函數(shù)模糊集合，x表示集合A中的隸屬元素，用mA(x)表示非故障相飽和隸屬函數(shù)，函數(shù)應(yīng)當(dāng)滿足0≤mA(x)≤1。當(dāng)母線差動保護(hù)達(dá)到故障飽和狀態(tài)時(shí)，突變電流中的諧波含量會發(fā)生一定的波動變化，設(shè)定突變電流各個(gè)階段諧波含量的固有定值，根據(jù)定值的變化，判斷母線差動保護(hù)的靈敏度是否符合相關(guān)設(shè)計(jì)要求。引入模糊算法，將諧波分析與模糊算法相結(jié)合，判定母線差動保護(hù)各2個(gè)階段的諧波變化，將諧波隸屬度函數(shù)，設(shè)定為非故障飽和的定增曲線，繪制母線差動保護(hù)非故障相飽和隸屬度函數(shù)曲線，如圖1所示。

圖1 母線差動保護(hù)非故障相飽和隸屬度函數(shù)曲線

在隸屬度函數(shù)曲線中，橫坐標(biāo)表示母線差動保護(hù)的諧波比。當(dāng)高含量權(quán)重迅速增大時(shí)，非故障相達(dá)到重飽和狀態(tài)，此時(shí)開啟閉鎖差動保護(hù)；當(dāng)高含量權(quán)重保持穩(wěn)定不變時(shí)，非故障相為飽和狀態(tài)，關(guān)閉閉鎖差動保護(hù)，提高母線差動保護(hù)的安全性。通常情況下，在非故障相達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)，母線差動保護(hù)非故障相飽和的諧波多數(shù)為2、3、5次諧波，在以上3種諧波類型的基礎(chǔ)上，獲取非故障相飽和隸屬度函數(shù)表達(dá)式：

式中：B1、B2分別表示多次非故障相飽和常數(shù)；In表示非故障相飽和突變電流；I1表示母線差動保護(hù)突變電流。通過上述表達(dá)式，獲取母線差動保護(hù)非故障相飽和隸屬度函數(shù)變大時(shí)，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建飽和模糊判別集合M={m1,m2,m3}，其中m1、m2、m3分別表示2、3、5次諧波對應(yīng)的隸屬度。對3種隸屬度進(jìn)行加權(quán)處理，得出基于諧波分析的非故障相飽和綜合隸屬度，加權(quán)處理公式為：

式中：m(x)表示基于諧波分析的母線差動保護(hù)非故障相飽和綜合隸屬度；K1表示非故障相飽和隸屬度系數(shù)。通過加權(quán)處理，得出3種諧波對應(yīng)的隸屬度綜合結(jié)果，為非故障相飽和判別提供重要依據(jù)。

1.3 判別母線差動保護(hù)非故障相飽和

基于上述非故障相飽和隸屬度選取結(jié)束后，獲取3種諧波對應(yīng)的隸屬度綜合結(jié)果，作為本文設(shè)計(jì)判別方法的依據(jù)，在此基礎(chǔ)上，判別母線差動保護(hù)非故障相飽和。分析母線區(qū)外故障時(shí)，各個(gè)支路的有功功率變化，根據(jù)功率變化情況定位電源的負(fù)荷支路。采用電壓工頻啟動元件，根據(jù)工頻變化量，判別母線差動保護(hù)的運(yùn)行狀況。啟動元件，實(shí)時(shí)記錄母線上任一相電壓工頻的變化量，將其作為判別依據(jù)，表達(dá)式為：

