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CN106207987B - 一种基于故障电流初始行波相量的母线差动保护方法 - Google Patents

一种基于故障电流初始行波相量的母线差动保护方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于故障电流初始行波相量的母线差动保护方法，所述方法包括同步采集与母线联接的各元件三相电流信号，得到各元件的α模电流、β模电流的步骤；根据各元件的α模电流、β模电流，计算其对应的故障分量的步骤；提取对应α模电流行波、β模电流行波的步骤；确定各个元件的α模初始行波相量、β模初始行波相量的步骤；计算各个元件的α模初始行波相量幅值之和、β模初始行波相量幅值之和，根据两者大小比较结果计算出母线差动量和制动量的步骤；判断母线是否发生故障的步骤。本发明利用电流初始行波的幅值和相位识别故障区域，避免了汲出电流、TA变比误差影响保护的可靠性和灵敏性。

Description

一种基于故障电流初始行波相量的母线差动保护方法
技术领域
本发明涉及电力系统中母线继电保护方法，具体为一种基于故障电流初始行波相量的母线差动保护方法。
背景技术
电力系统中母线发生故障，母线保护必须快速、可靠地切除与母线联接的所有元件。电力系统广泛采用基于工频量的母线差动保护，其动作时间为1个周波左右，抗电流互感器(TA)饱和的能力较差。实际上，TA出现饱和的时间一般是在故障发生的1/4周期之后，基于行波理论的母线保护能够在TA饱和前动作，从而避免了TA饱和的影响。
按照结构的不同，基于行波的母线保护可以分为集中式母线保护和分布式母线保护。其中，基于行波的集中式母线保护利用了与母线相连的各条线路上电流行波的极性或幅值特征构造保护判据，这类保护的可靠性和灵敏性会受到汲出电流、TA变比误差影响。基于行波的分布式母线保护依赖于各条线路的行波方向元件识别故障区域，这类保护原理引入了电压行波信号，由于电容式电压互感器(CVT)只能有效传变包括工频在内的低频带电压信号，不能有效传变故障后高频暂态电压信号，导致基于暂态行波的保护方法难以利用由CVT获取的暂态电压信号。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种基于故障电流初始行波相量的母线差动保护方法，包括如下步骤：
步骤一：同步采集与母线联接的各元件三相电流信号，得到各元件的α模电流、β模电流。
步骤二：根据各元件的α模电流、β模电流，计算其对应的故障分量。
步骤三：对各个元件的故障分量分别进行离散S变换，提取出对应α模电流行波、β模电流行波。
步骤四：根据各个元件的α模电流行波、β模电流行波确定各个元件的α模初始行波相量、β模初始行波相量。
步骤五：计算各个元件的α模初始行波相量幅值之和、β模初始行波相量幅值之和，根据两者大小比较结果计算出母线差动量和制动量。
步骤六：当母线差动量大于预先设定的阈值且差动量与制动量的比值大于预先设定的制动系数的时候，表明母线发生故障，否则母线未发生故障。
进一步的，步骤一中采用克拉克变化分别对第m(m＝1、2、3、......K,K为元件总数)个元件的三相电流信号耦合，得到第m个元件α模电流、β模电流，具体计算公式为：
式中：ima、imb、imc分别为与母线联接的第m个元件的a相、b相、c相电流。imα、imβ分别为与母线联接的第m个元件α模、β模电流。
进一步的，步骤二中应用全周相减的差分滤波法提取故障分量，即将故障状态下的电流减去一个周波前对应的非故障状态下的电流就可得到故障分量，具体计算公式为：
Δimα(t)、Δimβ(t)分别为与母线联接的第m个元件α模电流、β模电流的故障分量，T1为交流电流信号的周期。
