（电力系统及其自动化专业论文）基于小波变换的暂态母线保护研究.pdf

华南理工大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t i np o w e rs y s t e mn e t w o r k s 。b u s - b a ri sac r i t i c a lr e l a y i n ge q u i p m e n t ，w h i c hi sa p o i n tf o re n e r g yc o n c e n t r a t i o na n dd i s t r i b u t i o n t h er e l i a b i l i t yo ft h eb u sp r o t e c t i o n o p e r a t i o nc a ni n f l u e n c eb o t hs e c u r i t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h es y s t e m b e c a u s eb u s b a r f a u l ti np o w e rp l a n to rs u b s t a t i o ni so n eo ft h ef a u l t st h a tw o u l dc a u s es e r i o u sa c c i d e n t i np o w e rs y s t e m ，i ti sn e c e s s a r yt or e m o v et h ef a u l tq u i c k l yt oa v o i di t se x p a n s i o nt h a t w o u l dt h r e a t e nt h es t a b i l i t yo re v e nc a u s et h ec o l l a p s eo ft h es y s t e m t h er a p i d d e v e l o p m e n to fp o w e rs y s t e ma n dt h e i n c r e a s e o ft h e i rv o l t a g el e v e l sr e q u i r e i m p r o v e m e n ti n t h er a p i d i t yo ft h eb u sp r o t e c t i o n b u tt h ee x i s t i n gp r o t e c t i o n p r i n c i p l ec a nn o tb ea f t e rw i t ht h ed e v e l o p m e n to fp o w e rs y s t e m t h u s ，t or e s e a r c hf o r n e wb u sp r o t e c t i o nw i t hb e t t e rp e r f o r m a n c ei ss i g n i f i c a t i v ef o rp o w e rs y s t e m b a s e do nt h es t u d y i n go fm a n yr e l a t e dr e f e r e n c e s ，i n c l u d i n gf o r e i g no n e s ，a n d t h el u c u b r a t i n go fa c t u a l i t yo fb u sp r o t e c t i o np r i n c i p l e ，an o v e lt r a n s i e n t - b a s e db u s p r o t e c t i o ns c h e m et h a tu s e sw a v e l e tt r a n s f o r ma sat o o li sp r e s e n t e di nt h i st h e s i s s i g n a l sc r e a t e dd u r i n gt h ef a u l tc o n t a i nag r e a td e a lo fi n f o r m a t i o n ，i n c l u d i n gt h e t y p e ，d i r e c t i o n ，p o s i t i o n ，p e r s i s t e n tt i m e t h ep r o t e c t i o nb a s e do nt 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 si si m m u n et om a n yf a c t o r ss u c ha s l o a d i tc a nb eu s e dt o t h o r o u g h l ya n a l y z ef a u l ta n dt om a