CN101858948B - 用于在三相中压配电系统中进行暂态和间歇性接地故障检测和方向确定的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于在包括多条线路的三相中压配电系统中进行暂态和间歇性接地故障检测和方向确定的方法和系统。所述系统包括：-采样单元，其中对在所述线路上的剩余电流和剩余电压进行采样，-基于瞬时功率的暂态方向检测单元，-基于剩余电流幅值的间歇性变化的随机间歇性检测单元，-集成暂态方向检测和随机间歇性检测的单元，-报警单元，用于指示对一条线路的状况进行检查。

Description

用于在三相中压配电系统中进行暂态和间歇性接地故障检测和方向确定的方法和系统

技术领域

本发明涉及一种用于在三相中压配电系统中进行暂态和间歇性接地故障检测和方向确定的方法和系统。

背景技术

技术领域是电力系统保护和控制。本发明涉及在三相中压(10kv-35kv)配电系统中进行暂态/间歇性单相接地故障检测和接地故障的方向确定。暂态事件是指仅持续一个功率周期或者几个功率周期以内的短时间的扰动。间歇性事件是指一系列暂态事件，在比较短的持续时间(几秒)内发生电弧故障和高阻故障是它的典型特征。

常规检测方法主要基于相量和傅立叶结果。因此，这些方法实际上将稳态正弦信号作为目标。然而，所述结果可能是不精确的，在事件持续时间小于半个周期的情况下，所述结果甚至可能是不正确的。实际上，存在大量的能够用于故障检测的暂态信息，但是傅立叶变换实际上滤除了这些高频分量。因此，常规的基于相量的方法不适于处理暂态和非稳态正弦信号。

说明书结尾处的参考文献[1]描述了一种用于检测多接地配电系统中的高阻故障的系统和方法。故障评估基于所谓的“差动电流的总和”(SDI)值，该差动电流的总和值是采样点的周期与周期之间的差值之和。所述方法是增量的简单求和，所述方法使用非相量值来检测这种由噪声产生的故障，而不使用暂态信息。它容易受其它噪声的影响。另外，它不具有方向特征。

参考文献[2]描述了一种方法和装置，提供该方法和装置是用于检测具有诸如负载电流等线路参数的电力线上的故障。所述装置对所述负载电流进行监测和分析以获得与阈值作对比的能量值。如果所述能量值大于阈值，则使第一计数器递增。如果所述能量值大于高值阈值或小于低值阈值，则使第二计数器递增。如果两个随后的能量值之差大于常数，则使第三计数器递增。如果第一计数器大于计数器极限值或者第二计数器大于第二极限值或者第三计数器大于第三极限值，则发出故障信号。所述文献关注于幅值的随机变化。间歇性故障的方向(或者选择性地对发生故障的线路进行报警)不是必要的关注点。因此，它不适用于具有除了直接接地之外的接地情形的系统。

参考文献[3]描述了一种用于识别配电网中的间歇性接地故障的方法和装置。基于零序电压以及相电流的和电流来识别间歇性接地故障。对零序电压以及和电流进行滤波，使得滤波后的零序电压和和电流仅包括在间歇性接地故障中出现的暂态分量。当所述零序电压以及和电流的暂态分量的幅值超过幅值的对应设定值时，并且当所述零序电压和和电流的暂态分量的相角之间的相差在预置值的范围内时，确定在所观察的配电馈线上发生了间歇性接地故障。所述文献的原理基于正弦信号信息，从而观察500Hz高频分量的相量特征。然而，由于其它噪声产生的干扰或者由于采样误差，已经证明仅考虑特定的高频分量经常是不精确的。同样，相位结果也经常是不稳定的，相量概念并不适于暂态情况。

参考文献[4]描述了一种用于保护电网免于发生再次接地故障的方法和系统。所述电网包括一条或多条从供电点引出的馈线，并且所述电网优选为三相电网。所述方法包括下列步骤：检测与电网中的接地故障相关的地面接触(earth contact)；利用电流脉冲或者与地面接触相关的电流脉冲和电压值来识别发生所述地面接触的馈线。电流值被解释为在电流的瞬时值除以电流的有效值后得到的值超过预定极限的时刻处的电流脉冲。针对每条馈线，计算检测到的地面接触的数量。如果在预定的时间段期间每条所述馈线的检测到的地面接触的数量超过预定数，或者如果每条所述馈线的检测到的地面接触的数量超过预定数，同时电网的起点与大地(即，零电压)之间的电压保持在预定的极限之上，则确定在馈线上存在再次接地故障。所述文献通过将电流尖峰的极性与电压尖峰的极性进行比较而挑选出发生故障的馈线。

一般而言，大量现有的接地故障现象落在了用于保护配电馈线的常规继电器的可靠检测水平之外。通常将这些故障定义在高阻故障的范围内。它们大多数是由相与接地故障路径的非金属或者非稳态导电：非导电表面上的中断线(downed conductor)或者不良绝缘条件的间歇性恶化引起的。因此，故障电路中的阻抗将故障电流限制在故障检测器的阈值以下，或者暂态的导电限制了故障事件的持续时间并且使得常规保护设备检测不到所述故障。虽然这些故障可能不会对系统造成严重的损坏，但是它们暴露了馈线的缺陷：暂态故障的间歇性导电可以是线路或者电缆上的绝缘条件退化的信号。高阻故障(HIF)检测是一个相对非常活跃的研究领域。诸如人工智能、现代数字信号处理和模式识别之类的新技术都是研究的焦点。然而，作为馈线保护的实用性改进，本发明以HIF的最具区别性的特征为目标并且提供了能够易于在常规数字馈线继电器平台中实现的实用算法和实施例。

