基于行波的配电线路自适应保护方法及系统与流程

本发明涉及一种基于行波的配电线路自适应保护方法及系统，属于线路保护技术领域。

背景技术：

中性点非有效接地系统的单相接地故障与其他短路故障特征不同。单相接地不构成短路回路，工频电流无显著变化，适用于其他短路故障的过电流保护不能保护单相接地。本文提出一种基于行波特征的单相接地快速故障识别算法，所提算法可准确识别单相接地故障和非单相接地故障。并在此基础上，构成了可自适应所有短路类型的配电线路保护方案。

单相接地故障占到配电线路故障总数的80％以上，是威胁中性点非有效接地的配电线路安全运行的一大难题.中性点非有效接地是配电线路常见的接地方式，包括中性点不接地和中性点经消弧线圈接地两种方式。发生两相故障或者三相故障后，传统的过电流保护可以准确动作。但是发生单相接地故障后，由于不存在过电流的特征，继电器很难准确进行识别。为解决此问题，上世纪90年代提出了单相接地选线技术。单相接地选线技术监测一条或多条母线上的多回馈线上的电流信息，比较选择出接地线路并报警，由值班人员进行进一步的处理。

然而选线技术在现场的效果并不好。可能的原因包括：1选线需要采集所有馈线信息，并要求采集到的信息基于相同的比较基础。这对一次设备规格和标准要求较高。2选线技术只应对单相接地故障，不适用于两相故障和三相故障；3单相接地故障处理不及时，可能导致系统出现过电压。近些年来，由于单相接地引起过电压造成人身伤亡的事故时有发生。因此，有必要研究单相接地故障准确快速识别并能进行跳闸的保护技术

为了满足单相接地故障保护的要求，文献提出了一种基于故障行波特征的单相接地故障保护方法。该算法利用被保护线路零序电压行波和零序电流行波极性差别来实现对单相接地故障发生在区内还是区外进行判别，可基于单条线路信息准确识别是否发生了单相接地故障。进一步，有文献提出了带时间延迟的单相接地保护技术，满足单相接地故障隔离选择性的要求。为避免非单相接地故障行波引起的保护误动，还有文献提出了利用工频特征区别单相接地故障和非单相接地故障。然而，文献的研究仅针对单相接地故障，并不涉及配电线路的其他故障，因此在实际应用中，所提保护需与传统的过电流保护相配合。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于行波的配电线路自适应保护方法及系统，集成了单相接地故障行波保护和过电流保护，并重点解决了基于行波的故障类型识别问题，实现了中性点非有有效接地配电线路的所有类型故障的自适应保护。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

基于行波的配电线路自适应保护方法，该方法具体为：

(1)设a相发生单相接地故障；故障发生后，等效行波电源作用于故障相，产生故障点处的初始行波，并沿线路向两侧传播；对于线路上的测量点，感受到故障一相的初始电流行波，非故障的两相感受不到初始电流行波；

当保护装置的测量点安装在线路靠近母线的位置时，由于母线处波阻抗不连续，故障点初始行波在到达母线处时将发生折反射；故障线路上产生反射行波，非故障线路上产生折射行波；

母线测量点处故障线路的初始行波为故障点入射波与母线反射波的叠加；通过分析折反射的系数以及折反射波的极性和幅值，得到故障线路各相的初始电流行波；

测量点在远离母线处，线路类型为故障相时，初始电流行波幅值最大，记为imax1，初始电流行波方向为负；

测量点在远离母线处，线路类型为非故障相时，初始电流行波幅值为0，初始电流行波方向不存在；

测量点在靠近母线处时，线路类型为故障相时，初始电流行波幅值为初始电流行波方向为负；

测量点在靠近母线处，线路类型为非故障相时，初始电流行波幅值为初始电流行波方向为正负；

即：在故障线路远离母线的测量点，单相接地故障的故障相初始电流行波很大，非故障相几乎没有；在靠近母线的测量点处，单相接地故障的故障相初始电流行波是非故障相的两倍，极性相反；

