CN100387999C - 电力系统线路故障方向检测保护方法 - Google Patents

Abstract

电力系统线路故障方向检测保护方法，通过计算故障产生的暂态电压电流特定频率分量的无功功率或瞬时无功功率判断故障方向，根据检测点检测阻抗的相位和频率关系，对故障暂态电压电流信号进行频率分解，分析其在不同频段内的特征，滤除故障暂态电压电流中起干扰作用的分量，保留能量集中且电压电流关系明确的某一特定频段分量，对于非直接接地系统小电流接地故障，该方法不受消弧线圈和不稳定电弧影响，且由于故障暂态电流远大于稳态电流，检测可靠性和灵敏度较高，而对于短路以及大电流接地系统单相接地等原因引起的大电流故障，该方法的检测速度较快，一般在5mS之内即可给出故障方向，并可以立即输出跳闸指令隔离故障线路。

Description

电力系统线路故障方向检测保护方法

技术领域

电力系统线路故障方向检测保护方法，属于电力系统继电保护领域，尤其涉及一种利用故障暂态信息确定故障方向的方法。

背景技术

在电力系统线路故障方向检测方法中，对于小电流接地故障，由于故障电流微弱、电弧不稳定等原因，目前已有的检测方法，特别是基于稳态信息的检测方法，效果均不理想。故障产生的暂态电流远远大于稳态电流，但基于暂态信号的方向检测方法——首半波法，所利用暂态电压电流间关系成立时间较短，且受线路结构、参数和故障初相角等影响，检测可靠性较低。

对于短路和大电流接地系统单相接地故障引起的大电流故障，基于故障稳态信号的方向检测方法可靠性已足够高。但由于需要采用故障后较长时间的信号，检测速度较低，特别对于高压输电线路，检测速度是一个非常重要的因素。基于暂态信号的方向检测速度较高，但已有的检测方法-模拟阻抗法，对故障模型精度要求较高，易受干扰影响。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种能够适用各种电压等级的线路短路和接地故障的快速方向保护方法。在故障发生后，能够快速确定故障方向，进一步指令相应断路器、开关操作切除故障线路的电力系统线路故障方向检测保护方法。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：该电力系统线路故障方向检测保护方法，通过计算故障产生的暂态电压电流特定频率分量的无功功率或瞬时无功功率判断故障方向，过程包括：

a以电压或电流的变化作为故障启动条件，

b根据线路结构和负荷分析检测点检测阻抗相频特性，确定特征频段范围，

c搜索故障起始时刻和暂态信号延时长度，

d构造数字滤波器，对暂态电压、电流信号进行滤波获得特征频段内分量，

e计算特征频段内暂态电压电流信号的无功功率和瞬时无功功率，

f根据特征频段内检测阻抗相频特性和无功功率、瞬时无功功率极性确定故障方向，其特征在于：

g根据检测点检测阻抗的相位和频率关系，对故障暂态电压电流信号进行频率分解，分析其在不同频段内的特征，

h滤除故障暂态电压电流中起干扰作用的分量而保留能量集中且电压电流关系明确的特定频段分量，

i根据故障暂态电压电流特定频率分量间的无功功率或瞬时无功功率确定故障方向。线路阻抗相频特性分析方法为：

设L₀、R₀、C₀、G₀分别为单位长度线路相应模分量的电感、电阻、分布电容和电导，Z₂为线路末端负荷相应模分量，l为检测点到线路末端长度，则检测点阻抗Z₁为： $Z_1=Z_c\frac{Z_2+Z_c\mathrm{th}\left(\mathrm{\γl}\right)}{Z_2\mathrm{th}\left(\mathrm{\γl}\right)+Z_c},$ 其中： $\mathrm{\γ}=\sqrt{(R_0+\mathrm{j\ω}{L}_0)(G_0+\mathrm{j\ω}{C}_0)}$ 称为线路传播常数， $Z_c=\sqrt{\frac{R_0+\mathrm{j\ω}{L}_0}{G_0+\mathrm{j\ω}{C}_0}}$ 称为线路波阻抗。

