新型相模變換矩陣在行波故障選相中的應(yīng)用

肖隆恩，熊榆，李鵬飛，周意

(1.三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院，湖北　宜昌　443002；2.華南理工大學(xué) 自動(dòng)化科學(xué)與工程學(xué)院，廣東　廣州　510641；3.貴州黔源引子渡發(fā)電廠，貴州　安順　550002)

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新型相模變換矩陣在行波故障選相中的應(yīng)用

肖隆恩1，熊榆2，李鵬飛1，周意3

(1.三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院，湖北宜昌443002；2.華南理工大學(xué) 自動(dòng)化科學(xué)與工程學(xué)院，廣東廣州510641；3.貴州黔源引子渡發(fā)電廠，貴州安順550002)

準(zhǔn)確快速的選相元件是高壓輸電線路使用自動(dòng)重合閘的前提。分析了現(xiàn)有相模變換矩陣的不足，提出了一種基于新型相模變換矩陣的行波故障選相方法，給出了該方法的選相判據(jù)與選相流程。MATLAB仿真結(jié)果表明，基于新相模變換矩陣的故障選相元件能有效可靠地選出故障相，且選相結(jié)果不受過(guò)渡電阻和故障類型影響。

故障選相；相模變換矩陣；行波保護(hù)；小波分析

1　引言

當(dāng)輸電線路出現(xiàn)故障時(shí)，對(duì)故障相做出快速而又正確的判斷，對(duì)保障繼電保護(hù)設(shè)備的準(zhǔn)確動(dòng)作、進(jìn)而切除故障相有著非常重要的意義[1]。由于三相輸電線路間的電磁耦合效應(yīng)，使得三相輸電線路中每相電氣量都不獨(dú)立，若將其直接用于故障選相，則經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致誤動(dòng)以及拒動(dòng)，因此選相元件通過(guò)相模變換矩陣來(lái)對(duì)電氣量進(jìn)行解耦，從而使相空間的值轉(zhuǎn)化為?？臻g的值，再利用模故障分量來(lái)構(gòu)成選相元件[2]。在時(shí)域問(wèn)題的求解中使用最為廣泛的相模變換矩陣有Clarke，Karenbauer，Wedpohl等矩陣，但是這些矩陣變換后的單模量無(wú)法反映所有故障類型。如果要令單一模量適用于各種故障，則需利用雙模量或者通過(guò)選相配合，從而增大了計(jì)算量。

文獻(xiàn)[3]介紹一種新型相模變換矩陣，該矩陣具有時(shí)域陣的優(yōu)點(diǎn)，并且能夠通過(guò)單個(gè)模量表示各種故障。在采用行波的繼電保護(hù)與故障測(cè)距中，為確保動(dòng)作準(zhǔn)確性與快速性，選相元件通常由行波自身構(gòu)成[4]。而目前的選相元件大部分都是采用Clarke，Karenbauer，Wedpohl等變換矩陣，故障選相元件與行波保護(hù)采用不同的相模變換矩陣大大增加了計(jì)算量，延長(zhǎng)了保護(hù)動(dòng)作時(shí)間。

本文在此基礎(chǔ)上，構(gòu)造一種基于新型相模變換矩陣的故障選相元件，以減少計(jì)算量，提高選相速度；考慮到行波的突變特征以及小波變換所具備的時(shí)頻局部化特點(diǎn)，因此采用小波變換進(jìn)行信號(hào)處理，可以提升選相元件的可靠性；考慮到一般電容分壓式電壓互感器不具備行波傳變功能，因此選相元件應(yīng)采用電流行波[5]；考慮到過(guò)渡電阻的存在，并且行波初始分量不會(huì)受到反射波的干擾，因此采用行波初始分量構(gòu)成選相元件。

2　一種新型相模變換矩陣

由于傳統(tǒng)時(shí)域下的相模變換矩陣都沒(méi)辦法僅通過(guò)單模量來(lái)體現(xiàn)全部故障種類，文獻(xiàn)[3]根據(jù)三相對(duì)稱輸電線路變換矩陣所具備的特性，推導(dǎo)得到了新型相模變換陣，該矩陣如下：

對(duì)發(fā)生故障時(shí)暫態(tài)電流進(jìn)行變換，從而獲得線模分量，分別為1模量與2模量[6]。表1示出了1模量與2模量在各種故障時(shí)對(duì)應(yīng)的值。通過(guò)表1可得，經(jīng)由該矩陣變換給出的各模量值都不為零，也就是說(shuō)可以只利用單模量來(lái)反映全部種類的故障[7]。

3　故障信號(hào)的小波變換模極大值

由于目前的選相過(guò)程均是數(shù)字化完成，選相過(guò)程中要利用到電氣量的瞬時(shí)值。然而暫態(tài)行波為非周期信號(hào)，并沒(méi)有合適的算法對(duì)其進(jìn)行分析求解。如果利用其瞬時(shí)值進(jìn)行故障相判定，則沒(méi)辦法解決畸變與噪聲等隨機(jī)因素的影響，因而選相結(jié)果正確率不高。此外由于故障點(diǎn)位置不一，波頭間距不一定，故而瞬時(shí)采樣值數(shù)量也難以判定。

表1　不同故障類型時(shí)的電流量模值

考慮到上述因素，本文采用小波變換來(lái)進(jìn)行行波故障分析，初始行波到達(dá)檢測(cè)點(diǎn)，從信號(hào)的角度來(lái)看，會(huì)產(chǎn)生“突變”，小波變換可以檢測(cè)到該突變并通過(guò)模極大值對(duì)其進(jìn)行表示，模極大值反應(yīng)信號(hào)幅值以及變化斜率，它與行波傳播到檢測(cè)處的時(shí)間相同。