k et h er e a l i z a t i o no fn e wp r o t e c t i o np r i n c i p l e w h i c ht h o s eb a s e do np o w e rf r e q u e n c yc a nn o ta c h i e v e t h e r e f o r e ，t h i st h e s i sp r e s e n t s ab u sp r o t e c t i o np r i n c i p l eb a s e do nt r a n s i e n th i g hf r e q u e n tc o m p o n e n t s i nt h i st h e s i s ， al o to fw o r kh a sb e e nd o n eo nt h ea n a l y s i sa n dc o m p a r ef o rt h et r a n s i e n tb e h a v i o r c o r r e s p o n dt ob u si n t e r n a la n de x t e r n a lf a u l t t h ed i f f e r e n tc h a r a c t e r i s t i cb e t w e e n t r a n s i e n tv o l t a g ea n dt r a n s i e n tc u r r e n tc a nb eu s e dt od i s t i n g u i s hw h e t h e rt h ef a u l ti s i n t e r n a l b e s i d e s ，d u et ot h em u l t i f o r m i t yo fb u ss u c ha sd o u b l eb u s ，b r e a k e ra n da h a l fs c h e m eb u s ，t h ep r o t e c t i o ni sa l s od i s c u s s e dr e s p e c t i v e l y d e t a i l e da n a l y s i sa n d t h o r o u g ht r e a t m e n ti si nt h i st h e s i s t h ee x t r a c t i o n o ft r a n s i e n ts i g n a la n di t sc h a r a c t e r i s t i ci sp i v o t a li nt h e r e a l i z a t i o no ft r a n s i e n tp r o t e c t i o n w a v e l e tt r a n s f o r mi sap o w e r f u lt o o lf o rt h e r e s e a r c ha n di d e n t i f i c a t i o no ft r a n s i e n tp h e n o m e n ai np o w e rs y s t e m i tc a na n a l y z et h e c o m p o n e n t so ft h es i g n a l si nd e s i g n a t e dw a v e b a n do rt i m ei n t e r v a l t h eg o o df e a t u r e o ft i m e f r e q u e n c yl o c a l i z a t i o nm a k e si tm o r ee x a c t l ya n dr e l i a b l yt od e t e c ts i n g u l a r a n dt r a n s i e n tf a u l ts i g n a l sa n de x t r a c tc h a r a c t e r i s t i c s a c c o r d i n gt ot h ec o n c e p t i o no f t r a n s i e n t - b a s e dp r o t e c t i o n ，t h i sp a p e rp r e s e n t san o v e lt r a n s i e n t b a s e db u sp r o t e c t i o n s c h e m et h a tu s e sw a v e l e tt r a n s f o r ma sat 0 0 1 b yc o m p a r i n gt h es i m i l a r i t i e so fw a v e l e t t r a n s f o r mw a v e f o r m so ft r a n s i e n tv o l t a g e sa n dc u r r e n t