（电气工程专业论文）基于故障暂态分量的高压输电线路继电保护方法研究.pdf

r e s e a r c ho f h i g h - v o l t a g et r a n s m i s s i o nl i n er e l a y i n gb a s e do nt h e f a u l tt r a n s i e n tc o m p o n e n t s b y y a n g s h u a i x i o n g b e ( h u n a nu n i v e r s i t y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no f t h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g i n t h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a n u n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rh u a n gc h u n a p r i l ，2 0 1 1 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：日期：山卅f 年月函日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囹。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名 导师签名 日期：山训年歹月如日 e l 期：争刑年岁月c ) 1 日 基于故障暂态分量的高压输电线路继电保护方法研究 摘要 超特高压输电线路是我国坚强智能电网的重要组成部分。输电线路暂态保 护不受过渡电阻、电流互感器饱和、系统振荡和长输电线分布电容等影响，动作 速度快，在高压输电线路继电保护中有着广阔的应用前景。 本文研究基于故障暂态分量的高压输电线路继电保护方法和适合输电线路 故障信号频谱特点的录波数据实用压缩方法。 首先，对超特高压输电线路故障过程中暂态分量的产生原因、传播时延和 故障电流的大小进行了分析，阐述了检测提取暂态信号的常用算法的基本原理， 重点介绍了小波多分辨率分析理论及d b 系列小波。 其次，讨论了电流差动保护的几种判据，分析了故障暂态信号的小波分解系 数在暂态保护中的应用，研究了故障暂态信号小波分解的细节系数作为保护判据 初始量的优势，结合差动原理及能量谱，构造了基于两侧故障电流暂态信号的窗 口能量谱的新判据，以达到高压输电线路保护速动性和可靠性的要求。 运用m a t l a b 软件对5 0 0 k v 高压输电线路短路故障进行建模和仿真，得到各 种故障情形下故障暂态电流信号：用d b 6 小波对故障信号进行离散小波变换 ( d i s c r e t ew a v e l e tt r a n s f o r m ，d w t ) 多尺度分解，获得d 4 细节系数，计算判据的 动作量和制动量，分析其在各种故障情形不同故障参数时的动作情况。仿真结果 表明，本文所提出的判据能够更快速动作，更好地适应系统故障状态的变化。 故障分析是提高输电线路继电保护运行和管理水平的另一重要手段。为改善 输电线路故障录波数据的存储和传输效率，提出了一种新的输电线路故障录波数 据压缩实用方法。该方法针对录波数据中故障通道与非故障通道中信号频谱特征 的不同，分别采用快速傅里叶变换和小波变换压缩非故障通道和故障通道故障录 波数据，并采用加窗的离散傅里叶变换( d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m ，d f t ) 频谱校 正方法提高电网频率偏移时非故障通道的数据压缩率。m a t l a b 仿真结果表明， 这种分通道分时段压缩算法的压缩性能优良，可显著减小录波数据存储空间和通 信传输时间。 关键字：暂态保护；离散小波变换( d w t ) ；能量谱；差动保护；快速傅里叶变换 ( f f t ) ；数据压缩 i i 硕士学位论文 a b s t r a c t e h v u h vt r a n s m i s s i o nl i n ep l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei ns t r o n gs m a r tg r i di n c h i n a t h et r a n s i e n tb a s e dp r o t e c t i o no ft r a n s m i s s i o nl i n e sh a st h eu n i q u ea d v a n t a g e o ff a s to p e r a t i o na