进一步的，步骤三中采用离散S变换提取α模电流行波、β模电流行波,具体方法为：
设Δimα(t)的离散时间序列为Δimα[kT](k＝0，1，2，…，N-1)，T是采样间隔，Δimα[kT]的离散傅里叶变换为Imα[m/NT](N为离散信号个数)。采用离散S变换提取信号Δimα[kT]中的故障行波表达为：
式中：k＝0，1，…，N-1。n＝1，…，N-1。
假定提取的α模电流行波的中心频率为f1，从Δimα(t)提取的α模电流行波为：
式中：Amα(k,f1)、分别为Smα(k,f1)的幅值、相位。
设Δimβ的离散时间序列为Δimβ[kT](k＝0，1，2，…，N-1)，T是采样间隔，Δimβ[kT]的离散傅里叶变换为Imβ[m/NT]。采用离散S变换提取信号Δimβ[kT]中的故障行波表达为：
式中：k＝0，1，…，N-1。n＝1，…，N-1。
假定提取的β模电流行波的中心频率为f1，从Δimβ(t)提取的β模电流行波为：
式中：Amβ(k,f1)、为Smβ(k,f1)的幅值、相位。
进一步的，步骤四对各个元件的α模电流行波相、β模电流行波分别取对应初始行波相量的具体方法为：
步骤4.1：取幅值，搜索幅值的所有极值，将所有极值按照时间顺序排好。
步骤4.2：确定所有极值中的最大极值。
步骤4.3：确定时间顺序上第一个大于最大极值的二分之一的极值，将该极值作为初始行波相量。
进一步的，步骤五具体为：
如果
否则
其中M为元件总数，Amα(k1,f1)、Amβ(k1,f1)分别为第m个元件的α模电流初始行波相量的幅值、β模电流初始行波相量的幅值。Smα(k1,f1)、Smβ(k1,f1)分别第m个元件的α模电流初始行波相量、β模电流初始行波相量。Sd为差动量、Sr为制动量。
本发明的有益效果为：
本发明提取特定频带电流初始行波的幅值和相位形成电流初始行波相量。与母线联接的各个元件电流初始行波相量之和的模为差动保护的动作电流，与母线联接的各个元件电流初始行波相量的模之和为差动保护的制动电流，从而构成具有比率制动特性的母线差动保护判据。该方法利用电流初始行波的幅值和相位识别故障区域，避免了汲出电流、TA变比误差影响保护的可靠性和灵敏性。
附图说明
图1本方法的流程图。
图2为母线系统结构图。
图3为比率制动特性图。
图4为母线故障示意图。
图5为线路故障示意图。
具体实施方式
如图1所示，本包括如下步骤：
步骤一：同步采集与母线联接的各元件三相电流信号，得到各元件的α模电流、β模电流。
本步骤中可采用克拉克变化分别对第m(m＝1、2、3、......K,K为元件总数)个元件的三相电流信号解耦合，得到第m个元件α模电流、β模电流，具体计算公式为：
式中：ima、imb、imc分别为与母线联接的第m个元件的a相、b相、c相电流；imα、imβ分别为与母线联接的第m个元件α模、β模电流。
步骤二：根据各元件的α模电流、β模电流，计算其对应的故障分量。
本步骤中应用全周相减的差分滤波法提取故障分量，即将故障状态下的电流减去一个周波前对应的非故障状态下的电流就可得到故障分量，具体计算公式为：
Δimα(t)、Δimβ(t)分别为与母线联接的第m个元件α模电流、β模电流的故障分量，T1为交流电流信号的周期。
步骤三：对各个元件的故障分量分别进行离散S变换，提取出对应α模电流行波、β模电流行波。
本步骤中采用离散S变换提取α模电流行波、β模电流行波,具体方法为：
设Δimα(t)的离散时间序列为Δimα[kT](k＝0，1，2，…，N-1)，T是采样间隔，Δimα[kT]的离散傅里叶变换为Imα[m/NT](N为离散信号个数)；采用离散S变换提取信号Δimα[kT]中的故障行波表达为：
式中：k＝0，1，…，N-1；n＝1，…，N-1。
