CN107431350B - 输电线的行波保护 - Google Patents

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Abstract

提供有用于输电线的行波保护的机制。方法包括从输电线的两个端部获取电压和电流极性两者的信息。方法包括将输电线的两个端部的电压和电流极性彼此进行比较。方法包括基于比较做出跳闸判定。

Description

输电线的行波保护
技术领域
本文中所呈现的实施例涉及行波保护，并且特别地涉及用于输电线的行波保护的方法和装置。
背景技术
考虑具有强的内部传输系统的区域电力系统在相对弱的互结(Interties)上将电力传输至另一强的区域系统。这样的区域电力系统在诸如短路、发电的损耗、负载的损耗，互结之一的损耗或其任何组合等干扰期间可能会经历的稳定性的问题。对于这些问题的解决方案的普遍做法是包括更多的互结、将电压增加到较高电压水平(诸如极高压(EHV)水平或特高压(UHV)水平)，或两者。用于电力系统更好的稳定性的另一途径是采用具有高操作速度的保护继电器。
行波保护是用于超高速保护的一个途径。存在有不同类型的行波保护，例如，基于方向比较的行波纵联保护(pilot protection)、行波电流差动保护、基于距离测量的行波保护等等。
一般来说，方向纵联保护使得能够实现用于行波保护的实用且可靠的机制。它仅需要小的带宽信道以在输电线的端点处的端子之间传输二进制信息。方向纵联保护可以基于本地测量来检测故障方向，即使具有错误的通信这也可以在相反方向上阻止外部故障上的误跳闸(mal-trip)。
基于方向比较的行波保护例如已呈现在M.Chamia和S.Liberman在1978年11月/12月的IEEE电力设备与系统汇刊卷PAS-97No.6上的“用于EHV/UHV输电线的特高速继电器的开发、设计和应用”中。一般来说，在这样的保护系统中，测量被保护线两个端部处的电压和电流。检测本地电压和电流测量的方向。基于两个端部的方向的比较做出跳闸判定。
更详细地，在基于方向比较的行波保护中，将本地电压和电流的第一波前的极性进行比较。如果它们相同，则发生了后向故障。如果它们相逆，则发生了前向故障。那么两个端子处的保护继电器会将故障方向传输至另一端子。如果两个方向都是前向方向，则发生了内部故障。否则，发生了外部故障。其基本原理被示出在图2中。
上面所公开的基于方向比较的行波保护的一个问题是谐波的存在。在上面所公开的基于方向比较的行波保护中使用低通滤波器和一些带阻滤波器来过滤行波分量。在现代电力系统中，随着越来越多的柔性交流传输系统(FACTS)、高压直流(HVDC)和其他谐波源，谐波是复杂的并且可能是次谐波。可能难以或者甚至不可能通过预设带通滤波器来去除所有的谐波。作为结果，谐波可能被当作行波，这在一些情况中当这样的假行波指示了来自两个端部的错误的前向故障方向时会导致误跳闸。
电容式电压互感器(CVT)在EHV/UHV系统中被广泛地用作电压信号测量传感器。但是CVT不具有平坦的频率响应，尤其是对于高频。这导致对于故障瞬态检测的测量误差，该误差可能很大。对于电流行波，可能容易通过使用高频电流来避免谐波冲击。但是对于电压行波，由于CVT的一般较差的频率响应，仅相对低的频率值可用(例如，<1kHz)。这意味着电压可能更严重地受到谐波的影响。作为结果，检测到的电压行波的极性可能在一些情况中是错误的。由此，相反故障可能被当作前向故障，这会在一些情况中导致误跳闸。
CN102122815A提供一种行波方向纵联保护方法。方向检测基于电流行波(包括高频分量)和基频电压(50Hz或60Hz)。该方法可以通过使用基频电压来避免来自电压谐波的影响。但是低频分量的使用也使操作速度慢下来。另外，该方法基于方向比较。由除谐波外的其他原因引起的可能的电压极性错误检测可能仍然带来误跳闸的风险。
然而，仍然存在有改进对于输电线保护的需要，例如即使当电压极性的检测是错误的时，也可以提供降低误跳闸风险的改进的行波保护。
发明内容
本文中的实施例的目的是提供输电线的高效保护。
根据第一方面，呈现有一种用于输电线的行波保护的方法。方法包括从输电线的两个端部获取电压和电流极性两者的信息。方法包括将输电线的两个端部的电压和电流极性彼此进行比较。方法包括基于比较做出跳闸判定。
有利地，这提供了输电线的高效保护。
