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1、 配电线路单相接地行波保护的实现与试验 摘要：随着电力系统的迅速发展，大容量机组和超高压输电线路逐渐增多，反映工频电气量的继电保护与检测技术在某些特殊工况下无法满足动作快速性的要求。行波保护是利用故障初期出现的电压行波、电流行波或者两者组合中含有的故障信息进行故障检测的，因而能在极短的时间内检出故障。早期的行波保护装置遇到的主要问题是快速性和可靠性之间的矛盾。在动作时间内，如果行波保护无法区分故障、雷击和操作等各种干扰，就会导致行波保护的误动作。关键词：配电线路；单相接地保护故障行波是由于故障相电压突变而产生的暂态信号，其特性不受系统中性点接地方式的影响，因此有可能成为配电线路单相接地保护的有
2、效判据。现阶段行波保护的研究主要针对高压输电网，目的是提高输电线路保护动作速度，并解决输电线路长线分布电容、系统低频振荡等问题。但是高压线路行波保护受雷电波、操作波等电磁暂态信号影响较大，可靠性较低；同时高压输电线路广泛采用的电容式电压互感器无法传变电压行波。这些问题依然没有得到有效解决，使行波保护实用化面临着巨大的挑战。配电线路保护对动作时间要求较低，因此可以考虑采用工频信号提高保护的可靠性；同时配电线路采用电磁式电压互感器代替电容式电压互感器，这为有效获取电压行波信号提供了可能。一、行波故障特征当单相接地故障发生在输配电线路上时，故障产生的行波将从故障点向线路两侧传播。可以通过对电压电流行
3、波进行小波变换取模极大值的方法来获取初始行波波头的极性。1对配电线路单相接地故障行波传播特性做了详细的分析，得出分支线路、故障后的折反射波及故障过渡电阻等因素对于电压电流初始行波影响有限，通过采用适当的信号采样率和小波变换尺度，仍可以有效获取初始行波信号。通过一个典型的单相单电源系统拓扑图说明初始行波的传播过程并分析故障特征。如图。当电力系统中发生故障时，故障后的网络可以分解为故障前的正常运行网络和故障附加网络，图中，由于变压器的内阻抗为感性，对故障行波的高频分量呈现大阻抗，而行波保护利用行波高频分量构成判据，所以分析初始行波的传播过程时可将变压器视为开路。由于实际配电线路中的负荷一般都经过配
4、电变压器连接在配电网中，利用故障初始行波构成行波判据，不考虑线路末端后续的折反射行波，故将负荷端对初始行波也视作开路。二、保护模块构成1、保护模块硬件构成。经过精密电流/电压变换器和电压/电压变换器模块后的零序电流和零序电压信号将经过一截止频率为250kHz的2阶低通滤波电路，随后通过多路模拟开关进入高速A/D采样模块。A/D采样芯片采样率设定为1MHz，同时采集零序电流信号和零序电压信号，每路信号的采样率为500kHz。采样后的数据存入双口RAM中。双口RAM进行循环覆盖，能够保存最近8ms的采样数据。采样回路采用CPLD完成时序的控制。高速数字信号处理回路由一块高性能DSP芯片构成。DSP
5、从双口RAM中读取采样后的数据进行计算，如果行波判据满足，行波模块将通过CAN总线通讯启动工频判据。装置保护模块的硬件结构图如图所示。2、保护模块软件构成。保护模块的软件包括硬件控制编程与软件算法编程。其中CPLD通过VHDL语言进行软硬件协同设计，实现了高速采样逻辑和时序控制。DSP中主要包括保护的核心算法，如小波变换、故障逻辑判断等。此外，装置还包括开出开入控制程序、人机交互程序、通讯程序、巡检程序、故障报告和波形存储程序、后台程序等。其中，保护模块的核心算法流程如图3所示。保护算法启动后，首先读取故障后的零序电流行波和零序电压行波数据，并计算小波变换模极大值。如果两者的模极大值相反，则依
