基于行波信息的广域后备保护关联域识别方法与流程

本发明属于广域后备保护技术领域，具体涉及一种基于行波信息的广域后备保护关联域识别方法。

背景技术：

随着广域测量系统的发展，全网数据共享得以实现，在信息全景化的背景下，广域保护系统将电力系统继电保护由单一元件的局部保护功能外延到整个电力系统的全局保护，这种能够获得较大区域信息的保护方式对于解决传统后备保护协调配合、动作延时、保护误动引起连锁跳闸等问题有着积极作用。目前，国内外学者对完成继电保护功能的广域保护展开相关研究，其中广域保护的系统结构和保护分区、故障元件识别算法和跳闸策略是重点研究的方向。为实现广域保护的故障区域自适应识别，现有的通过序电压排序识别故障区域，能够反映故障点与保护区域的关系，但是相关性范围大，紧密性差，现有广域保护算法的研究只是集中在如何利用广域信息识别故障元件，而保护跳闸策略又是在假设故障正确识别的基础上展开的，排查故障范围大。IED(Intelligent Electronic Device，智能电子设备)本身具有收集外部数据的功能，且内部带有处理器可以实现信号处理，并且可以接受决策中心传达的指令，被广泛用于智能电网中，基于故障分量的行波，保护动作迅速、不受系统运行方式、过渡电阻及系统振荡的影响。因此，现如今缺少一种基于行波信息的广域后备保护关联域识别方法，广域保护系统获取与故障相关联的区域信息完成故障元件识别，达到最小范围切除故障的目的。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于行波信息的广域后备保护关联域识别方法，通过初始行波达到时间和极性信息选择故障区域，能够反映故障点与保护关联区域的关系，能保证故障在最小范围内快速切除，实现故障元件识别与跳闸策略有机结合，便于推广使用。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：基于行波信息的广域后备保护关联域识别方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤一、构建输电系统的网络描述矩阵：首先，根据实际电网建立输电系统的拓扑结构及各个IED模块的连接关系；然后，根据各个IED模块的连接关系构建M条母线和N条线路的输电系统的网络描述矩阵A且其中，m为母线编号且m＝1,2，……，M，n为线路编号且n＝1,2，……，N，a_mn为第m个母线与第n个线路连接关系且a_mn＝0或1，a_mn＝0表示第m个母线与第n个线路上没有连接，a_mn＝1表示第m个母线与第n个线路直接连接；

步骤二、获取输电系统各个IED模块的行波信息，过程如下：

步骤201、读取线路中电压和电流采样信号；

步骤202、获取线路中采样电压和采样电流的故障分量；

步骤203、通过Karenbauer变换实现输电系统中采样电压故障分量的解耦，得到采样电压模量其中，为步骤202中获取的线路中采样电压故障分量；

步骤204、通过Karenbauer变换实现输电系统中采样电流故障分量的解耦，得到采样电流模量其中，为步骤202中获取的线路中采样电流故障分量；

步骤205、根据公式进行采样电压模量u_zh组合及采样电流模量i_zh组合，k为组合系数且k＞0；

步骤206、通过一阶消失矩的二次B样条小波对线路中采样电压模量u_zh和采样电流模量i_zh分别进行快速二进小波变换，分别获取线路中电压初始行波和电流初始行波到达对应IED模块的时间以及对应IED模块中启动元件电压初始行波的极性f_u和启动元件电流初始行波的极性f_i；

步骤207、根据公式F＝f_u×f_i，计算初始行波到达对应IED模块中启动元件的极性F，其中，规定电流的正方向为电网中电流从母线流向线路的方向；

步骤208、多次重复步骤201至步骤207，获取输电系统各个IED模块的行波时间和极性，并按照从大到小的顺序对各个IED模块的行波时间进行排序；

步骤三、判断输电系统中直流电源是否消失：采用广域控制主机实时监测输电系统中各个IED模块的直流电源，当广域控制主机无法监测到IED模块对应的直流电源时，输电系统中发生直流电源消失，执行步骤四；当广域控制主机监测到IED模块对应的直流电源时，输电系统中未发生直流电源消失，执行步骤五；