n di m m u n i t yt op r o b l e m ss u c ha sf a u l tr e s i s t a n c e ，c u r r e n t t r a n s f o r m e rs a t u r a t i o n ，s y s t e mo s c i l l a t i o na n dl i n ed i s t r i b u t e dc a p a c i t a n c ee t c s o ， t h et r a n s i e n tb a s e dp r o t e c t i o nh a sb r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c t si nh i g h v o l t a g e t r a n s m i s s i o nl i n er e l a y i n g t h i s p a p e rs t u d i e s t h eh i g h - v o l t a g et r a n s m i s s i o nl i n er e l a y i n gb a s e do n t r a n s i e n tf a u l tc o m p o n e n ta n dc o m p r e s s i o ns c h e m eo fr e c o r d i n gd a t aw h i c hi s s u i t a b l ef o rt h ef r e q u e n c ys p e c t r u m sc h a r a c t e r i s t i c so ft r a n s m i s s i o nl i n e f a u l t s i g n a l s f i r s to fa l l ，t h i sp a p e ra n a l y z e st h ec a u s ea n dp r o p a g a t i o nd e l a yo ff a u l t t r a n s i e n tc o m p o n e n ta n dt h es i z eo ft h ef a u l tc u r r e n t t h ef u n d a m e n t a lp r i n c i p l eo f c o m m o n l yu s e da l g o r i t h m s f o rd e t e c t i n ga n de x t r a c t i n gt r a n s i e n ts i g n a l sa r e e x p o u n d e d m u c he m p h a s i sh a sb e e np l a c e do nt h ei n t r o d u c t i o na b o u tt h ew a v e l e t m u l t i r e s o l u t i o na n dw a v e l e to fd bw a v e l e ts e r i e s s e c o n d l y , s e v e r a l c r i t e r i o n so fc u r r e n td i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o na n dt h e a p p l i c a t i o no ft r a n s i e n ts i g n a lw a v e l e tc o e f f i c i e n t si nt r a n s i e n tb a s e dr e l a y i n g a r e d i s c u s s e d ，t h ea d v a n t a g eo fw a v e l e td e t a i l c o e f f i c i e n t sw h i c ha r e a p p l i e d t o t r a n s m i s s i o nl i n e r e l a y i n g i s s t u d i e d c o m b i n i n g w i t ht h ec u r r e n td i f f e r e n t i a l p r i n c i p l e ，an o v e lr e l a y i n gs c h e m eb a s e do nt h et r a n s i e n te n e r g yi nt h ef a u l tc u r r e n t s i g n a l si sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r ，w h i c hi sa d a p t e dt ot h eq u i c ka n dr e l i a b i l i t y r e q u i r e m e n t so fh i g h - v o l t a g et r a n s m i s s i o nl i n er e l a y i n g t h e5 0 0 k vt r a n s m i s s i o ni i n em o d e li se s t a b l i s h e dt oe m u l a t et r a n s m i s s i o nl i n e f a u l ti nm a t l a b ，a l lk i n d so ff a u l tt r a n s i e n tc u r r e n ts i g n a lu n d e rv a r i o u sf a u l t c o n d i t i o n sa r eo b t a i n e d t h ed b 6w a v e l e ti su s e dt od e c o m p o s es i g n a l sb yd i s c r e t e w a v e l e tt r a n s f o r m ( d w t ) m u l t i - s c a l ed e c o m p o s i t i o n ，d 4d e t a i lc o e f f i c i e n t sa r e o b t a i n e dt oc a l c u l a t et h eo p e r a t i n gs i g n a la n dr e s t r a i n i n go n e t h eo p e r a t i n g s i t u a t i o nu n d e rv a r i o u sf a u l tc o n d i t i o n si sa n a l y z e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t t h ec r i t e r i o nt h a tp r e s e n t e di nt h i sp a p e rc a nb eb e t t e ra d a p t e dt ot h ev a r i a t i o no f f a u l tc o n d i t i o n s f a u l ta n a l y s i si sa n o t h e ri m p o r t a n tm e a n st oi m p r o v et h el e v e lo fo p e r a t i o na n d i i i 基于故障暂态分量的高压输电线路继电保护方法研究 m a n a g e m e n ti nt r a n s m i s s i o nl i n er e l a y i n g t oi m p r o v et h ee f f i c i e n c yo ft r a n s m i s s i o n l i n ef a u l tr e c o r d i n gd a t a ss t o r a g ea n dt r a n s m i s s i o n ，an e wu t i l i t ym e t h o df o rf a u l t r e c o r d i n gd a t ac o m p r e s s i o ni sp r o p o s e d i nt h i sm e t h o d ，f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ( f f t ) a n dw a v e l e tt r a n s f o r ma r ee m p l o y e dt or e s p e c t i v e l yc o m p r e s st h ef a u l tc h a n n e l r e c o r d i n gd a t aa n dn o n - f a u l tc h a n n e lr e c o r d i n gd a t ab e c a u s eo ft h ed i f f e r e n c eo f s p e c t r u mc h a r a c t e r i s t i c sb e t w e e nt h ef a u l tc h a n n e lr e c o r d i n gd a t aa n dn o n - f a u l t c h a n n e lr e c o r d i n gd