（电力系统及其自动化专业论文）基于故障暂态信息的高压输电线路相差高频保护的研究.pdf

摘要 能力强及不受系统运行条件变化的影响等优点； 对新型保护判据动作判据的可靠性进行了分析。详细分析了新型相差 保护在各种情况下的动作可靠性，对单相故障切除后，系统处于两相 运行方式下的保护特性进行了分析，讨论了线路空载合闸以及保护在 线路单相重合闸时的动作可靠性，还分析了长距离输电电容电流对保 护特性的影响，对保护在某些情况下的误动问题文章提出了相应的解 决方法； 提出了基于故障暂态高频电流信号的新型相差保护方案。以故障时产 生的高频电流信号作为保护判据的分析量，利用新一代信号处理工具 一一复小波变换作为分析工具，提取出线路两端的故障暂态电流信号 的相位。研究表明，线路区内故障时两端高频电流的相位相同，而区 外故障时两端相位相反，这一明显特征为故障识别提供了可靠依据。 论文对新保护方法中所用到的相位阈值及时间阈值设定进行了详细 的分析，提出了新的保护判据。由于利用故障产生的暂态电量作为故 障分析依据，因而保护判据的性能具有不受系统运行变化影响的特 点。仿真试验表明此种保护方法在系统重负荷、系统非全相运行等条 件下具有很好的保护特性，并具有很高的耐受过渡电阻的能力。此外， 论文对新保护方案与传统保护方法进行了对比分析，讨论了新方案在 各种非正常情况下的动作可靠性问题。 提出了- l e o 基于故障暂态信息和自谐振神经网络结构( a r t n n ) 的 快速故障选相方案。首先利用故障产生的暂态高频电流分量，从能量 的观点出发，利用模量变换和小波变换得到暂态电流高频模分量的小 波能量函数值。理论分析和大量的仿真试验均表明，模量小波能量函 数与故障类型之间具有明显的特征关系，在此基础上，论文提出了基 于故障暂态分量能量的快速选相元件，能够在故障后4 m s 时间段内选 出故障相。为提高选相元件的可靠性和自适应性，在分析研究各种神 经网络结构特点的基础上，提出了基于自谐振神经网络结构和故障暂 态分量的综合型选相元件。a t p 仿真试验表明，新型选相元件具有选 相准确、动作快速的优点，而且其选相性能不受系统运行方式变化的 影响。 为了实现论文提出的新型线路相差保护及故障选相方案，设计了一种 基于数字信号处理芯片的微机线路保护装置，并通过了动态模拟试验 验证。该保护装置采用3 2 位内核1 6 位总线结构的d s p 芯片 t m s 3 2 0 f 2 0 6 作为主处理器，并且采用可编程逻辑：笛片c p l d 进行逻 辑控制，使得整个保护装置的电路结构设计简单可靠，同时采用外部 高精度高速a d 转换器进行信号的采样，保证了信号的采样精度和速 度。新型保护装置在上海交通大学动态模拟实验室进行了大量试验验 证。实验结果表明：新型线路相差保护及故障选相方案能够提高故障 _ f - 0 断的可靠型、快速性和灵敏性，可以作为高压线路主保护方案的选 择之一。 7 、论文最后对整个研究工作和有待于解决的问题进行了总结。 关键词：高压输电线路，纵联保护，故障选相，暂态高频分量，小波变换， 神经网络，微机保护，数字信号处理器 感谢下列基金的资助： 国家自然科学基金( 项目号：5 0 5 7 7 0 4 2 ) 许继电力科技基金 上海高校优秀青年教师后备人选科技基金 f a u l tg e n e r a t e dt r a n s i e n tc o m p o n e n t sb a s e dp h a s e c o m p a r i s o np i l o tp r o t e c t i o no fe h v u h vt r a n s m i s s i o nl i n e s a b s t r a c t s i n c er a p i d l yd e v e l o p m e n to fe l e c t r i cp o w e rs y s t e m ，c h i n e s eg o v e r n m e n ti s s u e d an e wg e n e r a lp o l i c ya s “p o w e rt r a n s m i s s i o nf r o mw e s tc h i n at oe a s tc h i n a ，m u t u a l s u p p l yb e t w e e nt h es o u t ha n dt h en o r t h ，n a t i o n w i d ei n t e r c o n n e c t i o n ”i tl e a d st oa h i g h e rr e q u i r e m e n to ft h ep r o t e c t i v er e l a yp e r f o r m a n c eo ft r a n s m i s s i o nl i n e sw i t h h i g h e rr e l i a b i l i t ya n ds h o r t e rf a u l t c l e a r i n gt i m e w h e naf a u l to c c u r si nt h et r a n s m i