CN107925235B - 功率变电站中安全的故障检测 - Google Patents

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Abstract

用于电力系统中故障检测和保护的系统和方法，该系统和方法评估由故障引起的电磁暂态。故障可以通过使用来自电力系统中第一监测点的采样数据而被检测。故障暂态和相关特性(包括暂态方向)的检测还可以通过对来自电力系统中其他监测点的采样数据进行评估而被提取。监测设备可以响应于故障检测并且基于在电力系统的另一监测点处故障暂态的检测指示评估是否来将开关设备跳闸。对是否将开关设备跳闸或激活的确认还可以是基于其他因素，包括接收到故障暂态的检测指示的定时和/或所检测的暂态特性的评估。

Description

功率变电站中安全的故障检测
相关申请的交叉引用
本申请要求于2015年3月19日提交的美国临时专利申请序列号62/135,469的权益，其通过引用整体并入本文。
关于联邦资助研究的声明
本发明是在美国政府的支持下，由美国能源部(DOE)授予的合作协议No.DE-OE0000674开展的。在本发明中美国政府有一定的权利。
技术领域
本申请的实施例一般涉及故障检测。更具体地但非排他地，本申请的实施例涉及电力系统中的故障检测和保护设备的激活。
背景技术
智能电子设备(IED)是基于微处理器的设备，在电力行业中被用于控制电力系统开关设备，例如断路器、自动继电器等。随着通过国际电工委员会(IEC)对IEC 61850过程总线的标准化，许多现代IED支持以数字格式的电压和电流输入，作为在过程总线上以以太网数据包被传送的采样值(SV)流。在根据IEC 61850-9-2规范的实现中，合并单元(MU)是对主高压功率电路的模拟测量(例如，电压和电流)进行采样，将该测量值编码成以太网数据包，并将以太网数据包注入到过程总线上的设备。IED可以接收来自过程总线的这些SV数据包，并处理和使用SV作为到IED各种故障检测和保护功能的输入。
至少某些IED的主要功能可以用来检测主电路上发生的故障，并发出跳闸命令来激活可以将电路的故障或短路部分断开连接的开关设备。在这样的过程中，到MU的模拟输入和相关的数字化的SV数据包对于IED的正确的操作决定是至关重要的。此外，IED的正确操作可以至少部分地是基于SV数据包中包含的信息的准确性以及真实性。
此外，传统上，现代IED中的大多数故障检测算法依赖于监测基波正弦电压和正弦电流，其也被称为用于故障检测的相量(phasor)和值。因此，在对故障检测的测量值进行评估之前，涉及响应于故障或短路而在主电路上传播的快速电磁暂态的至少某些信息通常被数字或模拟滤波器抑制。因此，传统的故障检测和保护系统通常只是忽略故障暂态。
此外，至少与较早的依赖硬连线模拟输入的保护系统相比，数字化的SV流和以太网技术可以对网络攻击具有一定的敏感性，网络攻击例如包括可以针对至少数字化采样值数据的非法攻击。例如，在至少某些系统中，攻击者一旦获得对过程总线和/或合并单元的访问权限，就可以修改由相应的IED接收到的SV数据包，并且因此可以操纵保护系统，这可能引起对相关电网的相对严重的后果。例如，在正常非故障电路上的错误跳闸可能以这样的方式引起对系统的弱化，使得可能导致局部电网崩溃或区域电网崩溃。因此，需要技术和设备以用于保障IED系统免受针对用于故障检测的采样值数据的网络攻击。
发明内容
本申请的一个方面是一种方法，其包括检测在电力系统中的故障以及检测一个或多个故障暂态。该方法还可以包括响应于检测到的故障和检测到的一个或多个故障暂态，确定将电力系统的开关设备跳闸。
本申请的另一个方面是一种用于电力系统的监测设备，该监测设备包括第一接口电路，其可以被配置成接收电力系统中第一监测点的第一采样数据。监测设备还可以包括信号处理电路，其被配置成使用接收到的第一监测数据来检测电力系统中的故障。此外，监测设备还包括第二接口电路，其可以被配置成从至少一个其他监测设备接收至少一个故障暂态报告，该故障暂态报告表示在故障暂态的至少另一个监测点处的检测。此外，信号处理电路可以被配置成，响应于故障检测以及该至少一个故障暂态报告的接收，确定是否发出命令以将电力系统的电力系统开关设备跳闸。
此外，本申请的一个方面是一种方法，该方法包括：通过监测设备来接收用于电力系统中检测点的采样数据，以及通过该监测设备和使用采样的数据来检测由电力系统中的故障引起的电磁暂态。该方法还可以包括将检测到的电磁暂态报告给至少一个其他监测设备。
本申请的又一个方面是一种监测设备，该监测设备包括第一接口电路，其被配置成接收电力系统中第一监测点的第一采样数据。监测设备还可以包括信号处理电路，其被配置成使用由第一接口电路接收到的第一采样数据以检测由电力系统中的故障引起的电磁暂态。此外，该信号处理电路还可以被配置成将检测到的电磁暂态报告给电力系统中至少另外一个监测设备。
在下面的详细描述中，将描述上述概述的方法的进一步的变型，以及被配置成执行这些方法中的任何一个或多个的装置的进一步的变型。
附图说明
本文参考附图进行了说明，其中在所有的视图中，相同的附图标记表示相同的部分。
图1A示出经由一个或多个输电线路被连接到多个其他相邻系统的示例性数字变电站。
图1B至图1D示出图1A所示的示例性数字变电站的三个支路上的电流。
图2示出示例性FTSnV模块的实施例。
图3示出图1A所示的示例性数字变电站场景中由四个点中的每一个点处的故障引起的电磁暂态的四个频域表示。
图4A示出根据本申请的某些实施例的适用于暂态检测过程的示例性组件。
图4B示出故障暂态检测的示例性方法的过程流程图。
图5示出用于图1A至图1D所示的相同故障场景的2级故障暂态分析的某些特性的图形表示。
图6示出确定故障暂态方向的示例性方法的过程流程图。
图7示出用于监测设备配置的示例性逻辑设置。
图8示出示例性系统配置的示意图。
图9示出另一个示例性系统的示意图，其中相邻IED的SV流被加载在相同的过程总线上。
图10示出根据本申请的某些实施例用于确定是否将电力系统的开关设备跳闸的示例性概括过程。
图11示出根据本申请的某些实施例用于结合确定是否将电力系统的开关设备跳闸来验证故障存在的示例性过程。
图12示出利用电流和/或电压幅值以及故障方向来用于检测电磁暂态的示例性过程。
图13示出根据本申请的某些实施例示出用于示出电力系统中故障暂态的概括方法的示例性过程流程图。
图14示出根据本申请的某些实施例示出用于示出电力系统的故障和开关设备跳闸的概括方法的示例性过程流程图。
图15示出根据本申请的某些实施例示例性监测设备的某些组件的框图。
