基于小波分析的故障電流互感器飽和時的母線保護(hù)

基于小波分析的故障電流互感器飽和時的母線保護(hù)

母裝置是能源系統(tǒng)中的重要設(shè)備之一。母電壓裝置的正確保護(hù)行為直接關(guān)系到整個能源系統(tǒng)的可靠性和供電可靠性。如何探索一種全新的方法精確地確定故障發(fā)生和差流出現(xiàn)時刻,防止區(qū)外短路故障時,TA飽和造成差動保護(hù)誤動作及TA退出飽和時,又能及時地開放差動保護(hù),這是一個值得認(rèn)真研究的課題。1小波變換確定故障發(fā)生時段和時域關(guān)系電力系統(tǒng)發(fā)生故障時,故障信號中含有大量衰減的直流分量和高頻分量,據(jù)文獻(xiàn)報道:故障后的半個周波內(nèi)有強(qiáng)烈的暫態(tài)信號衰減現(xiàn)象。故障信號中的高頻分量是由故障引起的行波在網(wǎng)絡(luò)中折射和反射形成的,對于高頻分量,由于其頻率與故障位置和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有很大關(guān)系,大都為非整數(shù)諧波,傳統(tǒng)的傅里葉變換僅能檢測整數(shù)次諧波,如果要檢測非整數(shù)諧波,需要較高的頻率分辨率,因而需要較寬的時窗,但這與檢測暫態(tài)高頻分量需要較窄的時窗相矛盾。其次,衰減的高頻分量具有寬的頻帶,衰減越快,頻帶就越寬。用某一窄帶信息描述和觀察寬頻信號是沒有意義的。由此可以看出,高次暫態(tài)信息在電力系統(tǒng)發(fā)生故障時,具有從無到有的質(zhì)變過程。從這個意義上講,利用暫態(tài)信息確定故障發(fā)生時刻要比單純地利用工頻突變量確定故障發(fā)生時刻精確得多。小波變換具有可調(diào)節(jié)的時-頻分辨能力,能有效地分辨出信號中不同時段存在的形狀不同、延續(xù)范圍不同的突變量、暫態(tài)分量或非穩(wěn)態(tài)分量,即信號在不同位置處不同特征的局部行為。因此,可以采樣小波變換確定故障發(fā)生時刻和差流出現(xiàn)時刻。依據(jù)小波變換取光滑函數(shù)為三次B樣條函數(shù),一階B樣條函數(shù)的定義為N1(t)={10[JX?*8]≤[JX*8]t[JX?*8]<[JX*8]00else(1)Ν1(t)={10[JX-*8]≤[JX*8]t[JX-*8]<[JX*8]00else(1)若N1為[0,1)區(qū)間的特征函數(shù),則m階基數(shù)B樣條定義為Nm(x)=Nm-1N1=∫1001Nm-1(x-t)dt,m≥2(2){H(ω)=ejω2[cos(ω/2)]mG(ω)=4jejω2sin(ω/2)(3){Η(ω)=ejω2[cos(ω/2)]mG(ω)=4jejω2sin(ω/2)(3)當(dāng)m=3時,對應(yīng)的時域表達(dá)式為{h?1=0.125,h0=0.375,h1=0.375,h2=0.125g0=?1.0,g1=1.0(4){h-1=0.125,h0=0.375,h1=0.375,h2=0.125g0=-1.0,g1=1.0(4)文獻(xiàn)證明了在噪聲情況下檢測信號的奇異性時,上述3次B樣條小波是漸近最優(yōu)的。本文采用3次B樣條小波函數(shù)作為小波基函數(shù)。2基波變換數(shù)據(jù)分析電壓工頻突變量啟動元件啟動后,利用小波變換分析相電流的突變從而確定故障發(fā)生時刻和差流的出現(xiàn)時刻。母線發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時,故障發(fā)生時刻與差流出現(xiàn)時刻同時出現(xiàn),電流突變及差流的出現(xiàn)在同一時刻被檢測到;而母線發(fā)生近端短路故障,造成TA飽和時,故障的發(fā)生時刻與差流出現(xiàn)時刻不同時,利用小波變換檢測到的電流突變及差流的出現(xiàn)不在同一時刻。具體做法如下所述。以故障點(diǎn)數(shù)據(jù)為標(biāo)志,取故障前兩個半周波和故障后半個周波共3個周波的數(shù)據(jù)作為分析的數(shù)據(jù)窗。因小波變換是按頻帶分解信號的,每次都分解為低頻和帶通兩部分,為了確定模極大值,必須分解最大尺度上帶通部分即小波部分的頻帶在工頻以上,否則在此尺度上與工頻部分混疊,分解不出奇異點(diǎn)的模極大值。同時,在電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時,系統(tǒng)中的工頻電壓量和工頻電流量占主要成分,只含有很少的高次諧波量;當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時,故障分量中不僅含有大量的工頻量,而且還含有大量高次諧波暫態(tài)量。為了消除基波分量對信號奇異點(diǎn)檢測的影響,在小波分解前或小波分解后,使分析數(shù)據(jù)通過適當(dāng)?shù)臑V波器,濾去基波分量。實(shí)驗(yàn)仿真證明,不濾去基波分量進(jìn)行奇異點(diǎn)檢測,效果不如濾去基波分量好,在小波分解前和小波分解后濾去基波分量效果幾乎相同,本文是先利用卷積型二進(jìn)小波變換公式進(jìn)行小波分解,再濾去基波分量。3故障信號高頻分量中的低頻部分電力系統(tǒng)是由發(fā)電機(jī)、變壓器、輸電線路、用戶負(fù)荷及電容器、電抗器等組成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障時,故障信號中含有大量衰減的直流分量和高頻分量。