s s i o nl i n e s ，t h et r a n s i e n th i g h f r e q u e n c y c o n l p o n e n t sa r eg e n e r a t e d ，c o n t a i n i n g al o to ff a u l ti n f o r m a t i o n b a s e do nt h o s e t r a n s i e n th i g hf r e q u e n c yc o m p o n e n t s ，m a n yh i g hp e r f o r m a n c ep r o t e c t i v es c h e m e sc a n b es t u d i e da n dd e v e l o p e d an e wp r o t e c t i v es c h e m ei sp r o p o s e di nt h i sd i s s e r t a t i o n i tu t i l i z e st h ew a v e l e t t r a n s f o r mt oe x t r a c tt h ed i f f e r e n tc h a r a c t e r i s t i c so ff a u l tt y p e sf r o mt h et r a n s i e n t i n f o r m a t i o nt h e s ec h a r a c t e r i s t i c sc a nb e u s e dt oe s t a b l i s haf a u l td i s t i n g u i s h e d c r i t e r i o nf o ri n n e ro re x t e r n a lf a u l ta n df a u l t p h a s et h i sp a p e rc o n t a i n sc o n t e n t sa s f o l l o w i n g ： 1 t r a n s i e n th i g hf r e q u e n c yc u r r e n tc o m p o n e n tb a s e dp h a s ec o m p a r i s o n p i l o tp r o t e c t i o nt h ew a ys e l e c t st h ef a u l tg e n e r a t e dt r a n s i e n th i g hf r e q u e n c yc u r r e n t a st h ei n f o r m a t i o n ，a n da p p l i e st h en e ws i g n a lp r o c e s s i n gt o o l w a v e l e tt r a n s f o r m s ( c o m p l e xw a v e l e tt r a n s f o r m s ) t oe x t r a c tt h ep h a s eo ft r a n s i e n th i g hf r e q u e n c yc u r r e n t s a tt h et w oe n d so ft r a n s m i s s i o nl i n e b a s e do nt h ek c l ，f a u l tg e n e r a t e dt r a n s i e n th i g h f r e q u e n c yc u r r e n tc o m p o n e n t s a tb o t he n d s o ft h ep r o t e c t e dl i n ei si nt h es a m e d i r e c t i o nw h e nf a u l ti si n t e r n a l ；h o w e v e r ，w h e nn of a u l to re x t e r n a lf a u l to c c u r s ，t h e i r d i r e c t i o ni s o p p o s i t ea c c o r d i n g l y ，an e wf a u l td i s t i n g u i s h e dc r i t e r i o ni sp r o p o s e d t h i s p a p e r a l s oi l l u m i n a t e st h ef a u l tc h a r a c t e r i s t i c sa n dd i s c u s s e st h ep h a s e d i f f e r e n t i a lt h r e s h o l ds e t t i n ga n do t h e rt h r e s h o l d sb e c a u s et h ef a u l tg e n e r a t e d t r a n s i e n tc