高清PDF《母线和变压器暂态量保护算法 》束洪春 著 2018年版

前言
母线和变压器是在发电厂、变电站内直接参与电力传输的一次设备，母线负责电能在同一电压等级的汇集与分配，变压器负责电能在不同电压等级之间的传输。母线和变压器是输配电系统的关键设备，在电力系统中占有极其重要的地位，在母线或变压器发生故障时，若不能及时检测并切除故障，将会扩大事故范围，毁坏更多设备，破坏电力系统的安全稳定运行，甚至瓦解整个电力系统。因此，探寻性能完善、可靠性高的母线保护与变压器保护原理十分必要。
高压母线通常位于变电站内，发生短路故障的概率很小，而母线保护涉及所有与母线相连的线路与元件。若因人为失误或电流互感器(CT)饱和导致母线保护出现误动作，将导致所有母线上的线路和电源被切除。关于电力系统高压母线是否需要专用的母线保护在历史上曾有过争议，但是随着继电保护技术的发展与电力系统规模的扩大，母线保护的应用已经得到广泛的认可。按照我国《继电保护和安全自动装置技术规程》(GB14285一2016)的规定，仅在110kV单母线接线形式及其以下电压等级无特殊保护要求的情况下才允许不安装专门的母线保护，而使用其他设备的后备保护覆盖母线。因为母线保护包括所有连接在母线上的元件，所以母线保护有时也称为母线区域保护，虽然这个术语能更好地描述母线保护，但应用并不广泛，并且大多数工程师习惯于将这类保护简单地称为母线保护。为降低人为接线失误的影响，母线保护的架构从最初集中式逐渐发展到分布式母线保护。通过将数据采集单元下放至各个开关柜内，分布式架构降低了集中式对二次电缆接入与屏柜布线的要求，在一定程度上降低了因人为失误导致接线错误引起母线保护误动作的可能性。针对CT饱和问题，目前在工程上主要通过电压启动元件与其他启动元件之间的启动时差，以及谐波制动对CT饱和进行检测，但是工频量保护采样率低，不同启动元件的启动时间可能相差无几，不易判别，而谐波制动可能会受到线路故障产生的谐波影响，故CT饱和导致母线保护误动作的隐患依然存在，因此准确而快速地辨识母线区内故障与区外故障仍然是母线保护研究的重点。
传统工频量母线保护主要通过比较各回路工频电流幅值、相位来判别故障点是否位于母线，但是若在暂态过程中出现较大的一次电流，尤其是包含较大非周期分量时，可能导致CT因铁心磁饱和而无法准确传变工频波形，进而影响基于工频量差动原理的母线保护对故障的准确判别。基于工频电流相位原理的母线保护受CT饱和影响较小，但是不适用于母线故障后各回路电流相位相差较大或有电流流出的情况，导致传统工频量母线保护在3/2接线等复杂接线形式下依然存在发生误动作的危险。
随着行波保护技术的发展，行波保护因不受CT饱和影响的特点受到学术界关注。我国学者薄志谦提出利用小波变换提取电流行波波头特征，通过提取高频暂态量中包含的故障信息构建母线保护算法，根据电流初始行波波头极性信息对母线保护区内故障与区外故障进行判别。通过引入母线暂态电压，又相继提出了基于短时窗方向行波、暂态功率方向等原理的母线保护算法，将对初始行波波头的捕捉转变为对短时窗内行波传播方向与暂态能量的检测，降低了对采样率和波头捕捉准确性的要求。我国学者索南加乐通过计算母线暂态等效阻抗模型及参数，提出了基于瞬时阻抗与模型参数识别的母线保护算法，将暂态电压与电流的检测拓展为对母线一线路系统等效模型的分析。
虽然行波母线保护与暂态量母线保护都是利用母线故障后产生的暂态电气量特征构成保护，但就构成思想而言，暂态量母线保护是对行波母线保护的继承和发扬。为了便于对照，本书以行波母线保护为切入点，在阐述行波功率方向比较式母线保护、行波电流极性比较式母线保护、行波电流差动式母线保护和积分型行波幅值比较式母线保护等原理的基础上，对暂态量母线保护（包括基于含工频频带故障电流突变方向的母线保护、基于电流小波系数相关分析的母线保护和基于测后模拟的暂态量母线保护等)进行了原理上的剖析，以及保护动作特性的仿真分析。其中，行波功率方向比较式母线保护根据当且仅当母线故障时所有出线的初始行波功率方向才会一致的原理来构建保护判据；行波电流极性比较式母线保护根据当且仅当母线故障时所有出线的初始电流行波波首波头极性才会全部相同的原理来构建保护判据：行波电流差动式母线保护根据当且仅当外部故障时与母线相连的各回出线所测得的初始电流行波的幅值之和才会为零的原理来构建具有比率制动特性的保护判据：积分型行波幅值比较式母线保护根据当且仅当母线故障时所有出线所检测到的初始行波才全部是正向行波的原理来构建保护判据。基于含工频频带故障电流突变方向的母线保护是利用初始故障电流含工频量所在频带的突变方向来取代初始电流行波首波头极性来构成保护判据：基于测后模拟的暂态量母线保护根据当且仅当母线故障时母线上所有出线才能等效为无故障(L)电路模型的原理来构成保护判据。对于母线上所有出线观测端，母线故障时都为反方向故障，而线路故障时，除发生故障的线路为正方向故障，其他无故障线路为反方向故障，分别利用高阶差分(SOD)、电压电流短时窗小波系数相关分析、前行波与反行波短时窗积分等方法来判断故障是正方向故障还是反方向故障，以实现母线保护的区内故障与区外故障的区分。此外，本书还针对传统保护面临的CT饱和问题及其对策展开了研究，并提出了CT饱和的过零点检测方法、基于小波原理的时差检测方法和基于CT二次输出电流与其差分构成的平面上相邻点距离判别的检测等方法。

