CN107276047B - 一种快速判别线路故障方向的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种快速判别线路故障方向的方法，包括S1：采集继电保护装置安装处的电压和电流信息，并处理获得记忆电压和记忆电流；S2：当线路发生短路故障时，获得继电保护装置安装处故障后电压和故障后电流；S3：根据记忆电压、记忆电流、故障后电压和线路参数，计算继电保护装置安装处背侧电源与母线之间的第一种电压降落；根据故障后电流和线路参数，计算继电保护装置安装处背侧电源与母线之间的第二种电压降落；S4：根据故障后一短时间内所述第一种电压降落和第二种电压降落的变化趋势来判断故障方向。本发明判据简单、动作速度快，能够解决含新能源接入、存在直流落点的交流线路发生故障时传统方向元件不能可靠判别故障方向的问题。

Description

一种快速判别线路故障方向的方法
技术领域
本发明属于电力系统继电保护领域，更具体地，涉及一种快速判别线路故障方向的方法。
背景技术
新能源发电作为清洁能源在电力系统中的得到广泛应用，直流输电在电力系统应用越来越多，但是由于新能源接入后的短路故障特性以及直流输电交流侧短路故障特性与传统交流同步电机电源系统的故障特性有本质区别，给传统继电保护装置正常稳定工作带来巨大挑战。在含新能源或直流落点的交流线路发生短路故障时，其故障特征受新能源或直流换流阀的电力电子设备和控制系统的影响，导致故障特征复杂多样，传统的方向元件不能可靠的判别故障方向，难以适应电力系统的变化。
例如在含大规模双馈风电场的输电线路发生短路故障，因故障电流的主频率不再保持为工频50Hz，传统基于工频量的方向元件容易错误的判断故障方向，从而在反向故障时误动和正向故障时拒动。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种快速判别线路故障方向的方法，解决现有技术存在的对于含新能源接入或直流落点的交流线路短路故障方向判不准、不具有普适性的技术问题。
本发明提供了一种快速判别线路故障方向的方法，方法基于的系统结构包括：第一等值电源、第一母线、被保护线路、第二母线、第二等值电源、第一继电保护装置和第二继电保护装置，第一等值电源与第一母线相连，第一母线通过被保护线路与第二母线相连，第二母线与第二等值电源相连；第一继电保护装置安装在第一母线出口处，第二继电保护装置安装在第二母线出口处；方法包括下述步骤：
S1：采集继电保护装置安装处的电压和电流信息，并对采集的信息进行处理后获得记忆电压和记忆电流；
S2：当线路发生短路故障时，采集继电保护装置安装处的故障后电压和电流信息，并对采集的故障信息进行处理后获得故障后电压和故障后电流；
S3：根据所述记忆电压、所述记忆电流、所述故障后电压和线路参数，计算继电保护装置安装处背侧电源与母线之间的第一种电压降落；
根据所述故障后电流和线路参数，计算继电保护装置安装处背侧电源与母线之间的第二种电压降落；
S4：根据故障后一短时间内继电保护装置安装处背侧电源与母线之间的所述第一种电压降落和所述第二种电压降落的变化趋势来判断故障方向。
更进一步地，步骤S3中，所述第一种电压降落计算方法为：
Δu1k(t)＝uk(t-T)+f[ik(t-T)]-uk(t)；
所述第二种电压降落计算方法为：
Δu2k(t)＝f[ik(t)]；
其中，k＝ab,bc,ca，分别代表ab两相相间、bc两相相间、ca两相相间，t为t0～t0+T1时间窗内各时刻，t0为故障发生时刻，T1为时间窗长度，T为一周波时间长度，Δu1k(t)为故障后“第一种电压降落”，Δu2k(t)为故障后“第二种电压降落”，uk(t-T)、ik(t-T)分别为继电保护装置安装处记忆电压和记忆电流，uk(t)、ik(t)分别为继电保护装置安装处故障后电压和故障后电流，f[ik(t-T)]为记忆电流ik(t-T)的函数，表示根据线路模型和相应的线路参数计算出的继电保护装置安装处背侧电源与母线之间的记忆电压降落，f[ik(t)]为故障后电流ik(t)的函数，表示根据线路模型和相应的线路参数计算出的继电保护装置安装处背侧电源与母线之间的故障后电压降落，也即“第二种电压降落”。