(2)设ab两相发生接地故障，在忽略接地电阻的情况下，a相接地和b相接地在同一时刻发生；根据线性系统的叠加定律，认为ab两相接地是a相接地被b相接地的线性叠加；

测量点在远离母线处，线路类型为故障相时，初始电流行波幅值，不为零，初始电流行波方向不定；

测量点在远离母线处，线路类型为非故障相时，初始电流行波幅值为0，初始电流行波方向不存在；

测量点在靠近母线处时，线路类型为故障相和非故障相时，初始电流行波幅值和初始电流行波方向无明显特征；

即：在故障线路远离母线的测量点，两相接地故障的故障相初始电流行波较大，非故障相为零；在靠近母线的测量点处，两相接地故障的故障相和非故障相初始电流行波无明显特征。

基于所述方法的基于行波的配电线路自适应保护系统，包括启动元件、识别元件和保护元件；

所述启动元件负责检测配电网络产生的异常信号，并进行初步的判断；启动元件分为行波启动模块和突变量启动模块；

所述行波启动模块属于硬件启动，需要配备特殊的硬件电路，采用1mhz超高速采样频率；当检测到任何零模电压行波或者电流行波幅值超过整定值时，进入单相接地快速识别模块；

所述突变量启动模块循环计算三相电流的突变量；当当前计算值超过整定值时，突变量启动，直接进入过电流保护模块；

所述识别元件为：依据近母线和远母线保护点初始行波特征的不同，单相接地快速识别元件可以对接地故障类型进行判断；判定为单相接地故障，进入单相接地行波保护模块；否则判定为两相接地故障，进入过电流保护模块；

所述保护元件，分为单相接地行波保护模块和过电流保护模块；

单相接地行波保护模块：零模电压行波极大值和零模电流行波极大值极性相反时，判定为单相接地。当工频电压超过一定幅值，才判定为故障，否则认为是雷电行波等其他行波干扰；保护逻辑如下

um0是零模电压行波模极大值；

im0是零模电流行波模极大值；

是工频零序电压幅值；

u0set是工频零序电压幅值的整定值；

过电流保护模块：过电流保护是指当任一相电流超过整定值，同时延时一定时间后该电流值仍然保持，保护动作；保护逻辑如下：

是工频相电流幅值；

iset是工频相电流幅值的整定值；

δt是延时时间；

δtset是延时时间的整定值；

所述保护元件都控制跳闸，当已经有一个元件发出跳闸信号后，另一个闭锁。

本发明的有益效果是：

对于两相相间短路和三相短路故障，由于系统不会产生零序行波，因此不会触发行波启动。但是上述两类故障会产生过电流，会触发突变量启动，进入过电流保护元件，过电流保护动作，切除故障。单相接地行波保护闭锁。

单相接地故障发生后，系统会产生零序电压/电流行波，行波启动元件启动。启动后进入单相接地快速识别模块。根据识别模块的判据判断后进入单相接地保护模块。单相接地行波保护动作，故障切除。过电流保护闭锁。

两相接地故障发生后，系统会产生零序电压/电流行波，行波硬件启动。启动后进入单相接地识别模块，由于两相接地故障不满足单相接地快速识别的判据，因而进入过电流保护元件。过电流保护动作，切除故障。单相接地行波保护闭锁。

事实上，两相接地故障也会产生过电流，引起突变量启动。但是突变量的检测和判定需要1～2个周波，才能将信号传递到过电流保护模块。而单相接地快速识别模块的用时远远小于上述时间。因此对于两相接地故障，单相接地识别元件可以更快的触发过电流保护动作，缩短保护时间。

综上所述，本申请提出的配电线路自适应保护方案可以对所有类型的短路故障进行准确可靠动作。由于初始行波的传播不受接地电阻情况的影响，因此本申请提出的保护方案可以应对高阻接地故障。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书和权利要求书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为本发明各结构之间逻辑联系示意图；

图2为设置在靠近母线处的测量点算法示意图；

图3为设置在远离母线处的测量点算法示意图。

具体实施方式

以下将参照附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

本申请包含的内容有两个，一个是基于行波的单相接地快速识别算法，另一个是配电线路自适应保护方案。前者是后者必不可少的重要一环。

1、单相接地快速识别算法

单相接地故障识别，是指根据故障的特征，来区分单相接地故障和非单相接地故障。在高压输电线路中，单相接地故障识别用于选择保护是否进行单相跳闸。在中性点非有效接地的配电线路中，准确的判断单相接地故障和非单相接地故障，可以采取不同的保护策略，实现自适应保护。

单相接地故障识别依赖于故障特征。基于分布参数线路模型的行波特征和基于集总参数线路模型的工频特征是两种通常被使用故障特征。其中，初始行波特征是指故障发生瞬间所产生的行波特征，是一种高频暂态特征。实践证明，工频特征的提取需要1～2个周波，初始行波特征的提取需要的时间远远小于工频特征，因此单相接地的快速识别需要基于初始行波特征。

零模行波是接地故障最主要的行波特征。两相相间短路和三相故障由于没有完整的零模通路，因而没有零模行波。但是单相接地故障和两相接地故障都具有上述特征。因此单相接地故障快速识别的核心就是对单相接地和两相接地初始行波特征进行分析，找到它们的不同。鉴于两者零模行波相同，相量行波成为分析的重点。

