CN102106052A - 电力传输线路中故障识别的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了传输线路中故障识别的方法和装置。该方法可以包括：当传输线路发生故障时，在该传输线路的端点进行测量以获得测量信号g(t)；将该测量信号g(t)与预先设定的标准信号f(t)进行比较，其中该预先设定的标准信号f(t)具有拍频特性；根据比较结果，如果该测量信号g(t)与该预先设定的标准信号f(t)匹配，则该故障被识别为瞬时故障；或者根据比较结果，如果该测量信号g(t)与该预先设定的标准信号f(t)不匹配，则该故障被识别为永久故障。

Description

电力传输线路中故障识别的方法和装置

技术领域

本发明涉及电力传输领域，尤其涉及当传输线路发生故障时，识别该传输线路中故障的方法。

背景技术

对于传输线路来说，通常存在两种类型的故障，即永久故障和瞬时故障。对于高压/特高压系统来说，超过90％的故障是单相故障，而且单相故障中的80％是瞬时故障。自动重合闸(auto-reclosing)是提高电力系统稳定性和连续性的有效方式。然而，如果具有永久故障的传输线路被自动重合闸，可能会存在两种风险，第一种风险是主要设备可能被损坏，第二种风险是系统稳定性可能受到威胁。因此，区别传输线路中的瞬时故障和永久故障是非常重要的。

对于不具有并联电抗器(shunt reactor)的传输线路来说，通常采用电压耦合方法。该方法是基于对断开相导体(opened phase conductor)电压的测量。对于瞬时性单相故障(single-phase fault)，当传输线路的故障相被隔离时，该隔离相导体仍然具有对地的电压，即电容耦合电压(capacitive coupling voltage)，以及来自于未断开的健全相导体(unbroken healthy phase conductor)的电感感应电压(inductivevoltage)。但是对于永久故障来说，所测量的电压主要包括来自未断开的健全相导体的电感感应电压，而耦合电压几乎为零。

较长的特高压/超高压传输线路通常配备有并联电抗器，以补偿线路上的分布电容。装配在星型连接电抗器(Y-connected reactors)的中间点(neutral point)和地之间的小电抗器能够部分地补偿相间耦合电容(phase-phase coupling capacitance)。因此，在永久故障或者瞬时故障的情况下，工频电容耦合电压(power frequency capacitive couplingvoltage)可能都非常低。在这种情况下，基于电容耦合电压的方法将不能区分瞬时故障和永久故障。

发明内容

本发明的一个实施例提供了传输线路中故障识别的方法，以便在传输线路发生单相故障的情况下可靠区分瞬时故障(即瞬时故障)和永久故障，并且避免当故障是永久故障时对电路断路器的重合闸。

根据本发明的一个实施例，提供了在传输线路中故障识别的方法。该方法可以包括如下步骤：当传输线路发生故障时，在该传输线路的端点进行测量以获得测量信号g(t)；将该测量信号g(t)与预先设定的标准信号f(t)进行比较，其中该预先设定的标准信号f(t)具有拍频(beat frequency)特性；根据比较结果，如果该测量信号g(t)与该预先设定的标准信号f(t)匹配，则该故障被识别为瞬时故障；或者根据比较结果，如果该测量信号g(t)与该预先设定的标准信号f(t)不匹配，则该故障被识别为永久故障。

根据本发明的另一个实施例，提供了在传输线路中故障识别的装置。该装置可以包括：测量单元，用于当传输线路发生故障时，在该传输线路的端点进行测量以获得测量信号g(t)；比较单元，用于将该测量信号g(t)与预先设定的标准信号f(t)进行比较，其中该预先设定的标准信号f(t)具有拍频特性；识别单元，用于根据比较结果，如果该测量信号g(t)与该预先设定的标准信号f(t)匹配，则该故障被识别为瞬时故障；或者根据比较结果，如果该测量信号g(t)与该预先设定的标准信号f(t)不匹配，则该故障被识别为永久故障。

