CN101079544A - 一种主输电线路集成边界保护系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种主输电线路集成边界保护系统，它主要包括接口通信单元、通信光纤网络、中央继电保护单元和多个断路器，接口通信单元包括多个测量和执行单元以及连接这些单元的通信光纤网络部分，测量和执行单元包括电流互感器、接口单元、通信以太网及网络开关，电流互感器和被保护输电线相连，接口单元的输入端与电流互感器的三相电流输出端相连，接口单元的输出端与断路器相连，接口单元的通讯端通过网络开关与该通信光纤网络相连，多个继电器通过网络开关与该通信光纤网络相连。该系统能够应用于高压输电线的保护，该系统与输电网的具体结构无关，不需要通信通道，构成简单，易于实现。

Description

一种主输电线路集成边界保护系统

                         技术领域

本发明属于电力系统领域，涉及一种电力系统的保护装置，特别是一种主输电线路集成边界保护系统。

                         背景技术

上世纪60年代后期，Rockefeller提出了一种基于集中式计算机系统的集中式变电站保护系统。这种想法很好的迎合了全面集成保护的概念，即保护不仅能监视单个电站还能监视网络的一个区域。由于计算机软硬件以及通信技术还不能支持这一想法，它至今还没有付诸实践。自那时起，基于数字技术的电力系统继电保护技术已经获得了极大的发展。上世纪80年代在保护中引入微处理器大多数遵循常规的步骤即：采用主要用于保护系统单个元件的分布式处理平台。为数不多的集成保护以后备保护的形式被配置因此只起到次要的功能。

近几年，微处理器与传感器技术均有了迅速的发展。这使得过去不能实现的故障检测技术成为可能并激起了利用故障暂态量进行保护的兴趣。研究已经表明故障产生的高频暂态分量能够被探测并量化，这些研究开启了发展保护新原理与新技术的可能。如今大量的工作都致力于高频暂态量检波的研究。已经提出了许多新技术，并对与之相关的测量方法及信号处理技术进行了研究。

与此同时，信号处理的显著发展为继电保护平台提供的支持与适当通信方案的应用，二者为重新审视集成保护概念提供了一个机会。研究表明可以使用由若干电站与元件获得的信息设计新的保护原理与方案，它们将远优于已有的基于单个电站或元件的保护技术。在这一方面，已发明的新的基于暂态量的保护技术不仅继承了保护单个装置的能力，当有现代通信技术支持时还可以用来设计用于电力系统集成保护的新方案。

诸如仅依靠单端测量的传统线路保护装置并不具有迅速识别全线保护区域的能力，之所以这样是因为在受保护线路末端与下一条线路始端故障的基波分量没有显著差别。正因为如此，引入应用受保护线路双端信息的保护原理以使得线路任一端的故障都能快速被切除。然而这些原理的实施需要信道，这不仅导致保护方案费用与复杂性的增加，还会降低方案的可靠性与跳闸速度。

因此，应用单端测量的快速故障切除的重要性是再明显不过的了。线路边界定义为特征阻抗明显变化的位置。实际上连接在线路末端的诸如母线，线路阻波器，变压器等电力设备会非常明显的改变高频特征阻抗。这就是说，线路边界确实存在并且正如研究指出的受保护的传输线线路区域内部与外部的高频特性是不同的。基于线路边界的这些不同的频率特性，利用单端暂态量测量在全线快速区分内部与外部故障的保护方案即称作为边界保护的一种用于超高压传输线保护的新构思。

                         发明内容

本发明的目的是提出一种新型主输电线路集成边界保护系统，该系统基于线路边界的不同频率特性，利用单端暂态量测量，集中式继电保护装置通过CT安装在变电站上并连接在各相关线路上。故障暂态信号由继电器捕获，无需通信线路提取联合保护线路区域的故障，然后比较各频段电平大小从而确定故障是在保护区域内部还是外部。

为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：

一种主输电线路集成边界保护系统，它主要包括接口通信单元、通信光纤网络、中央继电保护单元和多个断路器，其特征在于：所述的接口通信单元包括多个测量和执行单元以及连接这些单元的通信光纤网络部分，所说的测量和执行单元包括电流互感器、接口单元、通信以太网及网络开关，其连接关系为：电流互感器和被保护输电线相连，接口单元的输入端与电流互感器的三相电流输出端相连，接口单元的输出端与断路器相连，接口单元的通讯端通过网络开关与该通信光纤网络相连，多个继电器通过网络开关与该通信光纤网络相连。

