基于暂态量的超高速线路保护研究(3)-西交大张宝会老师.ppt
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1、电气工程学院,张 保 会,基于暂态量的 超高速线路保护的研究,西安交通大学 2006 年 10月,3,纲 要,绪 论 基 础 理 论 原 理 算 法 实 验 装 置 结 论,基于暂态量的超高速线路保护的研究,4,(一) 绪 论,5,(一) 绪 论 1,背景 与 意义 现状 与 问题,研究新型继电保护,6,(一) 绪 论 2 背景 与 意义,高压电网的飞速发展 500 750 1000 kV 传统保护的原理限制 动作速度接近极限 1025ms 受工频因素影响大 R 系统振荡 TA 技术条件的逐渐具备 光电互感器 高频响应特性优良 高速数据采集 24位 同步1Ms/s 数字信号处理技术 小波 形态
2、学,7,(一) 绪 论 2 现状 与 问题,故障分量 工频量 暂态量,8,(一) 绪 论 3 现状 与 问题,暂态量保护的研究现状,9,(一) 绪 论 4 现状 与 问题,暂态量保护的评价,10,(一) 绪 论 5 现状 与 问题,暂态量保护 相关理论 的研究现状 一套完整实用的暂态量保护还需配套元件的支持: 快速启动 干扰识别 (雷电、断路器操作) 故障选相 还未进行系统地研究,只分散地进行了部分工作,都存在理论可靠性问题。,11,(一) 绪 论 6 现状 与 问题,暂态量保护的装置和试验,12,(一) 绪 论 7,可见,暂态量保护在原理、算法、装置都不甚成熟,13,(二) 基 础 理 论,
3、14,(二) 基础理论 1,输电系统的频率特性 输电系统的暂态信号,为了研究暂态量保护,需要分析:,15,(二) 基础理论 2 线路频率特性A,线路参数:频变R() 电感L() 线路方程:,波阻抗 Zc () 传播系数 () 传输函数 A () = e-x,16,(二) 基础理论 3 线路频率特性B,三相线路,小结论:选取 5kHz 下的模变换实数矩阵,如Ti,17,波阻抗,(二) 基础理论 4 线路频率特性C,波速度,传播系数中的衰减常数,18,(二) 基础理论 5 线路频率特性D,传输函数 A,零模 线模,小结论: 宜选用100kHz以下的线模信号分量; 注意线路对信号的衰减影响,110
4、kHz 50100 kHz,19,(二) 基础理论 6 母线的频率特性,小结论:母线系统对地等效电容 2000 pF 0.1 F,20,(二) 基础理论 7 阻波器的频率特性,小结论:阻波器对50Hz工频电流显低阻抗(约为 0.04 ) 对110kHz中频电流显中阻抗(0150 之间) 对阻塞频带40500kHz内高频电流显高阻抗( 800 以上),21,(二) 基础理论 8 线路边界,线路边界: 在一定的频带(尤其是阻波器的阻塞频带)内, 母线对地电容的容抗值约在 150016 之间 阻波器的阻抗值大于 800 显著地不等于输电线路的特性阻抗(约250), 形成线路特性阻抗的不连续点(处于线
5、路两端),22,(二) 基础理论 9 边界的频率特性,小结论:线路边界 使得50100kHz信号分量经过后被显著衰减或反射; 而对于较低频110kHz分量则没有明显的作用 呈现构造新型暂态量保护的意义,23,(二) 基础理论 10 故障暂态信号A,24,(二) 基础理论 11 故障暂态信号B,从时域看,,25,(二) 基础理论 12 故障暂态信号C,从频域看,对于某一确定频率分量 E() 而言,每一次行波浪涌,相关于: 故障源 E() 、 线路的传输系数 A() 边界的透射系数H()、反射系数K() 等,26,(二) 基础理论 13 故障暂态信号D,故障暂态信号的特点:,故障暂态信号是一系列行
6、波浪涌 初始行波浪涌来自故障点, 所携带的故障信息最为明显; 后续的行波浪涌受多个因素的影响 各次行波浪涌中所含频率分量的比例是不同的,27,(二) 基础理论 14 暂态信号的分析要求,能分析非平稳信号 能时域局部化 能提取信号频带分量 能表征信号分量的特征: 极性、幅值、能量等,小 波 分 析,28,(二) 基础理论 15 小波变换,能量一致性形式的小波变换 综合常见小波的基本性质 结合暂态保护的基本要求,选择: 三阶中心B样条小波 奇异性检测、定位、极性表征 db3或db4小波 信号能量分布的表征 两个概念的推证,29,(二) 基础理论 16 奇异性检测的WTMS法,信号的奇异性 L.E.
