（电力系统及其自动化专业论文）输电线路积分型行波方向纵联保护研究.pdf

山东大学博士学位论文 ( 4 ) 基于以上研究，设计了一套积分型行波方向纵联保护的构成方案。对 方案中的重要组成部分，如启动元件、故障选相元件、故障方向判别元件、主 判据、雷击和开关操作识别以及通信通道的选择等，进行了理论分析和部分仿 真。 理论分析和仿真数据表明：本文所提出的积分型行波方向保护原理不受故 障初始条件的影响，对线路长度和母线结构有较好的适应性，极大的提高了行 波方向保护的鲁棒性、可靠性和灵敏性；所提雷击干扰与故障信号的识别判据 能够正确判别各种非故障性雷击干扰；积分型行波方向判据能够j 下确识别开关 操作；所设计的电压行波提取电路能够正确有效的提取故障暂态电压行波信号。 关键词：输电线路；行波方向保护；正反向行波：积分；雷击；开关操作 i l 山东大学博士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dg r o w t ho fp o w e rl o a d ，p o w e rt r a n s m i t t e df r o mw e s t e r nd i s t r i c tt o e a s t e r nd i s t r i c t ，p o w e rs u p p l i e db ys o u t ha n dn o r t hm u t u a la n di m p l e m e n t i n go f p o w e rg r i di n t e r l i n kp r o je c t ，a ne x t r a - h u g es c a l ep o w e rg r i di sf o r m i n gg r a d u a l l y f o rt h es t a f f se n g a g i n gi np o w e rf i e l d ，t h es a f i t ya n ds t a b i l i t yo fp o w e rt r a n s m i t t i n g w i t hh i g hc a p a c i t ya n dr e m o t ed i s t a n c ei nah u g es c a l ep o w e rg r i di sac h a l l e n g e f o r e x t r a u l t r ah i g hv o l t a g et r a n s m i s s i o nl i n e s ，t h ep r o t e c t i v er e l a ys h o u l dh a sam o r e e x c e l l e n tp e r f o r m a n c e ，s u c ha so p e r a t i o ns p e e d ，r e l i a b i l i t ya n ds e n s i t i v i t ya n ds oo n i nt h ec o n d i t i o no fo p e r a t i o ns p e e da p p r o a c h i n gl i m i to ft h er e l a yb a s e do np o w e r f r e q u e n c y , t r a v e l l i n gw a v ep r o t e c t i o n sh a db e e nf o c u s e do no w i n gt oi th a sa na b i l i t y o ff i n d i n gf a u l tr a p i d l y , b u tt h es h o r t c o m i n go fl o w e rr e l i a b i l i t yh a da l w a y sr e s t r i c t e d d e v e l o p m e n to fd e v i c e t h e r e f o r e ，ah i g hr e l i a b l et r a v e l l i n gw a v ed i r e c t i o n a l p r o t e c t i o ns c h e m ei sp r o p o s e d ，a sw e l la sr e t a i n i n gt h ea b i l i t yo fd e t e c t i n gf a u l t r a p i d l y i nt h es t u d y i n gp r o c e s s ，m a i nr e s u l t so b t a i n e da r ef o l l o w i n g ： ( 1 ) an o v e li n t e g r a lb a s e dt r a v e l l i n gw a v ed i r e c t i o n a lp r o t e c t i o ni sp r o p o s e d a f t e r f a u l to c c u r r e d ，u s i