专利名称：基于单端电流暂态信息的单回线路故障选相方法
技术领域：
本发明涉及的是一种选择故障相的线路保护方法，具体是一种基于单端电流暂态信息的单回线路故障选相方法，用于继电保护领域。
背景技术：
当线路发生故障后，迅速的判断出故障相别进行分相跳闸对及时切除故障，对提高系统供电稳定性有重大意义。经过广泛的文献检索发现，目前的选相方法基本上是基于传统的工频量或工频序分量来进行。由于工频量受工况影响较大，而且序分量的分布与网络的结构有很大的关系，因此这些方法的灵敏度及可靠性都受系统结构及运行条件的影响。此外，这些方法的选相速度都不快。
经对现有技术的公开文献检索发现，许庆强、索南加乐等人在《电力系统自动化》(Vol.27，No.7，Apr.10，2003)上发表的“一种电流故障分量高压线路保护选相元件”，该文利用电流正序突变量、负序、零序分量相位之间的关系，提出了基于电流序分量间相位关系和幅值关系的选相新方法。但这种方法受系统参数和运行条件的影响，而且虽然其比相裕度较大，但是在正、负序分支系数相差较大时也不能保证此方法仍具有较好的特性。这种利用工频量的新方法，其动作速度也不可能很快。目前，在实际应用中，都是采用多种不同原理构成的选相元件来综合对线路进行故障选相，这种措施虽然在绝大多数情况下都可以很好的完成任务，但是在理论上仍然存在缺陷，而且这种方法不但造成资源浪费，而且也增加了设备的故障机率。因此，研究新的快速、可靠的选相保护元件仍具有重要意义。本专利提出的选相新原理，是在行波理论和模量分析理论的基础上，利用现代信号处理新技术—小波分析，从能量的观点出发提出的。它是根据故障产生的高频电流信息进行故障分析，因此具有不受系统负荷和参数的影响，抗过渡电阻能力强，动作可靠、快速等优点。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提出了一种基于单端电流暂态信息的单回线路故障选相方法，利用现代信号处理技术和模量分析理论，使其具有很高的灵敏性和很快的选相速度(不大于5ms)。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明方法如下(1)采集保护安装处的三相电流量，作为选相元件所需电量，电流互感器接线形式采用标准接线；(2)选相元件的待分析量为三相电流测量量经Karrenbeauer模量变换所得到的三个模量电流值(两个空间模量和一个地模量)；(3)利用Daubechies小波(db4)对模量高频暂态电流分量进行小波变换，并计算一给定时间段内三个模量高频暂态电流分量的能量函数值；(4)根据三个模量高频暂态电流分量的能量函数值大小的相互关系进行线路故障相的识别，包括故障启动判据，接地故障发生时故障相的识别，不接地故障发生时故障相的识别。
所述的(1)中，选相元件所需电量具体如下本发明所需的电量为保护安装处的线路三相电流(IA，IB，IC)，数据采样频率为2000Hz。
所述的(2)中，选相元件的待分析量具体如下选相元件的待分析量为三相电流测量量经Karrenbeauer模量变换得到的三个模电流量(M1，M2，M3)。其数学表达式为M1M2M3=1111-1010-1IAIBIC]]>所述的(3)中，模量高频暂态电流分量的能量函数值计算具体如下利用Daubechies小波(db4)对一给定时间长度的三个模量电流值中的高频暂态电流成分(500Hz～1000Hz)进行小波变换，得到相应的模量高频电流小波变换系数序列(W1，W2，W3)，然后计算小波变换系数的平方和。此数值即代表了待分析高频暂态模量的能量函数值。则能量函数值的数学表达式为Ui=Σk=1NWi2(k);i=1,2,3]]>
其中，N为一给定时间段内(4毫秒)的采样点数，k为整数。则Ui就是本发明用来进行故障相别分析的模量小波能量函数。
所述的(4)中，故障启动判据具体如下当线路发生故障时，故障将产生暂态高频电流分量，这些高频量经模量变换得到三个电流模分量，其在线路上将按照固定的方式从故障点沿线路两侧进行传播。当故障产生时，三个模分量的能量大小将发生突变，根据这一特点，利用小波变换提取模量能量的大小，以模量小波变换系数的平方和大小来判别是否启动选相程序当接地故障发生时，模电流分量1(地模分量)理论上是从无到有，因此其数值将有很大的突变。当线路发生相间不接地故障时，模电流分量1的能量很小，接近为零。但是模电流分量2、3的值却有很大的变化。
