CN102645614A - 基于滤波器组高频子带信号处理量差值的输电线路方向元件 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种输电线路故障方向元件，包括滤波器组1、滤波器组2、高频子带信号处理器1、高频子带信号处理器2、差值器、比较器。由于母线存在对地分布电容，线路故障产生的暂态高频信号通过母线时会显著减小，本发明利用这一原理，采集线路保护安装处母线内、外两侧故障信号，利用完全重构滤波器组无损分割故障暂态信号，进而计算母线内、外两侧各子带分量的某种处理量差值，由差值按多数表决机制判断线路是正向故障还是反向故障。构造故障方向元件所用信号是覆盖全高频段的多个子带高频信号，能随采样频率改变自适应调整各子带频率。该方向元件简单可靠，对母线分布电容要求低，并从原理和硬件实现方式上增强容错能力和可靠性。

Description

基于滤波器组高频子带信号处理量差值的输电线路方向元件

技术领域

本发明涉及电力输电线路保护技术及故障检测技术领域，尤其涉及到利用输电线路的故障暂态高频分量处理量之差(暂态电流高频分量处理量之差，或暂态电压高频分量处理量之差)实现输电线路故障方向检测领域。

背景技术

高压输电线路母线特别是超、特高压长距离输电线路的母线具有较大的对地分布电容，线路故障高频分量通过母线时，高频分量发生大量的衰减，通过比较母线两侧的故障高频信号，即可判断输电线路故障方向。

比较母线两侧故障高频信号可以判断输电线路故障方向，传统的方法是计算母线两侧某一频段故障高频信号能量的比值，进而判断故障方向。传统方法存在较大的缺陷和不足，首先，对于不同的线路不同故障情况存在待分析频带中心频率调谐的难题；其次，它仅利用了线路故障丰富高频信息中的某一频段，实际电力系统故障情况非常复杂且多变，不同故障情况下产生的暂态信号中包含的高频分量成分相差很大，致使所采用的这一频段成分在某些情况下可能比较弱，不利于检测；第三，传统方法采用的是除法，这样很容易放大小信号的干扰(比如：1除以0.01等于100)，使得计算的比值不能完全真实反应实际情况，容易不稳定，抗干扰性差，最终导致保护装置可靠性降低；另一方面，两个本身数值很大却又很接近的量相除以后比值却相对很小(比如：10500除以10000等于1.0500)，不利于保护整定值的设置。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种基于滤波器组高频子带信号处理量差值的输电线路方向元件，包括母线两侧分析暂态信号的滤波器组1、滤波器组2、高频子带信号处理器1、高频子带信号处理器2、差值器、比较器，根据比较器的结果即可确定输电线路的故障方向。

基于滤波器组高频子带信号处理量差值的输电线路方向元件的基本原理，是当保护区MP段正向区域(比如F₁点)发生故障时，产生大量的高频电流/电压信号，暂态高频信号向两侧传播，在通过母线M时，由于母线上有较大的对地分布电容，暂态高频分量中的很大一部分会被旁路掉，对于同一频段的暂态高频信号，在母线近故障的内侧检测到的暂态高频信号总强于远离故障的外侧检测到的暂态高频信号，这样将内侧高频信号处理量减去外侧高频信号处理量总是大于0，即正向故障时，总有下式成立

diff＝P_I_1hf-P_I_2hf＞0

P_I_1hf、P_I_2hf分别表示M端母线内侧、外侧故障电流暂态高频分量处理量，diff表示M端母线内侧、外侧故障电流暂态高频分量处理量的差值。而反向区域故障(比如F₂点)时，总有diff＜0。依据这一规律即可判断输电线路故障的方向。由于该发明故障方向元件依据的是剔除了工频分量的全频域的暂态高频分量，从而保证了判断的高可靠性和超高速性能。