步骤四、形成广域后备III段保护关联域：根据步骤三中消失的直流电源，确定对应的变电站母线，与该变电站母线直接相连的线路对端上的IED模块形成广域后备III段保护关联域；

步骤五、判断故障变电站母线位置处各个IED模块的行波极性是否一致：根据步骤208中得到的初始行波到达时间最小的变电站母线位置，判断该变电站母线位置处各个IED模块的行波极性，当该变电站母线位置处各个IED模块的初始行波极性不一致时，发生正方向故障，执行步骤六；当该变电站母线位置处各个IED模块的初始行波极性一致时，发生反方向故障，执行步骤七；

步骤六、形成正方向故障下广域后备I段保护关联域和I I段保护关联域，过程如下：

步骤601、确定最先检测到行波信息的变电站母线位置初始行波极性为负的IED模块并构建正方向故障启动矩阵S且其中，正方向故障启动矩阵S中故障变电站母线位置初始行波极性为负的IED模块所在位置元素为1，正方向故障启动矩阵S其余位置元素均为0；

步骤602、构建正方向故障广域后备I段关联矩阵R_I：首先，提取正方向故障启动矩阵S非零元素所在行列编号；然后，保留网络描述矩阵D位于正方向故障启动矩阵S非零元素所在行列元素，其余位置元素为0；

步骤603、形成正方向故障下广域后备I段保护关联域：根据步骤602中正方向故障广域后备I段关联矩阵R_I，得到正方向故障广域后备I段关联矩阵R_I中同一行非零元素所在位置处的IED模块共同判断母线故障，形成母线关联域，正方向故障广域后备I段关联矩阵R_I中同一列非零元素所在位置处的IED模块共同判断线路故障，形成线路关联域，所述母线关联域和所述线路关联域形成正方向故障下广域后备I段保护关联域；

步骤604、根据公式R_II＝R_I-S，构建正方向故障广域后备II段关联矩阵R_II；

步骤605、形成正方向故障下广域后备II段保护关联域：根据步骤604中正方向故障广域后备II段关联矩阵R_II，得到与故障变电站母线位置初始行波极性为负的IED模块直接相邻的IED模块共同形成正方向故障下广域后备II段保护关联域；

步骤七、形成反方向故障下广域后备I段保护关联域和II段保护关联域，过程如下：

步骤701、对最先检测到行波信息的变电站母线位置处各个IED模块分别构建反方向故障启动矩阵S'，反方向故障启动矩阵S'中故障变电站对应的IED模块所在位置元素为1，反方向故障启动矩阵S'其余位置元素均为0；

步骤702、形成反方向故障下广域后备I段保护关联域：首先，对步骤701中各反方向故障启动矩阵S'分别构建反方向故障广域后备I段关联矩阵R'_I，反方向故障启动矩阵S'与反方向故障广域后备I段关联矩阵R'_I数量相等；然后，对各反方向故障广域后备I段关联矩阵R'_I非零行和非零列元素所在位置处的IED模块构建I段关联域并集，所述I段关联域并集为反方向故障下广域后备I段保护关联域；

步骤703、形成反方向故障下广域后备II段保护关联域：首先，将各反方向故障广域后备I段关联矩阵R'_I中对应的变电站母线位置处IED模块元素置为0，得到各反方向故障广域后备II段关联矩阵R'_II；然后，根据各反方向故障广域后备II段关联矩阵R'_II，获取与各变电站母线位置IED模块直接相邻的IED模块共同形成的II段关联域并集，所述II段关联域并集为反方向故障下广域后备II段保护关联域。

上述的基于行波信息的广域后备保护关联域识别方法，其特征在于：步骤201中采用电压互感器和电流互感器分别读取线路中电压和电流信号，所述电压和电流信号均通过控制器离散采样。