变压器本身为一种铁磁元件，当变压器空载合闸时，其磁链不能突变，从而产生非周期磁链，使得变压器铁心饱和，变压器励磁电感降低，变压器合闸一侧将出现数值很大且偏向时间轴一侧的电流，进而导致变压器两端差流大幅增加，该特征与内部故障类似，故变压器保护的关键在于励磁涌流与变压器内部故璋之间的区分。早在1892年，英国的Fleming就发现了励磁涌流现象，但直到20世纪40年代人们才开始重视该现象，并对其进行了深人的研究。明确变压器励磁涌流的产生机理与波形特征，有助于励磁涌流的可靠识别，可有效提高变压器差动保护的正确动作率。
目前变压器的主保护为利用电气量的纵联差动保护和非电气量的瓦斯保护。其中纵联差动保护利用变压器一次侧电流与二次侧电流的差作为差流以评定内部故障，该方法对内部故障和外部故障有较强的辨识能力。变压器差动保护建立在变压器稳态磁路平衡的基础上，在暂态过程中这种平衡关系可能被打破，变压器空载合闸、过励磁等情况下，由磁路饱和产生的涌流会引起差动保护误动作。变压器差动保护的难点在于对涌流和内部故障的可靠识别。
本书从基于工频量的变压器差动保护原理切人，探讨励磁涌流与和应涌流的产生机理及其对工频量差动保护的影响，对励磁涌流和内部故障的波形特点进行分析。根据内部故障稳态电流为正弦波形而励磁涌流含有较多二次谐波，波形偏向零轴一侧的特点，利用发生内部故障或励磁涌流后一段数据进行正弦拟合，比较拟合波形与采样数据的相似度以区分励磁涌流和内部故障。利用励磁涌流和内部故障在波形复杂程度和时频特征不同的特点，分别通过多重分形谱和时频矩阵进行励磁涌流和内部故障的鉴别。通过Pk变换对突变量的放大作用，内部故障情况下的波形突变更为明显，再利用小波分解提取突变量中的高频成分，以高频成分的大小来区分内部故障和励磁涌流。根据内部故障下差动电流在其相邻阶次差分构成的平面上分布均匀，而励磁涌流情况差动电流在此平面上分布散乱的特点，利用差动电流与其相邻阶次差分构成的平面上相邻点距离的大小建立励磁涌流识别原理。变压器发生内部故障时，变压器等效电路模型随之改变，模拟波形和实测波形出现负相关，而发生励磁涌流时，模拟波形和实测波形相关度为正，利用正常运行时的电路模型可由一次侧电压和电流计算出二次侧线模电压，根据计算值和量测值的相似程度反映模型匹配程度，判别内部故障与励磁涌流。在发生励磁涌流时，变压器一次侧与二次侧消耗的能量都趋向于0，能量差也趋向于0，在发生内部故障时，一部分能量会经故障点流入大地，变压器两侧吸收与输出的能量大小不同，导致出现较大的能量差。
本书的相关研究得到了国家自然科学基金重点项目“基于数据驱动的高原山地输电线路故障精确定位与雷击电流反演恢复研究”(U1202233)、云南省自然科学基金重点项目“高原山地输电线路雷击检测识别及雷电参数反演恢复研究”(2011FA032)、云南省科技厅攻关项目“高海拔大容量远距离输电中行波故障测距技术研究”(2003GG10)和“高原山地长距离高压输电线路电弧故障检测定位技术与系统研制”(2000B2-02),以及云南省自然科学基金面上项目“新型时域法故瘴测距研究”(99E006G)和“小波分析在线路故障测距应用研究”(98E0409M)等的资助，同时，在与电网业界同行合作的一系列项目中有相当部分内容得到实际应用，一并谨致谢忱。
限于作者水平，书中难免存在疏漏与不妥之处，恳请读者批评指正。
作者
2018年4月于昆明