为达到上述目的，本发明的技术方案是一种基于暂态高频分量处理量差值的故障方向判别元件，将母线内、外两侧的暂态电流(或电压)引入本端的保护装置，利用完全重构分析滤波器组将暂态电流(或电压)信号无损地分割成一个低频子带分量和多个高频子带分量；并对每个高频段的暂态高频量进行适当处理得到高频分量处理量，然后将母线内、外两侧对应通道的暂态高频分量的处理量作差，由各子带信号差值经多数表决机制，判断正向故障、还是反向故障。当暂态高频分量处理量的值大于整定值，即当|P_I_hf|＞P_Sqd(或|P_U_hf|＞P_Sqd)时，表示被保护线路发生故障，启动故障方向元件，P_I_hf(P_U_hf)表示暂态电流(电压)的某一频段暂态量处理量，P_Sqd为方向元件启动值。然后，依据多数表决机制参照如下所述进行故障方向元件的构造(下面以具有三个高频通道的非均匀滤波器组为例说明故障方向元件构造方法)：

当Act＝1时，判为正向内故障；

当Act＝0时，判为区外故障。

其中，

Act＝((diff₁＞k_set1)+(diff₂＞k_set2))·((diff₂＞k_set2)+(diff₃＞k_set3))·((diff₁＞k_set1)+diff₃＞k_set3))

diff₁＝P_I_2hf1-P_I_1hf1

diff₂＝P_I_2hf2-P_I_1hf2

diff₃＝P_I_2hf3-P_I_1hf3

(或diff₁＝P_U_2hf1-P_U_1hf1、dif_f2＝P_U_2hf2-P_U_1hf2、diff₃＝P_U_2hf3-P_U_1hf3)式中P_I_1hf1、P_I_1hf2、P_I_1hf3、P_I_2hf1、P_I_2hf2、P_I_2hf3为线路母线内、外两侧的电流I₁、I₂中暂态高频分量I_1hf1、I_1hf2、I_1hf3、I_2hf1、I_2hf2、I_2hf3的能量、或熵、或复杂度、或奇异度、或模极大值、或其它处理量值中的一种(P_U_1hf1、P_U_1hf2、P_U_1hf3、P_U_2hf1、P_U_2hf2、P_U_2hf3为两端母线两侧的电压U₁、U₂中高频分量U_1hf1、U_1hf2、U_1hf3、U_2hf1、U_2hf2、U_2hf3的能量、或熵、或复杂度、或奇异度、或模极大值、或其它处理量值中的一种)。diff₁、diff₂、diff₃分别表示母线内、外两侧各通道暂态高频分量处理量的能量差、或熵差、或复杂度差、或奇异度差、或模极大值差、或其它差值。k_set1、k_set2、k_set3为各通道差值动作整定值，这些值理论上都为0，为留有一定的裕度，实际系统中，整定为合适的正实数。

本发明提出基于滤波器组高频子带信号处理量差值的输电线路方向元件，可产生如下有益效果：

(1)本发明提出的基于滤波器组高频子带信号处理量差值的输电线路方向元件，该方向元件采用完全重构滤波器组对故障暂态信号进行无损耗分析，没有丢失故障信息，大大提高了可靠性。

(2)本发明提出的基于滤波器组高频子带信号处理量差值的输电线路方向元件，该方向元件中的分析滤波器组可以设计成特殊的不等带宽滤波器组分析故障暂态信号，频率越高子带带宽越宽，解决了故障暂态信号中频率越高含量越弱，越不易检测的难题。

(3)本发明提出的基于滤波器组高频子带信号处理量差值的输电线路方向元件，滤波器组可采用不等带宽滤波器组，方向元件判别故障方向采用了除含有工频量的低频窄带段外的覆盖全高频段的多个子带高频信号，能随采样频率改变自适应调整各子带频率，不受采样频率的影响，解决了传统故障方向元件的待分析频带中心频率的调谐难题。

(4)本发明提出的基于滤波器组高频子带信号处理量差值的输电线路方向元件，利用母线内、外两侧暂态高频分量处理量的差值经多数表决机制构造判据，实现了输电线路故障方向准确快速判别，可靠性非常高。本发明保护采用完全重构分析滤波器组无损分割暂态高频信号，分别作对应相关处理，进行综合判断，在硬件上实现冗余后备配置，这样从基本原理和硬件实现方式上达到容错保护技术，有利于进一步提高该故障方向元件的容错性、抗干扰性、可靠性。

