專利名稱：高壓線路高阻接地保護(hù)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種輸電線路高阻接地保護(hù)方法，特別是一種基于小波極性判別的高壓線路高阻接地保護(hù)方法。屬于繼電保護(hù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在110kV及以上的大接地電流系統(tǒng)中，單相接地短路占絕大多數(shù)(約90％以上)。在山區(qū)或森林地帶，由于絕緣子閃絡(luò)、雷擊等原因，會經(jīng)常引起不可見的單相高阻接地故障。此時，故障電流一般比較小，電壓降小，對負(fù)荷正常工作影響較小，從而增加了大電阻接地檢測的難度。高阻接地故障的存在可能會導(dǎo)致電力系統(tǒng)出現(xiàn)更嚴(yán)重故障。及時探測發(fā)現(xiàn)并消除這類故障，具有重要的作用。
經(jīng)文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，葉萍，陳德樹等人在《電力系統(tǒng)自動化》1994年第6期上發(fā)表“微機(jī)距離保護(hù)中幾種接地距離繼電器方案的分析比較”，該文提出目前的各種單相接地保護(hù)方案中，應(yīng)用廣泛的是線路零序過流及距離保護(hù)等。用電壓和電流比值構(gòu)成的距離保護(hù)其保護(hù)范圍基本上不受系統(tǒng)運(yùn)行方式的影響。并大多采用距離保護(hù)三段或四段式梯形延時特性，為了避免超越，I段保護(hù)范圍往往只有線路全長的80-85％。在兩端供電系統(tǒng)中，當(dāng)距離本側(cè)為線路全長的85-100％區(qū)內(nèi)發(fā)生故障時，因故障落在對側(cè)保護(hù)的I段范圍，其保護(hù)無延時跳閘；而對本側(cè)保護(hù)而言，屬于II段保護(hù)的動作范圍，保護(hù)常帶0.5s的延時跳閘。為了解決這個問題，提出了相繼速動方案，即利用發(fā)生在線路II段范圍內(nèi)的故障和對側(cè)跳閘后引發(fā)序電流的二次突變這一特點(diǎn)，判斷對側(cè)開關(guān)跳閘并加速跳開本側(cè)開關(guān)。此相繼速動判據(jù)的問題是在某些系統(tǒng)運(yùn)行方式下，無論是工頻負(fù)序電流還是工頻零序電流的突變量都相當(dāng)小，甚至為零，造成判斷靈敏度的不足。多年的實(shí)踐表明，較簡單的接地短路保護(hù)仍是反映零序電流、零序電壓和零序功率的保護(hù)。它們具有簡單、可靠，受系統(tǒng)運(yùn)行方式變化影響小，不受三相對稱的系統(tǒng)振蕩和短時過負(fù)荷的影響等優(yōu)點(diǎn)。但在實(shí)際應(yīng)用中，其保護(hù)效果受中性點(diǎn)的接地數(shù)目和分布影響較大，且當(dāng)線路很短或運(yùn)行方式變化很大時，也會出現(xiàn)靈敏度不夠的情況。此外，單相重合閘的廣泛應(yīng)用，使零序電流保護(hù)的實(shí)施變的更加復(fù)雜化。至于中性點(diǎn)不接地或經(jīng)高阻接地的系統(tǒng)，由于接地電容電流相對較小，迄今為止還沒有較為完善的保護(hù)方式。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種輸電線路高阻接地保護(hù)方法。通過對輸電線路電氣量的小波模極大值極性判別，提出高可靠性的單相接地故障檢測技術(shù)，并能取得高靈敏度，適合于單端或雙端電氣量的應(yīng)用。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明方法如下(1)利用小波函數(shù)作為分析工具；(2)采集母線三相電壓、線路三相電流及零序電壓、電流作為參考電量，電壓互感器和電流互感器接線形式采用標(biāo)準(zhǔn)接線；(3)采用三相電流及零序電流經(jīng)小波分析后的模極大值以或的形式作為啟動元件；(4)以線路電流或零序電流經(jīng)小波分析后的模極大值作為啟動元件；(5)根據(jù)線路相電流和零序電流經(jīng)小波分析后的模極大值特性是否一致尋找接地故障相；(6)以零序電流和電壓極性作為方向判別依據(jù)；(7)三相母線電壓模極大值作為抗干擾依據(jù)。
