CN107743670A

CN107743670A - 基于高通滤波的输电线路行波保护

Info

Publication number: CN107743670A
Application number: CN201580080334.7A
Authority: CN
Inventors: 李幼仪; 刘凯; 王建平
Original assignee: ABB Technology AG
Current assignee: Hitachi Energy Co ltd
Priority date: 2015-05-26
Filing date: 2015-05-26
Publication date: 2018-02-27
Anticipated expiration: 2035-05-26
Also published as: EP3304668A1; US10734803B2; CN107743670B; EP3304668B1; WO2016188568A1; US20180145505A1

Abstract

提供了一种输电线路的行波保护机构。一种方法包括对输电线路的电流测量和/或电压测量执行高通滤波，以便检测该电流测量和/或电压测量中由故障引起的高频分量。该方法包括将该高通滤波的结果作为输入提供给执行行波检测的跳闸判定器。

Description

基于高通滤波的输电线路行波保护

技术领域

本文提出的实施例涉及输电线路的行波保护，并且特别地，涉及用于输电线路的行波保护的方法和装置。

背景技术

考虑到区域电力系统具有强健的内部输电系统，该强健的内部输电系统在相对较弱的联锁电力网上将电力传输给另一强健的区域系统。这样的区域电力系统在扰动期间可能遇到稳定性的问题，诸如短路、发电损失、负载损失、联锁电力网之一的损失或它们的任何组合。这些问题的解决方案的普遍实践是包括更多的联锁电力网、提升电压到更高的电压水平(例如超高压(EHV)水平或特高压(UHV)水平)，或者两者同时进行。另一种提高电力系统稳定性的途径是采用操作速度快的保护继电器。

行波保护是用于超高速保护的一种途径。行波保护有不同的类型，例如，基于方向比较的行波纵联保护、行波电流差动保护、基于距离测量的行波保护等。

方向纵联保护是行波保护的最实用和最可靠的解决方案之一。它只需要小带宽的通道以在输电线路端点处的端子之间传输二进制信息。它可以基于本地测量来检测故障方向，即使在通信错误的情况下，这也可以阻止在反方向上的外部故障的误跳闸。

一种行波保护机构是用于美国Bonneville的500kV输电线路的RALDA。该行波保护机构的特性例如在美国专利US3878460(A)中被公开。US3878460(A)涉及一种用于从测量点检测故障方向的装置。简而言之，在RALDA中，将本地电压和本地电流前的第一波的极性进行比较。如果它们的极性是相同的，那么检测到反向故障。如果它们的极性是彼此相反的，那么检测到正向故障。在端子处的保护继电器将会把故障方向传输给其他终端。如果两个方向都是正向方向，那么意味着发生了内部故障。否则，意味着发生了外部故障。

然而，诸如RALDA的行波保护机构的安全性可能会受到谐波的影响。在一些情况下，谐波可能导致在被保护线路两侧处的正向故障的错误检测，并且由此，可能根据方向纵联保护原理而最终导致误跳闸。因此，仍然需要输电线路的改进保护。

发明内容

本文的实施例的目的是提供一种输电线路的高效保护。

本文公开的实施例的发明人已经发现，基于行波保护机构的RALDA的一个问题涉及谐波。更详细地说，低通滤波器和一些带阻滤波器在RALDA中被使用以对行波分量滤波。带有越来越多的FACTS(柔性交流输电系统)、HVDC(高压直流)和其他谐波源的现代电力系统中，谐波是复杂的并且谐波可能是次谐波。通过预设带阻滤波器来消除所有的谐波是不可能的，或者至少是繁琐的。因此，在RALDA中谐波可能被视为行波，在这种“错误的”行波指示来自输电线路两端端子的错误的正向故障方向时，在一些情况下可能导致误操作。

本文公开的实施例的发明人已经发现，由谐波和故障引起的扰动具有不同的频谱特征。通常，故障引起的干扰波的频谱包括大量的高频分量。但是电力系统中典型谐波的频谱并不包括这种高频分量。这种差异可以用来区分故障和谐波，并且用来阻止潜在的误跳闸。