6、次执行工频零序电压判据和相电流判据。如果判据满足，则给出跳闸或告警信号。在如上判断中，任何判据不满足，则复归保护装置。三、样机测试1、测试平台构成。为真实模拟现场情况及测试装置的动作性能，采用研发的TPTP-01行波保护测试系统对保护装置进行了测试。测试系统示意图如图所示。利用ATP-EMTP软件搭建一次系统仿真图，模拟配电网发生单相接地故障，故障数据经由行波测试仪和功率放大器转换为模拟信号进行输出，通过调整放大变比，使得输出的信号能够模拟经过现场CT和VT后的电流和电压。随后将信号输入到保护装置，测试装置能否可靠动作。2、功能测试。本装置应该在发生单相接地故障时可靠动作，在出现相间故障或其他
7、扰动时可靠闭锁；同时能够广泛应用于各种配电线路结构。本文首先就不同中性点接地方式、分支线路故障、单双电源供电模式等进行了测试，结果表明，装置在单相接地故障时能够可靠动作，在相间故障或同母线其他线路故障时可靠不动作。值得说明的是，理论上本装置也可以应用于中性点经小电阻接地系统，但是这种接地方式下，故障后零序通道有较大的工频电流，使得行波信号的分辨率变低，因此本装置不宜用于中性点经小电阻接地系统。而零序过电流保护对该接地方式下单相接地故障具有较好的动作性能。3、灵敏性测试。由于装置的核心算法在于根据故障后的电流和电压初始行波极性比较构成判据，因此在初始行波波头不明显的情况下，装置的灵敏性将降低，并
8、可能出现拒动的情况。研究表明，影响故障后行波波头幅值的因素主要包括故障初相角、故障过渡电阻和故障点距母线距离，对保护装置进行了大量的测试，测试中的一些典型情况如表所示。如表取大量测试中一些典型的数据，在综合考虑因素的情况下，大量测试结果表明，在故障初相角为30、过渡电阻为300、故障距离为20km时，装置可以可靠动作；在故障初相角为10、过渡电阻为0、故障距离为5km时，保护装置拒动。在初相角为10-30时，装置抗过渡电阻以及抗长故障距离的性能有不同程度的下降。因此，故障初相角是决定装置灵敏性的最重要的指标。考虑到大多数绝缘击穿发生在电压幅值较大的时刻，本装置的灵敏性可以满足现场需求。实际上，
9、只要故障不是恰好发生在电压过零点，理论上就应该有故障行波，同时故障电流和电压行波极性关系也必然满足保护判据。但是当行波波头较小时，将会“湮没”在噪声之中，很难被检测到。为了避免噪声对保护的干扰，本文在算法中设定了一个小波变换阈值，只有小波变换模极大值高于此阈值时，才会执行行波判据。通过降低阈值可以进一步提高装置的灵敏性，但是噪声会对算法造成较大干扰，不利于装置的稳定运行。因此，本装置在实际应用中，应该根据现场电磁环境，设定较为合适的阈值。结论通过配电线路单相接地行波保护模块的软硬件具体构成，基于高速数字信号处理器以及复杂可编程逻辑元件，研制了配电线路单相接地行波保护装置。装置可以在发生单相接地
10、故障时可靠动作，在出现相间故障或其他扰动时可靠闭锁；能够广泛应用于各种配电线路结构。装置可以在40ms内给出动作信号。对该装置进行了大量的测试，对装置的灵敏性和可靠性进行了详细分析。装置通过硬件滤波和软件算法，能够有效避免各种复杂电磁环境干扰和工频干扰，解决了行波保护可靠性低的难题。本装置可以满足现场工作要求，并具有较高的灵敏性。参考文献：1郝玉山，杨以涵，任元恒小电流接地微机选线的群体比幅比相原理J电力情报，2014，5（2）：15-192董新洲，耿中行，葛耀中小波变换应用于电力系统故障信号分析初探J中国电机工程学报，2013，17（6）243曾祥君，尹项根配电网接地故障负序电流分布及接地保护原理研究J中国电机工程学报，2012，21（6）904董新洲，王世勇，施慎行浅谈极化电流行波方向继电器J电力系统自动化，2013，（21）10 -全文完-