n gt h ec o n s t a n tr e l a t i o n s h i po ff o r w a r da n db a c k w a r dt r a v e l l i n g w a v ed u r i n gas p e c i a lp e r i o d ，t h ew a v e f o r m so ff o r w a r da n db a c k w a r dt r a v e l l i n g w a v ea r ei n t e g r a t e dr e s p e c t i v e l y a c c o r d i n gt ot h e i rr a t i o ，t h ed i r e c t i o no ff a u l ti s d i s c r i m i n a t e d s i m u l a t i o nr e s u l t sf r o m5 0 0 k va n d10 0 0 k vt r a n s m i s s i o nl i n e ss h o w t h a tt h ep r e s e n t e dd i r e c t i o n a lc r i t e r i o nc a nc o m p l e t e l ya d a p ta n yc o n s t r u c t i o n so f l i n eo rb u s b a r , a n dc o n d i t i o n so ff a u l td on o th a v ea n yi n f l u e n c eo np e r f c i r m a n c e so f c r i t e r i o n t h e r e f o r e ，t h el o w e rr e l i a b i l i t ya n ds e n s i b i l i t yo ft r a d i t i o n a lt r a v e l l i n gw a v e p r o t e c t i o no n l yd e t e c t i n gt h ep o l a r i t yo rc o m p l i t u d eo fi n i t i a lt r a v e l l i n gw a v ea r e s o l v e d i na d d i t i o n ，f o rt h e s et r a n s m i s s i o nl i n e so fm e d i u mo rs h o r td i s t a n c e ， p r o t e c t i o nh a sq u i c kd i s c r i m i n a t i o ns p e e do ff a u l td i r e c t i o n f o rl o n gd i s t a n c e t r a n s m i s s i o nl i n e s ，a sal o n gi n t e g r a lw i n d o w , d i s c r i m i n a t i o ns p e e di sr e l a t i v es l o w a n a l y s i sv e r i f i e s ，f o rt h er o m o t ed i s t a n c el i n e s ，t h a td i s c r i m i n a t i o ns p e e dc a nb e i m p r o v e dt h r o u g ha d j u s t i n gt i m e - w i n d o w ( s u c ha su s i n gh a l fi n t e g r a lt i m e ) s i m u l t a i o nr e s u l t s c l a r i f yp r o t e c t i v e c r i t e r i o nh a sn o tb e e na f f e c t e d u s i n gh a l f i n t e g r a lt i m e i i i ( 2 ) o nt h eb a s i so fa n a l y z i n gt r a n s i e n tw a v e f o r mc h a r a c t e r i s t i c so fl i g h t n i n 2 s t r o k ew i t h o u tl e a d i n gt of a u l t ，l i g h t n i n gs t r o k ew i t hr e s u l t i n gi nf a u l ta n dg e n e r a l s h o r t c i r c u i tf a u l t ，ad i s c r i m i n a t i o nc r i t e r i o no f l i g h t n i n gs t r o k ea n df a u l tb a s e do n w a v e f o