更进一步地，步骤S4中，故障方向判别的方法为：
若故障后一短时间内，计算的继电保护装置安装处背侧电源与母线之间“第一种电压降落”和“第二种电压降落”变化趋势一致，即在故障后短时间内“第一种电压降落”和“第二种电压降落”同时增大或同时减小，则认为发生正向故障；
若故障后一短时间内，计算的继电保护装置安装处母线与背侧电源之间“第一种电压降落”和“第二种电压降落”变化趋势相反，即在故障后短时间内“第一种电压降落”和“第二种电压降落”一个增大一个减小，则认为发生反向故障。
更进一步地，采用计算等效斜率的方法判断“第一种电压降落”与“第二种电压降落”的变化趋势，具体包括：
若成立，则认为背侧电源与母线之间的“第一种电压降落”与“第二种电压降落”的变化趋势一致，判定为正向故障；
若成立，则认为背侧电源与母线之间的“第一种电压降落”与“第二种电压降落”的变化趋势相反，判定为反向故障。
本发明利用继电保护装置安装处故障前记忆电压、记忆电流、故障后继电保护装置安装处电压以及线路参数，计算继电保护装置安装处背侧电源与母线之间的“第一种电压降落”；同时利用故障后继电保护装置安装处电流，结合线路参数，计算继电保护装置安装处背侧电源与母线之间的“第二种电压降落”。取故障后一短时间作为数据窗，以母线指向线路方向为正方向，将“第一种电压降落”与“第二种电压降落”变化趋势进行对比确定故障方向。本发明提出的线路故障方向判别方法，判据简单、动作速度快、基于时域电气量，不受频率的影响、具有普适性，能够很好的解决含新能源接入以及直流落点的交流线路故障方向判别的问题。
附图说明
图1是本发明实施例提供的电力系统结构示意图；
图2是本发明实施例提供的含风电接入的电力系统结构示意图；
图3为本发明实施例提供的含风电接入的电力系统在第二继电保护装置正向出口处发生三相短路故障f1时，第二继电保护装置计算的背侧电源与母线之间的“第一种电压降落”与“第二种电压降落”；
图4为本发明的含风电接入的电力系统在第二继电保护装置反向出口处发生三相短路故障f2时，第二继电保护装置计算的背侧电源与母线之间的“第一种电压降落”与“第二种电压降落”；
图5为本发明的含风电接入的电力系统在第一继电保护装置反向出口处发生三相短路故障f3时，第一继电保护装置计算的背侧电源与母线之间的“第一种电压降落”与“第二种电压降落”。
其中，1为第一等值电源，2为第一母线，3为被保护线路，4为第二母线，5为第二等值电源，6为第一继电保护装置，7为第二继电保护装置，8为变压器，9为风电机组。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明针对传统方向元件在含新能源接入或直流落点的交流线路短路故障方向判别中存在的问题，提出一种能够适用于传统电网、含新能源接入和直流落点的交流线路的故障方向快速判别方法。
在本发明实施例中，当线路发生短路故障时，利用继电保护装置安装处故障前记忆电压、记忆电流、故障后电压以及线路参数，计算继电保护装置安装处背侧电源与母线之间的“第一种电压降落”；利用故障后继电保护装置安装处电流以及线路参数，计算继电保护装置安装处背侧电源与母线之间的“第二种电压降落”。取故障后一短时间作为数据窗，以母线指向线路方向为正方向，对比“第一种电压降落”与“第二种电压降落”变化的趋势，若继电保护装置安装处背侧电源与母线之间的“第一种电压降落”与“第二种电压降落”变化趋势相同，则判定为正方向故障；若继电保护装置安装处母线与背侧电源之间的“第一种电压降落”与“第二种电压降落”变化趋势相反，则判定为反方向故障。本发明方法判据简单、动作速度快、基于时域电气量，不受频率的影响，能够适用于新能源接入、存在直流落点的交流线路故障方向判别，能够解决含新能源接入、存在直流落点的交流线路发生短路故障时传统方向元件不能可靠的判别故障方向，从而容易在反方向故障时误动和正方向故障时拒动的问题，是一种普遍适用的线路故障方向判别方法。
