新型继电保护与故障测距原理与技术

新型继电保护与故障测距原理与技术
发表时间：2018-02-01T15:50:47.927Z 来源：《防护工程》2017年第28期作者：袁晓斌巫光祥
[导读] 近年来，我国电力行业取得了较快的发展，但电力故障也时有发生，对电力系统正常的运行带来较大影响。

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摘要：近年来，我国电力行业取得了较快的发展，但电力故障也时有发生，对电力系统正常的运行带来较大影响。

目前，运用继电保护技术来对电力系统故障和运行异常进行诊断，或采取相应保护措施来保护电力系统是比较好的办法，确保电力系统运行的安全性和可靠性。

文章从继电保护系统的原理、作用和特点入手，对继电保护系统运行中的常见故障进行了分析，并进一步对继电保护系统运行中常见故障的处理办法进行了具体的阐述。

关键词：继电保护；故障测距原理；技术
电力生产发展的需要和新技术的陆续出现是电力系统继电保护原理和技术发展的源泉。

继电保护工作者总是在不断地根据需要和可能,对已有的继电保护装置进行改进和完善,同时努力探求实现继电保护的新原理,开发新型的继电保护装置。

计算机的应用为此创造了前所未有的良机[1]。

1.继电保护系统的原理、作用和特点
高压电力系统继电保护技术的原理是电气测量器件对被保护对象实时检测其有关电气量(电流、电压、功率、频率等)的大小、性质、输出的逻辑状态、顺序或它们的组合，还有检测其他的物理量(如变压器油箱内故障时伴随产生的大量瓦斯和油流速度的增大或油压强度的增高等)作为继电保护装置的输入信号，通过逻辑运算与给定的整定值进行比较，然后给出一组逻辑信号来判断相应的保护是否应该启动，并将有关命令传给执行机构，由执行机构完成保护的工作任务(跳闸或发出报警信号等)。

高压电力系统继电保护技术的作用是专业对电力系统的正常运行工况进行监测显示，对异常工况进行及时的故障报警、故障诊断或快速切断异常线路(或设备等)的电力，进而为用户的正常生产、生活用电提供保证。

高压电力系统继电保护技术的特点是：①可靠性：继电保护装置有非常好的可靠性，不误动不拒动等；②选择性：正确选择故障部位，保护动作执行时仅将故障部位从电力系统中切除，保证无故障部分继续正常安全运行；③速动性：快速反应及时切除故障[2]。

2.继电保护故障测距原理及技术
直流输电线路发生故障后，精确定位故障点，对于及时排除故障以及防止故障的再次发生具有重要意义。

目前，直流输电系统中普遍采用行波测距原理进行故障定位。

根据所采的用电气量来源不同，行波测距包括单端行波测距和双端行波测距两种类型。

单端行波测距检测整流站/逆变站的故障行波第一波头和第二波头的到达时刻，计算两次波头到达的时间差并与行波波速相乘得到测距结果；双端行波测距检测整流站和逆变站的故障行波第一波头到达时刻，计算两端换流站故障行波到达时间差并与行波波速相乘得到测距结果。

从行波测距的原理来看，影响测距精度的直接因素包括行波波头检测和行波波速选择两个方面。

2.1行波波头检测
行波波头检测的一种思路是设定动作门槛，当测距装置采样数据大于该动作门槛时认为故障行波到达。

为了避开脉冲噪声等因素的影响，动作门槛值一般要求较高。

实际的故障行波到达时刻为行波由零开始增大的时刻，测距装置的动作门槛越高，检测到的行波到达时刻与实际行波到达时刻之间的误差也越大。

因此，这一方法不可避免地存在可靠性与精确度的矛盾问题。

行波波头检测的另外一种思路是采用基于小波理论的波头检测方法。

小波变换的奇异性理论指出，当信号在奇异点处的奇异性指数为正时，小波系数的模极大值随变换尺度的增大逐渐增大；当信号在奇异点处的Lipschitz指数为负时，小波系数的模极大值随变换尺度的增大很快衰减；当信号在奇异点处的Lipschitz为0时，小波系数的模极大值不随变换尺度的改变而改变。