si na l lc i r c u i t sc o n n e c t e dt ot h e b u sd u d n gat i m e ，w h e t h e rt h ef a u l ti si n t e r n a lo re x t e r n a lcanb ed i s t i n g u i s h e d a n d c r i t e r i o n sc o r r e s p o n dt os e v e r a lk i n d so fb u sc o n f i g u r a t i o n sa r ea l s og i v e ni nt h i s t h e s i s f i n a l l y e m t pi su s e dt os i m u l a t ea nk i n d so ff a u l t sf o rb u s b a rw i t hd i f f e r e n t c o n f i g u r a t i o n t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e ds c h e m ei sc o r r e c ta n de f f e c t i v e i n a l lt h es i m u l a t i o n c a s e s d e s p i t e o ft h ed i f f e r e n tk i n d s ，p o s i t i o n ，t i m e sa n d s h o r t c i r c u i tr e s i s t a n c eo ff a u l t st h es c h e m ec a nd i s t i n g u i s ht h ei n t e r n a la n de x t e r n a l f a u l t sc o r r e c t l ya n dr e l i a b l y s ot h i sk i n do fp r o t e c t i o ni ss e n s i t i v ea n dr e l i a b l e k e y w o r d s ：b u sp r o t e c t i o n ；w a v e l e tt r a n s f o r m ：t r a n s i e n tb a s e dp r o t e c t i o n h i 华南理工大学 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： 可坪日期：2 驴办年多月g 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。本人授权华南理工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，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密哥。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：了导 导师签名：刁疡习 日期：z 翻刀年占月驴日 日期：2 哆年月罗日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 发电厂、变电所母线是电力系统中最重要的组成部分，母线故障是电气设备 最严重的故障之一，它将使连接于故障母线上所有的元件被迫停电。特别是超高 压系统中枢纽电厂或变电站的母线，如果发生故障不及时切除，将使事故进一步 扩大，造成大面积停电，后果更为严重的会破坏整个系统的稳定运行。 与暴露在野外的输电线路相比，母线发生故障的次数较少。但是与其他电气 设备相同，母线及其绝缘子也存在着由于设备工艺、雷击【2 1 等引起的短路故障 3 , 4 1 ，此外还可能发生由值班人员误操作而引起的人为故障【5 】。实际运行经验证明， 母线故障的几率还比较大。母线的短路故障在电力系统故障次数中仍占有一定的 比例，并且所造成的后果十分严重。据国内某电网1 9 7 0 1 9 7 6 年的统计，在2 2 0 k v 电网中发生的1 2 2 次故障中，母线故障为1 6 次，占故障总数的1 3 1 。表1 1 列 出由国外统计所得的各不同工作电压母线的故障发生率的资料。 表卜1母线故障的发生率 t a b l e l 1p r o b a b i l i t yo fb u sf a u l t 各类母线工作电压( k v ) 项目 6 6 6 71 1 0 h 1 5 41 8 7 2 7 56 6 2 7 5 ( 合计) 母线组数 1 1 2 2 2 3 8 1 8 1 3 7 8 故障次数 1 8 8 3 3 52 2 6 故障发生率( )1 6 81 3 92 7 81 6 4 一年内故障率( 次年) 0 0 8 40 0 6 90 1 3 90 0 8 2 母线上发生的短路故障可能是各种类型的接地和相间短路故障【6 】。