本发明能够应用于高压输电线的保护，该系统与配电网的具体结构无关，不需要信道，构成简单，易于实现。

                         附图说明

图1是集中式集成保护系统结构图；

图2是集成边界保护系统结构图；

图3是母线电容对输入电流信号的衰减作用图；

图4是保护继电器结构图；

图5是保护计算流程图；

图6是线路p中点最大电压a相接地故障T_f＝5ms时的波形图；其中，(a)CT输出，(b)滤波器输出：图中(i)滤波器1，(ii)滤波器2；(c)(i)动作与闭锁信号；(ii)判别比；

图7是线路U中点最大电压a相接地故障T_f＝5ms时的波形图；其中，(a)CT输出，(b)滤波器输出：图中(i)滤波器1，(ii)滤波器2；(c)(i)动作与闭锁信号；(ii)判别比。

以下结合附图和实施例本发明作进一步的详细说明。

                       具体实施方式

本发明的主输电线路集成边界保护系统，它包括接口单元，光纤网络，集中集成保护继电器单元三个部分，其中：

接口单元(IU)，它是一个控制测量单元，它通过各类传感器与设备相连，诸如传统的CT，VT，光学组合传感器，电子组合传感器。测量到的模拟与数字信号被转换成光形式并通过多余的光纤网络送至中央继电保护单元，接口单元(IU)也接收并执行由继电器通过控制回路发出的控制信号。

光纤网络，这个光纤网络的通信不仅与关键设备接口以及继电器相连，它还连接着诸如通信网关，人机界面以及GPS时钟等许多其他设备。利用网络标准通信协议使得不同厂商的IED能够方便的连接至系统。

集中集成中央保护继电器单元，该集中集成中央继电器单元通过光纤网络接受来自变电站各处的测量量，并通过通信网关接受来自其他相关变电站的信息，接着进行计算以确定在变电站内部或在连接线路部分是否产生了故障，当检测到一个故障，继电器将通过控制单元发出一个跳闸命令从而使相关线路断路器断开。

用如图3所示的一个典型的电力网络来论证所提出的方案。集成边界保护继电器(IBPR)被配置在每个变电站母线并且和每条与母线相连的线路CT连接。一个被整合在继电器内的具有多设置量的边界保护算法负责与母线相连的线路全段的保护。这些设置量包括动作门槛值等。对每个线路段，当系统某处发生故障，比如，在如图3所示线路1的F1处，继电器IBPR1，IBPR2，IBPR3等中的边界保护算法将检测故障高频暂态信号。之后每个继电器将确定故障方向，区域范围以及故障相位。如果故障发生在继电器连接线路上它将立刻跳闸否则将闭锁。

本发明的基本工作原理和出发点是：

传输系统的一个故障将产生从故障处延线路的两个方向向外传输的多频段电流信号。信号一旦遇到诸如母线的系统不连续处，一部分信号将继续向下一条线路区域运行而另一部分信号将被反射。出大量的暂态电流信号，尤其是高频部分将通过母线电容分流至大地。利用这一事实开发一套无通道保护系统，受保护线路两端的母线可以作为保护区域的边界。

用图2来阐明所提出的技术。这是一个多段传输系统；线路长度与原参数如图所示。继电器在线路P段侧母线s处与CT相连并负责线路该段保护。母线经常连接诸如电力变压器以及发电机组之类的许多电力设备，它们的特性将确定母线的对地阻抗。这些设备通常本来导电；但是在很高频率下电容与耦合电容成为母线对地阻抗的决定性因素。当系统发生一个外部故障，比如图2所示线路Q段F2处宽频电流暂态信号I2向母线R传输。信号将会到达母线R同时信号I1的大部分将继续传入P段。此外，部分信号I0将通过母线电容流入大地。结果，在母线S处由继电器检测到的故障暂态电流信号I1将比初始信号I2弱。由于母线对地阻抗随频率增加而增加，高频衰减将比低频严重的多。相反若在诸如线路P段F1处发生的内部故障将不会产生这种衰减。

