CN107390084B - 故障方向检测方法、装置、继电器和计算机可读存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种故障方向检测方法、装置、继电器和计算机可读存储介质，其中，故障方向检测方法包括：在开启继电保护时，同步采集故障线路的故障电压数据与故障电流数据；根据故障电压数据确定线模电压故障分量，以及根据故障电流数据确定线模电流故障分量；对线模电压故障分量与线模电流故障分量执行相关性计算，以得到特性相关系数；根据特性相关系数，确定线路故障的故障方向。通过本发明技术方案，在电压的过零点附近出现故障时也能够灵敏地判断出故障方向，动作速度在几个毫秒以内，并且能够不受高压输电线路中普遍采用的电容式电压互感器的有限频带影响，从而提高了故障方向检测的可靠性。

Description

故障方向检测方法、装置、继电器和计算机可读存储介质

技术领域

本发明涉及电力系统领域，具体而言，涉及一种高压输电线路的行波故障方向检测方法、一种高压输电线路的行波故障方向检测装置、一种行波方向继电器和一种计算机可读存储介质。

背景技术

随着我国电力需求的持续增长，逐渐形成由超特高压线路与高压电网连接的互联电网格局，其中，超特高压线路作为电网传输能量的主动脉，需要快速、可靠、灵敏以及有选择的继电保护保证整个电网系统的安全稳定运行。

在相关技术中，由于超特高压输电线路具有输电距离长，分布电容大，接地电阻大，故障暂态长，故障电流大，电流互感器饱和严重等问题，并且还需要大量使用补偿装置，给传统工频量保护造成巨大挑战，而由于行波方向比较式纵联保护具有动作迅速、灵敏，具有全线速动、通信量小、不需要同步对时等优点，是针对高压输电线路解决上述问题的重要选项之一，而由于行波方向继电器是行波方向比较式纵联保护的核心，其性能很大程度上决定了整个保护的性能。

目前，行波方向继电器可以分为极性比较式、幅值比较式、波阻抗式，其基本原理都是高速采集故障电压和电流信号，捕捉故障行波波头，利用故障电压行波波头和故障电流行波波头构成方向判据，判断出故障方向，随着高速数据采集技术、大容量存储技术和高速数据处理技术的飞速发展，以及小波变换、希尔伯特黄变换、S变换和数学形态学等提取故障行波的数学方法的提出，行波方向继电器在硬件技术和软件算法上可靠性足够，但在实际应用中仍然具有可靠性不足的缺陷，主要包括：

(1)在故障发生在电压过零点时，不会产生明显的故障行波，导致无法捕捉故障行波的波头。

(2)高压输电线线路普遍使用的电容式电压互感器带宽有限，无法有效地传变高频暂态行波，导致无法捕捉故障电压行波。

发明内容

本发明正是基于上述技术问题至少之一，提出了一种新的高压输电线路的行波故障方向检测方案，通过在开启继电保护时，同步采集故障线路的故障电压数据与故障电流数据，根据故障电压数据确定线模电压故障分量，以及根据故障电流数据确定线模电流故障分量，通过对线模电压故障分量与线模电流故障分量执行相关性计算，可以得到特性相关系数，根据特性相关系数，确定线路故障的故障方向，与现有技术中的行波方向继电器采集初始行波波头判断故障方向的方案相比，保证动作速度在几个毫秒以内的基础上，在电压的过零点附近出现故障时也能够灵敏地判断出故障方向，并且能够不受高压输电线路中普遍采用的电容式电压互感器的有限频带影响，从而提高了故障方向检测的可靠性。

有鉴于此，本发明提出了一种高压输电线路的行波故障方向检测方法，包括：在开启继电保护时，同步采集故障线路的故障电压数据与故障电流数据；根据故障电压数据确定线模电压故障分量，以及根据故障电流数据确定线模电流故障分量；对线模电压故障分量与线模电流故障分量执行相关性计算，以得到特性相关系数；根据特性相关系数，确定线路故障的故障方向。

在该技术方案中，通过在开启继电保护时，同步采集故障线路的故障电压数据与故障电流数据，根据故障电压数据确定线模电压故障分量，以及根据故障电流数据确定线模电流故障分量，通过对线模电压故障分量与线模电流故障分量执行相关性计算，可以得到特性相关系数，根据特性相关系数，确定线路故障的故障方向，与现有技术中的行波方向继电器采集初始行波波头判断故障方向的方案相比，保证动作速度在几个毫秒以内的基础上，在电压的过零点附近出现故障时也能够灵敏地判断出故障方向，并且能够不受高压输电线路中普遍采用的电容式电压互感器的有限频带影响，从而提高了故障方向检测的可靠性。

具体地，方向继电器指当电网某处发生故障或异常情况时，能判别其相对于某一给定点方向的一种继电器，通过检测线模电压故障分量与线模电流故障分量之间的特性相关系数，根据特性相关系数满足的预设条件确定对应的故障方向，在保证速度与灵敏性的基础上，提升了检测的可靠性，从而能够推动行波方向继电器在高压电网保护中的应用。

在上述技术方案中，优选地，根据故障电压数据确定线模电压故障分量，以及根据故障电流数据确定线模电流故障分量，具体包括：将故障电压数据与预存电压数据执行差值计算，以及将故障电流数据与预存电流数据执行差值计算，以分别得到电压故障分量与电流故障分量；对电压故障分量与电流故障分量分别执行相模变换操作，以得到转换后的线模电压故障分量与线模电流故障分量。