当结合附图阅读时，将更好地理解前面的概述以及下面对本发明的某些实施例的详细描述。为了说明本发明的目的，在附图中示出了某些实施例。然而，应该理解的是，本发明不限于附图中所示的装置和手段。此外，各图中的相同数字表示相同或相当的部分。
具体实施方式
在前面的描述中为了方便而使用了某些术语，并且这些术语不是旨在限制。诸如“上”、“下”、“顶部”、“底部”、“第一”和“第二”等词语在附图中指定方向。这个术语包括上面具体提到的词语、派生词和类似的词语。此外，除非特别指出，否则单词“一”和“一个”被定义为包括一个或多个所引用的项目。后面跟有两个或更多个项目(诸如“A、B或C”)的列表的短语“至少一个”，是指A、B或C中的任何一个以及它们的任何组合。此外，如本文所使用的，术语“具有”、“含有”、“包含”、“包括”等是开放式术语，其指示所陈述的要素或特征的存在，但是不排除附加的要素或特征。
电力系统中的故障(例如短路)通常涉及在电路中一个或多个点处的电气量相对突然的改变，例如电压和电流改变。对于至少某些类型的电路，这种电气量的改变可以在主电路上传播，并产生可以在主电路中的多个节点或支路上观察到的电磁暂态。这些快速的电磁暂态，在这里被称为“快速故障暂态”或简称为“故障暂态”，可以对应于在故障之后并且在继电器响应于故障之前立即通过主电路而传播的电磁暂态。例如，由于存储在线路电容中的电能的故障触发的突然放电，可能出现快速故障暂态，并且快速故障暂态通常以电路上的电压和电流波形中的阻尼高频(高达几kHz)振荡为特征。快速振荡可以由电磁(EM)理论来解释，并且已经在基于EM暂态和行波的故障检测和保护研究领域中得到了广泛的研究。
如下面更详细地讨论的，根据本申请的某些实施例，故障暂态签名和验证(FTSnV)可以被利用，以用于安全的故障检测。更具体地，根据某些实施例，可以监测主电路上传播的快速故障暂态并且可以从检测到的快速故障暂态中提取故障签名，以用于通过交叉检查来自变电站内主电路上的多个位置的故障暂态签名，来验证故障检测的判定。
图1A示出经由一个或多个输电线路被连接到多个其他相邻系统101a，101b，101c的示例性数字变电站100。根据示出的示例性实施例，数字变电站100包括500kV侧和160kV侧。此外，变电站100包括在变电站100中的多个监测点(LA99，LB99，L252B，9299)处的一个或多个传感器或者检测设备，其被构造成检测数字变电站的一个或多个电气量，例如，检测或测量电气量中的电流或负载等。例如，根据示出的实施例，变电站100被示出为具有三个传感器或检测设备，该传感器或检测设备在变电站100中的多个监测点(LA99，LB99，L252B，9299)处测量三相电流。
为了说明的目的，在图1A中的变电站100的左侧上示出的开关102，可以被操作成模拟将相邻系统101a连接到变电站100的500kV侧的输电线路上的故障。在这种情况下，紧接着故障发生之后，在前半个周期内，可以通过至少在变电站100的网络或电路中的多个支路上(包括，例如，在点LA99、LB99、L252B和9299处)的传感器或检测设备来感测或测量相对高频率的故障暂态电流。此外，图1B、图1C和图1D分别示出在发生故障时(被示出在0.04秒附近出现)以及在故障发生之后在检测点LA99、L252B和LB99处的示例性测量电流。
对于给定的电路配置，快速暂态可以具有特征“签名”，特征“签名”在快速暂态中被固有编码。此外，根据本申请的某些实施例，多个快速故障暂态特性中的一个或多个可以被智能电子设备(IED)的一个或多个故障检测算法所利用。快速故障暂态的特征的这类使用可以提供对采样值的网络攻击的防御。例如，快速暂态可以承载物理故障签名，该物理故障签名表示或表征相对于监测设备的故障方向、故障相和/或故障位置。因此，本申请的实施例可以将快速故障暂态不仅仅用于故障检测。此外，快速故障暂态通常在主电路上作为EM波传播，与大多数基于相量的故障检测算法操作相比，其可以被更快地感测。更具体地，基于相量的算法通常必须进行额外的运算，以将故障信号从时域变换成相量域，这可以导致相量信息利用中的延迟。因此，通过本申请的实施例的快速暂态呼叫的使用，允许故障签名在比传统的基于相量的IED故障检测做出保护判定短的更短的时间段内被验证，或者在传统的基于相量的IED故障检测做出保护判定之前被验证。此外，快速暂态通常在所连接的主电路上传播。因此，主电路可以形成用于故障签名的通信通道，其可以是与用于将SV传送到IED的通道不同的模拟通道。主电路可以因此被视为用于通信故障信息的备选通道，主电路通常是免疫于网络攻击的。此外，通过主电路的传播允许故障签名以协作的方式在多个位置上是可验证的。此外，基于行波的保护方案的各种方法可以适于解码和验证暂态故障签名。
因此，本文公开的方法和装置利用故障暂态的特性来提供不易受到对传感器的数字化模拟测量值的网络攻击的影响的电力系统开关设备和技术。在数字变电站中，例如，图1中示出的变电站100中，到保护算法的模拟测量输入被数字化为采样值(SV)流，并且被传输到过程总线上的一个或多个智能电子设备(IED)。根据所公开的一些方法，物理故障暂态签名从主电路上传播的快速故障暂态中被提取，并且对应于一个或多个其他测量位置的故障暂态签名被交叉检查，以验证保护系统的故障检测判定的有效性。
本文描述的系统的一些实施例包括将采样值流作为输入并从采样值提取暂态签名的一个或多个设备或固件模块。所提取的故障暂态签名可以被输出并与来自多个测量员的故障暂态签名进行交叉检查。这种故障检测签名的交叉检查可以用来验证主保护的故障检测判定。此外，取决于例如电气和通信网络的架构以及电子监测和控制设备的处理能力，用于所公开系统的若干不同的配置是可能的。
使用电力系统中监测点的采样电流和/或电压数据来检测故障暂态的能力可以以各种方式获得。例如，根据某些实施例，这样的能力可以由故障暂态签名和验证(FTSnV)模块提供，该模块可以用作安全的故障检测系统中的构建块。FTSnV模块可以适于例如通过数字信号处理技术的使用从采样值流提取故障暂态签名，并且向相邻IED提供所提取的暂态故障签名。根据某些实施例，可以与对基于主相量的保护系统的跳闸判定的验证结合，来使用这种所提取的暂态故障签名。所提取的签名可以提供各种不同类型的信息，和/或关于故障暂态的信息或特性的组合，在信息或特性中包括例如指示指示故障暂态超过特定的幅度、相对于监测设备的故障暂态的方向、和/或用于故障暂态的时间戳等。
图2示出示例性FTSnV模块的概念图，该模块具有输入接口210和输出接口220。表1中详细提供了可以通过所示FTSnV模块200的输入和输出接口210和220来传送的信息的示例。