因此，本发明关注这些间歇性故障检测，或者总体上，本发明关注大量高阻故障的检测。因此，本发明的方法和系统的目的是解决下列问题：

-暂态/间歇性接地故障不在常规继电器的可靠检测水平之内，这暴露了出于保护和安全的原因应该被检测的线路的缺陷并应该针对缺陷进行报警，因此需要增加灵敏度。

-在放射状连接的配电系统中，由于大量分布的线路电容的原因，暂态接地故障电流也在无故障线路上流动。需要一种方向法(direction m ethod)来将故障线路与无故障线路区分开。需要增加继电器的选择性。

-常规的基于相量的方法不适用于暂态信号计算。因此，当将常规的基于相量的方法用于方向检测时，它不能给出精确的结果。相对于安全和灵敏度，精确的方向是一个重要的方面。

-在这些暂态/间歇性情况下，常规继电器大多数复位。因此，它忽视了这些大量存在的接地故障现象，但这些大量存在的接地故障现象包括在本发明的方法和系统的检测范围内。

发明内容

本发明涉及一种用于在包括多条线路的三相中压配电系统中进行暂态和间歇性接地故障检测和方向确定的方法，其特征在于，针对一条线路，例如一条馈线，所述方法包括如下步骤：

-对所述线路上的剩余电流和剩余电压进行采样的采样步骤，

-基于瞬时功率的暂态方向检测步骤，所述暂态方向检测步骤具有下列阶段：

●准备阶段，在所述准备阶段，设备算法保持监视并且准备开始；

●开始阶段，在所述开始阶段，所述设备算法开始评估所述故障；以及

●报警/复位阶段，当所述开始阶段结束时，开始所述报警/复位阶段，其中通过报警或者复位来给出结果，

-基于所述剩余电流幅值的间歇性变化的随机间歇性检测步骤，所述随机间歇性检测步骤具有下列阶段：

●准备阶段，在所述准备阶段，设备算法保持监视并且准备开始；

●开始阶段，在所述开始阶段，所述设备算法开始评估所述故障；以及

●报警/复位阶段，当所述开始阶段结束时，开始所述报警/复位阶段，其中通过报警或者复位来给出结果，

-集成暂态方向检测和随机间歇性检测的步骤，该步骤：

●利用暂态方向检测，将故障线路上的尖峰与无故障线路上的尖峰区分开，以及

●在时间窗内对具有正向的所述尖峰进行计数，

●在所述时间窗的结束处将所计数的结果与特定的阈值数进行比较，

●报告一组结果，所述集成步骤使得随机间歇性检测能够选择性地对所述尖峰进行计数，

-指示维护人员对所述线路的状况进行检查的最终报警步骤，

如果在所述开始阶段的结束处通过随机间歇性检测和暂态方向检测检测到暂态事件，那么期待另外的事件，并且如果在复位持续时间之内检测到三个连续的暂态事件，则报告间歇性接地故障。

有利地，将瞬时有功功率或者无功功率用于方向检测。

有利地，使用剩余电流和剩余电压的故障分量来计算所述瞬时功率。使用基于瞬时功率的Hilbert变换，通过在先前一个周期的时间窗内对即时剩余电压和剩余电流的标量乘积进行求平均而获得瞬时有功功率，而通过在先前一个周期的时间窗内对经过Hilbert变换的即时剩余电压和剩余电流的标量乘积进行求平均而获得瞬时无功功率，通过将这种瞬时有功功率或者这种瞬时无功功率与功率阈值进行比较来进行方向鉴别。

有利地，所述方法在准备阶段保持进行采样并且缓冲所述剩余电流和剩余电压的采样，并且在开始阶段中保持这些正常采样(norm alsam ple)，在开始阶段中通过从全采样(full sam ple)上减去这些正常采样而获得所述故障分量，并且将所述故障分量用于瞬时功率计算和进一步的方向检测。

有利地，在故障分量电路中，假设：从母线至馈线的方向为正方向/正向，预先确定功率阈值。如果所述瞬时有功功率是负的并且低于功率阈值的负值，则给出正向。如果所述瞬时有功功率是正的并且大于有功功率阈值的正值，则给出反向。如果所述瞬时无功功率是正的并且大于正的无功功率阈值，则给出正向结果。如果所述瞬时无功功率是负的并且低于无功功率阈值的负值，则给出反向结果。另外，将瞬时无功功率用在中性点不接地系统或者电阻接地系统中，而瞬时有功功率仅用在中性点消弧线圈(Peterson coil)接地系统中。

有利地，所述方法包括故障评估步骤，其中通过将所计算的瞬时功率与功率阈值进行比较来给出方向，所述功率阈值根据所计算的功率的最大值而自适应地改变。可以将所述功率阈值设置为所计算的功率绝对值的最大值的一半：如果所述瞬时功率值的绝对值比P(有功功率)或者Q(无功功率)的当前阈值的五倍大，则考虑将最大瞬时功率绝对值的一半作为新的阈值。