a t a i nt h ec a s eo ff r e q u e n c yo f f s e ti np o w e rs y s t e m ，aw i n d o w e d d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m ( d f t ) a l g o r i t h mi su s e dt oe n h a n c et h ec o m p r e s s i o nr a t i o o fn o n f a u l tc h a n n e lr e c o r d i n gd a t a m a t l a bs i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h i s s u b - c h a n n e la n ds u b t i m ec o m p r e s s i o na l g o r i t h mc a no b t a i ne x c e l l e n tc o m p r e s s i o n p e r f o r m a n c e ，s i g n i f i c a n t l yr e d u c et h es t o r a g es p a c ea n dc o m m u n i c a t i o nt r a n s m i s s i o n t i m eo fr e c o r d i n gf i l e s k e yw o r d s ：t r a n s i e n tb a s e dp r o t e c t i o n ；d i s c r e t ew a v e l e tt r a n s f o r m ( d w t ) ；e n e r g y s p e c t r u m ；d i f f e r e n t i a lr e l a y i n g ；f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ( f f t ) ；d a t ac o m p r e s s i o n i v 硕士学位论文 目录 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书i 摘要i i a b s t r a c t ：i i i 第1 章绪论1 1 1 选题背景及意义1 1 2 国内外研究现状综述2 1 2 1 行波保护2 1 2 2 暂态故障分量保护：一3 1 2 3 数据压缩的研究现状4 1 3 本文完成的工作5 第2 章输电线路故障暂态过程分析及检测方法6 2 1 输电线路故障暂态分析6 2 1 1 输电线路故障暂态过程分析6 2 1 2 串补电容对暂态过程的影响8 2 2 输电线路故障暂态分量检测方法9 2 2 1 基于数学形态学的暂态信号检测9 2 2 2 希尔伯特黄变换在暂态信号处理中的应用1 1 2 2 3 小波分析理论1 3 2 3 本章小结16 第3 章基于d w t 暂态能量谱的输电线路差动保护1 7 3 1 保护判据的提出1 7 3 1 1 区内外故障时两端电流1 8 3 1 2 故障暂态电流的小波分解2 0 3 1 3 保护判据的形成2 2 3 2 仿真验证2 3 3 2 1 仿真模型2 3 3 2 2 仿真验证2 5 3 3 本章小结3 0 第4 章故障录波数据实用压缩方法3 1 4 1 故障录波数据特点。3 1 4 2 故障录波数据压缩方案3 2 v 基于故障暂态分量的高压输电线路继电保护方法研究 4 2 1f f t 压缩方法3 2 4 2 2 小波变换压缩方法3 3 4 2 3 录波数据压缩方案3 3 4 3 压缩效果的评价标准3 4 4 4 压缩方案实现中的关键技术3 5 4 4 1d f t 频率校正及压缩方法3 5 4 4 2 小波分解结构及最佳分解层数3 7 4 4 3 数据压缩阈值的确定3 8 4 5 仿真及压缩实例3 9 4 5 1f f t 和小波压缩的选择判断3 9 4 5 2 频率偏移对f f t 压缩的影响4 0 4 5 3 频率校正f f t 压缩一4 1 4 5 4 录波数据整体压缩性能4 3 4 6 本章小结4 4 结论与展望4 5 参考文献4 7 致j 射51 附录a 攻读学位期间发表的学术论文目录5 2 v i 6 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 选题背景及意义 随着现代社会电力系统规模的不断扩大，大容量发电机组和超高压输电系统 的相继投入运行，电力系统出现了许多新的情况，如输电距离增大、负荷加重、 故障暂态过程中的暂态分量大大增加等，系统的运行方式和故障状态越来越复 杂，系统运行需要更高的可靠性、安全性和稳定性。