输电线路行波电流极性比较式纵联保护方案研究

路玉芹,翟 蕾

(淄博市供电公司,山东淄博255000)

输电线路行波电流极性比较式纵联保护方案研究

路玉芹,翟 蕾

(淄博市供电公司,山东淄博255000)

提出利用高压输电线路暂态行波电流与电容式电压互感器高压侧暂态行波电流的行波纵联保护方案.对暂态行波电流的α模量求取小波变换模极大值以确定极性.比较测量端主电路及电容器分支电路暂态行波电流的初始极性,以判断行波浪涌方向；并通过交换线路两端的故障方向信息识别线路内部故障.分析了该行波电流极性比较式保护方案的影响因素.ATP仿真表明保护方案切实可行,具有较强的实用性.

输电线路；行波；极性比较；纵联保护

高压输电线路是电力系统的命脉,它担负着传输电能的重任,同时也是电力系统中最容易发生故障的环节.快速切除线路中的故障,可以缩小故障范围,减轻短路引起的电网破坏程度,减小对用户的影响.基于故障暂态量的行波保护在动作速度上较现存的基于工频电气量的保护有了明显提高,能很好地适应超高压线路的故障切除要求［1-8］.

文献［9］通过比较行波电压与行波电流之间的极性确定故障方向,文献［10］通过比较线路两端行波电流的初始极性识别区内、外故障.前者需要用到行波电压信号,而高压线路配置的电容式电压互感器不能有效传变故障暂态行波信号,因而难以获得实际应用.对于后者,由于在线路各端只检测行波电流信号,没有方向性,因而当线路反方向故障时,行波保护装置也会启动并向对方发信,这无疑降低了保护系统的整体可靠性.

本文对线路及电容式电压互感器高压侧的暂态行波电流的α模量进行小波变换并进行小波变换模极大值极性的对比,实现行波纵联保护.

1 行波电流极性比较式保护方案

当电网中某线路发生故障时,由于故障点电压的突变,将产生由故障点向线路两端传播的暂态行波,如图1所示,其中线路MN为被分析对象,和分别为M端电容式电压互感器(CVT)的主电容器和分压电容器,和分别为N端CVT的主电容器和分压电容器.

图1 行波电流极性比较式保护示意图

无论线路MN内部或外部发生故障,当故障暂态行波信号到达该线路两端时,将同时在主电路以及电容器分支电路中产生行波电流信号.根据图1中给定的电流参考方向,可以得出以下结论：

(1)对于内部故障(如F1点故障),当故障行波浪涌到达线路MN任一端时,在主电路以及电容器分支电路中产生的行波电流信号之间具有反极性关系.

(2)对于外部故障(如F2和F3点故障),当故障行波浪涌到达离故障点最近的线路MN一端时,在该端主电路以及电容器分支电路中产生的行波电流信号之间具有同极性关系；当故障行波浪涌到达离故障点最远的线路MN一端时,在该端主电路以及电容器分支电路中产生的行波电流信号之间具有反极性关系.

(3)对于内部故障(如F1点故障),故障初始行波浪涌到达线路MN两端时在主电路中产生的行波电流信号之间具有同极性关系.

(4)对于外部故障(如F2和F3点故障),故障初始行波浪涌到达线路MN两端时在主电路中产生的行波电流信号之间具有反极性关系.

根据上述分析,可以得到行波电流极性比较式纵联保护方法.首先通过在线路两端分别比较故障产生的线路暂态行波电流与电容式电压互感器高压侧暂态行波电流之间的初始极性确定故障方向,然后通过交换线路两端的故障方向信息识别线路内部故障.也可以通过比较故障初始行波浪涌到达线路两端时产生的线路暂态行波电流之间的初始极性识别线路内部故障.

2 小波变换及模量选取

2.1 小波变换的奇异点检测原理

为了便于实现快速数值小波分析,一般将分析小波Ψs(t)的尺度参数s取为一系列二进离散值,即s=2j,j∈Z,由此得到(R)在尺度2j和时刻t的小波变换

小波变换的模极大值点与暂态行波的突变点是一一对应的.小波模极大值的幅值表示信号的变化强度,极性表示信号的变化方向.这就使对暂态行波信号突变点的分析转化为了对信号的小波变换模极大值的分析.

2.2 模量选取

采用克拉克变换对测得电流进行解耦后得到0模及α、β(线模)分量,为保证足够的灵敏度,将线模分量作为小波分析对象.

线路发生A相单相接地短路时,β模量的值将为零；而线路发生BC两相金属性直接短路时,α模量将为零.由于BC两相金属性直接短路的概率远低于A相单相接地短路的概率,且B相与C相的金属性直接短路可以通过改变α模量的组合等方法得以解决［15-16］,因此本文选择暂态行波电流的α模分量进行小波变换及模极大值的求取.

3 仿真分析

按照图1所示,利用ATPDraw软件建立220k V输电线路仿真模型.其中MN线路为100km,MP、NQ均为40km.采样步长Δt=1μs,故障发生时刻t=0.02s.

假设MN线路发生A相接地故障,即区内故障,故障点距离M端50km,过渡电阻为50Ω,故障初始电压角为90°.对M、N端主电路及CVT分支电路的故障三相电流进行解耦后α模及其小波变换模极大值如图2所示.