故障启动利用三个模量电流的能量值大于给定阈值和/或三者相互比例值大小来判断故障的发生。其具体判据如下①启动接地故障选相U1(k)-U1(k-1)U1(k-1)>θ1---1)]]>U1(k)＞1 2)②启动不接地故障选相U1(k)＜1 3)U2(k)U2(k-1)>θ2andU3(k)U3(k-1)>θ2---4)]]>上述启动判据由于是采用一段时间内的模量高频电流的能量值大小及其比例值作为阈值，因此启动判据不受负荷电流影响且具有很好的抗干扰性。
所述的(4)中，接地故障发生时故障相的识别具体如下当接地故障选相程序启动后，选择故障相的判别方法如下
a)A相接地故障|U2-U3|min(U2,U3)<θ3---5)]]>b)B相接地故障U2>U3U3-U30U30<θ2---6)]]>c)C相接地故障U2<U3U2-U20U20<θ2---7)]]>d)AB相间接地故障U2>max(U1,U3)U2-U20U20>θ2U3-U30U30>θ2---8)]]>e)AC相间接地故障U3>max(U1,U2)U2-U20U20>θ2U3-U30U30>θ2---9)]]>f)BC相间接地故障由于此时其三个模量能量函数的相互关系特征与A相接地故障相似，因此，应采用逆序模量变换的方法对其进行处理，即对电流IC，IA，IB进行模量变换，其数学表达式如下M1M2M3=1111-1010-1ICIAIB---10)]]>则在新的模量变换空间中，其能量函数Ui的相互关系满足关系式9)。
则当故障选相结果为A相接地时，应利用上述逆序变换方法，即公式10)重新进行模量变换并重新计算Ui，利用新的Ui进行选相，如果此时能量函数Ui的相互关系满足关系式9)，则判为BC相间接地故障，若满足关系式6)，就判为A相接地故障。
根据关系式5)～10)即可以识别出接地故障相。
所述的(4)中，不接地故障发生时故障相的识别具体如下a)AB相间不接地故障U2-U3U3>θ4---11)]]>b)BC相间不接地故障|U2-U3|min(U2,U3)<θ4---12)]]>c)AC相间不接地故障U3-U2U2>θ4---13)]]>根据关系式11)～13)即可以识别出不接地故障时的故障相。
其中，θ1，θ2，θ3，θ4是常数，这些数值中参数θ1的数值在理论上是为无穷大的，但在实际应用中，它不可能有这么大，因此只要所取阈值大于干扰，能够可靠启动选相程序即可，在本发明中其值取为10。参数θ2，θ3，θ4的数值是在理论基础和大量的仿真实验基础上，考虑可靠性后而得到的，其值分别为1.5，0.5，0.6。
本发明是利用故障产生的高频电流量来进行选相，因此本发明不受系统运行方式的影响，而且它仅仅需要单端的电流信息量，提高了设备的可靠性。
本发明利用高频电流量在故障时的突变奇异值大小作为能量的表征值，具有很高的灵敏度，在一个220KV系统的弱电源侧发生经200欧姆电阻接地的两相故障时，传统的基于工频量的选相元件很难选出故障相，本发明能够可靠的选出故障相。
本发明具有实质性特点和显著进步，传统的选相元件由于原理上的缺陷，不能够在各种运行条件下都正确选相，并且选相速度较慢，不能满足现代超高压输电线路的快速动作保护要求。本发明提出的方法利用Daubechies小波变换对故障产生的暂态电流直接进行能量分析，在各种故障条件下，特别是高阻接地时，能可靠的检测出故障相别，仿真结果和动模实验表明其在各种系统运行条件下均有很高的保护灵敏度和可靠性，是一种很好的适合各种系统运行情况的线路故障选相保护方法。
具体实施例方式
结合本发明方法的内容提供以下仿真实施例本发明方法利用世界广泛采用的电磁暂态仿真程序EMTP进行了仿真实验。下面是仿真实例结果。
仿真系统为220KV的双端输电系统，线路为分布参数模型。数据采样率为2000hz。表1是利用本发明方法进行故障选相的结果与实际设定故障相的比较。从这两个结果表明，本发明方法具有很高的可靠性和灵敏性。
表1保护选相与实际设定故障相的比较 √表示保护选相结果与实际设定故障相一致
权利要求
1.一种基于单端电流暂态信息的单回线路故障选相方法，其特征在于(1)采集保护安装处的三相电流量，作为选相元件所需电量，电流互感器接线形式采用标准接线；(2)选相元件的待分析量为三相电流测量量经Karrenbeauer模量变换所得到的三个模量电流值即两个空间模量和一个地模量；(3)利用Daubechies小波db4对模量高频暂态电流分量进行小波变换，并计算一给定时间段内三个模量高频暂态电流分量的能量函数值；(4)根据三个模量高频暂态电流分量的能量函数值大小的相互关系进行线路故障相的识别，包括故障启动判据，接地故障发生时故障相的识别，不接地故障发生时故障相的识别。