以下對本發(fā)明方法作進(jìn)一步的限定，具體內(nèi)容如下(1)單相接地保護(hù)用電量的采集本發(fā)明所需的電量包括母線三相電壓、線路三相電流及零序電壓、電流，為了實(shí)現(xiàn)保護(hù)方案的選擇性能，零序電壓、電流互感器接在線路側(cè)。由于零序分量比較小，因此對測試儀器的精度要求比較高，至少采用14位以上的采集板。
(2)零序方向元件相位的校正當(dāng)保護(hù)范圍內(nèi)部故障時，按通常規(guī)定的電壓、電流方向看，零序電流要超前零序電壓95°～110°(對應(yīng)于保護(hù)安裝地點(diǎn)背后的零序阻抗角為85°～70°的情況，實(shí)際角度主要由系統(tǒng)參數(shù)決定)，繼電器此時應(yīng)正確動作。根據(jù)這一特點(diǎn)，可以對零序電流作角度校正。一般說來，采用90°校正就基本能達(dá)到滿足本方法實(shí)現(xiàn)的要求。這樣，可以通過直接比較同一時刻零序電壓和零序電流的極性方向是否一致來識別故障方向。在零序阻抗角較小的情況下，當(dāng)能保證各電量小波幅值的順序一致性時，直接作極性比較。
在零序阻抗角較小的情況下，如果不采用相位校正，應(yīng)保證各電量小波幅值的順序一致性，此時也能滿足要求。
(3)啟動元件的選取采用三相線路電流和零序電流的小波變換以“或”方式啟動，保證靈敏性。
(4)輸電線路單相高阻接地故障的判別輸電線路發(fā)生單相接地故障時，故障相電流將發(fā)生變化，同時由于互感等因素的影響，非故障相電流也將發(fā)生改變，但主要表現(xiàn)為故障相電流的增大，包括幅值與相位的的變化。即使是經(jīng)高電阻接地，其幅值和相角也將有輕微變化。相應(yīng)地，也將產(chǎn)生零序電流。以A相發(fā)生接地為例，由于3I.0=I.A+I.B+I.C=ΔI.A,]]>因此，零序電流的變化趨勢將與故障相電流的故障分量變化趨勢基本相同，唯一的區(qū)別是故障相電流增量是零序電流的3倍。但它們幅值和相角的變換趨勢是一樣的。單獨(dú)利用零序電流和相電流增量的高阻接地保護(hù)方案將不具備選擇性。為了取得方案的選擇性，引入零序電壓和零序電流小波變換極性判別的方式。當(dāng)輸電線路發(fā)生單相接地故障時，零序電壓(故障分量電壓)將會產(chǎn)生零序電流，且零序電流從線路流入母線。當(dāng)發(fā)生外部單相接地短路故障，零序電流方向表現(xiàn)為流出母線。
由于小波變換每一尺度的局部模極大值濃縮了該尺度的主要信息，故由故障相的故障分量電流引起的突變信息將主要通過模極大值來體現(xiàn)，同樣零序電流的突變信息也通過模極大值體現(xiàn)。因此故障相電流和零序電流經(jīng)小波變換后，在小波變換1、2尺度的波形上，其相同時段的小波變換模極大值的符號(極性)、位置和個數(shù)相同，及兩個故障電流的小波變換模極大值是等同出現(xiàn)的。這是由于這些極大值對應(yīng)于故障電量的突變點(diǎn)。對故障相電流來說，當(dāng)去除正常分量的影響后，這些值即代表故障分量信息。采用小波函數(shù)對零序電壓波形進(jìn)行分析時，其模極大值也表現(xiàn)出這一相同特性。當(dāng)然由于零序電流與零序電壓存在一定的電勢角度差，必然對波形分析引起一定的影響，需要作校正才能取得電壓和電流模極大值的相同特性。另一方面，在線路外部故障時，零序電流和零序電壓各尺度的小波變換模極大值也表現(xiàn)出相同的特征，但經(jīng)校正后的零序電流模極大值只在位置和個數(shù)上相同，極性卻呈現(xiàn)相反的特性。利用這一特性，可以可靠地識別區(qū)內(nèi)外故障。