(5)本发明提出的基于滤波器组高频子带信号处理量差值的输电线路方向元件，进而可实现输电线路暂态方向保护，只需向对端传送开关量，无需将采集到的海量故障暂态信号传递到对端，大大减轻了通信通道传输容量的压力，也更有利于提高保护的可靠性。

附图说明

图1(a)是超高压线路采用暂态电流量进行有关处理，实现基于滤波器组高频子带信号处理量差值的输电线路方向元件的系统示意图。

图1(b)是超高压线路采用暂态电压量进行有关处理，实现基于滤波器组高频子带信号处理量差值的输电线路方向元件的系统示意图。

具体实施方式

下面以暂态高频分量处理量中的一种——故障电流的暂态高频分量能量和具有三个高频通道的完全重构非均匀滤波器组为例，结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

图1所示为500kV超高压输电线路模型。在该模型中，P端短路容量为8GVA、N端短路容量为5GVA，线路PM长为120km、线路MN长为200km，各母线对地电容为6000PF。对图1所示的超高压输电线路，线路MP为被保护线路，基于非均匀滤波器组高频子带信号处理量差值的输电线路方向元件，包括如下步骤：

第一步：采集母线M内、外两侧暂态电流I₁、I₂，利用完全重构不等带宽分析滤波器组将暂态电流I₁和I₂的高频部分分割成三个高频分量I_1hf1、I_1hf2、I_1hf3和I_2hf1、I_2hf2、I_2hf3(本实例采样频率取200kHz，三个高频通道频率分别为12.5kHz～25kHz、25kHz～50kHz、50kHz～100kHz)。

第二步：高频子带信号处理器计算各通道的暂态高频分量能量P_I_1hf1、P_I_1hf2、P_I_1hf3和P_I_2hf1、P_I_2hf2、P_I_2hf3。如果P_I_1hf1＞P_Sqd1或P_I_2hf1＞P_Sqd2，即当满足下式

P_S＝((P_I_1hf1＞P_Sqd1)+(P_I_2hf1＞P_Sqd2))＝1

时，表示线路发生故障，则启动故障方向元件。

第三步：差值器计算M母线内侧与外侧各通道暂态高频电流的能量差diff₁、diff₂、diff₃(总是用内侧的量减去外侧的量)。

diff₁＝P_I_2hf1-P_I_1hf1

diff₂＝P_I_2hf2-P_I_1hf2

diff₃＝P_I_2hf3-P_I_1hf3

P_I_1hf1、P_I_1hf2、P_I_1hf3、P_I_2hf1、P_I_2hf2、P_I_2hf3按下式求得，

$\left\{\begin{array}{c}P\_I_{1\mathrm{hf}1}=\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{I^2}_{1\mathrm{hf}1j}\\ P\_I_{1\mathrm{hf}2}=\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{I^2}_{1\mathrm{hf}2j}\\ P\_I_{1\mathrm{hf}3}=\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{I^2}_{1\mathrm{hf}3j}\end{array}\right.,$ $\left\{\begin{array}{c}P\_I_{2\mathrm{hf}1}=\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{I^2}_{2\mathrm{hf}1j}\\ P\_I_{2\mathrm{hf}2}=\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{I^2}_{2\mathrm{hf}2j}\\ P\_I_{2\mathrm{hf}3}=\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{I^2}_{2\mathrm{hf}3j}\end{array}\right.;$ n取200。

第四步：比较器采用多数表决机制，依据如下所述判别是正向故障还是反向故障：

(1)如果3个通道的能量差有2个大于整定值(该值理论上为0，为留有一定的裕度，整定为合适的正实数)，即如果Act满足

Act＝((diff₁＞k_set1)+(diff₂＞k_set2))·((diff₂＞k_set2)+(diff₃＞k_set3))·((diff₁＞k_set1)+(diff₃＞k_set3))＝1则，判断为该端保护装置的正向区域故障。

(2)如果Act满足

Act＝((diff₁＞k_set1)+(diff₂＞k_set2))·((diff₂＞k_set2)+(diff₃＞k_set3))·((diff₁＞k_set1)+(diff₃＞k_set3))＝0则，判断为该端保护装置的反向区域故障。