附图说明

图1示出了在瞬时故障的情况下，在具有并联电抗器的传输线路的断开相导体的一端所测量的电压的波形示意图；

图2示出了根据本发明一个实施例，在传输线路中故障识别的方法的流程图；

图3示出了根据本发明另一个实施例，在传输线路中故障识别的方法的流程图；

图4示出了根据本发明的一个实施例，从如图1所示的波中选取的标准信号的波形示意图；

图5示出了根据本发明的一个实施例，标准信号的另一个示例的波形示意图；

图6示出了在传输线路的一端具有并联电抗器的传输线路的结构示意图；

图7和图8示出了在模拟环境(PSCAD，电力系统计算机辅助设计)中，基于图6所示的结构的模拟结果示意图；

图9示出了根据本发明一个实施例，基于随后描述的公式(1)所计算的系数K的值；

图10示出了在传输线路的两端均具有并联电抗器的传输线路的结构示意图；以及

图11示出了根据本发明一个实施例提供的故障识别装置的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明示例性的实施例进行描述。为了清楚和简要起见，实际的实施例并不局限于说明书中所描述的这些技术特征。然而，应该理解的是，在改进任何一个所述实际实施例的过程中，多个具体实施例的决定必须是能够实现改进人员的特定目标，例如，遵从系统相关和商业相关的限制，所述限制随着实施例的不同而变化。而且，应该理解的是，前述改进的效果可以是非常复杂和耗时的，但是这对于知晓本发明益处的本领域技术人员来说仍然是常规技术手段。

对于具有并联电抗器的线路来说，当发生瞬时性的单相故障并且故障相电路断路器被开闸时，该故障点将有一个被称为二次弧(secondary arc)的故障弧(fault arcing)。这个弧的变化是一个反复的过程，即：起初，该弧会逐渐熄灭，然后该弧会被再次点燃，然后这个弧会再次逐渐熄灭。这个过程会持续一段时间，并且在故障点的电压低于故障弧被再次点燃的电压(reigniting voltage)时结束。当故障弧不能被再次点燃时，如果该故障是瞬时性的，则存储在故障相导体如电容、电感中的能量将会被低频振荡分量(oscillating component)消耗掉。但是如果该故障是永久性的，该故障弧不具有再次点燃阶段，而且故障相导体不能存储能量。因此，在永久故障的情况下，不会出现振荡波。

由于低频振荡分量，在传输线路发生瞬时故障的情况下，在断路导体的一端所测量的电压可以具有被称为拍频的特性。图1示出了在瞬时故障的情况下，在具有并联电抗器的传输线路的断开相导体的一端所测量的电压的波形示意图。该拍频特性意味着该信号是包括两个或多个频率的复合信号，而且其波形与图1所示的阶段“4”类似。

在本发明的一个实施例中，具有拍频特性的标准信号波形被用于匹配和追踪在传输线路一端所测量的测量信号，以便通过测量信号与该标准信号的比较来区分瞬时故障和永久故障。

图2示出了根据本发明一个实施例，在传输线路中故障识别的方法的流程图。

如图2所示，在步骤201中，当传输线路中发生故障时，在该传输线路的一端测量信号g(t)，例如电压或电流。在步骤203中，选取具有拍频特性的标准信号f(t)，并且将测量信号g(t)与该标准信号f(t)进行比较。

在步骤205中，根据前述比较结果，确定该故障究竟是瞬时故障还是永久故障。如果比较结果表明该测量信号与标准信号匹配，则该故障被确定为瞬时故障；否则，是永久性的故障。

图3示出了根据本发明另一个实施例，在传输线路中故障识别的方法的流程图。步骤301与前述实施例中所示的步骤201类似。在步骤303中，计算测量信号g(t)与标准信号f(t)的相似度。例如，该相似度可以通过计算信号f(t)和测量信号g(t)的内积(inner product)来获取，计算方式可根据下述公式(1)：

$K=\frac{<g\left(t\right),f\left(t\right)>}{{\left|\right|g\left(t\right)\left|\right|}_2{\left|\right|f\left(t\right)\left|\right|}_2},$ K∈[-1，1]    公式(1)

在公式(1)中，K是一个相关系数，并且其值表征测量信号g(t)和标准信号f(t)的相似度。

在步骤305中，根据计算的相似度来确定该故障时瞬时故障还是永久故障。如果系数K的值超过预先设定的阈值，能够得出测量信号与标准信号匹配的结论。换句话说，传输线路的故障能够被确定为瞬时故障(如瞬时故障)。否则，可以确定测量信号与标准信号不匹配，并且基于此，该故障是永久故障。