o n l p o n e n t sa r eu s e df o ra n a l y s i s ，i th a ss o m ea d v a n t a g e ss u c ha sh i g h r e l i a b i l i t ya n ds h o r tf a u l t c l e a r i n gt i m e ，e t ca n dt h ep e r f o r m a n c eo fn e wc r i t e r i o ni s n o ta f f e c t e db yt h es y s t e mo p e r a t i o nc o n d i t i o n s ，e gt h eh e a v y l o a d ，h i g hr e s i s t a n c e f a u l ta n da s y m m e t r i c a lo p e r a t i o n ，e t c t h ep a p e rc o m p a r e st h en e ws c h e m ew i t hp o w e r f r e q u e n c yb a s e dp h a s ec o m p a r i s o np i l o ts c h e m ea n dd i s c u s s e dt h er e l i a b i l i t yo fn e w s c h e m eu n d e ra b n o r m a lo p e r a t i o nc o n d i t i o ns u c ha s r e c l o s i n go fc i r c u i tb r e a k e r ， a s y m m e t r i c a lo p e r a t i o n ，e t c 2 t r a n s i e n th i g hf r e q u e n c yc u r r e n tc o m p o n e n ta n da d a p t i v er e s o n a n c e t h e o r yn e u r a ln e t w o r k s ( a r t n n ) b a s e da d a p t i v ef a u l t p h a s es e l e c t o r f i r s t ，t h e f a u l tg e n e r a t e dt r a n s i e n tc u r r e n tc o m p o n e n ti ss e l e c t e df o ra n a l y s i s ，a n db yu t i l i z i n g t h ek a r e n b a u e rm o d a lt r a n s f o r m a t i o n ，t h r e em o d a lc u r r e n t c o m p o n e n t sc a nb e o b t a i n e d s e c o n d l y , t h ee n e r g yf i m c t i o no fe v e r ym o d a lc u r r e n tc o m p o n e n tw i t h i na p r e d e f i n e dt i m ei n t e r v a lc o u l db ec a l c u l a t e db yt h ew a v e l e tt r a n s f o r m a f t e ra n a l y z e d t h ei n h e r e n tc h a r a c t e r i s t i c so fd i f f e r e n tf a u l tt y p e s ，t h er e l a t i o n s h i p sa m o n gt h ee n e r g y f u n c t i o n sa n dt h ef a u l tt y p ea r ed e d u c e dt od i s t i n g u i s ht h ef a u l tt y p e t h en e wm e t h o d c a nd i s t i n g u i s ht h ef a u l tp h a s ew i t h i n4 m s f u r t h e r m o r e ，c o m b i n e dw i t ht h ea r t n e u r a ln e t w o r k ，ah y b r i ds c h e m ei sp r o p o s e dt od i s t i n g u i s hf a u l t p h a s e ，w h i c hh a s h i g hr e l i a b i l i t ya n di sa b l et oa d a p tt h ev a r y i n go fs y s t e mo p e r a t i o nc o n d i t i o n s 3i no