如图1所示，本发明实施例提供的一种快速判别线路故障方向的方法，该方法基于的系统结构包括：第一等值电源1、第一母线2、被保护线路3第二母线4、第二等值电源5、第一继电保护装置6和第二继电保护装置7，第一等值电源1与第一母线2相连，第一母线2通过被保护线路3与第二母线4相连，第二母线4与第二等值电源5相连；第一继电保护装置6安装在第一母线2出口处，第二继电保护装置7安装在第二母线4出口处；其特征在于，所述方法包括下述步骤：
S1：通过所述第一继电保护装置6和所述第二继电保护装置7将采集的继电保护装置安装处的电压和电流信息分别送入各自信号处理单元进行数据处理，并获得记忆电压和记忆电流；其中，各继电保护装置处的记忆电压用uk(t-T)表示，记忆电流用ik(t-T)表示；其中，k＝ab,bc,ca，分别代表ab两相相间、bc两相相间、ca两相相间，t＝t0～t0+T1为故障后时间窗内各时刻，t0为故障发生时刻，T1为时间窗长度，T为一周波时间长度；
S2：当线路发生短路故障时，通过第一继电保护装置6和第二继电保护装置7的故障启动元件启动，并将采集的继电保护装置安装处的故障后电压和电流信息分别送入各自信号处理单元进行数据处理，获得故障后电压和故障后电流；其中，各继电保护装置安装处的故障后电压用uk(t)表示，故障后电流用ik(t)表示；
S3：根据所述记忆电压、所述记忆电流、所述故障后电压和线路参数，计算继电保护装置安装处背侧电源与母线之间的第一种电压降落；
根据所述故障后电流和线路参数，计算继电保护装置安装处背侧电源与母线之间的第二种电压降落；
S4：根据故障后一短时间内继电保护装置安装处背侧电源与母线之间的所述第一种电压降落和所述第二种电压降落的变化趋势来判断故障方向。
作为本发明的一个实施例，第一种电压降落计算方法为：
Δu1k(t)＝uk(t-T)+f[ik(t-T)]-uk(t)；
第二种电压降落计算方法为：
Δu2k(t)＝f[ik(t)]；
其中，k＝ab,bc,ca，分别代表ab两相相间、bc两相相间、ca两相相间，t为t0～t0+T1时间窗内各时刻，t0为故障发生时刻，T1为时间窗长度，T为一周波时间长度，Δu1k(t)为故障后“第一种电压降落”，Δu2k(t)为故障后“第二种电压降落”，uk(t-T)、ik(t-T)分别为继电保护装置安装处记忆电压和记忆电流，uk(t)、ik(t)分别为继电保护装置安装处故障后电压和故障后电流，f[ik(t-T)]为记忆电流ik(t-T)的函数，表示根据线路模型和相应的线路参数计算出的继电保护装置安装处背侧电源与母线之间的记忆电压降落，f[ik(t)]为故障后电流ik(t)的函数，表示根据线路模型和相应的线路参数计算出的继电保护装置安装处背侧电源与母线之间的故障后电压降落，也即“第二种电压降落”。
在本发明实施例中，步骤S4中，故障方向判别的方法具体为：
若故障后一短时间内，计算的继电保护装置安装处背侧电源与母线之间“第一种电压降落”和“第二种电压降落”变化趋势一致，即在故障后短时间内“第一种电压降落”和“第二种电压降落”同时增大或同时减小，则认为发生正向故障；
若故障后一短时间内，计算的继电保护装置安装处母线与背侧电源之间“第一种电压降落”和“第二种电压降落”变化趋势相反，即在故障后短时间内“第一种电压降落”和“第二种电压降落”一个增大一个减小，则认为发生反向故障。
本发明利用继电保护装置安装处故障前记忆电压、记忆电流、故障后继电保护装置安装处电压以及线路参数，计算继电保护装置安装处背侧电源与母线之间的“第一种电压降落”；同时利用故障后继电保护装置安装处电流，结合线路参数，计算继电保护装置安装处背侧电源与母线之间的“第二种电压降落”。取故障后一短时间作为数据窗，以母线指向线路方向为正方向，将“第一种电压降落”与“第二种电压降落”变化趋势进行对比确定故障方向。本发明提出的线路故障方向判别方法，判据简单、动作速度快、基于时域电气量，不受频率的影响、具有普适性，能够很好的解决含新能源接入以及直流落点的交流线路故障方向判别的问题。