为了考察母线电容对信号衰减的作用。图3给出了频率变化时测信号I1与初始信号I2的比例。图顶端的线可以认为是内部故障时母线电容为零的情况。如图所示，对给定的母线电容，信号间比例随频率增加而增大。很明显对于外部故障，低频信号(例如，1KHz)比例将比高频信号(例如，100KHz)比例大。相反对于内部故障比例将保持恒定。这一重要特性可被用来区分内部与外部故障。

这里提出的技术有赖于故障暂态电流分量的首次检测，于是多通道滤波器被用来从捕捉信号中提取在两个所需频段的信号，一个在低频段另一个在高频段。从图3可以清楚地看到，对于保护区域外部故障，比如F2，提取的高频段信号将被母线电容强烈的衰减。相反，在F1处发生的内部故障就不会有这种衰减。结果高频段信号频谱能量与低频段信号频谱能量的比例可被用来区分故障是在保护区域内部还是外部。

主线路集成保护系统：本发明所说的主线路集成保护系统实施例是用于一个典型的主输电线路中，用如图3所示集成边界保护继电器(IBPR)被配置在每个变电站母线并且和每条与母线相连的线路CT连接。一个被整合在继电器内的具有多设置量的边界保护算法负责与母线相连的线路全段的保护。这些设置量包括动作门槛值等。对每个线路段，当系统某处发生故障，比如，在如图2所示线路1的F1处，继电器IBPR1，IBPR2，IBPR3等中的边界保护算法将检测故障高频暂态信号。之后每个继电器将确定故障方向，区域范围以及故障相位。如果故障发生在继电器连接线路上它将立刻跳闸否则将闭锁。很明显由于继电保护装置计算所有与之相关的电流，它也能保护母线，

继电保护装置详细说明如下：

如图4所示，测量和执行单元包括电流互感器、接口单元，中央集成继电器包括选线，模量组合，多频道滤波，频谱能量计算，比值计算及跳闸逻辑等。选线逻辑依次将输入的来自不同线路的各路电流输出给下一步的算法单元，以便分别计算。

模量组合电路从接口电路接收电流信号并把三相混合从而形成2&3型信号。

I_m1＝I_a-2I_b+I_c

I_m2＝I_a-I_c                   (1)

通过这种处理，不仅不同故障类型被掩盖，共模干扰也被消除。信号随即通过模拟滤波器滤除多余噪声。继电器的主要部分是作带通滤波器用的多通道滤波器。在滤波器接受的频段内继电器从故障线路信号中提取一系列频段的故障暂态电流信号。设计中，为了最终形成两种判别信号，多通道滤波器被设计用来产生两种信号输出If1，If2，其中心频率分别集中在以1kHz与80kHz为中心频率的两个频段。

滤波器的输出随即通过1.5ms的波形窗口以计算一个动态积分从而产生闭锁信号Ire与动作信号Iop，给出表达式如下：

$I_{\mathrm{re},\mathrm{op}}\left(\mathrm{N\ΔT}\right)=\underset{K=n-M}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{if}}_1,{f_2}^2\left(\mathrm{K\ΔT}\right)K^{\′}\mathrm{\ΔT}---\left(2\right)$

式中，ΔT＝时间步长；k′＝衰减因数；M＝窗口样本数；

两个判别信号即动作信号I_op与闭锁信号I_re确定故障是区内还是区外故障：

Ratio＝KK×deliy(I_op)/I_re              (3)

如式(2)所示，将信号Iop延迟0.1ms以补偿两个滤波器间的差群延迟。比例系数KK取决于使用的移动窗口长度与电压阈值。

从前面原理叙述中，很明显对于一个外部故障的信号比将远小于内部故障，因此可以设置一个阈值用来区分内部故障与外部故障。关于(3)式中给定的阈值电压KK＝10，研究指出对于最严重的外部故障，动作与闭锁信号比总能很好的保持低于定值。这一阈值电压保证继电器对外部故障的稳定，不会影响内部故障动作。

本发明的工作过程：

例如，于图2所示的输电网当F1点发生故障，那么1#线路两端的继电器IBPR2和IBPR3将动作，并动作于断路器跳闸，切除该线路。继电器IBPR1和IBPR4将不动作。

具体工作过程如下：

1.设F1点发生了故障；

2.流过所有电流互感器(N1、N2、P1、P2、Q1、Q2)的电流将变化；

3.这些电流信号将被接口单元(IU)检测到并送到各自的变电站以太网，连接在各自的变电站以太网后面的所有继电器(IBPR1，IBPR2，IBPR3和IBPR4)将得到各自站内的电流信号；

