超高速暂态方向母线保护探讨

　摘　要：提出了一种基于小波变换的超高速暂态方向母线保护。它利用小波变换提取母线内外部故障时的暂态特征，通过比较母线各回路暂态电压、电流小波变换输出波形的相似性实现母线内外部故障的准确、快速识别。通过EMTP对实际电网大量的仿真计算，验证了所提原理的正确性和有效性。
　　关键词：母线保护；　小波变换；　暂态保护

1　引言
　　母线是电力系统中极为重要的元件，是输配电的枢纽，其工作的可靠性将影响到电力系统的安全可靠运行。发电厂或变电所的母线故障是电力系统最严重的故障之一，必须以极快的速度切除，否则将会引起事故的扩大，破坏电力系统稳定运行，造成电力系统的瓦解事故。随着电力系统规模的日益扩大，电压等级的不断提高，对母线保护的快速性提出了更高的要求。
　　90年代以来，人们开始了将微机应用于母线保护的研究。但是所采用的判据主要还是基于电流差动和电流比相式两种保护原理，同样面临着抗CT饱和能力差的缺点。因此，继电保护工作者一方面对此做了大量的研究工作，提出一些实用的检测CT饱和的判据和方法^［1～4］，在一定程度上解决了CT饱和问题对母线差动保护的影响；另一方面也开始研究新的微机母线保护体系结构和原理。文献^［5］提出了一种新型的分布式微机母线保护原理，该原理利用计算机网络连接分散到各回路上的保护单元，极大地提高了母线保护的可靠性，但在判据上还是沿用了电流差动原理。文献^［6］利用母线上各回路故障分量所对应的正、负序等效阻抗的相角所在的象限判别母线区内外故障。文献^［7］则提出了一种基于暂态能量的母线方向保护原理，它通过计算各回路故障后三相电压、电流故障分量的暂态能量之和综合判别母线区内外故障。然而上述所有这些原理从本质上说都是基于对工频量或工频变化量的计算，在动作速度上将越来越不能满足电力系统不断发展的要求。因此，有必要探索新的、反应速度更快的微机母线保护原理。
　　故障暂态产生的信号中蕴含有大量故障信息，利用这一故障暂态高频分量构成的暂态保护有可能更大限度地提高保护动作速度。暂态保护应用于超高压输电线路的研究已经取得了不少成果^［8～10］。本文基于小波原理提出了一种新的暂态方向母线保护。它利用小波变换所提取的系统故障暂态特征进行故障判别，能够快速、准确地识别母线的内外部故障。

2　暂态方向母线保护的基本原理
　　以图1所示的单相单母线模型为例说明暂态方向母线保护的基本原理，该母线接有N个回路，其中保护测量点的电流正方向定为由母线流向线路。

　　当系统某点发生故障时，根据叠加原理可将故障量分解为两部分的迭加：故障前负荷分量和故障附加分量。即短路电流、电压分别由负荷分量和故障分量合成。图2、3分别为图1所示系统在d₁点（母线内部）和d₂点（母线外部）故障时，所对应的系统故障附加分量电路图。显然，母线上各回路保护测量点的电流、电压可表示为：

　　式中，j＝1，2，…，N，表示母线上所连接的N个回路，u_j1、i_j1是母线上第j个回路的负荷工频分量，Δu_j、Δi_j则是由故障附加电源Δu_d1（内部故障时）或Δu_d2（外部故障时）在第j个回路上产生的故障分量，它包括了工频变化量、故障行波产生的高频分量以及由弧光非线性电阻产生的高频分量等。

2．1　内部故障
　　由图2可见，当母线上d₁点发生内部故障时，Δu_d1所产生的电压、电流波是直接由母线向各回路传播（如图虚线箭头所示），根据行波的传播特性，母线上每个回路保护测量点的Δu_j和Δi_j关系可以表示为：
　　　
其中：Z_j为回路j的波阻抗，通常为正的常数。显然，此时不管Δu_d1的极性如何，母线上所有回路的Δu_j和Δi_j极性都相同，波形也很相似。
2．2　外部故障
　　通过对图3的分析可知，当母线外部某一回路（这里是第m＋1回路）上d₂点发生故障时，Δu_d2所产生的电压、电流波则是先由故障回路向母线传播，然后再通过母线向其他非故障回路传播。此时，母线上非故障回路检测到的Δu_j和Δi_j的关系仍然为：
　　　　
　　而对于故障回路，由于行波会在母线处发生反射，而保护测量点离母线的距离又很小，因此测量点所检测到的电压、电流波应该是初始波和反射波的叠加，可以表示为：

其中：下标I表示初始波，R表示反射波，β为电压波反射系数，取值范围为［－1，1］。
　　将式（6）代入式（5），并考虑Δu_I＝－Z_m＋1Δi_I有：

好相反，即极性相反，波形也近似相反。这也正是母线外部故障和内部故障的区别所在。
2．3　母线保护的判据
　　通过上述的分析可知，综合比较母线上所有回路保护测量点的Δu_j和Δi_j波形就可以识别母线的内外部故障：当所有回路的Δu_j和Δi_j极性相同，波形相似时，判为内部故障；否则为外部故障。
　　对于三相系统，可以应用相模变换把三相系统变换成三个独立的由模量表示的单相系统。上面的分析对每一模量都是适用的。
2．4　对不同母线接线方式的分析
　　发电厂和变电站母线的接线方式很多，如双母线断路器母线等。在这些接线方式下，母线保护还应具有区分出故障母线组的选择性。本文所提出的原理实际上是针对一个保护区域而言的，这个保护区域可以是整个变电站的所有高压母线，也可以是其中的一个母线组，只要能够获取该保护区域所连接的所有回路的故障方向信息，即能实现区内外故障判别，因此该保护原理适用于各种母线接线方式。以双母线接线为例，测量双母线上所有回路，包括母线联络线上的故障方向信息，能够灵活地实现双母线的各种保护方案，既可由双母线上所有回路（不包括联络线）构成整个双母线保护，然后再通过联络线的故障方向判别出故障母线组；也可由每组母线上的回路及其联络线直接构成各自母线组的保护等。有关不同母线接线方式的具体分析将另文讨论。

3　基于小波变换的暂态方向母线保护方案
　　小波变换作为近年发展起来的一种新型的时频分析工具，突破了Fourier分析在时域中没有任何分辨力的缺陷，可以对指定频带和时段内的信号成分进行分析^{［11～13］}。它良好的时频局部化特性，使其对具有奇异性、瞬时性的故障信号检测和特征提取更加准确、可靠。对此，本文基于小波变换提取暂态故障特征构成暂态方向母线保护方案。
　　小波变换具有分频作用，信号小波变换在各尺度下的输出反映了该信号各个频率分量随时间变化的规律。在高频段上，基波及各种低次谐波受到抑制，其输出几乎为零，因此，利用小波变换能够有效提取故障暂态行波的高频特征。故障暂态信号小波变换在小尺度上的输出，反映了暂态行波的高频特性，可用以实现母线暂态保护方案。
　　a）故障启动判据
　　将母线三相电压的模量分别进行小波变换，当有一模量小波变换输出模值大于阈值η，即满足式（8）时，即判为故障启动状态，进行下一步的母线内外部故障判别。
　　

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