基于暂态量的超高速线路保护研究(3)

1、电气工程学院电气工程学院张张 保保 会会 基于暂态量的超高速线路保护的研究西安交通大学西安交通大学 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 1000 kV 传统保护的原理限制 动作速度接近极限 1025ms 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

2、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

3、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

4、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q 硬件技术q 数字信号处理技术q 对暂态量的认识q 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() 电感L() 线路方程：

5、tuCiGxitiLiRxu0000UYdxIdIZdxUd00cxbxfxxbxfxZeUeUIeUeUU)( 波阻抗 Zc () 传播系数 () 传输函数 A () = e-x 16（二） 基础理论 3 线路频率特性B 三相线路IZYdxIdUYZdxUd00220022mmmmIdxIdUdxUd2222ITIUTUimu7071. 04041. 05896. 07071. 04041. 05896. 008206. 05520. 0T小结论：选取 5kHz 下的模变换实数矩阵，如Ti 17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

6、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110 kHz 50100 kHz19（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 2000 pF 0.1 F20（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 0.04 ) 对110kHz中频电流显中阻抗（0150 之间）对阻塞频带40500kHz内高频电流显高阻抗( 800 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 150016 之间 阻波器的阻

7、抗值大于 800 显著地不等于输电线路的特性阻抗（约250），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50100kHz信号分量经过后被显著衰减或反射； 而对于较低频110kHz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() 而言 每一次行波浪涌，相关于： 故障源 E() 、 线路的传输系数

8、 A() 边界的透射系数H()、反射系数K() 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 db

9、3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. 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( , )Nf tjNf tj30（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,

10、其中31（三） 原 理 算 法32（三） 原理算法 1超高速暂态量保护： 总体方案总体方案 核心元件核心元件（判别区内外故障） 方向元件 边界元件（2） 配套元件配套元件 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， uf /ub= kr uf /ub (反射系数0|kr|1) 反向故障， uf /ub 正向故障， uf /ub= 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t 时间内，正向

11、行波uf与反向行波ub的比值为 D= uf / ub 若D 0, 则可判定故障发生在正方向；其中，时间段t min2l1/c, 2l2/c ， l1与l2分别为本侧线路、背侧线路的长度 门槛值 0 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0=1.2 D= Ef /Eb 36（三） 原理算法 5 方向元件 C 正向Ag 反向BCg Ef = 1.37e9, Eb =1.06e10, 则 D=0.130=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 0 =1.2 反向灵敏

12、的可靠的 b, 则可判定故障发生在线路内部。 当取 b = kkmaxB(外)、可靠系数kk=1.2时，判据可以表示为另一形式 kB=B/b1 B=EH /EL 44（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t时间内求得电流波 I 中高、低频带分量的比若Cc, 则可判定故障发生在线路内部。 当取 c = kkmaxC(外)、可靠系数kk=1.2时，判据可以表示为另一形式 kC=C/c1 C= EH /EL )(4321LHC )II45（三） 原理算法 14 边界元件的性能测试A反行波法反行波法46（三） 原理算法 15 边界元件的性能测试B电

13、流波法电流波法 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 1 0 m s 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：q 故障发生时要可靠灵敏地启动；q 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 1 脉冲与白噪声 ： L.E.系数 1.

14、4143,2 =Ws(3) /Ws(2) = 1.85 1.414 51（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(波形法波形法)识别 A 特征分析伏秒曲线F1）感应雷m0.2

15、5 2）重型直击雷m0.875 1 k4）普通短路m0.441 0 k 1 u,max0201uuuumkt /kfk|u200 /um|u3）轻型直击雷0 km0.875 0 u54（三） 原理算法 23 雷电干扰(波形法波形法)识别 B 原理算法,max0201uuuumkt /kfk|u200 /um|uK1= 0.4K2=-0.5K3= 0.5 55（三） 原理算法 24 雷电干扰(波形法波形法)识别 C56（三） 原理算法 25 雷电干扰(暂态法暂态法)识别 A 频谱特征分析)()(21/0TtTteeIti1） 雷电波（非故障性）2） 普通故障分量)sin()(00tItim3）

16、雷击故障分量数量级差别 10 10057（三） 原理算法 26 雷电干扰(暂态法暂态法)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（05 kHz）能量E1 和 高频分量( 510 kHz) 能量E2 L = E1/E2若 L kL (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，导致一部分弱故障性雷击不能被识别 当L = E1/E2 kL，比较雷电波的峰值Im和峰值后20s时的幅值I20，即 若i ki（预设门槛值）， 那么判定此暂态过程为雷击干扰。ki=0.5。 mIIi/20L= 8.3 30L= 5.3 3058（三） 原理算法 27 雷

17、电干扰(暂态法暂态法)识别 C59（三） 原理算法 28 合闸于故障识别 A对超高速保护而言，输电线路断路器的合闸操作也会产生行波或暂态量，并能启动保护。若线路上有故障，则保护应迅速动作以切除故障；若线路上无故障，则保护不应误动。这就需要合闸于故障识别元件SFU（Switch into Fault Unit），以正确识别线路的状况。 60（三） 原理算法 29 合闸于故障识别 B 特征分析 时间时间合闸于正常TvLtttFBBF2/2合闸于故障故障TvltttFBBF2/261（三） 原理算法 30 合闸于故障识别 C 特征分析 极性极性 （当时间测量存在可靠性问题时）故障点处，模量初始反行波