假定提取的α模电流行波的中心频率为f1，从Δimα(t)提取的α模电流行波为：
式中：Amα(k,f1)、分别为Smα(k,f1)的幅值、相位。
设Δimβ(t)的离散时间序列为Δimβ[kT](k＝0，1，2，…，N-1)，T是采样间隔，Δimβ[kT]的离散傅里叶变换为Imβ[m/NT]。采用离散S变换提取信号Δimβ[kT]中的故障行波表达为：
式中：k＝0，1，…，N-1；n＝1，…，N-1；
假定提取的β模电流行波的中心频率为f1，从Δimβ(t)提取的β模电流行波为：
式中：Amβ(k,f1)、为Smβ(k,f1)的幅值、相位。
步骤四：根据各个元件的α模电流行波、β模电流行波确定各个元件的α模初始行波相量、β模初始行波相量。
本步骤从Smα(k,f1)、Smβ(k,f1)中确定初始行波相量Smα(k1,f1)、Smβ(k1,f1)。以Smα(k,f1)为例说明确定初始行波相量Smα(k1,f1)的具体步骤：
1)取Smα(k,f1)的幅值Amα(k,f1)，搜索Amα(k,f1)的所有极值。
2)从Amα(k,f1)的所有极值中搜寻最大极值。
3)定位Amα(k,f1)的所有极值中第一个大于最大极值的二分之一的极值Amα(k1,f1)，Amα(k1,f1)所对应的Smα(k1,f1)为初始行波相量。
以Smβ(k,f1)确定初始行波相量Smβ(k1,f1)的具体步骤也如上。
步骤五：计算各个元件的α模初始行波相量幅值之和、β模初始行波相量初始行波相量幅值之和，根据两者大小比较结果计算出母线差动量和制动量。
如果
否则
其中M为元件总数，Amα(k1,f1)、Amβ(k1,f1)分别为第m个元件的α模电流初始行波相量的幅值、β模电流初始行波相量的幅值；Smα(k1,f1)、Smβ(k1,f1)分别第m个元件的α模电流初始行波相量、β模电流初始行波相量；Sd为差动量、Sr为制动量。
步骤六：当母线差动量大于预先设定的阈值且差动量与制动量的比值大于预先设定的制动系数的时候，表明母线发生故障，否则母线未发生故障。
电流初始行波相量母线差动的比率判据如下：
Sd＞STH且Sd/Sr＞Kd；
STH为预先设定的阈值，Kd为预先设定的制动系数，如果差动量Sd和制动量Sr使得上式成立，表明母线发生故障。
下面以一个具体例对本发明的有益效果进行印证说明。
图2为某变电站500kV母线系统结构图，电流从母线流向线路为线路电流方向，图中线路上电流表示三相电流，如i1＝[i1a,i1b,i1c]。母线长90m，母线对地分布电容CM为50nF,母线单位电容矩阵C(pF/m)和电感矩阵L(μH/m)分别为：
预先设定的系数STH为0.2IN(IN线路电流额定值)，预先设定的制动系数Kd为0.85，电流初始行波相量母线差动的制动特性如图3所示。
仿真模拟故障故障的电磁暂态，采样频率为100kHz，提取中心频带为10kHz的行波，数据窗为2ms。
图4中，母线d1处发生故障，考查不同故障类型、不同故障初始角工况下母线保护的性能，表1为保护判断结果，其中的初始角为故障瞬间电压的相角。
表1母线发生不同类型故障时保护判断结果
√：保护判断母线发生故障。
表中，ABC表示三相短路，AB、BC、CA表示相间短路故障，AB-G、BC-G、CA-G表示相间短路接地故障，A-G、B-G、C-G表示单相接地故障。
表1的判断结果表明，本发明具有很高的可靠性，其判断结果与故障情况一致。
图5中，线路d2处发生故障，考查不同故障类型、不同故障初始角工况下母线保护的性能，表2为保护判断结果。
表2线路发生不同类型故障时保护判断结果
×：表示母线未发生故障。
表2的判断结果表明，母线保护区外故障时，本发明能够可靠不动作。

Claims (6)