2.根据权利要求1所述的基于单端电流暂态信息的单回线路故障选相方法，其特征是，所述的(1)中，选相元件所需电量具体如下所需电量为保护安装处的线路三相电流测量量IA，IB，IC，数据采样频率为2000Hz。
3.根据权利要求1所述的基于单端电流暂态信息的单回线路故障选相方法，其特征是，所述的(2)中，选相元件的待分析量具体如下选相元件的待分析量为三相电流测量量经Karrenbeauer模量变换得到的三个模电流量M1，M2，M3，其数学表达式为M1M2M3=1111-1010-1IAIBIC]]>
4.根据权利要求1所述的基于单端电流暂态信息的单回线路故障选相方法，其特征是，所述的(3)中，计算模量高频暂态电流分量的能量函数值具体如下利用Daubechies小波db4对一给定时间长度的三个模量电流值中的高频暂态电流成分进行小波变换，得到相应的模量高频电流小波变换系数序列W1，W2，W3，然后计算小波变换系数的平方和，此数值即代表了待分析高频暂态电流的模量能量值，能量函数的数学表达式为Ui=Σk=1NWi2(k);i=1,2,3]]>其中，N为一给定时间段内的采样点数，k为整数。
5.根据权利要求1所述的基于单端电流暂态信息的单回线路故障选相方法，其特征是，所述的(4)中，故障启动判据具体如下以Ui(k)，(i＝1，2，3)分别表示模量电流1、2、3的能量在时刻k的数值，则①启动接地故障选相判据U1(k)-U1(k-1)U1(k-1)>θ1---1)]]>U1(k)＞1 2)②启动不接地故障选相判据U1(k)＜1 3)U2(k)U2(k-1)>θ2andU3(k)U3(k-1)>θ2---4)]]>
6.根据权利要求1或者5所述的基于单端电流暂态信息的单回线路故障选相方法，其特征是，所述的(4)中，接地故障发生时故障相的识别具体如下a)A相接地故障|U2-U3|min(U2,U3)<θ3---5)]]>b)B相接地故障 c)C相接地故障 d)AB相间接地故障 e)AC相间接地故障 f)BC相间接地故障对电流IC，IA，IB进行逆序模量变换，其数学表达式如下M1M2M3=1111-1010-1ICIAIB---10)]]>则在新的模量变换空间中，其能量函数Ui的相互关系满足关系式9)；则当故障选相结果为A相接地时，利用上述逆序变换方法，即公式10)重新进行模量变换并重新计算Ui，利用新的Ui进行选相，如果此时能量函数Ui的相互关系满足关系式9)，则判为BC相间接地故障，若满足关系式6)，就判为A相接地故障；根据关系式5)～10)即识别出接地故障相。
7.根据权利要求1或者5所述的基于单端电流暂态信息的单回线路故障选相方法，其特征是，所述的(4)中，不接地故障发生时故障相的识别具体如下a)AB相间不接地故障U2-U3U3>θ4---11)]]>b)BC相间不接地故障|U2-U3|min(U2,U3)<θ4---12)]]>c)AC相间不接地故障U3-U2U2>θ4---13)]]>上述公式中，θ1，θ2，θ3，θ4是常数，其值分别为10，1.5，0.5，0.6，根据关系式11)～13)即识别出不接地故障时的故障相。
全文摘要
一种继电保护领域的基于单端电流暂态信息的单回线路故障选相方法，步骤如下采集保护安装处的三相电流量，作为选相元件所需电量，电流互感器接线形式采用标准接线；选相元件的待分析量为三相电流测量量经Karrenbeauer模量变换所得到的三个模量电流值；利用Daubechies小波db4对模量高频暂态电流进行小波变换，并计算一给定时间段内三个模量高频暂态电流分量的能量函数值；根据三个模量高频暂态电流成分的能量函数值大小的相互关系进行线路故障相的识别。本发明在各种故障条件下，特别是高阻接地时，能可靠的检测出故障相别，仿真结果和动模实验表明其在各种系统运行条件下均有很高的保护灵敏度和可靠性，是一种很好的适合各种系统运行情况的线路故障选相保护方法。
文档编号H02H3/26GK1601840SQ20041006678
公开日2005年3月30日 申请日期2004年9月29日 优先权日2004年9月29日
发明者杨赢, 邰能灵, 郁惟镛 申请人:上海交通大学