表1
Figure BDA0001475214870000081
如上所示，根据某些实施例，可以通过所示的FTSnV模块200的输入和输出接口210传送的信息可以包括相电压(VA，VB，VC)和中性点电压(VN)的一个或多个实时采样值，以及相电流(IA，IB，IC)和中性点电流(IN)的一个或多个实时采样值。
如前所述，根据某些实施例，FTSnV模块200可以输出(图2中的“FTSnV_Output”)所提取的故障签名，其可以包括例如故障暂态超过特定幅度的指示。然而，同样如前所述，输出的FTSnV模块200还可以包括其他或附加的信息，例如，其中的信息为故障暂态的实际幅值的指示、故障暂态的方向的指示、和/或故障暂态的时间戳等。根据某些实施例表2示出可以作为图2中示出的“FTSnV_Output”的一部分被报告的故障暂态签名的两个级别(“级别1”和“级别2”)的示例。
表2
Figure BDA0001475214870000082
如表2所示，根据某些实施例，第一级别(“级别1”)的故障暂态签名可以被描述成属于暂态拾取，并且可以用“FTSnV_Output”来报告。此外，根据某些实施例，第一级别的故障暂态签名可以包括暂态拾取信息，例如，在拾取过程的延迟窗口内故障暂态的最大幅度等信息。这种第一级别的故障暂态签名可以被利用于相对快速和可靠的确认故障暂态的存在。
第二级别(“级别2”)的故障暂态签名的分析可以通过检测第一级别(“级别1”)的故障暂态签名或暂态拾取而被触发，并且可以被描述成属于一个或多个故障暂态特性。例如，根据某些实施例，第二级别(“级别2”)的故障暂态签名可以包括关于例如暂态故障签名的一个或多个级别的信息，包括但不限于，指示故障暂态的方向的信息。根据某些实施例，可以使用表2中所示的第一和第二级别的暂态故障签名的分析来从由FTSnV模块200接收的输入采样值流中提取至少上述识别的信息。此外，如下所述，可以使用第一和第二级别的暂态故障签名的分析以在电力系统中提供安全的故障检测。
图3示出在前述模拟的故障情形下，由图1A中所示的变电站100中的四个不同监测点(LA99，LB99，L252B，9299)处的传感器所测量的故障电流信号的时间频谱分析的示例，其中X轴表示时间且Y轴表示以赫兹(Hz)为单位的频率。此外，图3示出等值线图，其示出了在故障发生之后，在变电站100中的不同位置的每一个位置处测量的不同频率分量随时间的分布，其中在所示的示例中故障发生在0.04秒附近。在这些曲线的每一个曲线中，基频已经被过滤，以使得曲线示出快速暂态的其他特征。如所展示的那样，故障暂态可以在变电站100中的多个位置处被观察到，例如，由图3的曲线示出的以及在图1所示的变电站100中示出的四个监测点(LA99，LB99，L252B，9299)。如下面更详细讨论的，第一级别的暂态分析，或暂态拾取过程，可以对这些高频分量进行分析，以确定快速暂态的存在并触发FTSnV模块200来采取进一步行动。
根据某些实施例，第一级别的暂态分析主要涉及第一级别(“级别1”)的故障暂态签名或暂态拾取，并且更具体地，涉及快速暂态信号的高频分量。因此，参考图4A，根据本申请的某些实施例，第一级别的暂态分析可以是暂态检测过程，包括至少部分地使用高通滤波器402、比较器404和延迟计数器406。高通滤波器402可以适于具有比电功率频率更高并且还比系统中任何主要输电线路的最低自然频率更低的截止频率。此外，高通滤波器402可以适于具有小于基频电功率信号的四分之一周期的最大群延迟(group delay)。根据某些实施例，该最大群延迟可以对应于例如采样值(SV)数据流中大约20个连续采样到大约64个连续采样。高通滤波器402可以应用于在监测点处的电流和/或电压的采样值和输出的滤波采样值。滤波的采样值的绝对幅值可以通过比较器404与阈值进行比较。此外，可以使用延迟计数器406以将异常数据或噪声与高频分量区分。换句话说，根据某些实施例，采样值必须超过给定时间段或持续时间的阈值，例如给定数量的采样，以便适格作为真正的故障暂态。
通过图4B中所示的算法，示出了示出第一级别的暂态分析的示例、更具体地示出暂态检测过程的示例的过程流程图。对于本申请中的所有过程示出的操作应当被理解成仅作为示例，并且操作可以被组合或分割，且被添加或移除，以及被全部或部分地重新排序，除非明确地指出相反。此外，根据某些实施例，所示的暂态检测过程可以在采样电流值、采样电压值和/或采样电流值和采样电压值的组合上被执行。此外，根据某些实施例，所示的过程流程可以在每个监测点被迭代。在每个监测点处，该过程可以如框410所示首先更新故障分量电流缓冲器(IFT)。然后可以在分量电流缓冲器(IFT)上应用高通滤波算法以获得经滤波的电流缓冲器(IFTH)，其可以是最近的高通滤波器输出的绝对值，如框420所示。如框430所示，可以将经滤波的电流缓冲器(IFTH)与阈值进行比较。如果经滤波的电流缓冲器(IFTH)第一次大于阈值，则启动计数器。如框440所示，每次当连续执行点处的经滤波的电流缓冲器(IFTH)也大于阈值时，那么计数器可以增加。然而，当经滤波的电流缓冲器(IFTH)(例如下一个经滤波的电流缓冲器(IFTH))小于阈值时，计数器被重置，如框450所示。
如框460所示，将计数器值与延迟阈值(NFT)进行比较。当计数器到达或超过延迟阈值(NFT)以使得快速暂态信号的高频分量的连续点(如上面关于至少图4A和图4B所讨论的)已经等于或大于阈值时，则该过程将确认检测到暂态并发送拾取信号，如框470所示。此外，随着计数器到达或超过延迟阈值(NFT)，可以用在计数器延迟过程期间获得或测量的经滤波的电流缓冲器(IFTH)的峰值，来更新经滤波的电流缓冲器的最大值(IFTHM)，如框480所示。根据某些实施例，更新后的经滤波的电流缓冲器的最大值(IFTHM)可以作为故障暂态的幅值被放入到由FTSnV模块200输出的FTSnV_Output结果中。
上面描述的和图4B示出的过程流程图提供了第一级别的暂态分析或暂态检测过程的示例。然而，根据本申请的监测设备的其他实施例，暂态检测过程通常可以限于第一故障暂态分析，该第一故障暂态分析提供检测到故障暂态的指示，其中故障暂态的检测的指示被发送到一个或多个其他设备。此外，根据某些实施例，故障暂态的检测的这种指示可以伴随有时间戳或其他定时数据，以指示何时检测到故障暂态。可选地，根据某些实施例，除了提供故障暂态的检测的指示之外，或者代替提供故障暂态的检测的指示，指示故障暂态的幅值、持续时间或其他特性的数据可以被发送到一个或多个其他设备。