r mi n t e g r a lo fc u r r e n tt r a v e l l i n gw a v ei s p r o p o s e d f o rd i f f e r e n tl i g h t n i n g s t r o k e sa n df a u l t s ，l o t so fs i m u l a t i o n sh a v eb e e nc a r r i e do u t s i m u l a t i o na n d a n a l y s i s d e m o n s t r a t et h a tt h ec r i t e r i o nc a nq u i c k l ya n d c o r r e c t l yd e t e r m i n e df a u l to rl i g h t n i n g s t r o k e ，a n di ti sas i m p l ea n dl i a b l ed i s c r i m i n a t i o nm e t h o d i na d d i t i o n 。t h ep a p e r a n a l y z e sm e c h a n i s mo ft r a v e l l i n gw a v eg e n e r a t e db yb r e a k e rs w i t c h i n g a c c o r d i n g t ot h ef a c to fp tl o c a t e da tt h es i d eo fl i n ei nh i g hv o l t a g et r a n s m i s s i o ns y s t e m a m e t h o dd e t e r m i n i n gd i r e c t i o no fd i s t u r b a n c ei s p r o p o s e du s i n gt h ei n t e g r a lb a s e d t r a v e l l i n gw a v ea m p l i t u d ec o m p a r i s o nd i r e c t i o n a lc r i t e r i o n ，a tt h es a m et i m e s i m u l a t i o no fb r e a k e rs w i t c h i n gi sc a r r i e do u t s i m u l a t i o nr e s u l t s v e r i f yt h a tt h e c r i t e r i o nc a na c c u r a t e l yd i s c r i m i n a t et h ed i r e c t i o no f d i s t u r b a n c es o u r c e ( 3 ) a m i n ga tt h es h o r t c o m i n gt h a tc v tc a nn o te f f e c t i v e l yt r a n s d u c et r a n s i e n t h i g hf r e q u e n c ys i g n a l s ，am e t h o de x t r a c t i n g v o l t a g et r a v e l l i n gw a v es i g n a li s p r o p o s e d u s i n gt a pc a p a c i t a n c eo fc a p a c i t a n c et r a n s d u c e r , s e r i e sa n ds h u n t r e s o n a n c ec i r c u i ti sd e s i g n e d u s i n gs i m u l a t i o nm o d e l ，o u t p u tr e s p o n s e so f e x t r a c t i o n c i r c u i tt od i f f e r e n t f r e q u e n c ys i g n a l sa n dd i f f e r e n tf a u l tg r o u n dr e s i s t a n c e sa n d d i f f e r e n tf a u l ti n c e p t i o na n g l e sa r ec h e c k e da n da n a l y z e dr e s p e c t i v e l v t h e o r e t i c a n a l y s i sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h em e t h o dc a n e f f e c t i v e l yr e s t r a i n p o w e rf r e q u e n c ys i g n a ls ，a c c u r a t e