随后的表达式(2)是基于计算的相似度，区别瞬时故障和永久故障的标准的示例。

表达式(2)

其中，”Thres”代表预先设定的阈值，其能够基于用户的不同要求而进行调整。也就是说，如果不允许对故障线路进行重合闸的话，则“Thres”可以被指定一个较高的值，如“10”；否则，可以指定为一个较低的值，如“0.1”。通常，该阈值能够被设置为“1”。

由于已经知晓瞬时故障的特性，因此，能够选取标准信号，例如选取包括整个拍频波的波形，其中所述拍频波与图4和图5所示的波形类似。

图4示出了从如图1所示的波中选取的标准信号的波形示意图。图5示出了标准信号的另一个示例的波形示意图。需要说明的是，在标准信号具有拍频特性的前提下，该标准信号可以随机选取。匹配的追踪结果是统一的。本领域技术人员应该知晓，该标准信号不应该被解读为局限于图4和图5所示的波。

根据本发明的实施例，接下来将介绍该方法的一些特别的实施方式，其示例性地采用图5所示的波作为标准信号。

实施例1

图6示出了一端具有并联电抗器的传输线路的结构示意图。如图6所示，G1和G2代表发电机单元，M和N代表母线(buses)，CB1和CB2代表电路断路器，PT1和PT2代表电压变压器。如图所示，变压器PT1和PT2被安装在线路侧。小的电抗器，如电抗器reactor2被设置在星型连接电抗器(如reactor1)的中间点和地之间。

图7和图8示出了在模拟工具，如PSCAD(电力系统计算机辅助设计)中，基于图5所示信号的模拟结果示意图。图7(a-t)和图7(b-t)示出了在瞬时故障的情况下，分别在端点M和N处的A相测量电压。图8(a-p)和图8(b-p)示出了在永久故障的情况下，分别在端点M和N处的A相测量电压。

图9示出了基于前述描述的公式(1)所计算的系数K的值，其中图9(T)示出了在瞬时故障情况下的计算值，图9(P)示出了在永久故障的情况下的计算值。

在这个实施例中，测量信号是在传输线路端部所测量的电压。然而，对系数K的值的计算，例如仅仅采用从0.5s到1.5s的数据进行计算；该时间的长度应该大于标准信号的时间长度。

需要说明的，在该匹配追踪方法中，该系数需要被逐点连续地进行计算。例如，如果测量信号被设置为g(1:1000)，其中“1:1000”意味着测量信号的数据窗(data window)是从样本数据索引1到1000，而且该标准信号被设置为f(1:300)，其中“1:300”意味着该标准信号的信号数据窗口时从样本数据索引1到300(接下来示出的”2:301”、“701:1000”等等具有相似的含义，随后省略对其含义的解释)，第一次计算用f(1:300)乘以g(1:300)，第二次计算用f(1:300)乘以g(2:301)，以此类推，直到乘以数据g(701:1000)。

从图9可以看出，当故障是瞬时性的，系数K具有最大值，其超过0.9；而对于永久故障，系数K具有的最大值低于0.6。

实施例2

图10示出了在传输线路的两端均具有并联电抗器的传输线路的结构示意图。由于这种结构的故障特性与图6所示结构的故障特性没有差别，因此，这里就不再示出模拟结果。

从前述实施例的模拟结果可以看出，在永久故障的情况下，所计算的系数K通常比0.6小，因此，在这个示例中，该阈值可以被设置为0.6，或者阈值能够被设置为0.72或者1.2等等。

