CN102305900A - 基于Rogowski线圈微分输出的行波故障测距方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于Rogowski线圈微分输出的行波故障测距方法及装置，属于电力系统继电保护领域。传统的行波测距方法可靠性和精确性因受电磁式电流互感器(CT)带宽的制约而存在先天不足。电子式电流互感器(ECT)的传感头——Rogowski线圈具有结构简单、频带宽、线性度好以及响应速度快等优点，非常适合于行波信号的传变。Rogowski线圈输出信号为一次电流的导数，在突变点处的幅值变化十分明显，更加有利于行波波头的检测。本发明据此提出了一种直接利用罗氏线圈输出的电流行波微分信号(本发明称之为“微分行波”)来实现故障定位的新方法。该方法的应用将解决数字化(智能)变电站的行波故障定位问题。

Description

基于Rogowski线圈微分输出的行波故障测距方法及装置

技术领域

本发明是一种基于Rogowski线圈微分输出的行波故障测距方法及装置，属于电力系统继电保护领域。

技术背景

近几年，数字化变电站技术在我国发展迅速，在工程化和实用化方面走在世界的前列。全国已有改建、试点及新建不同电压等级的数字化变电站近300座。数字化变电站的突出标志之一是电子式互感器的采用，使用最为广泛的电子式电流互感器即为Rogowski电流互感器，与传统电磁式互感器相比，电子式互感器具有体积小、质量轻、频带宽、动态范围大、绝缘要求低、无磁饱和、无铁磁谐振、数字化输出等众多优点。电子式互感器有着完善的标准体系，国际标准IEC 60044、IEC 61850，国内标准《智能变电站技术导则》、《智能变电站设计技术规定》等明确了电子式互感器从设计、测试到应用的各个环节，大大促进了电子式互感器的应用进程。此外电子式互感器还能大大地节约铜、铁等金属材料，更加经济和节能。可以预料，在未来智能电网建设中，这种“下一代”互感器在不久的将来有望取代传统互感器，其应用对改善继电保护及其它二次设备的性能和提高智能化程度起重要作用。

基于故障产生的暂态行波的故障测距原理能够实现对故障的准确定位，是基于工频量的方法所难以比拟的。目前基于行波原理和时间同步技术的行波测距虽已率先进入实用化阶段，但其主要途径是利用电磁式电流互感器(CT)传变的电流行波波头进行故障定位。由于传统CT的频响带宽约为100kHz，而暂态行波的频带范围很宽，约为几千赫兹到几百千赫兹，因此利用CT作为传感设备的行波故障定位在可靠性和定位精度方面仍存在先天性不足。另一方面，基于行波的故障测距依赖于对行波波头到达母线端时刻的识别，其突变强度直接影响识别的可靠性。目前做法有两种，其一利用小波变换得到的模极大值反映突变时刻；其二利用对信号的求导运算获取突变时刻。前者需要较为复杂的数学运算；后者需要增加模拟电路。

发明内容

本发明提供一种基于Rogowski线圈微分输出的行波故障测距方法及装置，它基于Rogowski线圈的信号传变特点，有望很好地解决上述问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于Rogowski线圈微分输出的行波故障测距方法，因线路发生故障时产生的故障行波浪涌近似为一直角波，上升迅速，平缓下降，用一个双指数公式表示为

$v=V_m(e^{-t/{\mathrm{\τ}}_2}-e^{-t/{\mathrm{\τ}}_1})---\left(1\right)$

安装于线路上的Rogowski线圈接收到该行波浪涌后，根据自身的传变特点，其输出信号为该浪涌信号的导数

$v^{\′}=V_m(\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_1}{e}^{-t/{\mathrm{\τ}}_1}-{\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_2}e}^{-t/{\mathrm{\τ}}_2})---\left(2\right)$

v′即为行波信号的导数表达式，也就是微分行波。由于上升时间τ₁值较小，因而初始时刻v′将非常大，将有利于行波波头的检测。该微分信号经过1kHz～500kHz的带通滤波器后，再进行数模转换和光电转换，然后通过光纤送入行波测距装置中。行波测距装置根据Rogowski线圈输出的微分行波来实现对行波波头的识别，其判据为：

|v′(k)|＞V′_set    (3)

