基于小波變換的行波故障選相

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(1.三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院,湖北 宜昌 443000;2.吉林省和龍市農(nóng)電有限公司,吉林 和龍 133500;3.國(guó)網(wǎng)吉林省電力有限公司吉林供電公司，吉林 吉林 132001)

基于小波變換的行波故障選相

胡丹1,王建華2,姜書鵬3，王雅婷1,許青松1

(1.三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院,湖北 宜昌 443000;2.吉林省和龍市農(nóng)電有限公司,吉林 和龍 133500;3.國(guó)網(wǎng)吉林省電力有限公司吉林供電公司，吉林 吉林 132001)

輸電線路發(fā)生短路故障時(shí)，產(chǎn)生的故障暫態(tài)行波是一種非線性非平穩(wěn)信號(hào)。初始行波信號(hào)到達(dá)檢測(cè)點(diǎn)，測(cè)量信號(hào)將出現(xiàn)突變，小波變換能夠檢測(cè)出該突變并用模極大值進(jìn)行刻畫。MATLAB仿真結(jié)果表明，該方法能準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)故障選相。

行波；小波變換；故障選相

1 引言

當(dāng)線路故障時(shí)，故障相電流升高，電壓降低。根據(jù)這些電氣量特征，傳統(tǒng)保護(hù)的選相元件采用直接獲取的電氣量信息進(jìn)行選相。通常采用的選相元件主要為相電流選相元件、低電壓選相元件和阻抗選相元件。傳統(tǒng)選相元件雖然實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但靈敏度較低，而且容易受負(fù)荷電流和系統(tǒng)運(yùn)行方式的影響。隨著數(shù)字式微機(jī)保護(hù)的出現(xiàn)，選相元件通常由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，這給選相元件帶來(lái)了很大的靈活性，利用故障分量的選相元件開(kāi)始在實(shí)際裝置中得到了廣泛應(yīng)用。目前國(guó)內(nèi)數(shù)字式高壓線路保護(hù)裝置中主要采用“快速保護(hù)+穩(wěn)態(tài)保護(hù)”的配置方案，快速保護(hù)是指保護(hù)啟動(dòng)后的第1次選相是采用突變量選相[1,2]，穩(wěn)態(tài)保護(hù)主要是利用序分量[3,4]與阻抗元件結(jié)合選相的方法。

超高壓輸電線路故障后，豐富的暫態(tài)故障分量包含了大量有用的故障信息?；诠ゎl分量的選相算法將故障信號(hào)中的非工頻信號(hào)全部當(dāng)作噪聲濾掉。實(shí)際上，這些暫態(tài)故障分量為故障分析提供了理想的信息源。如果它們能被有效利用，選相元件的速動(dòng)性和可靠性都會(huì)得到大大的提高。

近年來(lái)，新興的數(shù)學(xué)工具及數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)在電力系統(tǒng)中獲得了廣泛的應(yīng)用，如相關(guān)分析[5]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[6]、數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)[7]與分形理論[8]等，總體來(lái)說(shuō)，這些新的選相方法具有選相速度快、適應(yīng)于系統(tǒng)更多工況的特點(diǎn)，克服了傳統(tǒng)選相方法的一些不足。但相關(guān)法存在由于行波在傳播過(guò)程中的衰減和畸變現(xiàn)象，使得相關(guān)算法所依賴的行波相似關(guān)系不再成立，抗干擾能力不強(qiáng)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)依賴于初始值的選取和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)法受其結(jié)構(gòu)元素的形狀，寬度，高度等的影響。目前對(duì)超高速的行波保護(hù)或暫態(tài)量保護(hù)的研究已逐步由理論階段向?qū)崿F(xiàn)階段發(fā)展。小波變換[9，10]理論的出現(xiàn)為充分利用故障暫態(tài)信息提供了強(qiáng)有力的數(shù)學(xué)手段。在基于暫態(tài)量的選相中，小波變換選相算法得到了日益廣泛的應(yīng)用。

2 故障選相原理

從信號(hào)的角度來(lái)看，輸電線路發(fā)生故障時(shí)，初始行波到達(dá)檢測(cè)點(diǎn)，測(cè)量信號(hào)將出現(xiàn)突變，使用小波的模極大值表示行波信號(hào)，即可把基于工頻電流信號(hào)的“模故障分量選相原理”引入行波故障選相[11]中，且僅使用故障電流初始行波，不受相鄰線路和對(duì)端母線反射波的影響，易于實(shí)現(xiàn)。