据统计， 大部分母线短路都是伴随接地的短路故障。其原因大部分是由绝缘予对地放电所 引起的。母线故障开始阶段大多数表现为单相接地故障，而随着短路电弧的移动， 故障往往发展为两相或三相接地短路。因此，母线短路故障的性质一般比较严重， 给电力系统安全运行带来的危害较大。 如未装设专用的母线保护装置，在发电厂和变电所母线发生短路故障的情况 下，切除故障的时间的拖长，将对电力系统和设备的安全运行带来严重影响。这 些影响表现为下列几个方面： 1 扩大事故的范围 华南理工大学工学硕士学位论文 如图1 1 所示，当母线发生短路故障雨又未装设专用的母线保护时，只能由 线路霹铡窝交蓬器懿惹釜缳妒寒切狳母线簸路教障。霆戴，将傻连接褒l 、l l 疆 组母线上的所有线路和变压器被断汗，扩大了停电的范围。 2 电气设备遭受疆蓼 线路对侧和变压器后备保护的动作时间一般都较长，在母线发生短路时，在 长时瓣短路电流豹热程力的终曩下，可以使导线熔瑟，电气设签受到破坏。电流 和电聪互感器等电气设备的套管，在长时间的闪络下可发展为电气设备的爆炸事 故。 图1 - 1 母线故障时的切除范围 f i g l 。1t h ee x i ta r e ao fb u sf a u l t 3 。破坏电力系统稳定运行 巍枢纽变电站的母线发生短路时，送端的发电机不能将发出的功率输送到受 端，发电视缀将加遮。对予爱端来说，由予存在秘率缺额，受瓣发电梳组的转遽 将减慢。因此两侧的发电机组将失去同步，此时系统电服大幅度波动，大量甩负 荷，蓑至使亳力系统瓦解成若于孤立系统。功率邀剩系绞豹发电梳经褥被遥韬除 一部分，而功率缺额系统中又有相应的部分用户被迫停电。发电机组重新起动以 及与蕺滔恢复并歹| l 等事故楚灌，需簧花费缀长对阏。霞鼗毒母线放障繇弓 踅懿破 坏电力系统稳定事故，将使大范围的用户受到长时间停电的威胁。 4 破坏发毫厂瓣正常逡行 当母线发生短路并且切除故障的时间较长时，发电厂厂用电母线的电压将大 禧疫下海。鼗辩驱魂给汞泵、送菇祆、弓| 援l 极等麓邀动穰瓣转怒大大躐，l 、，傻厂 内热力系统的正常工作受到破坏，导致发电厂不能维持正常运行。 溪篷，燧母线僚护装鬟寒迅速正确蘧甥除赦簿母线，滇除鬣缝枣藏簿造残豹 后果是十分必要的。母线保护的正确动作盥接关系到整个电力系统的稳定性及供 邀可黪蛙。隧整邀力系统豹不酝发爱，为了确保魄力系绞豹安全运行，对母线缳 护的快速性与可靠性更是提出了很高的要求。因此，研究动作速度更快、性能更 好懿凝望母线保护骧理具套理论霸癸嚣豹爨义。 2 第一章绪论 1 1 1 母线保护的要求 鉴于母线的正常工作对电网的安全运行起着举足轻重的作用，其保护必须满 足以下的要求： 首先，母线保护必须具有高度的可靠性。母线保护的动作范围包括了连接在 母线上的所有元件，因此母线保护的可靠性将直接影响电力系统的安全运行。母 线保护的可靠性( r e l i a b i l i t y ) 包括两个方面，一个是母线故障时保证母线保护的可 靠动作，防止拒动的发生，这个特性称为可信性( d e p e n d a b i l i t y ) 。另一个是在正常 运行或者发生区外短路时，保证母线保护不发生误动作，这个特性称为安全性 ( s e c u r i t y ) 。 在母线发生短路时，母线保护应可靠地将故障的母线段切除。母线保护应能 反应各种不同类型的短路故障。在二分之三断路器母线和多分段母线情况下，当 母线发生短路时即使某些连接元件的电流可能自故障母线流出，母线保护仍应可 靠地切除故障母线段。 其次，母线保护应具有很好的区分内部和外部短路的选择性，以及在各种运 行方式下区分出故障母线组的选择性。根据运行方式的要求，有时各连接元件需 要在各组母线之间进行切换，此时母线保护仍应保持选择故障母线组的能力。 再者，母线保护的速动性也是非常重要的。如切除母线短路故障的时间延长， 有可能造成电力系统失步甚至瓦解事故。因此，母线保护快速切除母线短路故障， 是保证电力系统安全运行的重要手段之一。在发生母线的外部短路故障时，流过 故障元件的电流值很大，使该元件的电流互感器铁芯迅速饱和。尤其是当一次短 路电流中包含幅值较大、衰减较慢的直流分量时，电流互感器二次电流的数值和 波形会发生严重的畸变。二次电流的畸变有可能导致母线保护误动作。如果母线 保护动作十分迅速，母线保护的工作特性可较少地受电流互感器铁芯饱和的影响， 并在发生外部短路时可很快地将母线保护加以闭锁。 1 1 2 实现母线保护的困难 基于电力系统运行的实际情况，实现母线保护存在着不少困难： i 基于母线故障对电力系统稳定将造成严重威胁，必须以极快的速度切除，同 时为了防止电流互感器( c t ) 饱和使保护误动，也要求保护在故障后几个毫秒 内c t 饱和前就能反应。目前已能做到在故障后2 3 个毫秒内动作的保护装 置： 2 由于母线在电力系统中的地位极为重要，对其保护装置的安全性和可靠性， 都要提出极高的要求： 3 母线保护联系的电路数目很多，比较的电气量很多，各电路的工作状态不同 华南理工大学工学硕士学位论文 ( 有电源或无电源，有负载或空载) ，各被比较电气鬟的变化范围不同，可能 稳羞缀大； 4 母线的运行方式变化较多，倒闸操作频繁，母线保护必须能适应母线的各种 运行方式，疑对频繁兹羧路器秘疆离羚关豹攥痒斑慰零线缳护产生过邀鹾移 干扰，影响保护工作或使保护裟置损坏； 5 。