上述的基于行波信息的广域后备保护关联域识别方法，其特征在于：步骤206中一阶消失矩的二次B样条小波的滤波器系数

上述的基于行波信息的广域后备保护关联域识别方法，其特征在于：步骤702中对所述反方向故障启动矩阵S'非零元素所在行列编号，保留网络描述矩阵A位于反方向故障启动矩阵S'非零元素所在行列元素，其余位置元素为0，构建对应的反方向故障广域后备I段关联矩阵R'_I。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明通过实际电网结构构建适合当前电网输电系统的网络描述矩阵，操作简单，实现便捷，使输电系统的拓扑结构清晰。采用Karenbauer变换实现输电系统中采样电压故障分量的解耦和采样电流故障分量的解耦，得到采样电压模量，再通过快速二进小波变换，分别获取线路中电压初始行波和电流初始行波到达对应IED模块的时间和极性信息，自适应系统网络结构动态变化，便于推广使用。

2、本发明通过设置广域控制主机，实时检测各个IED模块的行波信息，当某一个IED模块的直流电源消失，则无法采集相应变电站信息，无法完成故障监测和保护功能，此时形成广域后备II I段保护关联域，保护关联域随故障区域位置不同，自适应的形成保护区域，保护关联域划分充分考虑后备保护配合关系，兼顾故障元件识别，断路器失灵和变电站直流消失保护。

3、本发明利用初始行波到达时间选择触发变电站母线位置处各个IED模块，并判断该变电站母线位置处各个IED模块的初始行波极性是否一致，通过该变电站母线位置处各个IED模块的初始行波极性一致性判断为正方向故障或反方向故障，最终形成正方向故障下广域后备I段保护关联域和II段保护关联域，或者反方向故障下广域后备I段保护关联域和II段保护关联域，相应的划分保护关联域，能保证故障在最小范围内快速切除，实现故障元件识别与跳闸策略有机结合。

综上所述，本发明设计新颖合理，通过初始行波达到时间和极性信息选择故障区域，能够反映故障点与保护关联区域的关系，能保证故障在最小范围内快速切除，实现故障元件识别与跳闸策略有机结合，便于推广使用。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明的方法流程框图。