有利地，这提供了改进的行波保护，即使当电压极性的检测是错误的时也可以降低误跳闸的风险。
有利地，这使得内部故障检测能够基于4个极性比较取代2个方向比较。这将增强保护的安全性和可靠性。
有利地，这提供了可用在现有智能电子装置(IED)中的输电线的高速保护。
根据第二方面，呈现有一种用于输电线的行波保护的装置。装置包括处理单元。处理单元被配置成引起装置从输电线的两个端部获取电压和电流极性两者的信息。处理单元被配置成引起装置将输电线的两个端部的电压和电流极性彼此进行比较。处理单元被配置成引起装置基于比较做出跳闸判定。
在一些实施例中，所述装置包括放置在所述输电线的所述端部中的一个端部处的至少一个保护继电器。
根据第三方面，呈现有一种用于输电线的行波保护的计算机程序，计算机程序包括计算机程序代码，其当在装置的处理单元上运行时引起装置执行根据第一方面的方法。
根据第四方面，呈现有一种包括根据第三方面的计算机程序的计算机程序产品和其上存储有计算机程序的计算机可读装置。
需注意的是，第一、第二、第三和第四方面的任何特征可以在适当情况下适用于任何其他方面。同样，第一方面的任何优点可以同样分别适用于第二、第三和/或第四方面，并且反之亦然。所公开的实施例的其他目的、特征和优点将从以下详细公开、随附从属权利要求以及附图中显而易见。
一般地，权利要求所使用中的所有术语都应该根据它们在本技术领域中的普通含义来解释，除非这里另有明确限定。对“一/一个/该元件、设备、部件、手段、步骤等等”的所有引用都应该被开放地解释为是指元件、设备、部件、手段、步骤等等等中的至少一个实例，除非另有明确指出。本文中所公开的任何方法中的步骤不必以所公开的确切顺序执行，除非有明确指出。
附图说明
现在参照附图通过示例的方式来描述本发明构思，其中：
图1是图示出已知的基于方向比较的行波保护的原理的示意图；
图2是图示出已知的基于方向比较的行波保护的原理的示意图；
图3是图示出根据实施例的输电线的行波保护的示意图；
图4是图示出在(a)已知的基于方向比较的行波保护与(b)根据实施例的输电线的行波保护之间的比较的示意图；
图5a是示出根据实施例的装置的功能单元的示意图；
图5b是示出根据实施例的保护装置的功能模块的示意图；
图6示出包括根据实施例的计算机可读部件的计算机程序产品的一个示例；和
图7是根据实施例的方法的流程图。
具体实施方式
现在将在下文中参照其中示出本发明构思的某些实施例的附图更充分地描述本发明构思。然而。该本发明构思可以以很多不同的形式来体现并且不应该被解释为限于本文中所陈述的实施例；而是，这些实施例是通过示例的方式提供的使得本公开将是彻底且完整的，并且会将本发明构思充分地传达给本领域技术人员。同样的附图标记贯穿描述是指同样的元件。通过虚线图示出的任何步骤或特征都应该被视为任选的。
如上面所指出的，用于基于方向比较的行波保护的现有机制存在着问题。例如，针对各跳闸环，在端子之间仅交换一个二进制信息位，用于现有纵联保护的通信。交换的信息因此仅可以具有二进制的含义，诸如或准许或阻止，或者换言之前向故障或后向故障。如果一个电压极性检测是错误的，则这可能导致误跳闸
在一些情况中，如果电压检测方面出现错误，则后向故障可能被检测为前向故障，作为结果，用于行波保护的现有机制(包括CN102122815A)可能会误跳闸。本文公开的用于输电线的行波保护的方法和装置对于这样的情况不会误跳闸。现有机制的这样的误跳闸情况在图4(a)中被识别为误跳闸。
在如CN102122815A所举例说明的用于行波保护的现有机制中，首先检测故障方向，并接着将检测到的故障的方向信息传输至远程端子，用于通过最终故障检测逻辑进行处理。相比之下，根据本文公开的实施例，电压极性和电流极性两者都被发送至远程端部，用于通过最终故障检测逻辑进行处理。
本文公开的实施例通过提供基于4个极性比较的行波纵联保护克服了上面提到的问题。根据一个方面，这能够通过传输端部之间的电压和电流极性两者的信息(取代仅传送故障方向)来实现。接着可以基于该4个极性比较来做出跳闸判定。
因此，提供有一种用于输电线的行波保护的方法。现在参考图7的流程图。方法包括从输电线的两个端部获取电压和电流极性两者的信息，步骤S102。方法包括将输电线的两个端部的电压和电流极性彼此进行比较，步骤S104。方法包括基于比较做出跳闸判定，步骤S106。