根据检测点阻抗Z₁的相位和频率关系分析线路阻抗相频特性。

利用故障产生的暂态电压、暂态电流作为判断依据，通过检测点安装的保护装置，根据暂态电压电流信号特定频率分量间的无功功率和瞬时无功功率实现故障方向判断，实现过程为：

以电压或电流的变化作为故障启动条件。根据保护速度的要求，取故障后一固定时间段作为暂态数据时间窗口。根据暂态电流主谐振频率ω₁确定特定频段的截止频率。对暂态电压、电流信号进行滤波，保留的特征分量分别记为u(t)、i(t)，则电压电流特征分量间应满足容性或感性的约束关系。根据公式 $Q=\frac{1}{T}{\∫}_0^{T}i\left(t\right)\hat{u}\left(t\right)\mathrm{dt}=\frac{1}{\mathrm{\πT}}{\∫}_0^{T}i\left(t\right){\∫}_{-\∞}^{\∞}\frac{u\left(\mathrm{\τ}\right)}{t-\mathrm{\τ}}\mathrm{d\τdt}$ 和 $q_T\left(t\right)={\hat{u}}_T\left(t\right)i_{\mathrm{Tq}}\left(t\right)$ 计算滤波后具有容性或感性约束关系分量的无功功率和瞬时无功功率。根据检测点检测负荷的性质和无功功率、瞬时无功功率的极性确定故障方向。

与现有技术相比本发明的有益效果是：

对于短路故障和大电流接地系统的接地故障，基于稳态量的方法保护速度较慢，特别在高压输电系统不能满足速动性要求，而利用行波信号实现保护可靠性不高。本方法可以兼顾保护速度和可靠性。

对于小电流单相接地故障，由于消弧线圈的影响和故障电流微弱、电弧不稳定等原因，基于稳态量的保护方法效果不理想，而暂态零序电流幅值比稳态值大几倍到几十倍，可以保证保护灵敏度和可靠性。同时暂态量保护不受消弧线圈影响。同时能够适用各种电压等级的线路短路和接地故障的快速方向保护方法。在故障发生后，能够快速确定故障方向，一般在5mS之内即可给出故障方向，进一步指令相应断路器、开关操作切除故障线路。

附图说明

图1为本发明两次实际小电流接地故障暂态波形；

图2为本发明小电流接地故障点两端暂态无功功率及方向示意图；

图3为本发明专用小电流接地故障选线装置结构图；

图4为本发明小电流接地故障分段实现装置示意图。

图中：D1-D5检测点  F故障点  DAU1-DAUn数据采集单元  CPU微处理器S1-S5隔离开关  CB1、CB2断路器  RTU、FTU终端设备。

具体实施方式

本发明的电力系统线路故障方向检测保护方法，可以应用在不同电压等级电网检测不同形式短路和接地故障。可用多种方法实现，可以是具有专一功能的保护设备，也可以和其它功能(如配网自动化、馈线出口保护设备)共用软硬件平台。下面分别叙述：

1、利用保护设备保护方法

利用本发明确定故障方向只需要检测点电压电流信号，不需要其它线路或检测点的故障信息，具有自具特点。具体实现步骤如下：

1)以电压、电流的变化做为故障的启动条件

对于相间短路故障、多相接地并短路故障和大电流接地系统的接地故障，由于故障电流较大，可以利用电流瞬时值超越一定门槛作为故障启动条件。

在小电流接地系统中，当发生金属性单相接地故障时，接地相电压降低为0，而两个健全相电压升高为线电压即相电压的倍。同时，线路上的零序电压和零序电流都会增加，其中零序电压幅值等于正常工作时的相电压。因此，可以利用零序电压或零序电流超越一定的门槛作为单相接地故障的启动条件：

X₀＞X_0d

所用的零序电压、零序电流可以是直接测量的结果也可以是通过三相电压或电流计算而来：

$X_0\left(t\right)=\frac{1}{3}(X_A\left(t\right)+X_B\left(t\right)+X_C\left(t\right))$

上述两式中X代表了电压或电流。

当接地点存在过渡电阻时，零序电压随着过渡电阻的增加而降低。同时为了克服正常工作时不平衡电压的影响，零序电压的门槛一般取为相电压的20％。

零序电压电流的工频有效值或瞬时值都可以作为故障启动条件的依据。

2)特定频段的选定

故障暂态信号包含有广泛的频谱，定义其中含有主要能量且电压电流间呈统一关系的频段为特征频段。特征频段的定义根据不同故障类型、不同故障条件而不同。

对于小电流接地故障，可以证明暂态信号的主谐振频率包含在特征频段内，因此，特征频段的截至频率根据主谐振频率来确定。由于实际使用的数字滤波器不可能具有零宽度的通带。因此，在计算出的主频率上必须添加一定的安全余量ω_r再作为高端截止频率，具体由下式确定：