因此，本發(fā)明綜合利用線路三相電流、零序電壓及零序電流經(jīng)小波變換后的模極大值特性有效識別出輸電線路內(nèi)部是否發(fā)生單相高阻接地故障，即同一尺度上同一位置故障相電流、零序電流的模極大值同號則判為接地故障，判據(jù)采用相電流和零序電流小波變換模極大值極性相與的方式。再利用同一尺度上同一位置零序電壓、零序電流的模極大值同號則判為區(qū)內(nèi)故障，判據(jù)采用與零序電壓和零序電流小波變換模極大值極性相與的方式。
輸電線路單相高阻接地故障的判別方法如下①選取第2尺度的小波變換值作為提取特征，由于小波變換固有的濾波特性，能保證較高的抗干擾性能，較好地去除正常數(shù)據(jù)的影響，以確保識別的可靠性。
②以Ws.k(s＝1，2...，k＝1，2...)表示第s尺度的各局部模極大值，k表示模極大值點(diǎn)。例如W1.1～W1.3分別表示第1尺度上的模極大值點(diǎn)1～3。則各尺度上局部模極大值同號的識別方法可采用以下規(guī)則如果Wn.k-1＜Wn.k∩Wn.k+1＜Wn.k∩Wn.k＞0則Wn.k是正極大值，如果Wn.k-1＞W(wǎng)n.k∩Wn.k+1＞W(wǎng)n.k∩Wn.k＜0則Wn.k是負(fù)極大值，如果Wn.k.Iφ＞0∩Wn.k.I0＞0，則正同號，Wn.k.Iφ＜0∩Wn.k.I0＜0，則負(fù)同號其中，Wn.k.Iφ為相電流小波變換的局部極大值，Iφ代表IA，IB，IC三相電流，Wn.k.I0為零序電流小波變換的局部極大值。當(dāng)IA、I0或IB、I0或IC、I0小波變換的局部極大值連續(xù)超過n(n≥3)次同號時，即認(rèn)為A或B或C發(fā)生接地故障。
③方向的識別采用以下規(guī)則如果Wn.k-1＜Wn.k∩Wn.k+1＜Wn.k∩Wn.k＞0則Wn.k是正極大值，如果Wn.k-1＞W(wǎng)n.k∩Wn.k+1＞W(wǎng)n.k∩Wn.k＜0則Wn.k是負(fù)極大值，如果Wn.k.U0＞0∩Wnk.I0＞0，則正同號，Wn.k.U0＜0∩Wn.k.I0＜0，則負(fù)同號其中，Wn.k.U0為零序電壓小波變換的局部極大值，Wn.k.I0為零序電流小波變換的局部極大值。當(dāng)小波變換的局部極大值連續(xù)超過n(n≥3)次同號時，即認(rèn)為正方向接地故障。
(5)抗干擾本發(fā)明不受系統(tǒng)運(yùn)行方式的影響，系統(tǒng)運(yùn)行方式變化時，電壓和電流經(jīng)小波變換后主要表現(xiàn)為連續(xù)而平緩的波形。
另一方面，系統(tǒng)由于其它原因(如干擾)也可能引起電流產(chǎn)生突變。因此，引入三相母線電壓作為抗干擾依據(jù)。即三相線路電流和零序電流的小波變換以“或”方式并和三相母線電壓模極大值以“與”方式啟動判據(jù)。當(dāng)由于干擾導(dǎo)致線路電流突變時，母線電壓不一定會有突變，保證了可靠性。
本發(fā)明利用小波強(qiáng)大的檢測信號突變的能力，具有很高的靈敏度。以某一500kV線路100公里處單相經(jīng)300Ω電阻接地的計(jì)算表明，故障前后的母線電壓、線路電流幾乎沒有變化，以往的保護(hù)方案無法檢測到該接地故障，本發(fā)明能可靠檢測出這種輕微接地故障。
本發(fā)明具有實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著進(jìn)步，傳統(tǒng)的線路高阻接地保護(hù)方法由于原理上的缺陷及受裝置水平的影響，靈敏度較低，很難滿足輸電線路對接地保護(hù)的靈敏度要求。本發(fā)明提出的方法利用小波直接對線路電流、母線電壓進(jìn)行分析，能可靠識別輸電線路高阻接地故障，并具有選擇性。計(jì)算結(jié)果和動模實(shí)驗(yàn)還表明，本發(fā)明在各種運(yùn)行方式下均能取得很高的保護(hù)靈敏度和可靠性，是一種較佳的具有線路高阻接地檢測能力的保護(hù)方法。