有利地，将增幅用于检测间歇性尖峰，并且用于开始故障评估，通过使用半个周期的R.M.S计算来计算幅值，尖峰是剩余电流增幅的连续增加和减小，其表示尖峰的存在(conducting)和消失。当开始故障评估时，从暂态方向检测步骤中获得尖峰的方向，在可设定的检测时间之内，对具有正向的所述尖峰进行计数，将故障评估时间结束处的结果与特定的阈值进行比较，并且随后给出一组故障检测结果。通过从新计算的幅值上减去平均幅值而获得增加的幅值，通过滤波器来获得平均幅值：y(n)＝[y(n-1)·(N-1)+x(n)]/N，其中y(n)是当前时间点的平均幅值，并且代表先前N点的幅值状况，y(n-1)是先前点的平均幅值，x(n)是新计算的幅值。在故障评估的结束处，如果所计数的尖峰数超过预定水平，则所述结果指示间歇性故障；如果所述尖峰数大于2并且小于所述预定水平，则报告暂态事件；如果所述幅值保持增加或者保持不变且没有减小，则所述结果是稳态事件；将其它情况报告为噪声。

本发明还涉及用于在包括多条线路的三相中压配电系统中进行暂态和间歇性接地故障检测和方向确定的系统，其特征在于，所述系统包括：

-采样单元，其中对在所述多条线路上的剩余电流和剩余电压进行采样，

-基于瞬时功率的暂态方向检测单元，所述暂态方向检测单元用于执行暂态方向检测步骤，所述暂态方向检测步骤具有下列阶段：

●准备阶段，在所述准备阶段，设备算法保持监视并且准备开始；

●开始阶段，在所述开始阶段，所述设备算法开始评估所述故障；以及

●报警/复位阶段，当所述开始阶段结束时，开始所述报警/复位阶段，其中通过报警或者复位来给出所述结果，

-基于剩余电流幅值的间歇性变化的随机间歇性检测单元，所述随机间歇性检测单元用于执行随机间歇性检测步骤，所述随机间歇性检测步骤具有下列阶段：

●准备阶段，在所述准备阶段，设备算法保持监视并且准备开始；

●开始阶段，在所述开始阶段，所述设备算法开始评估所述故障；以及

●报警/复位阶段，当所述开始阶段结束时，开始所述报警/复位阶段，其中通过报警或者复位来给出所述结果，

-集成暂态方向检测和随机间歇性检测的单元，该单元：

●利用暂态方向检测，将故障线路上的尖峰与无故障线路上的尖峰区分开，以及

●在时间窗内对具有正向的所述尖峰进行计数，

●在所述时间窗的结束处将所计数的结果与特定的阈值数进行比较，

●报告一组结果，所述集成单元使得随机间歇性检测能够选择性地对所述尖峰进行计数，

-报警单元，用于指示对一条线路的状况进行检查。

有利地，所述系统包括：

-用于对电压和电流进行采样的模块，

-触发器，

-间歇性尖峰检测模块，

-用于调整暂态方向检测的功率阈值的模块，

-瞬时功率方向模块，

-计数器，

-用于给出报告的模块。

本发明的方法和系统使用适用于非正弦信号的瞬时功率方向。本发明实际上利用高频分量。它还能够以工频采样速率实现并且容易集成在常规保护设备中。因而，优点如下：

-瞬时功率适于分析非正弦暂态信号。

-能够以比较低的采样频率获得瞬时功率，使得本发明的方法便于在常规数字继电器平台中使用。

-当在电阻接地系统或者不接地系统中使用时，瞬时无功功率尤其有效。所述功率仅与系统特性有关，因此它更加鲁棒。当已经捕获到尖峰时，所提出的自适应阈值使得方向检测器能够给出明确的方向结果。

-基于瞬时功率方向，本发明通过使用即时无功功率为不接地或者电阻接地系统提供了一种更可靠的方案，并且本发明通过使用即时有功功率提供了一种用于消弧线圈接地系统的可行方案。

-本发明可以响应于暂态和间歇性故障，还能够处理常规继电器不能处理的高阻故障或者电弧故障。

-本发明还可以选择性地对发生故障的线路进行报警。

-本发明适用于具有不同接地状况的单接地系统：电阻接地系统、消弧线圈接地系统或者不接地系统。

附图说明

图1示出了本发明的系统的结构；

图2是本发明的系统和方法组织中的暂态方向检测(TDD)和随机间歇性检测(RID)的图；

图3是暂态方向检测的流程图；

图4A和图4B示出了本发明的使用瞬时功率的方向判断标准；

图5是暂态方向检测的自适应阈值设置的示例；

图6是随机间歇性检测的流程图；以及

图7A-7C和图8A-8C示出集成了随机间歇性检测和暂态方向检测的优选实现方式的示例性结果。

具体实施方式

如图1所示，本发明的系统适用于检测三相三线中压(10kv-35kv)配电系统中的暂态/间歇性单相接地故障。为了选择性地对放射状连接在母线11上的所有馈线10当中的故障馈线进行报警，系统的中性点不接地或者仅在一个点16处接地，该点16往往在进行变压的变电站中。检测设备12通常安装在安装了母线的变电站中，检测设备12对来自一条馈线上的CT(电流互感器)13的剩余电流和来自母线上的PT(电压互感器)14的剩余电压进行采样。它对暂态接地故障事件15进行检测并且识别该事件的方向。方向结果是正向(从母线至馈线)和反向(从馈线至母线)。当故障发生在已经安装了检测器的馈线上时，检测器应该观察到正向，而当故障发生在其它馈线上时，检测器应该观察到反向或者无方向(non-direction)。当已经检测到具有正向的间歇性事件(一系列暂态接地事件)时，检测器报警，指示变电站维护人员对已经安装了这个发出报警的检测器的馈线的状况进行检查。