现在将公开与本文公开的用于输电线的行波保护的方法和装置的进一步细节有关的实施例。
可以存在有用以执行跳闸判定的不同方式。根据实施例跳闸判定涉及是否引起断路器跳闸。
可以存在有用以做出跳闸判定的不同方式。现在将进而描述与此有关的不同实施例。
根据实施例，做出跳闸判定包括阻止跳闸，步骤S106a。如果满足一定条件，则阻止跳闸。这些条件是来自两个端部的电压极性不同、来自两个端部的电流极性不同、以及电压极性中的任一个与电流极性相同。此外，阻止跳闸可以包括引起断路器跳闸，步骤S106b。断路器可以通过发出的控制命令被引起跳闸。
根据实施例，做出跳闸判定包括允许跳闸，步骤S106c。只有如果满足一定条件时，允许跳闸。这些条件是来自两个端部的电压极性相同、来自两个端部的电流极性相同、以及电压极性不同于电流极性。
输电线可以是具有超过两个端部的多端子输电线。例如，对于各跳闸环，可以有4个极性比较取代2个方向比较。但是可以有超过一个的跳闸环。例如，比较可以在相位上是分离的。对于各线有3(A、B、C相位)个环，并且对于各环，有4个极性。对于多端子输电线，甚至可以有超过4个的极性。例如，针对各环，对于2个端部线，有4个极性，对于3个端部线，有6个极性，并且对于4个端部线，有8个极性。
根据实施例，做出跳闸判定包括对于具有超过两个端部的多端子输电线允许跳闸，步骤S106d。只有如果满足一定条件时，允许跳闸。这些条件是来自所有端部的电压极性相同、来自所有端部的电流极性相同以及电压极性不同于电流极性。
此外，允许跳闸可以包括防止断路器跳闸，步骤S106e。
可以在步骤S102中存在有用以获取信息的不同方式。现在进而说明书关于此的不同实施例。例如，电压和电流极性可以在输电线的端部之间交换。也就是，根据实施例，在输电线的两个端部之间交换来自输电线的两个端部的电压和电流极性两者的信息。保护继电器可以放置在输电线的端部。也就是，根据实施例，从保护继电器获取电压和电流极性的信息，在输电线的各端部放置一个保护继电器。
可以存在不同属性，比较基于不同的属性进行。例如，比较可以基于相量(phasequantity)、相-相量(phase-phase quantity)、差模、共模、零模或其任何组合。
可以存在有用以确定何时测量电压和电流极性的不同方式。现在将进而描述与此有关的不同实施例。根据一个实施例，(刚好)在获取信息之前在输电线的两个端部两者处测量电压和电流极性。因此，这可以使得当在步骤S106中做出跳闸判定时仅考虑最近的电压和电流极性。特别地，可以在一定时间间隔内在输电线的端部两者处测量电压和电流极性。这可以确保在输电线的端部两者处同时(或者至少在彼此的一定时间间隔内)测量电压和电流极性。
可以存在有可应用行波保护的不同类型的输电线。现在将进而描述与此有关的不同实施例。例如，输电线可以是电力分配系统的一部分。输电线可以或者是交流(AC)输电线或者是直流(DC)输电线。
现在参考图2和图3。图2示意性地图示出在第一电力源21a与第二电力源21b之间的输电线20的已知行波保护，并且其中发生了故障F，引起Δu的极性从+变成-，由此引起误跳闸。
图3示意性地图示出根据本文中所公开的实施例如何阻止潜在误跳闸的逻辑。图3的电力系统10包括电力源21a、21b、电流互感器32a、32b、电压互感器32a、32b、断路器31a、31b和电子装置11a、11b。电子装置11a、11b是装置12的一部分。Δu1、Δu2、Δi1、Δi2的极性可以经由通信链路33来通信。对于输电线20中的故障F，测得的Δu1、Δu2应该具有相同的极性。电子装置11a可以将Δu1、Δu1的极性信息发送至电子装置11a，并且电子装置11b可以将Δu2、Δu2的极性信息发送至电子装置11b。各电子装置11a、11b可以是作为继电器操作的智能电子装置(IED)。
对于在点F处的外部故障，在下面表1的示例中提供了在两个端子处的电压和电流波的正确极性组合中的一个。因此，在该说明性示例中，Δu和Δi对于一个端部(A侧)具有相同的极性。A侧的保护机制因此可以基于行波理论检测后向故障。行波理论是本身在现有技术中是已知的，如通过上面的参考文献“用于EHV/UHV输电线的特高速继电器的开发、设计和应用”所举例说明并因此省略其进一步描述。
对于B侧，Δu和Δi根据说明性示例具有相反极性。因此B侧的保护可以检测前向方向。最终，在已交换了两条方向信息之后，保护机制可以检测到外部故障。这是正常且正确的条件，参见表1。