7、,孤立奇异性检测的小波变换模极大值法,普遍适用的奇异性检测的WTMS法,30,(二) 基础理论 17 小波变换的谱能量分布,对于有限能量的信号函数f (t), 经 正交小波变换 的多分辨分析而得 逼近系数cJ, k与小波系数dj, k (其中尺度j =1,2,J),则此信号的能量可以分解为各尺度上的小波变换谱能量,,其中,31,(三) 原 理 算 法,32,(三) 原理算法 1,超高速暂态量保护: 总体方案 核心元件(判别区内外故障) 方向元件 边界元件(2) 配套元件 启动元件 雷电干扰元件(2) 合闸于故障识别元件 故障选相元件(2),33,(三) 原理算法 2 总体方案,34,(三) 原
8、理算法 3 方向元件 A,特征差异,正向故障, 反向故障, uf /ub= kr uf /ub (反射系数0|kr|1),反向故障, uf /ub,正向故障, uf /ub= kr (反射系数0|kr|1),35,(三) 原理算法 4 方向元件 B,识别故障方向的基本原理: 在保护安装处检测到初始行波后t 时间内,正向行波uf与反向行波ub的比值为 D= uf / ub 若D 0, 则可判定故障发生在正方向;,其中,时间段t min2l1/c, 2l2/c , l1与l2分别为本侧线路、背侧线路的长度 门槛值 0 在理论上为介于反射系数kr与之间, 在实际运用时宜选用略大于1的数,如0=1.2
9、,36,(三) 原理算法 5 方向元件 C,正向Ag 反向BCg,Ef = 1.37e9, Eb =1.06e10, 则 D=0.130=1.2,Ef = 1.9e10, Eb =3.4e7, 则 D=510.20=1.2,37,(三) 原理算法 6 方向元件 D,性能测试 本文的主要测试系统(东北电网董辽线),38,(三) 原理算法 7 方向元件 E,性能测试, 0 =1.2 反向,灵敏的 可靠的, 0 =1.2 正向,39,(三) 原理算法 8 边界元件,边界元件 单端暂态量保护 两个方法 反行波法 电流波法,40,(三) 原理算法 9 边界元件(反行波法) A,特征分析,区内故障,41,
10、(三) 原理算法 10 边界元件(反行波法) B,特征分析,区外故障,42,(三) 原理算法 11 边界元件(反行波法) C,特征分析,区内 故障,区外 故障,43,(三) 原理算法 12 边界元件(反行波法) D,区内外故障的判别原理 检测到初始故障行波后t时间内 求得反行波 B 中高、低频带分量的比 若Bb, 则可判定故障发生在线路内部。,当取 b = kkmaxB(外)、可靠系数kk=1.2时, 判据可以表示为另一形式 kB=B/b1,44,(三) 原理算法 13 边界元件(电流波法) A,区内外故障的判别原理 检测到初始故障行波后t时间内 求得电流波 I 中高、低频带分量的比 若Cc,
11、 则可判定故障发生在线路内部。,当取 c = kkmaxC(外)、可靠系数kk=1.2时, 判据可以表示为另一形式 kC=C/c1,45,(三) 原理算法 14 边界元件的性能测试A,反行波法,46,(三) 原理算法 15 边界元件的性能测试B,电流波法,用单端暂态量构成全线速动保护遇到困难,47,(三) 原理算法 16 启动元件 A,超高速保护欲在510ms内动作出口。 要求担负着故障检测、启动保护任务的启动元件必须要在 1ms 内做出正确是否起动的判断。,启动算法应能达到: 故障发生时要可靠灵敏地启动; 正常或噪声干扰的情况下不误启动,这里结合线路故障初始行波Lipschitz系数特点 与
12、信号奇异性检测的WTMS一般方法 提出基于小波变换模之和WTMS的行波启动算法,48,(三) 原理算法 17 启动元件 B,特征分析,故障电流行波 : L.E.系数 -0.5 1,脉冲与白噪声 : L.E.系数 -0.5,系 统 正 常 时 : 无奇异性,49,(三) 原理算法 18 启动元件 C,原理算法,(1)检测信号奇异性,区分正常情况与奇异情况。 对采集到的电流信号i(t),进行三阶B样条小波二进小波变换,寻找小波变换极大值Wm(j)。若无,则系统正常;若有且满足下式,则进入到第(2)步,(2)检测奇异性来源,区分故障行波与噪声干扰。 根据信号检测的WTMS法,比较相邻尺度间小波锥内小
13、波变换模之和Ws(j) = Ni(t0 , j) ,若满足下式,则启动,50,(三) 原理算法 19 启动元件 D,性能测试 2,1 =Ws(2) /Ws(1) =1.52 1.414 3,2 =Ws(3) /Ws(2) = 1.85 1.414,51,(三) 原理算法 20 启动元件 E,52,(三) 原理算法 21 雷电干扰识别元件,超高压线路不可避免会受到雷击(感应与直击) 一方面,雷电波沿着线路传播,遇到线路波阻抗 不连续点还将发生波的折、反射, 另一方面,雷电波中含有丰富高频暂态量。 这与故障行波相近,因而若不加以区分, 将可能对暂态量保护产生不利影响。,造成故障 故障性雷击 / 重
14、型雷击 未造成故障非故障性雷击 / 轻型雷击(雷电干扰),两种方法: 波形法 暂态法,53,(三) 原理算法 22 雷电干扰(波形法)识别 A,特征分析,54,(三) 原理算法 23 雷电干扰(波形法)识别 B,原理算法,kt /kf,|u200 /um|,K1= 0.4,K2=-0.5,K3= 0.5,55,(三) 原理算法 24 雷电干扰(波形法)识别 C,56,(三) 原理算法 25 雷电干扰(暂态法)识别 A,频谱特征分析,1) 雷电波(非故障性),2) 普通故障分量,3) 雷击故障分量,57,(三) 原理算法 26 雷电干扰(暂态法)识别 B,原理算法,对暂态信号进行分频提取,分别计
15、算低频分量 (05 kHz)能量E1 和 高频分量( 510 kHz) 能量E2 L = E1/E2 若 L kL (预设的门槛值),则判定为故障,为确保可靠性,上述门槛取得较大,如 kL=30,导致一部分弱故障性雷击不能被识别,当L = E1/E2 kL,比较雷电波的峰值Im 和峰值后20s时的幅值I20,即 若i ki(预设门槛值), 那么判定此暂态过程为雷击干扰。ki=0.5。,58,(三) 原理算法 27 雷电干扰(暂态法)识别 C,59,(三) 原理算法 28 合闸于故障识别 A,对超高速保护而言,输电线路断路器的合闸操作也会产生行波或暂态量,并能启动保护。 若线路上有故障,则保护应
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