CN101640410B - 一种利用故障暂态电流分量保护的继电器及其应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用故障暂态分量保护的继电器，包括模态混合电路、暂态滤波单元、计数器、暂态时间追踪单元、暂态极性检测单元、多路时间和极性比较单元、决策单元、逻辑跳闸单元、第一通信接口(6)和第二通信接口(7)；方法的步骤：1)设在F1点发生故障；2)故障相和非故障相都产生高频信号；3)继电器将资料发送给相邻继电器；4)每个继电器将第一个波的极性和暂态时间与其它继电器纪录的信息作对比。5)如果暂态电流到达输电线路两端的时间之差小于输电线路长度与暂态电流的波速的比值，并且输电线路两端检测到的暂态电流信号极性相同时，确定跳开的断路器；6)通过行波到达故障线路两端的时间差值，确定故障位置；7)如果暂态电流到达输电线路两端的时间之差等于输电线路长度与暂态电流的波速的比值，并且输电线路两端检测到的暂态电流信号极性不相同时，继电器阻止断路器跳闸。本发明检测精度高、响应快，成本低。

Description

一种利用故障暂态电流分量保护的继电器及其应用方法

技术领域：

本发明属于电力系统继电保护领域，涉及一种利用故障暂态电流分量保护的继电器及其应用方法。

背景技术

自过电流继电器在电力系统第一次问世以来，至今已过了一个世纪。保护装置技术从机电式、晶体管式、集成电路式发展到了微处理机式。目前，在电力系统保护领域里，以微处理机为基础的数字式继电器已逐步取代传统继电器。然而，基于工频信号的各种保护原理仍然发挥着主导作用。

上个世纪七十年代后期，随着电力网络的不断扩张，对快速清除故障、从而改进系统稳定性的需求，引发了人们利用非工频故障检测技术来提高继电器响应速度的研究热情。从而导致了人们对基于行波和叠加故障分量的所谓超高速继电器的研究，利用故障生成的暂态过程来实现输电线路的保护。但是，由于当时的数字处理技术的限制，该项技术没有能够成为电力线路中的主要保护装置。

近年来，微型计算机技术以及新式传感器技术的快速发展，使得过去认为不可能的故障检测技术变为可行，进一步激发了人们把故障产生的暂态过程应用于保护的兴趣。研究发现，故障产生的高频暂态过程，不仅可以被检出，而且可以用于开发新的保护原理和保护技术。

首先，在保护原理方面，产生了“暂态量保护”。它利用故障产生的暂态分量来进行故障的判别，实现保护功能，具有响应快和准确度高的优点，而且不受工频现象如过渡电阻、系统振荡、CT饱和等的影响。其中“定位保护”和“极性比较保护”是新颖的线路保护途径。

“定位保护”依靠检测到的故障高频暂态电流信号以及其沿线路的传播时间确定在该线路上的实际位置。它利用全球定位系统(GPS)的定位功能，当检测到故障高频瞬态信号时确定瞬时值，并利用载波通信系统将这一信息传给其它变电站。通过对系统中各点瞬态信号到达时间的比较，继电器可以确定并指出系统故障的位置。但对于靠近母线的故障，仅仅依靠GPS的时间追踪信号很难确定故障线路的位置，甚至于测量的误差可能导致继电器的误动作。

“极性比较保护”技术依赖于对故障暂态电流信号的检测，通过高级的滤波技术提取一定频段内的暂态电流信号，通过比较暂态电流信号的极性来确定具体的故障区段。极性比较保护虽然在确定故障区段方面有很高的可靠性，但却不能确定出具体的故障位置。

其次，在保护技术方面，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集成保护的机会。研究表明，从各个发电厂与元件获得的信息可以用来开发新的保护原理与方案。这些方案与现有的基于单个发电厂或元件的保护技术相比将具有极大的优势。新的暂态保护技术不仅可以保护单个发电厂而且通过现代通信技术可以发展新的电网集成保护。

发明内容

针对现有技术中对于靠近母线的故障，依靠GPS的时间追踪信号很难确定故障线路的具体位置，可能导致继电器的误动做；极性比较保护虽然在确定故障区段方面有很高的可靠性，但却不能确定出具体的故障位置，本发明提出一种利用故障暂态电流分量保护的继电器的技术方案：

