基于諧波分析的母線差動保護非故障相飽和判別方法

曹錦成，張飛云

（國網江蘇省電力有限公司 常州供電分公司，江蘇 常州 213000）

0 引 言

在電力系統的運行中，母線負責連接變壓器、發電機、調相設備，需要具備較強的抗飽和性能[1]。母線差動保護指的是在母線區內出現故障時，相應的設備快速跳閘，避免母線區外出現故障誤動現象，進而提升電力系統其他支路運行的安全性[2]。現階段，我國在電力系統母線差動保護方面的研究逐漸成熟。然而受到部分技術因素的影響，對于母線差動保護非故障相飽和判別方法的研究仍然存在一定的不足，主要體現在制動電流變化量與差動變化量判別結果精度較低，無法較好地滿足母線保護動作靈敏性的需求[3]。諧波分析法對改善這一問題具有明顯優勢，通過分析原始相電流的諧波含量變化，判斷母線運行中是否存在閉鎖差動保護，進而實現判別母線差動保護非故障相飽和的目標[4]。

基于此，本文在傳統母線差動保護非故障相飽和判別方法的基礎上引入諧波分析原理，提出了一種新的飽和判別方法，為提升母線運行的安全性提供保障。

1 母線差動保護非故障相飽和判別方法設計

1.1 提取母線差動非故障相飽和電流特征

本文設計的基于諧波分析的母線差動保護非故障相飽和判別方法中，根據電力系統與變電站運行的實際情況與特征提取對應的母線差動非故障相飽和電流特征，為后續的判別提供基礎保障。

利用諧波分析的方法，分析母線差動保護中故障電流的非周期分量，根據非周期分量含量的實際情況，獲取非故障相二次電流的變化情況[5]。故障電流的非周期分量分析結束后，基于諧波分析原理確定母線差動保護故障點的具體位置，以電源位置為基準，確定故障點位置與電源位置的距離差距，得出母線近端區外故障特征[6]。由于非故障相產生的突變電流不受母線其他支路的影響，因此在非故障相飽和時，對應的母線支路電流無明顯變化，需要進一步分析母線支路突變電流中的諧波分量，根據母線支路突變電流中的諧波分量含量，提取母線差動非故障相飽和電流特征[7]。

1.2 基于諧波分析選取非故障相飽和隸屬函數

在上述母線差動非故障相飽和電流特征提取結束后，結合諧波分析原理選取母線差動保護非故障相飽和隸屬函數，用于描述飽和母線差動保護非故障隸屬集合程度。設定A表示非故障飽和隸屬函數模糊集合，x表示集合A中的隸屬元素，用mA(x)表示非故障相飽和隸屬函數，函數應當滿足0≤mA(x)≤1。當母線差動保護達到故障飽和狀態時，突變電流中的諧波含量會發生一定的波動變化，設定突變電流各個階段諧波含量的固有定值，根據定值的變化，判斷母線差動保護的靈敏度是否符合相關設計要求。引入模糊算法，將諧波分析與模糊算法相結合，判定母線差動保護各2個階段的諧波變化，將諧波隸屬度函數，設定為非故障飽和的定增曲線，繪制母線差動保護非故障相飽和隸屬度函數曲線，如圖1所示。

圖1 母線差動保護非故障相飽和隸屬度函數曲線

在隸屬度函數曲線中，橫坐標表示母線差動保護的諧波比。當高含量權重迅速增大時，非故障相達到重飽和狀態，此時開啟閉鎖差動保護；當高含量權重保持穩定不變時，非故障相為飽和狀態，關閉閉鎖差動保護，提高母線差動保護的安全性。通常情況下，在非故障相達到飽和狀態時，母線差動保護非故障相飽和的諧波多數為2、3、5次諧波，在以上3種諧波類型的基礎上，獲取非故障相飽和隸屬度函數表達式：

式中：B1、B2分別表示多次非故障相飽和常數；In表示非故障相飽和突變電流；I1表示母線差動保護突變電流。通過上述表達式，獲取母線差動保護非故障相飽和隸屬度函數變大時，在此基礎上構建飽和模糊判別集合M={m1,m2,m3}，其中m1、m2、m3分別表示2、3、5次諧波對應的隸屬度。對3種隸屬度進行加權處理，得出基于諧波分析的非故障相飽和綜合隸屬度，加權處理公式為：

