CN107210624A - 用于在数字变电站内检测电力系统干扰的方法和设备 - Google Patents

用于在数字变电站内检测电力系统干扰的方法和设备 Download PDF

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Abstract

一种用于在数字变电站内检测电力系统(1)中的干扰的方法以及使用所述方法的设备。所述方法包括：感测输电线(10)的端部处的电气参数；对感测到的电气参数进行采样；使用信号处理方法从样本的高频分量中提取行波信息；以及在提取的行波信息指示发生干扰的情况下，将提取的行波信息从所述数字变电站(11)的合并单元(112)或非常规互感器发送到所述数字变电站(11)的智能电子设备。与感测到的电气参数的样本数据量相比，表示提取的行波信息的数据量减少。因此，提取的行波信息可以经由具有相对较窄带宽的数据链路例如标准IEC 61850下的过程总线传输。

Description

用于在数字变电站内检测电力系统干扰的方法和设备
技术领域
本发明涉及数字变电站内的电力系统，更具体地说，涉及用于检测电力系统内的干扰的方法、使用所述方法的设备以及数字变电站。
背景技术
电力系统是用于供给、传输和使用电力的电气部件的网络。输电线被认为是电力系统中的主要元件。输电线中发生的任何干扰都需要被检测，并且一旦发生指示故障的干扰，则将其隔离。因此，高速和安全的保护对于维持可靠的电力系统以满足客户的日常需求是必要的。使用通常布置在电力系统的变电站中的阻抗继电器来保护输电线。专利WO2013/064176 A1公开了一个这样的示例。根据该专利，提供了一种输电线中的故障检测的方法。该故障检测基于故障引起的行波。特别地，设置了电压传感器和电流传感器，例如电压互感器和电流互感器，用于测量输电线的端部的电压和电流，并且设置了估测装置以用于基于由电压传感器和电流传感器执行的电压和电流测量估测故障前电压和电流以及估测故障引起的行波的振幅。在变电站中，电流互感器和电压互感器的次级侧通过线缆直接连接到继电器。
随着数字技术的发展，数字变电站内的电力系统越来越受欢迎，其中在电气参数传感器(如电压传感器和电流传感器)与智能电子设备(IED)之间设置了合并单元。通过输电线的一端处的电气参数传感器测量的电气参数通过合并单元和过程总线被连续地通信至IED。关于行波保护，电气参数传感器通常需要更高的采样率来获取行波波前的高频瞬变，例如10kHz至10MHz。而根据对于数字变电站的IEC61850标准，用于保护的合并单元的采样率对于60Hz电力系统为4.8kHz，对于50Hz电力系统为4kHz。对于60Hz和50Hz电力系统的过程总线方案也分别针对4.8kHz和4kHz的采样率而设计。过程总线的带宽不足够宽到能够从电气参数传感器的较高采样率传输样本。因此，过程总线的带宽限制可以被认为是实现基于行进波的保护和用于数字变电站环境内的电力系统的故障定位的主要挑战或瓶颈。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种用于在数字变电站内检测电力系统中的干扰的方法，包括：感测输电线的端部处的电气参数；对感测到的电气参数进行采样；使用信号处理方法从样本的高频分量中提取行波信息；以及在提取的行波信息指示发生干扰的情况下，将提取的行波信息从数字变电站的合并单元或非常规互感器发送到数字变电站的智能电子设备。
根据本发明的另一方面，提供了一种在数字变电站内的用于电力系统的干扰检测设备，包括：电气参数传感器，用于感测输电线的端部处的电气参数；采样装置，用于对所感测的电气参数进行采样；处理器，用于使用信号处理方法从样本的高频分量中提取行波信息，并判断行波信息是否指示发生干扰；以及发射器，用于在提取的行波信息指示发生干扰的情况下，将提取的行波信息从数字变电站的合并单元或非常规互感器发送到数字变电站的智能电子设备。
根据本发明的另一方面，提供了一种包括干扰检测设备、合并单元和智能电子设备的数字变电站。
与感测到的电气参数的样本数据量相比，减少了表示提取的行波信息的数据量。因此，提取的行波信息可以经由具有相对较窄带宽的数据链路(例如标准IEC 61850下的过程总线)传输。
干扰检测设备比传统方式具有若干优点，例如重复使用具有相对较窄带宽的过程总线以将干扰引入信息传送到IED，更高效地利用过程总线的带宽，降低了IED的成本，以及减少了IED的处理器负载和数字变电站内的通信负担。
附图说明
将参照附图中示出的优选示例性实施例在下文中更详细地解释本发明的主题，其中：
图1示出了根据本发明的实施例在数字变电站内具有数字变电站的电力系统；
图2A和2B示出了根据本发明的实施例的使用小波变换从电压干扰的高频分量中提取行波信息；
图3示出了根据本发明的另一个实施例的具有数字变电站的电力系统；以及
图4示出了用于在数字变电站内检测电力系统中的干扰的方法所涉及的主要步骤。
附图中使用的附图标记及其含义在附图标记列表中以总览的形式列出。原则上，相同的部件在附图中设有相同的附图标记。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的实施例的数字变电站内的电力系统。如图1所示，电力系统1包括输电线10和数字变电站11。数字变电站11包括输电线10的端部、电气参数传感器110、采样装置111、合并单元112以及智能电子设备(IED)113。合并单元112和IED 113可以经由数据链路114彼此通信。合并单元112还包括布置在合并单元112中的处理器1120和发射器1121。电气参数传感器110布置在输电线10的端部，用于测量输电线10的端部的电气参数。在数字变电站内的用于电力系统的干扰检测设备至少包括电气参数传感器110、采样装置111、处理器1120和发射器1121。