本发明的系统被设计成直接检测接地故障，并且本发明的系统尤其被设计成对还涵盖了大部分高阻单相接地故障的暂态/间歇性接地故障进行检测。它克服了常规继电器不能正确地处理间歇性事件和暂态事件并且不能正确地响应所述事件的难点。因此，它可以是常规接地故障检测设备的改进或者补充。

本发明的方法和系统具有两个主要模块：

1)对于暂态方向检测而言，它基于故障分量剩余电流和故障分量剩余电压来计算瞬时功率方向。实际上，在故障分量电路中，有功功率从母线流至无故障线路，并且从故障线路流至母线。如果配电系统经由电阻接地或者不接地，则无功功率从母线流至故障线路并且从无故障线路流至母线。因此，设置对应功率分量的阈值，通过将所计算的瞬时功率与所述阈值进行比较，算法给出方向结果。通过使用基于非正弦信号的瞬时功率的Hilbert变换来获得所述有功功率和无功功率。使用该瞬时功率方向的优点使得算法能够输出有效的方向结果，即便对于快速暂态事件也是如此。由于瞬时无功功率方向主要取决于系统特性(电感性的或者电容性的)，从而使得它更具有鲁棒性特征，因此能够增加选择性以及灵敏度。

2)对于随机间歇性检测而言，在故障前的准备阶段中对平均幅值进行累加并且通过从全幅值上减去平均幅值来计算增幅。在开始时，将增幅与开始阈值进行比较并且触发模块进入开始阶段。接着，检测设备开始对幅值状况的变化进行计数，幅值状况的变化是状况在另一突发阈值(burstthreshold)之上或者之下的变化。同样如果启用方向模块，则检测设备对具有特定方向的变化进行计数。在预置检测时间的结束处，算法根据计数结果而给出报告。这增加了机会来使检测设备能够捕获常规继电器可能无法作出响应的那些大量存在的接地故障现象。

有利地，如图2所示，本发明的系统包括：

-用于对电压和电流进行采样的模块20，

-触发器21，

-间歇性尖峰检测模块22，

-用于调整暂态方向检测的功率阈值的模块23，

-间歇性功率方向模块24，

-计数器25，

-用于给出报告的模块26。

本发明的方法包括暂态方向检测(TDD)步骤和随机间歇性检测(RID)步骤。两者都具有三个主要阶段：

-准备阶段，在所述准备阶段，算法保持监视并且准备开始；

-开始阶段，在所述开始阶段，所述算法开始评估所述故障；以及

-报警/复位阶段，当所述开始阶段结束时，算法通过报警(针对确认的故障)或者复位(针对没有确认的故障)来给出结果。下面将分析这两个检测步骤。

1)暂态方向检测(TDD)

当算法处于准备阶段中时，暂态方向检测(TDD)具有用于更新剩余电流和剩余电压的两个周期的采样阵列的预开始缓冲器(pre-startbuffer)。触发器21通过捕获剩余电流的突然增加来开始暂态方向检测。当处于开始阶段中时，暂态方向检测首先通过从点上的新采样的剩余电流和剩余电压上减去在准备阶段的采样中的第二周期的预开始缓冲器中的对应点来计算叠加的剩余电流和剩余电压。通过使用这些叠加的电流i(t)和电压u(t)，暂态方向检测计算瞬时功率：

-对于有功功率，瞬时值为：

p(t)＝u(t)·i(t)

瞬时有功功率是p(t)在先前一个周期T中的平均值：

$p\left(t\right)=\frac{1}{T}\underset{t-T}{\overset{t}{\∫}}p\left(t\right)\·d\left(t\right)$

-对于无功功率，运用Hilbert变换。由下列函数来定义利用卷积的Hilbert变换，p.v.表示柯西主值：

$h\left(t\right)=p.v.\frac{1}{\mathrm{\πt}}$

暂态方向检测计算：

●剩余电压的Hilbert变换，使用柯西主值的卷积积分：

$u^{\′}\left(t\right)=H\left(u\right)\left(t\right)=p.v.\underset{-\∞}{\overset{+\∞}{\∫}}u\left(\mathrm{\τ}\right)h(t-\mathrm{\τ})\mathrm{d\τ}$

●接着，功率p'的即时值：

p'(t)＝u'(t)·i(t)

瞬时无功功率是p'在一个周期中的平均值：

$Q=\frac{1}{T}\underset{t-T}{\overset{t}{\∫}}{p}^{\′}\left(t\right)\·\mathrm{dt}$

