基于小波变换的行波故障选相

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(1.三峡大学 电气与新能源学院,湖北 宜昌 443000;2.吉林省和龙市农电有限公司,吉林 和龙 133500;3.国网吉林省电力有限公司吉林供电公司，吉林 吉林 132001)

基于小波变换的行波故障选相

胡丹1,王建华2,姜书鹏3，王雅婷1,许青松1

(1.三峡大学 电气与新能源学院,湖北 宜昌 443000;2.吉林省和龙市农电有限公司,吉林 和龙 133500;3.国网吉林省电力有限公司吉林供电公司，吉林 吉林 132001)

输电线路发生短路故障时，产生的故障暂态行波是一种非线性非平稳信号。初始行波信号到达检测点，测量信号将出现突变，小波变换能够检测出该突变并用模极大值进行刻画。MATLAB仿真结果表明，该方法能准确实现故障选相。

行波；小波变换；故障选相

1 引言

当线路故障时，故障相电流升高，电压降低。根据这些电气量特征，传统保护的选相元件采用直接获取的电气量信息进行选相。通常采用的选相元件主要为相电流选相元件、低电压选相元件和阻抗选相元件。传统选相元件虽然实现简单，但灵敏度较低，而且容易受负荷电流和系统运行方式的影响。随着数字式微机保护的出现，选相元件通常由软件来实现，这给选相元件带来了很大的灵活性，利用故障分量的选相元件开始在实际装置中得到了广泛应用。目前国内数字式高压线路保护装置中主要采用“快速保护+稳态保护”的配置方案，快速保护是指保护启动后的第1次选相是采用突变量选相[1,2]，稳态保护主要是利用序分量[3,4]与阻抗元件结合选相的方法。

超高压输电线路故障后，丰富的暂态故障分量包含了大量有用的故障信息。基于工频分量的选相算法将故障信号中的非工频信号全部当作噪声滤掉。实际上，这些暂态故障分量为故障分析提供了理想的信息源。如果它们能被有效利用，选相元件的速动性和可靠性都会得到大大的提高。

近年来，新兴的数学工具及数字信号处理技术在电力系统中获得了广泛的应用，如相关分析[5]、神经网络[6]、数学形态学[7]与分形理论[8]等，总体来说，这些新的选相方法具有选相速度快、适应于系统更多工况的特点，克服了传统选相方法的一些不足。但相关法存在由于行波在传播过程中的衰减和畸变现象，使得相关算法所依赖的行波相似关系不再成立，抗干扰能力不强，神经网络依赖于初始值的选取和神经网络结构，数学形态学法受其结构元素的形状，宽度，高度等的影响。目前对超高速的行波保护或暂态量保护的研究已逐步由理论阶段向实现阶段发展。小波变换[9，10]理论的出现为充分利用故障暂态信息提供了强有力的数学手段。在基于暂态量的选相中，小波变换选相算法得到了日益广泛的应用。

2 故障选相原理

从信号的角度来看，输电线路发生故障时，初始行波到达检测点，测量信号将出现突变，使用小波的模极大值表示行波信号，即可把基于工频电流信号的“模故障分量选相原理”引入行波故障选相[11]中，且仅使用故障电流初始行波，不受相邻线路和对端母线反射波的影响，易于实现。

行波波速与线路参数密切相关，由于三相线路存在电磁场的耦合，无法直接确定行波波速。为此需要对其解耦，采用相模变换，将相互耦合的向量变成相互独立的模块。由凯伦贝尔变换可知相电流和模电流之间存在如下关系:

(1)

式中，零模电流分量I0以大地为回路，波阻抗较大，波速小，衰耗比较大；线模电流分量Iα，Iβ以导线为回路，波阻抗较小，波速接近光速，且较稳定，衰耗小。为便于选相，引入如下“γ”模：

(2)

γ模不是独立的，它可由模α和β模的线性组合得到。

式(1)、(2)和故障边界条件容易得到单相接地,两相相间,两相接地和三相短路时各模量电流，如表1所示。

表1 不同故障类型和故障下的模向量

2.1故障选相方法

根据上述故障特征，可把基于小波变换模极大值的行波故障选相原理概括为：根据模量初始电流行波的小波变换模极大值，根据零模分量是否为0确定是否为接地故障，根据三个线模分量之间的关系确定故障相。具体实现步骤如下：

(1)对暂态行波电流进行相模变换；

(2)对各模量电流进行小波变换，并求模极大值；

(3)若零模的模极大值很小，如小于最大模量模极大值的5%，则可确定为相间故障，否则确定为接地故障；

(4)若为接地故障，相电流模极大值大于最大相电流模极大值的50%，则可确定为故障相；

(5)若为相间故障，模电流极大值最大对应的两相为故障相，同时另外两个模量模极大值幅值约为最大模极大值的50%，不满足这个关系时判定为三相故障。

可见这种基于小波变换的行波故障选相原理类似于工频电流量模故障分量的选相原理，区别在于突然出现的行波信号，根据其小波变换模极大值构成判据，速度快。

3 实验仿真

为验证算法的正确性，对图1所示的双端电源输电系统进行了MATLAB仿真。

图1 双电源输电系统模型

可见，零模故障分量不为0，判断出是接地故障，其最大的小波变换模极大值为6.0587，远小于最大模量电流的小波变换模极大值的5%，A B C三相电流小波变换模最大值分别为10.4401,9.3108和0，A相大于最大值的50%，故可确定为AG故障。过渡电阻换成100Ω和500Ω也照样能判断出来，对于B相和C相接地故障，抗过渡电阻能力很强。

图2 模电流小波变换模极大值

图3 相电流小波变换模极大值

4 结束语

本文采用小波变换法这一非平稳信号处理工具，对输电线路故障行波信号进行行波信号处理。通过对故障行波信号进行处理。根据模量初始电流行波的小波变换模极大值，根据零模分量是否为0确定是否为接地故障，根据三个线模分量之间的关系确定故障相。仿真结果表明，能正确的实现故障选相，可满足工程实际需要。

[1] 张攀.工频突变量电流比选相元件的研究[J].继电器,1990,10(4):15-21.

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[11] 束洪春.电力工程信号处理应用[M].科学出版社，2009.

Travelling-WaveFaultPhase-SectionBasedonWaveletMethod

HUDan1，3,WANGJian-hua2,JIANGShu-peng3,WANGYa-ting1,XUQing-song

(1.College of Electrical and New Energy Source,Sanxia University,Yichang 443000,China;2.Helong City Rural Power Co.,Ltd.,Helong 133500,China;3.Jilin Power Supply Compcuny,Jilin Power tomp Co.,Ltd.,Jilin 12001,China)

When a short circuit fault of transmission lines happens,it will produce transient state wave,which is a non-linear and non-stationary signal.When initial travelling signal reaches the detection,the measurement signals will produce mutation,which can be detected by wavelet and use its modulus maxima to describe.The results of simulation by MATLAB show that this method can accurately realize fault-selection and fault location.

travelling wave；wavelet method；fault-selection

1004-289X(2013)06-0043-03

TM344

B

2013-06-14