减小输电线路继电保护的动 作时间是增大输电线传输容量和提高电力系统稳定性的简单有效措施之一。超高 压电力系统中，在保证系统的暂态稳定性时，要求无论什么故障情况系统都不能 振荡失步，高压线路保护的动作时间应为2 0 - - 4 0 m s 1 1 。因此，探索新的快速可 靠的保护原理，提高输电线路保护的速动性和可靠性，是继电保护领域一个新的 课题，直接影响着电力系统的安全经济运行。 实际上，电力系统继电保护大部分是通过提取被保护对象的故障特征，对其 进行分析、处理，以实现对被保护对象故障类型的识别。以何种工具进行提取、 提取何种故障特征信号、用何种理论分析决定了继电保护的不同原理及性能差 异。传统的基于工频量的继电保护提取工频故障信号，以工频稳态分量作为继电 保护的启动、动作判据。然而工频稳态信号和非工频暂态信号是同时存在的，工 频稳态分量的获得会有一定的延时，这给高压输电线路保护实现速动带来了困 难。事实上，故障发生时刻会产生大量的高频暂态信息，对于超高压输电线路来 说，非工频暂态分量的产生原因是很多的，行波的色散、行波的折射和反射、电 弧的熄灭及重燃以及串补电容韵应用等都可能产生明显的暂态分量。这些暂态信 号中包含有丰富的故障信息，如故障位置、类型、方向、程度、存在时间等。信 号处理技术的不断发展以及不断出现的各种暂态信号的处理和识别手段，为探索 新型的基于暂态分量的超快速保护提供了有力的工具，新一代的电力系统继电保 护思想随之诞生，这就是暂态保护一基于检测故障所产生的高频暂态量的输电线 路保护。 输电线路故障分析是提高输电线路继电保护运行和管理水平的另一重要手 段；故障分析的主要依据是电力故障录波数据。录波数据文件记录了输电线路短 路故障、电压崩溃、系统振荡等大扰动引起的系统电流、电压及其导出量，如有 功、无功及系统频率的全程变化现象，在故障分析、保护动作行为分析和评价、 事故调查中发挥着重要的作用【2 】。 基于故障暂态分量的高压输电线路继电保护方法研究 由于故障暂态信号是一非平稳信号，覆盖的频谱较宽，因此录波装置的采样 率较高，通常达k h z 级，从而得到海量的录波数据，使录波数据的实时传输面 临传送量大、传输时延长的问题，解决此问题的方法就是对故障录波数据进行压 缩，这样，一方面大大减少了网络传输的流量，增强了网络通信的能力，同时也 能起到数据加密的作用；另一方面减少了数据存储的空间，节省了巨量数据存储 的成本。 本文研究基于故障暂态分量的输电线路继电保护方法，以及输电线路故障录 波文件的数据压缩方法，旨在有益于改善输电线路继电保护装置性能和提高输电 线路故障分析水平。 1 2 国内外研究现状综述 1 2 1 行波保护 行波保护是最早的反映故障暂态分量的保护。目前行波保护按照保护原理大 致可以划分为三大类：行波差动保护、行波方向保护、行波距离保护。 ( 1 ) 行波差动保护。行波差动保护是通过对线路两侧的电压行波或电流行波 进行幅值或极性比较，判断故障发生在保护区内还是区外。行波差动保护使用比 较完整的故障行波信息，动作迅速，但传送电流行波的波形需要信号通道，因而 对信号通道的要求比较高，而且必须考虑线路双侧的时间同步问题以及行波的色 散问题；行波极性比较式保护只需传送电流行波的极性特征，原理简单，但初始 电流行波易受反射波、故障初始角的影响。近年来随着小波变换、数学形态学等 数学工具的引入，故障暂态信息中的行波信息的准确提取更为方便，这两种保护 算法能很简单的实现【3 巧j 。 ( 2 ) 行波方向保护。方向元件是方向保护的核心装置，其识别故障方向的基 本思想是：在线路的两侧，对行波的幅值、极性中所含有的故障方向信息进行比 较，然后通过通道传递线路对端的方向比较结果，以此来判断区内、外故障。文 献 6 】提出了一种利用正、反方向行波积分比较的新型比率式行波纵联方向保护， 该保护能可靠、快速、高灵敏的判别区内、外故障，不受母线结构、故障初始角、 平行双回线路一回发生故障等的影响，但是该保护需要设置专门的选相环节。 ( 3 ) 行波距离保护。距离保护的基本思想是：故障发生后，检测出初始前行 波时刻和自故障点反射回的首个反行波到达保护安装处的时刻的时间差f ，然 后计算故障发生点与保护安装处的距离d - v , t 2 ( 其中v 为波速) ，比较d 与被 保护线路长度三，若线路正向故障且d l 则为区内故障；否则为区外故障。距 离保护的关键在于精确的识别首个反行波和确定其到达时刻，早期采用的相关法 2 硕士学位论文 p j 误差大，计算精度不高；文献【8 】对上述问题提出了一些改进措施。此外，针对 近距离和小故障初始角对保护的影响，引入传统阻抗型距离保护1 9 1 ，以增强可靠 性；为了进一步提高算法的精确度，相继出现了小波变换【1 0 】、最大似然估计、 频谱和对数频谱分析等信号分析方法。由于距离保护只需单端的电气量，其动作 速度快，实现简单，还兼具故障测距功能。