具體實(shí)施例方式
結(jié)合本發(fā)明方法的內(nèi)容提供以下實(shí)施例本發(fā)明方法在一條220kV線路作了大量離線實(shí)驗(yàn)。短路前，發(fā)電機(jī)為額定運(yùn)行，勵磁電流1.55A，輸出功率12kW，功率因數(shù)0.8，額定相電壓幅值115V，經(jīng)升壓變后為800V，接于120公里220kV模擬線路。整個實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行了各種條件的大量計(jì)算和分析，實(shí)驗(yàn)采用中國電力科學(xué)研究院研制的DF1024便攜式波形記錄儀錄取故障波形和數(shù)據(jù)，根據(jù)故障數(shù)據(jù)對各方案進(jìn)行離線計(jì)算和驗(yàn)證。表1是各短路點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，這個結(jié)果表明，本發(fā)明在各種短路情況下的保護(hù)靈敏度不低于500Ω，在系統(tǒng)突然嚴(yán)重振蕩情況下能夠可靠不誤動，在線路外部單相短路時也能夠可靠不誤動。
表1保護(hù)方案的動模實(shí)驗(yàn)結(jié)果

√表示保護(hù)動作，×表示保護(hù)不動作表2是一500kV線路各短路點(diǎn)的仿真結(jié)果，線路總長300公里。這個結(jié)果表明，本發(fā)明在各種短路情況下的保護(hù)靈敏度不低于300Ω，在系統(tǒng)突然嚴(yán)重振蕩情況下能夠可靠不誤動，在線路外部單相短路時也能夠可靠不誤動。表1、2說明，本發(fā)明在各種運(yùn)行方式下均能取得很高的保護(hù)靈敏度和可靠性，在系統(tǒng)運(yùn)行方式劇烈變化和外部故障情況下能可靠不誤動，具有較好的選擇性，適用于各電壓等級線路高阻接地故障的判別。
表1保護(hù)方案的動模實(shí)驗(yàn)結(jié)果

√表示保護(hù)動作，×表示保護(hù)不動作
權(quán)利要求
1.一種高壓線路高阻接地保護(hù)方法，其特征在于，方法如下(1)利用小波函數(shù)作為分析工具；(2)采集母線三相電壓、線路三相電流及零序電壓、電流作為參考電量，電壓互感器和電流互感器接線形式采用標(biāo)準(zhǔn)接線；(3)采用三相電流及零序電流經(jīng)小波分析后的模極大值以或的形式作為啟動元件；(4)以線路電流或零序電流經(jīng)小波分析后的模極大值作為啟動元件；(5)根據(jù)線路相電流和零序電流經(jīng)小波分析后的模極大值特性是否一致尋找接地故障相；(6)以零序電流和電壓極性作為方向判別依據(jù)；(7)三相母線電壓模極大值作為抗干擾依據(jù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高壓線路高阻接地保護(hù)方法，其特征是，以下對方法所作的進(jìn)一步限定(1)高阻接地保護(hù)用電量的采集；(2)零序方向元件相位的校正；(3)啟動元件的選取；(4)抗干擾措施；(5)輸電線路單相高阻接地故障的判別。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高壓線路高阻接地保護(hù)方法，其特征是，所述的(1)高阻接地保護(hù)用電量的采集具體如下所需的電量包括母線三相電壓、線路三相電流及零序電壓、電流，零序電壓、電流互感器接在線路側(cè)，至少采用14位以上的采集板。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高壓線路高阻接地保護(hù)方法，其特征是，所述的(2)零序方向元件相位的校正具體如下當(dāng)保護(hù)范圍內(nèi)部故障時，按通常規(guī)定的電壓、電流方向看，零序電流要超前零序電壓95°～110°，繼電器此時正確動作，采用90°校正，通過直接比較同一時刻零序電壓和零序電流的極性方向是否一致來識別故障方向，在零序阻抗角較小的情況下，當(dāng)能保證各電量小波幅值的順序一致性時，直接作極性比較。