式中：m(x)表示基于諧波分析的母線差動保護非故障相飽和綜合隸屬度；K1表示非故障相飽和隸屬度系數。通過加權處理，得出3種諧波對應的隸屬度綜合結果，為非故障相飽和判別提供重要依據。

1.3 判別母線差動保護非故障相飽和

基于上述非故障相飽和隸屬度選取結束后，獲取3種諧波對應的隸屬度綜合結果，作為本文設計判別方法的依據，在此基礎上，判別母線差動保護非故障相飽和。分析母線區外故障時，各個支路的有功功率變化，根據功率變化情況定位電源的負荷支路。采用電壓工頻啟動元件，根據工頻變化量，判別母線差動保護的運行狀況。啟動元件，實時記錄母線上任一相電壓工頻的變化量，將其作為判別依據，表達式為：

式中：ΔUph表示相電壓工頻變化量的瞬時值；0.05UN表示母線差動保護的固定門坎；ΔUT表示母線差動保護的浮動門坎。根據母線電壓工頻變化量，判斷母線非故障變化量的輸出變化，基于輸出變化的具體情況，不斷調整母線差動保護的浮動門坎。若在判別過程中，未檢測到母線差動保護的有功功率負支路，電流沒有流入母線時，則表明此時母線區外存在一定的故障，結合閉鎖異步法與電流分布系數計算方法，進行母線差動保護，提升母線運行的安全性；若在判別過程中，檢測到母線差動保護的有功功率負支路，表明故障飽和發生在電源支路中，通過電源支路電流分布系數判別非故障相飽和及母線差動保護區內故障，完成本次判別方法設計的目標。

2 實驗分析

為了對本文提出的基于諧波分析的母線差動保護非故障相飽和判別方法的可行性進一步客觀分析，進行了如下文所述的實驗。選取X變電站作為實驗研究對象，將本文設計的母線差動保護非故障相飽和判別方法應用到該變電站中。采用1臺母線差動保護裝置與20臺單間隔綜合保護裝置，設置母線差動保護裝置的環網節點數為40，兩種裝置均通過100 Mb/s以太環網進行連接，在兩段母線的進線開關與出線開關處，安裝分段開關。實時分析母線差動保護后各個振蕩幅值的變化情況，基于諧波分析原理提取非故障相的固有頻率特征，通過經驗模態分解（Empirical Mode Decomposition，EMD）特征提取方法，提取非故障相信號的運行特征，公式為：

式中：y(t)表示非故障相信號運行特征；ci(t)表示非故障相信號特征模函數；r(t)表示非故障相剩余分量模函數。提取非故障相信號運行特征后，對母線電流信號進行分解處理，確定母線差動保護信號窗長根據信號窗長，判別母線差動保護內部數據的極大極小值變化情況。為了驗證本文設計的判別方法的可行性，采用對比分析的實驗方法，將所提基于諧波分析的非故障相飽和判別方法與傳統的基于電流分布規律的非故障相飽和判別方法進行對比，利用MATLAB分析軟件分析兩種判別方法判別結果的準確率，對比結果如表1所示。

表1 兩種方法判別結果準確率對比

根據表1的實驗結果可知，在兩種母線差動保護非故障相飽和判別方法中，本文提出的基于諧波分析的判別方法對于非故障相飽和判別的時間較短，判別速度較快，而且判別結果的準確率均在95.24%以上，能夠在較短時間內實現母線差動保護非故障相飽和高精度判別的目標。

3 結 論

母線作為變電站與電力系統運行的重要組成部分，對設備的使用性能與使用安全具有一定影響。為了改善傳統母線差動保護非故障相飽和判別方法精度不足、判別時間較長的問題，本文在傳統方法的基礎上，引入諧波分析原理，提出了一種新的判別方法。通過本文的研究，有效提升了判別結果的準確率，縮短了整體的判別時間，實現了在較短時間內，高精度判別母線差動保護非故障相飽和的目標，對我國變電站與電力系統的運行發展具有重要意義。