ω_r＝max(200，0.1ω_h)

其中：ω_r为主谐振频率。而特征频段的低端截止频率可以选为3倍的工频频率。即特征频段的截止频率为：(3ω₀，ω₁+ω_r)。

3)获得暂态电压电流信号特定频段分量

由于特征频段以外的暂态电压电流信号不完全满足统一设定的关系，即不能根据统一的方法用来确定故障方向。因此，在计算故障方向之前必须对暂态零序电压、电流信号进行滤波。滤波的作用主要是：滤除不需要的暂态信号、滤除高频干扰信号。

根据计算的特征频段范围，设计数字滤波器，即可获得暂态电压电流信号的特征频段分量。其中，IIR滤波器幅频特性较好，但会带来非线性相移，使暂态信号产生失真，影响检测效果。因此，在用IIR滤波器对暂态信号进行正向滤波后，须再从末尾到首端进行反向滤波，使最终滤波后的信号在各个频率下的相移为零。FIR滤波器幅频特性较差，为达到同样效果，需要的滤波器窗口较长。但其带来的相移是线性的，暂态信号不失真，不需要反向滤波。

4)计算暂态无功功率和瞬时无功功率

设非正弦电路端口对应电压为u_r(t)、电流为i_T(t)，周期为T。

首先对对电压信号进行Hilbert变换：

${\hat{u}}_T\left(t\right)=u_T\left(t\right)*h\left(t\right)=\frac{1}{\mathrm{\π}}{\∫}_{-\∞}^{+\∞}\frac{u_T\left(\mathrm{\τ}\right)}{t-\mathrm{\τ}}\mathrm{d\τ}$

则定义非正弦电路无功功率等于端口电压Hilbert变换与流入端口电流的平均功率：

$Q_T=\frac{<{\hat{u}}_T,i_T>}{T}=\frac{1}{\mathrm{\&pi;T}}{\&Integral;}_0^T{i}_T\left(t\right){\&Integral;}_{-\&infin;}^{\&infin;}\frac{u_T\left(\mathrm{\&tau;}\right)}{t-\mathrm{\&tau;}}\mathrm{d\&tau;dt}$

对电流i_T(t)进一步分解得到其中产生无功功率的分量，即无功电流：

$i_{\mathrm{Tq}}\left(t\right)=G_q{\hat{u}}_T\left(t\right)$

其中：G_q为比例常数，其取值应使电流及其无功分量在一个周波内的平均功率相等。可以求得：

$G_q=\frac{<{\hat{u}}_T,i_T>}{{\left|\right|{\hat{u}}_T\left|\right|}^2}=\frac{<{\hat{u}}_T,i_T>}{{\left|\right|u_T\left|\right|}^2}$

再定义非正弦电路瞬时无功功率等于端口电压Hilbert变换与流入端口电流无功分量瞬时值的乘积：

$q_T\left(t\right)={\hat{u}}_T\left(t\right)i_{\mathrm{Tq}}\left(t\right)$

5)利用瞬时无功功率和负荷特性确定故障方向

检测点检测阻抗在特定频率分量内呈容性时，如果检测点暂态电压电流间的无功功率或瞬时无功功率大于零，则故障位于检测点下游，否则位于检测点上游。

检测点检测阻抗在特定频率分量内呈感性时，如果检测点暂态电压电流间的无功功率或瞬时无功功率大于零，则故障位于检测点上游，否则位于检测点下游。

对于短路故障和大电流接地系统接地故障，如果故障位于被保护区段，则应立即输出跳闸指令隔离故障线路。

而对于小电流接地故障，如果确定被检测线路为故障线路，可以立即输出跳闸指令隔离故障线路。也可以先发出报警信息，并按照规程规定继续运行一段时间，在合适的时机由人工干预再发出跳闸指令。