式中，v′(k)表示v′的第k点采样值；v′_set为整定的门槛值。如果上式连续n′个点均成立，则判定行波波头到达。

若判断出行波波头到达，则立即记录下该时刻值，然后可利用公知的行波测距方法计算出故障点的距离。

一种基于Rogowski线圈微分输出的行波故障测距装置，它包括连接在线路中的Rogowski线圈，其输出信号与一个1kHz～500kHz的带通滤波器连接，1kHz～500kHz的带通滤波器与A/D转换模块连接，A/D转换模块与光纤连接，光纤与行波测距装置连接。

所述Rogowski线圈与带通滤波器间设有调理电路。

所述Rogowski线圈外侧还包裹一个屏蔽罩，屏蔽罩有效接地。

本发明提出一种直接利用Rogowski线圈微分输出来实现输电线路故障定位的新方法，其基本原理阐述如下：

(1)基于Rogowski线圈传变特性的微分行波输出

Rogowski线圈又称空心线圈，其结构如附图1所示。Rogowski线圈不含铁芯，它往往是由漆包线均匀绕制在环形骨架上而制成，骨架的截面通常为圆形或矩形，骨架的材料通常采用塑料或陶瓷等非铁磁材料，其相对磁导率与空气中的相对磁导率相同。一次电流的导体穿过圆形骨架的圆心，根据电磁感应原理，绕制于骨架上的绕组将会产生一个感应电动势

$e\left(t\right)=\frac{{\mathrm{\μ}}_0\mathrm{NS}}{2\mathrm{\πr}}\frac{\mathrm{dI}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}=M\frac{\mathrm{dI}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}---\left(4\right)$

该感应电动势e(t)为一次电流I(t)的微分值，要想获得与一次电流成正比例的信号，需将测得的感应电动势进行积分处理。

Rogowski线圈的等效电路如附图2所示，为电阻和电感串联后再与电容并联的RLC电路，该电路的电源为感应电动势e(t)，输出电压U₀(t)为Rogowski线圈的绕组端电压。Rogowski线圈等效电路的传递函数为

$\frac{U_0\left(\mathrm{j\ω}\right)}{e\left(\mathrm{j\ω}\right)}=\frac{R_S}{-{\mathrm{\ω}}^2{L}_0{R}_S{C}_0+\mathrm{j\ω}(L_0+R_0{R}_S{C}_0)+R_0+R_S}---\left(5\right)$

该电路并联的分布电容C₀非常小，一般可以忽略。当R₀+ωL₀＜＜R_S时，相当于Rogowski线圈处于开路状态，根据(5)式，可得

$U_0\left(t\right)=e\left(t\right)=M\frac{\mathrm{dI}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}---\left(6\right)$

即Rogowski线圈的绕组端电压等于感应电动势，为一次电流的微分值。

当ωL₀＞＞R_S+R₀时，根据(5)式简化后可得

$U_0\left(t\right)=\frac{R_S}{L_0}{\∫}_0^{t}e\left(t\right)\mathrm{dt}=\frac{{\mathrm{MR}}_S}{L_0}I\left(t\right)---\left(7\right)$

此时Rogowski线圈的绕组端电压则与一次电流呈正比例关系。

根据上面的分析，可以总结出在信号的中低频段，绕组端电压与一次电流呈微分关系，而在高频段则呈正比关系，转折频率点由Rogowski线圈等效电路的参数所决定。通过合理的设计Rogowski线圈参数，转折频率点可以达到10MHz，而行波信号的能量主要集中在几千赫兹到几百千赫兹的范围内，因而行波信号经Rogowski线圈传变后几乎能以微分值的形式输出。考虑到后续采样电路采样频率的限制，转折点的频率不宜设得过高，可考虑设为500kHz。设计这样的Rogowski线圈，其幅频和相频特性见附图3所示。

(2)微分行波信号的检测

行波v和微分行波v′的近似表达式分别如式(1)和(2)所示，式中τ₁为上升时间常数，对线模分量来说通常为5-20μs；τ₂为下降时间常数，通常较大。v′与v有相同的衰减时间常数，由于τ₁值非常小，因而初始上升阶段的v′值将会非常大，从而为行波波头的检测提供了便利。行波与微分行波的波形对比见附图4，表现出如下特点(以正向行波为例)：