表1
然而，如果A侧上的电压极性出于某种原因(例如，归因于谐波)是错误的，那么A侧上的电压的极性可以是相反的(根据说明性示例：Δu是负的)。这被图示在表2中。
表2
基于表2中的电压极性检测(未考虑电流极性检测)，两侧(A侧和B侧)都将检测到前向故障。作为结果，已知的纵联保护机制会将其当作内部故障，这将会导致误跳闸，如图2所示。
如上面所公开的，根据本文公开的实施例，当做出跳闸判定时会考虑Δu和Δi两者的极性信息，如图3所示。这意味着各保护继电器(即，在输电线的各端部处的保护继电器)可以具有对完整的4个极性信息的访问，如图2中所示。Δu的极性应该针对相同事件对于内部故障和外部故障两者是相同的。因此，根据本文公开的实施例，可以检测到表2中的Δu的测量。潜在的误跳闸将被阻止。通过该手段，本文公开的实施例提高了保护可靠性。
图4是图示出在(a)基于方向比较的已知行波保护与(b)根据实施例的输电线的行波保护之间的比较的示意图。如图4所示，存在有来自两个端子的Δu和Δi的4个极性的24＝16个组合。本文公开的实施例可以阻止两个先前不合理的组合的误跳闸(即，图4(a)中识别的误跳闸)。
图5a用多个功能单元示意性地图示出用于根据实施例的输电线的行波保护的装置12的部件。处理单元61使用合适的中央处理单元(CPU)、多处理器、微控制器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)等中的一个或多个的任何组合来提供，这些部件能够执行存储在例如呈存储介质63形式的计算机程序产品71(如图6所示)中的软件指令。因此，处理单元61由此被配置成执行如本文所公开的方法。存储介质63还可以包括持久存储，其例如可以是磁存储器、光存储器、固态存储器或者甚至是远程安装的存储器中的单个或组合。装置12可以进一步包括通信接口62。这样，通信接口62可以包括一个或多个发射器和接收器，包括模拟和数字部件。处理单元61控制装置12的一般操作，例如，通过将数据和控制信号发送至通信接口62和存储介质63、通过从通信接口62接收数据和报告并且通过从存储介质63检索数据和指令。省略了装置12的其他部件以及相关功能，以免使本文中所呈现的构思模糊不清。
装置12可以在电子装置11a、11b中实施。因此，电子装置11a、11b可以被配置成执行如本文所公开的任何步骤。例如，各电子装置11a、11b可以被配置成从其自己(即，本地)的端部获取电压和电流极性两者的信息，和从来自另一个电子装置的另一个(即，远程)端部获取(跨越通信链路33)电压和电流极性两者的信息，以便将电压和电流极性进行比较以做出跳闸判定。可选地，装置12被提供为与电子装置11a、11b接口的独立装置，并且其中独立装置被配置成从输电线的两个端部获取信息，以便将电压和电流极性进行比较以做出跳闸判定。
图5b用多个功能模块示意性地图示出体现为根据实施例的保护装置的装置12的部件。图5b的装置包括多个功能模块；测量输入模块61a、故障判定模块61b、通信模块61c和输出模块61d。
测量输入模块61a被配置成接收电压和电流的本地测量。通信模块61c被配置成从输电线的远程端部接收电压和电流的极性。通信模块61c被配置成将本地极性发送至远程端部。故障判定模块61b实施逻辑用以基于本文公开的实施例中的任一个来检测故障。输出模块61d被配置成将跳闸判定发送至一个或多个断路器。
一般来说，各功能模块61a至61d可以以硬件或软件来实施。优选地，一个或多个或所有功能模块61a至61d可以通过处理单元61、很可能与功能单元62和/或63协作来实施。处理单元61因此可以被配置成从存储介质63取得如由功能模块61a至61d提供的指令并且执行这些指令，由此执行如下文中将公开的任何步骤。
图6示出包括计算机可读装置73的计算机程序产品71的一个示例。在该计算机可读装置73上，可以存储计算机程序72，该计算机程序72可以引起处理单元61和其上的诸如通信接口62和存储介质63等的可操作地连接的实体和装置执行根据本文中所描述实施例的方法。计算机程序72和/或计算机程序产品71因此可以提供用于执行如本文所公开的任何步骤的手段。