行波波速與線路參數(shù)密切相關(guān)，由于三相線路存在電磁場(chǎng)的耦合，無(wú)法直接確定行波波速。為此需要對(duì)其解耦，采用相模變換，將相互耦合的向量變成相互獨(dú)立的模塊。由凱倫貝爾變換可知相電流和模電流之間存在如下關(guān)系:

(1)

式中，零模電流分量I0以大地為回路，波阻抗較大，波速小，衰耗比較大；線模電流分量Iα，Iβ以導(dǎo)線為回路，波阻抗較小，波速接近光速，且較穩(wěn)定，衰耗小。為便于選相，引入如下“γ”模：

(2)

γ模不是獨(dú)立的，它可由模α和β模的線性組合得到。

式(1)、(2)和故障邊界條件容易得到單相接地,兩相相間,兩相接地和三相短路時(shí)各模量電流，如表1所示。

表1 不同故障類型和故障下的模向量

2.1故障選相方法

根據(jù)上述故障特征，可把基于小波變換模極大值的行波故障選相原理概括為：根據(jù)模量初始電流行波的小波變換模極大值，根據(jù)零模分量是否為0確定是否為接地故障，根據(jù)三個(gè)線模分量之間的關(guān)系確定故障相。具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

(1)對(duì)暫態(tài)行波電流進(jìn)行相模變換；

(2)對(duì)各模量電流進(jìn)行小波變換，并求模極大值；

(3)若零模的模極大值很小，如小于最大模量模極大值的5%，則可確定為相間故障，否則確定為接地故障；

(4)若為接地故障，相電流模極大值大于最大相電流模極大值的50%，則可確定為故障相；

(5)若為相間故障，模電流極大值最大對(duì)應(yīng)的兩相為故障相，同時(shí)另外兩個(gè)模量模極大值幅值約為最大模極大值的50%，不滿足這個(gè)關(guān)系時(shí)判定為三相故障。

可見(jiàn)這種基于小波變換的行波故障選相原理類似于工頻電流量模故障分量的選相原理，區(qū)別在于突然出現(xiàn)的行波信號(hào)，根據(jù)其小波變換模極大值構(gòu)成判據(jù)，速度快。

3 實(shí)驗(yàn)仿真

為驗(yàn)證算法的正確性，對(duì)圖1所示的雙端電源輸電系統(tǒng)進(jìn)行了MATLAB仿真。

圖1 雙電源輸電系統(tǒng)模型

可見(jiàn)，零模故障分量不為0，判斷出是接地故障，其最大的小波變換模極大值為6.0587，遠(yuǎn)小于最大模量電流的小波變換模極大值的5%，A B C三相電流小波變換模最大值分別為10.4401,9.3108和0，A相大于最大值的50%，故可確定為AG故障。過(guò)渡電阻換成100Ω和500Ω也照樣能判斷出來(lái)，對(duì)于B相和C相接地故障，抗過(guò)渡電阻能力很強(qiáng)。

圖2 模電流小波變換模極大值

圖3 相電流小波變換模極大值

4 結(jié)束語(yǔ)

本文采用小波變換法這一非平穩(wěn)信號(hào)處理工具，對(duì)輸電線路故障行波信號(hào)進(jìn)行行波信號(hào)處理。通過(guò)對(duì)故障行波信號(hào)進(jìn)行處理。根據(jù)模量初始電流行波的小波變換模極大值，根據(jù)零模分量是否為0確定是否為接地故障，根據(jù)三個(gè)線模分量之間的關(guān)系確定故障相。仿真結(jié)果表明，能正確的實(shí)現(xiàn)故障選相，可滿足工程實(shí)際需要。

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Travelling-WaveFaultPhase-SectionBasedonWaveletMethod

HUDan1，3,WANGJian-hua2,JIANGShu-peng3,WANGYa-ting1,XUQing-song

(1.College of Electrical and New Energy Source,Sanxia University,Yichang 443000,China;2.Helong City Rural Power Co.,Ltd.,Helong 133500,China;3.Jilin Power Supply Compcuny,Jilin Power tomp Co.,Ltd.,Jilin 12001,China)

When a short circuit fault of transmission lines happens,it will produce transient state wave,which is a non-linear and non-stationary signal.When initial travelling signal reaches the detection,the measurement signals will produce mutation,which can be detected by wavelet and use its modulus maxima to describe.The results of simulation by MATLAB show that this method can accurately realize fault-selection and fault location.

travelling wave；wavelet method；fault-selection

1004-289X(2013)06-0043-03

TM344

B

2013-06-14