一种基于全波形主频分量的高压输电线路保护方法

1.本发明属于电力系统继电保护技术领域，涉及一种基于全波形主频分量的高压输电线路保护方法。
技术背景
2.随着我国交直流混联电网逐步形成，交流输电线路故障若不能被快速可靠清除，将对系统造成冲击，甚至引发换相失败。基于工频量的保护方法易受系统运行方式影响，且需要增设延时以避开暂态过程，不利于保护快速动作。
3.故障暂态阶段存在故障行波信号，包含丰富故障信息。构造基于故障行波特征的保护原理，对于提升保护性能具有重要意义。单端保护无需时间同步和通信通道，动作速度快，受到广泛关注。然而现有单端行波保护方法提取的故障特征量难以综合反映故障位置和边界特性，易受过渡电阻等不同故障工况的影响，导致保护整定困难。因此，亟需提出一种能适应不同网络拓扑结构、故障工况的线路快速保护方法。


技术实现要素：

4.针对以上技术问题，本发明以初始反行波各频段幅值衰减特性为依据提取故障特征量；利用连续小波变换分解包含初始反行波的行波信号，得到行波全波形，并构造随故障位置动态变化的行波全波形主频分量；发现区内故障时行波全波形主频分量随故障距离增大而减小，线路边界导致区内外故障主频分量差异显著，提供了一种基于全波形主频分量的高压输电线路保护方法。
5.包括以下步骤：s1、利用检测端母线的线模电压行波和流经检测端母线的线模电流行波计算得到故障初始前行波f和故障初始反行波b，如式(1)-(2)所示；
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(1)
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(2)式中，um与im分别表示检测端母线的线模电压行波以及流过检测端母线的线模电流行波，zc为波阻抗；s2、利用小波模极大值法标定故障初始前行波和故障初始反行波的波头到达时间tf和tb，根据故障初始前行波和故障初始反行波的波头到达时间差来构造方向判据，当其小于一定测量误差裕度时判断为正方向故障，如式(3)所示，反之为反方向故障；
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(3)式中，表示故障初始反行波与故障初始前行波的波头到达时间差，表示一定测量误差裕度；s3、利用小波模极大值法检测故障初始反行波的波头幅值w
max
来设置保护启动判据，当故障初始反行波波头幅值w
max
大于故障启动判据的整定值w
set
时保护启动，如式(4)所
示，反之，保护不启动；
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(4)s4、当s3中保护启动，利用连续小波变换分解t0内的故障初始反行波，得到行波全波形并提取全波形主频分量；s5、根据行波全波形主频分量随故障距离增大而减小，且线路边界导致区内外行波全波形主频分量差异显著的特性构造保护动作判据，当为区内故障时，则保护动作，反之为区外故障时，保护不动作。
6.进一步的，步骤s2中，当线路正方向发生故障时，故障初始反行波传输至检测端母线，经反射后在同一时刻产生故障初始前行波；当线路反方向发生故障时，故障初始前行波沿反方向传输至检测端母线，折射后沿线路传播，直至对端母线的反射波到达检测端母线，方可检测到故障初始反行波。
7.进一步的，步骤s3中，选取区内末端故障，故障初相角5
°
下的线模分量小波模极大值作为故障启动判据的整定值w
set
。
8.进一步的，步骤s4包括以下步骤：s4.1、当保护启动时，利用连续小波变换分解t
0 ms内的故障初始反行波得到行波全波形，频域上，全波形被分解为r个频段；为了充分利用故障信号的时域局部化特性，将得到的每个频段的连续小波系数等分为s个时段，得到多个时频小块，得到连续小波系数矩阵，如式(5)所示；
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(5)式中，表示连续小波系数矩阵；表示频段r，时刻s对应的连续小波系数；s4.2、选取各频段连续小波系数的最大值，如式(6)所示；并计算各频段的连续小波系数最大值与对应中心频率平方的乘积，获得各频段能量值，如式(7)所示；
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(6)
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(7)式中，表示频段r的连续小波系数最大值；表示全波形中频段r的能量值，表示行波全波形中频段r对应的中心频率；s4.3、比较全波形各频段的能量值，提取最大值作为行波全波形主频分量能量值，其对应频段即为主频分量，如式(8)-(9)所示；
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(8)
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(9)式中，，，，表示主频分量对应的能量值，表示主频分量对应的中心频率。
9.进一步的，步骤s5中，针对被保护线路参数及母线系统结构，设定主频分量的整定
值，若故障行波全波形主频分量的中心频率，则判定为区内故障；若故障行波全波形主频分量的中心频率，则判定为区外故障。
10.进一步的，所述主频分量的整定值由式(10)得到：