一种利用故障暂态电流分量保护的继电器，包括模态混合电路1、暂态滤波单元2、计数器12、暂态时间追踪单元3、暂态极性检测单元4、多路时间和极性比较单元5、决策单元8、逻辑跳闸单元9、第一通信接口6和第二通信接口7；模态混合电路(1)将其接收到的三相电流变为模量信号输入到与其连接的暂态滤波单元2；在暂态滤波单元2与多路时间和极性比较单元5之间并联设置暂态时间追踪单元3和暂态极性检测单元4，暂态时间追踪单元3用于捕获初始行波到达母线的时间，暂态极性检测单元4用于记录暂态电流信号的极性；多路时间和极性比较单元5通过决策单元8与逻辑跳闸单元9连接；在多路时间和极性比较单元5通过第一通信接口6与相邻变电站继电器双向连接，多路时间和极性比较单元5通过第一通信接口6收集相邻变电站内的时间和极性信号，并将其同暂态时间追踪单元3和暂态极性检测单元4输入的时间和极性信号进行比较来确定故障是否在保护范围内；决策单元8通过第二通信接口7与网络保护控制单元12双向连接，网络保护控制单元12接收决策单元8的信号并保护控制网络；在暂态滤波单元2上设置的计数器12与决策单元8连接，计数器12用于检测故障电流信号，如果故障电流信号的电平大于自适应门槛值电平，在超出计数器12的限制时间之后，便确定出故障生成的暂态电流信号的极性并打上GPS时间标签；决策单元8根据多路时间和极性比较单元5和网络保护控制单元12的判断结果做出跳闸策略；逻辑跳闸单元9将根据决策单元8发来的信号向需要跳开的断路器发跳闸命令。

一种利用故障暂态电流分量保护的继电器的应用方法：

(1)假设在输变电线路网络上F1点发生了A相接地的故障；

(2)这时在输电线路的故障相和非故障相上都产生高频信号；

(3)设置在输电线路上P点，Q点和R点处的继电器将捕获对应暂态电流信号，每个继电器都将暂态电流信号极性和第一个波到达母线的时间发送给其它的继电器；P点，Q点和R点之间的区域为PQR区域；

(4)当输变电线路网络上各不同继电保护点检测到故障暂态电流信号时，每个继电器都把到达其所处位置的第一个波的极性和暂态时间与其它继电器纪录的信息作对比；

(5)如果暂态电流到达输电线路两端的时间之差小于输电线路长度与暂态电流的波速的比值，且暂态电流信号极性相同时，则表明故障在PQR区域内，从而确定需要跳开的断路器；

(6)通过测量到的暂态行波到达故障线路两端的时间差值，确定实际的故障位置；

(7)如果暂态电流到达输电线路两端的时间之差等于输电线路长度与暂态电流的波速的比值，并且暂态电流信号极性不相同时，则表明故障是在PQR区域之外，继电器阻止与PQR段对应的断路器跳闸。

本发明基于对故障高频暂态电流分量的检测和处理。安装在变电站中的保护继电器首先检测到故障高频暂态电流信号，然后提取出暂态电流信号的极性并记录故障初始行波到达该母线的时间。通信装置传送和接收本地或来自系统中其它相关继电器的编码数字信号。每个变电站内的继电器通过比较本地测得的以及接收来自相邻变电站的信号极性与GPS时间来确定故障位置。

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，因此具有集成保护的性质。另外本发明采用基于暂态量的保护原理，所以不敏感于故障类型，过渡电阻，故障初始角和电源配置，且具有故障检测精度高、响应迅速，费用低廉，构成简单，易于实现等优点。