根据第一方面，提出了一种用于输电线路的行波保护的方法。该方法包括对输电线路的电流测量和/或电压测量执行高通滤波，以便检测该电流测量和/或电压测量的由故障引起的高频分量。该方法包括将该高通滤波的结果作为输入提供给执行行波保护的跳闸判定器。

有利地，这提供了对潜在的误跳闸的阻止，该误跳闸可能由电流测量和/或电压测量中的谐波引起。

有利地，这实现了安全的行波保护。

根据第二方面，提出了一种用于输电线路的行波保护的装置。该装置包括处理单元。处理单元被配置成使得该装置对输电线路的电流测量和/或电压测量执行高通滤波，以便检测由故障引起的高频分量。处理单元被配置成使得该装置将该高通滤波的结果作为输入，提供给执行行波保护的跳闸判定器。

根据第三方面，提供了一种用于输电线路的行波保护的计算机程序。该计算机程序包括计算机程序代码，该计算机程序代码在装置的处理单元上运行时，使得该装置执行根据第一方面的方法。

根据第四方面，提供了一种计算机程序产品，包括根据第三方面的计算机程序、以及在其上存储有该计算机程序的计算机可读装置。

应当注意的是，只要适当，第一、第二、第三和第四方面的任何特征可以适用于任何其他方面。类似地，第一方面的任何优点可以分别同样适用于第二、第三和/或第四方面，反之亦然。从下面的详细公开、所附的从属权利要求以及附图中，本文所包含实施例的其它目的、特征和优点将是显而易见的。

通常，权利要求中使用的所有术语根据其在本技术领域中的普通含义进行解释，除非本文另有明确定义。所有对“一/一个/该元件、设备、部件、装置、步骤等”的引用将被公开地解释为指的是元件、设备、部件、装置、步骤等的至少一个实例，除非另有明确的相反说明。除非明确说明，否则本文公开的任何方法的步骤不必按照所公开的确切顺序来执行。

附图说明

现在参考附图，通过示例来描述本发明构思，其中：

图1是示出根据实施例的配电系统的示意图；

图2是示出根据实施例的装置的示意图；

图3a是示出根据实施例的装置的功能单元的示意图；

图3b是示出根据实施例的保护设备的功能模块的示意图；

图4示出根据实施例的包括计算机可读装置的计算机程序产品的一个示例；

图5是根据实施例的方法的流程图；以及

图6示出根据实施例的输电线路的行波保护的仿真结果。

具体实施方式

现在将参照附图，在下文中更充分地描述本发明构思，在该附图中示出了本发明构思的某些实施例。然而，本发明构思可以以许多不同的形式来体现，并且不应该被解释为限于在此阐述的实施例；相反，这些实施例是作为示例提供的，以使得本公开将是彻底的和完整的，并将向本领域技术人员充分传达本发明构思的范围。贯穿整个说明书，相同的数字表示相同的要素。虚线所示的任何步骤或特征应当被视为可选项。

如上所述，现有的行波保护的机构存在问题。

例如，美国专利US3878460(A)公开了使用带除滤波器(也被称为带阻滤波器)以用于消除具有网络工作频率的信号部分。然而，通过预设排除滤波器并不总是可以完全消除谐波。这可能导致误跳闸。本文提出的实施例的一个目的是解决这个问题。

通过注意到对于存在重度谐波(在无故障的正常运行期间)的配电系统而言，如果谐波的频率未被配电系统的带阻滤波器所覆盖，那么RALDA滤波器的输出可能不为零，本发明克服了上述问题。

通过注意到谐波的频率分布主要在例如低于650Hz的低频范围内，本发明克服了上述问题。如果只有负载和没有故障的谐波，那么与低频分量相比，高频分量的值是非常小的。

通过注意到对于具有故障(内部故障或外部故障)的电力系统而言，特别是在故障开始时，存在大量来自故障暂态的高频分量，本发明克服了上述问题。

通过注意到谐波与故障暂态之间的差值可以被用于行波保护的目的来阻止不必要的(基于谐波的)误跳闸，本发明克服了上述问题。

因此，提供了一种用于输电线路的行波保护的方法。该方法由装置10a，10b执行。现在参考图5的流程图。对图1的配电系统25进行平行参考，公开了可以应用本文所公开的发明的实施例。