根据其他实施例，可以执行故障暂态的进一步分析。这种进一步的分析可以被称为第二故障暂态分析或第二级别的故障暂态分析。根据某些实施例，第二故障暂态分析可以涉及第二级别的故障暂态签名，并且可以包括例如对确定故障暂态的方向的分析。根据某些实施例，故障暂态的方向可以指的是在给定监测点处或相对于给定监测点(例如在监测点LA99，LB99，L252B，9299处)所观察的故障暂态的传播的方向。此外，根据某些实施例，可以分析给定监测点处的测量电流和/或测量电压的采样值数据流以确定故障暂态方向。例如，当故障发生时，如果观察到采样值数据，可能会有一个故障分量电路叠加在原始电路上，产生由故障引起的增量电压和增量电流。在这样的故障分量电路中，故障是该电路其余部分的源。因此，由故障产生的暂态功率/能量可以被视为从故障点流向电路的其余部分。因此，可以采用第二故障暂态分析以从暂态波形中提取能量作为物理签名，并且使用所提取的方向来从多个样本值流中验证故障。
图5示出可以相对于第二次故障暂态分析被评估的故障暂态的某些物理特性。此外，图5中示出的特性通常涉及前面至少关于图1A至图1D所讨论的示例性故障情形。图5的图中所示的电流、电压、功率和能量对应于由图1A所示的变电站100的位置LA99处的一个或多个传感器的测量结果，其中参考电流方向是从变电站100到线路。由于所示示例中的故障是在变电站100的位置LA99处的一个或多个传感器前面的线路上，所以在故障分量电路中，由故障产生的能量的符号将为负。在图5中所示的相对于时间绘制的IFTM和UFTM量，是从采样值数据导出的经解耦的故障分量电流和电压。假定所示的IFTM和UFTM，P和Q分别是故障分量电路中的瞬时有功功率和瞬时无功功率。EP和EQ是故障分量电路中的瞬时能量。在这种情况下，EP和EQ总是负的，这表明故障方向是在被识别为LA99(正向)的位置的前面。
图6示出过程流程图，该过程流程图示出用于确定故障暂态方向的示例性算法。如框610和615所示，在通过检测第一级别(“级别1”)的故障暂态签名或者通过暂态拾取而触发主运算之前，图6所示的算法跟踪故障分量的三相电压(UFT＝[UFTA，UFTB，UFTC]T)和三相电流(IFT＝[IFTA，IFTB，IFTC]T)，并将这些值存储在故障分量缓冲器中，如框615所示。一旦第二故障暂态分析通过如框615所示的第一故障暂态分析的暂态故障检测而被触发，则计算瞬时能量方向，根据某些实施例，该瞬时能量方向的计算可以基于故障分量电流和故障分量电压的更新。在相位量(UFT和IFT)上应用小波变换，如框620所示)，以获得经解耦的模式电压(UFTM＝[UFTM0，UFTM1，UFTM2]T)和模式电流(IFT＝[IFTM0，IFTM1，IFTM2]T)。该变换的等式在下面的等式(等式1)中被示出，其中X是电压(U)或电流(I)：
Figure BDA0001475214870000131
在变换之后，如框625和630所示，使用基于希尔伯特变换的无功功率定义来计算瞬时有功功率(P0，P1，P2)和瞬时无功功率(Q0，Q1，Q2)。然后这些瞬时功率值在每个样本处被累加，如框635和640所示，以形成瞬时有功能量和瞬时无功能量(EP0，EP1，EP2和EQ0，EQ1，EQ2)。在故障的第一周期期间，这些能量值的符号被用于获得故障暂态方向，如框645和650所示，并且可以被用作由例如通过FTSnV模块200输出的监测设备所输出的，用于级别2的故障暂态签名的细节，如框655和框660所示。正符号值表示反向方向，而负符号值表示正向方向。
图7示出使用上述示例性FTSnV对示例性监测设备配置的逻辑设置，并且该逻辑设置可以用于确定是否输出控制信号以激活或跳闸开关设备。为了说明的目的，在图7中示出的示例性设置中，假设故障已经在IED 700的主保护区中发生。根据所示实施例，监测设备配置包括IED 700，在图7中表示为“IED0”，该IED 700包括主故障检测模块710。在所示的示例中，主故障检测模块710可以被配置成基于系统中的第一监测点的采样值(SV)数据来执行基于相量的故障检测。IED 700还可以包括故障暂态分析模块720，其也被称为FTSnV模块720。FTSnV模块720被构造成通过监测瞬时采样值，例如通过采用前述第一级别的暂态分析，来拾取故障暂态，并且从SV中(例如通过前述第二级别的暂态分析)提取一个或多个暂态故障特性。如图7所示，然后FTSnV模块720以及因此IED 700可以输出FTSnV_Output，其可以包括通过第一和/或第二级别的暂态分析而获得的信息，该信息可以被发送的一个或多个相邻的IED。
IED还接收来自一个或多个相邻IED(例如IED1、IED2和IED3)的暂态检测结果，作为到外部FTSnV逻辑单元730的输入。这些相邻IED(IED1、IED2和IED3)中的一个或多个的FTSnV结果可以在IED 700的判定逻辑单元740中与来自故障检测模块710的主故障检测结果(例如来自第一级别的暂态分析和/或来自第二级别的暂态分析的结果)相结合，以产生最终保护输出，如图7所示(“保护输出”)。根据某些实施例，最终保护输出可以是激活或“跳闸”诸如断路器的开关设备的控制信号。
在图7所示的配置中所指的一组IED，即IED0，IED1，IED2，IED3，可以是彼此靠近的一组IED，以使得故障将引起对于该组中其他IED的类似故障暂态。此外，根据某些实施例，在运行期间，一组IED可以利用来自不同源的至少两个独立的测量流，包括但不限于，例如来自该组中两个或更多IED的测量结果。
响应于IED 700的主保护区(在图7中表示为“IED0”)中出现的，图7所示监测设备配置的逻辑设置的操作的非限制性示例如下。如前所述，IED 700(IED0)以及相邻的IED(IED1，IED2，IED3)可以接收用于一个或多个监测点的瞬时采样值(SV)数据，诸如来自与每个IED所关联的变电站内部的一个或多个传感器或检测设备。如前所述，IED(IED0，IED1，IED2，IED3)可以使用相关的接收到的SV数据，并且通过第一级别暂态分析或暂态检测以检测或以其他方式提供故障暂态的检测的指示。此外，也如所讨论的，根据某些实施例，第一级别的暂态分析可以触发第二级别的暂态分析。也如上文所讨论的，第二级别的暂态分析可以由一个或多个IED(IED1，IED2，IED3)中的一个或多个FTSnV模块使用，如前所述，以提取检测到故障暂态的某些特性，例如故障暂态的方向。此外，来自第一和第二级别的暂态分析的信息可以经由来自一个或多个相邻IED(IED0，IED1，IED2，IED3)的FTSnV模块被通信。根据当前示例，如图7所示，来自相邻IED(IED1，IED2，IED3)FTSnV模块的FTSnV_Output可以被IED 700(IED0)所接收。此外，根据所示实施例，IED 700(IED0)的主故障检测模块710可以利用所接收的SV并且在获得有效的相量之后拾取故障，由于相量计算，这可以在故障发生后大约半个周期到一个周期的延迟之后发生。