對于高頻分量中的低頻部分(故障信息中的2～7次之間的整數(shù)次諧波及非整數(shù)次諧波),與故障位置和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有很大的關(guān)系,其成分和含量由系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)決定。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)一定時,故障信號的高頻分量中的低頻部分,應(yīng)該是一定的、有規(guī)律的,而高頻分量中高頻部分的成分與含量不僅與系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)有關(guān),還與外界的高次諧波干擾有關(guān)。正是基于這一認(rèn)識,利用故障信號高頻分量中的低頻部分確定故障發(fā)生時刻。仿真結(jié)果驗(yàn)證了這一認(rèn)識的正確性。TA未飽和時,運(yùn)行在磁化曲線的線性段,而當(dāng)TA飽和后,交替運(yùn)行在磁化曲線的線性段與非線性段,經(jīng)未飽和和飽和后的TA傳變的二次電流,在波形上會表現(xiàn)出不同的特征。正是根據(jù)電流經(jīng)未飽和和飽和后的TA傳變后在波形上的不同特征,利用小波變換檢測二次電流進(jìn)入飽和時刻和退出飽和時刻。仿真結(jié)果驗(yàn)證了小波變換在檢測二次電流進(jìn)入飽和時刻和退出飽和時刻的有效性。4仿真結(jié)果分析為驗(yàn)證上述思想的正確性,利用EMTP仿真程序?qū)^(qū)外發(fā)生各種故障時TA在不同時刻出現(xiàn)飽和進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn),并對其第二尺度上小波分解的模的極大值進(jìn)行分析,采樣率為每周期36點(diǎn),分析中所用TA模型是采用參考文獻(xiàn)中的模型,TA各種飽和情況下的各種數(shù)據(jù)是通過改變負(fù)載和TA參數(shù)得到的。圖1為發(fā)生區(qū)外故障時,相電流和差流小波分析圖,圖中以采樣點(diǎn)數(shù)s表示時間(以下同),其中曲線1是故障相電流波形圖;曲線2是故障相電流經(jīng)小波變換后,在第二尺度上表現(xiàn)出來的特征;曲線3是所得的差流波形圖;曲線4是差電流經(jīng)小波變換后,在第二尺度上表現(xiàn)出來的特征。圖1中曲線1故障相電流波形圖和曲線3差流波形圖是在16.7ms發(fā)生區(qū)外短路故障,從51.1ms以后故障電流進(jìn)入飽和,在117.8ms以后故障電流不再具有飽和現(xiàn)象。圖2是區(qū)外發(fā)生故障,TA進(jìn)入飽和后,由于區(qū)外故障引起的區(qū)內(nèi)故障,所得的相電流和差流小波分析圖,其中曲線1是故障相電流波形圖;曲線2是故障相電流經(jīng)小波變換后,在第二尺度上表現(xiàn)出來的特征;曲線3是所得的差流波形圖;曲線4是差電流經(jīng)小波變換后,在第二尺度上表現(xiàn)出來的特征。圖2中曲線1故障相電流波形圖和曲線3差流波形圖是在16.7ms發(fā)生區(qū)外短路故障,從51.1ms以后故障電流具有飽和特征,在97.8ms時,由于區(qū)外故障引起TA飽和導(dǎo)致區(qū)內(nèi)發(fā)生故障,117.8ms以后故障電流不再具有飽和特征。分析以上仿真結(jié)果,可以看出:當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生區(qū)外故障時,利用相電流突變量和差流突變量,在小波分解的第二尺度上能夠精確地確定故障發(fā)生時刻和差流出現(xiàn)時刻,根據(jù)“同步測量法”的基本原則,利用差流出現(xiàn)時刻和故障發(fā)生時刻的不同時,可以正確地判斷TA是否飽和;TA飽和后,在第二尺度上小波變換模值的大小變化,這是由于TA飽和后,傳變的故障電流中含有大量的高次諧波造成的;對于圖2,差動電流的第二個模極大值是由TA退出飽和現(xiàn)象造成的,而對于區(qū)外發(fā)生短路故障時,由于TA飽和引起的區(qū)內(nèi)故障(通俗地說是區(qū)外故障轉(zhuǎn)區(qū)內(nèi)故障),差動電流的第二個模極大值是由區(qū)內(nèi)故障造成的。為了區(qū)分上述2種情況,可以采用這樣的判據(jù):差動電流出現(xiàn)第二個模極大值后的一段時間內(nèi),差動電流幅值較大,則認(rèn)為在該點(diǎn)發(fā)生區(qū)外故障轉(zhuǎn)區(qū)內(nèi)故障,否則,認(rèn)為在該點(diǎn)TA退出飽和,同時開放差動保護(hù)。也可以這樣判斷:差動電流出現(xiàn)第二個模極大值后的一段時間內(nèi),相電流在小波變換的第二尺度上模值變化較大,則認(rèn)為在該點(diǎn)發(fā)生區(qū)外故障轉(zhuǎn)區(qū)內(nèi)故障,若相電流在小波變換第二尺度上,模值變化不大,則認(rèn)為在該點(diǎn)TA退出飽和,同時開放差動保護(hù)。對于區(qū)外故障轉(zhuǎn)區(qū)內(nèi)故障這種情況,只有等到差動電流第三個模極大值出現(xiàn)后,再開放差動保護(hù)。5同步測量法原理小波分析作為一種現(xiàn)代信號處理的方法,具有多尺度分析和良好的時頻局部化特性,可以準(zhǔn)確地捕捉突變信