数字化变电站全频带故障信息利用可行性分析初探

目前实施建设的数字化变电站二次测控、保护系统都是基于工频和谐波分量信号,行波信号能否在数字化变电站中应用尚未见文献报道.针对该问题,探讨了数字化变电站中全频带故障信息利用的可行性方案,从三个方面分析了面临的主要问题,可能的解决方案以及相关技术难点:1)数据通信实时性约束下的行波暂态故障特征采集、提取、表达研究;2)传输行波暂态信息时,数字化变电站过程层通信网络性能评估;3)基于空域相关性滤波算法探讨不同故障频带间的特征延续性,提高数字化变电站中行波信号利用的可靠性.所做工作对于未来数字化变电站的通信网络设计及智能保护控制系统的建设,都将产生积极的影响.     

智能变电站行波选线技术应用通信方案分析

行波相比于工频信号而言,具有不受系统振荡、过渡电阻、CT饱和、中性点运行方式等影响,在故障检测领域优势显著。但行波信号采样率往往达到工频信号采样率的500~1000倍左右,采样值直接应用于基于IEC61850协议的智能变电站过程层网络通信,不仅无法实现保护控制性能的提高,反而会引起通信阻塞。针对该问题,论文从行波信号故障特征有效表达的角度出发,提出了多间隔行波信息共享对过程层网络传输的通信要求,并结合行波选线在配电变电站中的应用需求,理论分析并仿真检验了数据通信实时性约束下行波暂态信号共享可用的最高频带,提出了两种不同的数据预处理及通信解决方案。研究成果有利于促进暂态行波技术在智能变电站中的推广应用。     

基于波形相关性分析的输电线路暂态保护方法

针对现有暂态保护方法可靠性不高的现状,提出了一种基于波形相关性分析的暂态保护新方法。该方法根据故障产生的宽频带暂态信号的波形特征实现输电线路故障暂态保护。当输电线路发生故障后,采集故障暂态波形并提取幅值、相位等波形特征;利用波形相关性方法,将暂态信号波形与样本数据库中的波形进行相关性分析,计算波形相关系数;根据波形相关系数来判别区内外故障,实现线路故障快速保护。仿真分析结果表明,该保护方法综合利用宽广频带暂态信号的时域特征与频域特征,可消除单一使用暂态信号时域或频域的局部故障特征信息导致的缺陷,有望显著提高暂态保护的可靠性。     

一种高压电网电压行波信号的提取方法

行波信号的有效提取是高压电网行波保护和行波故障定位的前提,针对传统电容式电压互感器不能传变暂态高频信号的缺陷,提出了一种电压行波信号的提取方法。利用电容式电压互感器或电流互感器的套管末屏电容,设计了电压行波提取电路,考查了其频率响应特性。利用EMTDC分别仿真了提取电路对不同频率段、不同故障初始角和不同故障电阻的暂态电压信号提取响应,理论分析和仿真结果表明:该方法能够有效地提取暂态高频信号,正确反映一次侧特定频带的电压行波特征,很好地解决了行波保护或暂态量保护及故障定位中暂态电压行波提取的难题。     

利用故障特征频带和TT变换的电缆单端行波测距

与架空线路相比,电缆线路行波色散更为严重,其行波波速度的确定及故障行波波头到达时刻的精确标定更为关键。将单端行波暂态信号进行小波分解并重构为多个频带的时域信号,采用相关分析计算每一个频带下2个波头的相关系数,选择相关系数最大的频带为特征频带,并利用特征频带的中心频率计算电缆行波波速。在特征频带内利用时域变换的TT算法,对行波波头到达量测端的时刻进行精确标定。由此构建了基于故障特征频带和TT变换的电缆线路单端行波测距方法。大量高压电缆故障测距的电磁暂态仿真结果表明,该方法有效,测距精度高。     

云广±800kV特高压直流输电线路暂态保护特征频带选取

利用保护元件区分对侧区内外故障的特高压直流输电线路单端电压暂态保护原理能够实现线路全长保护。提取故障暂态量的特征频带对基于此原理的特高压直流输电线路暂态保护的研究非常重要。结合云广特高压直流输电系统实际参数,利用PSCAD/EMTDC建立云广±800kV特高压直流输电系统仿真模型。根据云广特高压直流输电系统边界实际参数,得出线路边界透射系数阻带。分析各种类型故障信号的频率特性,得出位于边界透射系数阻带内的故障信号主能量频带。故障信号特征频带是主能量频带内,满足衰减规律——线路及边界对故障信号的双重衰减效果要强于单个线路对信号的衰减的故障信号所对应的频带,特征频带内的故障暂态量能准确反映故障位置,可以提取特征频带内的暂态量作为线路暂态保护的故障信号。     