如附图1的两次实际小电流接地故障暂态波形，在故障时故障相电压下降，通过计算线路零序电流特定频率分量的暂态无功功率或瞬时无功功率，即可确定故障线。

如附图2的小电流接地故障点两端暂态无功功率及方向示意图，图中的D3、D4段即为故障段。

2、电站单相接地故障选线方法

对于小电流接地故障，利用本发明也可以像传统方法那样比较各条出线故障信息实现故障选线。具体实现步骤如下：

1)以零序电压、零序电流的变化做为故障的启动条件，

2)根据暂态零序电流的主谐振频率确定特征频段范围，

3)对暂态零序电压、电流信号滤波获得特征频段分量，

4)计算暂态电压电流信号无功功率和瞬时无功功率大小和方向，

5)比较各条出线暂态无功功率方向确定故障线路，

故障线路的暂态无功功率为负、而健全线路为正。由于当健全线路电流信号较弱时易受噪声干扰，因此可以选择暂态电流幅值或暂态无功功率较大的若干条出线再比较其极性。

如附图3所示，暂态信号的频率较高、需要监视的线路较多，传统的由微处理器CPU直接控制的采集方法不能满足要求，本发明采用专用的数据采集单元。整套设备主要由多个采集单元DAU1-DAUn和一个微处理器CPU单元构成，可监视多条甚至所有出线。图中虚线部分为可选部分。其中一块采集单元DAU1负责监视电压信号，其余采集单元DAU2-DAUn每块负责监视一定数目出线的零序电流。整个装置可以根据电站出线数目选用不同的采集单元数。出现故障后，由零序电压或零序电流同时启动所有采集单元，采集单元记录一定长度的故障前后数据，并传给微处理器CPU单元。

微处理器CPU单元负责整套装置的管理和协调工作，接受用户设置的定值，故障后存储、分析各个采集单元记录的故障数据，利用本方法计算故障线路，在确定故障线路后以不同的形式提供选线结果和报警信号。并能根据需要将故障数据或分析结果上传上级主站或远方系统。

3、故障分段方法

对于小电流接地故障也可以实现故障分段。

如附图4所示为一典型的系统结构，图中S1-S5是隔离开关，CB1、CB2是断路器，RTU、FTU为终端设备。相比较于利用暂态零序电流的方法，本方法必须同时需要零序电压、零序电流信号。

整套系统由三部分组成：分布于线路各个检测点上的终端设备RTU、FTU位于变电站的中央处理单元和通讯系统。终端设备RTU、FTU负责实时监测线路零序电压、零序电流的变化，在发生故障后计算暂态无功功率的大小和方向，将计算结果上报中央处理单元。中央处理单元接收到各个终端设备上报的信息后确定故障区段并发出报警信号。再由人工或自动遥控相应开关将故障隔离并恢复健全线路的供电。

具体实现步骤如下：

线路终端设备：

1)以零序电压、零序电流的变化做为故障的启动条件，

2)根据暂态零序电流主谐振频率确定特征频段范围，

3)零序电压、电流滤波获得特征频段分量

4)计算暂态无功功率和瞬时无功功率大小和方向并上报，主站：

1)根据故障线路上不同检测点故障信息确定故障区段，

故障位于两侧无功功率方向相反的区段。如果所有检测点的暂态无功功率方向都大于零，则故障点位于母线和第一个检测点之间。相反，如果所有检测点的暂态无功功率方向都小于零，则故障点位于最后一个检测点和线路末端之间。

该电力系统线路故障方向检测保护方法，通过计算故障产生的暂态电压电流特定频率分量的无功功率或瞬时无功功率判断故障方向，对于非直接接地系统小电流接地故障，该方法不受消弧线圈和不稳定电弧影响，且由于故障暂态电流远大于稳态电流，检测可靠性和灵敏度较高。而对于短路以及大电流接地系统单相接地等原因引起的大电流故障，该方法的检测速度较快，一般在5mS之内即可给出故障方向。

Claims (4)