-接着，方向标准是：当功率从母线流至馈线时，假设功率方向为正方向/正向：

a)在经由电阻接地或者不接地的系统中，

-如果Q大于正向Q阈值(正值)，则方向是正向并且故障在该线路上；

-否则，方向不在该线路上。

b)在经由消弧线圈接地的系统中：

-如果P小于正向P阈值(负值)，则方向是正向并且故障在该线路上；

-否则，方向不在该线路上。

2)随机间歇性检测(RID)

随机间歇性检测基于剩余电流的增幅的变化。如果幅值的增量大于预定阈值，则随机间歇性检测假设故障存在。如果所述增量小于所述阈值，则随机间歇性检测假设故障消失。通过在一个预置的持续时间之内对正向的这种存在-消失状态(conducted-extinguished state)变化进行计数，算法给出一组结果，即确认的接地故障，或者暂态事件、稳态事件以及噪声。

如图6所示，在准备阶段中，随机间歇性检测通过使用半个周期的R.M.S(“均方根”)方法来保持计算幅值AMP(步骤52)。接着使用该值来对存储在存储器中的平均幅值AVG进行更新(步骤53)，作为剩余电流的当前状况的表示。通过从新计算的幅值AMP上减去该平均值，获得增量值“inc”(步骤54)。在准备阶段中，随机间歇性检测将“inc”与开始阈值进行比较以触发开始信号，该信号是图2中的触发21。在开始阶段中，平均幅值AVG停止更新并且平均幅值AVG保持它在准备阶段中的最新值。在通过从新计算的幅值上减去该平均幅值来获得增量“inc”的同时(步骤55)，使用另一阈值(突发阈值)进行比较。如果所述增量“inc”大于所述突发阈值(步骤56)，则随机间歇性检测假设故障存在并且将故障存在状况(“突发”)设置为“真”(57)。如果所述增幅“inc”小于所述突发阈值(步骤56)，则随机间歇性检测假设故障消失并且将故障存在状况(“突发”)设置为“假”(步骤58)。随机间歇性检测还保持对暂态方向检测的方向结果进行采样。突发计数器保持对正向的这种状况改变的变化进行计数(步骤59)。在开始阶段的结束处(定时器：tINTERM IT时间结束；步骤60)，接着将该计数器的结果与一组事件阈值进行比较。如果存在所述故障存在状况的强烈变化，则给出间歇性接地故障结果(步骤61)。否则，给出诸如暂态事件(计数器的结果改变，但是没有超过故障阈值)、稳态事件(仅幅值增加并且保持大于突发阈值)以及噪声等其它结果(步骤62)。在报警/复位阶段中，算法输出结果，并且丢弃平均幅值，并重新开始运行。

3)扩展的随机间歇性检测，用于间歇性事件

将另一全局复位定时器设置成用于复位整个算法。如果随机间歇性检测和暂态方向检测在开始阶段的结束处检测到暂态事件，则算法保持等待另外的事件。如果在该复位持续时间内检测到连续三个暂态事件，则也将报告间歇性接地故障。

4)暂态方向检测自适应阈值设置

设备算法通过暂态方向检测来跟踪所计算的功率的最大绝对值并且自动地将P或者Q阈值设置成它们的最大值的一半。算法开始于随机间歇性检测和暂态方向检测，并且当随机间歇性检测已经捕获到暂态事件时，算法自适应地改变方向阈值1)，从而使得方向算法能够给出明确的方向结果，并且还能够排除出任何可能的噪声和暂态方向检测的失真。

优选实施例

在所述优选实施例中，将随机间歇性检测和暂态方向检测实现在采样和报警设备中。所述设备保持对馈线的剩余电流和剩余电压进行采样。对于剩余值而言，可以直接从互感器中获得剩余值，或者可以从相值中推导出剩余值。所述设备实时地执行算法。它每半个电源周期执行一次算法。所述设备能够跟踪电源频率并且将它的采样速率调整到正好每周期N个点(例如，在该设备中N＝24)。而且，它能够重新得到每个执行点处的历史采样值。

1.暂态方向检测(TDD)方法的实现方式

如图3所示，在进入(30)之后，当处于准备阶段中时，暂态方向检测保持填充两个周期长度的预故障缓冲器(步骤31)。当随机间歇性检测将检测设备设置为进入开始阶段中时(步骤32)，暂态方向检测将第二预故障周期移入缓冲器中，并且通过在每个执行点处从全采样电流和电压上减去该第二预故障周期，获得故障电流和电压分量(步骤33)。故障电流和电压分量是暂态方向检测算法的输入值。如果检测设备被配置成在每半个周期使用无功功率方向(推荐用于中性点经由电阻接地的系统或者中性点不接地的系统)，则对前两个周期的阵列的故障分量电压应用Hilbert变换。实际上，通过数字Hilbert系数与输入采样信号的卷积求和(符号“*”)来进行Hilbert变换：

DHT(x)[n]＝h[n]＊x[n]

