基于行波信息的广域后备保护故障判别新原理

吴 浩， 李群湛， 南晓强， 刘 炜

(1.西南交通大学电气工程学院， 成都 610031；2.四川理工学院自动化与电子信息学院， 自贡 643000)

基于行波信息的广域后备保护故障判别新原理

吴 浩1，2， 李群湛1， 南晓强1， 刘 炜1

(1.西南交通大学电气工程学院， 成都 610031；2.四川理工学院自动化与电子信息学院， 自贡 643000)

提出一种利用广域行波信息进行故障判别的新原理。采集电网各节点电压，利用小波变换获取电压初始行波，计算电压初始行波能量。依据行波传播特性，越靠近故障点，电压行波能量越大。比较广域行波能量大小，电压初始行波能量最大的节点判断为故障节点。在该节点下，获取节点相关支路电流初始行波信息，得到节点各相关支路的初始行波功率方向。在确定的故障节点下，若功率方向为负，则该关联支路即为电网故障线路。通过大量仿真分析，验证了文中所提方法正确、清晰，实现简单，具有良好的应用前景。

广域后备保护； 广域行波信息； 电压初始行波能量； 初始行波功率方向； 故障判别

随着高压大电网的形成，电网的安全稳定越显重要，对继电保护也提出了更高的要求，进而出现了广域后备保护的研究与应用[1，2]。目前的研究内容主要有基于方向比较原理和广域电流差动原理的广域后备保护[3～6]，而行波法用于主保护已经有很多研究和相应的应用装置[7～9]，其原理主要是应用初始行波的模极大值、极性等来构成超高速的行波保护，但将行波方法用于广域后备保护的研究还不是很多。文献[10]提出了一种基于行波极性比较的广域行波保护方案，根据记录的线路初始行波极性和线路关联矩阵，实现故障线路判别。文献[11]分析广域行波过程和测距原理，构造了仅使用行波信息完整的扰动记录数据筛选和校验，进行扰动线路判断及扰动点定位的广域行波保护新算法。文献[12]通过分析故障行波到达电网各个变电所的时间关系，并对得到的初始行波到达时间进行信息融合，提出了基于整个电网行波信息的故障定位算法。

本文在分析电压电流行波传播特性的基础上，提出了基于电网节点电压初始行波能量和节点相关支路初始行波功率方向的广域后备保护故障判别新原理。计算故障时电网各节点电压初始行波能量，确定能量最大的节点为故障节点，在该故障节点下获取节点相关支路的初始行波功率方向，功率方向为负的线路即判定为故障线路。该保护算法与传统的行波主保护相配合，速度快，灵敏度高。

1 基于行波信息的广域后备保护故障判别

1.1 广域初始行波传播特性分析

线路某处发生故障时，将产生由故障点向两侧传播的电压初始行波u1f和电流初始行波i1f，行波方向仍然以母线流向线路为正方向。由于电网中波阻抗不均衡，初始行波在传播过程中遇见母线或分支线路等情况时，通常会从一种波阻抗进入到另一种波阻抗，发生行波的折反射[13]，则必然要使得行波电磁能量在传播过程中重新分配。以图1所示电路说明电压行波在电网中的传播特性。

图1 电压初始行波在电网中的传播过程

当K1点发生故障时，电压初始行波1到达B节点，在B节点处会产生反射波1，同时一部分折射到线路AB和线路BC中，即产生折射波1和折射波2，计及线路传播过程中的能量损耗，则到达节点A和节点C的电压初始行波能量要比B节点小得多。折射波2在线路BC中传播，到达C节点时，再一次发生折反射，到达节点D的初始行波，只是折射波3，则节点D的行波能量值更小。因而可得线路故障时电网中测量到电压初始行波能量最大的节点，必然是故障线路所在节点。当然，电网正常运行时，没有行波，各个节点也测量不到相应的行波能量。

由能量传播特性，故障线路上的初始行波功率必然是由线路流向母线的，即初始行波功率方向为负。而各节点可以通过PMU装置获得节点电压行波和节点相关支路电流行波信息，因而不但能确定电网各节点的电压初始行波能量分布情况，还能确定相关支路的初始行波瞬时功率方向。所以依据行波能量分布和功率方向信息，可以建立基于行波信息的广域后备保护故障判别算法。