在所示的示例中，在由主故障检测模块710拾取的主故障检测之后，在预定的时间窗口内，如果IED 700(IED0)从相邻IED(IED1，IED2，IED3)接收到指示确认故障暂态的任何FTSnV_Output，并且如果IED 700(IED0)结果的外部FTSnV逻辑以及FTSnV_Output确认暂态故障签名，那么IED 700(IED0)发出保护输出控制信号以激活或“跳闸”诸如断路器的开关设备。然而，如果在主故障检测模块710拾取的主故障检测之后的预定的时间窗口内或时段内，IED 700(IED0)没有接收到具有确认的故障暂态的任何FTSnV_Output，那么IED 700(IED0)可以例如通过“异常采样值”信号，就未验证的事件来警告变电站信息技术(IT)系统。此外，根据某些实施例，取决于IED 700(IED0)经配置的设置，IED 700可以或者抑制发出激活(“跳闸”)开关设备的控制信号，或者可以发出控制信号以激活具有已启动自动继电器逻辑的开关设备。
上面讨论的示例，包括对IED 700(IED0)是否从相邻IED(IED1，IED2，IED3)接收到指示确认故障暂态的任何FTSnV_Output的讨论。根据某些实施例，从相邻IED(IED1，IED2，IED3)接收到指示确认故障暂态的FTSnV_Output的这种确认，可以包括IED 700(IED0)确认从相邻IED(IED1，IED2，IED3)的FTSnV_Output接收的暂态故障签名。再次假定可以通过第一和第二级别的暂态分析已经分别获得的FTSnV_Output中的暂态拾取信号和暂态方向结果，可以针对不同级别的安全需求来设计灵活的逻辑配置。例如，根据某些实施例，IED 700(IED0)通常可以仅使用相邻IED(IED1，IED2，IED3)的输入FTSnV_Output的暂态拾取信号。根据某些实施例，仅有暂态拾取信号的这类使用可以涉及IED 700结合确认暂态的存在使用来自所接收的FTSnV_Output的基本故障暂态指示，例如通过每个相邻IED所观察到的故障暂态的幅值。根据这种方法，如果相邻IED(IED1，IED2，IED3)的FTSnV模块各自感测到来自其本地测量结果的快速暂态，并且如果IED 700(IED0)还通过其主故障检测模块710和/或通过其本地故障暂态检测过程而感测到故障，那么IED 700(IED0)可以确认该故障。
在一些实施例中，使用FTSnV_Output中的故障方向信息以形成更安全的故障检测逻辑。根据这种方法，相邻的IED(IED1，IED2，IED3)不仅可以感测(并示意)暂态的检测，而且还可以感测信号暂态的方向，这可以通过IED 700(IED0)相对于由IED 700(IED0)所检测的故障和/或暂态而被评估和/或被验证。例如，在图1A中示出的电路中，故障发生在变电站的出线线路上。使用由箭头所指示的在三个监测点(LA99，LB99，L252B)处的参考方向，为了说明的目的，而假设监测点LA99是主IED并且监测点L252B和LB99是相邻的IED，可以使用在三个监测点(LA99，LB99，L252B)处的方向结果的组合以确认故障在何处发生。此外，在本示例中，参考图1A，在LA99和L252B处参考方向结果是正向的以及在LB99处参考方向结果是反向的，可以确认故障发生在LA99的出线线路上。
如上所述，图7中所示的IED 700(IED0)的配置是基于系统设计的，其中IED可以接收来自一个或多个相邻IED(IED1，IED2，IED3)的第一级别和/或第二级别的暂态分析的结果，并且所接收的结果可以由IED结合对本地监测点在SV数据上执行的本地故障检测/分析(例如由主故障检测模块710的分析)而被评估。利用IED的这种配置的示例系统在图8中被示出。根据该系统的某些实施例，多个IED 820中的每个IED都具有相应的合并单元(MU)810，该合并单元810通过例如专用连接对其相应的IED 820提供SV数据流。此外，每个IED820可以包括主故障检测(FtDtct)模块822和故障暂态分析(FTSnV)模块824，其中每个模块都消耗SV数据流。类似于上面相对于图7所讨论的IED 700，图8所示的每个IED 820都通过相量的使用而承载其主故障检测功能。此外，每个IED 820中的FTSnV模块824都可以使用瞬时采样值来执行故障暂态分析。此外，每个IED 820中的FTSnV模块824都可以例如通过通信总线(例如利用快速GOOSE消息的或者通过物理接触I/O)而将其结果输出到相邻IED 820。至少主IED 820(是在故障发生区域的主IED 820)可以接收来自相邻IED 820的FTSnV模块824的结果，作为到主IED 820的故障判定逻辑826的输入。此外，每个IED 820都可以接收来自该IED 820的相关主故障检测(FtDtct)逻辑822的输出。如上面详细讨论的，基于这些输入的评估，每个IED 820都可以输出其最终故障检测判定。
在图8示出的系统设计中，每个MU 810专用于单个IED 820。这样的实施例可以增加非法物理地损害多个SV流的难度，因为每个MU 810不共用单个通信介质。此外，各种不同类型的感测设备可以作为MU 810被利用，包括MU类型，主IED 820容纳基于FTSnV的、与其他非基于IEC61850的IED相兼容的安全系统。根据某些实施例，虽然来自IED 820的FTSnV_Output可以共用单个通信介质，但是快速故障暂态通常与故障物理地和精确地同步，这进一步地增强了涉及非法尝试以同时操纵多个FTSnV_Output的复杂性。
图9示出作为备选的系统设计，其中相邻IED 920的所有SV数据流都被承载在相同的过程总线上。每个IED 920中的FTSnV模块924都接收相邻IED 920的SV数据流以及其自身的SV数据流，并且在相邻IED 920中的每个流上本地执行故障暂态的评估。FTSnV模块924可以将所有的暂态结果在内部输出到其自己的IED 920，该IED 920然后可以使用判定逻辑926在本地执行故障检测判定逻辑。注意，这种判定还可以至少部分地基于来自IED 920中故障检测(FtDct)模块922的传统的基于相量的故障检测输出。
