基于暂态量的线路继电保护应用研究

摘要：对于高电压等级传输线而言，暂态过程瞬间，基于暂态量的继电保护发挥着极其重要作用。本文中，首先论述了线上的故障消除的背景知识，然后对于当今比较完善的两种基于暂态量的继电保护进行了介绍，它们分别为基于高频分类的继电保护以及基于行波的保护，接下来，阐述了关于基于行波的继电保护中的差动保护以及基于一种新的算法（prony）的高频分量保护的相关知识（原理、优缺点等），最后对基于暂态量的继电保护的产生背景以及发展前景进行了阐述和介绍。

关键词：暂态量；保护；高频；行波；差动；新式算法（prony）

中图分类号：U665.12 文献标识码：A 文章编号：

0 引言

现在国内电网的趋势为全国形成一个大的互联网络，为此，关于大容量、远距离、特高压和超高压输电的研究越来越成为必须。对于特高压以及超高压输电线路而言，它的两端通常连接着大系统，具有较远的输送距离以及较大的传输功率，因而对其上的继电保护提出了更高的要求，来提高系统的暂态稳定性。

现在继电保护中发挥着极其重要作用的传统型继电保护考虑的量为工频的相关电气量，但是随着对于电力系统的逐步增高的要求以及各项技术（通信、计算机及DSP等方面）的发展，对于故障过程中的基于暂态量的继电保护越来越为人们所认识和重视，做更深层次的研究。本文中，介绍了基于暂态量的继电保护的相关背景知识、相关原理以及分类等方面的内容，一种基于新算法的暂态量的保护在本文中得到探讨研究。

1 应用于输电线路基于暂态量的继电保护相关背景知识

暂态，即瞬态，是由于电路中的储能元件的存在，在电路分合瞬间产生的对应瞬时的状态。输电线路在发生故障瞬间，会产生持续时间很短暂的瞬态过程。

传统型继电保护考虑的量为工频的相关电气量，保护装置的整定值都是根据工频电气量而设定的，但是当线路发生故障时，由于存在着暂态分量，使工频下电压及电流波形畸变，在这种情况下，极易发生保护误动作[1]。为此，基于暂态量的继电保护被提出。电力输送线路发生故障时会产生含有很多表征故障信息的故障信号，例如位置、所属类型等等。

应用于输电线路的基于暂态量的继电保护具有很多优良特性，例如保护的快速性，在系统振荡时不会受到很明显的影响等。在分析得到故障信息后，不仅可以实现保护，还可以实现测距以及自动重合闸等其他功能，具有很强的实用性。为此，对于超、特高压输电线路而言，基于暂态量的保护的研究成为必须，成为研究关注的焦点。

另外，在硬件方面，光纤作为传输媒介的传输方式、互感器的一个新应用——光电互感器、全球定位系统GPS及数字信号处理DSP及其例如小波、prony新算法等相关知识及技术的发展都是基于暂态量的输电线路的根本保证[2]。

2 应用于输电线路中的基于暂态量的继电保护研究现状

当今最通用的关于基于暂态量的继电保护的分类为两类，即基于行波的继电保护以及基于高频分量的继电保护。

2.1 基于行波的继电保护

最开始应用于输电线路中的基于暂态量的继电保护是基于行波的继电保护，该保护的根本判别根据是故障瞬间行波的相关特征，例如幅值、极性以及反射特点等 [3]。基于行波的方法的优点是速度极快、很强的抗干扰能力以及检测时间极短。

基于行波的继电保护根据原理以及装置分类，有极性比较式、差动、方向等保护。本文对一个具有代表性的基于行波的继电保护——差动保护进行介绍。

2.1.1基于行波的继电保护基本原理及特点（以差动保护为例）

如图1所示，在线路M端输出的行波经过一定的时延后到达N端，并不会发生改变。将MN两端的正向行波差值与设定的整定门槛值进行比较，来判断保护区域内，是否发生故障，这是差动保护的基本原理说明 [4-5]。

图1 行波在电力输送线上分布

此类差动保护具有简单易懂、判别故障较为容易，根据行波信息容易判别出是否故障。但是采用此类差动保护，忽略了衰减特性，具有一定的理想性，对线路两端行波的同时性要求较高，传输通道要求较为严格，这些限制了它的发展。

2.1.2 基于行波的继电保护存在的局限性及研究重难点

首先，一方面由于在故障发生的瞬时，电压的初相角并不能确定，另一方面，行波的反射与母线所连接故障线路数目有很大关联，而母线结构对于我们是不确定的。以上两个方面造成了行波信号的幅值等不确定，从而影响判别。