但是对对端母线的反射波、故障点反 射波和背侧母线透射波的准确识别方面仍存在很大的困难。此外，行波距离保护 无法精确地识别保护线路末端和下一级线路出口的故障，而且受线路两端母线结 构影响较大。 行波保护具有响应速度快、方向性好、不受系统振荡和电流互感器饱和的影 响等优点，但是它并没能成为标志性的新一代保护，主要原因在于其保护原理的 可靠性问题。主要体现在：1 ) 行波信号具有不确定性，其波头特征、幅值等与系 统结构、故障条件相关，保护整定难以同时兼顾安全性与灵敏性；2 ) 数学分析方 法的局限性；3 ) 行波衰减和畸变的影响；4 ) 难以识别由于雷电、网络操作、谐波 等影响产生的行波与故障产生暂态行波的区别，使得保护的抗干扰能力较差。 1 2 2 暂态故障分量保护 传统的行波保护所利用的电气量实际上是工频变化量和初始行波高频分量 的叠加，而基于暂态故障分量的保护才是严格意义上的暂态保护。二十世纪6 0 年代末期，l n w a l k e r 等研究者已经提出通过检测故障暂态高频分量实现距离保 护l l 。直到8 0 年代，人们对故障高频暂态量有了更深刻的认识，才开始提出将 故障高频暂态量用于故障检测，并探索怎样利用故障暂态量的高频分量来构成新 的继电保护。目前，对于暂态保护的研究可以分为以下几个方面： ( 1 ) 故障暂态分量的提取、分析工具。文献【1 2 1 从数学形态学变换理论和暂 态保护的基础理论入手，在分析多尺度形态分解的基础上提出了一种基于多形态 分辨梯度的暂态信号高频能量的检测方法。通过合理设计多分辨形态梯度的一系 列结构元素，可以很好的检测提取暂态信号的上升沿和下降沿。对于信号高频含 量的不同，多分辨形态梯度的分析结果能对应不同的输出。而且该文献在对各模 分量运用数学形态梯度变换进行处理后，根据处理结果总结了故障相的判定方 法。文献 1 3 1 利用希尔伯特一黄变换( h i l b e r t h u a n gt r a n s f o r m ，h h t ) 分析了实际 输电线路的故障信息，得出h h t 边际谱图形。文献中的仿真结果表明h h t 边际 谱可以精确的表现电力系统故障信号的能量随频率的分布情况，能够有效的提取 暂态信号高频分量的故障特征。小波变换是分析非平稳变化或具有奇异性突变的 信号的最有效方法，它是傅里叶变换、泛函分析、调和分析、样条分析和数值分 析的最完美结晶，具有良好的时频局部化特性，可以分别描述暂态信号的时间特 基于故障暂态分量的高压输电线路继电保护方法研究 征和频率特征，充分、准确的提取故障暂态分量中的故障信息【1 4 。1 9 】。 ( 2 ) 保护原理。1 9 9 8 年z q b o 提出利用故障电流电弧噪声的单端暂态量保 护，其保护原理【2 0 之1 】来源于母线对地杂散电容对故障高频电流信号的衰减作用， 即区外故障的故障电流电弧噪声在经过母线后会大量衰减，但区内故障的电流噪 声由于不经过母线而几乎不会衰减；文献 2 2 2 5 】中提出了线路边界保护的概念 ( 线路边界即变电站内的阻波器和母线对地等效电容) ，认为线路边界的频率特 性是故障暂态量能够区分保护区内外故障的直接原因，理论性的分析研究了输电 系统( 包括母线对地等效电容、输电线路、阻波器) 在频域特性上的投射系数和 反射系数，在此基础上，初步的探索了构成暂态量保护的实用算法弘b 2 7 】。小波 分析工具的引入，有效的改进和实现了暂态量保护算法。文献【1 4 】提出了基于暂 态信号小波变换的超高压( e h v ) 输电线路方向保护，该方法通过对故障后暂态电 压、电流作小波变换后输出波形相似程度的不同构成方向判据，能够实现输电线 路正、反方向故障的准确、快速识别；电力系统区外故障时，由于输电线路杂散 电容、结合设备以及阻波器的影响，其高频分量在穿越线路边界后会较大地衰减， 与区内故障所包含的高频分量存在很大的差异，从而可以利用区内外高频率段能 量成分的不同构成判据，进而判断故障类型【i3 】；文献【l7 】计算故障暂态电流模 分量的小波能谱熵比值，根据其大小来判断是否区内故障。 总之，现今对基于暂态故障分量的超高速保护的研究呈现出良好的发展态 势，不仅因暂态保护本身具有许多优势，更是当前电力系统的快速发展的迫切需 要。当今计算机技术、人工智能技术和信息处理技术的飞速发展也为暂态保护的 研究及其应用提供了保证。 1 2 3 数据压缩的研究现状 随着高速信息处理硬件技术的飞速发展，解决海量信息存储和传输问题的数 据压缩技术研究也取得了显著的成果，不过主要集中在数字图像处理、语音信号 的分析等研究领域，而电力系统中的应用相对较少。 电力系统测量数据能够进行压缩主要是因为：( 1 ) 变换域的能量集中特性；( 2 ) 工程计算允许一定的误差；( 3 ) 编码数据间的相关性。目前国外有些公司已经采 用数据压缩技术来提高录波数据的存储和数据远传的效率。