其中，k_set1、k_set2、k_set3为线路M端基于滤波器组高频子带信号处理量差值的输电线路方向元件滤波器组的各通道差值的整定值，为正实数，具体整定时，可以实际系统为基础，结合一定的裕度进行整定。

上述实施例为本发明典型的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其它任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化所获得的技术方案，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种新型的基于滤波器组高频子带信号处理量差值的输电线路方向元件，其特征在于采集母线内、外两侧暂态电流(或暂态电压)后，利用完全重构分析滤波器组将暂态电流(或电压)信号无损地分割成一个低频子带分量和多个高频子带分量；然后，分别计算母线内、外两侧的对应暂态高频子带分量的能量差、或熵差、或复杂度差、或奇异度差、或模极大值差，或其它差值，由滤波器组的多个通道差值经多数表决机制，判断是正向故障、还是反向故障。具体采用下述步骤：

(1)采集保护安装处母线外、内两侧暂态电流I₁、I₂(或电压U₁、U₂)，利用完全重构分析滤波器组将其无损地分别分割成一个低频子带分量和多个高频子带分量I_1Lf、I_1hf1、I_1hf2、I_1hf3...I_2Lf、I_2hf1、I_2hf2、I_2hf3...(或电压U_1Lf、U_1hf1、U_1hf2、U_1hf3...U_2Lf、U_2hf1、U_2hf2、U_2hf3...)。

(2)求取各高频子带分量的能量、或熵、或复杂度、或奇异度、或模极大值、或其它处理量值P_I_1hf1、P_I_1hf2、P_I_1hf3...P_I_2hf1、P_I_2hf2、P_I_2hf3...(或P_U_1hf1、P_U_1hf2、P_U_1hf3...P_U_2hf1、P_U_2hf2、P_U_2hf3...)，然后计算母线内、外两侧暂态电流(或电压)对应通道的高频子带分量的能量差、或熵差、或信号复杂度差、或奇异度差、或模极大值差、或其它差值diff₁、diff₂、diff₃...(这些差值总是由母线内侧暂态信号处理量减去外侧对应通道的暂态信号处理量而得到)。

(3)由(2)计算的这些差值经多数表决机制判断是正向故障还是反向故障。由于故障信号的暂态高频分量在线路上不断发生折射、反射，在保护安装处检测到的暂态高频量极性和幅值变化很快，因此暂态量的正确检测判断必须在暂态信号即行波第二次到来之前完成。为保证暂态量检测的快速性和可靠性，特制定一个多数表决机制，即各通道的差值diff₁、diff₂、diff₃...与整定值比较，它们中的大多数判断为某区域故障即确定为该区域故障，而不必所有通道的差值与整定值比较得出一致的结论，才作定论。以只有3个高频通道的系统为例，当满足

P_S＝((|P_I_1hf1|＞P_Sqd1)+(|P_I_2hf1|＞P_Sqd2))＝1

时，表示线路发生故障，则启动故障方向元件；进一步，如果diff₁、diff₂、diff₃这3个差值中有2个大于其整定值，即当满足

Act＝-((diff₁＞k_set1)+(diff₂＞k_set2))·((diff₂＞k_set2)+(diff₃＞k_set3))·((diff₁＞k_set1)+diff₃＞k_set3))＝1

时，判断为正向故障；否则，判为该保护装置的反向故障。其中P_Sqd1、P_Sqd2为保护启动值，k_set1、k_set2、k_set3为该故障方向元件的整定值，这些值理论上都为0，但为了使保护动作具有一定裕度，整定为合适正实数。

2.根据权利要求1所述的基于滤波器组高频子带信号处理量差值的输电线路方向元件，其特征在于：步骤(2)所述采集到母线内、外两侧暂态电流(或电压)信号后，利用完全重构分析滤波器组将暂态电流(或电压)信号无损分割成一个低频子带分量和多个高频子带分量，计算母线内、外两侧对应通道暂态高频分量的能量差、或熵差、或复杂度差、或奇异度差、或模极大值差、或其它差值，差值计算方法具体如下：

