新型相模變換矩陣在行波故障選相中的應用

肖隆恩，熊榆，李鵬飛，周意

(1.三峽大學 電氣與新能源學院，湖北　宜昌　443002；2.華南理工大學 自動化科學與工程學院，廣東　廣州　510641；3.貴州黔源引子渡發電廠，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用

肖隆恩1，熊榆2，李鵬飛1，周意3

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

準確快速的選相元件是高壓輸電線路使用自動重合閘的前提。分析了現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與選相流程。MATLAB仿真結果表明，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，且選相結果不受過渡電阻和故障類型影響。

故障選相；相模變換矩陣；行波保護；小波分析

1　引言

當輸電線路出現故障時，對故障相做出快速而又正確的判斷，對保障繼電保護設備的準確動作、進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，使得三相輸電線路中每相電氣量都不獨立，若將其直接用于故障選相，則經常會導致誤動以及拒動，因此選相元件通過相模變換矩陣來對電氣量進行解耦，從而使相空間的值轉化為?？臻g的值，再利用模故障分量來構成選相元件[2]。在時域問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選相配合，從而增大了計算量。

文獻[3]介紹一種新型相模變換矩陣，該矩陣具有時域陣的優點，并且能夠通過單個模量表示各種故障。在采用行波的繼電保護與故障測距中，為確保動作準確性與快速性，選相元件通常由行波自身構成[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采用不同的相模變換矩陣大大增加了計算量，延長了保護動作時間。

本文在此基礎上，構造一種基于新型相模變換矩陣的故障選相元件，以減少計算量，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頻局部化特點，因此采用小波變換進行信號處理，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，因此選相元件應采用電流行波[5]；考慮到過渡電阻的存在，并且行波初始分量不會受到反射波的干擾，因此采用行波初始分量構成選相元件。

2　一種新型相模變換矩陣

由于傳統時域下的相模變換矩陣都沒辦法僅通過單模量來體現全部故障種類，文獻[3]根據三相對稱輸電線路變換矩陣所具備的特性，推導得到了新型相模變換陣，該矩陣如下：

對發生故障時暫態電流進行變換，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模量在各種故障時對應的值。通過表1可得，經由該矩陣變換給出的各模量值都不為零，也就是說可以只利用單模量來反映全部種類的故障[7]。

3　故障信號的小波變換模極大值

由于目前的選相過程均是數字化完成，選相過程中要利用到電氣量的瞬時值。然而暫態行波為非周期信號，并沒有合適的算法對其進行分析求解。如果利用其瞬時值進行故障相判定，則沒辦法解決畸變與噪聲等隨機因素的影響，因而選相結果正確率不高。此外由于故障點位置不一，波頭間距不一定，故而瞬時采樣值數量也難以判定。

表1　不同故障類型時的電流量模值

考慮到上述因素，本文采用小波變換來進行行波故障分析，初始行波到達檢測點，從信號的角度來看，會產生“突變”，小波變換可以檢測到該突變并通過模極大值對其進行表示，模極大值反應信號幅值以及變化斜率，它與行波傳播到檢測處的時間相同。

初始電流行波的模極大值可完整展現信號的故障相特點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采樣值，用以表示行波信號的故障特性。

4　故障選相元件

4.1故障特征

為便于表達，定義3模量為一個線模分量，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；數值為B，C兩相電流之差；該模分量以B，C相導線為回路。表2展現了經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

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，再依據表2所列模分量關系以判定故障相。該選相方法的判據如下[8]：

若不符合上述條件，則判斷輸電線路發生了三相短路。

4.3軟件框圖

根據所述判據，構建了故障選相元件，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軟件構建了一個500kV高壓輸電線路系統，其模型由圖2給出。其中M、N為線路保護裝置安裝處。線路MM長度為100km，其線路參數為：Z1=0.01273+j0.2932Ω/km，C1=0.01274μF/km；Z0=0.3864+j1.2957Ω/km，C0=0.07751μF/km。

設發生故障點F處于離母線N長度10km的線路上，并在過渡電阻是0Ω與500Ω情況下，對電力系統模型A相接地、AB兩相短路、AB兩相短路接地、ABC電力系統模型三相短路這4類情形分別做了仿真，結果如表3所示。

圖2　電力系統模型

表3　基于小波變換模極大值行波故障選相元件的MATLAB仿真試驗結果

6　結論

本文提出將一種新型相模變換矩陣應用于行波故障選相元件，與行波保護配合減小了計算量，提高了保護動作速度。MATLAB仿真結果證明了基于新相模變換矩陣的故障選相元件不受過渡電阻干擾，在所有故障類型下均能準確選相。

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

[2]陳明，尹慧陽.新型相模變換矩陣在行波保護中的應用[J].供用電，2013，3：87-91.

[3]宋國兵，李森，康小寧，等.一種新相模變換矩陣[J].電力系統自動化，2007，14：57-60.

[4]李晉民，董躍中.小波分析在高壓線路行波保護中的應用[J].電力學報，2009，3：189-193.

[5]王先明，陶時偉，陶冶，等.小波變換奇異性在電力系統行波故障測距中的應用[J].貴州工業大學學報:自然科學版，2001，03：50-53，85.[6]郭亮，呂飛鵬，羅長亮，等.一種基于新的相模變換矩陣的輸電線路故障測距改進算法[J].四川電力技術，2009，06：38-41.

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

[8]董新洲，葛耀中，徐丙垠.輸電線路暫態電流行波的故障特征及其小波分析[J].電工技術學報，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

廣東省惠州市產學研項目(2012B050013004)

TM72

B

2015-05-09

肖隆恩(1992-)，男，碩士研究生，主要從事電力系統故障診斷方面的研究。