在该技术方案中，通过将故障电压数据与预存电压数据执行差值计算，以及将故障电流数据与预存电流数据执行差值计算，可以分别得到电压故障分量与电流故障分量，通过对电压故障分量与电流故障分量分别执行相模变换操作，以得到转换后的线模电压故障分量与线模电流故障分量，进而根据线模电压故障分量与线模电流故障分量的相关性，以确定故障方向。

其中，可以执行差值计算后进行相模转换，也可以在进行相模转换后进行差值计算。

在上述任一项技术方案中，优选地，在开启继电保护后，分别采集故障线路的故障电压数据与故障电流数据，具体包括：根据第一组方程，分别确定采样数据窗与采样点数；在开启继电保护时，根据预设采样频率、采样数据窗与采样点数，分别采集三相电压u_a、u_b和u_c与三相电流i_a、i_b和i_c，以作为故障电压数据与故障电流数据，其中，第一组方程包括N＝int{T×F}，T为采样数据窗，N为采样点数，L为高压输电线路的长度，v为线模波速度，F为预设采样频率。

在该技术方案中，通过线路长度和线模波速度计算采样数据窗，进而确定采样点数，以根据采样频率、采样数据窗和采样点数执行采样操作，从而得到三相电压和三相电流，其中，采样数据窗为从检测到故障发生开始采样三相电压和三相电流的时间长度。

在上述任一项技术方案中，优选地，在开启继电保护时，分别采集故障线路的故障电压数据与故障电流数据前，还包括：在触发采集故障电压数据与故障电流数据的指定工频周期前，采集实时电压数据与实时电流数据，以确定为预存电压数据与预存电流数据。

在该技术方案中，通过将指定工频周期之前采集到的三相电压和三相电流作为预存电压数据和预存电流数据，以通过差值计算得到三相电压故障分量和三相电流故障分量，能够充分利用输电线路故障后一段时间内的故障行波过程构成方向判据，从而为故障方向的检测提供了数据基础。

在上述任一项技术方案中，优选地，分别将故障电压数据与预存电压数据，以及将故障电流数据与预存电流数据执行差值计算，以得到电压故障分量与电流故障分量，具体包括：根据第二组方程执行差值计算，其中，第二组方程包括

n为采样序列，N_p为指定工频周期的采样点数，Δu为电压故障分量，Δi为电流故障分量。

具体地，指定工频周期为1个工频周期(20ms)，N_p为20ms内的采样点数。

在上述任一项技术方案中，优选地，对电压故障分量与电流故障分量分别执行相模变换操作，以得到转换后的线模电压故障分量与线模电流故障分量，具体包括：根据第三组方程，执行相模变换操作，以分别获得三个线模电压Δu_j(j＝α,β,γ)作为线模电压故障分量，以及三个线模电流Δi_j(j＝α,β,γ)作为线模电流故障分量，其中，第三组方程包括

在该技术方案中，通过采用第三组方程，对三相电压故障分量和三相电流故障分量进行相模变换，以将相域中相互间互有电磁耦合联系的各个相电压和相电流，变换为模域中相互独立的各个模电压和模电流，从而对于每个模电压和模电流，即可根据单导线线路的行波方程求解。

在上述任一项技术方案中，优选地，对电压故障分量与电流故障分量分别执行相模变换操作，以得到转换后的线模电压故障分量与线模电流故障分量，还包括：根据第四组方程，对三个线模电压与三个线模电流执行傅里叶滤波操作，以得到滤波后的线模电压故障分量与滤波后的线模电流故障分量，其中，第四组方程包括

k为指定变量。

在该技术方案中，通过对三相电压故障分量(即三个线模电压)和三相电流故障分量(即三个线模电流)执行傅里叶滤波操作，能够将谐波和高频非整次分量滤除，避免了电容式电压互感器的频带限制，进而提升了故障方向检测的准确性。

在上述任一项技术方案中，优选地，对线模电压故障分量与线模电流故障分量执行相关性计算，以得到特性相关系数，具体包括：根据第五组计算方程，确定滤波后的线模电压故障分量与滤波后的线模电流故障分量的特性相关系数，

其中，

C_j为特性相关系数。

在该技术方案中，通过第五组方程，确定滤波后的线模电压故障分量与滤波后的线模电流故障分量之间的特性相关系数，以确定线模电压故障分量与线模电流故障分量的相关性，由于相关系数表征的是线模电压故障分量与线模电流故障分量之间的线性关系，从而根据特性相关系数满足的数值关系确定为反向动作还是正向动作，进而确定故障方向。

在上述任一项技术方案中，优选地，根据特性相关系数，确定线路故障的故障方向，具体包括：在检测到特性相关系数满足第六组方程时，确定行波故障方向为反向故障；其中，第六组方程包括

或

或

ε_r为反向动作整定值，0.2≤ε_r≤0.8。

在上述任一项技术方案中，优选地，根据特性相关系数，确定线路故障的故障方向，具体还包括：在检测到特性相关系数满足第七组方程时，确定行波故障方向为正向故障，其中，第七组方程包括或

或ε_f为正向动作整定值，0.5≤ε_f≤1.2。

根据本发明的第二方面，还提出了一种高压输电线路的行波故障方向检测装置，包括：采集单元，用于在开启继电保护时，同步采集故障线路的故障电压数据与故障电流数据；确定单元，用于根据故障电压数据确定线模电压故障分量，以及根据故障电流数据确定线模电流故障分量；计算单元，用于对线模电压故障分量与线模电流故障分量执行相关性计算，以得到特性相关系数；确定单元还用于：根据特性相关系数，确定线路故障的故障方向。