附图说明

图1是本发明的线路保护继电器结构示意图；

图2是输电网络结构示意图；

图3是距离变电站P25km处F1点发生A相接地故障继电器响应图；

图4是距离变电站S20km处的F2点发生A相接地的故障继电器响应图；

图5是保护范围内的线路PQ靠近母线Q的F3点处发生B相接地故障的继电器响应图；

图6是保护范围内距离变电站R5km处F4点发生AB相间短路故障时继电器响应图；

图7是在保护区域外靠近母线Q的F5点处发生A相接地故障时继电器响应图。

图中：S为母线S点处，P为母线P点处，Q为母线Q点处，R为母线R点处

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明的利用故障暂态电流分量保护的继电器，如图1所示，一种利用故障暂态电流分量保护的继电器，包括模态混合电路1、暂态滤波单元2、计数器12、暂态时间追踪单元3、暂态极性检测单元4、多路时间和极性比较单元5、决策单元8、逻辑跳闸单元9、第一通信接口6和第二通信接口7；模态混合电路1将其接收到的三相电流变为模量信号输入到与其连接的暂态滤波单元2；在暂态滤波单元2与多路时间和极性比较单元5之间并联设置暂态时间追踪单元3和暂态极性检测单元4，暂态时间追踪单元3用于捕获初始行波到达母线的时间，暂态极性检测单元4用于记录暂态电流信号的极性；多路时间和极性比较单元5通过决策单元8与逻辑跳闸单元9连接；在多路时间和极性比较单元5通过第一通信接口6与相邻变电站继电器双向连接，多路时间和极性比较单元5通过第一通信接口6收集相邻变电站内的时间和极性信号，并将其同暂态时间追踪单元3和暂态极性检测单元4输入的时间和极性信号进行比较来确定故障是否在保护范围内；决策单元8通过第二通信接口7与网络保护控制单元12双向连接，网络保护控制单元12接收决策单元8的信号并保护控制网络；在暂态滤波单元2上设置的计数器12与决策单元8连接，计数器12用于检测故障电流信号，如果故障电流信号的电平大于自适应门槛值电平，在超出计数器12的限制时间之后，便确定出故障生成的暂态电流信号的极性并打上GPS时间标签；决策单元8根据多路时间和极性比较单元5和网络保护控制单元12的判断结果做出跳闸策略；逻辑跳闸单元9将根据决策单元8发来的信号向需要跳开的断路器发跳闸命令。

一种利用故障暂态电流分量保护的继电器的应用方法：

(1)假设在输变电线路网络上F1点发生了A相接地的故障；

(2)这时在输电线路的故障相和非故障相上都产生高频信号；

(3)设置在输电线路上P点，Q点和R点处的继电器将捕获对应暂态电流信号，每个继电器都将暂态电流信号极性和第一个波到达母线的时间发送给其它的继电器；P点，Q点和R点之间的区域为PQR区域；

(4)当输变电线路网络上各不同继电保护点检测到故障暂态电流信号时，每个继电器都把到达其所处位置的第一个波的极性和暂态时间与其它继电器纪录的信息作对比；

(5)如果暂态电流到达输电线路两端的时间之差小于输电线路长度与暂态电流的波速的比值，并且暂态电流信号极性相同时，则表明故障在PQR区域内，从而确定需要跳开的断路器；

(6)通过测量到的暂态行波到达故障线路两端的时间差值，确定实际的故障位置；

(7)如果暂态电流到达输电线路两端的时间之差等于输电线路长度与暂态电流的波速的比值，并且暂态电流信号极性不相同时，则表明故障是在PQR区域之外，继电器阻止与PQR段对应的断路器跳闸。

具体的工作过程如下：

三相电流通过模态混合电路(1)变为模量信号，滤除干扰噪声，模量信号经过暂态滤波器单元(2)，提取出指定频段内信号。一旦装置测出故障信号，具有自适应算法的计数器10便用于该模量信号。如果故障叠加信号电平大于自适应门槛值电平，在超出计数器10所确定的限制时间之后，便可以确定出故障生成的暂态电流信号的极性并打上GPS时间标签。暂态时间追踪单元3用于捕获初始行波到达母线的时间；暂态极性检测单元4用于记录暂态电流信号的极性；决策单元8根据多路时间和极性比较单元5和网络保护和控制单元的判断结果做出跳闸策略；逻辑跳闸单元9将根据决策单元8发来的信号向需要跳开的断路器发跳闸命令。

继电器通过通信单元收集相邻变电站内的时间和极性信号，同本站采集的信号进行比较来确定故障是否在保护范围内。只有当继电器已经接收到的信号与其发送信号极性相同的信号时，才能确定是区内故障。对GPS时间的比较进一步确定精确的故障位置。

本发明的工作原理是：

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电流信号时间，就可以确定线路上实际故障的位置。全球定位系统GPS能够在大范围内保证时间同步，精度可以达到1μs，为实现故障暂态电流信号的时间追踪提供了一种理想的工具。另外，根据与故障有关的电流互感器的位置、电源的位置以及线路负载条件等，在各电流互感器上检出的暂态电流大小虽然不同，但这些信号的极性变化遵循一定的模式，即故障线路两侧暂态电流信号的极性相同，而非故障线路两侧的信号极性相反，这一点使得故障线路的识别成为可能。