r d e rt ov a l i d a t et h ep r o p o s e ds c h e m e ，am i c r o c o m p u t e rt y p ep r o t e c t i v e r e l a yi sd e s i g n e db a s e do nt h ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) ad y n a m i cs i m u l a t i o n t e s ti sc a r r i e do u tt o t e s tt h ep r o p o s e dp r o t e c t i v es c h e m ea n dv e r i f yt h ed e s i g n e d e q u i p m e n t l o t so f t e s t ss h o w t h ec o r r e c t n e s sa n de f f e c t i v e n e s so f t h en e ws c h e m e k e y w o r d s ：t r a n s m i s s i o nl i n e ，p i l o tp r o t e c t i o n ，f a u l t - p h a s es e l e c t o r ，t r a n s i e n th i g h f r e q u e n c yc o m p o n e n t ，c o m p l e x w a v e l e t t r a n s f o r m ，a r t i f i c i a l n e u r a l n e t w o r k ， m i c r o c o m p u t e rp r o t e c t i v er e l a y ，d s p t h i sd i s s e r t a t i o ni ss p o n s o r e db y ： t h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n au n d e rc o n t r a c tn u m b e r5 0 5 7 7 0 4 2 t h ep o w e re l e c t r i c a ls c i e n c ea n dt e c h n o l o g yf o u n d a t i o no f x jg r o u p t h es h a n g h a iu n i v e r s i t ye x c e l l e n ty o u n gt e a c h e rf o u n d a t i o n ， 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究： 作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。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 明的法律结果由本人承担。 学位沦文作者签名：牖 吼砂辞幺月7 日 上海交通大学 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， 允许沦文被查阅和借阅。本人授权上海交通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。 保密口，在一年解密后适用本授权二日。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：癖 指导教师签名 御似锯 醐：辞厶月7 日臁如缉f i o - - i 第一章前言 第一章前言 11 线路继电保护的作用及其重要意义 输电线路作为电力系统中能量的传输载体，在电网中起着承上启下的重要作用。输 电线路保护装置主要对输电线路的工作状况进行检测，并在发生故障时自动、快速、准 确地将之从电网中隔离出来以减少线路损坏程度和降低故障对整个电网的影响。因此， 输电线路保护装置在保证系统安全、稳定和经济运行等方面起着非常重要的作用。通常 电力系统网络对输电线路保护的性能要求总的来说是四个方面：可靠性、快速性、选择 性及灵敏性。这些要求之间既相辅相成又相互制约，因此需要针对不同的使用条件，根 据具体情况来进行协调。 继电保护的可靠性是指保护装置只能在事先规定的条件下动作，而在其它情况下都 不动作，即所谓的可依赖性和安全性。但是在实践中，这两个要求是相矛盾的，因此在 设计时应该根据具体的应用环境进行考虑。通常对高压或超高压输电线路来讲，要求线 路保护不拒动为首要重点。 继电保护的快速性是指保护装置在故障发生后，应当以尽可能短的时间把故障从电 网中切除。保护的动作时问对电网来说是一个很重要的性能指标。一方面，快速动作可 以缩短故障存在时间，减少故障线路由于通过短路电流而受到的暂态机械力及热应力效 应。更为重要的是，快速切除故障可以提高系统的暂态稳定性。电网的暂态稳定性是指 电力系统在受到大干扰后，各发电机保持同步运行并过渡到新的或恢复到原来运行方式 的能力。