(i)在行波波形的起始时刻(突变点)微分行波迅速地上升为一个较大值；

(ii)在行波波形上升的时间段内，微分行波波形为正值且逐渐下降，在行波波形达到峰值时(此时

)，微分行波变为零；

(iii)在行波波形下降的时间段内，微分行波波形变为负值。

附图5给出了Rogowski线圈ECT和传统CT对一次行波信号的仿真响应结果。图5表明，与行波相比，微分行波在突变点处的变化更快且更大，比对行波的识别更加方便。

若判断出初始行波波头到达，则记录下该时刻值t₀，然后可利用A型或B型行波测距公式

A型行波测距方法：

(或

)(8)

B型行波测距方法：

计算出故障点的距离x，公式中V₀为波速度，l为线路总长度，t₁为第二个反向行波浪涌的达到时刻，t′₀为初始行波波头到达线路对侧的时刻。

本发明中各符号说明如下：

M     R ogowski线圈互感系数；

μ₀    真空磁导率(μ₀＝4π×10^-7N/m)；

N      匝数；

S      骨架截面积；

I      一次电流；

e、U₀  Rogowski线圈感应电动势、绕组端电压；

R₀、L₀、C₀        Rogowski线圈的等效电阻、自感系数、杂散电容；

R_S                采样电阻值；

v、v′            行波信号，微分行波信号；

V_m                行波信号的幅值；

τ₁、τ₂          行波信号上升时间常数和下降时间常数；

V′_set            微分行波波头判据的整定阀值；

n′               微分行波波头判断次数的整定值；

k                 第k次采样；

ω_n               无阻尼自然振荡角频率；

ζ                系统阻尼比；

x                 故障点距离测量点的距离；

V₀                波速度；

l                 被测线路的总长度；

t₀                初始行波波头到达时刻；

t₁                第二个反向行波浪涌的达到时刻；

t′₀              初始行波波头到达线路对侧的时刻。

本发明的有益效果是：

本发明提出了一种利用Rogowski线圈输出信号为一次电流的导数来实现行波测距的新方法。微分行波信号响应快、在突变点的幅值变化明显，更有利于行波波头的检测。本发明不仅充分利用了Rogowski线圈的微分输出和优良的高频传变性能，而且不需要ECT的外积分电路，可有效克服传统检测方法存在的弊端，有望在数字化(智能)变电站中率先得到应用。

附图说明

图1为Rogowski线圈结构图；

图2为Rogowski线圈等效电路图；

图3为本发明设计的Rogowski线圈的频率特性图；

图4为本发明的行波和微分行波的波形对比示意图；

图5为本发明的Rogowski线圈输出的微分行波与CT输出波形的仿真对比图；

图6a为传统行波测距方案的示意图；

图6b为本发明的微分行波测距方案示意图；

图7为本发明的方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步描述。

附图1所示为Rogowski线圈的结构示意图。Rogowski线圈是由俄国科学家Rogowski在1912年发明的，它由漆包线均匀绕制在环形骨架上而制成，一次电流的导体穿过圆形骨架的圆心。骨架的截面通常为圆形或者矩形，骨架的材料则通常采用塑料或陶瓷等非铁磁材料，其相对磁导率与空气中的相对磁导率相同，一次电流会沿着圆形骨架的方向产生闭合的磁场，当电流发生变化时，绕制在骨架上的线圈便会产生感应电压。图中R_S为采样电阻。

附图2为Rogowski线圈的等效电路图。图中L₀为线圈的自感系数，R₀为线圈的内阻，C₀为线圈的匝间电容，R_S为取样电阻，e(t)为线圈的感应电动势，U₀(t)为绕组端电压。

附图3为本发明设计的Rogowski线圈的频率特性图。式(5)为Rogowski线圈等效电路的传递函数，该传递函数为典型的二阶传递函数，将其变化为

$\mathrm{\Φ}\left(s\right)=\frac{{\mathrm{\ω}}_n^2}{s^2+2\mathrm{\ζ}{\mathrm{\ω}}_{n}s+{\mathrm{\ω}}_n^2}---\left(10\right)$

的形式，其中

附图4为本发明的行波和微分行波的波形对比示意图。上图为行波波形，下图为经Rogowski线圈输出的微分行波波形，行波的波形可近似用式(1)来表达，微分行波的波形可近似用式(2)来表达，图中表示行波上升时间。