4.所有检测到故障并启动了的继电器计算自己的保护流程图如图5所示；

5.保护算法将从连接到变电站的第一条线路的电流算起，直到第n条；

6.对该电流将先进行模量组合(公式1)；

7.对转换后的信号进行多频道滤波(公式2)，产生两个模量信号If1和If2；

8.计算滤波后信号的频谱能量(公式3)，产生动作信号Iop和抑制信号Ire；

9.两个信号频谱能量的比值计算：

10.比值超过预定的门槛值了吗？

11.如果是，则执行跳闸；

如果不是，则继续计算下一个模量(或下一条线)。

系统响应评价：

如图2所示，主输电系统基于典型的400KV超高压网。系统中有分别长80km，100km，120km的N，P，Q三个线路段。T，S，R，U端各自短路容量为35GVA，10GVA，20GVA，5GVA。假设各母线的母线电容典型值为0.1μF。

典型内部与外部故障响应：

图6给出系统对线路s端起50km处的典型内部a相接地故障的相应。图6给出故障后瞬间各相一次电流，故障相电流比非故障相明显大；行波分量产生于故障相与非故障项并淹没在基频分量中。图6给出了两个滤波器的输出。如图所示，两个信号在2ms内显示出不同波形。中心频率为1kHz的滤波器1输出中明显有一个叠加有高频行波的连续波形。中心频率为80kHz的滤波器2的输出中发现了脉冲干扰噪声。然而，由于这是一个内部故障，两个信号是一致的，而且如图6c(I)预期所示获得的动作信号比闭锁信号大，如图6c(ii)所示，这使得判别比远大于给定值。最终继电器发出一个跳闸命令。

图7给出了保护区域外线路Q段故障时的相应故障响应。由于故障远离装设继电器的母线S，如图7所示的故障电流频率变化比前例中小的多，如图6a所示。然而，叠加在频率信号上的高频震荡很明显。如图7c(i)滤波器所示的两个波形滤波器输出模式与内部故障情况相同。然而，滤波器1输出比2的大，结果，如图7c(i)所示动作信号电平的比闭锁信号小，并且如图7c(ii)所示判别比远小于给定值。因此，继电器制动。

Claims (5)

1.一种主输电线路集成边界保护系统，它主要包括接口通信单元、通信光纤网络、中央继电保护单元和多个断路器，其特征在于：所述的接口通信单元包括多个测量和执行单元以及连接这些单元的通信光纤网络部分，所说的测量和执行单元包括电流互感器、接口单元、通信以太网及网络开关，其连接关系为：电流互感器和被保护输电线相连，接口单元的输入端与电流互感器的三相电流输出端相连，接口单元的输出端与断路器相连，接口单元的通讯端通过网络开关与该通信光纤网络相连，多个继电器通过网络开关与该通信光纤网络相连。

2.如权利要求1所述的主输电线路集成边界保护系统，其特征在于，所述的接口通信单元是一个测量和控制单元，通过不同类型的传感器连接于各个设备，将测量到的模拟和数字信号转换成光学数字信号，通过多余的光纤网络送至中央集成继电保护单元；接口单元同时通过控制回路接受和发送对断路器控制信号。

3.如权利要求1所述的主输电线路集成边界保护系统，其特征在于，所述的通信光纤网络不仅与关键的接口设备和中央集成继电保护单元相连，而且还连接到通信网关、人机对话界面和GPS时钟和其他设备，使用标准的网络通讯协议将智能电子装置与系统联接。

4.如权利要求1所述的主输电线路集成边界保护系统，其特征在于，所述的集成式中央集成继电保护单元通过光纤网络接受到来自变电站各传输线上的电流测量信息，并通过通信网关接受来自其他相关变电站的信息，随即进行计算，以确定在该变电站内与其相连的线路是否有故障发生；假若检测到有故障出现，通过光纤网络发出指令去跳开相关的断路器装置。

5.如权利要求1所述的主输电线路集成边界保护系统，其特征在于：所说的中央集成继电保护单元包括由电源、光信号输入输出接口、保护微处理器部分组成的通用的数字式继电器硬件平台，以及固化在该保护微处理器中的由程序初始化模块、故障检测模块、故障选线模块、多频道滤波模块、频谱能量计算模块、比值计算模块、保护出口判别模块、通信单元模块组成的集成边界保护程序。

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