无论是获取电压初始行波能量，还是判别初始行波功率方向，都要求对暂态电压行波、电流行波进行提取和描述，利用小波变换可以很好地完成这个工作[13～21]。

1.2 利用小波变换分析行波信息

小波变换是一种新型的时频分析工具[13～17]，可对指定频带和时段内的信号成分进行分析。B样条小波的时频局部特性最逼近GAUSS函数且容易实现，同时其紧支集性质要优于GAUSS函数。φn(x)函数可用B样条表示成：

(1)

其中：n为分段多项式的次数；a(i)为B样条系数；λn(x)为连接n+2个空间点(0，1，2，3，…，(n+1))的n次B样条函数。

(2)

B样条小波经常被用作尺度函数，具有最佳的时频分辨率。三次B样条小波在噪声下检测信号的奇异性是渐近最优的，因此本文采用三次B样条小波对行波信息进行提取与分析。

由于实际三相线路之间存在电磁耦合，不能直接利用三相电压电流，须先利用相模变换方法进行解耦处理，得到三相独立的电压电流行波模量。本文选取CLARK变换法，电压CLARK变换矩阵为

(3)

电流CLARK变换矩阵为

(4)

因为采用一种模量分析，可能导致某些故障下几乎没有暂态行波分量，这会使保护在一定情况下失灵，这在高压大电网保护中是不允许的。为了尽可能提高保护的灵敏度，本文采用组合模量法[18]，电压组合模量为：

uz=4uα+uβ

(5)

电流组合模量为

iz=4iα+iβ

(6)

利用CLARK变换和组合模量法，得到需要的电流电压初始行波模量，对初始行波模量进行三层小波分解，取尺度三上的小波分解系数信息计算相应的行波能量和瞬时功率。电压初始行波能量计算：设采样点数为N，则在时间窗t0～tN内，选择窗宽为100且逐点滑动计算。电压初始行波能量为

(7)

可得到相应时间内的电压初始行波能量分布。当初始行波传播到电网节点时，在各线路出口可检测到初始行波u1f和i1f。初始行波瞬时功率为[16]

P1f=u1f×i1f

(8)

该功率的传播特性与电压电流初始行波有关，本文只关心行波瞬时功率方向，可以通过瞬时功率模极大值极性来判别。小波变换的模极大值对应于初始行波功率的奇异点，设P1f为某条线路一端的初始行波瞬时功率在尺度s下的小波变换模极大值，若P1fgt;0，则该线路端的初始行波功率为正方向，若P1flt;0，则该线路端的初始行波功率为负方向。

1.3 基于行波信息的广域后备保护方案

以电网各变电所为节点(假设电网有N个节点)，各个节点装设相应的同步相量测量单元PMU获取节点电压电流信息，通过相模变换和小波分析，由公式(7)计算各节点电压初始行波能量。获取全网电压初始行波能量之后，按下式进行故障节点的判断：

Em=max(E1，E2，E3，…，EN)

(9)

若节点m的电压初始行波能量满足该判别式，则首先确定电网节点m为故障节点，故障线路可能是和该节点关联的任何一条线路。

为了利用电网广域行波信息进行故障线路判别，在确定故障节点后，由公式(8)计算所有连到该节点的相关线路初始行波瞬时功率，并判定每条线路的瞬时功率的模极大值极性以得到线路的功率方向，若功率方向为负方向，则对应线路为故障线路，功率方向为正方向，对应的线路是非故障线路。算法流程图如图2所示。

图2 广域后备保护算法流程图

2 仿真分析

本文采用500 kV多电源的6节点输电网络进行仿真分析，利用PSCAD/EMTDC构造仿真电路，采样频率1 MHz，对典型线路上的不同故障进行了仿真，取故障发生后1 ms内的数据进行分析计算，仿真电路如图3所示。

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图3 仿真电路模型

其中线路：

L1=100 km L2=110 km L3=90 km

L4=130 km L5=120 km L6=150 km

以线路L2发生三相短路为例，故障点距离节点B长度为10 km，距离节点C长度为100 km，故障角127.8°。故障发生时，全网各节点均能获取相应的节点电压及节点相关电流的初始行波信息。各节点的电压初始行波分析波形见图4所示。

由仿真结果图可以看出故障后1 ms内，节点C的电压初始行波能量Ec最大，故此时确定C为故障节点。而节点A、E、F的电压初始行波能量相对来说非常小，在图中显示不明显。见图5所示。