例如西门子公司推出 的智能化录波器s i m e a sr 采用公司的专利压缩技术，能使压缩比高达2 5 f 2 8 】。 国内的学者也对录波数据的压缩算法做了一些研究工作。文献 2 9 】分析了各尺度 上小波系数记忆点的匹配搜索过程和最大尺度层数自适应阈值选取方法，通过故 障录波信号频率与采样率的关系提出了小波最优分解层数的确定公式；文献【3 0 首先用g h m 多小波变换对数据分解，对高频系数采用嵌入式多小波零树编码和 游程编码相结合的算法进行压缩，而对于低频系数则采用h u f f m a n 无损压缩方 4 硕士学位论文 法；文献【3 1 】改用基于提升格式的线性整数变换小波双正交滤波器组合对录波数 据进行处理；文献【3 2 】讨论和比较了小波变换的不同预处理方法对数据压缩的影 响；文献 3 3 】区分正常数据和故障数据，对故障数据进行自适应小波压缩，而非 故障数据则先进行c l a r k 变换后进行自适应小波压缩。上述文献说明：小波变换 应用于数据压缩具有很大的优势，这是因为小波分析良好的时域局部化能力以及 多尺度分辨分析能力特别适用于对故障信号的分析和处理，使得数据压缩比得到 了很大的提高，且能精确的重构原始信号。 1 3 本文完成的工作 ( 1 ) 分析了输电线路故障暂态过程以及串补电容的影响，介绍了目前检测暂 态分量的三种方法：多尺度形态学分解、经验模态分解( e m d ) 和小波多尺度分解。 小波多尺度分解是理论成熟的最常见分解算法。 ( 2 ) 阐述了电流差动保护原理以及现有的几种判据，指出了这几种判据的动 作量和制动量大小及其关系；介绍了一种利用小波分解细节系数的暂态保护，引 入考虑衰减因素的能量谱概念。在此基础上，结合差动原理和能量谱，提出了。 种基于暂态信号d w t 分解系数能量谱的保护判据。 ( 3 ) 以m a t l a b 中三相串联电容补偿模型为仿真模型，仿真验证了新保护判据 的性能。该保护在区内故障时拥有高动作量低制动量，而区外故障时则相反；对 于不同的区内故障类型，故障相都会出现较大的动作量值突变，制动量则几乎为 零，据此可以判断故障类型、完成故障选相；故障电压初始角和故障地点对该保 护的影响甚微；故障过渡电阻的变化对该保护的动作灵敏度会有较大影响，故障 过渡电阻越大，动作灵敏度越小。 ( 4 ) 详细阐述了故障录波数据的记录时段及数据格式，强调了故障录波数据 压缩的重要性。结合f f t 算法和小波压缩技术，实现对故障录波数据的分通道 分时段压缩。对于电力系统正常运行数据选择f f t 压缩，对于故障暂态数据则 采用小波压缩，实现中考虑了电力系统频率偏移对算法的影响。对算法的压缩性 能进行了充分的仿真验证，分析了算法的实用前景。 5 基于故障暂态分量的高压输电线路继电保护方法研究 第2 章输电线路故障暂态过程分析及检测方法 当今电力系统规模日益扩大，输电线路电压等级越来越高，特高压远距离输 电线路的建设和发展越来越快，对输电线路故障保护的快速可靠性要求越来越严 格。而电力系统继电保护技术的发展有赖于对故障机理认识水平的不断提高，只 有对故障后暂态过程中各电气量的变化规律进行定性和定量的分析，才能实现对 现有保护方案的改进，提出新的保护原理。 2 1 输电线路故障暂态分析 2 1 1 输电线路故障暂态过程分析 超高压输电线路发生区内故障时，根据叠加原理，可以将故障状态网络分为 非故障状态和故障附加状态【3 4 】。非故障状态是多样的，比如系统正常运行、非 全相运行、系统振荡等。图2 1 ( b ) 表示线路故障点k 在故障的瞬间施加了一个附 加电源仉，由此形成故障初始电流沿着线路流向两端母线的电流互感器。 i工 a ) 超高压输电线路系统图 mn b ) 输电线路故障附加网络 图2 1 高压输电线路系统及其故障附加网络 实际电力系统的输电线一般为均匀分布线路，即电阻、电感、电容、电导等 线路参数是沿线路均匀分布的。分布参数线路上任意一点的电压和电流应满足均 匀传输线方程： 6 硕士学位论文 一翟鲨：r 戤，r ) + 厶_ o i ( x _ , t )( 2 1 a ) o 骘o t 一_ o i ( x , t ) ：g i ( 蹦) + g 墨鲨 ( 2 1 b ) o x甜 式中：x 为位移变量；民、l o 、g o 、c o 分别为线路的分布电阻、电感和对地电 对式( 2 1 ) 作傅里叶变换后可表示为： f i o u ：z o ( a , ) i ! ( 2 2 ) l - 一尝= 荆u _ 式( 2 2 ) 中：u 、，为电压和电流的频域表示；z o ( , o ) 、r o ( , o ) 为单位公里线路的阻 求解方程组( 2 2 ) ，可得： 2 - l 去c i 晰r r i ，l 晰s h r ，兰 “ c 2 渤 式中，y ( 国) = 止丽，乙( 国) = ，z 为故障点到母线m 的距离。 