18、、前行波之间极性是相反相反的 合闸于无故障：三模初始前行波F、反行波B的极性 相同同 CBAuuuuuu101110011321CBAiiiiii101110011321 合闸于有故障：模量初始前行波F、反行波B的极性 相反反 （至少一个模量前、反行波的极性相反） （只有三相故障时，三个模量的都相反）62（三） 原理算法 30 合闸于故障识别 D 特征分析 频率频率 （当反行波存在可靠性问题时）1）合闸于故障，线路电流在短暂态后主要为工频、直流分量2）合闸于正常，线路电流在短暂态后主要为工频、直流分量 但也出现振荡，主要频率振荡，主要频率与线路长度成反比63（三） 原理算法 31 合闸于故障识

19、别 E 原理算法 是为了确保主判据的可靠而特设的一小段时间裕度时间裕度。本文推荐时间裕度取 =20s 低频能量低频能量EL和高频能量高频能量EH 合闸相电流在合闸暂态过程（约5ms）之后的信号频率分量注：低频低频主要指工频和直流分量 高频高频指包括主要振荡频率在内的一段频率 h的门槛值 kh =30 64（三） 原理算法 32 合闸于故障识别 F65（三） 原理算法 33 故障选相 当 暂 态 量 保 护 的 主 保 护 或 辅 保 护 判 定线路故障为区内故障时，就需要故障选相元件故障选相元件PSU（Phase Selection Unit）进行故障类型的判别，以便继电器出口“三相跳闸”还是

20、“单相跳闸”，此外最终的故障报告也需有故障相别的具体结果。 快速故障选相是利用故障行波或暂态量的特征来判别故障类型，本文从这两个角度提出了两种故障选相方法： 行波法行波法 暂态法暂态法66（三） 原理算法 34 故障选相(行波法行波法) A 分析故障附加网络中故障点的模量初始行波fCfB3ffAfC2ffBfA1ffCfBfA0fiiiiiiiiiiiii67（三） 原理算法 35 故障选相(行波法行波法) Bi f A0i f B0i f C068（三） 原理算法 35 故障选相(行波法行波法) C极性关系69（三） 原理算法 36 故障选相(行波法行波法) D原理算法注： 故障选相，不宜采

21、用0模量 与 线线模量 之间的幅值关系零模i0波头的幅值明显降低 陡度大为变缓相对于线模i1、i2衰减畸变相当严重，保护安装处测量的零模量与线模量已经明显不能正确反映故障点处的幅值关系 70（三） 原理算法 37 故障选相(行波法行波法) F71（三） 原理算法 38 故障选相(暂态法暂态法) A 三相导线间的耦合 两边相与中间相的耦合系数相等且小于1， 即kAB =kBC 1（实际上输电线路一般kAB =kBC0.2） 线路边相与中间相、边相与另一边相的耦合系数 kAB、kAC之间也往往是kAB 2.5kAC 72（三） 原理算法 39 故障选相(暂态法暂态法) B三相 故障 电流 间的 相

22、对 关系 73（三） 原理算法 40 故障选相(暂态法暂态法) C0 =0.0051 = 0.12 =0.0053= 2.5 74（三） 原理算法 41 故障选相(暂态法暂态法) Dmax (emid/emin)=1.73 =2.5：ABg75（三） 原理算法 42（end）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 配套元件 启动元件 雷电干扰元件 合闸于故障识别元件 故障选相元件方向行波暂态量方向行波暂态量反行波、电流波反行波、电流波初始行波奇异性初始行波奇异性波形法、暂态法波形法、暂态法行波与暂态行波与暂态行波法、暂态法行波法、暂态法76（四） 装 置

23、与 试 验77（四） 装置与试验 1实 验 装 置相 关 条 件 实 时 实 验 暂态量保护78（四）装置与试验 2 实验装置 A 装置构成左：暂态信号发生器TSG 右：暂态量保护实验室样机TBP-LP 79（四）装置与试验 3 实验装置 B 样机总体设计硬件：一台微机 及其 控制的数据采集卡 PCI_6110E 每卡有4通道、采样率高达5MHz、12位A/D转换精度 软件：微机使用Windows XP的操作系统， 算法设计采用C语言来编写，开发环境为CVI 80（四）装置与试验 4 实验装置 C 样机运行设计81（四）装置与试验 5 实验装置 D 暂态信号发生器的总体设计硬件：一台微机 及其

24、 控制的信号源卡 PCI_6713 该卡有8个通道，12位精度，数据更新率达到1MS/s软件：使用 LabVIEW 来开发信号源控制程序 82（四）装置与试验 6 实验装置 E 暂态 信号 发生器的 运行设计83（四）装置与试验 7 实验装置 F 暂态量保护的实验装置的连接84（四）装置与试验 8 电磁式TV高频特性其中测试点A接示波器通道1，测试点B接示波器通道2。示波器采用采样率100MHz，Agilent54621D/22D数字存储式示波器。AC信号源是南京电讯仪器厂的EE1641B1型函数信号发生器。实验对象：1.额定输入电压为5V的电磁式电压互感器，匝数比为150/7。2.额定输入电