l yr e f l e c tt r a n s i e n tv o l t a g et r a v e l l i n gw a v es i g n a l s ， a n dt h u ss o l v et e c h n i c a lp r o b l e me x t r a c t i n gv o l t a g et r a v e l l i n gw a v ef o rt r a v e l l i n g w a v ep r o t e c t i o n ( 4 ) as e to fi n t e g r a lb a s e dt r a v e l l i n gw a v ed i r e c t i o n a lu n i tp r o t e c t i o ns c h e m ei s d e s i g n e d t h em a i nc o m p o n e n t s ，s u c ha sf a u l ts t a r t u pc o m p o n e n t ，f a u l t e dp h a s e s e l e c t i o nc o m p o n e n t ，f a u l td i r e c t i o nd i s c r i m i n a t i o nc o m p o n e n ta n dl i g h t n i n gs t r o k e a n db r e a k e r s w i t c h i n ga n ds oo n ，a r ea n a l y z e da n ds i m u l a t e d a n a l y s i so fp r i n c i p l ea n ds i m u l a t i o nr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h e i n t e g r a lc r i t e r i o n d on o tb ea f f e c t e db yc o n d i t i o n so ff a u l ta n df o rt h el e n g t ha n ds t r u c t u r eo f l i n e i t h a sag o o da p p l i c a b i l i t y ；t h ea p p l i c a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t ya n d s e n s i b i l i t yo ft r a v e l l i n g d i r e c t i o n a lp r o t e c t i o na r e e n o r m o u s l yi m p r o v e d ；l i g h t n i n gs t r o k ec r i t e r i o nc a l l i v 山东大学博士学位论文 a c c u r a t e l yd i s c r i m i n a t eg e n e r a l l i n ef a u l tf r o mo t h e rd i s t u r b a n c e s ；d i r e c t i o no f v a r i o u sb r e a k e rs w i t c h i n gc a na l s ob ec o r r e c t l yd e t e r m i n e db yi n t e g r a lc r i t e r t i o na n d t h ed e s i g n e dc i r c u i tc a no b t a i nt r a n s i e n tv o l t a g et r a v e l l i n gw a v ec o r r e c t l ya n d e f f e c t i v e l y k e yw o r d s ：p o w e rt r a n s m i s s i o nl i n e ；t r a v e l l i n gw a v ed i r e c t i o n a lp r o t e c t i o n ； f o r w a r d a n d b a c k w a r dt r a v e l l i n gw a v e s ；i n t e g r a l ；l i g h t n i n gs t r o k e ；b r e a k e r s w i t c h i n g v 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科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：叠篮型 e t 期：垄缉：笙! ! 