为了更进一步的说明本发明实施例提供的快速判别线路故障方向的方法，现结合附图以及具体实例详述如下：
具体实施方式以含风电接入的电力系统为例进行说明，如图2所示，含风电接入的电力系统包含第一等值电源1，其与第一母线2相连，第一母线2通过被保护线路3与第二母线4相连，第二母线4与变压器8相连，变压器8与风电机组9相连；第一继电保护装置6安装在第一母线2出口处，第二继电保护装置7安装在第二母线4出口处。
采用上述系统快速判别线路故障方向的方法按照以下步骤实施：
步骤1：第一继电保护装置6、第二继电保护装置7，将采集的继电保护装置安装处的电压和电流信息分别送入各自信号处理单元进行数据处理，得到记忆电压和记忆电流；
步骤2：当线路发生短路故障时，第一继电保护装置6、第二继电保护装置7的故障启动元件启动，将采集的继电保护装置安装处的故障后电压和电流信息分别送入各自信号处理单元进行数据处理，得到故障后电压和电流；
步骤3：利用步骤1得到的记忆电压和记忆电流以及步骤2得到的故障后电压，结合线路参数，计算继电保护装置安装处背侧电源与母线之间的“第一种电压降落”；利用步骤2中得到的故障后电流，计算继电保护装置安装处背侧电源与母线之间的“第二种电压降落”；
步骤4：根据故障后一短时间内步骤3中得到的继电保护装置安装处背侧电源与母线之间的“第一种电压降落”和“第二种电压降落”变化趋势，判断故障方向。
在本发明实施例中，步骤3中利用记忆电压、记忆电流、故障后电压和线路参数，计算继电保护装置安装处背侧电源与母线之间的“第一种电压降落”的方法为：
本实施例中采用基于RL线路模型的微分方程算法，取时间窗T1＝0.5ms，利用记忆电压、记忆电流和线路电气参数计算继电保护装置安装处背侧电源与母线之间的“第一种电压降落”；
本实施例中背侧电源与母线之间的“第一种电压降落”计算方法为：其中，k＝ab,bc,ca；分别代表ab两相相间、bc两相相间、ca两相相间，t＝t0～t0+T1为故障后时间窗内各时刻，t0为故障发生时刻，T1为时间窗长度，T为一周波时间长度，Δu1k(t)为故障后“第一种电压降落”，uk(t-T)、ik(t-T)分别为保护安装处记忆电压和记忆电流，uk(t)为故障后保护安装处电压，R为线路单位长度电阻，L为线路单位长度电感。
步骤3中利用故障后电流和线路参数，计算继电保护装置安装处背侧电源与母线之间的“第二种电压降落”的方法为：
本实施例中采用基于RL线路模型的微分方程算法，取时间窗T1＝0.5ms，利用故障后电流和线路电气参数直接计算继电保护装置安装处背侧电源与母线之间的“第二种电压降落”；
本实施例中背侧电源与母线之间的“第二种电压降落”计算方法为：
其中，k＝ab,bc,ca；分别代表ab两相相间、bc两相相间、ca两相相间，t＝t0～t0+T1为故障后时间窗内各时刻，t0为故障发生时刻，T1为时间窗长度，Δu2k(t)为故障后“第二种电压降落”，ik(t)为故障后保护安装处电流，R为线路单位长度电阻，L为线路单位长度电感。
步骤4中故障判别方法为：在本实施例中采用计算等效斜率的方法判断“第一种电压降落”与“第二种电压降落”的变化趋势，具体算法如下所示：
若成立，则认为背侧电源与母线之间的“第一种电压降落”与“第二种电压降落”的变化趋势一致，判定为正向故障；
若成立，则认为背侧电源与母线之间的“第一种电压降落”与“第二种电压降落”的变化趋势相反，判定为反向故障。
在本实施例中，设置第二继电保护装置7正向出口发生三相短路故障(图2中f1点)，第二继电保护装置7计算的“第一种电压降落”与“第二种电压降落”如图3所示，此时式(3)成立，故判定为正向故障。
在本实施例中，设置第二继电保护装置7反向出口发生三相短路故障(图2中f2点)，第二继电保护装置7计算的“第一种电压降落”与“第二种电压降落”如图4所示，此时式(4)成立，故判定为反向故障。
在本实施例中，设置第一继电保护装置6反向出口发生三相短路故障(图2中f3点)，第一继电保护装置6计算的“第一种电压降落”与“第二种电压降落”如图5所示，此时式(4)成立，故判定为反向故障。