电网中所发生的大干扰，通常都是线路发生短路故障。因此，线路继电保护的 动作情况直接关系到电网的暂态稳定特性。当线路发生故障时，在系统其它条件不变的 情况下，线路继电保护的故障切除时间越短，就越容易保持电网的暂态稳定1 2 】。 继电保护的选择性对单元保护装置来说是要求其在被保护线路发生故障后能够可 靠动作，而非其所保护的线路发生故障后则可靠的不动作；对非单元保护装置来说，则 要求由最靠近故障点的电源侧保护将故障快速断开，以保证电网其余部分的正常安全运 行；若本应当动作的保护因故拒绝动作时，则由其靠近电源侧的上一级保护将故障切断， 以保证受故障影响的电网系统为最小。 继电保护的灵敏性是指在各种故障条件下，继电保护装置都应当能够正确动作。例 第一章前言 如对接地故障保护，要求其在小电阻接地故障时，保护能够正确动作，在大电阻接地故 障时，保护同样要能够正确动作，而不应当由于接地电阻的增大而导致保护动作的特性 改变。 此外，在高压及超高压输电线路上发生单相瞬时| 生故障时，为保证电网系统运行的 稳定性和安全性，通常采用单相跳闸以达到在切除故障的同时又不失去系统之间的联 系，从而提高电网的运行稳定性，因此要求线路继电保护也要能够准确、快速的选择出 故障类型及故障相别。 综上所述，可以看出线路继电保护的功能与电力系统的安全稳定运行紧密相连，同 时电网对它的性能指标要求也是从保证电力系统稳定运行的角度考虑。因此，继电保护 作为电力系统安全运行的第一道防线，具有极其重要的地位，对保护性能的研究也具有 很重要的现实意义。 1 2 线路继电保护技术的现状及存在的问题 自从继电保护应用于电力系统以来，保护原理绝大部分都是基于工频量信息，如差 动保护，距离保护，方向纵联保护和相位差动保护等。随着工业技术和计算机技术的发 展，继电保护也由传统的机电型发展为现代的基于微处理芯片的微机保护，由于微处理 芯片具有强大的快速运算能力，保护算法易于实现和控制，而且稳定性很高，因而提高 了传统保护装置的保护性能1 3 】。目前的继电保护装置已基本上全部实现微机化。 目前，国内外输电线路保护广泛采用的是反映工频电气量的继电保护装置，其辨识、 判断故障的信息量是线路上的工频电压、电流量。输电线路保护中广泛应用的距离保护 就是利用电流与电压的比值关系实现线路保护，但是其性能易受故障过渡电阻及系统运 行方式的影响。上世纪8 0 年代提出的突变量距离继电器通过反映补偿电压的相位突变【4 1 或其幅值突变 5 j 提高了距离保护耐受过渡电阻的能力和动作速度，但是其性能仍然要受 到系统运行方式的影响1 6 j 。 文献【7 【8 提出了一种新的保护方案，即利用故障分量构成的能量函数具有方向性 的特点，提出了一种能量方向判据。由于这种方法是根据故障时线路上能量的变化特征 来进行故障判断的，因此该方法不受系统振荡的影响，且具有较高的灵敏度和良好的安 全性 9 1 。 方向纵联保护是国内外广泛应用的线路主保护方案。但是目前方向纵联保护中方向 第一章前言 元件的性能易受系统运行方式的影响，例如允许式方向纵联保护的正方向故障元件在线 路的弱电源侧或无电源情况时，其灵敏度往往不够，在故障发生时不能向对端发出跳闸 信号，从而导致保护发生拒动，而负序高频方向保护在空载合闸和两相运行条件下性能 也不能满足要求，且当其应用于串补线路时还要考虑负序l c 谐振而引起的不正确动作 【l o 】 o 电流相位差动纵联保护通过比较线路两端电流相位来进行故障判断，它具有不反映 电压量和保护性能不受系统振荡影n 向等优点。采用复合操作电流的相差保护由于所需通 信通道少而得到广泛应用，但是保护特性受负荷电流影响大，而且由于采取二次比相措 施以提高保护可靠性，因而导致动作时间变的很长 。 电流差动保护通过比较线路两端的电流波形进行故障判断，它直接利用线路两端电 流的瞬时值或相量值进行差动比较以辨识故障【l “。该保护原理能适应系统振荡、非全相 运行等各种复杂运行状态，且具有动作迅速、灵敏度高等优点，但是它对通信通道的要 求很高。 随着微波通信技术和光纤通信技术的发展，国内外开始研制微波电流差动保护 和光纤电流差动保护i l “。由于微波或光纤通道有足够多的信道，因而一般都采用分相式 电流差动保护。微波通信或光纤通信提高了电流差动保护线路两端电流信号传递的质 量，同时采用分相电流比较也提高了保护动作的灵敏度及可靠性1 5 】，但是它仍然要受到 系统负荷电流穿越性的影响【l 。 当线路发生故障后，线路上的电流、电压包含有大量的非工频分量，因此基于工频 量信启、的保护必须首先利用模拟滤波器或数字滤波算法对测量信息进行滤波以得到保 护所需的工频信息，之后才能进行下一步的故障信息处理。微处理器在继电保护中的应 用虽然大大提高了保护的信息处理速度，但是根据信号处理知识可知，由于数字滤波器 的滤波能力与其数据窗长度成正比【1 7 】，因此如果在滤波算法中采用较短的数据窗，常常 达不到算法的滤波要求，进而影响到算法的保护特性，因此若要达到较好的滤波效果就 必须用较长的数据窗，如保护中常用的全周f o u r i e r 算法就需要2 0 m s 的数据窗，但是较 长的数据窗必然影响继电保护的动作速度，这就构成了基于工频量保护的一个较难解决 的问题。