式中：ΔUph表示相電壓工頻變化量的瞬時(shí)值；0.05UN表示母線差動保護(hù)的固定門坎；ΔUT表示母線差動保護(hù)的浮動門坎。根據(jù)母線電壓工頻變化量，判斷母線非故障變化量的輸出變化，基于輸出變化的具體情況，不斷調(diào)整母線差動保護(hù)的浮動門坎。若在判別過程中，未檢測到母線差動保護(hù)的有功功率負(fù)支路，電流沒有流入母線時(shí)，則表明此時(shí)母線區(qū)外存在一定的故障，結(jié)合閉鎖異步法與電流分布系數(shù)計(jì)算方法，進(jìn)行母線差動保護(hù)，提升母線運(yùn)行的安全性；若在判別過程中，檢測到母線差動保護(hù)的有功功率負(fù)支路，表明故障飽和發(fā)生在電源支路中，通過電源支路電流分布系數(shù)判別非故障相飽和及母線差動保護(hù)區(qū)內(nèi)故障，完成本次判別方法設(shè)計(jì)的目標(biāo)。

2 實(shí)驗(yàn)分析

為了對本文提出的基于諧波分析的母線差動保護(hù)非故障相飽和判別方法的可行性進(jìn)一步客觀分析，進(jìn)行了如下文所述的實(shí)驗(yàn)。選取X變電站作為實(shí)驗(yàn)研究對象，將本文設(shè)計(jì)的母線差動保護(hù)非故障相飽和判別方法應(yīng)用到該變電站中。采用1臺母線差動保護(hù)裝置與20臺單間隔綜合保護(hù)裝置，設(shè)置母線差動保護(hù)裝置的環(huán)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)為40，兩種裝置均通過100 Mb/s以太環(huán)網(wǎng)進(jìn)行連接，在兩段母線的進(jìn)線開關(guān)與出線開關(guān)處，安裝分段開關(guān)。實(shí)時(shí)分析母線差動保護(hù)后各個(gè)振蕩幅值的變化情況，基于諧波分析原理提取非故障相的固有頻率特征，通過經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（Empirical Mode Decomposition，EMD）特征提取方法，提取非故障相信號的運(yùn)行特征，公式為：

式中：y(t)表示非故障相信號運(yùn)行特征；ci(t)表示非故障相信號特征模函數(shù)；r(t)表示非故障相剩余分量模函數(shù)。提取非故障相信號運(yùn)行特征后，對母線電流信號進(jìn)行分解處理，確定母線差動保護(hù)信號窗長根據(jù)信號窗長，判別母線差動保護(hù)內(nèi)部數(shù)據(jù)的極大極小值變化情況。為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的判別方法的可行性，采用對比分析的實(shí)驗(yàn)方法，將所提基于諧波分析的非故障相飽和判別方法與傳統(tǒng)的基于電流分布規(guī)律的非故障相飽和判別方法進(jìn)行對比，利用MATLAB分析軟件分析兩種判別方法判別結(jié)果的準(zhǔn)確率，對比結(jié)果如表1所示。

表1 兩種方法判別結(jié)果準(zhǔn)確率對比

根據(jù)表1的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在兩種母線差動保護(hù)非故障相飽和判別方法中，本文提出的基于諧波分析的判別方法對于非故障相飽和判別的時(shí)間較短，判別速度較快，而且判別結(jié)果的準(zhǔn)確率均在95.24%以上，能夠在較短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)母線差動保護(hù)非故障相飽和高精度判別的目標(biāo)。

3 結(jié) 論

母線作為變電站與電力系統(tǒng)運(yùn)行的重要組成部分，對設(shè)備的使用性能與使用安全具有一定影響。為了改善傳統(tǒng)母線差動保護(hù)非故障相飽和判別方法精度不足、判別時(shí)間較長的問題，本文在傳統(tǒng)方法的基礎(chǔ)上，引入諧波分析原理，提出了一種新的判別方法。通過本文的研究，有效提升了判別結(jié)果的準(zhǔn)確率，縮短了整體的判別時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了在較短時(shí)間內(nèi)，高精度判別母線差動保護(hù)非故障相飽和的目標(biāo)，對我國變電站與電力系統(tǒng)的運(yùn)行發(fā)展具有重要意義。