前述在表达式(2)中示出的标准是简单的，其仅仅依赖于拍频信号的特性(例如电压或电流)。因此，前述标准与对地故障电阻无关，而且与拍频信号的振幅无关。

此外，从图9所示的模拟结果可以看出：如图9(T)所示，在弧故障(如瞬时故障)的情况下，系数K的计算数值的包络振幅(envelope-amplitude)表现出显著的波动；如图9(P)所示，在永久故障的情况下其展示为一条水平线。在本发明的一个实施例中，该系数K的值的包络振幅的这一特性被用于故障识别。也就是说，如果该系数K的值的包络振幅表现出显著的波动，可以确定该故障是瞬时故障；否则，该故障是永久性的故障。通过利用该特性，该方法可以被用于具有不同频率的电网。例如，在中国电网的系统频率是50Hz，而在欧洲该频率是60Hz。此外，该频率通常具有很小的漂移，而且电网系统的环境有时随时间而发生变化在这种情况下，通过采用前述提及的包络振幅的特性，传输线路中的故障识别的方法可以表现出良好的性能，即使标准信号是随机选取的。这样，故障识别方法的性能可以被提高。

在本发明的另一实施例中，在发生故障的情况下，在传输线路一端所测量的电流也可以被用作测量信号，以便与标准信号进行匹配来识别该故障是瞬时性的故障还是永久性的故障。

本发明的性能仅仅依赖于该拍频的特性，而且与所测量的电压/电流的振幅无关。而且，拍频特性仅仅依赖于传输线路的配置。

前述描述的实施例中，发生在传输线路的故障是单相故障。在其它实施例中，前述描述的方法也能够被用于具有并联电抗器的线路的三相跳闸(three-phase trip)中。

图11示出了根据本发明一个实施例提供的故障识别装置，其可以被用于识别传输线路中的故障。如图11所示，该故障识别装置包括测量单元1101、比较单元1102和识别单元1103。

测量单元1101用于当传输线路发生故障时，在该传输线路的端点进行测量以获得测量信号g(t)，该测量信号可以例如在传输线路端点测量的电压信号或者电流信号。比较单元1102用于将该测量信号g(t)与预先设定的标准信号f(t)进行比较。该预先设定的标准信号f(t)具有拍频特性。识别单元1103用于根据比较结果识别该故障时永久性的还是瞬时性的。如果该测量信号g(t)与该预先设定的标准信号f(t)匹配，则该故障被识别为瞬时故障；或者根据比较结果，如果该测量信号g(t)与该预先设定的标准信号f(t)不匹配，则该故障被识别为永久故障。

优选的，该比较单元1102进一步用于计算测量信号g(t)和预先设定的标准信号f(t)之间的相似度K。识别单元1103进一步用于根据相似度K的计算值来确定该故障是瞬时故障还是永久故障。例如，如果相似度K的值超过阈值，则确定该故障是瞬时故障。例如，相似度K可以根据前述描述的公式(1)进行计算。该故障识别装置可以采用前述描述的方法来执行比较和识别。

在标准信号具有拍频特性的前提下，该标准信号可以随机选取。优选的，该故障识别装置可以进一步包括标准信号发生器1104，其用于随机产生具有拍频特性的标准信号，并且向比较单元输出所产生的标准信号。

此外，需要说明的是，前述流程和装置可以通过软件和/或固件来实现。通过软件和/或固件来实施的情况下，程序构成的软件可以被安装到具有专用硬件的计算机上，例如，通用性的个人计算机；而且如果该计算机安装有多种程序的话，其能够执行多种功能。此外，需要说明的是，为了避免披露不必要的细节而造成本发明晦涩难懂，本发明的附图仅仅示出了与该技术方案密切相关的装置结构和/或流程步骤，其它与本发明不相关的细节被省略了。

最后，需要说明的是，本发明中的相关术语，如“左”和“后”、“第一”和“第二”以及类似的用语仅仅是用来对一个实体或行为与另一个实体或行为加以区别，并非必须要求或暗示前述实体或行为具有任何所述关系或顺序。而且，术语“包含(comprise)”、“由什么组成(comprising)”、“包括(include)”或者其它类似的表达是用来涵盖非封闭式的包括(non-exclusive inclusion)，以表明包括一系列要素的流程、方法、项目、装置不仅包括所述要素，还可以包括其它未被明确列举的或者固属于所述流程、方法、项目或装置的要素。要素前加的冠词“a”或“an”并不具有更多的限制，不是用来排除具有前述要素的流程、方法、项目或装置中还存在其它额外的等同要素(additional identicalelements)。

