CN105021954A - 一种基于线模电流s变换辐角检测的母线保护方法 - Google Patents

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白冰
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Abstract

本发明涉及一种基于线模电流S变换辐角检测的母线保护方法，属于电力***继电保护技术领域。本发明为当线路或母线发生故障时，提取故障后短时窗内的母线上各条线的三相电流数据，通过三相电流数据计算得到含故障相的线模电流；对线模电流进行S变换，求得其幅值矩阵，由S变换幅值矩阵中最高频率分量的突变点确定行波到达时刻并求取其对应辐角，计算线路线模电流与其余线路线模电流的辐角差，将各线路线模电流高频分量在故障初瞬的相位关系构成判据，按照判据原则实现线路故障与母线故障的判别。大量仿真分析表明本方法能可靠地对出线故障与母线故障进行判别，不但原理简单，而且可靠有效。

Description

一种基于线模电流S变换辐角检测的母线保护方法
技术领域
本发明涉及一种基于线模电流S变换辐角检测的母线保护方法，属于电力***继电保护技术领域。
背景技术
母线连接多条进、出线路，是输配电的枢纽，在电力***中占有极其重要的地位。母线故障时，若不能及时检测并切除故障母线，将会扩大事故范围，毁坏更多设备，破坏电力***安全稳定运行，甚至瓦解整个电力***，因此，研究可靠性高、选择性好、灵敏度高的母线保护原理是很有必要的。
母线保护主要是利用基尔霍夫电流定律对母线发生故障进行判别，当与母线相连的各条线路上电流之和为零时，母线未发生故障，反之，则为母线故障。按照保护原理划分，母线保护主要有基于工频量保护和基于暂态量保护两大类。目前应用最广泛的母线保护以工频电流量为基础，保护基本上能满足***对于可靠性和选择性的要求，但是面临抗CT饱和能力差的问题，比例差动原理的引入可解决CT饱和问题，但也同时降低了差动保护的灵敏度。行波母线保护利用各条线路上所测故障行波的极性和幅值是否相同对母线故障和线路故障进行区分，当电压过零点发生故障时，难以检测到暂态行波波头，行波母线保护易失效。因此，提出了一种基于线模电流S变换辐角检测的母线保护方法，保护可靠且对采样率要求低，只需确定初始行波到达时刻而无需检测行波波头极性，不受负荷电流、电流互感器饱和及过渡电阻等影响。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有母线保护方法受负荷电流、电流互感器饱和及过渡电阻等影响的问题，提出一种基于线模电流S变换辐角检测的母线保护方法。
本发明的技术方案是：一种基于线模电流S变换辐角检测的母线保护方法，当线路或母线发生故障时，提取故障后短时窗内的母线上各条线的三相电流数据，通过三相电流数据计算得到含故障相的线模电流；对线模电流进行S变换，求得其幅值矩阵，由S变换幅值矩阵中最高频率分量的突变点确定行波到达时刻并求取其对应辐角，计算线路线模电流与其余线路线模电流的辐角差，将各线路线模电流高频分量在故障初瞬的相位关系构成判据，按照判据原则实现线路故障与母线故障的判别。
具体步骤为：
第一步、线路线模电流的获取：当线路或母线发生故障时，通过量测端测得三相电流iA，iB，iC，并根据三相电流数据计算得到含故障相的线模电流；
第二步、初始行波到达时刻的确定：对步骤一中得到的含故障相的线模电流进行S变换，得到幅值矩阵，由S变换幅值矩阵中最高频率分量的突变点确定行波到达时刻；
第三步、辐角差的计算：根据步骤二中确定的行波到达时刻，求取最高频率分量在行波到达时刻的辐角，按照式(1)计算线路Li的线模电流与其余线路线模电流的辐角差θij：
其中，i，j为与母线相连的各线路，i＝1,2,…,h；j＝1,2,…,h；
第四步、根据线路故障线模电流高频分量在故障初瞬的相位关系，考虑各种不确定因素，留有30°的裕度，可构建母线保护中故障识别判据为：
若θij≤150°，i＝1,2,…,h，则判为母线故障；                     (2)
若θij>150°，对于i＝1,2,…,h均成立，则判为出线Li故障。     (3)
所述采样率为10kHz，取时窗为故障前后0.02s的线模电流采样值进行分析。
本发明的原理是：
一、线路线模电流的获取
当线路或母线发生故障时，提取故障后短时窗内的母线上各条线的三相电流数据iA，iB，iC，通过三相电流数据计算得到含故障相的线模电流。
二、线模电流S变换辐角检测
(1)S变换：S变换是一种可逆的局部时频分析方法。对信号进行S变换，信号的突变点包含的高频分量集中体现在S变换幅值矩阵频率较高的行中，且S变换辐角矩阵的各个元素隐含着信号在各频率、不同时刻的辐角信息。
(2)辐角检测：应用S变换幅值检测功能可以较准确的确定故障行波初始波头到达时刻；应用S变换辐角检测功能很容易实现对馈线故障电流高频暂态分量的辐角进行分析。对含故障相的线模电流进行S变换，得到幅值矩阵，由S变换幅值矩阵中最高频率分量的突变点确定行波到达时刻，根据确定的行波到达时刻，求取最高频率分量在行波到达时刻的辐角，按照式(1)计算线路Li的线模电流与其余线路线模电流的辐角差θij：