在确定的故障节点C上，连到该节点的线路有

(a) 节点A电压初始行波分析波形

(b) 节点B电压初始行波分析波形

(c) 节点C电压初始行波分析波形

(e) 节点E电压初始行波分析波形

(f) 节点F电压初始行波分析波形

图5 电网各节点电压初始行波能量分布

L2和L3两条，对应的电流为I4、I5，由节点PMU获取的线路电流初始行波，进行小波分解，对应的行波分析波形见图6～7所示。

根据公式(8)，可得节点C相关线路L2和L3的初始行波功率波形，见图8～9所示，可知L2线路C端初始行波功率模极大值Plt;0，所以判定该线路在故障节点C测到的功率方向为负，即L2线路为故障线路。

图6 电流I4初始行波分析波形

图7 电流I5初始行波分析波形

图8 L2线路C端初始行波功率波形

图9 L3线路C端初始行波功率波形

当线路L4发生BC相接地短路时，设故障点距离E节点110 km，距离D节点10 km，故障角90°。限于篇幅，这种故障只给出各节点能量分布图，见图10所示，可知电压初始行波能量以节点D最大，可判定D节点为电网故障节点。

图10 电网各节点电压初始行波能量分布

和故障节点D相关的线路是L3、L4和L5，对应的电流为I6、I7、I9。三条线路D端测量到的初始行波瞬时功率波形如图11所示。

(a) L3线路D端初始行波功率波形

(b) L5线路D端初始行波功率波形

(c) L4线路D端初始行波功率波形

可知L4线路D端初始行波功率模极大值Plt;0，所以判定该线路为故障线路。

为了进一步验证本文所提算法的正确性，选择了其他不同故障点、不同故障类型和不同故障角进行仿真分析，结果表明基于行波信息的广域后备保护均能正确判别故障线路,具体分析如表1所示。

表1 电网不同线路故障时故障判别结果

3 结语

本文对基于行波信息的广域后备保护做了探讨与研究，利用节点的电压初始行波信息，计算各个节点的电压初始行波能量，通过比较，判定能量最大的节点为故障节点，在该节点下，通过PMU获取各线路初始行波功率，判断线路的功率方向，若方向为负，则该线路为故障线路。

仿真实验表明，该方法判断故障线路具有很高的准确性，由于采用了组合模量，对各种类型的故障均能够正确判别，而且只采用了节点PMU获取的初始行波信息，信息量单一，需要的采样时间短,数据少，所以处理速度快，动作时间短，反应灵敏。

在行波传递过程中，由于折反射和线路损耗始终存在，所以电压初始行波能量的分布必定以故障线路直接相关的节点为最大，几乎不受故障距离、过渡电阻和故障类型的影响。因此本文提出的基于行波信息的广域后备保护故障判别新原理具有很好的动作性能，在通信通道及其他硬件满足要求前提下，可应用于实际中。

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吴 浩(1980-)，男，博士研究生，主要从事变电站自动化系统及继电保护方面的研究。Email:wuhao801212@163.com

李群湛(1957-)，男，博士，教授，博士生导师，研究方向为电力系统自动化、电能质量等。Email:lqz3431@263.net

南晓强(1985-)，男，博士研究生，主要从事电力系统自动化方面的研究。Email:nanxiaoqiang6@163.com

NewPrincipleofFaultIdentificationforWide-areaBack-upProtectionBasedonTravelingWaveInformation

WU Hao1，2， LI Qun-zhan1， NAN Xiao-qiang1， LIU Wei1

(1.Electrical Engineering Institute, Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031, China；2.School of Automation and Electronic Information Engineering, Sichuan University of Science amp; Engineering, Zigong 643000, China)

A new fault identification method using wide-area traveling wave information is proposed. Getting grid voltage of each node, and using wavelet transform to obtain the initial traveling wave voltage, the initial traveling wave voltage energy can be calculated. Based on traveling wave propagation characteristics, the closer to the fault node the traveling wave is and the larger the traveling wave voltage energy will be. Comparing the size of wide-area traveling wave energy, if one node's initial traveling wave voltage energy is maximum, this node is determined as the fault node. Then accessing the initial traveling wave current information of all branches related to the fault node, the direction of the initial traveling wave power for each relevant branches can be determined, and if the power direction of one branch under the fault node is negative, the associated branch is fault line. The proposed method is verified correctly, clearly, simple by a large number of simulation analysis, and with a good prospect.

wide-area back-up protection； wide-area traveling wave information； initial voltage traveling wave energy； direction of the initial traveling wave power； fault identification

TM771

A

1003-8930(2012)06-0083-07

2011-10-11；

2011-11-30

人工智能四川省重点实验室项目(2010RY005，2011RZY02)