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(10)式中，表示区外首端故障时行波全波形主频分量的中心频率；表示可靠系数。
11.有益效果：1、本发明利用单端测量的行波所蕴含故障信息，仅需极短时间的采样数据就能可靠动作，保护可靠性高，速动性强。
12.2、本发明选取区内末端故障，故障初相角5
°
下的线模分量小波模极大值作为故障保护启动的整定值，有效保证在不同故障工况下保护装置均能灵敏启动。
13.3、本发明利用连续小波变换分解故障初始反行波得到行波全波形，通过小波系数与频率平方的乘积构造能量算子，得到行波全波形各频段能量分布并选取最大值作为主频分量，因为过渡电阻和故障初相角不影响初始反行波的频谱分布，即不影响行波全波形主频分量的提取，所以本发明不受过渡电阻和故障初相角的影响，适应性强。
附图说明
14.图1为本发明流程图。
15.图2为本发明220kv输电系统拓扑结构图。
16.图3为本发明区内外故障行波全波形各频段能量分布图。
17.图4为本发明区内故障时测量端检测的方向行波时域波形图。
18.图5为本发明区内故障时测量端检测的故障初始反行波小波模极大值图。
19.图6为本发明区内故障时测量端行波全波形各频段能量分布图。
20.图7为本发明正向区内外不同故障位置下的保护结果图。
具体实施方式
21.下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域的技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
22.实施例1本发明提供一种基于全波形主频分量的高压输电线路保护方法，如图1至图7所示，包括以下步骤：s1、利用检测端母线的线模电压行波和流经检测端母线的线模电流行波计算得到故障初始前行波f和故障初始反行波b，如式(1)-(2)所示；
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(1)
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(2)
式中，um与im分别表示检测端母线的线模电压行波以及流过检测端母线的线模电流行波，zc为波阻抗；s2、利用小波模极大值法标定故障初始前行波和故障初始反行波的波头到达时间tf和tb，根据故障初始前行波和故障初始反行波的波头到达时间差来构造方向判据，当其小于一定测量误差裕度时判断是正方向故障，如式(3)所示，反之为反方向故障；
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(3)式中，表示故障初始反行波与故障初始前行波的波头到达时间差，表示一定测量误差裕度；s3、利用小波模极大值法检测故障初始反行波的波头幅值w
max
来设置保护启动判据，当故障初始反行波波头幅值w
max
大于故障启动判据的整定值w
set
时保护启动，如式(4)所示，反之，保护不启动；
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(4)s4、当s3中保护启动，利用连续小波变换分解t0内的故障初始反行波，得到行波全波形并提取全波形主频分量；s5、根据行波全波形主频分量随故障距离增大而减小，且线路边界导致区内外行波全波形主频分量差异显著的特性构造保护动作判据，当为区内故障时，则保护动作，反之为区外故障时，保护不动作。
23.在本实施例中，优选的，如图4所示，步骤s2中，当线路正方向发生故障时，故障初始反行波传输至检测端母线，经反射后在同一时刻产生故障初始前行波；当线路反方向发生故障时，故障初始前行波沿反方向传输至检测端母线，折射后沿线路传播，直至对端母线的反射波到达检测端母线，方可检测到故障初始反行波。因此，反方向故障时故障初始反行波的到达时间滞后于故障初始前行波。由此可根据故障初始前行波和反行波的到达时间差来判别故障方向。理论上正向故障时初始反行波和初始前行波到达时间差为0，考虑到保护测量误差或计算误差，预留一定测量误差裕度，优选一定测量误差裕度取值为0.1ms。
24.在本实施例中，优选的，如图5所示，步骤s3中，选取区内末端故障，故障初相角5
°
下的线模分量小波模极大值作为故障启动判据的整定值w
set
。
25.在本实施例中，通过选取区内末端故障，故障初相角5
°
下的线模分量小波模极大值作为故障保护启动整定值的设置，有效保证在不同故障工况下保护装置均能灵敏启动。
26.在本实施例中，优选的，步骤s4包括以下步骤：s4.1、从故障初始反行波到达检测端母线的时刻开始，选取保护启动时刻前0.2ms，启动时刻后0.8ms，即t0=1ms的采样数据进行连续小波变换得到行波全波形，频域上，全波形被分解为r个频段；为了充分利用故障信号的时域局部化特性，将得到的每个频段的连续小波系数等分为s个时段，得到多个时频小块，得到连续小波系数矩阵，如式(5)所示；
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(5)
式中，表示连续小波系数矩阵；表示频段r，时刻s对应的连续小波系数；s4.2、选取各频段连续小波系数的最大值，如式(6)所示；并计算各频段的连续小波系数最大值与对应中心频率平方的乘积，获得各频段能量值，如式(7)所示；
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(6)