三、线路与母线故障的判别
根据线路故障线模电流高频分量在故障初瞬的相位关系，考虑各种不确定因素，留有30°的裕度，可构建母线保护中故障识别判据为
若θij≤150°，i＝1,2,…,h，则判为母线故障；                      (2)
若θij>150°，对于i＝1,2,…,h均成立，则判为出线Li故障。      (3)
其中，i，j为出线，i＝1,2,…,h；j＝1,2,…,h。
本发明的有益效果是：
(1)本方法对含故障相的线模电流进行S变换辐角检测，将各线路线模电流高频分量在故障初瞬的相位关系构成判据，实现线路故障与母线故障的判别，不但原理简单，而且可靠有效。
(2)本方法对采样率要求低，只需确定初始行波到达时刻而无需检测行波波头极性，不受负荷电流、电流互感器饱和及过渡电阻等影响。
附图说明
图1为仿真***图，母线上相连的各条出线长度L1＝L2＝L3＝L4＝400km；
图2为母线故障时各线路间辐角差的三维立体柱状图；
图3为线路L1故障时各线路间辐角差的三维立体柱状图；
图4为线路L2故障时各线路间辐角差的三维立体柱状图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。
实施例1：母线故障
以图1所示的输电***为例，其线路参数设置如下：***母线采用3/2接线，母线上相连的各条出线长度L1＝L2＝L3＝L4＝400km。故障设置：设置母线发生A相接地故障，故障初始相角为90°，过渡电阻为10Ω，采样率为10kHz，设置故障时间为0.4463s，采取时间区间为0.4453s到0.4473s内的故障三相电流。
1按照所设置的故障，根据说明书中步骤一通过量测端得到三相电流数据，并计算含故障相的线模电流数据；
2根据步骤二对含故障相的线模电流进行S变换，得到幅值矩阵，由S变换幅值矩阵中最高频率分量的突变点确定行波到达时刻；
3根据步骤二中确定的行波到达时刻，求取最高频率分量在行波到达时刻的辐角，通过计算可得母线故障时各线路线模电流突变点对应的幅角分别为：θ1＝180°，θ2＝180°，θ3＝180°，θ4＝180°。按步骤三计算线路Li的线模电流与其余线路线模电流的辐角差θij，得到各辐角差的三维立体柱状图如图2所示。
(4)根据步骤四中利用各线路故障线模电流高频分量在故障初瞬的相位关系，考虑各种不确定因素，留有30°的裕度，构建的母线保护故障识别判据，可知θij≤150°对于i＝1,2,…,h均成立，则判为母线故障。
实施例2：线路L1故障
以图1所示的输电***为例，其线路参数设置如下：***母线采用3/2接线，母线上相连的各条出线长度L1＝L2＝L3＝L4＝400km。故障设置：设置线路L1发生A相接地故障，故障初始相角为90°，过渡电阻为10Ω，采样率为10kHz，设置故障时间为0.4463s，采取时间区间为0.4453s到0.4473s内的故障三相电流。
(1)按照所设置的故障，根据说明书中步骤一通过量测端得到三相电流数据，并计算含故障相的线模电流数据；
(2)根据步骤二对含故障相的线模电流进行S变换，得到幅值矩阵，由S变换幅值矩阵中最高频率分量的突变点确定行波到达时刻；
(3)根据步骤二中确定的行波到达时刻，求取最高频率分量在行波到达时刻的辐角，通过计算可得母线故障时各线路线模电流突变点对应的幅角分别为：θ1＝180°，θ2＝180°，θ3＝180°，θ4＝180°。按步骤三计算线路Li的线模电流与其余线路线模电流的辐角差θij，得到各辐角差的三维立体柱状图如图3所示。
(4)根据步骤四中利用各线路故障线模电流高频分量在故障初瞬的相位关系，考虑各种不确定因素，留有30°的裕度，构建的母线保护故障识别判据，可知θij>150°对于i＝1成立，则判为线路L1故障。
实施例3：线路L2故障
以图1所示的输电***为例，其线路参数设置如下：***母线采用3/2接线，母线上相连的各条出线长度L1＝L2＝L3＝L4＝400km。故障设置：设置线路L2发生A相接地故障，故障初始相角为90°，过渡电阻为10Ω，采样率为10kHz，设置故障时间为0.4463s，采取时间区间为0.4453s到0.4473s内的故障三相电流。
(1)按照所设置的故障，根据说明书中步骤一通过量测端得到三相电流数据，并计算含故障相的线模电流数据；
(2)根据步骤二对含故障相的线模电流进行S变换，得到幅值矩阵，由S变换幅值矩阵中最高频率分量的突变点确定行波到达时刻；
(3)根据步骤二中确定的行波到达时刻，求取最高频率分量在行波到达时刻的辐角，通过计算可得母线故障时各线路线模电流突变点对应的幅角分别为：θ1＝180°，θ2＝180°，θ3＝180°，θ4＝180°。按步骤三计算线路Li的线模电流与其余线路线模电流的辐角差θij，得到各辐角差的三维立体柱状图如图4所示。
(4)根据步骤四中利用各线路故障线模电流高频分量在故障初瞬的相位关系，考虑各种不确定因素，留有30°的裕度，构建的母线保护故障识别判据，可知θij>150°对于i＝2成立，则判为线路L2故障。
上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (3)