在图9所示的设计中，判决逻辑可以在不需要相邻IED 920之间通信的情况下，由每个LED 920在本地作出。然而，每个IED 920中的FTSnV模块924必须处理多个流，因此需要更大的计算能力。此外，虽然根据某些实施例所有的SV数据流可以共享相同的过程总线，但是由于快速故障暂态与故障物理地和精确地同步，这种配置可以具有对同时操纵多个SV流的非法尝试的增强的抵抗。
前面的详细示例提供了用于在电力系统中执行故障监测和系统保护的几种方法。此外，图10示出过程流程图，该过程流程图示出根据上面讨论的若干示例性实施例的用于执行故障监测和系统保护的通用方法。图10所示的方法至少适合于在电力系统中的第一监测设备(例如数字变电站中的IED)中实施。根据本示例方法，如框1010所示，故障例如通过使用来自电力系统中的第一监测点的采样电流和/或采样电压数据的第一监测设备而被检测。如框1020所示，响应于故障的检测，第一监测设备可以确定是否将电力系统的开关设备跳闸。根据某些实施例，是否将开关设备跳闸的这类确定可以是基于第一监测设备是否接收到来自第二检测设备或来自一个或多个附加的其他监测设备的故障暂态信息，故障暂态信息指示由故障(即，如上面所讨论的“快速故障暂态”或“故障暂态“)引起的电磁暂态，故障通过基于对电力系统中第二(或其他附加的)监测点的采样电流和/或采样电压数据的第二(或其他)监测设备而被检测。
图11中进一步示出对应于图10的框1020所示的确定操作的示例过程流程。如框1110处所示，所示过程由检测到故障而被触发。例如，根据某些实施例，如前面所讨论的，可以由第一监测设备来检测故障，并且基于通过使用有效的相量结算的主故障检测的故障拾取，和/或通过经由第一级别和/或第二级别的暂态分析的故障暂态检测来检测故障。在框1120处，可以做出关于是否使断路器或其他开关设备跳闸的判定。根据某些实施例，激活或跳闸短路器或开关设备的判定，可以基于一个或多个相邻的监测设备在预定时间窗口内是否报告了适当的故障暂态信息。如前所述，根据某些实施例，该预定时间窗口可以是在第一监测设备确定故障和/或故障暂态被检测到之后的时间段，如框1110所示。因此，根据某些实施例，如框1120所示的确定是否将电力系统开关设备跳闸，可以包括在从检测到故障开始的预定时间间隔内(如框1110所示)，未能接收到来自至少第二监测设备的、指示由至少该第二监测设备检测到故障引起的电磁暂态的故障暂态信息时，确定不将电力系统开关设备跳闸，，如框1130所示。类似地，根据某些实施例，确定是否将电力系统开关设备跳闸，如框1140所示，可以包括确定来自至少该第二监测设备的、指示由故障引起的电磁暂态的检测的故障暂态信息，在检测到故障之后的预定间隔内(如框1110所示)被第一监测设备接收到。
如所指出的，该判定可以基于是否从多于一个的诸如相邻IED的相邻监测设备接收到故障暂态数据。在一些实施例中，如图10的框1020和如图11的框1120分别所示，确定是否将电力系统开关设备跳闸，还基于第一监测设备是否从第三监测设备接收到来自指示由该第三设备基于电力系统中第三监测点的采样电流和/或采样电压数据检测到电磁暂态的故障暂态信息。来自更多监测设备的故障暂态信息还可以与是否激活或跳闸断路器或其他开关设备的判定结合而被使用。
如前所述，根据图10和图11所示的方法的某些实施例，检测故障(如图10的框1010和图11的框1110所示)包括使用基于采样电流和/或采样电压数据的相量计算来检测故障的存在。在其他实施例中，检测故障包括使用采样电流和/或采样电压数据来检测由监测设备(诸如由第一监测设备)监测的点处的电磁暂态。根据其他实施例，确定是否将电力系统开关设备跳闸还可以基于第一监测设备是否使用基于采样电流和/或采样电压数据的相量计算而检测到故障的存在。
如图12所示，在一些实施例中，检测电磁暂态可以包括对采样电流和/或采样电压数据进行高通滤波并且确定经滤波的采样电流和/或采样电压数据是否超过预定的幅值，如框1210和1220所示。可选地，根据故障暂态在本地被检测的该实施例，该方法还可以包括基于电力系统中第一监测点的采样电流和/或采样电压数据，由第一监测设备确定电磁暂态的故障方向，如图12中框1230处所示。此外，确定是否将电力系统开关设备跳闸还可以是进一步地基于是否接收到来自至少一个其他监测设备的故障暂态信息，该故障暂态信息包括指示与由第一监测设备确定的故障方向相一致的电磁暂态的故障方向的信息。这种在指示故障方向上的一致性可以包括，当故障方向被一起考虑时，故障方向不会对于原始故障在电路中指示不同的点或不同的区域。根据某些实施例，确定是否将电力系统开关设备跳闸可以进一步地基于是否接收到来自另外附加的其他监测设备的故障暂态信息，该故障暂态信息包括指示与由该至少一个其他监测设备确定的故障方向相一致的电磁暂态的故障方向的信息。因此，根据某些实施例，由三个或更多监测设备确定的故障方向可以与确定是否将电力系统开关设备跳闸结合来评估。
图10示出当在监测设备的保护区域中发生故障时，在该监测设备中可以执行的方法，并且因此该方法包括关于是否应当将开关设备跳闸的判定。图13示出同样适用于在电力系统中的监测设备中实施的另一种示例方法。图13所示的方法不包括关于是否将开关设备跳闸的判定，并且因此可以对应于例如如上面所讨论的、由一个或多个相邻监测设备或至少一个其他监测设备所执行的处理。如框1310处所示，图13所示的方法包括接收电力系统中监测点的采样电流和/或采样电压数据。如框1320处所示，该方法还包括使用第一采样电流和/或采样电压数据，来检测电力系统中由故障引起的电磁暂态。根据某些实施例，检测电磁暂态包括将采样电流和/或采样电压数据进行高通滤波并且确定经滤波的采样电流和/或采样电压数据是否超过预定的幅值，例如如图12的框1210和1220处所示。此外，根据某些实施例，该方法还包括基于电力系统中第一监测点的采样电流和/或采样电压数据，来确定电磁暂态的故障方向，例如如图12的框1230处所示。然后检测到的电磁暂态被报告到电力系统中至少一个其他监测设备，如框1330处所示。这种向另一个检测设备的报告可以包括所确定的故障方向的指示。将意识到的是，该示例方法可以与本文讨论的任何其他方法进行组合。
在图10所示的方法中，关于是否将开关设备跳闸的判定可以基于从一个或多个相邻监测设备报告的故障暂态信息。然而，如上面结合图9的系统设计所讨论的，在一些实施例中，该判定可以使用故障暂态分析被执行，该故障暂态分析使用对应于除了监测设备自身的监测点以外的其他监测点的采样值数据而在本地被执行。图14示出另一种示例方法，其中电力系统中的第一监测点接收电力系统中第一监测点的第一采样电流和/或采样电压数据，如框1410处所示，并且接收由第二监测设备所监测的第二监测点的第二采样电流和/或采样电压数据，如框1420处所示。第一监测设备使用第一采样电流和/或采样电压数据检测故障，如框1430处所示。如框1440处所示，第一监测设备还确定第二采样电流和/或采样电压数据指示第二监测点处的电磁暂态。作为响应，响应于框1430和框1440所示检测和确定操作，第一监测设备确定将电力系统开关设备跳闸，如框1450处所示。