这里：

关于Hilbert变换，48点缓冲器存储了两个周期的历史采样数据，作为输入x(n)阵列。在应用了Hilbert变换之后，将结果阵列UN中间的24个点作为Hilbert变换结果。两个周期的剩余电压UN是输入信号。因此，一个周期UN＇(位于卷积结果的中间)是Hilbert变换结果。UN＇和剩余电流IN＇的对应点的乘积产生即时无功功率阵列q[n]。使用一个先前周期的q[n]阵列的平均值(瞬时无功功率Q)来检测在中性点电阻接地或者不接地系统中的故障方向。UN和剩余电流IN＇的对应点的乘积产生即时有功功率阵列p[n]。使用一个先前周期中的p[n]阵列的平均值(瞬时有功功率P)来检测在中性点消弧线圈接地系统中的故障方向。因此计算瞬时功率P或者Q(步骤34)。

虽然方向可以由所计算的功率的符号来表示，但是将阈值设置成用于排除可能的噪声干扰。在阈值设置中(步骤35)，将功率阈值设置成用于检测方向。当使用无功功率时，如果所计算的无功功率Q大于正向+Q阈值(步骤36)，则设置正向(步骤37)。如果所计算的无功功率小于-Q阈值(步骤36)，则设置反向标记。当使用有功功率时，如果所计算的有功功率P小于-P阈值，则设置正向标记。如果所计算的有功功率大于+P阈值，则设置反向标记(步骤38)。步骤39示出了清除方向(＝空)。步骤40示出了：将方向输出到随机间歇性检测(RID)。

所述阈值可以由两种手段来设置：

a)固定的阈值

固定的阈值是用于方向检测的功率阈值。如图4B所示，如果使用无功功率，则设置Q阈值(用于正向)。如果计算的瞬时无功功率大于+Q阈值，则给出正向标记。如果计算的瞬时无功功率小于+噪声阈值，则清除正向标记。如果计算的无功功率是负的并且小于-Q阈值，则设置反向标记。如果所计算的无功功率大于-噪声阈值，则清除反向标记。如图4A所示，如果使用有功功率，则设置P阈值(用于反向)。如果计算的瞬时有功功率大于+P阈值，则设置反向标记。如果计算的瞬时有功功率小于+噪声阈值，则清除反向标记，获得正向。

b)自适应阈值

自适应阈值根据幅值/功率状况来调整自身。在开始阶段中，当通过随机间歇性检测第一次确认了暂态故障存在状态时，暂态方向检测将瞬时功率的绝对值的一半作为阈值(P或者Q阈值)。接着，如果另一瞬时功率值更加大(所述绝对值比P或者Q阈值的五倍还要大)，则将最大瞬时功率绝对值的一半作为新的阈值。因此，在算法的开始阶段中，暂态方向检测寻找在开始持续时间之内的瞬时功率的更大值并且自动地根据该功率的值来设置阈值。这是为了确保暂态方向检测给出方向的明确结果并且还避免了噪声干扰。

推荐自适应阈值与瞬时无功功率方向检测一起使用。在图5中，示出了一个示例。当处于开始阶段中时，第一暂态尖峰的瞬时功率是‘2’，接着将Q阈值设置为‘1’，第二功率尖峰是远大于(大于5倍)旧阈值的‘6’，因此将Q阈值改变为它的一半，因此3是新的Q阈值。

2.随机间歇性检测(RID)方法的实现方式

如图6所示，在进入50之后，随机间歇性检测方法对剩余电流进行采样(步骤51)或者从相电流中推导出剩余电流。随机间歇性检测是触发检测持续时间(通过触发开始阶段)以及给出故障检测结果的主要算法。在准备阶段中，随机间歇性检测计算下列值：

1)利用滤波器来获得先前N点的剩余的平均幅值y(n):

y(n)＝[y(n-1)·(N-1)+x(n)]/N

其中n是当前的采样/计算点；N是平均值代表的总长度；N是可设置的，并且这里N＝24×50×10表示先前10秒的历史值。y(n)是当前时间点上的当前平均幅值，并且表示先前N点的幅值状况。y(n-1)是先前点的平均幅值。x(n)是根据先前半个周期的采样剩余电流的新计算的全幅值。在正常运行阶段中，应用滤波器来更新剩余幅值的平均状况。但是在故障评估阶段中，保持平均幅值不变，以表示预开始阶段的幅值状况。

2)增幅“inc(n)”为：

inc(n)＝x(n)-y(n-1)

在准备阶段中，随机间歇性检测将“inc(n)”与开始阈值进行比较，以触发开始信号并且使随机间歇性检测和暂态方向检测进入开始阶段。幅值基于半个周期的傅立叶或者R.M.S计算结果。如果“inc(n)”超过开始阈值，则算法进入开始阶段。全局复位定时器‘RST定时器’启动。持续时间是30秒。如果没有其它单元对算法进行复位，则整个算法在RST定时器结束处复位。

在开始阶段中，保持平均值以及预开始采样阵列(停止更新)。通过inc(n)＝x(n)-y(n-1)来获得增幅“inc(n)”。但是y(n-1)被锁定至最新的预开始值。在开始阶段中，设置突发阈值。当增幅“inc(n)”大于突发阈值时，则假设存在故障。一旦剩余电流小于突发阈值，则故障消失。连续的存在和消失形成了尖峰。在由被称为tINTERM IT的定时器固定的预置持续时间之内，随机间歇性检测对这样的尖峰进行计数(以评估间歇性事件)。一旦剩余电流的增幅值“inc(n)”大于突发阈值，则所述定时器启动。当定时器tINTERM IT正在进行定时时，计数器开始对尖峰进行计数。在预置的持续时间结束处，将计数器的值与一组阈值进行比较。在本示例中，如果在5秒(tINTERM IT持续时间)之内计数器已经捕获到了10个尖峰，则报告间歇性故障。如果计数器仅捕获到了几个(3个)尖峰，则报告暂态事件。如果仅捕获到一个或者两个尖峰，则将它们作为噪声而忽略。如果在整个预置持续时间内增幅“inc(n)”一直大于突发阈值，则报告稳态事件。