由图2可知,M、N主电路中行波电流极性相同,而各主电路以及电容器分支电路中行波电流极性相反,可判断为内部故障.

MP、NQ线路A相单相接地故障的仿真结果如图3、4所示.可知,M、N主电路中行波电流极性相反,主电路以及电容器分支电路中行波电流极性在离故障点近端时相同,远端时相反,可判断为外部故障,并可确定故障区段.

图2 各主电路及CVT电路三相电流、α模量及极大值图

图3 区外故障仿真结果（MP）

图4 区外故障仿真结果（NQ）

4 影响因素分析

4.1 接地电阻

发生内部故障时,不同接地电阻的小波变换模极大值见表1.由表1可知,接地电阻只影响小波变换模极大值的幅值,对其极性并没有影响.故接地电阻对本方案判断结果影响不大.

表1 不同接地电阻仿真结果对比

4.2 故障初始电压角

表2 不同故障初始角仿真结果对比

4.3 故障点位置

发生内部故障时,不同故障点位置的小波变换模极大值见表3.由表3可知故障点位置只影响小波变换模极大值的幅值,对其极性并没有影响,对本方案判断结果影响不大.

表3 不同故障点位置仿真结果对比

5 结束语

本文提出高压线路行波电流极性比较式纵联保护方案,通过对线路两端主电路及电容器分支电路的暂态行波电流进行极性比较,判断出线路内部故障.方案不直接利用电压行波信号,具有较强的实用性,易获得推广应用.

［1］白嘉,徐玉琴,王增平,等.基于组合模量的行波电流极性比较式方向保护原理［J］.电网技术,2005,29(13)：69-72.

［2］Adamiak M G,Apostolov A P,Begovic M M,et al.Wide area protection technology and infrastructures［J］.IEEE Transactions on Power Delivery,2006,21(2)：601-609.

［3］丁伟,何奔腾,王慧芳,等.广域继电保护系统研究综述［J］.电力系统保护与控制,2012,40(1)：145-155.

［4］段建东,张保会,李鹏,等.超高压输电线路单端暂态量保护元件的实用算法［J］.中国电机工程学报,2007,27(7)：45-51.

［5］高淑萍,索南加乐,宋国兵,等.高压直流输电线路电流差动保护新原理［J］.电力系统自动化,2010,34(17)：45-49.

［6］吴通华,郑玉平,朱晓彤.基于暂态电容电流补偿的线路差动保护［J］.电力系统自动化,2005,29(12)：61-67.

［7］邹贵彬,高厚磊,江世芳,等.新型暂态行波幅值比较式超高速方向保护［J］.中国电机工程学报,2009,29(7)：84-90.

［8］程临燕,段建东,张保会,等.基于形态梯度的输电线电流行波比较式超高速保护［J］.西安交通大学学报,2007,41(4)：484-488.

［9］李泽文,郑盾,曾祥君,等.基于极性比较原理的广域行波保护方法［J］.电力系统自动化,2011,35(3)：49-53.

［10］张举,张晓东,林涛.基于小波变换的行波电流极性比较式方向保护［J］.电网技术,2004,28(4)：51-54.

［11］Osman A H,Malik O P.Transmission line distance protection based on wavelet transform［J］.IEEE Trans on Power Delivery, 2004,19(2)：515-523.

［12］焦彦军,于江涛,王增平.基于贝瑞隆模型的特高压线路单端暂态电流保护［J］.中国电机工程学报,2010,30(16)：86-92.

［13］董杏丽,葛耀中,董新洲,等.基于小波变换的行波测距式距离保护原理的研究［J］.电网技术,2001,25(7)：9-13.

［14］Duan J d,Zhang B H,Luo S B,et al.Transient-based ultra-highspeed directional protection using wavelet transforms for EHV transmission lines［C］//IEEE/PES Transmission and Distribution Conference and Exhibition：Asia and Pacific,Dalian,China, 2005.

［15］和敬涵,范瑜,薄志谦,等.基于对称分量变换的暂态电流极性方向比较保护算法［J］.电工技术学报,2007,22(2)：116-120.

［16］董杏丽,董新洲,张言苍,等.基于小波变换的行波极性比较式方向保护原理研究［J］.电力系统自动化,2000,24(14)：11-15.

(编辑:刘宝江)

Study on longitudinal protective scheme for transmission lines based on traveling wave current polarity comparison

LU Yu-qin,ZHAI Lei
(Bussiness Office of Sales Department,Zibo Power Supply Company,Zibo 255000,China)

A scheme of traveling wave longitudinal protection is put forward by using transient traveling wave current of high-voltage lines and CVT high-voltage terminal.The polarity of transient traveling wave current is determed by calculating the wavelet transform maximal modulus of αmodulus.The traveling wave direction is judged by comparing the initial polarity of transient traveling wave current in main circuit and CVT branch circuit,internal faults are identified by exchanging fault information on both ends of the line,and the influence factors of the traveling wave current polarity comparison protection are analyzed.ATP simulation shows that the protection scheme is feasible and has strong practicability.

transmission tines；travelling wave；polarity comparison；longitudinal protection

1672―6197(2013)01―0075―04

TM773

A

2012- 11- 16

路玉芹,女,luyq710210@163.com；通信作者：翟蕾,女,zbflower2000@sina.com