图2为本发明输电系统正方向故障的示意图。

图3为本发明采用的广域后备保护关联域识别设备的电路原理框图。

图4a为本发明正方向故障下IED1采样电流行波的小波变换仿真图。

图4b为本发明正方向故障下IED1采样电压行波的小波变换仿真图。

图5a为本发明正方向故障下IED2采样电流行波的小波变换仿真图。

图5b为本发明正方向故障下IED2采样电压行波的小波变换仿真图。

图6a为本发明正方向故障下IED3采样电流行波的小波变换仿真图。

图6b为本发明正方向故障下IED3采样电压行波的小波变换仿真图。

图7a为本发明正方向故障下IED4采样电流行波的小波变换仿真图。

图7b为本发明正方向故障下IED4采样电压行波的小波变换仿真图。

图8a为本发明正方向故障下IED5采样电流行波的小波变换仿真图。

图8b为本发明正方向故障下IED5采样电压行波的小波变换仿真图。

图9a为本发明正方向故障下IED6采样电流行波的小波变换仿真图。

图9b为本发明正方向故障下IED6采样电压行波的小波变换仿真图。

图10a为本发明正方向故障下IED7采样电流行波的小波变换仿真图。

图10b为本发明正方向故障下IED7采样电压行波的小波变换仿真图。

图11a为本发明正方向故障下IED8采样电流行波的小波变换仿真图。

图11b为本发明正方向故障下IED8采样电压行波的小波变换仿真图。

图12a为本发明正方向故障下IED9采样电流行波的小波变换仿真图。

图12b为本发明正方向故障下IED9采样电压行波的小波变换仿真图。

图13a为本发明正方向故障下IED10采样电流行波的小波变换仿真图。

图13b为本发明正方向故障下IED10采样电压行波的小波变换仿真图。

图14a为本发明正方向故障下IED11采样电流行波的小波变换仿真图。

图14b为本发明正方向故障下IED11采样电压行波的小波变换仿真图。

图15a为本发明正方向故障下IED12采样电流行波的小波变换仿真图。

图15b为本发明正方向故障下IED12采样电压行波的小波变换仿真图。

图16为本发明输电系统反方向故障的示意图。

图17a为本发明反方向故障下IED3采样电流行波的小波变换仿真图。

图17b为本发明反方向故障下IED3采样电压行波的小波变换仿真图。

图18a为本发明反方向故障下IED4采样电流行波的小波变换仿真图。

图18b为本发明反方向故障下IED4采样电压行波的小波变换仿真图。

图19a为本发明反方向故障下IED5采样电流行波的小波变换仿真图。

图19b为本发明反方向故障下IED5采样电压行波的小波变换仿真图。

图20a为本发明反方向故障下IED6采样电流行波的小波变换仿真图。

图20b为本发明反方向故障下IED6采样电压行波的小波变换仿真图。

图21a为本发明反方向故障下IED7采样电流行波的小波变换仿真图。

图21b为本发明反方向故障下IED7采样电压行波的小波变换仿真图。

图22a为本发明反方向故障下IED8采样电流行波的小波变换仿真图。

图22b为本发明反方向故障下IED8采样电压行波的小波变换仿真图。

附图标记说明:

1—直流电源； 2—IED模块； 3—广域控制主机。

具体实施方式

如图1所示，本发明基于行波信息的广域后备保护关联域识别方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤一、构建输电系统的网络描述矩阵：首先，根据实际电网建立输电系统的拓扑结构及各个IED模块2的连接关系；然后，根据各个IED模块2的连接关系构建M条母线和N条线路的输电系统的网络描述矩阵A且其中，m为母线编号且m＝1,2，……，M，n为线路编号且n＝1,2，……，N，a_mn为第m个母线与第n个线路连接关系且a_mn＝0或1，a_mn＝0表示第m个母线与第n个线路上没有连接，a_mn＝1表示第m个母线与第n个线路直接连接；

如图2所示，输电网搭建500kV系统，构建6个母线6条线路的输电系统，其中，6个母线分别为母线B1～B6，6条线路分别为线路L1～L6，，每条线路的两端均安装一个IED模块2监测电网信息，本实施例中，构建输电系统的网络描述矩阵

步骤二、获取输电系统各个IED模块的行波信息，过程如下：

步骤201、读取线路中电压和电流采样信号；

本实施例中，步骤201中采用电压互感器和电压互感器分别读取线路中电压和电流信号，所述电压和电流信号均通过控制器离散采样。

步骤202、获取线路中采样电压和采样电流的故障分量；

本实施例中，采用故障后的电压、电流与故障前一周的电压、电流相减得到相对应的故障分量；

步骤203、通过Karenbauer变换实现输电系统中采样电压故障分量的解耦，得到采样电压模量其中，为步骤202中获取的线路中采样电压故障分量；

步骤204、通过Karenbauer变换实现输电系统中采样电流故障分量的解耦，得到采样电流模量其中，为步骤202中获取的线路中采样电流故障分量；

步骤205、根据公式进行采样电压模量u_zh组合及采样电流模量i_zh组合，k为组合系数且k＞0；

步骤206、通过一阶消失矩的二次B样条小波对线路中采样电压模量u_zh和采样电流模量i_zh分别进行快速二进小波变换，分别获取线路中电压初始行波和电流初始行波到达对应IED模块2的时间以及对应IED模块2中启动元件电压初始行波的极性f_u和启动元件电流初始行波的极性f_i；

本实施例中，步骤206中一阶消失矩的二次B样条小波的滤波器系数通过一阶消失矩的二次B样条小波对线路中采样电压模量u_zh和采样电流模量i_zh分别进行快速二进小波变换实际为A’Trous算法，A’Trous算法只需满足二进小波的条件即可，具备平移时不变性的特征。