配电系统25包括至少一个装置10a，10b，以用于输电线路20的行波保护。两个或更多装置10a，10b可以经由通信链路23被可操作地连接。此外，两个或更多装置10a，10b可以是用于输电线路20的行波保护的共同装置10c的一部分。装置10a，10b可以是作为继电器运行的智能电子设备(IED)的一部分，或者包括作为继电器运行的智能电子设备(IED)。配电系统25还包括电源21a，21b、电流和电压互感器22a，22b以及断路器23a，23b。F₁和F₂表示沿着输电线路20的故障。故障F₁，F₂的示例将在下面被公开。

在步骤S102中，该方法包括对输电线路20的电流测量和/或电压测量执行高通滤波。执行高通滤波以便检测电流测量和/或电压测量的由故障引起的高频分量。如图1所示，装置10a，10b可以从电流和电压互感器22a，22b获取电流测量和/或电压测量。因此，装置10a可以接收来自电流和电压互感器22a的电流测量和/或电压测量，装置10b可以接收来自电流和电压互感器22b的电流测量和/或电压测量。装置10c可以传输电流测量和/或电压测量、和/或装置10a与10b之间的其他控制信息。根据一个实施例，高通滤波器具有高于安装有行波保护的输电系统中的谐波的最高频率的截止频率。例如，如果电力系统的操作频率是50Hz且最高次谐波是13次谐波，那么谐波的最高频率是650Hz。由此，高通滤波器的截止频率应当高于650Hz，例如1k Hz，以确保高通滤波器的输出将不受谐波的影响。因此，根据实施例，高通滤波器的截止频率至少为650Hz，优选为1k Hz。

高通滤波的结果用于做出跳闸判定。因此，在步骤S104中，该方法包括将高通滤波的结果作为输入，来提供给执行行波保护的跳闸判定器14。

由此，高通滤波的结果可以定义简单的阻断或解除阻断的功能。如将在下面进一步公开的那样，即使是在现有技术的行波保护机构由于谐波引起的较大输出的情况下，这可以防止行波保护机构做出对谐波的误跳闸。行波保护的安全性将由此得到改善。更详细地说，由步骤S104中的高通滤波检测到的高频分量被用于检测电流测量和/或电压测量的故障而不是谐波。谐波通常是相对低的频率分量(例如<1kHz)，并且因此高通滤波器被设计成检测由故障引起的任何扰动。故障将引起低频分量和高频分量。检测到的故障可以是内部故障或外部故障。跳闸判定逻辑还将检测故障是否是内部故障。只有对于内部故障，保护将引起短路器跳闸。

现在将公开涉及本文所公开的用于输电线路的行波保护的方法和装置的更多细节的实施例。总体上继续参考图5的流程图和图1的配电系统25。

如上所述，高通滤波可以与现有技术的行波检测结合以提供行波保护机构。根据实施例，该方法因此包括可选步骤S106，基于电流测量和/或电压测量，该可选步骤S106执行输电线路20的行波检测。因此这种行波检测可以被认为是现有技术的行波检测。根据一个实施例，行波检测使用RALDA滤波器或其他种类的行波检测机构。行波检测的结果也用于做出跳闸判定。根据该实施例，该方法因此包括将行波检测的结果作为输入提供给跳闸判定器14的可选步骤S108。

因此，跳闸判定器14继而将接收来自在步骤S102中执行的高通滤波和在步骤S106中执行的行波检测两者的输入。

首先特别参考图2，其示意性地示出根据实施例的图1中的装置10a，10b。图2示意性地示出装置10a，10b，该装置包括可以实施步骤S102和S104的高通滤波机构11、以及可以实施步骤S106和S108的行波检测机构12。由高通滤波机构在步骤S102中执行的高通滤波的结果和由行波检测机构12在步骤S106中执行的行波检测的结果可以被组合。