由予母线保护歇连接熬魄路数霆多，强部赦黪辩，故障电滚髂数缀大，超嵩 压母线接近电源，直流分量衰减的时间常数大，因此c t 可能出现严重饱和现 象。母线保护必须要采取搓旌，防止c t 逸弱粤 起误动。 1 2 母线保护原理的研究现状 1 2 1 传统的母线保护原理 l ：孰s 龇【j 。】+ 1 忒 2 l 溅3 l 珏4 。h i ：l 毛 ji 毒 i 以 - q ， 土土：夕， 土， 2 3n 甏1 - 2 电流差动原理 f i g l * 2s c h e m a t i cd i a g r a mo 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 n 从二十世纪初感应型过流继电器出现，到二十世纪5 0 年代的晶体管式继电保 护装鬃，再到s o 年代戆集成电路激缳护。继毫保护经历了一个不断囱魏发展的过 程。 瞧滚差淤保护是发电机、变压器等电气设备使用最广泛的一种保护方式，它 的特点是可难确地区分出被保护元件的内部或外部短路敞障。电流差动保护也是 母线僚护的一耪基本保护方式。 按照电流差动保护的原理，母线保护接在各连接元件的电流互感器二次电流 的和电流回跋上。为此将各连接元传同名棚电流互感器的同极性二次侧连接起来， 4 l m l 开 出 断 1 ， 第一章绪论 接入电流差动继电器，接线图如图1 2 所示。 接入电流差动继电器的电流j 为各连接元件电流互感器的二次电流之和，即 三 i2l m + i 1 2 + + l t h 2 l i i m 式中j 。、j 。：、j 。为各连接元件电流互感器的二次电流。 在正常运行情况下和母线外部( 线路) 发生故障时，根据基尔霍夫定律，流 入母线的电流之和为零，即 ，n + ，2 + i m 2 0 当母线发生短路时，根据基尔霍夫定律，流入母线的电流之和不为零，而是 1 n + 1 1 2 + l h 2id 式中 j 。一一流入母线故障点的短路电流。 所以，母线差动保护的判据为 i n + 1 1 2 + i l n 2i d i 虹 如果电流，。大于母线保护的动作电流k 时，母线保护即动作，将连接在故障 母线上的断路器都跳开。由于电流差动母线保护不需要与各连接元件的其它保护 装置配合，可以正确地区分母线的内部和外部短路故障，因此它是一种接线简单， 可以瞬时动作和可靠的母线保护方式，也是使用最广泛的一种母线保护方式。 传统的母线差动保护都是低阻抗型。其优点是在内部故障、全部故障电流流 经阻抗很低的差动回路时，差动回路上的电压相对较小，不会对继电器造成过电 压。但在外部故障、而故障电路c t 饱和时，由于差动回路的阻抗低，因而通过 的不平衡电流大，为了使保护不误动，保护定值应按躲过此不平衡电流整定，这 使保护的灵敏度降低。为了克服这个问题，可在差动回路串入一高阻抗，其值可 在数百欧姆以上，因而在外部故障c t 饱和时，可减小差动回路的不平衡电流。 但在内部故障时，差动回路可产生危险的过电压，必须用过电压回路减小此过电 压，以保证既能使继电器动作，又不会因过电压而损坏。这就是高阻抗母差保护。 而具有显著的优点的中阻抗母线差动保护实际上是上述两种母线差动保护的折中 方案7 ，8 1 。 1 2 2 微机母线保护原理 随着计算机技术的发展，出现了微机母线保护。随着微机处理器技术的迅速 发展及其价格的急剧下降，在上个世纪7 0 年代后半期出现了比较完善的微机保护 样机。到9 0 年代，微机保护在我国得到了大量的应用 9 1 。人们借助计算机强大的 数字处理、计算能力，将母线保护原理翻译成计算机语言，同时将保护原理、算 法加以改造，如采用同步法克服c t 饱和的影响，利用计算机的自检能力增强保 华南理工大学工学硕士学位论文 护本翳的稳定性，从而使母线保护的性能肖了大幅度的掇高。 瀵微规线路保护取褥曩大成功爱，人髓开始探讨微执保护熊否盛瘸子电力系 统中这个最熬要的元件一一母线。尤其是中阻抗母线保护在动作速度、灵敏度、 可靠瞧等方巍已能瀵足裹爨和超蠢笨保护抟要求。皴枫像护用予母线霹带来缀多 好处，如： 1 微极母线保护不篱要公共的差电流回路，不嚣要搀各圄路的c t 并联在一起， 而是通过软件计算来合成动作呶流和制动电流，这大大简化了交流二次回路； 2 可以用软 牛来平德各回路c t 变比的不周，不篷要设辅助c t ： 3 利用微机的计算能力和智能作用可实碱更可靠但复杂的动俸判据，刨造各种检 测c t 饱鄹的新判据； 4 可糟微机的智能作用自动识别备回路所连接的母线段，但这个问题目前还未很 好解决，还是要弓l 入各聪离开关的位爨信号，只是不用去切换c t 的二次凰路 以适应母线的不问运行方式。 因为这贱优点，微机母线保护很快就发展起来。由于所采用的判掇主要还是 基于电流差动和电流比相式，因就仍然面临着抗c t 饱耩能力麓的缺点。因j 魄， 继电保护工作者一方面对此做了大量的研究工作，提出一些实用的检测c t 饱和 的翔攥和方法。文献 1 1 掇出在母线保护审使用带波形梭测单元的抗c t 饱帮装 置。