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或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；本人授权山东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、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：窜磕喀导师签名：壶硌日期： 山东大学博士学位论文 第一章绪论 1 1 课题的研究背景 全国高压、超高压输电线路的不断扩建及特高压线路的试建，大容量机组 的陆续投运、全国电网的互联对电网继电保护的动作速度、可靠性和灵敏度等 指标提出了更高的要求。目前在输电线路上广泛采用的是反应工频电气量的继 电保护装置，这些保护装置的构成原理是建立在反应工频电压、电流或由其组 合的功率方向、阻抗等基础上的。为了保证保护装置能在故障时正确动作，在 传统的反应工频电气量的保护装置中，通常采用滤波等方法来消除暂态过程对 保护的影响。但是滤波技术势必影响保护的动作速度，加长保护的动作时间， 由此产生可靠性和动作速度之间矛盾。解决这一矛盾的途径之一是采用不反应 工频电气量的新型继电保护原理，输电线路行波保护就是利用检测故障暂态分 量而实现超高速动作的。 由于行波保护反应故障的暂态过程，因此动作速度极快，它能够在故障发 生后的极短时间内正确地判定故障，一般只需2 m s 左右的时间。为了能尽量提 高超高压输电线路的传送功率又能保证系统的暂态稳定性，快速切除故障是一 个简单有效的方法。随着一个周波开断5 0 0 k v 断路器的出现，超高速动作的继 电保护装置就格外引起人们的重视。以上二者的配合使用，可望使系统故障的 切除时间较目前大为缩短。研究基于暂态原理的超高速行波保护对提高电网的 安全稳定性具有重要的意义。 但是，行波保护是基于检测故障初始行波以及后续一、两个反射波所含有 的故障信息而实现动作，其可靠性和灵敏度易受故障初始条件、母线或线路结 构等的影响，而且保护极易遭受非故障暂态信号的干扰，造成常规行波保护鲁 棒性不强，可靠性不高，这是行波保护未成为新一代标志性保护的重要原因。 因此，研究保持行波保护快速的故障检测能力的同时，大幅度提高其可靠性和 鲁棒性，既能推动行波保护的实用化进程，提高继电保护领域的科技水平，又 是我国超特高压输电线路对快速保护的迫切需求。 1 2 输电线路行波保护原理与研究现状 山东大学博士学位论文 1 2 1 行波保护发展历程 纵观电力系统的保护发展史，输电线路保护主要有基于故障工频分量的保 护原理，如差动、方向、距离、单元保护及广域保护等，它们都涉及到从复杂 的故障后电压和( 或) 电流波形中通过滤波来提取工频分量以检测故障。虽然 基于上述保护原理的设备随着现代技术的发展得到不断的改进，但保护原理并 没有多大的变化，在当今的继电保护领域仍起着主导作用。 随着现代大容量机组的不断投运和超高压输电线路的增多、特高压线路的 试建并由于其有效电阻的减小，衰减时间常数的增大，使得系统中发生故障时 所产生的暂态过程更加复杂心1 。与此同时，反映工频量的传统保护从原理上存在 可靠性和动作速度之间的矛盾，解决这一矛盾的有效途径就是采用反应暂态电 气量的超高速继电保护原理。电力系统故障时将产生附加的故障暂态分量，这 些故障分量包含丰富的故障信息并分布于从直流分量到高频分量的宽广频谱范 围内，而且高频分量中往往包含着比工频分量更多的故障信息( 如故障类型、 故障位置、极性及方向等) 。因而可以用来发展仅用工频分量无法实现的保护原 理。基于检测故障产生的行波而实现的行波保护就是反应高频暂态量的超高速 保护之一。行波保护主要具有数据窗短、响应快的优点，而且不受过渡电阻、 系统振荡和电流互感器饱和等因素的影响。因此，行波保护一经提出就受到了 各国电力工作者的关注n 呻。 行波保护的研究可以追溯到2 0 世纪5 0 年代末 删，但直到1 9 7 6 年，第1 套行波保护装置才由瑞典通用电气公司研制成功，并投入美国b o n n e v i l l e 电力 局5 0 0k v 输电线路试运行。这期间，日本东京电力公司基于t a k a g i 等研发的行 波差动继电器而研制成功行波差动保护阳q0 i 。其他国家的学者也先后开始了行波 保护的研究，如d o m m e l 和m i c h e l s 提出了行波判别式方向保护原理n ，j o h n s 和a g g a r w a l 提出了幅值比较式行波保护原理n2 1 ，c h a m i a 和l i b e r m a n 提出了极 性比较式行波保护原理n 引，c r o s s l e y 和m c l a r e n 等人提出了行波距离继电器n 们 等。 我国于1 9 7 8 年开始行波保护的研究n 5 。，并于8 0 年代初从瑞典引进2 套 r a l d a 型行波保护装置n3 1 ，分别安装在东北5 0 0k v 电网( 锦辽线) 和华中电网 ( 平武线) 口引。8 0 、9 0 年代是行波保护及故障测距研究的一个高潮，这个阶段的 2 山东大学博士学位论文 理论研究和装置研制奠定了行波保护的基础，也为今后的行波保护研究积累了 重要的经验。但是，由于行波本身的高频暂态性质、保护原理缺陷以及数学分 析工具、传感器方式和其它技术条件的限制，该阶段所研制的保护装置性能不 够稳定，抵御电网非故障情况下各种扰动的鲁棒性不强，要保证行波保护的完 全正确动作比较困难，可靠性较差。 