虽然已经有大量的文献提出了各种改进滤波算法【1 剐以达到在不影响滤波特性的 同时加快滤波速度，但目前尚未有突破性进展。 上世纪7 0 年代，国外提出了行波保护的概念。当电力系统发生故障时，根据电 第一章前言 e 磁波理论，故障点会产生沿线路向其两端分别传播的行波。行波保护就是根据故障产生 行波的不同特征进行故障检测。按照判断方法的不同，行波保护又分为两类：一类为行 波判别式方向保护【2 ，它以贝瑞隆方程为理论基础，利用故障叠加原理推出一个故障判 别式，根据其值在线路正方向发生故障时不为零，而在无故障或反方向故障时等于零的 特征构成线路保护；另一类为行波极性比较式保护，它是根据电流、电压故障行波波 头之间的极性关系进行保护。此外，还可仅仅根据线路两端电流的波头极性进行比较。 行波保护的动作速度很快，属于超高速保护。研究工作表明这种保护原理具有极其优越 的特性：快速响应性，可以在几个毫秒内作出判断；很好的方向性；不受系统振荡和 c t 饱和的影响等。但是从理论上来说，当故障发生在电压过零点时，由于此时线路上 不产生故障行波，因此不能检测出故障，即存在保护死区。更为关键的问题是，由于保 护需要利用故障产生的初始行波来进行故障判断，而准确的检测及如何从各种干扰中辨 识出真正的故障初始行波波头至今仍然是个难题，这就导致此种保护方法可靠性较 差。近年来，随着新的适用于非平稳信号处理工具小波变换f 2 2 】的提出，涌现了大量 的利用小波变换进行故障初始行波检测的研究文献口3 1 ，小波变换提高了行波波头信号的 检测可靠性，因而提高了故障辨识的可靠性，但目前此类保护方法基本处于理论研究阶 段而未投入真正的应用。 1 3 目前继电保护技术的研究发展方向 13 1 基于故障暂态信息的暂态量保护 当电力系统发生故障时，由于电磁暂态作用，线路上流过的电流、电压将不再是纯 粹的工频量，其中会出现大量的非工频量，其频谱范围包括了从直流到高频的一个很大 的范围。近年来，随着电力系统故障暂态过程的深入研究，发现故障产生的高频暂态信 息内包含了关于故障类型，故障方向，位置及持续时间等大量的信息【2 ”，因此可以考虑 应用这些暂态信息量丌发高性能的继电保护。基于这个思想，文献 2 5 1 提出了暂态量保 护的概念。 暂态保护的全称是“通过检测故障暂态产生的高频信号来实现传输线及电力设备等 的保护”，其思想是首先利用专门设计的高频检测装置及相应的算法从故障暂态信号中 检测出所需的高频信息，进而利用快速信号处理算法对其进行分析及故障判断。它所利 用的故障高频信号频率范围从数千赫兹到上兆赫兹。由于这些信息里面包含了比工频信 第一章前言 号多得多的信息，因此利用这些信息能够开发出利用工频信号所不能够做到的保护方 案。 英国n o t t i n g h a m 大学的d w e t h o m a s 等人基于故障时产生的暂态电压、电流分量， 利用模量变换理论提出了一种辨识故障类型的判别方法【26 1 。但是由于此方法本质上是利 用行波原理产生的故障起始电压，因此其与行波保护方法一样容易受到干扰，可靠性不 能保证。 英国b a t h 大学的at j o h n s 等人提出并设计了一种利用故障产生的高频噪声信息来 进行线路单元保护的继电保护装置【2 7 】 2 8 】。它的基本思想是利用区内、区外故障时产生的 高频噪声信号( 例如8 0 k h z ) 和较低频率信号( f f u 女l jl k h z ) 在经过被保护线路两端的 阻波器后所表现出的含量比值的大小不同来对线路进行单元保护。此种保护方案不但原 理简单，而且具有动作迅速，保护性能完全不受系统运行条件和故障条件诸如接地电阻 等影响的优点，因此是一个很有发展前途的超高速输电线路保护，但是需要专门设计高 频电压传感器来检测高频信号，同时需要在保护线路两端安装阻波器，而且由于分析的 信息量为高频噪声，因此保护性能的可靠性还需要进步研究。 近几年来，基于暂态量信息的线路暂态保护已经引起广大继电保护工作者极大的关 注【”1 ，目前利用故障暂态信息进行输电线路保护的研究主要集中在以下几个方面：1 ) 故障定位技术：如文献 3 0 1 提出的基于故障高频电压暂态信息的故障定位方法。它通过 准确提取故障高频电压信号初次到达保护安装处以及其经母线反射，再经故障点反射回 保护安装处的时刻，从而达到测距目的。这个方法本质上也属于行波测距方法。但是它 采用很高的频率信息( 1 1 0 m h z ) ，利用母线阻抗对高频信号主要表现为电容的特性，来 达到提高对来自故障点反射信息和来自对端母线反射信息的辨识目的，从而提高测距的 正确性和准确率。2 ) 方向保护技术【3 l j ：其原理是利用线路发生故障时，保护安装处母 线的杂散电容对高频信号的衰减效应，通过比较流入母线的高频电流信号的能量与流出 母线的能量的比值来判断故障的方向。3 ) 线路无通道单元保护口2 1 ：也称作边界保护， 文献 3 3 提出了利用母线对地杂散电容对线路区内、区外故障产生的电流高频信号的分 流作用来刘线路进行单元保护，即当保护线路外部发生故障时，故障产生的高频电流暂 态信号在经过母线时，由于受到母线对地杂散电容衰减的影响，其到达保护安装处的量 值与内部故障时保护所测量到的量值相比要小得多，根据这个特征就可以对保护线路的 区内、区外故障进行判别。 