CN101345414B

CN101345414B - 基于gps与故障暂态信号的主输电线路集成故障定位保护系统

Info

Publication number: CN101345414B
Application number: CN2008100182339A
Authority: CN
Inventors: 张保会; 薄志谦; 郝治国; 安德鲁.克莱门克
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2008-05-16
Filing date: 2008-05-16
Publication date: 2010-07-21
Anticipated expiration: 2028-05-16
Also published as: CN101345414A

Abstract

本发明公开了一种基于GPS与故障暂态信号的主输电线路集成故障定位保护系统，它主要包括包括传感器单元、以太网通讯单元和集成保护单元。传感器单元包括模数转换模块(ADI)和暂态信号接口模块；集成保护单元主要包括一个通信接口模块，暂态滤波器，多通道时间比较逻辑模块及跳闸确定模块。该系统能够对变电站母线连接的所有线路提供保护，与输电网的具体结构无关，且不敏感于故障类型，过渡电阻，故障初始角和电源配置，故障检测精度高、响应迅速，费用低廉，构成简单，易于实现。

Description

基于GPS与故障暂态信号的主输电线路集成故障定位保护系统

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，特别是一种基于GPS与故障暂态信号的主输电线路集成故障定位保护系统。

背景技术

上世纪60年代，Rockefeller提出了基于集中式计算机系统的集中式变电站保护系统。这一概念很符合整体集成保护的思想，那就是保护装置并不仅仅监视单个元件，而且能够监视某一区域所有元件。然而，由于计算机技术(包括硬件和软件)和通信技术的限制，这一想法并没有应用于实际。自那以后，数字技术的广泛应用迅速推动了继电保护技术的发展。

上世纪80年代，随着基于传统方法的致力于单个元件保护的分布式处理平台的应用，微处理器渐渐引入电力系统保护中。遗憾的是，有限的集成保护仍只能以后备保护的形式存在，并渐渐演变为次要功能。

而在现有技术中，大都是基于单个发电厂或元件的保护技术，这种独立的保护方式其每个继电器只能保护一条线路并且仅涉及该线路上的一个断路器，并且在检测近距离故障和电压过零故障时具有一定的难度。

近年来，微处理器，通信及传感器等现代技术都有更进一步的发展。这些都为电力系统保护付以新的意义。主要发展领域集中在保护原理和技术两个方面上。

首先，在保护原理方面，产生了“暂态量保护”。它利用故障暂态信号进行保护。为了研究出新的继电保护原理和基于这些原理进行检测的技术，已经开展了大量的研究工作。其中“位置保护”是一种新颖的线路保护途径。这项技术依靠检测到的故障高频暂态信号以及其沿线路的传播时间确定故障在该线路上的实际位置。利用这种方法，不仅可以检测近距离故障，而且由于故障燃弧信号初始角变化很小，可以有效的解决故障初始角且电压过零故障问题。

其次，在保护技术方面，集成保护概念引起了极大关注。在这方面，保护平台信号处理能力的极大提高以及分布式通信的应用提供了重新审视集成保护概念的机会。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺点，提出一种基于GPS与故障暂态信号的主输电线路集成故障定位保护系统。该系统以全球定位系统(GPS)的时间为基准，依靠检测到的故障暂态信号以及其沿线路的传播时间确定故障在该线路上的实际位置，能够精确有效的检测输电线路故障，且不敏感于故障类型、过渡电阻、故障初始角和电源配置，可对变电站母线连接的所有线路提供保护，与输电网的具体结构无关。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