近几年，随着高速数字处理技术，数学分析技术和通讯技术的发展，尤其 是行波测距技术的研发以及在电网中的成功运行n 9 。3 ，为行波保护研制提供了 强大的硬件平台和软件支持，早期的行波保护理论由于当时的技术条件限制而 无法研制装置的情形大为改观。因此行波保护研究又重新受到了人们的关注。 目前的研究主要有测距式行波距离保护b 2 3 4 1 、基于小波变换的行波保护2 3 p 4 7 1 、 波阻抗方向继电器h 5 以及围绕行波保护而进行的相关理论与技术的研究啼2 7 们 等。另外，为提高行波保护可靠性而进行的不同保护原理的组合研究口卜7 3 3 等。 1 2 2 行波保护原理及其优缺点 行波保护按照有无通道分为有通道保护和无通道保护两大类。按照原理可 分为：行波差动保护；行波判别式方向保护；行波距离保护；行波极性比较式 方向保护和行波幅值比较式保护等几类。 ( 1 ) 行波差动保护阳1 0 地7 4 咱 行波差动保护基本原理可用图1 1 来说明：由线路一端( m 端) 出发的正向 行波经延时f 后到达另一端( 端) ，正向行波的形状及大小是不变的。 u 册 u h + l 图1 1 输电线路及行波 f i g 1 一it r a v e l l i n gw a v ea n dp o w e rt r a n s m i s s i o nl i n e 由行波波动方程可推导保护判据为： ，= ( f ) + ( ，一f ) o ) 一甜肘( t - r ) 乙 ( 1 1 ) 上式中，z f 为线路波阻抗；，分别是线路m 、侧检测到的电流行波；”。，u 。 分别是线路m 、侧检测到的电压行波；f 为行波在线路m n 之间的传播时间。 其判别准则为：如果i ，l ( 为门槛值) ，则保护判别故障位于区内；反之如 山东大学博士学位论文 果l ，i 0 ， 则故障行波来自被保护线路方向；反之若f = 0 ，则故障位于母线背后。 主要优点：动作速度快；有明确的方向性，与故障位置、初相位、类型无 关。主要缺点：u 和f 是瞬时值，其计算点数的选择对f 值影响较大；由于微分 运算的固有特性，对噪声非常敏感，各种干扰的存在和测量仪器的误差，将使 山东大学博士学位论文 正常运行的输电线路有很大的f 值，容易造成保护误动；转换性故障时会出现 不正确动作；不适应于单电源和p t 挂在线路的情况。 ( 4 ) 电流行波极性比较式纵联保护b 5 ，4 1 船3 其基本原理是比较线路两端初始电流行波的极性。若两端初始电流行波的 极性相同，则保护判断为区内故障；若极性相反，则保护判断为区外故障。它 没有单独的方向元件，构成简单，不需要获取电压行波。但是，在电压过零点 附近发生故障时，无电流行波信号或信号非常弱，对电流行波信号的提取会遇 到一定的困难；同时受母线结构的影响；另外，该保护对通道的依赖性较强， 可靠性有待提高。 ( 5 ) 行波距离保护m 瑚喇 “删 行波距离保护根据行波反射原理构成，其公式为： 1 x = q 。- ( t 2 - t , ) v ( 1 3 ) 二 式中：v 为行波传播速度；t l ，t ，分别为初始行波和故障点第一次反射行波到达 保护安装处的时间；x 为故障点到保护安装处的距离。行波距离保护的优点是 仅使用单端量，容易实现，动作速度极快。主要问题有：受被保护线路两端 母线的结构影响大，甚至与它们所连接的其他线路及其末端母线的结构都会严 重影响距离继电器的测量结果；该保护对硬件要求高，采样频率和运算速度 直接决定了保护范围；门槛值不易设定，不能保护线路的全长；无方向 性，传统的行波距离保护主要利用了行波的时间特征。 ( 6 ) 行波幅值比较式方向保护n 2 0 皓8 该保护的核心元件是方向继电器。其原理是比较初始正向行波s 和反向行 波s z 的幅值，然后利用通道传递比较的结果。若l 墨i - l 岛i 为反向故障。同极性比较式保护一样，它只需利用通道向对端保护装置传输判 断结果，而不像行波差动保护那样需要传输两端的电气量。 幅值比较式方向保护的优点是原理清晰。缺点是门槛值的设置不易把握； 利用初始正反向行波信号将会受母线结构、接地电阻、故障初始角的影响：对 通道的依赖型较强。 山东大学博士学位论文 ( 7 ) 混合式保护 文献 7 1 ，7 2 所提混合保护方案是由传统的阻抗测量继电器( i r ) 和行波保 护继电器( t w r ) 组成。其工作过程是两个继电器同时并行计算。采样装置高 频采样，t w r 利用高频行波信号，计算故障距离；i r 继电器提取其中的工频分 量也计算故障距离。若出现下列情况之任何一种，t w r 继电器将禁止触发： 由于没有出现陡峭的行波波头( 故障初始角为零或非常小) ，故障监测器不能监 测到一个故障扰动；波头分析仪计算得到一个小的故障初始角；计算得 到的故障距离超出了被保护区；相关性输出值没有明显的高出设定门槛值。 在上述情形下，由i r 继电器的计算结果决定是否触发。除此之外由t w r 继电 器决定触发。 文献 7 3 所提出的超高速混合保护是将采样值电流差动算法和行波保护算 法有机地结合起来，利用同一硬件平台，只对电流信号进行计算，使用同一套 通信通道。 