基于暂态电流波形特征的快速差动保护方法技术

本发明专利技术属于电力系统故障识别技术领域，尤其涉及一种基于暂态电流波形特征的快速差动保护方法，包括：步骤1：提取故障发生时输电线路两侧保护安装处的暂态故障分量电流，求得差动电流；步骤2：采用基于最小二乘拟合计算方法提取差动电流中的波形主波动频率；步骤3：将波形主波动频率与保护判据值进行比较，判断区内、外故障及识别故障相。本发明专利技术大幅提升了保护的动作速度，经较高过渡电阻短路故障下依然具有较大灵敏性。

A Fast Differential Protection Method Based on Transient Current Waveform Characteristics

The invention belongs to the technical field of power system fault identification, in particular relates to a fast differential protection method based on the waveform characteristics of transient current, which includes: step 1: extracting the transient fault component currents at the protection installation sites on both sides of transmission lines when a fault occurs, and obtaining the differential current; step 2: extracting the waveform main fluctuation in the differential current by using least square fitting calculation method Frequency; Step 3: Compare the main waveform fluctuation frequency with the protection criterion value, judge the fault inside and outside and identify the fault phase. The invention greatly improves the action speed of the protection, and still has great sensitivity under the short circuit fault of high transition resistance.

【技术实现步骤摘要】
基于暂态电流波形特征的快速差动保护方法
本专利技术属于电力系统故障识别
，尤其涉及一种基于暂态电流波形特征的快速差动保护方法。
技术介绍
随着我国电网建设中电压等级、输送容量的提升，线路故障后对电网将产生较大的冲击，因此对继电保护的动作时间提出了更快的要求。传统的继电保护是基于工频量的保护，但是滤波会使保护动作速度减慢，保护的动作时间加长，从而会造成动作速度与可靠性之间的矛盾。此外，随着逆变器型电源接入以及线路上柔性交流输电系统(flexibleACtransmissionsystems，FACTS)设备的大量应用，其快速调节性能为利用传统工频量保护带来不确定性。而输电线路的故障暂态分量中蕴含有丰富的故障特征信息，充分挖掘故障暂态信息是提升保护快速动作的唯一途径。目前在超、特高压输电线路中广泛使用基于工频量的差动保护，为双端量保护方案提供了基础。传统差动保护分为时域电流差动和工频相量电流差动。时域电流差动在故障暂态时对噪声较为敏感，可靠性不足；工频相量电流差动抗干扰能力强，但动作速度存在约束。传统差动保护一方面在电压等级较高的长输电线路上受分布电容电流影响较大，较高的整定值使得灵敏度大大降低；另一方面仅利用幅值信息的方法使得在经高过渡电阻短路时，有可能动作量小于制动量而拒动。
技术实现思路
为了解决上述问题，提升传统高压输电线路主保护性能，本专利技术提出了一种基于暂态电流波形特征的快速差动保护方法，包括：步骤1：提取故障发生时输电线路两侧保护安装处的暂态故障分量电流，求得差动电流；步骤2：采用基于最小二乘拟合计算方法提取差动电流中的波形主波动频率；步骤3：将波形主波动频率与保护判据值进行比较，判断区内、外故障及识别故障相。所述步骤1通过设置时标和采用线性插值的方法对两侧采样数据进行同步校准，求和得差动电流。所述最小二乘拟合计算方法在故障暂态阶段将非周期分量视为常量来构造拟合函数。所述保护判据基于输电线路长度、暂态差动电流频率特征和保护裕度构造。所述步骤3包括：当波形主波动频率低于保护判据值时，判定为线路发生区内故障；当波形主波动频率高于保护判据值时，判定为线路发生区外故障或为区内故障的非故障相。所述拟合函数设置最小拟合幅值，并通过最小化采样数据与拟合数据之间误差平方和对各参数进行求解。本专利技术的有益效果：本专利技术的有益效果是：本专利技术从故障暂态分量出发，基于分布参数输电线路的故障暂态过程的机理分析，得出区内、外故障暂态时故障分量差动电流波动频率的差异，并利用最小二乘拟合法提取线路各相故障分量差动电流的幅值、频率及相位。通过将波形拟合函数中提取的主频率与保护判据进行对比分析，可同时实现线路区内外故障的快速识别及故障选相。本专利技术大幅提升了保护的动作速度，经较高过渡电阻短路故障下依然具有较大灵敏性。