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(7)式中，表示频段r的连续小波系数最大值；表示全波形中频段r的能量值，表示行波全波形中频段r对应的中心频率；s4.3、比较全波形各频段的能量值，提取最大值作为行波全波形主频分量能量值，其对应频段即为主频分量，如式(8)-(9)所示；
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(8)
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(9)式中，，，，表示主频分量对应的能量值，表示主频分量对应的中心频率。
27.在本实施例中，本发明利用单端测量的行波所蕴含故障信息，仅需1ms的采样数据就能可靠动作，保护可靠性高，速动性强；同时利用连续小波变换分解故障初始反行波得到行波全波形，通过小波系数与频率平方的乘积构造能量算子，得到行波全波形各频段能量分布并选取最大值作为主频分量，如图6所示。因为过渡电阻和故障初相角不影响初始反行波的频谱分布，即不影响行波全波形主频分量的提取，所以本发明不受过渡电阻和故障初相角的影响，适应性强。
28.在本实施例中，优选的，步骤s5中，当发生区内故障（图2中区内f1故障）时，检测端m测得的初始反行波仅受到线路参数衰减的作用，计算区内故障时行波全波形的各频段能量，如式(10)所示。
29.ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)式中，e
in
表示区内故障行波全波形各频段能量值；为区内故障时故障点产生的电压行波；表示故障距离mf1下的传输函数；表示线路传输函数的实部，与频率和故障距离相关；表示故障点线模行波幅值，与故障过渡电阻和故障初相角等故障工况相关。
30.当发生区外故障（图2所示区外f2故障）时，检测端m测得的初始反行波受到线路参数和折射系数的双重衰减作用，计算区外故障时行波全波形的各频段能量，如式(11)所示。
31.ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)式中，e
out
表示区外故障行波全波形各频段能量值；为区外故障时故障点产
生的电压行波；表示故障距离mf2下的传输函数；表示线路传输函数的实部，与频率和传播距离相关；表示故障点线模行波幅值，与故障过渡电阻和故障初相角等故障工况相关；表示母线n的折射系数。
32.为比较区内外故障行波全波形能量分布差异，绘制区内外不同故障位置下，行波全波形各频段能量分布曲线，如图3所示。由图3可知，行波全波形主频分量随故障距离增大而减小，且线路边界导致区内外行波全波形主频分量差异显著。
33.在本实施例中，优选的，步骤s5中，针对被保护线路参数及母线系统结构，设定主频分量的整定值，若故障行波全波形主频分量的中心频率，则判定为区内故障；若故障行波全波形主频分量的中心频率，则判定为区外故障；其中对主频分量的整定值整定，躲过区外首端发生故障且保证区内末端可靠动作，形成如下保护动作判据：
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(12)式中，表示区外首端故障时行波全波形主频分量的中心频率；表示可靠系数，取1.1。
34.实施例2在pscad/emtdc中搭建如图2所示220 kv输电线路，线路mn长度为210 km，相邻线路pm和nq长度分别为100 km和60 km。m端装有行波检测装置，规定母线m指向线路mn的方向为正方向，区内末端为线路mn末端，长度优选为209km，区外首端为线路nq首端，长度优选为211km，因此故障启动判据的整定值w
set
为500，主频分量的整定值ω
set
为65khz，其中故障启动判据的整定值w
set
为500时，可以有效保证在不同故障工况下保护装置均能灵敏启动。线路采用频变参数模型，母线系统对地电容取0.01uf，采样率取400khz。在线路pm、mn和nq上不同位置设置故障点，过渡电阻设置为0.1ω，a相接地故障，故障初相角设置为90
°
。在测量端m采集不同故障位置下的行波信号，按照所提保护方法判别区内外故障，仿真结果如表1所示。
35.表1 不同故障位置下保护动作性能由表1可知，所提取主频分量符合理论分析，即区内故障时随故障距离增大，主频分量越小；且线路边界折射系数的衰减作用，使得区内外故障主频分量差异明显。因此，所提保护方法在区内外不同位置发生故障时均能正确动作。将任意故障位置对应的故障距离与主频分量频率(lf，ω
domi
)绘制在平面坐标系上，如图7所示。
36.在线路mn距离测量端m 10km、133km和215km处设置不同过渡电阻，发生a相接地故
障，故障初相角设置为90
°
。在测量端m采集行波信号，按照所提保护方法判别区内外故障，仿真结果如表2所示。
37.表2 不同过渡电阻下保护动作性能参阅表1和表2，本发明能有效保护交流输电线路，可以看出：1、利用行波全波形主频分量设置故障判据能快速、可靠判别区内外故障，仅需1ms的采样数据就能可靠动作，保护可靠性高，速动性强。
38.2、行波全波形主频分量的提取不受过渡电阻的影响，对于220 kv的交流输电线路上发生过渡电阻为300ω的单相接地故障，保护仍能快速可靠的保护线路全长，保护适应性强。
39.以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。