在该技术方案中，通过在开启继电保护时，同步采集故障线路的故障电压数据与故障电流数据，根据故障电压数据确定线模电压故障分量，以及根据故障电流数据确定线模电流故障分量，通过对线模电压故障分量与线模电流故障分量执行相关性计算，可以得到特性相关系数，根据特性相关系数，确定线路故障的故障方向，与现有技术中的行波方向继电器采集初始行波波头判断故障方向的方案相比，保证动作速度在几个毫秒以内的基础上，在电压的过零点附近出现故障时也能够灵敏地判断出故障方向，并且能够不受高压输电线路中普遍采用的电容式电压互感器的有限频带影响，从而提高了故障方向检测的可靠性。

具体地，方向继电器指当电网某处发生故障或异常情况时，能判别其相对于某一给定点方向的一种继电器，通过检测线模电压故障分量与线模电流故障分量之间的特性相关系数，根据特性相关系数满足的预设条件确定对应的故障方向，在保证速度与灵敏性的基础上，提升了检测的可靠性，从而能够推动行波方向继电器在高压电网保护中的应用。

在上述任一项技术方案中，优选地，计算单元还用于：将故障电压数据与预存电压数据执行差值计算，以及将故障电流数据与预存电流数据执行差值计算，以分别得到电压故障分量与电流故障分量；装置还包括：变换单元，用于对电压故障分量与电流故障分量分别执行相模变换操作，以得到转换后的线模电压故障分量与线模电流故障分量。

在该技术方案中，通过将故障电压数据与预存电压数据执行差值计算，以及将故障电流数据与预存电流数据执行差值计算，可以分别得到电压故障分量与电流故障分量，通过对电压故障分量与电流故障分量分别执行相模变换操作，以得到转换后的线模电压故障分量与线模电流故障分量，进而根据线模电压故障分量与线模电流故障分量的相关性，以确定故障方向。

其中，可以执行差值计算后进行相模转换，也可以在进行相模转换后进行差值计算。

在上述任一项技术方案中，优选地，确定单元还用于：根据第一组方程，分别确定采样数据窗与采样点数；采集单元还用于：在开启继电保护时，根据预设采样频率、采样数据窗与采样点数，分别采集三相电压u_a、u_b和u_c与三相电流i_a、i_b和i_c，以作为故障电压数据与故障电流数据，其中，第一组方程包括

N＝int{T×F}，T为采样数据窗，N为采样点数，L为高压输电线路的长度，v为线模波速度，F为预设采样频率。

在该技术方案中，通过线路长度和线模波速度计算采样数据窗，进而确定采样点数，以根据采样频率、采样数据窗和采样点数执行采样操作，从而得到三相电压和三相电流，其中，采样数据窗为从检测到故障发生开始采样三相电压和三相电流的时间长度。

在上述任一项技术方案中，优选地，采集单元还用于：在触发采集故障电压数据与故障电流数据的指定工频周期前，采集实时电压数据与实时电流数据，以确定为预存电压数据与预存电流数据。

在该技术方案中，通过将指定工频周期之前采集到的三相电压和三相电流作为预存电压数据和预存电流数据，以通过差值计算得到三相电压故障分量和三相电流故障分量，能够充分利用输电线路故障后一段时间内的故障行波过程构成方向判据，从而为故障方向的检测提供了数据基础。

在上述任一项技术方案中，优选地，还包括：执行单元，用于根据第二组方程执行差值计算，其中，第二组方程包括

n为采样序列，N_p为指定工频周期的采样点数，Δu为电压故障分量，Δi为电流故障分量。

具体地，指定工频周期为1个工频周期(20ms)，N_p为20ms内的采样点数。

在上述任一项技术方案中，优选地，执行单元还用于：根据第三组方程，执行相模变换操作，以分别获得三个线模电压Δu_j(j＝α,β,γ)作为线模电压故障分量，以及三个线模电流Δi_j(j＝α,β,γ)作为线模电流故障分量，

其中，第三组方程包括

在该技术方案中，通过采用第三组方程，对三相电压故障分量和三相电流故障分量进行相模变换，以将相域中相互间互有电磁耦合联系的各个相电压和相电流，变换为模域中相互独立的各个模电压和模电流，从而对于每个模电压和模电流，即可根据单导线线路的行波方程求解。

在上述任一项技术方案中，优选地，执行单元还用于：根据第四组方程，对三个线模电压与三个线模电流执行傅里叶滤波操作，以得到滤波后的线模电压与滤波后的线模电流，其中，第四组方程包括

k为指定变量。

在该技术方案中，通过对三相电压故障分量(即三个线模电压)和三相电流(即三个线模电流)故障分量执行傅里叶滤波操作，能够将谐波和高频非整次分量滤除，避免了电容式电压互感器的频带限制，进而提升了故障方向检测的准确性。

在上述任一项技术方案中，优选地，确定单元还用于：根据第五组计算方程，确定滤波后的线模电压故障分量与滤波后的线模电流故障分量的特性相关系数，其中，C_j为特性相关系数。

在该技术方案中，通过第五组方程，确定滤波后的线模电压故障分量与滤波后的线模电流故障分量之间的特性相关系数，以确定线模电压故障分量与线模电流故障分量的相关性，由于相关系数表征的是线模电压故障分量与线模电流故障分量之间的线性关系，从而根据特性相关系数满足的数值关系确定为反向动作还是正向动作，进而确定故障方向。