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高壓線路高阻接地保護(hù)方法，其特征是，所述的(3)啟動元件的選取具體如下采用三相線路電流和零序電流的小波變換以“或”方式啟動。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高壓線路高阻接地保護(hù)方法，其特征是，所述的(4)抗干擾措施的判別具體如下采用母線三相電壓小波變換判別的方式，當(dāng)由于干擾導(dǎo)致線路電流出現(xiàn)突變時，三相線路電流和零序電流的小波變換以“或”方式并和三相母線電壓模極大值以“與”方式啟動判據(jù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求2或6所述的高壓線路高阻接地保護(hù)方法，其特征是，輸電線路發(fā)生單相高阻接地故障的判別方法如下①選取第2尺度的小波變換值作為提取特征；②以Ws.k表示第s尺度的各局部模極大值，k表示模極大值點(diǎn)，s＝1，2...，k＝1，2...，則各尺度上局部模極大值同號的識別方法采用以下規(guī)則如果Wn.k-1＜Wn.k∩Wn.k+1＜Wn.k∩Wn.k＞0則Wn.k是正極大值，如果Wn.k-1＞W(wǎng)n.k∩Wn.k+1＞W(wǎng)n.k∩Wn.k＜0則Wn.k是負(fù)極大值，如果Wn.k.Iφ＞0∩Wn.k.I0＞0，則正同號，Wn.k.Iφ＜0∩Wn.k.I0＜0，則負(fù)同號其中，Wn.k.Iφ為相電流小波變換的局部極大值，其中，Iφ代表IA，IB，IC三相電流，Wn.k.I0為零序電流小波變換的局部極大值，當(dāng)IA、I0或IB、I0或IC、I0小波變換的局部極大值連續(xù)超過n次同號時，n≥3，即認(rèn)為A或B或C發(fā)生接地故障；③方向的識別采用以下規(guī)則如果Wn.k-1＜Wn.k∩Wn.k+1＜Wn.k∩Wn.k＞0則Wn.k是正極大值，如果Wn.k-1＞W(wǎng)n.k∩Wn.k+1＞W(wǎng)n.k∩Wn.k＜0則Wn.k是負(fù)極大值，如果Wn.k.U0＞0∩Wn.k.I0＞0，則正同號，Wn.k.U0＜0∩Wn.k.I0＜0，則負(fù)同號其中，Wn.k.U0為零序電壓小波變換的局部極大值，Wn.k.I0為零序電流小波變換的局部極大值，當(dāng)小波變換的局部極大值連續(xù)超過n次同號時，n≥3，即認(rèn)為正方向接地故障。
全文摘要
一種高壓線路高阻接地保護(hù)方法，屬于繼電保護(hù)領(lǐng)域。方法如下利用小波函數(shù)作為分析工具；采集母線三相電壓、線路三相電流及零序電壓、電流作為參考電量，電壓互感器和電流互感器接線形式采用標(biāo)準(zhǔn)接線；采用三相電流及零序電流經(jīng)小波分析后的模極大值以或的形式作為啟動元件；以線路電流或零序電流經(jīng)小波分析后的模極大值作為啟動元件；三相母線電壓模極大值作為抗干擾依據(jù)；根據(jù)線路相電流和零序電流經(jīng)小波分析后的模極大值特性是否一致尋找接地故障相；以零序電流和電壓極性作為方向判別依據(jù)。本發(fā)明能有效識別出輸電線路內(nèi)部是否發(fā)生單相高阻接地故障，具有方向性，并利用母線電壓作為抗干擾依據(jù)，具有較高保護(hù)靈敏度和可靠性。
文檔編號H02H3/16GK1556569SQ20031010987
公開日2004年12月22日 申請日期2003年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月30日
發(fā)明者邰能靈, 吳宏曉, 林韓, 陳金祥 申請人:上海交通大學(xué)