尽管基于一些优选的实施例对本发明进行了描述，但是本领域技术人员应该知晓，本发明的范围并不限于那些实施例。在不脱离本发明的精神和实质的情况下，本领域的普通技术人员在理解本发明的基础上能够对实施例进行各种变化和修改，并且因此落入本发明所附权利要求限定的保护范围。

Claims (15)

1.传输线路中故障识别的方法，其特征在于，所述方法包括：

测量步骤(201，301)：当传输线路发生故障时，在该传输线路的端点进行测量以获得测量信号g(t)；

比较步骤(203)：将所述测量信号g(t)与预先设定的标准信号f(t)进行比较，所述预先设定的标准信号f(t)具有拍频特性；以及

识别步骤(205)：根据比较结果，如果该测量信号g(t)与该预先设定的标准信号f(t)匹配，则该故障被识别为瞬时故障；或者根据比较结果，如果该测量信号g(t)与该预先设定的标准信号f(t)不匹配，则该故障被识别为永久故障。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述比较步骤和所述识别步骤包括：

计算步骤(303)：计算所述测量信号g(t)和所述预先设定的标准信号f(t)之间的相似度K；以及

确定步骤(305)：如果所述相似度K的值超过阈值，则确定所述故障是瞬时故障。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述测量信号g(t)和所述预先设定的标准信号f(t)之间的相似度K通过如下公式进行计算：

$K=\frac{<g\left(t\right),f\left(t\right)>}{{\left|\right|g\left(t\right)\left|\right|}_2{\left|\right|f\left(t\right)\left|\right|}_2},$ K∈[-1，1]。

4.根据前述任意一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述测量信号g(t)是在所述传输线路端点所测量的电压信号或电流信号。

5.根据前述任意一项权利要求所述的方法，其特征在于，在所述预先设定的标准信号f(t)具有拍频特性的前提下，所述预先设定的标准信号f(t)能够随机选取。

6.根据前述任意一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述故障是单相故障。

7.根据前述权利要求2-6中任意一项所述的方法，其特征在于，在所述确定步骤中，进一步根据以相似度K的计算值表征的包络振幅特性来确定所述故障是瞬时故障或者永久故障；如果所述包络振幅振幅表现出波动性，则确定所述故障是瞬时故障；否则所述故障被确定为永久故障。

8.根据权利要求2-7中任意一项所述的方法，其特征在于，所述阈值被设置为1。

9.根据权利要求2-7中任意一项所述的方法，其特征在于，所述阈值被设置为10。

10.根据权利要求2-7中任意一项所述的方法，其特征在于，所述阈值被设置为0.1。

11.传输线路中故障识别的装置，其特征在于，所述装置包括：

测量单元(1101)，用于当传输线路发生故障时，在该传输线路的端点进行测量以获得测量信号g(t)；

比较单元(1102)，用于将该测量信号g(t)与预先设定的标准信号f(t)进行比较，所述预先设定的标准信号f(t)具有拍频特性；以及识别单元(1103)，用于根据比较结果，如果该测量信号g(t)与该预先设定的标准信号f(t)匹配，则该故障被识别为瞬时故障；或者根据比较结果，如果该测量信号g(t)与该预先设定的标准信号f(t)不匹配，则该故障被识别为永久故障。

12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述比较单元(1102)进一步用于计算测量信号g(t)和具有拍频特性的预先设定的标准信号f(t)之间的相似度K；以及所述识别单元(1103)进一步用于根据相似度K的计算值来确定该故障是瞬时故障还是永久故障，其中，如果相似度K的值超过阈值，则确定该故障是瞬时故障。

13.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述测量信号g(t)和所述预先设定的标准信号f(t)之间的相似度K可以由如下公式计算：

$K=\frac{<g\left(t\right),f\left(t\right)>}{{\left|\right|g\left(t\right)\left|\right|}_2{\left|\right|f\left(t\right)\left|\right|}_2},$ K∈[-1，1]。

14.根据权利要求11-13中任意一项所述的装置，其特征在于，所述装置进一步包括标准信号发生器(1104)，用于随机产生具有拍频特性的所述标准信号。

15.根据权利要求11-14任意一项所述的装置，其特征在于，所述测量信号g(t)是在所述传输线路端点所测量的电压信号或电流信号。

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