附图5为本发明的Rogowski线圈输出的微分行波与CT输出波形的仿真对比图。采用如下方法获取Rogowski线圈输出的微分行波信号：在MATLAB中搭建起Rogowski线圈等效电路图，选取附图3中设计出的参数。以一条500kV线路故障后的电流数据(源于PSCAD/EMTDC仿真)为输入，观察等效电路的输出电压波形。为了验证前文的分析，还选取了线路的电流波形和CT(J-A模型)的输出波形作为对比。仿真条件：故障类型为AG，故障时间为0.005ms(故障角度为-90°)，故障位置距本侧5km，距对侧295km，故障接地电阻50欧。图5中三种波形均已转换为标幺值。观察波形可以发现，由于是近距离故障，行波信号频率较高，CT输出的初始行波波头被“消减”了，而Rogowski线圈的输出波形不仅与突变时刻一一吻合，暂态延迟非常小，而且变化非常明显，更有利于行波的检测。

附图6a为传统行波测距方案示意图。图6b为本发明的微分行波测距方案示意图。它包括连接在线路中的Rogowski线圈1，其输出信号与一个1kHz～500kHz的带通滤波器3连接；带通滤波器3与A/D转换模块4连接；A/D转换模块4与光纤5连接，光纤5与行波测距装置6连接。

所述Rogowski线圈1与带通滤波器3间设有调理电路2。

带通滤波器3的下限截止频率是为了使波形在突变点变化更明显，上限截止频率是防止采样混叠，无外积分环节的设计可以减小诸多影响(转换误差、温度漂移、功耗等)，有利于保证测量精度。

一种基于Rogowski线圈微分输出的行波故障测距方法，如图7所示，它在线路中接入Rogowski线圈，当线路发生故障时，Rogowski线圈接收到的故障行波浪涌近似为一直角波，上升迅速，平缓下降。经Rogowski线圈输出的微分行波在突变点处的变化更加明显。该微分信号经过调理电路后，再经过1kHz～500kHz的带通滤波，然后进行数模转换后通过光纤送入行波测距装置中，行波测距装置根据阀值法判断微分行波波头到达后，记录下该时刻值，最后利用公知的A型或B型行波的测距方法和测距公式计算出故障点的距离。

Claims (4)

1.一种基于Rogowski线圈微分输出的行波故障测距方法，其特征是，在线路发生故障时产生的故障行波浪涌近似为一直角波，其上升迅速，平缓下降，因此用一个双指数公式表示为

$v=V_m(e^{-t/{\mathrm{\τ}}_2}-e^{-t/{\mathrm{\τ}}_1})---\left(1\right)$

安装于线路出口处的Rogowski线圈接收到该行波浪涌后，根据自身的传变特点，其输出信号为该浪涌信号的导数

$v^{\′}=V_m(\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_1}{e}^{-t/{\mathrm{\τ}}_1}-{\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_2}e}^{-t/{\mathrm{\τ}}_2})---\left(2\right)$

v′即为行波信号的导数表达式，也就是微分行波；由于上升时间τ₁值较小，因而初始时刻v′将非常大，将有利于行波波头的检测；该微分信号经过带通滤波器后，再进行模数转换，然后通过光纤送入行波测距装置中；行波测距装置根据Rogowski线圈输出的微分行波构建出如式(3)所示的检测判据，来实现对行波波头的识别，

|v′(k)|＞V′_set    (3)

如果上式连续n′个点均成立，则判定行波波头到达，其中v′(k)表示v′的第k点采样值；若判断出行波波头到达，则立即记录下该时刻值，然后可利用公知的行波测距方法计算出故障点的距离。

2.一种基于Rogowski线圈微分输出的行波故障测距装置，其特征是，它包括连接在线路中的Rogowski线圈，其输出信号与一个1kHz～500kHz的带通滤波器连接，1kHz～500kHz的带通滤波器与A/D转换模块连接，A/D转换模块与光纤连接，光纤与行波测距装置连接。

3.如权利要求2所述的基于Rogowski线圈微分输出的行波故障测距装置，其特征是，所述Rogowski线圈与带通滤波器间设有调理电路。

4.如权利要求2所述的基于Rogowski线圈微分输出的行波故障测距装置，其特征是，所述Rogowski线圈外侧还包裹一个屏蔽罩，屏蔽罩有效接地。

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