在上述任一项技术方案中，优选地，确定单元还用于：在检测到特性相关系数满足第六组方程时，确定行波故障方向为反向故障；其中，第六组方程包括

或

或ε_r为反向动作整定值，0.2≤ε_r≤0.8。

在上述任一项技术方案中，优选地，确定单元还用于：在检测到特性相关系数满足第七组方程时，确定行波故障方向为正向故障，其中，第七组方程包括

或或

ε_f为正向动作整定值，0.5≤ε_f≤1.2。

根据本发明的第三方面，还提出了一种行波方向继电器，包括处理器，处理器用于执行存储器中存储的计算机程序时实现上述任意一项方法的步骤。

根据本发明的第四方面，还提出了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述任意一项方法的步骤。

通过以上技术方案，与现有技术中的行波方向继电器采集初始行波波头判断故障方向的方案相比，保证动作速度在几个毫秒以内的基础上，在电压的过零点附近出现故障时也能够灵敏地判断出故障方向，并且能够不受高压输电线路中普遍采用的电容式电压互感器的有限频带影响，从而提高了故障方向检测的可靠性。

附图说明

图1示出了根据本发明的一个实施例的高压输电线路的行波故障方向检测方法的示意流程图；

图2示出了根据本发明的实施例的高压输电线路的行波故障方向检测装置的示意框图；

图3示出了根据本发明的另一个实施例的高压输电线路的行波故障方向检测方法的示意流程图；

图4示出了根据本发明的实施例的行波方向继电器的示意框图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用第三方不同于在此描述的第三方方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

图1示出了根据本发明的实施例的高压输电线路的行波故障方向检测方法的示意流程图。

如图1所示，根据本发明的实施例的高压输电线路的行波故障方向检测方法，包括：步骤102，在开启继电保护时，同步采集故障线路的故障电压数据与故障电流数据；步骤104，根据故障电压数据确定线模电压故障分量，以及根据故障电流数据确定线模电流故障分量；步骤106，对线模电压故障分量与线模电流故障分量执行相关性计算，以得到特性相关系数；步骤108根据特性相关系数，确定线路故障的故障方向。

在该实施例中，通过在开启继电保护时，同步采集故障线路的故障电压数据与故障电流数据，根据故障电压数据确定线模电压故障分量，以及根据故障电流数据确定线模电流故障分量，通过对线模电压故障分量与线模电流故障分量执行相关性计算，可以得到特性相关系数，根据特性相关系数，确定线路故障的故障方向，与现有技术中的行波方向继电器采集初始行波波头判断故障方向的方案相比，保证动作速度在几个毫秒以内的基础上，在电压的过零点附近出现故障时也能够灵敏地判断出故障方向，并且能够不受高压输电线路中普遍采用的电容式电压互感器的有限频带影响，从而提高了故障方向检测的可靠性。

具体地，方向继电器指当电网某处发生故障或异常情况时，能判别其相对于某一给定点方向的一种继电器，通过检测线模电压故障分量与线模电流故障分量之间的特性相关系数，根据特性相关系数满足的预设条件确定对应的故障方向，在保证速度与灵敏性的基础上，提升了检测的可靠性，从而能够推动行波方向继电器在高压电网保护中的应用。

在上述实施例中，优选地，根据故障电压数据确定线模电压故障分量，以及根据故障电流数据确定线模电流故障分量，具体包括：将故障电压数据与预存电压数据执行差值计算，以及将故障电流数据与预存电流数据执行差值计算，以分别得到电压故障分量与电流故障分量；对电压故障分量与电流故障分量分别执行相模变换操作，以得到转换后的线模电压故障分量与线模电流故障分量。

在该实施例中，通过将故障电压数据与预存电压数据执行差值计算，以及将故障电流数据与预存电流数据执行差值计算，可以分别得到电压故障分量与电流故障分量，通过对电压故障分量与电流故障分量分别执行相模变换操作，以得到转换后的线模电压故障分量与线模电流故障分量，进而根据线模电压故障分量与线模电流故障分量的相关性，以确定故障方向。

其中，可以执行差值计算后进行相模转换，也可以在进行相模转换后进行差值计算。

在上述任一项实施例中，优选地，在开启继电保护后，分别采集故障线路的故障电压数据与故障电流数据，具体包括：根据第一组方程，分别确定采样数据窗与采样点数；在开启继电保护时，根据预设采样频率、采样数据窗与采样点数，分别采集三相电压u_a、u_b和u_c与三相电流i_a、i_b和i_c，以作为故障电压数据与故障电流数据，其中，第一组方程包括

N＝int{T×F}，T为采样数据窗，N为采样点数，L为高压输电线路的长度，v为线模波速度，F为预设采样频率。

在该实施例中，通过线路长度和线模波速度计算采样数据窗，进而确定采样点数，以根据采样频率、采样数据窗和采样点数执行采样操作从而得到三相电压和三相电流，其中，采样数据窗为从检测到故障发生开始采样三相电压和三相电流的时间长度。

在上述任一项实施例中，优选地，在开启继电保护时，分别采集故障线路的故障电压数据与故障电流数据前，还包括：在触发采集故障电压数据与故障电流数据的指定工频周期前，采集实时电压数据与实时电流数据，以确定为预存电压数据与预存电流数据。