步骤207、根据公式F＝f_u×f_i，计算初始行波到达对应IED模块2中启动元件的极性F，其中，规定电流的正方向为电网中电流从母线流向线路的方向；

步骤208、多次重复步骤201至步骤207，获取输电系统各个IED模块的行波时间和极性，并按照从大到小的顺序对各个IED模块的行波时间进行排序；

本实施例中，电网发生故障后，行波在线路上是以电磁波形式传播的，且速度以接近光速前行，根据行波的传播理论，从故障点将产生向线路两侧传播的电压、电流方向行波，行波中包含的时间信息标志着故障发生，时间的大小表明距离故障点的远近程度，行波的极性信息可以判断故障发生方向，同一变电站母线上连接的IED模块2初始行波到达时间近似相等，可快速实现初始行波到达时间排序；广域控制主机3通过Matlab仿真，其中，如图4a至图15b可知，IED1至IED12电流和电压的时间和极性信息。

步骤三、判断输电系统中直流电源是否消失：采用广域控制主机3实时监测输电系统中各个IED模块2的直流电源1，当广域控制主机3无法监测到IED模块2对应的直流电源1时，输电系统中发生直流电源消失，执行步骤四；当广域控制主机3监测到IED模块2对应的直流电源1时，输电系统中未发生直流电源消失，执行步骤五；

步骤四、形成广域后备III段保护关联域：根据步骤三中消失的直流电源1，确定对应的变电站母线，与该变电站母线直接相连的线路对端上的IED模块2形成广域后备III段保护关联域；

本实施例中，若直流电源消失对应的变电站母线为母线B3，此时IED3、IED6和IED8组成后备保护Ⅲ段；

步骤五、判断故障变电站母线位置处各个IED模块的行波极性是否一致：根据步骤208中得到的初始行波到达时间最小的变电站母线位置，判断该变电站母线位置处各个IED模块的行波极性，当该变电站母线位置处各个IED模块的初始行波极性不一致时，发生正方向故障，执行步骤六；当该变电站母线位置处各个IED模块的初始行波极性一致时，发生反方向故障，执行步骤七；

本实施例中，电网发生故障时，故障影响范围有限，为提高保护可靠性，应在故障发生点附近判断故障，远离故障点的区域无需进行故障判断，距离故障点越近初始行波到达时间越小，由图4a至图15b可知，母线B3上连接的IED4、IED5和IED7初始行波到达时间最小，因此，故障点位于母线B3位置处，由图4a至图15b可知，IED5的初始行波极性与IED4和IED7的初始行波极性不一致，此时发生正方向故障。

步骤六、形成正方向故障下广域后备I段保护关联域和II段保护关联域，过程如下：

步骤601、确定最先检测到行波信息的变电站母线位置初始行波极性为负的IED模块并构建正方向故障启动矩阵S且其中，正方向故障启动矩阵S中故障变电站母线位置初始行波极性为负的IED模块所在位置元素为1，正方向故障启动矩阵S其余位置元素均为0；

本实施例中，对IED5构建正方向故障启动矩阵S且

步骤602、构建正方向故障广域后备I段关联矩阵R_I：首先，提取正方向故障启动矩阵S非零元素所在行列编号；然后，保留网络描述矩阵D位于正方向故障启动矩阵S非零元素所在行列元素，其余位置元素为0；

本实施例中，提取正方向故障启动矩阵S非零元素所在行列编号第3行第3列，构建正方向故障广域后备I段关联矩阵

步骤603、形成正方向故障下广域后备I段保护关联域：根据步骤602中正方向故障广域后备I段关联矩阵R_I，得到正方向故障广域后备I段关联矩阵R_I中同一行非零元素所在位置处的IED模块共同判断母线故障，形成母线关联域，正方向故障广域后备I段关联矩阵R_I中同一列非零元素所在位置处的IED模块共同判断线路故障，形成线路关联域，所述母线关联域和所述线路关联域形成正方向故障下广域后备I段保护关联域；

本实施例中，IED5故障时形成正方向故障下广域后备I段保护关联域中，母线关联域为IED4、IED5和IED7，线路关联域为IED5和IED6，IED5故障时形成正方向故障下广域后备I段保护关联域为{IED4、IED5、IED7}以及{IED5、IED6}；