在图2中，这种组合由可以作为逻辑“与”块实施的组合机构13来提供。组合机构13的输出被提供给做出跳闸判定的跳闸判定机构14。因此，在可选步骤S110中，该方法可以包括基于行波检测(如步骤S106中)的结果和高通滤波(如步骤S102中)的结果来做出跳闸判定。

可以有不同的方式来执行跳闸判定。根据实施例，跳闸判定涉及是否引起断路器23a，23b跳闸。

可以有不同的方式来确定是否引起断路器23a，23b跳闸。现在将依次描述涉及确定是否引起断路器23a，23b跳闸的不同实施例。

一般而言，如果在步骤S104中检测到的高频分量的幅值小于某个阈值，那么可以阻断跳闸；如果在步骤S104中检测到的高频分量的幅值大于该阈值，那么可以允许跳闸。

根据实施例，做出跳闸判定包括在步骤S110a中阻断跳闸。如果某种状况被满足，跳闸将被阻断。一种状况是，如果跳闸是由电流测量和/或电压测量的谐波引起，由行波检测指示的跳闸则被阻断。由此，如果电流测量和/或电压测量中没有足够的高频分量，那么行波保护功能将被阻断。此外，阻断跳闸可以包括防止断路器跳闸的步骤S110b。

根据实施例，在步骤S110c中，做出跳闸判定包括允许跳闸。该跳闸仅当某种状况被满足时才被允许。一种状况是，如果跳闸是由电流测量和/或电压测量的突然改变引起，则允许由行波检测指示的跳闸。由此，如果电流测量和/或电压测量中有足够的高频分量，那么行波保护功能将被允许。此外，允许跳闸可以包括引起断路器跳闸的步骤S110d。通过发出控制命令可以使得断路器跳闸。

行波保护可以应用于不同类型的输电线路。现在将依次描述涉及应用行波保护的不同类型的输电线路的不同实施例。例如，如上所述，输电线路20可以是配电系统25的一部分。输电线路20可以是交流(AC)输电线路或直流(DC)输电线路。

所提出的用于输电线路20的行波保护的机构已经通过仿真被验证。所仿真的系统的结构对应于图1的配电系统25的结构。该仿真对应于工作在245kV电压下的100km长度的输电线路系统。F₁表示位于距最左边端子24a 50km处的、在0.5s时具有10Ω电阻的内部故障。F₂是在最右边端子24b处的母线上的外部故障。

在该仿真模型中使用CVT(电容式电压互感器)来获得电压测量结果。电压测量结果中的高频分量由于CVT而衰减。因此，所提出的用于提供高频阻断功能的行波保护的机构是基于电流测量结果而实现的。

仿真中的采样频率设置为4kHz。如果使用更高的采样频率，那么用于阻断的高频分量的值将甚至会更大，并且因此所提出的机构将具有比本设置示出的机构更好的性能。

在仿真中，强谐波(包括一些整数谐波和次谐波；最高次是11次谐波)被添加到电流测量结果以测试所提出的机构的性能。被添加的谐波包括2次谐波(50A)、3.5次谐波(50A)、5次谐波(50A)和11次谐波(50A)。应当注意的是，在仿真中存在的谐波远高于在现有电力系统的实际情况中存在的谐波。

仿真结果在图6中提供。图6从上到下示出以下四条曲线(a)、(b)、(c)、(d)：

(a)：原始相电流I_AB(4kHz采样值)。

(b)：来自I_AB的行波电流。使用现有技术的行波检测，包括低通滤波器和带阻滤波器，以消除在50Hz、100Hz、150Hz、200Hz、250Hz处的谐波、以及负载分量。

(c)：来自I_AB的行波电流。使用现有技术的行波检测结合高通滤波，以便消除除了次谐波以外的谐波。

(d)：通过高通滤波获得的在650Hz到2k Hz范围内的原始相电流I_AB的高频电流。

现在将总结仿真结果的观察结果。

现有技术的行波检测可以消除由其带阻滤波器所覆盖的谐波，包括50Hz、2次谐波、3次谐波、4次谐波和5次谐波。

现有技术的行波检测不能消除未由其带阻滤波器所覆盖的谐波，包括3.5次谐波和11次谐波。3.5次谐波，以及由其导致的结果，即在故障发生之前，现有技术的行波检测在(b)中的输出还存在一些谐波。如果没有特殊的机构来处理这种状况，那么在故障发生之前，谐波的这种输出可能导致误跳闸。