在该实施例中，通过将指定工频周期之前采集到的三相电压和三相电流作为预存电压数据和预存电流数据，以通过差值计算得到三相电压故障分量和三相电流故障分量，能够充分利用输电线路故障后一段时间内的故障行波过程构成方向判据，从而为故障方向的检测提供了数据基础。

在上述任一项实施例中，优选地，分别将故障电压数据与预存电压数据，以及将故障电流数据与预存电流数据执行差值计算，以得到电压故障分量与电流故障分量，具体包括：根据第二组方程执行差值计算，其中，第二组方程包括

n为采样序列，N_p为指定工频周期的采样点数，Δu为电压故障分量，Δi为电流故障分量。

具体地，指定工频周期为1个工频周期(20ms)，N_p为20ms内的采样点数。

在上述任一项实施例中，优选地，对电压故障分量与电流故障分量分别执行相模变换操作，以得到转换后的线模电压故障分量与线模电流故障分量，具体包括：根据第三组方程，执行相模变换操作，以分别获得三个线模电压Δu_j(j＝α,β,γ)作为线模电压故障分量，以及三个线模电流Δi_j(j＝α,β,γ)作为线模电流故障分量，其中，第三组方程包括

在该实施例中，通过采用第三组方程，对三相电压故障分量和三相电流故障分量进行相模变换，以将相域中相互间互有电磁耦合联系的各个相电压和相电流，变换为模域中相互独立的各个模电压和模电流，从而对于每个模电压和模电流，即可根据单导线线路的行波方程求解。

在上述任一项实施例中，优选地，对电压故障分量与电流故障分量分别执行相模变换操作，以得到转换后的线模电压故障分量与线模电流故障分量，还包括：根据第四组方程，对三个线模电压与三个线模电流执行傅里叶滤波操作，以得到滤波后的线模电压故障分量与滤波后的线模电流故障分量，其中，第四组方程包括k为指定变量。

在该实施例中，通过对三相电压故障分量(即三个线模电压)和三相电流故障分量(即三个线模电流)执行傅里叶滤波操作，能够将谐波和高频非整次分量滤除，避免了电容式电压互感器的频带限制，进而提升了故障方向检测的准确性。

在上述任一项实施例中，优选地，对线模电压故障分量与线模电流故障分量执行相关性计算，以得到特性相关系数，具体包括：根据第五组计算方程，确定滤波后的线模电压故障分量与滤波后的线模电流故障分量的特性相关系数，

其中，

C_j为特性相关系数。

在该实施例中，通过第五组方程，确定滤波后的线模电压故障分量与滤波后的线模电流故障分量之间的特性相关系数，以确定线模电压故障分量与线模电流故障分量的相关性，由于相关系数表征的是线模电压故障分量与线模电流故障分量之间的线性关系，从而根据特性相关系数满足的数值关系确定为反向动作还是正向动作，进而确定故障方向。

在上述任一项实施例中，优选地，根据特性相关系数，确定线路故障的故障方向，具体包括：在检测到特性相关系数满足第六组方程时，确定行波故障方向为反向故障；其中，第六组方程包括

或

或

ε_r为反向动作整定值，0.2≤ε_r≤0.8。

在上述任一项实施例中，优选地，根据特性相关系数，确定线路故障的故障方向，具体还包括：在检测到特性相关系数满足第七组方程时，确定行波故障方向为正向故障，其中，第七组方程包括

或

或

ε_f为正向动作整定值，0.5≤ε_f≤1.2。

图2示出了根据本发明的实施例的高压输电线路的行波故障方向检测装置的示意框图。

如图2所示，根据本发明的实施例的高压输电线路的行波故障方向检测装置200，包括：采集单元202，用于在开启继电保护时，同步采集故障线路的故障电压数据与故障电流数据；确定单元204，用于根据故障电压数据确定线模电压故障分量，以及根据故障电流数据确定线模电流故障分量；计算单元206，用于对线模电压故障分量与线模电流故障分量执行相关性计算，以得到特性相关系数；确定单元202还用于：根据特性相关系数，确定线路故障的故障方向。

在该实施例中，通过在开启继电保护时，同步采集故障线路的故障电压数据与故障电流数据，根据故障电压数据确定线模电压故障分量，以及根据故障电流数据确定线模电流故障分量，通过对线模电压故障分量与线模电流故障分量执行相关性计算，可以得到特性相关系数，根据特性相关系数，确定线路故障的故障方向，与现有技术中的行波方向继电器采集初始行波波头判断故障方向的方案相比，保证动作速度在几个毫秒以内的基础上，在电压的过零点附近出现故障时也能够灵敏地判断出故障方向，并且能够不受高压输电线路中普遍采用的电容式电压互感器的有限频带影响，从而提高了故障方向检测的可靠性。

具体地，方向继电器指当电网某处发生故障或异常情况时，能判别其相对于某一给定点方向的一种继电器，通过检测线模电压故障分量与线模电流故障分量之间的特性相关系数，根据特性相关系数满足的预设条件确定对应的故障方向，在保证速度与灵敏性的基础上，提升了检测的可靠性，从而能够推动行波方向继电器在高压电网保护中的应用。

在上述任一项实施例中，优选地，计算单元206还用于：将故障电压数据与预存电压数据执行差值计算，以及将故障电流数据与预存电流数据执行差值计算，以分别得到电压故障分量与电流故障分量；装置200还包括：变换单元208，用于对电压故障分量与电流故障分量分别执行相模变换操作，以得到转换后的线模电压故障分量与线模电流故障分量。