其次，由于某些特殊情况下例如谐波和雷击等因素产生的谐波行波的特征类似于故障行波，很难把它们做明显区分，这样极易造成保护误动作。

由于前面问题的存在，如果解决，仍是个严峻的考验，如何避免这些情况并进行改正仍需要做进一步研究。

2.2 基于高频信号的继电保护

与基于行波的继电保护方式类似，基于高频分量的继电保护方式也具有简单、极易判断故障等优点。在初始角较小的情况下，性能更优于基于行波的继电保护方式。基于高频分量的继电保护按照数学处理方式不同分类，有小波算法、prony算法和形态学等保护。本部分对一个具有代表性的基于高频分量的继电保护方法新算法——prony算法保护进行介绍。

2.2.1基于行波的继电保护基本原理及特点（以新算法prony为例）

最初为了分析气体膨胀相关原理而提出的prony算法起源于1795年，它主要针对指数（复数）衰减，建立这样一种数学模型，将对象进行线性组合，来模拟一类数据，该类数据采样方法为等间隔采样，后期对于此类方法进行改善，可以应用于信号相关特征值进行估计[6]。

与传统的算法相比较而言，新算法（prony算法）的性能更优良，这是因为它更切实际，更符合实际故障运行情况。如图2所示为基于高频分量的新算法（prony）流程图。

图2 基于高频分量的新算法（prony）流程图

基于高频分量的新算法（prony）具有很多优良特征，例如，在噪声情况下并不会影响信号的提取，对于表征暂态过程具有全面性，具有极高的精度等等。

2.2.2基于高频分量的继电保护存在的局限性及研究重难点

同基于工频分量的继电保护比较而言，应用于高压传输线上的基于高频分量的保护有很多优良性能，但与此同时，仍存在着相关问题及局限性限制其发展，主要表现在以下几个方面：

1）继电保护在整定过程中，相关原则还需要完善和改进，如今的理论基础还不够行成共识；

2）在暂态过程中的提取信号分量仍是研究的重难点，来满足继保的相关要求；

3）在某些方面的研究仍处于基础阶段，并未形成一个系统性的工作，并且，为满足可靠性要求仍是一个难点，例如，故障选相等方面都有待进一步深入研究。

3 应用于输电线路的基于暂态量的继电保护前景展望

对于高电压输电线路而言，利用某些新型的信号提取、处理方法，例如基于高频的继电保护新算法（prony）等，对于满足继保特性要求都具有优良特性。

随着各项高新技术（通信、计算机及DSP等方面）的发展，继电保护的集成化发展已经成为必然趋势，将这些新技术的优点进行优化组合，综合各技术的优势，来分析暂态过程量以及处理相关问题是今后研究的一个方向。

由于仍需要解决某些存在问题，应用于输电线路的暂态量保护的研究仍处于试验阶段。但是，目前基于暂态量的继电保护研究越来越成熟以及相关知识水平的不断提高，基于暂态量的保护一定能不断取得突破性进展，并在实践中得到广泛应用。

4 总结

我国的电网的发展趋势为利用特、超高压传输线联结电网，为此对于继电保护的要求更高更严，传输线上的暂态量保护正在逐渐成为研究关注的焦点。暂态量保护应用于特、超高压系统中具有很多独特的优势，同时，在应用中，仍有很多方面需要改进和完善。本文对于当今比较完善的两种暂态量保护进行了介绍，它们分别为高频暂态保护以及行波保护，然后阐述了关于行波保护中的差动保护以及基于一种新的算法（prony）的高频保护的相关知识（原理、优缺点等），最后对暂态量保护的产生背景以及相关的需要改进和完善的方面及发展前景进行了阐述和介绍。

参考文献

[1] 黄少锋,王兴国,刘千宽. 一种基于固有频率的长距离输电线路保护方案[J]. 电力系统自动化,2008，32（8）:59-63 .

[2] 夏明超,黄益庄,王勋. 高压输电线路暂态保护的发展与现状[J]. 电网技术, 2002,36(11):65-69.

[3] 杜刚,桂林,党晓强. 高压电力传输线行波保护技术原理综述[J]. 四川电力技术,2008, 31(1)：26-29 .

[4] 董新洲,葛耀中,贺家李. 输电线路行波保护的现状与展望[J]. 电力系统自动化, 2000, 5 :56-60.

[5] 罗四倍,段建东,张保会. 基于暂态量的EHV/UHV输电线路超高速保护研究现状与展望[J]. 电网技术, 2006,30(22) :32-41.

[6] 杨明玉,杨玉坤. 基于后向预测Prony算法的超高压输电线路暂态量保护方案[J].电力自动化设备,2011,31(5):28-33.

[7] 张文亮,吴维宁,胡毅. 特高压输电技术的研究与我国电网的发展[J] . 高电压技术, 2003, 29(9) : 16-18.