基于暂态行波时频特征的输电线路故障检测与选相方法

基于暂态量的故障时刻检测与故障选相方法速度快、灵敏度高,符合发展超高速保护的要求.输电线路故障产生的暂态行波信号在时域上和频域上都包含了丰富的故障信息,首先利用小波的多分辨率分析对三相暂态电流行波进行分解并将其重构至不同频段;然后在一时频窗内定义信号的时频特征向量以充分反映信号的时频特征,并利用相关系数来刻画信号的时频特征及其变化规律,以此提出基于暂态行波时频特征的输电线路故障检测与故障选相方法.该方法的可靠性及适应性由基于 PSCAD/EMTDC 的仿真试验验证.仿真试验结果表明,基于时频特征的故障检测精度高,故障选相结果准确,且不受故障距离、故障时间、过渡电阻的影响,同时所需故障数据窗短,对实现超高速保护有积极的借鉴意义     

超高压输电线路故障暂态行波的奇异性仿真分析研究

针对暂态保护的关键问题——暂态行波故障特征提取,把小波变换应用于暂态行波故障特征的提取。给出了应用小波变换提取行渡故障特征的方法和步骤,并对电压和电流行波的故障特征进行了初步分析和比较。用小波能够简单明确的反映行波分量的特点,从而可以有效的提取故障信息。为基于暂态行波特征的暂态保护及故障测距奠定了基础。     

基于时频矩阵相似度的输电线路暂态保护方法

为提高传统暂态保护方法的可靠性,综合运用宽频带暂态信号在时域和频域上的故障信息,提出一种输电线路保护新方法。该方法利用S变换提取宽频带暂态信号在不同时段不同频带下的故障信息,通过构造时频矩阵来反映暂态信号的时频变化特性;利用奇异值分解提取时频矩阵的时频特征,并减少矩阵冗余量;将奇异值矩阵与样本库矩阵进行时频特征匹配,计算矩阵相似度;根据矩阵相似度判别区内外故障。仿真结果表明,该暂态保护方法能准确快速识别区内外故障。     

配电线路暂态保护故障行波特征的研究

配电线路区内、外故障时暂态分量频谱能量差异不明显,使得暂态保护原理难以应用于配电线路单端保护。通过行波网格法分析了配电线路区内、外故障行波的传播规律及特点,提出在线路边界处并联接入适当通频带的带通滤波装置,以此强化区内、外故障时故障暂态电压频谱能量差异。PSCAD/EMTDC仿真和模拟试验结果表明：安装了带通滤波装置的配电线路区外故障时,通频带内的故障行波流经带通滤波装置后发生较大衰减;区内故障时故障行波未通过带通滤波装置而几乎没有衰减,区内、外故障时暂态电压分量频谱能量差异非常明显。利用这种差异可以准确区分区内、外故障,这为暂态保护原理在配电线路单端保护中的应用提供了有效的理论依据和解决方案。     

基于Hilbert能量幅值信息和波形信息的特高压直流输电线路单端保护方法

直流输电系统具有强非线性,采用叠加原理和小波变换算法的直流输电线路行波保护存在适应性问题;仅利用行波暂态量幅值信息的直流输电线路行波保护在线路末端故障时存在保护拒动的问题.针对此问题,提出一种特高压直流输电线路单端保护方法.通过研究特高压直流输电线路两端物理边界特性,推导出Hilbert能量波形信息与电压行波的关系式,得出物理边界对Hilbert能量波形具有平滑作用.分析物理边界元件和直流输电线路频率特性,发现物理边界元件和直流输电线路对暂态高频分量具有衰减作用,据此利用Hilbert能量表征高频分量衰减情况.直流输电线路区内、外故障时,暂态电压5～7kHz高频带Hilbert瞬时能量幅值和波形形状差异明显,利用标准差综合描述高频带Hilbert能量幅值信息和波形信息,构造直流输电线路故障识别判据.利用正、负极标准差之比构造故障选极判据,实现故障极全线速动保护.仿真结果表明,该保护方法能可靠区分直流线路区内、外故障,实现故障选极,保护特高压直流线路全长.     

故障方向行波的波形特征研究

阐述了暂态信号包含的故障方向信息,深入研究了故障方向行波 (前行波和反行波)的波形特征,分析了影响前行波、反行波时域波形的关键因素,为利用前行波、反行波的时域波形特征构建超高速暂态量方向元件提供了理论依据.     

基于波形唯一和时–频特征匹配的单端行波保护和故障定位方法

单端行波保护和故障定位方法不需要通信通道和信号同步,降低了投资成本。基于单端检测故障行波波形时–频域唯一性理论,该文从时间–频率–幅值–极性等时–频多尺度观测宽频带行波信号的故障特性;从故障信号传播和折、反射过程的角度,既定性又定量分析了线路内部故障和相邻线路故障时,行波波形特征的时–频相关性与差异性;基于故障行波时–频三维波形,建立故障行波时频谱矩阵,并利用波形特征匹配技术,提出了一种单端行波保护和故障定位方法。综合利用时–频多尺度观测故障行波全景波形,有效克服了现有单端方法,基于局部故障信息而导致保护可靠性不高的缺陷,及对波头与模量波速准确检测的依赖。理论研究和大量算例分析结果表明:该方法实现简单,实用性较强,具有较高的灵敏度和可靠性。     