将式( 2 3 ) 分写为： u m 诹- z a , ：= 吼( g ：蒜：= ( 2 4 ) 【一z c k = ( + 乙乙) e 吖旧 、7 令线路的传播参数为彳 ) = e - r ( 洲。当故障点k 点的故障接地电阻为零时， 母线m 和k 点的边界条件为：= 一乙，吼= & ，解方程组( 2 4 ) 口- i 得到母线 m 的故障电流从故障瞬间到无穷大时间内的频域表达式： 毛= 砸i 2 a 厄e r 丽= 一旦1 - a 2 k 立m t 哇 ( 2 5 ) 式中= 辩为母线m 的反射系数。 将式( 2 5 ) 表示为一个无穷级数和的形式： = 一( 1 + k 0 ) 0 + 彳2 尺0 + + 彳拍k 0 ”+ ) 么艮z ： ( 2 6 ) 对于分布式参数输电线路，传播参数a ( o o = p 一肺，其时域表达式为 7 基于故障暂态分量的高压输电线路继电保护方法研究 口( ，) = 6 0 f ) ，可见传播参数主要是将线路传播的信号在时间上产生一个延迟f 。 从上述分析中可以了解到线路故障暂态过程：故障点处在故障瞬间突然叠加 一个与故障前故障点处电压大小相等、方向相反的电压源，这个突然增加的电压 会在输电线路产生一个初始电压行波u o = 最，同时初始电流行波j l d = u o l 也会 存在。初始电流行波经过时间f 到达母线m 后，在母线m 处反射，此时m 侧电 流气= 一( 1 + ) a l o ；反射的电流行波行至故障点处又反射，经过2 f 的时间后再 次到达母线m ，并再反射，直至初始电压和电流行波在多次反射中衰减到零。 由此可见，m 侧测量到的故障暂态分量完全取决于在线路上传播的初始电压、 电流波形特征，以及线路m 侧母线和线路故障点的折、反射系数。因此在继电 保护原理的仿真试验中，应该考虑影响这些影响因素，例如母线杂散电容、故障 电压初始角、串补电容等。 2 1 2 串补电容对暂态过程的影响 在特高压输电线路上，为了提高输电线路的输送容量和系统运行的稳定性， 输电线路一般会装设串联补偿电容，用以补偿输电线路的电感，减少两侧电源间 的总电抗。串补电容的配置位置一般有如下三种情况：1 ) 串补电容位于线路的一 侧；2 ) 装设于变电所的两母线之间；3 ) 装设于线路中点。理论上来说串补电容装 于线路中点是最理想、对保护工作最有利的，但实际工作中对串补电容进行运行 维护时会造成一定的不便，而前两种情况对运行维护较为便利，但对保护影响较 大。本文考虑串补电容装设于线路一侧时对故障暂态过程的影响。 当保护安装处与故障点之间存在串补电容z c 册时，式( 2 3 ) 改写为： 酬荔，菇叫h j l 亿7 ， 即 瓷二罄掣z 麓暑： 仁8 ， 【一( 乙+ z 厶) 厶= ( + z c k ) 口吖忡 。 根据上节内容，求解方程组( 2 8 ) 可得母线电流频域表达式为： 乙= 瓦西0 + k 丽c ) a e 石= 一黜毒 ( 2 9 ) 式中，磁= 鲁等为串补电容影响系数，为母线的反射系数当无串补电 容时鲜= i 。故障分量电流l 的无穷级数和形式为 毛：一尘竺莩翌坐堕( 1 + a ：& + + a z 一心n 一+ ) 么乓互 ( 2 1 0 ) 8 硕士学位论文 如果线路串补度一定，串补电容乙。决定于频率，与频率成反比。在研究较 低频率范围内的z c 卅时，串补电容影响系数砗受影响较大；而频率较高时，z 将变小，其对砭的影响也会变小，直至z c 肿可忽略不计。由式( 2 9 ) 可知，z 乙使 故障分量电流l 发生改变，频域内各种频率分量都受到影响。由于串补电容串 接在输电线路中，故障点高频分量信号传送到保护安装处的时间由从故障点到串 补电容的时间及从串补电容到保护安装处的时间两部分所组成，串补电容本身不 占用传输时间，即f 与串补电容并无关系。 2 2 输电线路故障暂态分量检测方法 暂态保护是通过检测故障产生的暂态分量而实现的保护，其前提是故障暂态 分量的检测提取。传统的基于工频量的保护采用傅里叶变换算法，傅里叶变换是 通过一个基函数( 功= p 声的整数膨胀而生成任意一个周期平方可积空间，把在时 域中连续变换的信号转换为频域中的信号，因此傅里叶变换是一种纯频域的方 法，只适合于分析稳定变化的信号。但对于故障暂态信号，由于其中包含各次谐 波、衰减直流、噪声等复杂非平稳信号，傅里叶变换已无能为力，需要在时域和 频域都有较高分辨率的时变信号分析方法。 2 2 1 基于数学形态学的暂态信号检测 数学形态学( m a t h e m a t i c a lm o r p h o l o g y ) 是1 9 6 4 年由法国地质学家 g m a t h e r o n 和j s e r r a 创立的，它是一门建立在集合论基础上的适用于信号的集 合类形态分析和描述的新兴学科，是研究数字图像形态结构特征与快速并行处理 方法的理论。该理论的基本思想【3 5 是利用具有“探针 作用的结构元素对信号 进行“探测 ，删除不相干