3.随机间歇性检测和暂态方向检测的集成

暂态方向检测和随机间歇性检测的集成包括两个部分：在开始阶段中和在检测结果报告中。

在开始阶段中，集成如图2所示：随机间歇性检测的计数器25仅对来自用于故障评估的暂态方向检测的具有正向结果的尖峰进行计数，因此排除出了无故障线路上的故障干扰的影响。

在检测结果报告26中，具体的实现方式如下：

-如果结果是间歇性故障，则报告、报警并且复位整个算法。

-如果结果是噪声或者稳态事件，则忽略，什么也不做。

-如果结果是暂态事件，则算法继续处于开始阶段并且等待另一事件直到RST定时器将整个算法复位。

-如果在RST定时器的结束处，已经发现了3个暂态事件，则报告为间歇性故障、报警并且复位。

4.示例

本发明已经在作为样机的MiCOM P145继电器中得到实现，并且已经通过物理模型和数字仿真二者对本发明进行了测试。

a.在间歇性故障的情况下，它能够选择性地对故障线路进行报警并且限制对无故障线路进行报警。物理系统经由电阻接地。

b.在包括各种各样接地状况的不同情况下，通过数字仿真(EM TP(“电磁暂态程序”)测试)已经获得了积极的结果。还已经计划进行RTDS(实时数字仿真器)仿真。RTDS和EM TP的原理相同。

当将样机继电器安装在无故障线路上时，物理模型的示例性结果如图7A、图7B以及图7C所示。系统经由电阻接地以限制故障电流。间歇性接地故障还引起无故障线路上的强烈扰动：图7A示出了以“VN”为标记的采样剩余电压的波形，图7B示出了以“IN Sensitive”为标记的剩余电流波形。所有采样值都来自继电器的次级侧，图7C示出了继电器的响应。通过将幅值的增量与阈值进行比较来识别尖峰，并且由“BV”来表示尖峰。通过使用间歇性无功功率的方向来获得方向结果“HiZ_Reverse”和“HiZ_Forw ard”。“HiZ Start”指示算法处于开始阶段。“HiZ A larm”是报警结果。“FA>HIF”意味着通过该RID模块触发了报警。算法已经能够选择性地对尖峰进行计数。因此，因为所有的尖峰被识别为反向“HiZ_Reverse”，因此在这种情况下没有报警。

在图8A、图8B和图8C中，以与在图7A、图7B和图7C中显示的方式相同的方式示出了物理模型的示例性结果。样机继电器安装在故障线路上。对具有正向“HiZ_Forward”的尖峰进行计数，并且由于正向尖峰的数量超过了阈值，因此算法对该故障线路进行报警。

参考文献

[1]US 2008/0031520

[2]US 5 485 093

[3]WO 2005 038474

[4]EP 0 999 633

Claims (19)

1.一种用于在包括多条线路的三相中压配电系统中进行暂态和间歇性接地故障检测和方向确定的方法，其特征在于，针对一条线路，所述方法包括如下步骤：

-对所述线路上的剩余电流和剩余电压进行采样的采样步骤，

-基于瞬时功率的暂态方向检测步骤，所述暂态方向检测步骤具有下列阶段：

●准备阶段，在所述准备阶段，设备算法保持监视并且准备开始；

●开始阶段，在所述开始阶段，所述设备算法开始评估所述故障；以及

●报警/复位阶段，当所述开始阶段结束时，开始所述报警/复位阶段，其中通过报警或者复位来给出结果，

-基于所述剩余电流幅值的间歇性变化的随机间歇性检测步骤，所述随机间歇性检测步骤具有下列阶段：

●准备阶段，在所述准备阶段，设备算法保持监视并且准备开始；

●开始阶段，在所述开始阶段，所述设备算法开始评估所述故障；以及

●报警/复位阶段，当所述开始阶段结束时，开始所述报警/复位阶段，其中通过报警或者复位来给出结果，

-集成暂态方向检测和随机间歇性检测的步骤，该步骤：

●利用暂态方向检测，将故障线路上的尖峰与无故障线路上的尖峰区分开，

●在时间窗内对具有正向的所述尖峰进行计数，

●在所述时间窗的结束处将所计数的结果与特定的阈值数进行比较，

●报告一组结果，

-指示维护人员对所述线路的状况进行检查的最终报警步骤。

2.根据权利要求1所述的方法，其中如果在所述开始阶段的结束处随机间歇性检测和暂态方向检测检测到暂态事件，则期待另外的事件，并且如果在复位持续时间之内检测到三个连续的暂态事件，则报告间歇性接地故障。