超高压输电线路新单端暂态量保护元件的实用算法

在线路边界频率特性的分析基础上，深入地分析了区内外故障时的特征差异：就某一类故障而言，区外故障时反行波中(阻塞频带内的)高频分量与(1~10kHz内的)低频分量的比值显著小于区内故障时的比值。据此提出利用反行波构造新型的单端暂态量保护原理，即反行波法边界元件，并形成基于小波变换的实用算法。大量ATP仿真表明，该边界元件的算法可行，动作超高速，且性能优于利用电流波的单端暂态量保护方案。文中还指出：对于实际的输电系统，现有的单端暂态量保护方案都难以保护线路全长，因此该方法可以作为全线速动保护的一种超高速保护元件。     

基于数字化变电站的小电流接地故障选线实现方案

结合IEC 61850协议特征、数字化变电站的通信特点及小电流接地故障选线的特殊要求,提出了基于数字化变电站的小电流接地故障选线实现方案.重点分析了对选线正确性影响最大的3个关键因素,即在合成零序电流过程中电子式互感器的精度问题、多个合并单元的同步采样控制问题、通信模式问题.针对电子式互感器的特点,提出在数字化变电站中接地故障选线方法应以暂态量算法为主,同时提出利用通用面向对象变电站事件(GOOSE)通信技术实现跳闸功能.     

小波包提取算法和相关分析用于电缆双端行波测距

由于故障行波传播色散的影响,确定行波到达时刻和选择行波波速一直是电缆行波测距的难题。针对以上两个问题,提出了基于小渡苞提取算法和相关分析的电缆双端行波故障测距方法。该方法将暂态行波信号通过小波包分解为不同的频带,然后提取能量相对集中的频带进行小波包重构。在该频带,线路的衰减系数和波速都可近似为常数,因此电缆两端的重构波...     

基于特征频带暂态无功功率的配电网故障选线新方法

为解决小电流接地系统在相电压过零点附近特征频带选取结果不准确、保护装置采样不同步等问题,详细分析了零模网络下配电线路的相频特性,并据此提出一种基于特征频带暂态无功功率相关性检测的选线新方法。首先,对各出线暂态零模电流与母线差分零模电压进行交叉小波变换,将二者相关性较强且相位差稳定的区域作为故障选线的时频窗。然后,利用时频窗内暂态电压电流信号的幅值与相位信息计算得到暂态无功功率。最后,根据特征频带内故障线路暂态无功功率与非故障线路暂态无功功率流向相反的特点,利用互相关函数算法对各出线暂态无功功率的相关性进行检测,确定故障线路。理论分析和仿真结果表明,所提方法不受故障初始角、同步误差、噪声干扰等因素的影响,对高阻以及弧光接地具有较强的适应性,且适用于分布式电源接入的配电网单相接地故障选线。     

基于小波包变换和矢量量化的电力系统故障数据压缩

在实际的故障分析中通常不是利用故障暂态信号的全部频带信息，而是利用其部分频带信息来解决问题，因此提出了针对电力系统故障信号压缩的特殊要求，即对于所要解决问题有重要价值的频带信息无损压缩，对不重要的频带信息可以失真压缩，即保频带压缩，在此基础上提出了基于小波包变换、Huffman编码方法和矢量量化相结合的故障数据压缩算法，首先利用小波包变换将故障信号分解成各个频带的信息，选择有重要信息的频带采用自适应Huffman无损压缩算法，而对于其他频带数据信息，采用矢量量化压缩算法，通过仿真测试，该算法较好地满足了故障暂态信号的压缩要求，具有较大的应用潜力。     

配电混合线路双端行波故障测距技术

该文提出利用线路故障产生的暂态行波实现配电架空线、电缆混合线路单相接地及相间短路故障测距,分析了故障初始行波模分量的暂态特征。研究发现,尽管中性点非有效接地系统单相接地故障后线路稳态线电压保持不变,但其故障暂态过程仍产生行波线模分量,这样单相接地及相间短路故障均可利用参数比较稳定的行波线模分量作为测量信号。分析表明行波在配电混合线路传播过程中发生复杂的折、反射,应该利用双端行波测距法测量故障距离。针对架空线和电缆波速度不一致的问题,给出了基于时间中点的故障点搜索算法。分析了电压、电流行波在线路末端的反射规律,为选择合适的行波测量信号提供了理论基础。现场试验表明文中所述方法可行有效。     

基于小波分析的超高压输电线路无通信全线速动保护方案

提出了一种基于小波分析的输电线路无通信全线速动暂态保护的新方案。该方案利用小波变换构造两个不同中心频率的带通滤波器,提取故障生成的高频暂态信号。通过比较这两个频带内暂态信号的谱能量来实现区内外故障的准确识别。该方案无须通信通道,对故障类型、故障位置、过渡电阻及故障起始角不敏感,不受CT饱和、系统振荡、系统结构和运行方式的影响。ATP仿真初步证明了该方案的有效性。