diff₁＝P_I_2hf1-P_I_1hf1

diff₂＝P_I_2hf2-P_I_1hf2

diff₃＝P_I_2hf3-P_I_1hf3

...(或diff₁＝P_U_2hf1-P_U_1hf1、diff₂＝P_U_2hf2-P_U_1hf2、diff₃＝P_U_2hf3-P_U_1hf3...)。其中I_1hf1、I_1hf2、I_1hf3...I_2hf1、I_2hf2、I_2hf3...为I₁、I₂(U_1hf1、U_1hf2、U_1hf3...U_2hf1、U_2hf2、U_2hf3...为U₁、U₂)中的各通道的暂态高频分量。P_I_1hf1、P_I_1hf2、P_I_1hf3...P_I_2hf1、P_I_2hf2、P_I_2hf3...(或P_U_1hf1、P_U_1hf2、P_U_1hf3...P_U_2hf1、P_U_2hf2、P_U_2hf3...)表示母线内、外两侧暂态电流(或电压)各通道高频分量的能量、或熵、或复杂度、或奇异度、或模极大值、或其它处理量。diff₁、diff₂、diff₃...分别表示线路各频带的母线内、外两侧对应的暂态高频分量处理量的差，如能量差、或熵差、或信号复杂度差、或奇异度差、或模极大值差、或其它差值。

3.根据权利要求1所述基于滤波器组高频子带信号处理量差值的输电线路方向元件，其特征在于：①该故障方向元件采用完全重构滤波器组对故障暂态信号进行无损耗分析，没有丢失故障信息。②分析滤波器组可以设计成特殊的非均匀滤波器组分析故障暂态信号，频率越高子带带宽越宽，解决了故障暂态信号中频率越高含量越弱，越不易检测的难题。③滤波器组采用非均匀滤波器组分析故障暂态信号，除含有工频量的低频窄带段外，方向元件构造采用了覆盖全高频段的多个子带高频信号，能随采样频率改变自适应调整各子带频率，不受采样频率的影响，解决了传统暂态保护不易确定待分析频带中心频率的难题。④该故障方向元件对母线分布电容大小的要求低，一般超高压/特高压线路母线都能满足要求。⑤滤波器组采用平行结构，实时性好，且整个算法计算量小，有利于工程实现超高速保护。

4.根据权利要求1所述基于滤波器组高频子带信号处理量差值的输电线路方向元件，在采集到两端母线内、外两侧的暂态电流(或电压)信号后，利用完全重构分析滤波器组将暂态电流(或电压)信号无损地分割成一个低频子带分量和多个高频子带分量，对各频段暂态高频分量进行适当处理，并作差，进而判断是正向故障还是反向故障。这样从基本原理和硬件实现方式上都达到容错保护技术，以进一步提高该保护方法的容错性、抗干扰性、可靠性。在某些电力系统中，该故障方向元件也可以简化为单通道的模式，这些都在本发明专利保护之列。

5.根据权利要求1所述基于滤波器组高频子带信号处理量差值的输电线路方向元件，在母线与互感器(电流互感器或电压互感器)之间，添加阻波器或其它设备，而后求取母线内、外两侧暂态高频分量处理量的差值，再利用有关差值构造线路故障方向元件，为本发明线路故障方向元件的变形处理，都落在本发明专利的保护之列。

6.根据权利要求1所述基于滤波器组高频子带信号处理量差值的输电线路方向元件，基于暂态电流或暂态电压的高频分量处理量差值的输电线路故障方向元件都落在本发明保护之列。

7.根据权利要求1所述基于滤波器组高频子带信号处理量差值的输电线路方向元件，任何基于先提取被保护线路两端母线内、外两侧暂态电流(或电压)的高频分量，然后对暂态高频分量进行处理得到某些处理量值，接着对母线内、外两侧的这些处理量值作差，依据这些暂态高频分量处理量的差值构造输电线路故障方向元件，都为对本发明方法的等效替换和变形处理，比如以求暂态高频分量的绝对值代替求暂态高频分量的能量，之后再作差，构造与本发明类似的故障方向元件，都在本发明专利保护之列。

8.其它任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化所获得的技术方案，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

9.根据权利要求1所述基于滤波器组高频子带信号处理量差值的输电线路方向元件，本发明专利方法同样适用于直流输电线路保护，在直流输电系统中应用本方法，同样落在本发明专利保护范围之内。

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