通过综合分析不同变换尺度下的小波系数模极大值的变化情况，可准确区分噪声与故障行波波头，避免了设立动作门槛,可较大地提高行波波头检测的准确度。

然而，采用小波方法进行行波波头检测时，如何从众多类型的小波基中选取一种合适的小波基一直缺乏清晰明确的理结论，只能够在大量仿真的基础上结合工程经验选取，这无疑增加了行波波头检测精度的不确定性[3]。

此外，行波波头的检测方法还有互相关函数法、数学形态学法等。

互相关函数法需要构造一个能够表征故障电气量与参考波头相关性的函数，测距装置将检测信号输入相关函数之中计算相关性量值，当相关性量值大于给定阈值时，认为行波波头到达。

数学形态学法需要设计一种合适的结构元素，并利用该结构元素对被检测信号进行腐蚀、膨胀等形态运算，从而提取被检测信号的结构特征，实现行波波头的检测。

互相关函数法和数学形态学法也具有较好的行波波头检测能力，但与小波方法存在相似的问题，互相关函数法存在参考函数的选取问题、数学形态学法存在结构元素的设计问题。

由于行波第一波头相比于稳态数据具有显著的阶跃特征，波头检测结果对于小波基、参考函数、结构元素的选择并不敏感。

采用小波法、互相关函数法、数学形态学法检测行波第一波头，检测误差一般能够控制在0～2个数据点，具有较高的检测精度。

目前，行波测距装置的采样频率可达到 1MHz，0～2个数据点的波头检测误差所造成的最大测距误差在1km左右，能够满足直流系统对于测距精度的要求[4]。

2.2行波波速选择
直流线路起始故障行波一般可视为阶跃波，其包含零到无穷频的所有频率分量。

由于线路参数的频变特性，不同频率分量具有不同的传播速度，起始故障阶跃波传输一段距离后将产生色散，成为波头与波尾被拉长的畸变阶跃波。

行波波头部分由传播速度较快的高频分量构成，波尾部分由高频分量和传播速度较慢的低频分量共同构成。

实际行波测距装置的分辨率和采样频率均为有限值，行波采样数据在时间和幅值上存在一定程度的离散,只有当行波幅值达到测距装置分辨率时才被分辨出来。

设采样得到的第一个数据点包含的最高频率分量为f，则故障行波的传播速度等于频率f所对应的单频正弦波在线路中的传播速度。

然而，由于行波在传播过程中的色散和衰减特性，随着过渡电阻、故障距离改变，行波采样得到的第一个数据点的频率构成具有较大差异，即实际测距装置感受的故障行波具有变波速特性。

在目前行波测距装置的硬件条件下，过渡电阻对行波波速的影响可以近似忽略，行波波速可以看作是故障距离的一元函数。

为选取合适的行波波速进行故障测距，可利用小波分析提取行波波头的特定频率分量，检测这一频率分量的到达时刻并计算该频率分量的传播波速，时间与波
速相乘得到测距结果。

另外，还可采用二次函数对反射波上升沿中间段的数据进行拟合得到行波视在起点，建立故障点与视在起点之间的波速联系，从而提高了测距精度[5]。

3.结语
电力系统运行的可靠性、安全性离不开继电保护装置的正确和可靠动作。

继电保护运行人员，应该不断熟悉电力系统的基础知识，熟练掌握故障分析方法，做好继电保护装置的维保工作，提高对继电保护装置常见故障的有效快速处理能力，从而提高继电保护系统的安全性、可靠性和正确性。

特别是当前继电保护技术已经向微机化、网络化、智能化的方向发展，呈现保护、控制和测量等一体化的发展趋势。

这就需要针对继电保护发展新情况来不断提升继电保护人员自身的专业技能，确保电力系统能够安全、可靠、稳定运行。

【参考文献】
[1]何正友,李小鹏,林圣.时频联合分析在输电线路继电保护和故障定位中的应用综述[J].电力科学与技术学报,2013
[2]蔡小玲,王礼伟,林传伟,等.基于智能变电站的站域保护原理和实现[J].电力系统及其自动化学报,2012。