基于暂态量的超高速线路保护研究

电气工程学院张保会基于暂态量的超高速线路保护的研究西安交通大学2006年10月3纲要●绪论●基础理论●原理算法●实验装置●结论基于暂态量的超高速线路保护的研究4（一）绪论5（一）绪论1●背景与意义●现状与问题研究新型继电保护6（一）绪论2——背景与意义●高压电网的飞速发展5007501000kV●传统保护的原理限制动作速度接近极限10~25ms受工频因素影响大R系统振荡TA●技术条件的逐渐具备光电互感器高频响应特性优良高速数据采集24位同步1Ms/s数字信号处理技术小波形态学10ms以内（5ms）免受这些因素的影响7新型保护：行波保护高频暂态量保护（一）绪论2——现状与问题●故障分量＝工频量＋暂态量传统保护（超高速、高灵敏）暂态量保护TbP8（一）绪论3——现状与问题●暂态量保护的研究现状9（一）绪论4——现状与问题●暂态量保护的评价行波保护利用故障初始行波的极性、幅值特征以及故障行波在线路上来回反射的特点，它不受TA饱和、系统振荡的影响，其性能不受故障类型、故障过渡电阻、故障位置和大故障初始角影响，动作速度快。但是其最大的问题就是，可靠性受反射波、小故障初始角等因素影响较大。高频暂态量保护充分利用故障产生的、不同频率的暂态信号在输电线路上具有不同的传播特性，特别是在Zc不连续点或长线路上的传播特性差异，比较高频暂态信号的特征，来判别区内外故障。因此，除具有与行波保护相似的优点，高频暂态量保护更能适应小初始角的故障情形，不受反射波的影响。但是，整定缺乏理论依据和整定原则；无通道保护实现缺乏事实依据。10（一）绪论5——现状与问题●暂态量保护相关理论的研究现状一套完整实用的暂态量保护还需配套元件的支持：快速启动干扰识别（雷电、断路器操作）故障选相还未进行系统地研究，只分散地进行了部分工作，都存在理论可靠性问题。11（一）绪论6——现状与问题●暂态量保护的装置和试验保护装置RALDA行波差动保护LR-91保护LFDC保护高频暂态量保护波阻抗方向继电器行波保护试运行装置实验室硬件技术数字信号处理技术对暂态量的认识对保护原理的研究限于当时的12各方面都需要开展进一步的细致研究1)基础理论2)处理工具3)保护原理4)实用算法5)性能测试6)方案设计7)试验装置（一）绪论7●可见，暂态量保护在原理、算法、装置都不甚成熟13（二）基础理论14（二）基础理论1●输电系统的频率特性●输电系统的暂态信号为了研究暂态量保护，需要分析：15（二）基础理论2——线路频率特性A●线路参数：频变R(ω)电感L(ω)●线路方程：tuCiGxitiLiRxu0000UYdxIdIZdxUd00cxbxfxxbxfxZeUeUIeUeUU)(波阻抗Zc(ω)传播系数γ(ω)传输函数A(ω)=e-γx16（二）基础理论3——线路频率特性B●三相线路IZYdxIdUYZdxUd00220022mmmmIdxIdUdxUd2222ITIUTUimu7071.04041.05896.07071.04041.05896.008206.05520.0T小结论：选取5kHz下的模变换实数矩阵，如Ti17波阻抗（二）基础理论4——线路频率特性C波速度传播系数中的衰减常数18（二）基础理论5——线路频率特性D●传输函数A零模线模小结论：宜选用100kHz以下的线模信号分量；注意线路对信号的衰减影响1～10kHz50～100kHz19（二）基础理论6——母线的频率特性小结论：母线系统对地等效电容2000pF～0.1μF20（二）基础理论7——阻波器的频率特性小结论：阻波器对50Hz工频电流显低阻抗(约为0.04Ω)对1~10kHz中频电流显中阻抗（0~150Ω之间）对阻塞频带40～500kHz内高频电流显高阻抗(800Ω以上)21（二）基础理论8——线路边界●线路边界：在一定的频带（尤