25、压为100V的电磁式电压互感器，匝数为880/40。85（四）装置与试验 9 电磁式TV高频特性 150/7电磁式电压互感器有铁心5V输入 150/7电磁式电压互感器有铁心0.5V输入 该电压互感器可以线性传输该电压互感器可以线性传输1MHz以下的高频正弦信号的幅值信息。以下的高频正弦信号的幅值信息。86（四）装置与试验 10 电磁式TV冲击特性波头参数为30ns 波头参数为1s 波头参数4s 87（四）装置与试验 11 电磁式TA高频特性测试点A接示波器通道1，测试点B接示波器通道2。示波器采用采样率100MHz Agilent 54621D/22D数字存储式示波器。AC信号源采用南京电讯仪

26、器厂的EE1641B1型函数信号发生器和RTDS继电保护测试仪。实验对象：额定输入电压为5A的电磁式保护电流互感器，匝数比为4/200。88（四）装置与试验 12 电磁式TA高频特性n匝数比为4/200电磁式电流互感器可以传输500kHz以下的高频信号。n当信号频率大于500kHz时，输出波形幅值逐渐衰减。89（四）装置与试验 13 高频载波信号的影响C0C1L0L1BZ1Z2Ra b c1a b c1线路母线母线1高频阻波器2耦合电容器3结合滤波器4载波机234 高频载波信号影响的仿真模型90（四）装置与试验 14 高频载波信号的影响考虑不发信、发信后故障、故障后发信三种不同情考虑不发信、发

27、信后故障、故障后发信三种不同情况下：况下：故障类型：故障类型：1010种（种（AgAg、BgBg、CgCg、ABAB、BCBC、ACAC、ABCABC、ABgABg、BCgBCg、ACgACg）故障位置：故障位置：反向反向1.51.5km km 首端首端1.51.5kmkm、 20km 20km、 40km 40km、 60km60km、 80km 80km、 100km 100km、 120km 120km、 140km 140km、末端末端1.1.5 5kmkm、下级母线、下级出口下级母线、下级出口1.51.5kmkm故障初始角：故障初始角：5 5、45 45 、90 90 故障接地电阻：

28、故障接地电阻：0 0 、 100 100 、 300 300 91（四）装置与试验 15 高频载波信号的影响高频信号并不会造成保护元件启动，只相当于噪声干扰高频信号并不会造成保护元件启动，只相当于噪声干扰 。92（四）装置与试验 16 高频载波信号的影响对于方向元件的正确判别无影响；对于方向元件的正确判别无影响；对于边界元件，由于高频信号的叠加，对于边界元件，由于高频信号的叠加，使得本来可以判成区内的故障误判为区外，使得本来可以判成区内的故障误判为区外，灵敏度降低的概率为灵敏度降低的概率为4.07%4.07%（33/81033/810），但可以），但可以保证区外故障可靠判断保证区外故障可靠判断

29、。93（四）装置与试验 17 实时试验 A 暂态量保护实验室样机TBP-LP在线采集暂态量信号发生器TSG提供的信号并进行暂态量保护的实时试验。 试验数据：一是 来自东北、华中电网EMTP故障仿真二是 来自科汇公司行波测距仪的现场录波 94（四）装置与试验 18 实时试验 B EMTP仿真 故障仿真条件的变化： (1) 故障或雷电位置；(2) 故障过渡电阻； (3) 故障初始角； (4) 故障类型；(5) 母线结构； (6) 母线对地电容； (7) 故障形式； (8) 断路器操作； (9) 系统运行方式；(10) 被保护线路的长度95（四）装置与试验 19 起动元件实时试验2, 1=Ws(2)

30、/Ws(1) 1.414(启动启动)96（四）装置与试验 20 方向元件实时试验D=Ef/Eb=0.414 30 (故障故障)97（四）装置与试验 21 边界元件实时试验B/b= (EH/EL)/b=7.06 1.0 (区内区内) emid/emin=1.082.5 emax=eA : Ag98（四）装置与试验 22 实时试验结果列表 数据采样率 250 kHz， 数据窗宽为故障检测后 2 ms 试验样本数达 16080 整套保护软件中乘法运算约 34728 次、 加法运算约 31785 次，据统计，样机动作时间不超过 5 ms 超高速超高速99（四）装置与试验 23 现场实录数据验 证 科汇公司行波测距仪记录了科汇公司行波测距仪记录了19971997年年6 6月月3030日日08:01:3008:01:30在东北在东北500500kVkV电网的董辽线上距离电网的董辽线上距离辽阳变辽阳变128.5128.5kmkm处发生一起处发生一起CgCg故障，在辽阳故障，在辽阳变侧记录下经变侧记录下经5 5kHzkHz高通滤波后的三相电流高通滤波后的三相电流行波，数据采样率为行波，数据采样率为781.25781.25kHzkHz。阻波器采阻波器采用的阻塞频带