在根据图1的实施例中，电气参数传感器110可以是电流互感器(CT)或电压互感器(VT)，或CT和VT两者。作为替代，数字变电站11可以具有两个电气参数传感器110，其中一个是CT，另一个是VT。作为CT运行的电气参数传感器110被布置成使得其测量进入(或离开)输电线10的端部的电流，而作为VT运行的电气参数传感器110被布置成使得其测量输电线10的端部处的电压。采样装置111能够以相对高的采样率(例如10kHz至10MHz)从电气参数传感器110采样所感测的电气参数，使得输电线10的端部的电气参数能够以足够的精度重建。例如，在某些情况下，传感器可以检测两个或更多个相邻的行波到达时间，这需要高采样率，因为行波速度高，并且需要10MHz的采样率。在其他情况下，可能不需要时刻信息，例如基于行波的方向元件不需要如此高的频率，10kHz的采样率就足够了。IED 113可以从合并单元112接收数据，并且可以发出控制命令；例如，如果它们感测到电压、电流或频率异常，则使断路器跳闸。例如，IED可以包括用于断开短路的保护继电器和/或用于定位故障的位置的故障定位器。合并单元112和IED 113之间的数据链路114可以是根据IEC 61850设计的过程总线；根据IEC 61850，链路114的带宽被设置在相对较窄的范围内，例如在4kHz至4.8kHz之间。在IEC61850标准下，感测的电气参数的采样率与过程总线的带宽之间存在差距。如果采用更高采样率的电气参数样本通过具有较窄带宽的过程总线进行传输，则干扰信息特别是高频分量不能在IED 113侧以足够的精度重建。在解决这个问题时，处理器1120适于使用信号处理方法从样本的高频分量中提取行波信息，并且判断提取的行波信息是否指示发生干扰。在提取的行波信息指示发生干扰的情况下，发射器1121能够将提取的行波信息从数字变电站11的合并单元112发送到数字变电站11的智能电子设备113。
图2A和2B示出了根据本发明的实施例的使用小波变换从电压干扰的高频分量中提取行波信息的示例。图2A描绘了在干扰相对于时间的示例期间的电压波形、电压样本和小波系数，图2B描绘了在干扰相对于时间的示例期间的电流波形、电流样本和小波系数。在根据图2A的该示例的情况下，小波变换系数在干扰发生之前全都为零；其中在发生电压干扰而引入高频分量的情况下，若干小波变换系数出现在零之上和/或零之下，这对于表示发生干扰是有意义的。这些非零系数表示关于行波的信息，并且为行波保护和故障定位提供足够的信息。技术人员应理解，其他变换(例如基于滤波器的信号处理方法)也可以应用于提取行波信息。此外，信号处理方法也可以用于根据图2B进行的CT的电流测量。
与感测到的电气参数的样本数据量相比，表示提取的行波信息的数据量减少。因此，提取的行波信息可以经由具有相对较窄带宽的数据链路(例如标准IEC 61850下的过程总线)传输。
干扰检测设备比传统方式具有若干优点，例如重复使用具有相对较窄带宽的过程总线以将干扰引入信息传送到IED，更高效地利用过程总线的带宽，降低了IED的成本，以及减少了IED的处理器负载和数字变电站内的通信负担。
提取的行波信息表示行波的极性、振幅、方向、变化率和/或时刻。在使用行波信息指示干扰的IED中，使用小波变换方法或其他种类的滤波器来提取瞬态电压/电流信号的有效信息。对于小波变换方法，可以使用多种小波，如Meyer小波、高斯小波、Morlet小波等。通过原始信号的小波变换并且通过模极大值算法，可以获得行波的极性、振幅、方向、变化率和/或时刻。在一些情况下，可能需要行波变化率，行波变化率可以通过采样点根据(ik-ik-n)/(nΔt)直接计算出，其中k是采样序列号，Δt是两个相邻的样本点之间的时间。通常，如果振幅是否超过阈值，并且该阈值应当被设定为确保轻微干扰的检测，可以判定出干扰。
优选地，发射器1121还适于在提取的行波信息指示存在干扰的情况下将提取的行波信息发送到数字变电站的干扰记录器。
图3示出了根据本发明的另一个实施例的具有数字变电站的电力系统。与根据图1的实施例相比，根据图3的解决方案的不同之处在于：电气参数传感器110由非常规互感器(NCIT)代替，并且NCIT包括电气参数传感器110、采样装置111以及处理器1120和发射器1121，它们由设置在NCIT中的传感器、采样装置、处理器和发射器实现。NCIT中的电气参数传感器110可以是霍尔传感器、罗戈夫斯基传感器和基于法拉第效应的光学传感器(磁光效应)。
图4示出了用于在数字变电站内检测电力系统中的干扰的方法所涉及的主要步骤。在步骤400中，感测输电线的端部的电气参数。电气参数(例如电压和/电流)能够由根据图1和图3电气参数传感器来感测。在步骤401中，对感测的电气参数进行采样；使用信号处理方法从样本的高频分量中提取行波信息。例如，可以根据图2应用小波变换来提取电压/电流样本的高频分量。小波变换是一种用于将给定信号分解成不同频率分量以提供小波包系数的技术。在步骤402中，如果所提取的行波信息指示发生干扰，则将提取的行波信息从数字变电站的合并单元或非常规互感器发送到数字变电站的智能电子设备。
尽管已经基于一些优选实施例描述了本发明，但是本领域技术人员应当理解，这些实施例绝不应当限制本发明的范围。在不脱离本发明的精神和概念的情况下，对实施例的任何变化和修改都应当在具有本领域普通知识和技能的人的理解之内，因此落入由所附权利要求限定的本发明的范围内。