1.电力系统线路故障方向检测保护方法，通过计算故障产生的暂态电压电流特定频率分量的无功功率或瞬时无功功率判断故障方向，过程包括：

a以电压或电流的变化作为故障启动条件，

b根据线路结构和负荷分析检测点检测阻抗相频特性，确定特征频段范围，

c搜索故障起始时刻和暂态信号延时长度，

d构造数字滤波器，对暂态电压、电流信号进行滤波获得特征频段内分量，

e计算特征频段内暂态电压电流信号的无功功率和瞬时无功功率，

f根据特征频段内检测阻抗相频特性和无功功率、瞬时无功功率极性确定故障方向，其特征在于：

g根据检测点检测阻抗的相位和频率关系，对故障暂态电压电流信号进行频率分解，分析其在不同频段内的特征，

h滤除故障暂态电压电流中起干扰作用的分量，保留能量集中且电压电流关系明确的某一特定频段分量，

i根据故障暂态电压电流某一特定频率分量间的无功功率或瞬时无功功率确定故障方向，按照下述方法确定故障方向：

检测点检测阻抗在特定频率分量内呈容性时，如果检测点暂态电压电流间的无功功率或瞬时无功功率大于零，则故障位于检测点下游，否则位于检测点上游，检测点检测阻抗在特

定频率分量内呈感性时，如果检测点暂态电压电流间的无功功率或瞬时无功功率大于零，则故障位于检测点上游，否则位于检测点下游。

2.根据权利要求1所述的电力系统线路故障方向检测和保护方法，其特征在于：

a建立基于线路分布参数的故障模型并分析检测阻抗在不同频段下的电压电流间的相位差和频率关系，要求在所选用的频段内，即保留暂态信号的大部分能量，电压电流间又呈现明确统一的容性或感性关系，

b定义暂态电压电流信号的平均无功功率为电压信号Hilbert变换与电流信号在暂态时段内的平均功率，

c定义暂态电压电流信号瞬时无功功率为电压信号Hilbert变换与电流信号无功分量瞬时值的乘积。

3.根据权利要求2所述的电力系统线路故障方向检测和保护方法，其特征在于：线路阻抗相频特性分析方法为：

设L₀、R₀、C₀、G₀分别为单位长度线路相应模分量的电感、电阻、分布电容和电导，Z₂为线路末端负荷相应模分量，l为检测点到线路末端长度，则检测点阻抗Z₁为： $Z_1=Z_c\frac{Z_2+Z_c\mathrm{th}\left(\mathrm{\&gamma;l}\right)}{Z_2\mathrm{th}\left(\mathrm{\&gamma;l}\right)+Z_c},$ 其中： $\mathrm{\&gamma;}=\sqrt{(R_0+\mathrm{j\&omega;}{L}_0)(G_0+\mathrm{j\&omega;}{C}_0)}$ 称为线路传播常数， $Z_c=\sqrt{\frac{R_0+\mathrm{j\&omega;}{L}_0}{G_0+\mathrm{j\&omega;}{C}_0}}$ 称为线路波阻抗，

根据检测点阻抗Z₁的相位和频率关系分析线路阻抗相频特性。

4.根据权利要求1或2所述的电力系统线路故障方向检测和保护方法，其特征在于：暂态信号无功功率和瞬时无功功率的定义方式为：

设时间窗口T取为故障后一固定时间段，

则暂态电压电流间无功功率Q定义为电压信号u_T(t)的Hilbert变换与电流信号i_T(t)暂态时段T内的平均功率，即 $Q=\frac{1}{T}{\&Integral;}_0^T{i}_T\left(t\right){\hat{u}}_T\left(t\right)\mathrm{dt}=\frac{1}{\mathrm{\&pi;T}}{\&Integral;}_0^T{i}_T\left(t\right){\&Integral;}_{-\&infin;}^{\&infin;}\frac{u_T\left(\mathrm{\&tau;}\right)}{t-\mathrm{\&tau;}}\mathrm{d\&tau;dt},$ 其中， ${\hat{u}}_T\left(t\right)=\frac{1}{\mathrm{\&pi;}}{\&Integral;}_{-\&infin;}^{\&infin;}\frac{u_T\left(\mathrm{\&tau;}\right)}{t-\mathrm{\&tau;}}\mathrm{d\&tau;}$ 为电压信号的Hilbert变换，

而暂态电压电流间瞬时无功功率q(t)定义为电压信号u_T(t)的Hilbert变换与电流信号i_T(t)的无功分量i_Tq(t)瞬时值的乘积，即 $q\left(t\right)={\hat{u}}_T\left(t\right)i_{\mathrm{Tq}}\left(t\right),$ 其中，无功分量i_Tq(t)可以表示为 $i_{\mathrm{Tq}}\left(t\right)=\frac{{\&Integral;}_0^T{\hat{u}}_T\left(\mathrm{\&tau;}\right)i_T\left(\mathrm{\&tau;}\right)\mathrm{d\&tau;}}{{\left|\right|{\hat{u}}_T\left|\right|}^2}{\hat{u}}_T\left(t\right).$

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