这种基于GPS与故障暂态信号的主输电线路集成故障定位保护系统，包括传感器单元、以太网通讯单元和集成保护单元，所述传感器单元包括模数转换模块和与模数转换模块连接的暂态信号接口模块，所述以太网通讯单元包括以太网光纤和与以太网光纤连接的全球定位系统，所述模数转换模块的输入端经传感器与输电线路相连接，所述暂态信号接口模块的输出端经网关与以太网光纤连接，所述集成保护单元包括通信接口模块、暂态滤波器、多通道时间比较逻辑模块和跳闸确定模块，所述多通道时间比较逻辑模块的输入端与暂态滤波器的输出端连接，暂态滤波器的输入端与通信接口模块连接，所述多通道时间比较逻辑模块的输出端与所述跳闸确定模块的输入端连接，跳闸确定模块的输出端与通信接口模块连接，所述多通道时间比较逻辑模块经双向通道线路与通信接口模块连接，所述通信接口模块经网关与所述以太网光纤连接。

上述以太网通讯单元连接有通信网关和人机对话界面。

上述以太网通讯单元的通信协议采用标准网络通信协议。

上述以太网光纤经网关与设于输电线路上的断路器连接。

上述传感器可以是电流互感器或者电压互感器，也可以是光学组合传感器或者电子组合传感器。

本发明能够对变电站母线连接的所有线路提供保护，与输电网的具体结构无关，且不敏感于故障类型，过渡电阻，故障初始角和电源配置，本发明具有故障检测精度高，响应迅速，费用低廉，构成简单，易于实现的优点。

附图说明

图1是集成故障定位保护系统结构示意图；

图2是集成故障定位保护系统的功能模块组合示意图。

其中图1和图2中：1为传感器单元；2为以太网通讯单元；3为集成保护单元；4为通信网关；5为网关；6为模数转换模块；7为暂态信号接口模块；8为全球定位系统；9为以太网光纤；10为输电线路；11为断路器；12为通信接口模块；13为暂态滤波器；14为多通道时间比较逻辑模块；15为跳闸确定模块；16为人机对话界面。

图3是400KV超高压电力网络监测点配置图。

图4是图3中点F1处b相接地故障响应图，其中，(a)一次系统电压：(i)母线P处，(ii)母线Q处，(iii)母线R处；(b)继电器响应：图中(i)母线P处，(ii)母线Q处，(iii)母线R处。

图5是图3中点F2处a相接地故障响应图，其中，(a)一次系统电压：(i)母线P处，(ii)母线Q处，(iii)母线R处；(b)继电器响应：图中(i)母线P处，(ii)母线Q处，(iii)母线R处。

图6是图3中点F3处b相零电压接地故障响应图，其中，(a)一次系统电压：(i)母线P处，(ii)母线Q处，(iii)母线R处；(b)继电器响应：图中(i)母线P处，(ii)母线Q处，(iii)母线R处。

图7是图3中点F4处a相经高阻接地故障继电器响应图，其中(i)母线P处，(ii)母线Q处，(iii)母线R处。

图8是图3中点F5处a-b相间故障继电器响应图，其中(i)母线P处，(ii)母线Q处，(iii)母线R处。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1和图2，此种基于GPS与故障暂态信号的主输电线路集成故障定位保护系统，包括传感器单元1、以太网通讯单元2和集成保护单元3，所述传感器单元1包括模数转换模块6和与其连接的暂态信号接口模块7，所述以太网通讯单元2包括以太网光纤9和与其连接的全球定位系统8即GPS，所述模数转换模块6的输入端经传感器与输电线路10相连接，所述暂态信号接口模块7输出端经网关5与以太网光纤9连接，所述集成保护单元3包括通信接口模块12、暂态滤波器13、多通道时间比较逻辑模块14和跳闸确定模块15，所述多通道时间比较逻辑模块14的输入端与暂态滤波器13的输出端连接，暂态滤波器13的输入端与通信接口模块12连接，所述多通道时间比较逻辑模块14的输出端与所述跳闸确定模块15的输入端连接，跳闸确定模块15输出端与通信接口模块12连接，所述多通道时间比较逻辑模块14经双向通道线路与通信接口模块12连接，所述通信接口模块12经网关5与所述以太网光纤9连接。