安装在各个变电站的继电器首先检测到各条出线的暂态电流信号，同时记录这些信号的GPS时间并提取出暂态电流信号的极性。然后，继电器将根据他们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继电器。所有继电器都随时准备接收其他继电器发送来的编译信息。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，继电器将其本站纪录的故障暂态电流信号的到达时间及极性与其他继电器发出的有关信号进行对比，以确定故障时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。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，当各不同继电保护点检测到故障暂态电流信号时，确定故障位置的工作被简化为对纪录的追踪时间及信号极性进行比较。每个继电器都把到达其所处位置的第一个波的极性和暂态时间与其它继电器纪录的极性和时间作对比。如果行波到达时间差小于在对应线路长度上传输所需的时间，则表明故障在其对应的区域内。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。GPS时钟的精度为1μs，与300m故障定位精度基本对应。这种情况是假定暂态电流信号是以真空中光速进行传输，而实际上暂态电流信号在电力导线上其传输速度则较低。时间追踪中出现的误差会造成接近母线处故障的不确定性。在这种情况下，极性信号就可以用来确定故障线路。

图2所示是一个超高压电力网络所实施的方案。继电保护装置安装在母线P点，Q点，R点和S点处负责电网保护。继电器检测故障产生的暂态电流信号，并记录故障的初始行波抵达该母线的GPS时间并提取出该行波信号的极性。需要说明的是，传统保护中，为了保护线路SP和T型线路PQR，在母线P处必须安装两个继电器分别对线路SP和T型线路PQR提供保护，而在本方案中，在母线P处仅安装一个本发明所述的继电器就能为线路SP和T型线路PQR都能提供保护，本发明的继电器将负责保护与其所处母线连接的多条线路。

本实施例主输电系统基于典型的400KV超高压网，系统中有分别长60km，90km，100km，10km的四个线路段。S点，P点，Q点，R点各自短路容量为20GVA，5GVA，35GVA，10GVA。

故障位置如图中所示，在输电网络的线路中假设F1点发生了故障，那么设置在线路上P点，Q点，R点各端点的继电器将动作，断路器跳闸，切断该段线路。设置在线路上的其它继电器将不动作。

从图3可以看到，对于保护区内故障。通过下述(1)式可以得出追踪时间和故障线路之间的关系，从而确定需要跳开的断路器：

tp-tq＜Lpq/v             (1)

其中：

tp-母线P点处暂态行波的到达时间；

tq-母线Q点处暂态行波的到达时间；

Lpq-母线P点和Q点间线路长度；

v-线路上的波速。

另外，此时在P点、Q点、R点处行波信号极性相同，也可以判定为内部故障。所以P点，Q点和R点处的继电器分别连续作出跳闸决定。

从图4可以清楚地看到，对于保护区域外部故障，tp和tq，tp和tr之间的行波到达时间差分别对应于P点到Q点和P点和R点的波行进时间，因此，故障是在PQR区域之外。

tp-tq＝Lpq/v

                                            (2)

tp-tr＝Lpr/v

同样，在P点、Q点、R点处行波信号极性不完全相同，可以判为外部故障。因而，继电器阻止与PQR段相关的断路器跳闸。

一种利用故障暂态分量的保护方法，具体步骤如下：

1.假设在输变电线路网络上F1点发生了A相接地的故障；

2.这时在输电线路的故障相和非故障相上都产生高频信号；

3.设置在输电线路上P点，Q点和R点处的继电器将捕获对应暂态电流信号，每个继电器都将暂态电流信号极性和第一个波到达母线的时间及其详细的资料发送给其它的继电器；

4.当输变电线路网络上各不同继电保护点检测到故障暂态电流信号时，每个继电器都把到达其所处位置的第一个波的极性和暂态时间与其它继电器纪录的信息作对比。

5.如果行波到达时间差满足式(1)并且暂态电流信号极性相同时，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行波到达时间差，确定实际的故障位置。

7.如果行波到达时间差满足式(2)或暂态电流信号极性不完全相同时，则表明故障是在PQR区域之外。继电器阻止与PQR段相关的断路器跳闸。

典型内部与外部故障响应：图3是图2中F1处发生A相接地故障时P点、Q点、R点和S点处捕获到的暂态电流信号，通过式(1)可以说明故障发生在P-Q间的线路端上。极性信号，虽不能给出精确的故障位置，但也能够指出故障在哪条线路上。由于这是一条T接馈电线路，所以要由P点，Q点和R点处的继电器分别连续做出跳闸决定。

在母线P点和Q点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。

图4所示是发生在图1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之间的行波到达时间差分别对应于P点到Q点和P点和R点的波行进时间，同时在P点检测到的信号极性跟Q点，R点处检测到的信号极性相反。因此，故障是在PQR区域之外。

因而，继电器阻止与PQR段相关的断路器跳闸。

安装在母线S点处的继电器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点处的继电器时间追踪数据，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点处的继电器将以类似的方法响应。