初始電流行波的模極大值可完整展現(xiàn)信號(hào)的故障相特點(diǎn)并且最大限度地降低噪聲干擾影響，所以，本文利用小波變換模極大值取代瞬時(shí)采樣值，用以表示行波信號(hào)的故障特性。

4　故障選相元件

4.1故障特征

為便于表達(dá)，定義3模量為一個(gè)線模分量，其特性如下：波速度與線模波速度相等；波阻抗與線模波阻抗相等；數(shù)值為B，C兩相電流之差；該模分量以B，C相導(dǎo)線為回路。表2展現(xiàn)了經(jīng)新相模變換后各種故障種類下的模值。

表2　各種故障類型下的模值

4.2選相判據(jù)

基于新型變換矩陣的故障選相方法步驟為：首先由電流初始行波求出小波變換模極大值，再依據(jù)表2所列模分量關(guān)系以判定故障相。該選相方法的判據(jù)如下[8]：

若不符合上述條件，則判斷輸電線路發(fā)生了三相短路。

4.3軟件框圖

根據(jù)所述判據(jù)，構(gòu)建了故障選相元件，圖1給出了它的原理框圖。

圖1　基于小波變換模極大值的行波故障選相元件原理框圖

5　MATLAB仿真

本文使用MATLAB軟件構(gòu)建了一個(gè)500kV高壓輸電線路系統(tǒng)，其模型由圖2給出。其中M、N為線路保護(hù)裝置安裝處。線路MM長(zhǎng)度為100km，其線路參數(shù)為：Z1=0.01273+j0.2932Ω/km，C1=0.01274μF/km；Z0=0.3864+j1.2957Ω/km，C0=0.07751μF/km。

設(shè)發(fā)生故障點(diǎn)F處于離母線N長(zhǎng)度10km的線路上，并在過(guò)渡電阻是0Ω與500Ω情況下，對(duì)電力系統(tǒng)模型A相接地、AB兩相短路、AB兩相短路接地、ABC電力系統(tǒng)模型三相短路這4類情形分別做了仿真，結(jié)果如表3所示。

圖2　電力系統(tǒng)模型

表3　基于小波變換模極大值行波故障選相元件的MATLAB仿真試驗(yàn)結(jié)果

6　結(jié)論

本文提出將一種新型相模變換矩陣應(yīng)用于行波故障選相元件，與行波保護(hù)配合減小了計(jì)算量，提高了保護(hù)動(dòng)作速度。MATLAB仿真結(jié)果證明了基于新相模變換矩陣的故障選相元件不受過(guò)渡電阻干擾，在所有故障類型下均能準(zhǔn)確選相。

[1]束洪春，董俊，司大軍，等.小波變換應(yīng)用于暫態(tài)初始行波分析及故障選線選相[J].云南水力發(fā)電，2002，02：6-9，36.

[2]陳明，尹慧陽(yáng).新型相模變換矩陣在行波保護(hù)中的應(yīng)用[J].供用電，2013，3：87-91.

[3]宋國(guó)兵，李森，康小寧，等.一種新相模變換矩陣[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2007，14：57-60.

[4]李晉民，董躍中.小波分析在高壓線路行波保護(hù)中的應(yīng)用[J].電力學(xué)報(bào)，2009，3：189-193.

[5]王先明，陶時(shí)偉，陶冶，等.小波變換奇異性在電力系統(tǒng)行波故障測(cè)距中的應(yīng)用[J].貴州工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2001，03：50-53，85.[6]郭亮，呂飛鵬，羅長(zhǎng)亮，等.一種基于新的相模變換矩陣的輸電線路故障測(cè)距改進(jìn)算法[J].四川電力技術(shù)，2009，06：38-41.

[7]孫濤，束洪春.基于新相模變換的可控串補(bǔ)線路行波測(cè)距方法[J].云南水力發(fā)電，2008，1：72-76.

[8]董新洲，葛耀中，徐丙垠.輸電線路暫態(tài)電流行波的故障特征及其小波分析[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，1999，1：59-62.

Application of a New Model Transformation Matrix in the Traveling Wave Fault Phase Selection

XIAO Long-en1，XIONG Yu2，LI Peng-fei1，ZHOU Yi3

(1.School of Electrical Engineering & New Energy，China Three Gorges University，Yichang 443002，China；2.Automation Science and Engineer Academy，South China University of Technology，Guangzhou 510641，China；3.Guizhou Qianyuan Yinzidu Hydroelectric Power Plant，Anshun 550002，China)

When adopting the technique of single-phase automatic reclosing in EHV/UHV transmission line protection,faultphase should be selected correctly and quickly in advance.Considering the weakness of the currently frequently-used phase-mode transformation matrices,a new approach of traveling wave fault phase selection based on a new phase-mode transformation matrix is proposed in this paper.Besides,the criterion and processes of the approach is analyzed.The simulations carried out by MATLAB show that the fault phase selector based on the new phase-mode transformation matrix can determine the faultphase correctly and the results are not affected by transition resistances and types of faults.

fault phase selection;phase-mode transformation matrix;traveling wave protection;wavelet decomposition

1004-289X(2016)01-0086-03

廣東省惠州市產(chǎn)學(xué)研項(xiàng)目(2012B050013004)

TM72

B

2015-05-09

肖隆恩(1992-)，男，碩士研究生，主要從事電力系統(tǒng)故障診斷方面的研究。