所提出的行波检测可以消除全部的整数次谐波(2，3，4，5，6…)，但是它不能消除次谐波(3.5次谐波)。

所提出的行波检测可以消除50Hz的负载电流，并保留50Hz的故障分量。现有技术的行波检测消除了50Hz的负载电流和50Hz的故障分量。因此，所提出的行波检测在故障状况期间具有较大的输出。这意味着使用所提出的行波检测的故障检测功能机构将具有比现有技术的行波检测更好的灵敏度和更好的可靠性。

谐波将不影响高通滤波器的输出。高通滤波器的输出在故障发生之前几乎为零。在故障状况期间(即在故障发生期间)，高通滤波器将在故障发生的位置立即输出如(d)所示的大电流。这个结果可以被用于触发行波输出的阻断/解除阻断。

图3a以多个功能单元的形式示意性地示出根据实施例的行波保护的装置10a，10b，10c的用于输电线路的部件。处理单元31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意组合来提供，该处理单元31能够执行存储在计算机程序产品41中(如图4所示，例如以存储介质33的形式)的软件指令。因此，处理单元31由此被布置成执行如本文所公开的方法。存储介质33还可以包括永久性存储器，例如可以是磁存储器、光存储器、固态存储器或甚至远程安装的存储器中的任意一个，或者它们的组合。

装置10a，10b，10c还可以包括通信接口32。因此，通信接口32本身可以包括一个或多个发送器和接收器，该发送器和接收器包括用于与至少一个其他装置10a，10b，10c、电流和电压互感器22a，22b中的至少一个以及至少一个断路器23a，23b进行通信的模拟部件和数字部件。

处理单元31例如通过将数据和控制信号发送到通信接口32和存储介质33、通过接收来自通信接口32的数据和报告以及通过从存储介质33中取回数据和指令，来控制装置10a，10b，10c的总体操作。装置10a，10b，10c的其他部件以及相关功能被省略，以免混淆本文提出的构思。

装置10a，10b，10c可以在电子设备中实施。例如，至少处理单元31可以是诸如保护继电器的智能电子装置(IED)的一部分，其被包括在装置10a，10b，10c中。因此，这种电子设备可以被配置成执行如本文所公开的任何步骤。因此，电流测量和/或电压测量可以通过放置在输电线路20一端处的保护继电器来获取。

图3b以多个功能单元的形式示意性地示出根据实施例的作为行波保护机构实现的装置10a，10b，10c的部件。图3b的装置10a，10b，10c包括多个功能模块；测量输入模块31a、高通滤波模块31b、通信模块31c、行波检测器模块31d、故障判定模块31e和输出模块31f。

测量输入模块31a被配置成接收输电线路20的本地电流测量和/或电压测量。高通滤波器模块31b被配置成执行对电流测量和/或电压测量的高通滤波。通信模块31c被配置成将高通滤波的结果提供给故障判定模块31e。行波检测器模块31d被配置成对电流测量和/或电压测量执行行波检测。通信模块31c被配置成将行波检测的结果提供给故障判定模块31e。故障判定模块31e被配置成基于从高通滤波器模块31b和行波检测器模块31d接收的输入以及经由通信模块31c的其他端子的信息，来做出跳闸判定。输出模块31f被配置成将跳闸判定发送到断路器23a，23b。

一般而言，每个功能模块31a-31f可以用硬件或用软件来实现。优选地，一个、多个或全部功能模块31a-31f可以通过处理单元31(可能与功能单元32和/或33的结合)来实施。因此，处理单元61可以被布置成从存储介质33取得由功能模块31a-31f提供的指令并且执行这些指令，由此执行如上所述的任何步骤S102-S110d。