文献 1 2 提出将c t 的信息用光纤引入中央控制单元进行饱芹判别。文献 1 3 根据镶和电流互感秣二次嘏流中含有谮波分量的特点，熬体分税各静魄耱类黧帮 程度下，谐波比的大小，以判别电流互感器是否发艇饱和，从而发出相成的闭锁命 令。文献 1 4 】率校撵母线发生短路敌障辩，电滚互感器锪耱吴有滞后酶特点，强出 了一种应用小波变换原理提取故障电压暂态特性，准确检测故障发生时刻，并根据 辩差法斡基零原理来确定筑是否魄帮瓣新方法。这些方法在一定程度上禳决了 c t 饱和问题对母线麓动保护的影响。 努一方甏，久 | 、l 遣嚣始碜 究骚麴徽橇母线裸妒体系绻穗零藤理。遥些年撬逛 的分布式微机母线保护【l5 】是将整个保护系统按照母线上回路数分成相同数目的 爨护纂元，黪套夔攀茏黎懑过数据遴诿弼络联结起寒，簿个徐轳单元郝麓将冀溷 路电流、工作状态信息( 如该回路所在的母线段号及其断路器烧否闭合等) 传给 荬它零元，毽接收其宅镶护攀元费寒静电滚帮霾路_ i 终状态莛惑。每个徐护擎元 都能够独立地计算出差动电流和制幼电流，并按照动作判据决定是否动作。如果 鼓障发生在被爨护戆母线段上，赠在l 逡段姆线上戆每令簸路熬爨护擎元都凌动撵 跳闸，清除故障。假如某个单元受到电磁干扰或硬件发熙故障而误动，则只跳开 本霞路嚣不影响其它单元。 图l 一3 为分布式微机母线保护的构成原理。 文簸【1 6 】测用母线上各隧路故赡分量掰对应躺正、受滓等效阻摭静媚角所在 6 第一章绪论 的象限判别母线区内外故障；文献【1 7 】则提出了一种基于暂态能量的母线方向保 护原理，它通过计算各回路故障后三相电压、电流故障分量的暂态能量之和综合 判别母线区内外故障。上述所有这些原理从本质上说都是基于对工频量或工频变 化量的计算，在动作速度上将越来越不能满足电力系统不断发展的要求。 图1 3 分布式微机母线保护构成原理 f i g l - 3s k e l e t o nd r a w i n go fad i s t r i b u t e dd i g i t a lb u sp r o t e c t i o n 1 3 本文主要工作 本文在分析了母线保护现状的基础上，针对母线保护中仍然存在的一些关键 问题进行研究工作，本论文的主要工作如下： ( 1 ) 通过大量阅读国内外有关文献，分析了母线保护的研究现状和发展趋势， 论述了母线保护的原理以及有关问题。 ( 2 ) 分析了基于暂态量的保护原理。暂态保护是通过捕捉故障暂态高频分量构 成保护的新原理。由于硬件、信号处理手段的进步，暂态保护逐渐成为研究的热 点，在未来的继电保护的发展过程中的将占有重要的地位。 ( 3 ) 提出了一种新的母线暂态保护原理。通过对母线内、外部故障所对应的 暂态过程进行深入的分析、比较，发现在内、外部故障时，母线上各回路的暂态 电压、电流行波具有不同的特点，利用这一差别能够有效地区分母线的内、外部 故障。此外，结合各种常见的母线接线方式，如双母线接线、二分之三断路器母 华南理工大学工学硕士学位论文 线接线等，对所提出的母线暂态保护新原理进行了分析，论证其对不同母线接线 方式懿逶曩性。 ( 4 ) 利用小波变换提取故障暂态特征构成母线暂态保护判据。小波变换是研 究、识别电力系统骜森现象戆有力工具，英良好的射频鼹郏纯姆性，傻荚对具蠢 奇异性、瞬时性的电力系统故障信号的检测和特征提取更加准确、可靠。本文利 用数蹲簦态信号蕴含豹丰富信息翻小波交换在信譬处理中豹卓越性能，提出了基 于暂态信号小波变换的母线保护新方法。利用母线各回路暂态电压、电流小波变 换输出波形穰似蛀构成豹保护判据缝够快遮、准确判断母线内孙郝故障。该判撰 不受故障类型、故障地点、故障时刻及短路电阻的影响，具有商的灵敏度和可靠 性。 ( 5 ) 应用e m t p ( e l e c t r o m a g n e t i ct r a n s i e n t sp r o g r a m ) 对各种不同的母线接线方 式进行各种故障情况的仿真计算，以验证所提保护判据鲍正确性。 第二章基于暂态量的保护原理 2 1 引言 第二章基于暂态量的保护原理 自从本世纪初第一台机电型感应式过电流继电器( 1 9 0 1 年) 在电力系统应用 以来，已经历了一个世纪的发展。在最初的二十多年里，各种新的继电保护原理 相继出现，如差动保护( 1 9 0 8 年) 、电流方向保护( 1 9 1 0 年) 、距离保护( 1 9 2 3 年) 、高频保护( 1 9 2 7 年) ，这些保护的原理都是通过测量故障后的稳态工频量来 检测故障的。 随着电力负荷的飞速增长，电力系统的规模愈来愈大，超高压电网增多。传 统的基于工频量的保护已经越来越不能满足电力系统的发展。在电力系统故障、 操作、雷电等扰动过程中，电压、电流信号含有丰富的高频分量，蕴含大量的系 统状态信息。故障信息的识别、处理和利用是一切继电保护理论与技术的基础。 故障信息有故障后工频稳态分量和暂态分量之分，它们都是可利用的。此外，故 障后伴随着断路器动作，各种电气量也会发生变化，尽管不是由故障直接引起的， 但它们有助于最终切除故障，也可视为故障信息，加以利用。本章主要介绍一下 基于暂态量的保护原理。 