基于PSCAD/EMTDC的算例验证结果表明，本专利技术在各种故障类型下可快速准确识别区内、外故障及故障相，可以与现有输电线路主保护相互支撑。附图说明图1为所保护线路示意图；图2为区外故障时故障分量电路图；图3为区外故障下故障暂态差动电流图；图4为区内故障分量电路图；图5为区内故障下故障暂态差动电流图；图6为故障分量等效电路图；图7保护方案流程图；图8双电源单回线仿真电路图；图9故障初始角0°时区外故障图；其中，(a)为故障分量电流图，(b)为差动电流拟合图；图10区内故障-故障相电流图；其中，(a)为故障分量电流图，(b)为差动电流拟合图；图11区内故障-非故障相电流图；其中，(a)为故障分量电流图，(b)为差动电流拟合图；图12经10001过渡电阻区内故障图；其中，(a)为故障分量电流图，(b)为差动电流拟合图；图13400km线路区外故障图；其中，(a)为故障分量电流图，(b)为差动电流拟合图。具体实施方式下面结合附图，对实施例作详细说明。实施例1本专利技术提出一种基于暂态电流波形特征的快速差动保护方案。基于暂态电流波形特征的快速差动保护方案，该方案首先提取故障发生时输电线路两侧保护安装处的暂态故障分量电流，然后通过设置时标和采用线性插值的方法对两侧采样数据进行同步校准，求和得差动电流。在此基础上，采用基于最小二乘拟合计算方法，利用构造的拟合函数提取差动电流中的波形主波动频率。与保护判据值进行比较，判断区内、外故障及识别故障相。如图1所示，暂态故障分量计算公式如下:式中，i(k-j)为当前k时刻前j个采样点值，T为电流基波周期20ms。启动判据设置为：J0>K0式中，K0为保护启动判据门槛值，设置为0.1。选取以母线指向线路为电流正方向，差动电流计算如下：id＝[iM(t)-iM(t-T)]+[iN(t)-iN(t-T)]式中，iM、iN为两侧时域电流，T为电流基波周期20ms。本专利技术提出基于暂态电流波形特征的快速差动保护方案的基本原理为：1、如图2所示，将线路分布电容电流统一用iC表示，且忽略传输时延。在区外故障时，差动电流仅由分布电容电流iC构成，与故障电源支路电流if无关。在故障暂态阶段，故障分量电路初始为零状态电路。从能量角度看，线路分布电容、电感充放电的暂态过程即线路中电场与磁场能量交换的过程，具体表现为行波在线路边界之间的传播过程。如图3所示，故障暂态阶段分布电容电流在变化频率上与行波在线路边界之间传播过程变化一致。当电压接近于零时短路，此时虽分布电容中电荷为零，但电感中的能量将向电容充电而引起高频分量。需要注意的是，对于零状态电路，分布电容电流中还含有由故障电源激励的强迫分量。随着故障持续时间的延长，自由振荡的暂态分量逐渐衰减，最终表现为50Hz的正弦变化。2、如图4所示，在区内故障时，线路两侧故障分量差动电流由故障电源支路电流if及分布电容电流iC构成。故障暂态时若忽略分布电容电流，两侧差动电流仅由故障分量电源支路中的电压源提供，因此具有幅值较大的工频正弦变化的特征。当计及线路分布电容电流时，由上述分析可知，暂态差动电流将叠加有一部分高频自由振荡分量。如图5(a)所示，相比于工频变化量，高频分量幅值较低且衰减速度较快，再考虑到含有的非周期分量，故障暂态差动电流实际上表现为近50Hz的带有毛刺的正弦衰减波形。对于区内故障的非故障相，如图5(b)所示，虽然线路两端保护安装处存在突变的故障分量电流，但在故障分量电路中不存在工频电源，因此暂态差动电流与区外故障类似，基本不含有50Hz变化分量。主要表现为由相间耦合以及行波在本线路传播而呈现出的高频特性。3、如图6所示，以单相交流系统故障分量电路为例，采用分布参数对故障后行波传播过程造成的暂态高频分量进行分析。系统侧获取行波频谱特征的复频域表达式为：1-ΓM(s)ΓF(s)P2(s)＝0式中，P(s)＝e-sl/v。结合欧拉公式得：式中，ΓM(s)＝AM∠θM，ΓF(s)＝AF∠θF。其中由虚部表示的故障行波频率特征为：式中θF、θM根据系统参数取值在0～π之间。其中主频率称为线路的固有频率，其分布特征满足：fn∈[v/4l,v/2l]经理论与仿真验证，三相交流系统在三相短路与两相相间短路情况下，故障相电流与单相系统含有相同的暂态频率分量。在单相接地短路与两相接地短路情况下，受到各序分量参数的影响，固有频率出现较小偏移，在一定范围内可认为是同一频率分量本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于暂态电流波形特征的快速差动保护方法，其特征在于，包括：步骤1：提取故障发生时输电线路两侧保护安装处的暂态故障分量电流，求得差动电流；步骤2：采用基于最小二乘拟合计算方法提取差动电流中的波形主波动频率；步骤3：将波形主波动频率与保护判据值进行比较，判断区内、外故障及识别故障相。

【技术特征摘要】
1.一种基于暂态电流波形特征的快速差动保护方法，其特征在于，包括：步骤1：提取故障发生时输电线路两侧保护安装处的暂态故障分量电流，求得差动电流；步骤2：采用基于最小二乘拟合计算方法提取差动电流中的波形主波动频率；步骤3：将波形主波动频率与保护判据值进行比较，判断区内、外故障及识别故障相。2.根据权利要求1所述保护方法，其特征在于，所述步骤1通过设置时标和采用线性插值的方法对两侧采样数据进行同步校准，求和得差动电流。3.根据权利要求1所述保护方法，其特征在于，所述最小二乘拟合计算方法在故...

【专利技术属性】
技术研发人员：王增平，吕哲，许琬昱，
申请(专利权)人：华北电力大学，
类型：发明
国别省市：北京,11