混合保护方案的优点是：提高了保护的可靠性；不受故障初始角、近末端 故障的影响；行波保护和其它保护原理取长补短。缺点是保护原理复杂，对软 硬件都有比较高的要求，实现困难大。 ( 8 ) 基于小波变换的行波保护 故障行波信号是一种典型的非平稳奇异性信号，而作为时频分析工具的小 波变换非常适合对故障行波信号的提取分析。近几年，基于小波变换的输电线 路行波保护口2 3 p 4 7 3 或基于暂态量的保护呻嗍门在我国得到了深入地研究，并取得了 初步的研究成果，但此类保护在原理上仍旧采用传统行波保护原理或基于区内 外故障信号所含高低频能量的差异，只不过应用新的数学分析工具一小波变换 对暂态行波信号进行分析和故障特征的提取。 该类保护的优点是能够更好地刻划故障特征，其缺点是保护的可靠性仍旧 受线路结构、故障初始条件等的影响。 1 2 3 传统行波保护的局限性 行波保护从诞生起，已有几十年的研究历史，但在实践中，未能成为具有 标志性的新一代保护，其主要原因除原理上存在可靠性问题外，在技术实现上 6 山东大学博士学位论文 也存在难度。主要体现在： ( 1 ) 行波信号不确定性的影响 行波保护仅仅监测和识别故障初始几个毫秒内的波形特征，而电压、电流 行波波头的形状和极性又与线路两端波阻抗的变化情况( 即母线结构) 有关。 与故障线路接于相同母线上的出线数越多，行波的反射越明显。当与故障线路 相连的母线上只有一进一出两回线路时，行波将不发生反射( 假如两回线的波 阻抗相同) ，这将影响到行波距离保护原理的鲁棒性。如果与故障线路相连的母 线上只有故障线路和变压器、电源支路，则此处的电流行波将极其微弱，直接 影响到行波极性比较式保护的灵敏性和可靠性。行波的幅值与故障发生时刻( 即 故障初始角) 以及故障接地电阻密切相关。如果电压过零点发生单相接地故障， 线路上将无行波信号，基于行波原理的保护将失效；对于小初始角故障和大接 地电阻故障，由于初始行波幅值的降低，也将影响到行波保护的灵敏度。另外， 线路的并联补偿或和串联补偿设备、开关的操作及雷电的冲击等都会影响到行 波信号的识别。 ( 2 ) 行波衰减和畸变的影响 三相线路的行波保护般采用相模变换技术进行解耦处理。为了简化问题， 通常不考虑线路的依频特性、线路结构的不对称性以及接地电导的可变性，相 应的变换矩阵为标准模变换矩阵。实际上，线路参数的依频特性将导致暂态行 波传播过程中的频散现象( f r e q u e n c yd i s p e r s i o n ) ，即暂态行波中的不同频率分 量具有不同的传播速度和衰减系数，其中地模暂态行波比线模暂态行波的频散 现象更为严重。另外，单相接地故障引起的线路结构不对称性使得线模和地模 之间产生混叠现象，而接地电导的可变特性则对单相接地故障时的所有模量都 将产生较大的影响。总的说来，无论地模还是线模暂态行波分量，其波形在传 播过程中都将发生畸变，而地模行波波形的畸变更为严重心2 6 朝，将会对行波保 护( 尤其是行波距离保护和行波差动保护) 的灵敏性产生一定的影响。 ( 3 ) 哲态行波信号传变的影响 暂态行波所覆盖的频带很宽，从几k h z 到上m h z 。为了能够从互感器二次 侧检测到线路上的暂态行波信号，要求电压、电流信号传变回路具有足够快的 响应速度。研究表明，常规的电流互感器能够传变高达1 0 0 k h z 的电流暂态分量 n9 1 ，但是常规的电容式电压互感器( c v t ) 由于截止频率低阳羽，而不能满足高 山东大学博士学位论文 频电压信号的传变要求。c v t 的局限性对需要电压行波的保护来说是一个重要 的影响。 ( 4 ) 缺乏合适的数学分析工具 继电保护原理的发展在一定程度上依赖于对故障特征的准确提取与利用。 信号处理的主要目的在于寻找一种简单有效的变换方法，使信号所包含的感兴 趣的特征在另一种形式下变得更加明显，更易于进行特征分析。而行波信号是 一种典型的具有突变性质的、非平稳变化的高频暂态信号，只在故障后几个m s 内存在，对行波保护来说，如何选择合适的数学工具对行波信号蕴含的故障特 征进行准确提取和分析，至关重要。遗憾的是以前的数学分析方法相对匮乏， 常规保护中利用的f o u r i e r 变换是纯频域内的分析方法，在时域内无任何分辩 能力。而行波信号既是时间的函数又是频率的函数，对行波信号进行时频刻划， 在过去是无法实现的。 ( 5 ) 数字仿真与系统实际运行数据的差异 迄今为止，除了7 0 年代末、8 0 年代初国外推出几种行波保护装置，且运行 不可靠外，对行波保护的研究主要集中在保护原理分析和数字仿真验证两个方 面。虽然理论分析和仿真验证说明行波保护比常规基于工频量的保护具有更快 的速度且不受系统振荡、c t 饱和、过渡电阻等的影响，但所有的行波保护原理 都未经电网实际数据的检验。实际上，电网会时时刻刻遭受各种干扰，运行数 据也会千变万化。而数字仿真是一种理想化的工具，即使人为施加干扰，也是 一种理想的扰动。因此，数字仿真和电网实际运行还有一定的差异。所以，行 波保护装置的研究还要加以时日。 1 3 解决传统行波保护存在问题的措施 由上面的分析可发现，从故障暂态分量中准确、充分地提取故障信息是实 现行波保护的前提，而只有对暂态信号在时域和频域内同时进行分析和刻划才 能充分地利用这些信息。