在图14所示方法的一些实施例中，如框1430那样，检测故障包括使用基于第一采样电流和/或采样电压数据的相量计算来检测故障的存在。在一些实施例中，检测故障包括使用第一采样电流和/或采样电压数据检测在第一监测点处的电磁暂态。此外，根据某些实施例，电磁暂态的检测可以涉及至少第一级别的暂态分析。
此外，根据某些实施例，确定将电力系统开关设备跳闸，如框1450所示，可以还基于第一监测设备使用基于采样电流和/或采样电压数据的相量计算来检测故障的存在。在一些实施例中，该方法包括分别基于第一采样电流和/或采样电压数据以及第二采样电流和/或采样电压数据，确定在第一监测点处电磁暂态的故障方向并且确定在第二监测点处电磁暂态的故障方向，并且进一步地基于确定在第一监测点处电磁暂态的故障方向与在第二监测点处电磁暂态的故障方向相一致，而确定将电力系统开关设备跳闸。
图15示出监测设备1500的实施例，该监测设备例如是具有修改的处理电路和/或接口电路的IED，其被配置成执行本文所讨论的至少一些方法。根据所示实施例，监测设备1500具有第一接口电路1510，其被配置成接收电力系统中第一监测点的采样电流和/或采样电压数据。监测设备1500还包括信号处理电路1520，其被配置成使用采样电流和/或采样电压数据来检测故障。信号处理电路1520还可以被配置成确定是否将电力系统开关设备跳闸。此外，该信号处理电路1520可以被配置成响应于检测到故障，并且基于监测设备1500是否接收到来自至少第二监测设备的、指示由故障引起的电磁暂态被第二监测设备检测到的故障暂态信息，来确定该故障暂态信息。如前所述，根据某些实施例，所接收的故障暂态信息可以是基于电力系统中第二监测点的采样电流和/或采样电压数据。此外，根据所示实施例，所接收的故障暂态信息可以通过监测设备1500的第二接口电路1530被接收。
根据某些实施例，取决于系统配置，第一接口电路1510包括硬件，并且在必要时包括在存储器中存储的支持软件和/或固件，以用于从一个或多个合并单元和/或从共同的过程总线接收数字采样值数据。此外，根据某些实施例，第一接口电路1510可以根据一个或多个行业标准被配置，和/或可以实施专有设计。类似地，第二接口电路1530包括硬件，并且在必要时包括在存储器中存储的支持软件和/或固件，以用于将故障暂态信息发送到一个或多个相邻监测设备，或者从一个或多个相邻监测设备接收故障暂态信息。此外，根据某些实施例，第二接口电路1530可以根据诸如IEC 61850站级总线的行业标准被配置。
信号处理电路1520可以包括被指定为图15中的处理器1524的一个或多个微处理器、微控制器、数字信号处理器等，该处理器与一个或多个存储器设备128耦合或包括一个或多个存储器设备128。根据某些实施例，存储器设备128存储程序代码，以用于执行上面所讨论的一种或多种方法中的全部或一部分。在一些实施例中，信号处理电路1520还可以包括附加的数字硬件1526，以用于执行上述方法中的一个或多个操作。
监测设备1500还可以被配置成执行上面详细描述的一种或若干种方法及其变体。因此，例如，在一些实施例中，信号处理电路1520例如通过适当的程序代码被配置，以通过接口电路1510来接收第一监测点的采样电流和/或采样电压数据，并且以使用第一采样电流和/或采样电压数据来检测电力系统中由故障引起的电磁暂态，并且以使用接口电路1530将检测到的电磁暂态向电力系统中的至少一个附加监测设备报告。类似地，在这些实施例的一些实施例中和/或在其他实施例中，信号处理电路1520被配置成：接收电力系统中第一监测点的第一采样电流和/或采样电压数据；接收电力系统中第二监测点的第二采样电流和/或采样电压数据；使用第一采样电流和/或采样电压数据来检测故障；确定第二采样电流和/或采样电压数据指示第二监测点处的电磁暂态；并且作为响应，确定将电力系统开关设备跳闸。
上述技术、装置和系统的实施例可以被用于解决电力系统自动化和控制中出现的问题，并且可以提供相对于已有技术的若干优点。特别地，IEC 61850过程总线是电力系统保护和控制/变电站自动化领域中的新兴技术。过程总线的当前实现有可能允许技术对手发觉、解码和修改过程总线上的数据包，从而操纵IED和保护系统的操作。攻击者最终可能将电网操纵成不稳定和不安全的运行状态，引起电网崩溃和电力用户的广泛停电。诸如基于加密技术的纯基于IT的网络安全措施有其局限性，诸如所需的计算性能、复杂的密钥管理。此外，基于IT的网络安全可能对抵抗内部威胁不具有鲁棒性。因此，上述方法和装置的应用为数字变电站中的IED/MU及其通信系统提供了附加的基于域的网络安全层。通过在每个IED中插入FTSnV模块、为每个IED部署和配置FTSnV模块的系统，FTSnV模块可以监测和验证到IED的传入采样值数据包、检测被操纵的SV数据包并且当检测到恶意伪造的故障数据包时阻止IED操作。
本文公开的方法、装置和系统提供了在故障期间保护数字变电站操作的方式。更具体地，本文公开的技术使用快速故障暂态的分析来帮助验证诸如IED的监测设备的故障检测判定。由于可以利用快速暂态来确定和/或提取多个物理故障签名，包括但不限于故障方向、故障相位、和/或故障位置，这些方法具有若干优点。此外，快速故障暂态可以在主电路上作为EM波传播，这通常比传统IED算法中的相量更快。因此，故障暂态签名可以在基于相量的IED故障检测判定之前被验证。此外，快速故障暂态在所连接的主电路上传播。因此，主电路形成了用于故障“签名”的备选的“通信”通道。该主电路通常对网络攻击是免疫的。此外，通过主电路的传播可以允许故障签名以协同的方式在多个位置处被验证。最后，来自基于行波的保护技术的各种方法可以适于当前公开的用于解码和验证暂态故障签名的技术。
因此，本文公开的某些实施例的方法和装置可以被用于保护数字变电站中的开关设备和系统，以防止对传感器的模拟测量值的网络攻击。在数字变电站中，保护算法的模拟测量输入可以作为采样值(SV)流被数字化，并且被传输到过程总线上的智能电子设备(IED)。根据所公开的一些方法，物理故障暂态签名从在主电路上传播的快速故障暂态被提取，并且针对对应于一个或多个其他测量位置的故障暂态签名被交叉检查，以验证保护系统的故障检测判定的有效性。