2 2 电力系统的暂态过程 电力系统正常运行的破坏多半是由短路故障引起的。发生短路时，系统从一 种状态剧变到另一种状态，并伴随产生复杂的暂态现象。 图2 - 1 简单三相电路短路 f i 9 2 - 1s k e t c ho ft h r e e - p h a s es h o r t - c i r c u i t 图2 - 1 为一简单的三相电路短路的情况。经计算可得出a 相的短路电流为 9 华南理工大学工学硕士学位论文 f = l p ms i n ( o x + 口一妒) + 口。s i n ( f z 一妒) 一f 。s i n ( a q , ) l e x p 卜# ，l ) ( 2 1 ) 霹见，魄路孛会骞邀錾麓电感，为了缕持电感孛熬毫滚在筑路兹初瓣阕不突 变就产生了赢流分量，此直流分量在高压和低压电网中都存在，称为基本非周期 分量。菲周期分量按其所浚经圈路熬封闻鬻数衰羧。所以，疆豢电网惫基等级熬 不同，衰减的时间常数是有所不同的。在低压电嘲中，此分量袋减很快，而继电 保护动 乍相对较馒，因两卷不考虑其影响。在超簿压电嬲中，系统阻抗中电照分 量的比例下降，暂态分量的寝减时阏常数也就增大了。如在3 3 0 k v 线路上短路时苫 一0 。0 4 s ( 即暂态过程将持续6 7 个工频周期) ；在5 0 07 5 0 k v 线路上可达 0 0 7 5 s ；由于现代大容量发电机的时间常数很大，故在大容量电站出线的始端短 路时则可能受大一些，一般f 一0 1 5 0 2 s 。另外，在短路电流中还鸯衰减的周 期分纛，其中有大量的高频分量l l ”。 农电力系统中，电压鄹电流都是以波的形式传输，称之为“行波”。行波在行 进的j 违程中，遇到“障碍”( 例如当波阻抗发生变化) 时，就会发生反辩，并透射 到联接于该处的其它元件( 如输电线等) 。值得注意的是，只有当行波推进到该处 时，该“障礴”才对到达该处的行波发生作用。如图2 2 所示，某一元件( 例如 母线或线路) 发生故障，该处即产生一行波源，产生的行波开始向故障点的两边 传播。在遥到波阻抗不同的元件时，一部分行波梭反射，另一部分嬲透射到下一 个元件中去。而被反射的部分则与原先的行波叠加，经过无数次的反射与折射， 这也藏是故障后高额分量酶来源。 最臼+ 掰)曩 o ( 4 。1 ) 矗 g 等效的频域表示是 广 w t ；( 群，_ ) = ：当f x ( 妫￥+ ( 魏咖+ 脚d c o( 4 2 ) 历- l 式中x ( 囝， f ( o o 分别是羔秘) ，状f ) 的馋立时变换。 小波变换可以定义为把一个离散信号或图像用一组具有不同尺度和不同位置 的小波函数表示。小波变换采用蚨速堪妓算法，塔式算法包攒一系列线性滤波爨 运辣，并鼠是在对输出采样减半进行的。 为了遴一步理解上述定义，我们首先看一下f 么是小波。小波怒一个振荡波 形，它最多持续几个周期。一个给定的小波具有位置和尺度，它特剐适合予表示 一个具有不连续燃的信号或图像。此外，小波是各种麓样的，并且述会不蛳发现 新的小波及其函数。图4 - 2 所示的小波怒一个例子，它是在上个世纪8 0 年代宋由 i d a u b e c h i e s 教授发现的。 圈4 2 小渡波形 f i g 4 2w a v e f o r mo fw a v e l e t 在图4 3 中给出了用小波交换进行信号分析的例子。被分析的信号是一个锯 齿波，簧号起秘熬粒闺璞大。这一信号波影鼹不嚣售号蠢足凌麴小波表示，躲图 4 - 3 所示。由图可见，粗尺度的那些小波刻划信号平滑的上升部分，而细尺度的 夺波裂攒遮着售号中数突交部分。图4 - 3 豹镊臻波痿号逸弱榉可矮倦立时变换来 第四嚣基于小波变换的暂态母线保护方聚 分析。分析结果表明，在每秒采样2 5 6 次的条件下，上述信号可用1 6 个小波来表 示，聪雳建立时变换辩，剽震题2 5 6 个歪弦波，这是困必建立咛变换缀难裁蕊信 号中间突变部分的缘故。 馘l 、一、一，一一 蹦 、，一一 靳2 _ 、。 l 艋2 1 、。一 # 瓣一 ，一 薏n 5 ，n 一一 l 翟= 二二= = 二= 爷n毛i一三蕊，一叶一一 拂1 3 、卜一 1 ) 1 e 千一 舭2 ， 魄】 n o 训暴 0 1 61 。o 图4 。3 信号及其不同尺度的小波变换 f i g 。4 3s i g n a la n d i t sw a v e l e tt r a n s f o r ma td i f f e r e n ts c a l e s 4 2 。1 奎波燕换的特点 小波变换的重要特点是它具有良好的时频局部化分析能力，或称为变焦性能， 也就怒说，它是一静耱聚焦劐信号线图像的任俺微小细节进彳亍分析的工其，霞诧 被誉为数学显微镜。 蓠先让我们觚薄立时交换说莛。傅立时交换瓣实质琵：把一个信号波形分解 成不同频率的正弦波之和，它们是从一* 刹+ o 。时域内的函数。如果这些正弦波 葫超来成力舔来靛波形，鄢么藏确定这个波形静俦立时变换。露藏嚣述，与傣立 叶变换不同，小波变换是把个信号分解成不同尺度和位置的小波之和，小波在 簿蠛窜是嚣帮佬豹，它持续只有少数尼个髑渡。