在该实施例中，通过将故障电压数据与预存电压数据执行差值计算，以及将故障电流数据与预存电流数据执行差值计算，可以分别得到电压故障分量与电流故障分量，通过对电压故障分量与电流故障分量分别执行相模变换操作，以得到转换后的线模电压故障分量与线模电流故障分量，进而根据线模电压故障分量与线模电流故障分量的相关性，以确定故障方向。

其中，可以执行差值计算后进行相模转换，也可以在进行相模转换后进行差值计算。

在上述任一项实施例中，优选地，确定单元204还用于：根据第一组方程，分别确定采样数据窗与采样点数；采集单元202还用于：在开启继电保护时，根据预设采样频率、采样数据窗与采样点数，分别采集三相电压u_a、u_b和u_c与三相电流i_a、i_b和i_c，以作为故障电压数据与故障电流数据，其中，第一组方程包括

N＝int{T×F}，T为采样数据窗，N为采样点数，L为高压输电线路的长度，v为线模波速度，F为预设采样频率。

在该实施例中，通过线路长度和线模波速度计算采样数据窗，进而确定采样点数，以根据采样频率、采样数据窗和采样点数执行采样操作，从而得到三相电压和三相电流，其中，采样数据窗为从检测到故障发生开始采样三相电压和三相电流的时间长度。

在上述任一项实施例中，优选地，采集单元202还用于：在触发采集故障电压数据与故障电流数据的指定工频周期前，采集实时电压数据与实时电流数据，以确定为预存电压数据与预存电流数据。

在该实施例中，通过将指定工频周期之前采集到的三相电压和三相电流作为预存电压数据和预存电流数据，以通过差值计算得到三相电压故障分量和三相电流故障分量，能够充分利用输电线路故障后一段时间内的故障行波过程构成方向判据，从而为故障方向的检测提供了数据基础。

在上述任一项实施例中，优选地，还包括：执行单元210，用于根据第二组方程执行差值计算，其中，第二组方程包括n为采样序列，N_p为指定工频周期的采样点数，Δu为电压故障分量，Δi为电流故障分量。

具体地，指定工频周期为1个工频周期(20ms)，N_p为20ms内的采样点数。

在上述任一项实施例中，优选地，执行单元210还用于：根据第三组方程，执行相模变换操作，以分别获得三个线模电压Δu_j(j＝α,β,γ)作为线模电压故障分量，以及三个线模电流Δi_j(j＝α,β,γ)作为线模电流故障分量，

其中，第三组方程包括

在该实施例中，通过采用第三组方程，对三相电压故障分量和三相电流故障分量进行相模变换，以将相域中相互间互有电磁耦合联系的各个相电压和相电流，变换为模域中相互独立的各个模电压和模电流，从而对于每个模电压和模电流，即可根据单导线线路的行波方程求解。

在上述任一项实施例中，优选地，执行单元210还用于：根据第四组方程，对三个线模电压与三个线模电流执行傅里叶滤波操作，以得到滤波后的线模电压故障分量与滤波后的线模电流故障分量，其中，第四组方程包括

k为指定变量。

在该实施例中，通过对三相电压故障分量(即三个线模电压)和三相电流故障分量(即三个线模电流)执行傅里叶滤波操作，能够将谐波和高频非整次分量滤除，避免了电容式电压互感器的频带限制，进而提升了故障方向检测的准确性。

在上述任一项实施例中，优选地，确定单元204还用于：根据第五组计算方程，确定滤波后的线模电压与滤波后的线模电流的特性相关系数，其中，

C_j为特性相关系数。

在该实施例中，通过第五组方程，确定滤波后的线模电压故障分量与滤波后的线模电流故障分量之间的特性相关系数，以确定线模电压故障分量与线模电流故障分量的相关性，由于相关系数表征的是线模电压故障分量与线模电流故障分量之间的线性关系，从而根据特性相关系数满足的数值关系确定为反向动作还是正向动作，进而确定故障方向。

在上述任一项实施例中，优选地，确定单元204还用于：在检测到特性相关系数满足第六组方程时，确定行波故障方向为反向故障；其中，第六组方程包括

或

或

ε_r为反向动作整定值，0.2≤ε_r≤0.8。

在上述任一项实施例中，优选地，确定单元204还用于：在检测到特性相关系数满足第七组方程时，确定行波故障方向为正向故障，其中，第七组方程包括

或

或

ε_f为正向动作整定值，0.5≤ε_f≤1.2。

如图3所示，在本实施例中被保护线路全长400km，线模波速度为2.911*105km/s，采样数据窗为2.748ms，采样率为10kHz，采样点数为27点,工频周期为20ms，工频周期内的采样点数为200，反向动作整定值ε_r为0.6，正向动作整定值ε_f为1.2。

根据本发明的另一个实施例的高压输电线路的行波故障方向检测方法，包括：步骤302，启动继电保护；步骤304，以10kHz采样率采集27点三相电压和电流；步骤306，与200点前的电压和电流相减得到故障分量电压Δu和故障分量电流Δi；步骤308，三相故障分量电压和故障分量电流经过相模变换得到线模Δu_j和Δi_j(j＝α,β,γ)；步骤310，Δu_j和Δi_j经过傅里叶滤波得到Δu_j'和Δi_j'；步骤312，对Δu_j'和Δi_j'在数据窗内求特性相关系数C_j；步骤314，两个模量满足C_j>0.4，在判定结果为是时，进入步骤318，在判断结果为否时，结束进程；步骤316，两个模量满足C_j<0.2，在判定结果为是时，进入步骤320，在判断结果为否时，结束进程；步骤318，判定为反向故障；步骤320，判定为正向故障。