内容索引：

目录
前言
第1章行波母线保护…1
1.1行波功率方向比较式母线保护1
1.2行波电流极性比较式母线保护7
1.3行波电流差动式母线保护…13
1.4积分型行波幅值比较式母线保护…20
1.5本章小结…26
第2章暂态量母线保护…28
2.1基于含工频频带故障电流突变方向的母线保护…28
2.2基于电流小波系数相关分析的母线保护…36
2.3基于S变换的母线保护40
2.4基于SOD的暂态量极性比较式母线保护…44
2.5基于电压电流短时窗小波系数相关分析的母线保护…49
2.6基于方向行波原理的暂态量母线保护…53
2.7基于测后模拟的暂态量母线保护…57
2.8本章小结…61
第3章CT饱和及对母线保护的影响和检测方法…63
3.1CT饱和原理…63
3.2CT饱和特点及其对母线保护的影响65
3.3CT饱和检测方法…67
3.4本章小结79
第4章变压器涌流产生机理分析…80
4.1励磁涌流产生机理…80
4.2和应涌流产生机理及对差动保护的影响…86
4.3本章小结…100
第5章变压器励磁涌流识别…101
5.1基于正弦拟合的励磁涌流识别101
5.2基于数学形态学的励磁涌流识别108
5.3基于多重分形谱的励磁涌流识别113
5.4基于时频分析的励磁涌流识别118

5.5基于Park变换的励磁涌流快速识别124
5.6基于差动电流相邻阶次差分构成的平面上相邻点距离的励磁涌流快速识别128
5.7基于差动电流梯度嫡值的励磁涌流识别134
5.8基于差动电流梯度归一化的励磁涌流识别137
5.9基于差动电流顶点两侧采样点差值的励磁涌流识别140
5.10基于形态学骨架的励磁涌流识别…141
5.11本毫小结144
第6章增加电压检测量的新型变压器保护…145
6.1基于测后模拟原理的变压器保护145
6.2基于变压器两侧能量差原理的变压器保护155
6.3本章小结159
参考文献…160

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