其是阻波器的阻塞频带）内，母线对地电容的容抗值约在1500~16Ω之间阻波器的阻抗值大于800Ω显著地不等于输电线路的特性阻抗（约250Ω），形成线路特性阻抗的不连续点（处于线路两端）22（二）基础理论9——边界的频率特性)()()(12sUsHsUbf)()()(11sUsKsUbf小结论：线路边界使得50~100kHz信号分量经过后被显著衰减或反射；而对于较低频1~10kHz分量则没有明显的作用呈现构造新型暂态量保护的意义23（二）基础理论10——故障暂态信号A24（二）基础理论11——故障暂态信号B●从时域看，25（二）基础理论12——故障暂态信号C●从频域看，对于某一确定频率分量E(ω)而言每一次行波浪涌，相关于：故障源E(ω)、线路的传输系数A(ω)边界的透射系数H(ω)、反射系数K(ω)等26（二）基础理论13——故障暂态信号D故障暂态信号的特点：故障暂态信号是一系列行波浪涌初始行波浪涌来自故障点，所携带的故障信息最为明显；后续的行波浪涌受多个因素的影响各次行波浪涌中所含频率分量的比例是不同的27（二）基础理论14——暂态信号的分析要求●能分析非平稳信号●能时域局部化●能提取信号频带分量●能表征信号分量的特征：极性、幅值、能量等小波分析28（二）基础理论15——小波变换●能量一致性形式的小波变换●综合常见小波的基本性质结合暂态保护的基本要求，选择：三阶中心B样条小波——奇异性检测、定位、极性表征db3或db4小波———信号能量分布的表征●两个概念的推证29（二）基础理论16——奇异性检测的WTMS法●信号的奇异性——L.E.α●孤立奇异性检测的小波变换模极大值法●普遍适用的奇异性检测的WTMS法100(,1)2(,)NftjNftj30（二）基础理论17——小波变换的谱能量分布●对于有限能量的信号函数f(t)，经正交小波变换的多分辨分析而得逼近系数cJ,k与小波系数dj,k（其中尺度j=1,2,…,J），则此信号的能量可以分解为各尺度上的小波变换谱能量，JjZkkjZkkJdcdttf12,2,2||)(JjdttfEZkkjZkkjj,,2,1,||)(),(2,2,其中31（三）原理算法32（三）原理算法1超高速暂态量保护：●总体方案●核心元件（判别区内外故障）方向元件边界元件（2）●配套元件启动元件雷电干扰元件（2）合闸于故障识别元件故障选相元件（2）33（三）原理算法2——总体方案34（三）原理算法3——方向元件A●特征差异正向故障，反向故障，Δuf/Δub=kruf/Δub→∞(反射系数0|kr|1)反向故障，Δuf/Δub→∞正向故障，Δuf/Δub=kr(反射系数0|kr|1)35（三）原理算法4——方向元件B●识别故障方向的基本原理：在保护安装处检测到初始行波后Δt时间内，正向行波Δuf与反向行波Δub的比值为λD=Δuf/Δub若λDλ0,则可判定故障发生在正方向；其中，时间段Δtmin{2l1/c,2l2/c}，l1与l2分别为本侧线路、背侧线路的长度门槛值λ0在理论上为介于反射系数kr与∞之间，在实际运用时宜选用略大于1的数，如λ0=1.2λD=Ef/Eb36（三）原理算法5——方向元件C正向Ag反向BCgEf=1.37e9,Eb=1.06e10,则λD=0.130=1.2Ef=1.9e10,Eb=3.4e7,则λD=510.20=1.237（三）原理算法6——方向元件D●性能测试本文的主要测试系统（东北电网董辽线）38（三）原理算法7——方向元件E●性能测试λλ0=1.2反向灵敏的可靠的λλ0=1.2正向39（三）原理算法8——边界元件●边界元件——单端暂态量保护●两个方法反行波法电流波法40（三）原理算法9——边界元件(反行波法)A●特征分析区内故障41（三）原理算法10——边界元件(反行波法)B●特征分析区外故障42（三）原理算法11——边界元件(反行波法)C●特征分析区内故障区外故障43（三）原理算法12——边界元件(反行波法)D●区内外故障的判别原理检测到初始故障行波后Δt时间内求得反行波B中高、低频带分量的比若λBλb,则可判定故障发生在线路内部。