具体地，保护启动后，以采样率10kHz采集三相电压u_a、u_b和u_c，以及三相电流i_a、i_b和i_c，采样数据窗大小为2.748ms，采样点数为27点。

根据方程式(1)，将所采集三相电压和电流与工频一周期前，也即200点前的电压和电流相减，得到三相电压故障分量Δu_a、Δu_b和Δu_c与三相电流故障分量Δi_a、Δi_b和Δi_c。

故障分量的计算方法为：

其中，n为采样序列。

根据方程(2)对三相电压故障分量和电流故障分量分别做相模变换，得到3个线模电压Δu_j(j＝α,β,γ)和3个线模电流Δi_j(j＝α,β,γ)。

根据方程(3)，对3个线模电压Δu_j(j＝α,β,γ)和3个线模电流Δi_j(j＝α,β,γ)进行傅里叶滤波，得到滤波后的电压Δu_j‘(j＝α,β,γ)和电流Δi_j′(j＝α,β,γ)。

根据方程(4)，对滤波后的电压Δu_j‘(j＝α,β,γ)和电流Δi_j’(j＝α,β,γ)在采样数据窗内求特性相关系数C_j。

根据方程(5)，检测反向故障，如果特性相关系数C_j满足方程(5)，则判断为反向故障。

根据方程(6)，检测正向故障，如果特性相关系数C_j满足方程(6)，则判断为正向故障。

图4示出了根据本发明的实施例的行波方向继电器的示意框图。

如图4所示，根据本发明的实施例的行波方向继电器400，包括处理器402，处理器402用于执行存储器中存储的计算机程序时实现上述任意一项实施例中的方法的步骤。

根据本发明的实施例的计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述任意一项实施例中的方法的步骤。

其中，C_α、C_β、C_γ分别为三相的特性相关系数。

以上结合附图详细说明了本发明的技术方案，与现有技术中的行波方向继电器采集初始行波波头判断故障方向的方案相比，保证动作速度在几个毫秒以内的基础上，在电压的过零点附近出现故障时也能够灵敏地判断出故障方向，并且不受高压输电线路中普遍采用的电容式电压互感器的有限频带影响，从而提高了故障方向检测的可靠性。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (16)

1.一种高压输电线路的行波故障方向检测方法，其特征在于，包括：

在开启继电保护时，同步采集故障线路的故障电压数据与故障电流数据；

根据所述故障电压数据确定线模电压故障分量，以及根据所述故障电流数据确定线模电流故障分量；

对所述线模电压故障分量与所述线模电流故障分量执行相关性计算，以得到特性相关系数；

根据所述特性相关系数，确定所述线路故障的故障方向；

所述根据所述故障电压数据确定线模电压故障分量，以及根据所述故障电流数据确定线模电流故障分量，具体包括：

将所述故障电压数据与预存电压数据执行差值计算，以及将所述故障电流数据与预存电流数据执行所述差值计算，以分别得到电压故障分量与电流故障分量；

对所述电压故障分量与所述电流故障分量分别执行相模变换操作，以得到转换后的线模电压故障分量与线模电流故障分量；

所述根据所述特性相关系数，确定所述线路故障的故障方向，具体包括：

在检测到所述特性相关系数满足第六组方程时，确定所述行波故障方向为反向故障，

其中，所述第六组方程包括

或

或

所述ε_r为反向动作整定值，0.2≤ε_r≤0.8；

所述根据所述特性相关系数，确定所述线路故障的故障方向，具体还包括：

在检测到所述特性相关系数满足第七组方程时，确定所述行波故障方向为正向故障，

其中，所述第七组方程包括

或或

所述ε_f为正向动作整定值，0.5≤ε_f≤1.2；

其中，C_α、C_β、C_γ分别为三相的特性相关系数。

2.根据权利要求1所述的高压输电线路的行波故障方向检测方法，其特征在于，所述在开启继电保护后，分别采集故障线路的故障电压数据与故障电流数据，具体包括：

根据第一组方程，分别确定采样数据窗与采样点数；

在开启继电保护时，根据预设采样频率、所述采样数据窗与所述采样点数，分别采集三相电压u_a、u_b和u_c与三相电流i_a、i_b和i_c，以作为所述故障电压数据与所述故障电流数据，

其中，所述第一组方程包括

N＝int{T×F}，所述T为所述采样数据窗，所述N为所述采样点数，所述L为所述高压输电线路的长度，所述v为线模波速度，所述F为所述预设采样频率。

3.根据权利要求1所述的高压输电线路的行波故障方向检测方法，其特征在于，所述在开启继电保护时，分别采集故障线路的故障电压数据与故障电流数据前，还包括：

在触发采集所述故障电压数据与所述故障电流数据的指定工频周期前，采集实时电压数据与实时电流数据，以确定为所述预存电压数据与所述预存电流数据。

4.根据权利要求3所述的高压输电线路的行波故障方向检测方法，其特征在于，所述分别将所述故障电压数据与预存电压数据，以及将所述故障电流数据与预存电流数据执行差值计算，以得到电压故障分量与电流故障分量，具体包括：

