许嘉伟
内蒙古电力（集团）有限责任公司呼和浩特供电局赛罕分局运检班内蒙古 呼和浩特市010010
摘要：由故障相位电压突变产生的暂态信号称为故障行波。其特性不受系统中性点接地方式的影响，成为配电线路单相接地保护的有效判据。目前，对于行波保护的研究主要是针对高压输电网，其主要目的是提高输电线路的保护动作速度，解决系统低频振荡、输电线路的长线分布电容等问题。但高压线路行波保护易受电磁暂态信号的影响，如操作波、雷电波等，使其可靠性较低。此外，高压输电线路广泛采用的是电容式电压互感器，无法传变电压的行波。因此相关人员应该加强研究，使行波保护实用化。
关键词：配电线路；单相接地；行波保护；原理；算法；
单相接地行波保护是为了识别中性点非有效接地系统的单相接地故障而提出的一种保护方案。其根据母线端初始电压行波和线路侧初始电流行波的极性关系构成了故障方向的判别元件。为有效提高保护的可靠性，区分相间故障与单相接地故障，利用工频电流与电压信号构成了闭锁判据。
一、行波的原理
行波保护是利用输电线路发生短路时出现的电压、电流的行波特征来判断故障和启动保护的一种线路保护措施。行波产生的原理如图1所示，
图1利用叠加原理分析故障产生的行波
当配电线路中的某点F发生接地故障，线路的m、n端一定会受到干扰，可利用叠加原理对其进行定量分析。如果false为故障发生前一瞬间故障点处的电压，这时图（a）和图（b）等效，图（b）还可看成是正常的负荷网络图（c）与故障网络图（d）的叠加。行波保护不能反应出正常情况下的负荷分量，因此可以只对故障的分量进行单独分析。从图（d）可看出，故障分量只是在故障情况下出现的电压与电流的增量，其可由故障附加网络进行定量描述与计算。所谓的故障附加网络是是指：电压源短路、电流源开路，在故障点处附加一个和故障点故障电压极性相反、数值相等的电压源。在附加电压源的作用下，将会产生行波，由故障点到线路两端运动。
二、分析配电网特殊情况
1.提高可靠性。行波本身是一种高频暂态信号，难以和噪声及其他干扰波信号进行区分，这也是迄今为止行波保护可靠性不高的主要原因。为了进一步提高保护的可靠性，保证保护在非故障情况下不误动。TSPGP利用工频零序电压构成闭锁判据。当系统发生单相接地故障时，母线处将出现明显的工频零序电压，且该电压将一直存在，直至故障切除。当系统出现高频噪声或其他波扰动时，将不会出现稳定的工频零序电压。因此，TSPGP在行波判据满足的情况下，进一步判断是否出现明显的工频零序电压，如果出现，则判断为故障，否则闭锁保护。通过这种方法，可有效避免噪声和其他非故障波对保护的影响。但值得指出的是，采用工频零序电压虽然显著提高了保护的可靠性，但在如间歇性弧光接地等无明显工频零序电压的故障情况下，保护将拒动。这在一定程度上降低了行波保护的灵敏性。
2.电网其他类型故障分析。可以论证，上述保护原理中的初始电流行波和电压行波的极性关系在电网发生相间故障时也成立。但是在配电网中，传统基于工频电气量的保护对相间故障有着很好的动作特性。为了避免对传统保护造成影响，本保护在发生相间故障时将闭锁。发生三相故障或两相相间故障时，母线处不会出现明显的工频零序电压。因此1节所述的闭锁判据同样可以闭锁三相故障和两相相间故障。在发生两相接地故障的情况下，母线处同样会出现明显的工频零序电压。TSPGP采用相电流过流判据闭锁两相接地故障，即在行波判据和零序工频电压判据均满足的情况下，判断是否有任意相电流明显高于负荷电流。如果没有，则保护判断为单相接地故障；否则闭锁保护。