针对传统行波保护所遇到的困难，目前在分析和实现 技术方面主要有如下措施： ( 1 ) 暂态行波信号的提取 传统的电流互感器能够传变高频暂态信号，而电容式电压互感器由于截止 频率低而不能有效传变高频暂态信号。为此，国内外电力工作者进行了相关的 8 山东大学博士学位论文 研究。目前在行波定位方面，提出了许多获取行波波头的方法，综合为两类： 其一，采用专门设计的暂态信号耦合器，可以直接获取或间接反应线路末端的 高频电压信号。文献 9 3 】通过将一电感线圈串入c v t 的接地导线中来抽取电压 暂态信号。文献【2 8 和【2 9 】则采用专门研制的行波传感器来耦合容性设备接地导 线上的电流暂态信号，从而间接地反映线路电压暂态信号。武汉高压研究所研 究了一种利用变电站电容元件上串接的小电抗，提取行波信号进行故障定位的 方法。其二，英国、淄博科汇公司、西安交通大学、清华大学、中国电力科学 研究院等单位提出了电流行波采集与测量的方法，由高速a d 采集系统记录故 障产生的暂态行波信号，由计算机利用小波分析进行信号处理，查找行波波头 n 2 引。上述两类方法的目的是检测行波波头的到达时刻，对行波信号的传变精 度没有严格的要求。 在早期的行波保护研究中，文献 9 4 设计了一个由高速方向监测器控制且连 接到线路侧c v t 高压耦合电容器的结合滤波器来获取线路故障产生的高频电压 信号。文献【9 5 】利用窄带阻波器抑制来自被保护线路外部的高频分量，并将结合 滤波器的通带调为与阻波器相同，因而在通带内只反应被保护线路内部的高频 电压分量。在近代的行波保护研究中，要么只利用电流行波信号，要么未提及 电压行波信号地获取问题。 分析表明，直接采集电流互感器二次侧电流信号比通过各种耦合设备采集 电压或电流暂态信号更具优越性。当然，如果能够同时采集电流信号和来自各 种附加耦合设备的电压或电流暂态信号，则在保护原理上无疑更为完备。 随着光学电流互感器( o c t ) 阳6 1 和光学电压互感器( o p t ) 旧7 1 以及电子式 互感器( e c t 、e p t ) 嘲10 1 1 在实际电网中的推广应用，暂态信号的提取将会变得 更加容易。 ( 2 ) 相关领域技术的应用 近几年，行波保护再次受到重视，其中一个重要原因就是相关领域技术的 迅速发展。这些技术包括现代微电子技术、全球定位系统( g p s ) 技术、现代 通信技术和高速数字信号处理技术( d s p ) 等。 现代微电子技术使得行波保护中对于电压和电流暂态信号的高速采集和存 储成为可能n 0 2 3 ，进而为行波保护( 尤其是无通道行波保护) 技术的实现提供了 物质基础。g p s 技术为新型继电保护提供了高精度同步时钟n 们1 0 7 1 。现代通信技 9 山东大学博士学位论文 术的应用为行波保护( 尤其是有通道保护) 的研制奠定了高速通讯基础。而d s p 技术的应用则促进了各种实时高性能行波保护算法的发展。 ( 3 ) 现代信号分析处理技术的应用 2 0 世纪9 0 年代以来，一种新的现代信号数字处理算法一小波变换法在继电 保护领域获得了广泛的应用乜p 2 2 3 玑3 5 _ 7 8 。9 13 。作为时频分析工具的小波变换可以 分别对暂态信号的时间特征和频率特征进行描述。各种行波保护原理其本质都 是基于监测和识别故障产生的暂态分量波形，因此对利用高频暂态行波信号构 成选择性且具有较高可靠性的保护原理，必须从时域和频域两个方面对信号进 行分析和识别。从这一点而言，小波的多尺度监测理论比传统的时域( 相关法) 和频域( 傅立叶法) 分析方法更能全面表达暂态信号的故障特征。同时，高速 数据采集技术的发展为小波分析应用于行波保护提供了保障。总之，小波变换 强大的时频分析能力、优异的奇异性检测能力，为新型继电保护算法的研发提 供重要支持。 作为现代信号处理的另外一个重要分支，数学形态学在继电保护中的应用 也日渐广泛n 。1 1 4 1 。数学形态学可以用来设计各种数字滤波器，其突出优点在于 它既能有效滤除各种脉冲噪声和随机噪声，又能很好地保持原始信号的形态特 征。另外，经过有效组合后，形态滤波也同样具有奇异性检测的能力。数学形 态学的另一个优点是形态滤波的实现十分简单，仅利用布尔运算和简单的加减 运算，在高实时性继电保护算法中具有优势。 ( 4 ) 现场高速数据采集系统的应用 对行波保护原理的研究既需要采用大量的数字仿真验证，更重要的是采集 电网实际运行数据，以考察行波保护各项技术性能指标。由于通常的微机保护 以及故障录波装置采样率较低，文献 1 1 5 提出并设计了g p s 同步高速采集系统， 具有大容量的存储空间，能同步记录电力系统各变电站各种扰动作用下的变化 过程。这为获得电网实际运行数据，包括故障产生的高频信号和开关操作、雷 电冲击等非故障高频干扰数据，以此来验证行波保护原理的正确性和有效性， 带来了可能。 ( 5 ) 高频干扰信号与故障行波信号的识别研究 输电线路行波保护原理是基于行波传输理论来实现的，由于故障产生的暂 态行波信号和雷击线路及开关操作等产生的暂态冲击波在较短的时间内有其相 1 0 山东大学博士学位论文 似性，因此各种高频干扰信号是影响行波保护可靠性的主要因素之一。架空高 压输电线路由于杆塔高，更易遭受雷电冲击，行波保护必须对其加以识别。目 前，许多识别雷击干扰和短路故