本发明是基于以下原理实现的：

输电线路上的短路故障会产生具有宽频范围的电压和电流信号。这些信号以接近光速的速度沿输电系统从故障点向2个方向传播。如果能追踪在电力系统中关键点处的暂态信号时间，就可以确定线路上实际故障的位置。而全球定位系统能够在大范围内保证时间同步，精度可以达到1μs，为实现故障暂态信号的时间追踪提供了一种理想的工具。

以下对本发明的三大功能单元进行详细说明：

一、传感器单元

在传感器单元1中，模数转换模块6和与其连接的暂态信号接口模块7是测量和控制模块，模数转换模块6通过各种传感器连接到诸如传统的电力设备上，这些传感器可能是传统的电流互感器，传统的电压互感器，光学组合传感器或者电子组合传感器。测量到的模拟信号先经模数转换模块6转换为数字信号，然后通过暂态信号接口模块7将数字信号转换成光信号并通过以太网通讯单元2送至集成保护单元3。

在图2中，传感器单元1通过传统的电压互感器(即CVT的高压耦合电容器)与输电线路10连接，其能够监测变电站母线故障高频电压信号。模数转换模块6(即ADI)负责采样与模数转换并将数字信号送至暂态信号接口模块7(即MU)，MU将GPS 8时钟信号转换为需要的数据格式并按通信标准发送到以太网通讯单元2。

二、以太网通讯单元

以太网通讯单元2是一种通信网络，它不仅仅连接有关键的传感器单元1和集成保护单元3，也有大量的其他设备，诸如通信网关4，人机界面16和GPS 8等。网络中使用标准的通信协议能够使不同制造厂商制造的智能设备(IEDs)更易于接入系统。各种传感器都是通过传感器单元1被连接在一起，而不像传统保护直接连接到继电器上。传感器单元1通过多路点对点的方式向集成保护单元3提供时序连贯的电压和电流数据。同时，以太网通讯单元2也会接收从集成保护单元3发出的跳闸命令并发送到断路器11。

三、集成保护单元

集成保护单元3接收从本变电站不同地方传来的测量信号和其他相关变电站通过通信网关4传来的信息，然后通过计算确定本变电站里或与之相连的线路上是否发生故障。如果检测到故障，它就会发出跳闸命令断开相关的断路器。

如图2所示，集成保护单元3通过以太网接收暂态信号接口模块7的电压信号，并且设定系统中是否有线路发生故障的门槛值，一旦检测到电压超过该门槛值，集成保护单元3就会发出的跳闸命令到断路器11。暂态滤波器13接收来自通信接口模块12的电压信号并提取所需的高频暂态频段，从该信号的GPS时间标签可以获得故障暂态信号的传播时间。

多通道时间比较逻辑模块14从邻近的变电站接收时间信息，并与本地测量值比较从而确定故障是否在其保护区域内。本地断路器11的跳闸取决于GPS 8在该位置所测得的时间与其它变电站的集成保护单元3测得的时间的对比结果。

本发明的技术提供的是一套电网保护系统，而不是仅针对某一个系统元件的单一保护系统。

以下结合具体实施例对本发明进行说明：

如图3为电力线网络，主输电系统为典型的400KV超高压网。系统中有分别长60km，90km，100km，10km的四个线路段。S，P，Q，R端各自短路容量为20GVA，5GVA，35GVA，10GVA。故障位置如图中F1，F2，F3，F4和F5所示。CBPQ，CBPR，CBRP，CBRQ，CBQ是负责隔离各段线路的断路器，其分别对应受控于设置在P、R、Q、S处的各集成保护单元，各监测点的传感器分别安装在母线监测点P，Q，R和S处。各个监测点上的集成保护单元通过以太网通讯单元相互传递数据。