第一章前杀 目前，基于暂态量信息的保护方案在国内外已经进行了大量的研究，而且取得了很 大的进展。但是目前所提出的暂态量保护方案都利用很高频率的暂态量进行保护设计， 其频率达到几万赫兹以上，这样高的频率使得保护的可靠性及抗干扰性在实用上存在一 些问题；同时由于保护需要很高的采样频率，使得保护装置的硬件要求很高，导致保护 装置成本升高，阻碍了其进入实际应用。 1 32 基于人工神经网络的自适应保护 电力系统的运行状态时刻变化，线路故障的发生更是随机性事件，因而传统的基于 某一运行条件下设计的继电保护在系统运行状况偏离设计运行状态较大时，就很难继续 保持良好的保护特性甚至出现不正确动作情况。而我国电力系统的迅速发展导致电网运 行状况不断变化，因此需要考虑自适应的继电保护【3 4 】。人工神经网络( a n n ) 作为模式识 别的一种重要手段，它自旨够利用多种信息，并通过网络权值的映射对新的输入信息进行 模式识别，其特点是具有很好的容错性和很强的扩展性，因此可以使得基于a n n 的继 电保护能够自适应于变化的电力系统运行条件而不会出现误动作。迄今为止，继电保护 工作者应用a n n 对线路进行故障的判断及辨识已经进行了大量的研究工作，如文献 3 5 提出的基于b p 网络的距离保护，以及神经网络方向元件【3 6 】，神经网络故障定位保护 3 7 1 和自适应重合闸保护等。研究工作表明将a n n 应用于线路保护能够增强线路保护对 系统运行状况变化的适应性，提高了保护性能。 目前提出的神经网络线路保护方法大都是基于有导师学习型神经网络结构，由于这 种网络结构( 如b p 网络) 的学习实质上都属于非线性问题，因此都存在收敛速度慢， 训练结果存在局部极小等问题【3 9 【4 0 。对于目前主要采用的b p 网络，由于它本身结构的 特性，还导致其网络权值不具有灵活性和稳定性，即对一个已经训练完毕的b p 网络， 如果有一个新的样本需要进行训练，则网络已训练过的全部样本也需要和它一起对网络 进行再训练，如果仅对这一个新样本进行训练，则会导致网络对已训练过样本的部分遗 忘，即b p 网络的权值不具有灵活性和稳定性。 1 33 继电保护中的信号分析处理工具 继电保护中很重要的一个任务就是要对采集来的信号进行分析、判断。传统上，继 电保护中的信号处理都是采用f o u r i e r 变换来进行的。随着电网对继电保护性能的要求 提高，f o u r i e r 变换在故障信号分析中的不足越来越明显，特别对基于暂态量的暂态保护 来说，由于需要对故障高频信息进行分析，而故障高频信号是极其不平稳的信号，因此 第一章前言 f o u r i e r 变换不能满足其分析的性能要求。 新一代的数字信号处理工具小波变换则能够较好的解决这一问题1 4 ”。小波变换 是在f o u r i e r 变换基础上发展而来，它保留了f o u r i e r 变换的优点，而克服了其缺点。由 于它具有优良的自适应的时间一频率特性，因此特别适合于对非平稳信号的分析和处理 【“】。近年来，小波变换在电力系统继电保护领域内得到了广泛的研究及应用，已经提出 了一系列利用小波变换进行故障特征提取及故障保护的研究方法 43 1 。如文献 4 4 j 提出的 基于小波变换的线路故障选相，文献 4 5 1 提出的基于小波变换的双回线路保护，这些都 充分说明小波变换适合应用于电力系统暂态故障信号的分析、提取。 1 4 我国电力系统输电线路保护的现状 我国电网继电保护从总体上来说处于国际先进水平。国家调度中心对2 0 0 2 年全国 2 2 0 k v 以上的电网保护动作的统计情况表明，国产保护在动作速度及动作可靠性方面均 具有国际先进水平( 动作时间1 0 m s 3 0 m s ，正确率9 9 8 6 ) 1 4 6 4 ”。随着我国电网规模 的扩大以及将来要实现的电网西电东送，大功率、长距离的超高压特高压输电线路将越 来越多。长距离输电线路1 4 8 1 与一般的高压线路相比，其故障暂态过渡过程及对继电保护 的影响通常有以下三点【4 9 】 ”l ：超高压特高压输电线路电感与电阻的比值很大，时间 常数大，因而故障暂态分量的衰减较慢；输电线路的分布电容很大，这些分布电容 所产生的电容性电流将会改变线路两侧电流的大小和相位，从而给纵联方向保护及纵联 差动保护造成较大的不利影响：由于长距离超高压特高压输电线路上通常都有串联 电容和并联电抗，在发生故障时，不但存在较大的高频分量，还会产生幅值很大的与工 频接近的低次谐波，因而造成基波波形的畸变很严重，给基于工频量的保护算法造成很 大的不利影响。 由于超高压特高压长距离输电线路通常承担着输送大容量的功率，因此，若其发生 故障时不能准确、快速的进行故障切除，则很容易导致电网发生振荡甚至于崩溃。因此， 开发研究适用于超高压及以上电压等级的输电线路保护新方法对电力系统网络的安全 运行及经济运行具有重大的现实意义。 目前，针对长距离输电线路所特有的特性给继电保护带来的新问题，大量的研究工 作正在进行，例如文献 5 1 提出了一种基于数学形态学与小波相结合的进行信号奇异性 检测的算法，其能够有效抑制各种噪声，同时也能快速检测出故障初始特性。