3.根据权利要求1所述的方法，其中将瞬时有功功率或者无功功率用于方向检测。

4.根据权利要求1所述的方法，其中使用剩余电流和剩余电压的故障分量来计算所述瞬时功率。

5.根据权利要求4所述的方法，其中使用基于瞬时功率的Hilbert变换。

6.根据权利要求5所述的方法，其中通过在先前一个周期的时间窗内对即时剩余电压和剩余电流的标量乘积进行求平均而获得瞬时有功功率，而通过在先前一个周期的时间窗内对经过Hilbert变换的即时剩余电压和剩余电流的标量乘积进行求平均而获得瞬时无功功率，通过将这种瞬时有功功率或者这种瞬时无功功率与功率阈值进行比较来进行方向鉴别。

7.根据权利要求4所述的方法，所述方法在准备阶段保持进行采样并且缓冲所述剩余电流和剩余电压的采样，并且在开始阶段中保持这些正常采样，在开始阶段中通过从全采样上减去这些正常采样而获得所述故障分量，并且将所述故障分量用于瞬时功率计算和进一步的方向检测。

8.根据权利要求4所述的方法，其中，在故障分量电路中，假设：从母线至馈线的方向为正方向/正向，预先确定功率阈值。

9.根据权利要求6所述的方法，其中，如果所述瞬时有功功率是负的并且低于功率阈值的负值，则给出正向，如果所述瞬时有功功率是正的并且大于有功功率阈值的正值，则给出反向。

10.根据权利要求6所述的方法，其中，如果所述瞬时无功功率是正的并且大于正的无功功率阈值，则给出正向结果；如果所述瞬时无功功率是负的并且低于所述无功功率阈值的负值，则给出反向结果。

11.根据权利要求8所述的方法，包括故障评估步骤，其中通过将所计算的瞬时功率与功率阈值进行比较来给出所述方向，所述功率阈值根据所计算的功率的最大值而自适应地改变。

12.根据权利要求11所述的方法，其中将所述功率阈值设置为所计算的功率绝对值的最大值的一半。

13.根据权利要求12所述的方法，其中如果所述瞬时功率值的绝对值比有功功率或者无功功率的当前阈值的五倍大，则考虑将最大瞬时功率绝对值的一半作为新的阈值。

14.根据权利要求1所述的方法，其中将增幅用于检测间歇性尖峰，并且用于开始故障评估，通过使用半个周期的R.M.S计算来计算幅值。

15.根据权利要求14所述的方法，其中当开始故障评估时，从暂态方向检测步骤中获得尖峰的方向，在可设定的检测时间之内，对具有正向的所述尖峰进行计数，将故障评估时间结束处的结果与特定的阈值进行比较。

16.根据权利要求14所述的方法，其中通过从新计算的幅值上减去平均幅值而获得增幅，通过滤波器来获得平均幅值：y(n)＝[y(n-1)·(N-1)+x(n)]/N，其中y(n)是当前时间点的平均幅值，并且代表先前N点的幅值状况，y(n-1)是先前点的平均幅值，x(n)是新计算的幅值。

17.根据权利要求14所述的方法，其中，在故障评估的结束处，如果所计数的尖峰数超过预定水平，则所述结果指示间歇性故障；如果所述尖峰数大于2并且小于所述预定水平，则报告暂态事件；如果所述幅值保持增加或者保持不变且没有减小，则所述结果是稳态事件；将其它情况报告为噪声。

18.一种用于在包括多条线路的三相中压配电系统中进行暂态和间歇性接地故障检测和方向确定的系统，其特征在于，所述系统包括：

-采样单元，其中对在所述多条线路上的剩余电流和剩余电压进行采样，

-基于瞬时功率的暂态方向检测单元，所述暂态方向检测单元用于执行暂态方向检测步骤，所述暂态方向检测步骤具有下列阶段：

●准备阶段，在所述准备阶段，设备算法保持监视并且准备开始；

●开始阶段，在所述开始阶段，所述设备算法开始评估所述故障；以及

●报警/复位阶段，当所述开始阶段结束时，开始所述报警/复位阶段，其中通过报警或者复位来给出结果，

-基于剩余电流幅值的间歇性变化的随机间歇性检测单元，所述随机间歇性检测单元执行随机间歇性检测步骤，所述随机间歇性检测步骤具有下列阶段：

●准备阶段，在所述准备阶段，设备算法保持监视并且准备开始；

●开始阶段，在所述开始阶段，所述设备算法开始评估所述故障；以及

●报警/复位阶段，当所述开始阶段结束时，开始所述报警/复位阶段，其中通过报警或者复位来给出结果，

-集成暂态方向检测和随机间歇性检测的单元，该单元：

●利用暂态方向检测，将故障线路上的尖峰与无故障线路上的尖峰区分开，以及

●在时间窗内对具有正向的所述尖峰进行计数，

●在所述时间窗的结束处将所计数的结果与特定的阈值数进行比较，

●报告一组结果，所述集成使得随机间歇性检测能够选择性地对所述尖峰进行计数，

-报警单元，用于指示对一条线路的状况进行检查。

19.根据权利要求18所述的系统，其中包括：

-用于对电压和电流进行采样的模块(20)，

-触发器(21)，

-间歇性尖峰检测模块(22)，

-用于调整暂态方向检测的功率阈值的模块(23)，

-瞬时功率方向模块(24)，

-计数器(25)，

-用于给出报告的模块(26)。