1.一种基于故障电流初始行波相量的母线差动保护方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：同步采集与母线联接的各元件三相电流信号，得到各元件的α模电流、β模电流；
步骤二：根据各元件的α模电流、β模电流，计算其对应的故障分量；
步骤三：对各个元件的故障分量分别进行离散S变换，提取出对应α模电流行波、β模电流行波；
步骤四：根据各个元件的α模电流行波、β模电流行波确定各个元件的α模初始行波相量、β模初始行波相量；
步骤五：计算各个元件的α模初始行波相量幅值之和、β模初始行波相量幅值之和，根据两者大小比较结果计算出母线差动量和制动量；
步骤六：当母线差动量大于预先设定的阈值且差动量与制动量的比值大于预先设定的制动系数的时候，表明母线发生故障，否则母线未发生故障。
2.如权利要求1所述的基于故障电流初始行波相量的母线差动保护方法，其特征在于，步骤一中采用克拉克变换分别对第m个元件的三相电流信号解耦合，得到第m个元件α模电流、β模电流，具体计算公式为：
式中：ima、imb、imc分别为与母线联接的第m个元件的a相、b 相、c相电流；imα、imβ分别为与母线联接的第m个元件α模、β模电流,m＝1、2、3、......K,K为元件总数。
3.如权利要求2所述的基于故障电流初始行波相量的母线差动保护方法，其特征在于，步骤二中应用全周相减的差分滤波法提取故障分量，即将故障状态下的电流减去一个周波前对应的非故障状态下的电流就可得到故障分量，具体计算公式为：
Δimα(t)、Δimβ(t)分别为与母线联接的第m个元件α模电流、β模电流的故障分量，T1为交流电流信号的周期，imα、imβ分别为与母线联接的第m个元件α模、β模电流。
4.如权利要求3所述的基于故障电流初始行波相量的母线差动保护方法，其特征在于，步骤三中采用离散S变换提取α模电流行波、β模电流行波,具体方法为：
设Δimα(t)的离散时间序列为Δimα[kT]，T是采样间隔，Δimα[kT]的离散傅里叶变换为Imα[m/NT]；采用离散S变换提取信号Δimα[kT]中的故障行波表达为：
式中：k＝0，1，…，N-1；n＝1，…，N-1；N为离散信号个数；
假定提取的α模电流行波的中心频率为f1，从Δimα(t)提取的α模电流行波为：
式中：Amα(k,f1)、分别为Smα(k,f1)的幅值、相位；
设Δimβ(t)的离散时间序列为Δimβ[kT](k＝0，1，2，…，N-1)，T是采样间隔，Δimβ[kT]的离散傅里叶变换为Imβ[m/NT],采用离散S变换提取信号Δimβ[kT]中的故障行波表达为：
式中：k＝0，1，…，N-1；n＝1，…，N-1；
假定提取的β模电流行波的中心频率为f1，从Δimβ(t)提取的β模电流行波为：
式中：Amβ(k,f1)、为Smβ(k,f1)的幅值、相位。
5.如权利要求4所述的基于故障电流初始行波相量的母线差动保护方法，其特征在于，步骤四对各个元件的α模电流行波、β模电流行波分别取对应初始行波相量的具体方法为：
步骤4.1：取幅值，搜索幅值的所有极值，将所有极值按照时间顺序排好；
步骤4.2：确定所有极值中的最大极值；
步骤4.3：确定时间顺序上第一个大于最大极值的二分之一的极值，将该极值作为初始行波相量。
6.如权利要求5所述的基于故障电流初始行波相量的母线差动保护方法，其特征在于，步骤五具体为：
如果
否则
其中M为元件总数，Amα(k1,f1)、Amβ(k1,f1)分别为第m个元件的α模电流初始行波相量的幅值、β模电流初始行波相量的幅值；Smα(k1,f1)、Smβ(k1,f1)分别为第m个元件的α模电流初始行波相量、β模电流初始行波相量；Sd为差动量、Sr为制动量。
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