步骤604、根据公式R_II＝R_I-S，构建正方向故障广域后备II段关联矩阵R_II；

本实施例中，根据公式R_II＝R_I-S，正方向故障广域后备II段关联矩阵

步骤605、形成正方向故障下广域后备II段保护关联域：根据步骤604中正方向故障广域后备II段关联矩阵R_II，得到与故障变电站母线位置初始行波极性为负的IED模块直接相邻的IED模块2共同形成正方向故障下广域后备II段保护关联域；

本实施例中，IED5故障时形成正方向故障下广域后备II段保护关联域为{IED4、IED6、IED7}；

如图16所示，由图17a至图22b可知，IED4、IED5和IED7的初始行波时间最小，输电网搭建500kV系统构建6个母线6条线路的输电系统中母线B3发生故障，IED4、IED5和IED7的初始行波极性一致，此时发生反方向故障。

步骤七、形成反方向故障下广域后备I段保护关联域和II段保护关联域，过程如下：

步骤701、对最先检测到行波信息的变电站母线位置处各个IED模块分别构建反方向故障启动矩阵S'，反方向故障启动矩阵S'中故障变电站对应的IED模块所在位置元素为1，反方向故障启动矩阵S'其余位置元素均为0；

本实施例中，IED4、IED5和IED7的初始行波极性一致，对故障变电站母线位置处IED4、IED5和IED7分别构建反方向故障启动矩阵S₄'、S₅'和S₇'，

步骤702、形成反方向故障下广域后备I段保护关联域：首先，对步骤701中各反方向故障启动矩阵S'分别构建反方向故障广域后备I段关联矩阵R'_I，反方向故障启动矩阵S'与反方向故障广域后备I段关联矩阵R'_I数量相等；然后，对各反方向故障广域后备I段关联矩阵R'_I非零行和非零列元素所在位置处的IED模块构建I段关联域并集，所述I段关联域并集为反方向故障下广域后备I段保护关联域；

本实施例中，步骤702中对所述反方向故障启动矩阵S'非零元素所在行列编号，保留网络描述矩阵D位于反方向故障启动矩阵S'非零元素所在行列元素，其余位置元素为0，构建对应的反方向故障广域后备I段关联矩阵R'_I。

本实施例中，提取反方向故障启动矩阵S₄'非零元素所在行列编号第3行第2列，构建反方向故障广域后备I段关联矩阵提取反方向故障启动矩阵S₅'非零元素所在行列编号第3行第3列，构建反方向故障广域后备I段关联矩阵提取反方向故障启动矩阵S₇'非零元素所在行列编号第3行第4列，构建反方向故障广域后备I段关联矩阵IED4、IED5和IED7故障时形成反方向故障下广域后备I段保护关联域为{IED4、IED5、IED7}、{IED3、IED4}、{IED5、IED6}、{IED7、IED8}；

步骤703、形成反方向故障下广域后备II段保护关联域：首先，将各反方向故障广域后备I段关联矩阵R'_I中对应的变电站母线位置处IED模块元素置为0，得到各反方向故障广域后备II段关联矩阵R'_II；然后，根据各反方向故障广域后备II段关联矩阵R'_II，获取与各变电站母线位置IED模块直接相邻的IED模块2共同形成的II段关联域并集，所述II段关联域并集为反方向故障下广域后备II段保护关联域。

本实施例中，反方向故障广域后备I段关联矩阵R'_I4中对应的IED4位置处元素为0，得到反方向故障广域后备II段关联矩阵反方向故障广域后备I段关联矩阵R'_I5中对应的IED5位置处元素为0，得到反方向故障广域后备II段关联矩阵反方向故障广域后备I段关联矩阵R'_I7中对应的IED7位置处元素为0，得到反方向故障广域后备II段关联矩阵IED4、IED5和IED7故障时形成反方向故障下广域后备II段保护关联域为{IED3、IED5、IED7}、{IED4、IED6、IED7}和{IED4、IED5、IED8}，本发明无需实时传输大幅度变化的电气量，仅传输信息量极小的逻辑量，十分有利于全局性的大范围、远距离传输，能保证故障在最小范围内快速切除，实现故障元件识别算法与跳闸策略有机结合。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。