当电网某一部分发生故障时，故障点产生的高频信号沿线路向外传播。每个集成保护单元纪录下故障初始信号到达的时间(GPS时间)，然后，集成保护单元将根据判别的详细资料编译这些事件信息，并把这些信息发送给相邻的集成保护单元。所有集成保护单元都随时准备接收其他集成保护单元发送来的编译信息。系统采用的数据通信协议可以避免同一线路上各装置发送的信息发生冲突。发生事故后，集成保护单元将其本站纪录的故障暂态信号的到达时间与其他集成保护单元发出的有关信号进行对比，以确定故障是否在其所保护的区域内，如果是，则立即向有关的断路器发出跳闸指令，此时故障的实际位置便可清晰地在每个继电器处辨别到。

在整个电网中，当各不同监测点检测到故障暂态信号时，确定故障段的工作被简化为对纪录的追踪时间进行比较。每个集成保护单元3都把到达其所监测处的位置的第一个波的暂态时间与其它集成保护单元3纪录的时间作对比。如果时间差小于在对应线路长度上进行所需的时间，则表明故障在其对应的区域内，并且通过故障线路两端测量的时间差，也可以确定实际的故障位置，其精度在300米以内。

根据以上工作过程，图3中的400KV超高压电力线网络上各监测点对应的集成保护单元中，多通道时间比较逻辑模块从邻近的变电站接收时间信息，并与本地测量值比较从而确定故障是否在其保护区域内。

多通道时间比较逻辑模块的比对规则是按照如下①式进行的：

tp-tq＜Lpq/v ①

其中：

tp-母线P处暂态行波的到达时间；

tq-母线Q处暂态行波的到达时间；

Lpq-母线P和Q间线路长度；

v-线路上的波速。

从图5可以清楚地看到，对于保护区域外部故障，tp和tq，tp和tr之间的时间差分别对应于P到Q和P和R的波行进时间，因此，故障是在PQR区域之外。

tp-tq＝Lpq/v

②

tp-tr＝Lpr/v

如图4所示的电力网络中当F1点发生故障时，PQR线路端控制断路器CBPQ，CBQ和CBRQ的集成保护单元将动作，使断路器CBPQ，CBQ和CBRQ跳闸，以切除该线路。控制断路器CBPR和CBRP的集成保护单元将不动作。

具体工作过程如下：

1).设F1点发生了A相接地故障；

2).在故障相和非故障相上都产生高频信号；

3).在P，Q和R处的集成保护单元捕获的对应暂态电压信号。每个集成保护单元都将时间追踪信号及其详细的资料发送给其它的集成保护单元。

4).当各不同监测点检测到故障暂态信号时，每个集成保护单元都把到达其所处位置的第一个波的暂态时间与其它集成保护单元纪录的时间作对比。

5).如果时间差满足式①，则表明故障在其对应的区域内，从而确定需要跳开的断路器。

6).通过故障线路两端测量的时间差，确定实际的故障位置。

7).如果时间差满足式②，则表明故障是在PQR区域之外。集成保护单元阻止与PQR段相关的断路器跳闸。

典型内部与外部故障响应：

图4(a)是图3中F1处出现A相接地故障时母线处出现的一次系统电压。故障的严重程度取决于连于母线的线路阻抗和故障点。显然在故障相和非故障相上都产生高频信号。

图4(b)是在P，Q和R处的集成保护单元捕获的对应暂态电压信号。可以看出，随着集成保护单元和故障点之间的距离的增大，所捕获的暂态信号的强度逐渐减小。每个集成保护单元都将时间追踪信号及其详细的资料发送给其它的集成保护单元。

根据图4所示的响应特性，通过式①可以说明故障发生在P-Q间的线路端上。由于这是一条T接馈电线路，所以要由P，Q和R处的集成保护单元分别连续作出跳闸决定。这些集成保护单元跳开他们的相关断路器。对该故障，P和R处的继电器通过考虑T接馈线PQR和线路PR的响应及Q处集成保护单元发出的信息，便能够判别故障是在T接馈线PQR上还是在母线RP上。