Claims (14)

1.一种用于在数字变电站内检测电力系统中的干扰的方法，包括：
感测输电线的端部处的电气参数；
对感测到的电气参数进行采样；
使用信号处理方法从样本的高频分量中提取行波信息；以及
在提取的行波信息指示发生干扰的情况下，将提取的行波信息从所述数字变电站的合并单元或非常规互感器发送到所述数字变电站的智能电子设备。
2.根据权利要求1所述的方法，其中：
所述电气参数是所述输电线的端部处的电压、电流。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中：
所述行波信息表示所述行波的极性、方向、振幅、变化率和/或时刻。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中：
所述信号处理方法是小波变换方法或基于滤波器的信号处理方法。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括：
在提取的行波信息指示存在干扰的情况下，将提取的行波信息从所述数字变电站的合并单元或非常规互感器发送到所述数字变电站的干扰记录器。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中：
所述智能电子设备包括保护继电器和/或故障定位器。
7.一种在数字变电站内的用于电力系统的干扰检测设备，包括：
电气参数传感器，用于感测输电线的端部处的电气参数；
采样装置，用于对所感测的电气参数进行采样；
处理器，用于使用信号处理方法从样本的高频分量中提取行波信息，并判断所述行波信息是否指示发生干扰；以及
发射器，所述发射器布置在所述数字变电站的合并单元或所述数字变电站的非常规互感器中，用于在提取的行波信息指示发生干扰的情况下、将提取的行波信息从所述合并单元或所述非常规互感器发送到所述数字变电站的智能电子设备。
8.根据权利要求7所述的干扰检测设备，其中：
所述采样装置布置在所述数字变电站的所述合并单元或所述数字变电站的所述非常规互感器中。
9.根据前述权利要求中任一项所述的干扰检测设备，其中：
所述处理器布置在所述数字变电站的所述合并单元或所述数字变电站的所述非常规互感器中。
10.根据前述权利要求中任一项所述的干扰检测设备，其中：
所述电气参数传感器是电流互感器，或者是所述非常规互感器的一部分。
11.根据前述权利要求中任一项所述的干扰检测设备，其中：
所述电气参数传感器是电压互感器，或者是所述非常规互感器的一部分。
12.根据前述权利要求中任一项所述的干扰检测设备，其中：
所述发射器进一步适于：在提取的行波信息指示存在干扰的情况下，将提取的行波信息发送到所述数字变电站的干扰记录器。
13.根据前述权利要求中任一项所述的干扰检测设备，其中：
所述智能电子设备包括保护继电器和/或故障定位器。
14.一种数字变电站，包括：
根据前述权利要求中任一项所述的干扰检测设备；
所述合并单元或所述非常规互感器；以及
所述智能电子设备。
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