1.一种基于线模电流S变换辐角检测的母线保护方法，其特征在于：当线路或母线发生故障时，提取故障后短时窗内的母线上各条线的三相电流数据，通过三相电流数据计算得到含故障相的线模电流；对线模电流进行S变换，求得其幅值矩阵，由S变换幅值矩阵中最高频率分量的突变点确定行波到达时刻并求取其对应辐角，计算线路线模电流与其余线路线模电流的辐角差，将各线路线模电流高频分量在故障初瞬的相位关系构成判据，按照判据原则实现线路故障与母线故障的判别。
2.根据权利要求1所述的基于线模电流S变换辐角检测的母线保护方法，其特征在于具体步骤为：
第一步、线路线模电流的获取：当线路或母线发生故障时，通过量测端测得三相电流iA，iB，iC，并根据三相电流数据计算得到含故障相的线模电流；
第二步、初始行波到达时刻的确定：对步骤一中得到的含故障相的线模电流进行S变换，得到幅值矩阵，由S变换幅值矩阵中最高频率分量的突变点确定行波到达时刻；
第三步、辐角差的计算：根据步骤二中确定的行波到达时刻，求取最高频率分量在行波到达时刻的辐角，按照式(1)计算线路Li的线模电流与其余线路线模电流的辐角差θij：
其中，i，j为与母线相连的各线路，i＝1,2,…,h；j＝1,2,…,h；
第四步、根据线路故障线模电流高频分量在故障初瞬的相位关系，考虑各种不确定因素，留有30°的裕度，可构建母线保护中故障识别判据为：
若θij≤150°，i＝1,2,…,h，则判为母线故障；   (2)
若θij>150°，对于i＝1,2,…,h均成立，则判为出线Li故障。   (3)
3.根据权利要求1所述的基于线模电流S变换辐角检测的母线保护方法，其特征在于：所述采样率为10kHz，取时窗为故障前后0.02s的线模电流采样值进行分析。
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