图5所示为在线路PQ靠近母线Q点的F3处发生B点相接地故障的继电器响应特性。这种类型的故障仅仅依靠GPS时间追踪信号很难确定故障线路，测量的误差可能导致继电器的误动作。然而，在本文中提到技术还能依靠极性信号的比较来确定故障线路。如图所示，Tp，Tq and Tr有相同的极性，因此继电器能凭借检测到的极性信号做出正确的决策。继电器响应的详细资料如表1所示。

图6所示为图1中F4处发生AB相间短路故障时继电器响应特性，与图3给出的例子相似，继电器的相应不会受故障类型影响，能够根据检测到的信号正确确定故障位置。

图7所示为在保护区域外靠近母线Q点的F5处发生A相接地故障。故障响应跟图5所示的F3点故障类似这种类型，这是由于两个故障点相隔很近。本文提出的保护策略，根据信号极性能区分故障线路，再Q点处继电器检测到的信号极性跟在P点，R点处检测到的极性相反，说明故障不在保护范围内，这样，继电器能做出正确的决策。

表1是不同系统与故障条件下继电器响应表。在表中，符号“+”和“-”表示检测到的信号极性。

表1

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，因此具有集成保护的性质。另外本发明采用基于暂态量的保护原理，所以不敏感于故障类型，过渡电阻，故障初始角和电源配置，且具有故障检测精度高、响应迅速，费用低廉，构成简单，易于实现等优点。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (2)

1.一种利用故障暂态电流分量保护的继电器，其特征在于：包括模态混合电路(1)、暂态滤波单元(2)、计数器(10)、暂态时间追踪单元(3)、暂态极性检测单元(4)、多路时间和极性比较单元(5)、决策单元(8)、逻辑跳闸单元(9)、第一通信接口(6)和第二通信接口(7)；模态混合电路(1)将其接收到的三相电流变为模量信号输入到与其连接的暂态滤波单元(2)；在暂态滤波单元(2)与多路时间和极性比较单元(5)之间并联设置暂态时间追踪单元(3)和暂态极性检测单元(4)，暂态时间追踪单元(3)用于捕获初始行波到达母线的时间，暂态极性检测单元(4)用于记录暂态电流信号的极性；多路时间和极性比较单元(5)通过决策单元(8)与逻辑跳闸单元(9)连接；多路时间和极性比较单元(5)通过第一通信接口(6)与相邻变电站继电器双向连接，多路时间和极性比较单元(5)通过第一通信接口(6)收集相邻变电站内的时间和极性信号，并将其同暂态时间追踪单元(3)和暂态极性检测单元(4)输入的时间和极性信号进行比较来确定故障是否在保护范围内；决策单元(8)通过第二通信接口(7)与网络保护控制单元(12)双向连接，网络保护控制单元(12)接收决策单元(8)的信号并保护控制网络；在暂态滤波单元(2)上设置的计数器(10)与决策单元(8)连接，计数器(10)用于检测故障电流信号，如果故障电流信号的电平大于自适应门槛值电平，在超出计数器(10)的限制时间之后，便确定出故障生成的暂态电流信号的极性并打上GPS时间标签；决策单元(8)根据多路时间和极性比较单元(5)和网络保护控制单元(12)的判断结果做出跳闸策略；逻辑跳闸单元(9)将根据决策单元(8)发来的信号向需要跳开的断路器发跳闸命令。

2.根据权利要求1所述一种利用故障暂态电流分量保护的继电器的应用方法，其特征在于：

(1)假设在输变电线路网络上F1点发生了A相接地的故障；

(2)这时在输电线路的故障相和非故障相上都产生高频信号；

(3)设置在输电线路上P点，Q点和R点处的继电器将捕获对应暂态电流信号，每个继电器都将暂态电流信号极性和第一个波到达母线的时间发送给其它的继电器；P点，Q点和R点之间的区域为PQR区域；

(4)当输变电线路网络上各不同继电保护点检测到故障暂态电流信号时，每个继电器都把到达其所处位置的第一个波的极性和暂态时间与其它继电器记录的信息作对比；

(5)如果暂态电流到达输电线路两端的时间之差小于输电线路长度与暂态电流的波速的比值，并且输电线路两端检测到的暂态电流信号极性相同时，则表明故障在PQR区域内，从而确定需要跳开的断路器；

(6)通过测量到的暂态行波到达故障线路两端的时间差值，确定实际的故障位置；

(7)如果暂态电流到达输电线路两端的时间之差等于输电线路长度与暂态电流的波速的比值，并且输电线路两端检测到的暂态电流信号极性不相同时，则表明故障是在PQR区域之外，继电器阻止与PQR段对应的断路器跳闸。

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