根据第二组方程执行所述差值计算，

其中，所述第二组方程包括

所述n为采样序列，所述N_p为所述指定工频周期内的采样点数，所述Δu为所述电压故障分量，所述Δi为所述电流故障分量。

5.根据权利要求4所述的高压输电线路的行波故障方向检测方法，其特征在于，所述对所述电压故障分量与所述电流故障分量分别执行相模变换操作，以得到转换后的线模电压故障分量与线模电流故障分量，具体包括：

根据第三组方程，执行所述相模变换操作，以分别获得三个线模电压Δu_j(j＝α,β,γ)作为所述线模电压故障分量，以及三个线模电流Δi_j(j＝α,β,γ)作为所述线模电流故障分量，

其中，所述第三组方程包括

6.根据权利要求5所述的高压输电线路的行波故障方向检测方法，其特征在于，所述对所述电压故障分量与所述电流故障分量分别执行相模变换操作，以得到转换后的线模电压故障分量与线模电流故障分量，还包括：

根据第四组方程，对所述三个线模电压与所述三个线模电流执行傅里叶滤波操作，以得到滤波后的线模电压故障分量与滤波后的线模电流故障分量，

其中，所述第四组方程包括

所述k为指定变量。

7.根据权利要求6所述的高压输电线路的行波故障方向检测方法，其特征在于，所述对所述线模电压故障分量与所述线模电流故障分量执行相关性计算，以得到特性相关系数，具体包括：

根据第五组计算方程，确定所述滤波后的线模电压故障分量与所述滤波后的线模电流故障分量的所述特性相关系数，

其中，所述C_j为所述特性相关系数。

8.一种高压输电线路的行波故障方向检测装置，其特征在于，包括：

采集单元，用于在开启继电保护时，同步采集故障线路的故障电压数据与故障电流数据；

确定单元，用于根据所述故障电压数据确定线模电压故障分量，以及根据所述故障电流数据确定线模电流故障分量；

计算单元，用于对所述线模电压故障分量与所述线模电流故障分量执行相关性计算，以得到特性相关系数；

所述确定单元还用于：根据所述特性相关系数，确定所述线路故障的故障方向；

所述计算单元还用于：将所述故障电压数据与预存电压数据执行差值计算，以及将所述故障电流数据与预存电流数据执行所述差值计算，以分别得到电压故障分量与电流故障分量；

所述装置还包括：

变换单元，用于对所述电压故障分量与所述电流故障分量分别执行相模变换操作，以得到转换后的线模电压故障分量与线模电流故障分量；

所述确定单元还用于：在检测到所述特性相关系数满足第六组方程时，确定所述行波故障方向为反向故障，

其中，所述第六组方程包括或

或ε_r为反向动作整定值，0.2≤ε_r≤0.8；

所述确定单元还用于：在检测到所述特性相关系数满足第七组方程时，确定所述行波故障方向为正向故障，

其中，所述第七组方程包括

或

或

ε_f为正向动作整定值，0.5≤ε_f≤1.2；

其中，C_α、C_β、C_γ分别为三相的特性相关系数。

9.根据权利要求8所述的高压输电线路的行波故障方向检测装置，其特征在于，

所述确定单元还用于：根据第一组方程，分别确定采样数据窗与采样点数；

所述采集单元还用于：在开启继电保护时，根据预设采样频率、所述采样数据窗与所述采样点数，分别采集三相电压u_a、u_b和u_c与三相电流i_a、i_b和i_c，以作为所述故障电压数据与所述故障电流数据，

其中，所述第一组方程包括

N＝int{T×F}，所述T为所述采样数据窗，所述N为所述采样点数，所述L为所述高压输电线路的长度，所述v为线模波速度，所述F为所述预设采样频率。

10.根据权利要求8所述的高压输电线路的行波故障方向检测装置，其特征在于，

所述采集单元还用于：在触发采集所述故障电压数据与所述故障电流数据的指定工频周期前，采集实时电压数据与实时电流数据，以确定为所述预存电压数据与所述预存电流数据。

11.根据权利要求10所述的高压输电线路的行波故障方向检测装置，其特征在于，还包括：

执行单元，用于根据第二组方程执行所述差值计算，

其中，所述第二组方程包括

所述n为采样序列，所述N_p为所述指定工频周期内的采样点数，所述Δu为所述电压故障分量，所述Δi为所述电流故障分量。

12.根据权利要求11所述的高压输电线路的行波故障方向检测装置，其特征在于，

所述执行单元还用于：根据第三组方程，执行所述相模变换操作，以分别获得三个线模电压Δu_j(j＝α,β,γ)作为所述线模电压故障分量，以及三个线模电流Δi_j(j＝α,β,γ)作为所述线模电流故障分量，

其中，所述第三组方程包括

13.根据权利要求12所述的高压输电线路的行波故障方向检测装置，其特征在于，

所述执行单元还用于：根据第四组方程，对所述三个线模电压与所述三个线模电流执行傅里叶滤波操作，以得到滤波后的线模电压故障分量与滤波后的线模电流故障分量，

其中，所述第四组方程包括

所述k为指定变量。

14.根据权利要求13所述的高压输电线路的行波故障方向检测装置，其特征在于，

所述确定单元还用于：根据第五组计算方程，确定所述滤波后的线模电压故障分量与所述滤波后的线模电流故障分量的所述特性相关系数，

其中，

所述C_j为所述特性相关系数。

15.一种行波方向继电器，其特征在于，所述行波方向继电器包括处理器，所述处理器用于执行存储器中存储的计算机程序时实现如权利要求1-7中任意一项所述方法的步骤。

16.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于：所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-7中任意一项所述方法的步骤。

Images