歪因爻翔攫= ，小波变换才在靖缓 和频域同时具有良好的局部化性质。 羹了送一步浚饔小波交涣懿特点，下霹再看一下蓓号辩频嚣辩证努橇魏阕纛。 在信号分析中，有两种方式朱描述信号，把时间作为自变量而把信号的某一特征 华南理工大学工学硕士学位论文 作为因变量来描述信号；此时，自变量所取值范围称为时域。另一种最常用的方 法燕瘸售号豹馋立时变换浓接述宅戆频窭特蛙，所以，揍立时变换可以看据跫薅 间函数在频域上的寝示。傅立叶变换频率所包含的信息和原函数所包含的完全相 露，不疑豹仪是薅怒的表示方法。虽然薅立时变换毙较好遗刻颟售号熬频率特蛙， 特别那些本质上含肖正弦波的信号，例如语言信号等；但是它不能提供在时城内 豹援劈售息，嚣在缀多实骣阉题中所关心瓣是镕号在冠部范爨孛豹特征，这个任 务愚傅立叶分析不能胜任的，这就需要时频分午斥法。时频分析法又称为时频局部 位方法，它能够在艇钵上撵供萤譬豹全部信息，嗣时又戆提供任一局部时闻内信 号变化激烈程度的信息，加窗傅立叶分析就是一个例子。 加密傅立叶变换是在簿立时变换中嬲入一个时间上有限的时间函数暮，表 示为 g 图4 5 小波变换窗口 f i g 4 5w a v e l e tt r a n s f o r mw i n d o w 4 2 2 小波变换的奇异性检测原理 在电力系统中发生故障会出现某些电气量的突变，继电保护技术的基础在于 检出故障，其中包括故障发生的地点及时刻等，因此奇异性检测理论对继电保护 技术有特殊重要的作用。 一个信号f ( t ) 在某处间断或某阶段导数不连续，则称为，( f ) 在该处有奇异性， 检测信号奇异性的传统方法有频域法和时域法。傅立叶变换是频域法，如上所述， 这种方法不能具体地检出某一特定时刻的奇异性。利用求导数的方法是时域法， 由于不能有效地区分信号和噪声干扰，或是造成奇异性信号检测出错，或是检测 不出信号。为了消除干扰，传统的方法是先对信号进行滤波，但结果是既抑制了 干扰，也平滑了信号的奇异性。 坠血2 一；一 图4 - 6 模极大值的示意图 f i g 4 6m a x i m u mo fw a v e l e tt r a n s f o r mm o d u l s 日，上- l 上 一 一 一 一 一垃 甲_ _ | l 一 一睦 华南理王大学工学硕士学位论文 型!址 一 ，。j l 。j ：。_ f 型a 十 图4 7 多尺发边缘梭测 f i g 4 - 7m u l t i p l es p l i n ee d g ed e t e c t 小波交换的奇舜点检测理论怒建立在多尺度边缘检测和奇舜点对应于模极大 值的基础上的。图4 - 6 给出了信号，o ) 的小波变换( f ) 的模极大值的示意图。图 中，( 玲是在靠处出琥奇异点的信弩，它先经平滑函数学进行平滑处理，平滑函数 通常用高斯函数，小波变换形，( f ) 在尺度s 上即经平滑后的一阶导数，小波变换 ( f 在t o 爵瓣出魂极大德弼，瓴) ，它与傣号静奇异点稻瓣应。褥多尺泼透缘稔溅 则是采用平滑函数对信号极不同尺度下谶行平滑，然后从一阶爵数检测其奇异点。 图4 7 给密了稻用多尺度边缘检溅鲍理论对混有噪声静信号在不同尺度下进行分 解，然后再分析信号和噪声在不同尺度下的表现，从而可有效地消除噪声，保留 了穰号静镶子。 4 。3 基于小波变换豹爨线暂态保护方案 小波变换作为近年发展起来的一种新型的时频分析工具，突破了f o u r i e r 分析 在靖域中没脊任侮分辨力瓣缺陪，可敬对指定颥带和辩段内静信号成分遴幸亍分析 3 2 , 3 3 , 3 4 。它良好的时频局部化特性，使其对具有奇异性、瞬时性的故障信号梭测 帮特征提取鞭麴准确、可嚣。对魏，本文基予小波交挟提取誓态故障褥征稳箴暂 态方向母线保护方案。 小波交换其有分须俸惩，信号小波交换在备尺度下翡输高反映了该信号静个 频率分量随时间变化的规律。在商频段上，基波及各种低次谐波受到抑制，其输 鑫几乎为零，霞魏，秘蘑小波交换能够蠢效提取放障骜态行滚黥高频特征。敬障 暂态信号小波变换在小尺度上的输出，反映了暂态行波的高频特性，可用以实现 第四肇基于小泼变换的暂态母线保护方案 母线静态保护方案。 逶过兹一小节豹分掇可麓，综会毙鞍母线上爨骞嚣路保护测爨点豹妇；窝& ； 波形就可以识别母线的内外部故障：当所有回路的a u ，和加，极性相同，波形相似 薅，判必内部救簿；黉裂菇终部数跨。 对于三相系统，可以应用相模变换把三相系统变换成三个独立的由模量表示 的单相系统。上面的分析对每一模燃都是适用的。 故障启动判据 将母线三相电压的模量分别进行小波变换，当有一模量小波变换输出模值大 子阂毽r t ，帮满足式 叩 ( 4 4 ) 2 + 母线故障潮据 判为故障启动后，计算备模量电压的小波变换模极大值，取其中最大值所对 应魏挟鲞送行哿线敖鼯翔剐计算。魄较母线各强赣上该模i 曩毫嚣、电流夸波交换 输出的相似程度，即可进行母线区内外故障的判别。具体的算式如下： 蚕= ( 一母。) 2 ，2 ( 4 5 ) 英孛： h l b 自可( 4 - 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