假设a相发生单相接地故障。故障发生后，等效行波电源作用于故障相，产生故障点处的初始行波，并沿线路向两侧传播。因此对于线路上的测量点来说，可以感受到故障一相的初始电流行波，但是非故障的两相感受不到初始电流行波。

当保护装置的测量点安装在线路靠近母线的位置时，由于母线处波阻抗不连续，故障点初始行波在到达母线处时将发生折反射。故障线路上产生反射行波，非故障线路上产生折射行波。由上述可知，母线测量点处故障线路的初始行波为故障点入射波与母线反射波的叠加。通过分析折反射的系数以及折反射波的极性和幅值，可以得到故障线路各相的初始电流行波。

综合总结如下：

综上分析可以得出结论，在故障线路远离母线的测量点，单相接地故障的故障相初始电流行波很大，非故障相几乎没有；在靠近母线的测量点处，单相接地故障的故障相初始电流行波是非故障相的两倍，极性相反。

假设ab两相发生接地故障，在忽略接地电阻的情况下，可以a相接地和b相接地在同一时刻发生。由于行波传播的故障分量网络是一个线性系统。根据线性系统的叠加定律，ab两相接地可以认为是a相接地被b相接地的线性叠加。采取与上文相同的分析方式，得到远离母线的测量点处初始行波特征如下：

综上分析可以得出结论，在故障线路远离母线的测量点，两相接地故障的故障相初始电流行波较大，非故障相为零；在靠近母线的测量点处，两相接地故障的故障相和非故障相初始电流行波无明显特征。

2、配电线路自适应保护方案

为了满足配电线路对于所有故障类型的自适应保护，整体方案包括启动元件、识别元件和保护元件三个部分。各部分之间的逻辑联系如图1所示。

实施例：

(一)单相接地快速识别算法

单相接地故障的快速识别，需要借助单相接地故障和非单相接地故障的行波特征。

零序电流行波/零序电压行波是接地故障独有的特征，因此可以借助零序行波实现对接地故障(单相接地和两相接地)和非接地故障(两相相间短路和三相故障)的识别。

进一步，对单相接地和两相接地的识别需要用到三相电流行波的特征。在靠近母线的测量点和远离母线的测量点处，故障行波特征有显著差别。因此对于设置在靠近母线处和远离母线处的测量点，要用两套算法。

靠近母线处，如图2所示：

um0是零模电压行波模极大值；

im0是零模电流行波模极大值；

ipmax是相量电流行波中最大的一相；

ip1和ip2是剩余的两相电流行波；

ipset是相量电流行波整定值；

δ是小量误差。

远离母线处，如图3所示：

polar()表示行波极性。

(二)配电线路自适应保护方案

2.1启动元件

启动元件负责检测配电网络产生的异常信号，并进行初步的判断。启动元件分为行波启动模块和突变量启动模块。

行波启动模块属于硬件启动，需要配备特殊的硬件电路，采用1mhz超高速采样频率。当检测到任何零模电压行波或者电流行波幅值超过整定值时，进入单相接地快速识别模块。

突变量启动模块循环计算三相电流的突变量。当当前计算值超过整定值时，突变量启动，直接进入过电流保护模块。

2.2识别元件

单相接地快速识别判据需要考虑到近母线和远母线保护点初始行波特征的不同。

判定为单相接地故障，进入单相接地行波保护模块。否则判定为两相接地故障，进入过电流保护模块。

2.3保护元件

保护判据分为单相接地行波保护模块和过电流保护模块。

文献提到的单相接地行波保护是目前针对中性点非有效接地系统单相接地故障最有效的保护方案。该方案的基本原理是被保护线路区段发生单相接地故障后，保护点检测到的零模电压行波和零模电流行波极性相反。同时为了避免雷电行波对保护装置的干扰，该保护装置同时引入工频零序电压幅值作为辅助判据。当工频电压超过一定幅值，才判定为故障，否则认为是雷电行波干扰。保护逻辑如下

um0是零模电压行波模极大值；

im0是零模电流行波模极大值；

是工频零序电压幅值；

u0set是工频零序电压幅值的整定值；

过电流保护是指当任一相电流超过整定值，同时延时一定时间后该电流值仍然保持，保护动作。保护逻辑如下：

是工频相电流幅值；

iset是工频相电流幅值的整定值；

δt是延时时间；

δtset是延时时间的整定值。

两个保护元件都可以控制跳闸。当已经有一个元件发出跳闸信号后，另一个闭锁。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。