当取λb=kk×max{λB(外)}、可靠系数kk=1.2时，判据可以表示为另一形式kB=λB/λb1λB=EH/EL44（三）原理算法13——边界元件(电流波法)A●区内外故障的判别原理检测到初始故障行波后Δt时间内求得电流波I中高、低频带分量的比若λCλc,则可判定故障发生在线路内部。当取λc=kk×max{λC(外)}、可靠系数kk=1.2时，判据可以表示为另一形式kC=λC/λc1λC=EH/EL)~(~(4321LHC)II45（三）原理算法14——边界元件的性能测试A反行波法46（三）原理算法15——边界元件的性能测试B电流波法用单端暂态量构成全线速动保护遇到困难47（三）原理算法16——启动元件A●超高速保护欲在5~10ms内动作出口。要求担负着故障检测、启动保护任务的启动元件必须要在1ms内做出正确是否起动的判断。启动算法应能达到：故障发生时要可靠灵敏地启动；正常或噪声干扰的情况下不误启动这里结合线路故障初始行波Lipschitz系数特点与信号奇异性检测的WTMS一般方法提出基于小波变换模之和WTMS的行波启动算法48（三）原理算法17——启动元件B●特征分析故障电流行波：L.E.系数-0.5≤α≤1脉冲与白噪声：L.E.系数α-0.5系统正常时：无奇异性49（三）原理算法18——启动元件C●原理算法（1）检测信号奇异性，区分正常情况与奇异情况。对采集到的电流信号i(t)，进行三阶B样条小波二进小波变换，寻找小波变换极大值Wm(j)。若无，则系统正常；若有且满足下式，则进入到第（2）步（2）检测奇异性来源，区分故障行波与噪声干扰。根据信号检测的WTMS法，比较相邻尺度间小波锥内小波变换模之和Ws(j)=Ni(t0,j)，若满足下式，则启动50（三）原理算法19——启动元件D●性能测试λ2,1=Ws(2)/Ws(1)=1.521.414λ3,2=Ws(3)/Ws(2)=1.851.41451（三）原理算法20——启动元件E52（三）原理算法21——雷电干扰识别元件●超高压线路不可避免会受到雷击(感应与直击)一方面，雷电波沿着线路传播，遇到线路波阻抗不连续点还将发生波的折、反射，另一方面，雷电波中含有丰富高频暂态量。这与故障行波相近，因而若不加以区分，将可能对暂态量保护产生不利影响。●造成故障——故障性雷击/重型雷击未造成故障——非故障性雷击/轻型雷击（雷电干扰)●两种方法：波形法暂态法53（三）原理算法22——雷电干扰(波形法)识别A●特征分析伏秒曲线F1）感应雷m≤0.252）重型直击雷m≥0.875→－1k4）普通短路m≥0.441→0k→1u},max{0201uuuumkt/kfk|u200/um|u3）轻型直击雷→－0km≥0.875→0u54（三）原理算法23——雷电干扰(波形法)识别B●原理算法},max{0201uuuumkt/kfk|u200/um|uK1=0.4K2=-0.5K3=0.555（三）原理算法24——雷电干扰(波形法)识别C56（三）原理算法25——雷电干扰(暂态法)识别A●频谱特征分析)()(21//0TtTteeIti1）雷电波（非故障性）2）普通故障分量)sin()(00tItim3）雷击故障分量数量级差别1010057（三）原理算法26——雷电干扰(暂态法)识别B●原理算法对暂态信号进行分频提取，分别计算低频分量（0~5kHz）能量E1和高频分量(5~10kHz)能量E2λL=E1/E2若λLkL(预设的门槛值)，则判定为故障为确保可靠性，上述门槛取得较大，如kL=30，导致一部分弱