在图6的示例中，计算机程序产品71被图示为诸如CD(压缩盘)或DVD(数字多功能盘)或蓝光盘等的光盘。计算机程序产品71也可以被体现为诸如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)或电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)等的存储器，并且更特别地被体现为在诸如USB(通用串行总线)存储器或诸如小型闪存等的闪存中的器件的非易失性存储介质。因此，虽然计算机程序72在这里被示意性地图示为在描绘的光盘上的轨道，但是计算机程序72可以被以适合于计算机程序产品71的任何形式来存储。
上面已参照几个实施例描述了本发明的构思。然而，如本领域技术人员容易领会的，除上面所公开的那些以外的其他实施例同样可能在如由随附专利权利要求限定的本发明的构思的范围内。

Claims (16)

1.一种基于电压和电流极性两者的信息用于输电线(20)的行波保护的方法，所述方法包括：
从输电线(20)的两个端部(A，B)获取(S102)电压和电流极性两者的信息；
将所述输电线的两个端部的所述电压和电流极性彼此进行比较(S104)；和
基于所述比较做出(S106)跳闸判定，其中做出所述跳闸判定包括：如果来自所述两个端部的所述电压极性不同并且来自所述两个端部的所述电流极性不同，以及如果所述电压极性中的任一个与所述电流极性相同，则阻止跳闸。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述跳闸判定涉及是否引起断路器(31a，31b)跳闸。
3.根据权利要求1所述的方法，其中做出所述跳闸判定包括：
只有如果来自所述两个端部的所述电压极性相同并且来自所述两个端部的所述电流极性相同以及如果所述电压极性不同于所述电流极性时，允许(S106c)跳闸。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述输电线是具有超过两个端部的多端子输电线，并且其中做出所述跳闸判定包括：
只有如果来自所有端部的所述电压极性相同且来自所有端部的所述电流极性相同以及如果所述电压极性不同于所述电流极性时，允许(S106d)跳闸。
5.根据权利要求1所述的方法，其中在所述输电线的所述两个端部之间交换来自所述输电线的所述两个端部的电压和电流极性两者的信息。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述比较基于相量、相-相量、差模、共模、零模中的至少一个。
7.根据权利要求1所述的方法，其中在获取所述信息之前在所述输电线的所述两个端部两者处测量所述电压和电流极性。
8.根据权利要求7所述的方法，其中在一定时间间隔内在所述输电线的所述端部两者处测量电压和电流极性。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述输电线是电力分配系统的一部分。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述输电线是交流AC输电线。
11.根据权利要求1所述的方法，其中所述输电线是直流DC输电线。
12.根据权利要求1所述的方法，其中从保护继电器(11a，11b)获取电压和电流极性的所述信息，在所述输电线的各端部处放置一个保护继电器。
13.一种基于电压和电流极性两者的信息用于输电线(20)的行波保护的装置(12)，所述装置包括处理单元(61)，所述处理单元被配置成引起所述装置：
从输电线的两个端部获取电压和电流极性两者的信息；
将所述输电线的两个端部的所述电压和电流极性彼此进行比较；和
基于所述比较做出跳闸判定，其中做出所述跳闸判定包括：如果来自所述两个端部的所述电压极性不同并且来自所述两个端部的所述电流极性不同，以及如果所述电压极性中的任一个与所述电流极性相同，则阻止跳闸。
14.根据权利要求13所述的装置，其中所述装置包括放置在所述输电线的所述端部中的一个端部处的至少一个保护继电器。
15.根据权利要求13所述的装置，其中所述装置包括两个保护继电器(11a，11b)，在所述输电线的各端部处放置一个保护继电器。
16.根据权利要求14或15所述的装置，其中所述各保护继电器是智能电子装置IED的一部分。
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