参照图3、图4和图5，图3为本发明的含风电接入的电力系统在第二继电保护装置7正向出口处发生三相短路故障(f1)时，第二继电保护装置7计算的背侧电源(风电机组9)与母线(第二母线4)之间的“第一种电压降落”与“第二种电压降落”；图4为本发明的含风电接入的电力系统在第二继电保护装置7反向出口处发生三相短路故障(f2)时，第二继电保护装置7计算的背侧电源(风电机组9)与母线(第二母线4)之间的“第一种电压降落”与“第二种电压降落”；图5为本发明的含风电接入的电力系统在第一继电保护装置6反向出口处发生三相短路故障(f3)时，第一继电保护装置6计算的背侧电源(第一等值电源1)与母线(第一母线2)之间的“第一种电压降落”与“第二种电压降落”。从图3-图5中可以看出，本发明实施例提供的方法能够有效判断线路故障的方向。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种快速判别线路故障方向的方法，所述方法基于的系统结构包括：第一等值电源(1)、第一母线(2)、被保护线路(3)、第二母线(4)、第二等值电源(5)、第一继电保护装置(6)和第二继电保护装置(7)，第一等值电源(1)与第一母线(2)相连，第一母线(2)通过被保护线路(3)与第二母线(4)相连，第二母线(4)与第二等值电源(5)相连；第一继电保护装置(6)安装在第一母线(2)出口处，第二继电保护装置(7)安装在第二母线(4)出口处；其特征在于，所述方法包括下述步骤：
S1：采集继电保护装置安装处的电压和电流信息，并对采集的信息进行处理后获得记忆电压和记忆电流；
S2：当线路发生短路故障时，采集继电保护装置安装处的故障后电压和电流信息，并对采集的故障信息进行处理后获得故障后电压和故障后电流；
S3：根据所述记忆电压、所述记忆电流、所述故障后电压和线路参数，计算继电保护装置安装处背侧电源与母线之间的第一种电压降落；
根据所述故障后电流和线路参数，计算继电保护装置安装处背侧电源与母线之间的第二种电压降落；
S4：根据故障后一短时间内继电保护装置安装处背侧电源与母线之间的所述第一种电压降落和所述第二种电压降落的变化趋势来判断故障方向。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S3中，所述第一种电压降落计算方法为：Δu1k(t)＝uk(t-T)+f[ik(t-T)]-uk(t)；
所述第二种电压降落计算方法为：Δu2k(t)＝f[ik(t)]；
其中，k＝ab,bc,ca，分别代表ab两相相间、bc两相相间、ca两相相间，t为t0～t0+T1时间窗内各时刻，t0为故障发生时刻，T1为时间窗长度，T为一周波时间长度，Δu1k(t)为故障后“第一种电压降落”，Δu2k(t)为故障后“第二种电压降落”，uk(t-T)、ik(t-T)分别为继电保护装置安装处记忆电压和记忆电流，uk(t)、ik(t)分别为继电保护装置安装处故障后电压和故障后电流，f[ik(t-T)]为记忆电流ik(t-T)的函数，表示根据线路模型和相应的线路参数计算出的继电保护装置安装处背侧电源与母线之间的记忆电压降落，f[ik(t)]为故障后电流ik(t)的函数，表示根据线路模型和相应的线路参数计算出的继电保护装置安装处背侧电源与母线之间的故障后电压降落，也即“第二种电压降落”。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤S4中，故障方向判别的方法为：
若故障后一短时间内，计算的继电保护装置安装处背侧电源与母线之间“第一种电压降落”和“第二种电压降落”变化趋势一致，即在故障后短时间内“第一种电压降落”和“第二种电压降落”同时增大或同时减小，则认为发生正向故障；
若故障后一短时间内，计算的继电保护装置安装处母线与背侧电源之间“第一种电压降落”和“第二种电压降落”变化趋势相反，即在故障后短时间内“第一种电压降落”和“第二种电压降落”一个增大一个减小，则认为发生反向故障。
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