图4示出包括计算机可读装置43的计算机程序产品41的一个示例。在这个计算机可读装置43上，可以存储计算机程序42，该计算机程序42可以使得处理单元31以及被可操作地耦合到处理单元31的实体和设备来执行根据本文所述实施例的方法。计算机程序42和/或计算机程序产品41可以因此提供用于执行如本文所公开的任何步骤的装置。

在图4的示例中，计算机程序产品41作为光盘被示出，诸如CD(压缩盘)或DVD(数字多功能盘)或蓝光盘。计算机程序产品41还可以作为存储器被实施，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)，更具体地说是被示出为诸如USB(通用串行总线)存储器或诸如紧凑型闪存的闪存的外部存储器中的装置的非易失性存储介质。因此，虽然计算机程序42在这里作为所示光盘上的轨道而被示意性地示出，该计算机程序42可以以适合于计算机程序产品41的任何方式被存储。

上面主要参考几个实施例描述了本发明构思。然而，如本领域技术人员容易理解的，除了以上公开的实施例以外的其他实施例，同样可以在由所附专利的权利要求所限定的本发明构思的范围内。

Claims

1.一种用于输电线路(20)的行波保护的方法，所述方法包括：

对所述输电线路(20)的电流测量和/或电压测量执行(S102)高通滤波，以便检测所述电流测量和/或电压测量的由故障引起的高频分量；以及

将所述高通滤波的结果作为输入而提供(S104)给执行行波保护的跳闸判定器(14)。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括：

基于所述电流测量和/或电压测量来执行(S106)所述输电线路的行波检测；以及

将所述行波检测的结果作为输入而提供(S108)给所述跳闸判定器(14)。

3.根据权利要求2所述的方法，还包括：

基于所述行波检测的结果和所述高通滤波的结果而做出(S110)跳闸判定。

4.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(23a，23b)跳闸。

5.根据权利要求3或4所述的方法，其中做出所述跳闸判定包括：

如果所述跳闸是由所述电流测量和/或电压测量的谐波引起，那么阻断(S110a)跳闸。

6.根据权利要求4和5所述的方法，其中阻断所述跳闸包括：

防止(S110b)所述断路器(23a，23b)跳闸。

7.根据权利要求3或4所述的方法，其中做出所述跳闸判定包括：

如果所述跳闸是由所述电流测量和/或电压测量的突然改变引起，那么允许(S110c)由所述行波检测指示的跳闸。

8.根据权利要求4和7所述的方法，其中允许所述跳闸包括：

引起(S110d)所述断路器(23a，23b)跳闸。

9.根据权利要求1所述的方法，其中所述行波检测使用RALDA滤波器。

10.根据权利要求1所述的方法，其中所述高通滤波器具有高于所述电流测量和/或电压测量的谐波的最高频率的截止频率。

11.根据权利要求1所述的方法，其中所述输电线路是配电系统(25)的一部分。

12.根据权利要求1所述的方法，其中所述输电线路是交流AC输电线路。

13.根据权利要求1所述的方法，其中所述输电线路是直流DC输电线路。

14.根据权利要求1所述的方法，其中所述电流测量和/或电压测量由被放置在所述输电线路的一端处的保护继电器而获取。

15.一种用于输电线路(20)的行波保护的装置(10a，10b，10c)，所述装置包括处理单元(31)，所述处理单元被配置成使得所述装置：

对输电线路(20)的电流测量和/或电压测量执行高通滤波，以便检测所述电流测量和/或电压测量的由故障引起的高频分量；以及

将所述高通滤波的结果作为输入而提供给执行行波保护的跳闸判定器(14)。

16.根据权利要求15所述的装置，所述处理单元还被配置成使得所述装置：

执行所述输电线路(20)的所述电流测量和/或电压测量的行波检测；以及

将所述行波检测的结果作为输入提供给所述跳闸判定器(14)。

17.根据权利要求15或16所述的装置，所述处理单元还被配置成使得所述装置：

基于所述行波检测的结果和所述高通滤波的结果来做出跳闸判定。

18.根据权利要求15所述的装置，其中所述处理单元是被包括在所述装置中的诸如保护继电器的智能电子设备IED的一部分。