3.配电网互感器行波传变特性分析。配电网中广泛采用了电磁式电压互感器(VT)和电磁式电流互感器(CT)。大量的理论分析和现场测试表明，CT能够有效传变高频行波信号；同时基于暂态电流行波的故障测距和选线装置在现场的广泛应用，也论证了CT对行波的可靠传变特性。VT对高频信号的传变特性存在争议，然而近期的理论研究与实验均证明，VT在传变故障行波时，存在明显的静电感应现象，可以无时延的传递电压行波极性。基于此，直接利用互感器二次侧电压和电流信号进行计算。
三、行波提取算法
1.简化的数字减法，行波信号可从故障电流和电压中减去故障之前的稳态分量得到，但在工程中允许一定条件的近似。由于数字继电器使用的采样频率高达几百，当考虑故障后几毫秒时间段的行波信号，特别是可用的第一个波头都在这一时间段内，这种情况下，稳态的正弦信号可基本认为不发生变化、信号的幅值也基本不变化。如果不考虑幅值的衰减，算法可直接拿故障发生之后的电压与电流并减去故障点前一个点的电流和电压的数值，进而得到近似的行波信号。
2.基于小波变换的行波信息提取算法。该算法是一种提取行波信息的常用方法，包括模极大值重构和跨尺度比较特性。这里使用基于样条的一组小波进行分析，该组小波与普通小波一样都有变尺度滤波器的特性，其还具有可从信号中分离出不同频带信息的特性，还能够通过不同层次间的模极大值的关系，将信号的突变性质推导出来，进而判断出是否是这个突变引入的噪音。该组小波适合用于边缘检测以及模式识别。对一个时间信号来说，小波变换能分解获取该事件信号在不同尺度频带下的分量信息。对于小波来说，每一尺度下的模极大值与其突变量的大小成正比，模极大值的位置对应的是突变位置，进而赋予模极大值提取与小波变换完整的物理意义。此外，通过代表突变的模极大值可近似将原来的故障信号进行重构。小波变换和模极大值就是另一种反应行波故障信息的形式，经过处理的电压和电流的行波代表行波突变的模极大值。其中，第一个模极大值大小和初始行波突变大小对应，其位置对应初始行波突变的位置。
四、行波算法与构成方案
1.行波判据。通过凯伦贝尔变换可实现三相系统解耦，利用小波变换模极大值理论能够获取故障的初始行波极性。以线模行波为例，对获取的三相电压行波进行相模的变换，取变换之后的电压线模行波进行二进制小波变换，并对变换之后的22、23和24的小波分量进行分析，若各尺度模极大值的极性相同，幅值随着尺度的增大而增大或不变，表明该模极大值对应的是故障行波的波头，取24尺度的模极大值作为故障电压行波的模极大值false与false。按照这种方式对获取的三相电流行波进行相模的变换，若得到的模极大值极性相同，幅值随着尺度的增大而增大或不变，表明该模极大值对应故障在行波的波头，此时取24尺度的模极大值作为故障电流行波的模极大值false与false。若任意模量的电压行波与电流行波的模极大值相反，表明满足行波判据，否则保护复归。
2.工频判据。当行波判据满足一个周波之后。采用傅里叶变换方法来计算零序电压的幅值U0。若U0＞Uset，则判断为发生接地故障，其中Uset为系统正常运行时可能会出现的最大零序电压的幅值。之后利用傅里叶变换对三相电流的幅值进行计算，若所有的相电流幅值I0都小于Iset则为单相接地故障，此时可根据现场需求，给出报警信号或跳闸信号。当配电线路发生故障后，
总之，在故障点会向线路两端发送行波，其传播的速度与光速接近。当线路发生故障后，便会存在电压、电流行波的组合，行波中包含很多的故障信息，对这些行波信息进行分析，就能够获得发生故障的信息，从而识别出故障的种类，为故障的处理提供便利。
参考文献：
[1]赵海英.基于行波分析的配电线路故障检测研究.2018.
[2]刘海一.浅谈配电线路单相接地行波保护的原理与算法.2019.