在母线P和Q处都可以计算它们到故障点的距离。时间追踪数据和测得的故障位置见表1：

表1：

图5所示是发生在图3中F2处的A相接的故障的响应。在这种情况下，tp和tq，tp和tr之间的时间差分别对应于P到Q和P和R的波行进时间，因此，故障是在PQR区域之外。

因而，集成保护单元阻止与PQR段相关的断路器跳闸。

安装在母线S处的集成保护单元将检测并追踪故障发生暂态行波的时间，它结合所接收到的来自母线P处的集成保护单元时间追踪数据，便可以确定故障线路段为SP，并跳掉相应的断路器。位于母线P处的集成保护单元将以类似的方法响应。

图6所示为图3中点F3处电压接近零时发生B相接地故障的继电器响应特性。尽管与图4和图5中显示的信号相比，该暂态信号强度较小，但集成保护单元仍能够依据所检测到的信号做出正确的决定。集成保护单元响应的详细资料如表1所示。

图7所示为图3在点F4处高阻抗A相接地故障的响应。故障通路电阻为300Ω。该显示结果再次表明，尽管由于故障通路电阻的增加致使所捕获信号的强度相对较低，但该方案仍能够运行。

图8所示为图3在T接馈线PQR上F5处A相与B相之间的相间短路故障。高频顺态信号在各集成保护单元处随时都可检测到，结果汇总见表1。

本发明保护的是包含有多个变电站的整体输电网络，在整个电网中，当任一变电站进行切换操作时，也将产生高频暂态信号，这些高频暂态信号也将由传感器单元采集，并通过以太网通讯单元的传输到达集成保护单元。但是，追踪时间直接的差值对应的是其在馈线上的传输时间，保护系统会诊断出该干扰不在被保护的馈线上。系统对这些切换的响应为装置进行诸如故障检测、GPS和通信系统等功能综合自检提供了便利的条件。

Claims

1.一种基于GPS与故障暂态信号的主输电线路集成故障定位保护系统，包括传感器单元(1)、以太网通讯单元(2)和集成保护单元(3)，其特征在于：

所述传感器单元(1)包括模数转换模块(6)和与模数转换模块(6)连接的暂态信号接口模块(7)，所述以太网通讯单元(2)包括以太网光纤(9)和与以太网光纤(9)连接的全球定位系统(8)，所述模数转换模块(6)的输入端经传感器与输电线路(10)相连接，所述暂态信号接口模块(7)的输出端经网关(5)与以太网光纤(9)连接，所述集成保护单元(3)包括通信接口模块(12)、暂态滤波器(13)、多通道时间比较逻辑模块(14)和跳闸确定模块(15)，所述多通道时间比较逻辑模块(14)的输入端与暂态滤波器(13)的输出端连接，暂态滤波器(13)的输入端与通信接口模块(12)连接，所述多通道时间比较逻辑模块(14)的输出端与所述跳闸确定模块(15)的输入端连接，跳闸确定模块(15)的输出端与通信接口模块(12)连接，所述多通道时间比较逻辑模块(14)经双向通道线路与通信接口模块(12)连接，所述通信接口模块(12)经网关(5)与所述以太网光纤(9)连接，所述以太网光纤(9)经网关(5)与设于输电线路(10)上的断路器(11)连接。

2.根据权利要求书1所述的基于G P S与故障暂态信号的主输电线路集成故障定位保护系统，其特征在于：所述以太网通讯单元(2)连接有通信网关(4)和人机对话界面(16)。

3.根据权利要求书1所述的基于GPS与故障暂态信号的主输电线路集成故障定位保护系统，其特征在于：所述以太网通讯单元(2)的通信协议采用标准网络通信协议。

4.根据权利要求书1所述的基于GPS与故障暂态信号的主输电线路集成故障定位保护系统，其特征在于：所述传感器可以是电流互感器或者电压互感器，也可以是光学组合传感器或者电子组合传感器。