文献 5 2 第一章前言 对小矢量算法应用于继电保护中的特点进行了初步分析，文献 5 3 则利用小矢量算法提 出了一种快速距离保护新算法。上述新型保护方案提高了基于工频量保护的性能，但是 仍然需要进一步的研究。文献 5 4 5 5 1 提出了不计算工频量，直接采用采样值进行差动 算法的保护，其所需数据窗很短( = 4 m s ) 【5 6 】，但是其动作特性受故障暂态分量的影响较 大，需要做进一步的研究。 15 论文的主要研究内容及章节安排 本文围绕开发适用于超高压特高压输电线路的线路保护装置进行了系统化的研究。 新的保护装置要求具有动作速度快、性能可靠、抗干扰性好，同时对硬件要求低的特点。 这样既能克服工频量保护速度慢的缺点，又可以避免基于特高频暂态分量保护所要求高 采样频率的不足。 本文在对线路故障产生暂态信息深刻理解的基础上，选择合适的故障暂态量作为保 护信息，同时采用小波变换作为信号处理工具，提出一种新型相位差动线路保护方案。 论文的整体结构分为七个章节： 第一章首先对继电保护技术的现状及其发展方向进行了总结，然后指出超高压特高 压输电线路继电保护所遇到的问题，最后给出了本论文的研究内容； 第二章主要对超高压输电线路故障暂态分量进行了分析。根据线路的分布参数模 型，从理论上对其所产生的暂态分量进行研究，然后利用电磁暂态仿真程序a t p 进行仿 真验证，并对电流互感器对故障暂态分量的传变特性进行了仿真研究； 第三章提出了基于故障暂态信息的相位差动保护方案。在理论分析基础上，根据线 路两端故障暂态电流在区内、区外故障时的不同特征，建立了新的保护判据。分析讨论 了保护判据的阈值设定，并且将之与传统相差保护进行了仿真比较，指出了新方法的优 越性： 第四章对新型相差保护的可靠性进行了研究。分析了该保护方法在各种非正常情况 下的动作可靠性，如空载合闸及线路重合闸等，并讨论了长距离线路电容电流对保护特 性的影响； 第五章提出了基于故障暂态分量及a r t 神经网络的故障选相元件。利用故障暂态 分量及小波变换对各种故障类型进行特征提取，提出了一种保护性能不受系统运行条件 及故障条件影响的快速选相元件。同时为提高该方法的可靠性，在分析比较了各种神经 第一章前言 网络结构的基础上，提出应用自谐振神经网络结构，以该方法提取出的特征量作为网络 输入量进行自适应保护元件的设计： 第六章介绍了基于故障暂态信息保护的样机设计及样机的动模试验。考虑到保护算 法的需求，选用数字信号处理器d s p 芯片作为主c p u ，设计出新的微机保护样机，在 此基础上对新保护算法的实用性进行了动态模拟试验验证； 第七章总结了本论文的整体工作，并指出有待进一步进行的研究内容。 第二二章超高压输电线路故障暂态分量特性分析 第二章超高压输电线路故障暂态分量特性分析 当电力系统发生故障时，由于电磁暂态作用，系统中的电流、电压不再是纯粹的工 频量，其中会出现大量的非工频量，其频谱范围包括了从直流到高频的一个很大的范围。 传统的继电保护技术都是把这些暂态量作为有害干扰而滤除。近年来，随着电力系统的 发展，为保证电网的安全稳定性，系统对发生故障时继电保护的快速性、可靠性提出了 更高的要求。为适应这个需求，研究人员开始考虑利用电力系统故障暂态过程中的信息 进行继电保护的新原理设计。 文献 5 7 5 8 】提出可以利用故障暂态分量对电力系统输电线路进行保护新原理和方 案的设计。利用暂态分量进行继电保护新方法的研究必须要建立在对故障时线路上产生 的暂态分量大小及其变化特征具有深入认识的基础上，只有对暂态分量的这些特性进行 了详细的研究和深入的认识，才能更好的利用它们去进行继电保护新方案的设计。 2 1 输电线路故障暂态过程的理论分析 在电力系统继电保护中，对中、低压线路或短线路的故障分析通常是将其等效为集 中参数元件，然后进行短路过程的解析分析。但是由于超高压特高压输电线路的长度较 长，具有很大的线路电感与线路电阻之比，而且分布电容也很大，因此不能将其等效为 集中参数元件进行研究，而必须将其作为分布参数元件进行分析。 由电路知识可知，x 到x + d x 的一段单相均匀分布参数传输线可以表示为图2 1 的电 路模型 5 9 】。 a f & a x厶出i & a xl o d xh 瓦c l x r 出厶出 xx + d x 图2 1 均匀传输线分布参数模型图 f i g2 - im o d e ls t r u c t u r eo f u n i f o r mt r a n s m i s s i o nl i n e 1 0 第2 2 章超高压输i 乜线路故障暂态分量特性分析 _ 嘉- - - = r o i + l o 麓o i 陋， 卿d f、 一罢= g o 料c 0 詈 卜叫 0 xa f j 出：一当妫肚+ j ，。向肚 2 - 2 式中y = 以瓦了五了面丽为线路的传播常数，z 。= j 菩暑焉等是线路的特征阻抗， ， ( a ) 系统模型示意图 第二章超高压输i u 线路故障暂态分量特性分析 m ( b ) 故障附加状态等效图 图2 - 2 输电线路故障分析示意图 f i g2 - 2s y s t e mm o d e la n df a u l ta n a l y z e dn e t w