本文所描述的系统的某些实施例包括这样的一个或多个设备或固件模块：用采样值流作为输入；从采样值中提取故障暂态签名；输出故障暂态签名；并对来自多个测量源的故障暂态签名进行交叉检查以验证主保护故障检测判定的有效性。根据例如电气网络和通信网络的架构以及电子监测和电子控制设备的处理能力，所公开的系统可以有若干不同的配置。
根据一些所公开技术的一种示例方法适合于在电力系统中的第一监测设备(诸如数字变电站中的IED)中实施。根据该示例方法，使用电力系统中第一监测点的采样电流和/或采样电压数据，故障被检测。然后第一监测设备响应于故障的检测，确定是否将电力系统开关设备跳闸。是否将开关设备跳闸的这种确定可以是基于第一监测设备是否接收到来自第二检测设备的、指示由故障引起的电磁暂态被第二监测设备基于电力系统中第二监测点的采样电流和/或采样电压数据而检测到的第一故障暂态信息。
在一些示例和/或实施例中，确定是否将电力系统开关设备跳闸，包括在从检测到故障开始的预定时间间隔内，未能接收到指示电磁暂态被第二监测设备检测到的第一故障暂态信息时，确定不将电力系统开关设备跳闸。类似地，在一些实例和/或实施例中，确定是否将电力系统开关设备跳闸，包括在从检测到故障开始的预定时间间隔内，接收到指示电磁暂态被第二监测设备检测到的第一故障暂态信息时，确定将电力系统开关设备跳闸。在一些实施例中，确定是否将电力系统开关设备跳闸还基于第一监测设备是否接收到来自第三监测设备的、指示电磁暂态被第三监测设备基于电力系统中第三监测点的采样电流和/或采样电压数据而检测到的第二故障暂态信息。来自其他附加监测设备的故障暂态信息也可以用于确定是否将电力系统开关设备跳闸。
根据某些实施例，检测故障包括使用基于采样电流和/或采样电压数据的相量运算来检测故障的存在。在其他实施例中，检测故障包括使用采样电流和/或采样电压数据来检测电磁暂态。根据某些实施例，确定是否将电力系统开关设备跳闸还可以基于第一监测设备是否使用基于采样电流和/或采样电压数据的相量计算来检测故障的存在。在一些实施例中，检测电磁暂态可以包括将采样电流和/或采样电压数据进行高通滤波并且确定经滤波的采样电流和/或采样电压数据是否超过预定幅值。
根据故障暂态在本地被检测的某些实施例，该方法还可以包括基于电力系统中第一监测点的采样电流和/或采样电压数据，来确定电磁暂态的故障方向。在该实施例中，确定是否将电力系统开关设备跳闸还可以是否基于从第二监测设备接收的第一故障暂态信息，第一故障暂态信息包括指示与由第一监测设备确定的故障方向相一致的电磁暂态的故障方向的信息。根据某些实施例，确定是否将电力系统开关设备跳闸还可以是否基于从第三监测设备接收的第二故障暂态信息，第二故障暂态信息包括指示与由第二监测设备确定的故障方向相一致的电磁暂态的故障方向的信息。
另一种适合于在电力系统中的监测设备中实施的示例方法包括接收电力系统中监测点的采样电流和/或采样电压数据，并且使用第一采样电流和/或采样电压数据来检测电力系统中由故障引起的电磁暂态。然后可以向电力系统中至少一个附加的监测设备报告检测到的电磁暂态。该示例方法可以与本文所讨论的任何其他方法进行组合。
此外，根据某些实施例，检测电磁暂态包括将采样电流和/或采样电压数据进行高通滤波，并且确定经滤波的采样电流和/或采样电压数据是否超过预定的幅值。在一些实施例中，该方法还包括确定电磁暂态的故障方向，并且包括当向该至少一个附加的监测设备报告检测到的电磁暂态时，指示所确定的故障方向。
根据另一种示例方法，电力系统中的第一监测设备接收电力系统中第一监测点的第一采样电流和/或采样电压数据并且接收由第二监测设备所监测的第二监测点的第二采样电流和/或采样电压数据。第一监测设备使用第一采样电流和/或采样电压数据来检测故障，并且确定第二采样电流和/或采样电压数据指示在第二监测点处由故障引起的电磁暂态。作为响应，第一监测设备响应于该检测并且基于该确定，确定将电力系统开关设备跳闸。
在该后者示例方法的一些实施例中，检测故障包括使用基于第一采样电流和/或采样电压数据的相量计算来检测故障的存在。在其他实施例中，检测故障包括使用第一采样电流和/或采样电压数据，在第一监测点处检测电磁暂态。在这些后者实施例中的一些实施例中，确定将电力系统开关设备跳闸还基于第一监测设备使用基于采样电流和/或采样电压数据的相量运算来检测故障的存在。在一些实施例中，该方法包括分别基于第一采样电流和/或采样电压数据以及第二采样电流和/或采样电压数据，确定在第一监测点处的电磁暂态的故障方向并且确定在第二监测点处的电磁暂态的故障方向，并且该方法还基于确定在第一监测点处电磁暂态的故障方向与在第二监测点处电磁暂态的故障方向相一致，而确定将电力系统开关设备跳闸。
虽然已经结合目前被认为是最实用和优选的实施例描述了本发明，但是应当理解的是，本发明不限于所公开的实施例，而是旨在涵盖包括在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等同装置，这些范围应被赋予最宽泛的解释以便涵盖法律允许的所有这样的修改和等同结构。此外，应当理解的是，尽管在上面的描述中使用单词优选的、优选地或优选，来表示所描述的特征可以是更期望的，但是这些特征不是必需的，并且缺少该相同特征的任何实施例可以被认为是在本发明的范围以内，该范围由所附的权利要求限定。在阅读权利要求时，当使用诸如“一”、“一个”、“至少一个”和“至少一部分”等词语时，除非在权利要求中特别相反地说明，否则这些词语并不旨在将权利要求限制为只有一个该项目。此外，当使用语言“至少一部分”和/或“一部分”时，该项目可以包括一部分和/或整个项目，除非特别相反地说明。

Claims (19)

1.一种用于检测电力系统中的故障的方法，所述方法包括：
通过第一监测设备并且经由基于相量的故障检测来在所述电力系统中检测所述故障；
通过第二监测设备检测在所述电力系统的变电站中传播的一个或多个故障生成的电磁故障暂态；
通过所述第一监测设备接收故障暂态报告，所述故障暂态报告指示所述第二监测设备对所述一个或多个故障生成的电磁故障暂态的检测；
通过所述第一监测设备、基于所述故障的检测和指示所述变电站中的所述一个或多个故障生成的电磁故障暂态的检测的所接收的所述故障暂态报告，确认在所述电力系统中的所述故障的存在；以及
通过所述第一监测设备响应于确认所述故障的存在，确定将所述电力系统的开关设备跳闸。
2.根据权利要求1所述的方法，其中检测所述故障的步骤包括从所述电力系统中第一监测点的第一采样数据检测所述故障，所述第一采样数据包括第一采样电流数据和第一采样电压数据中的至少一个，并且其中检测所述一个或多个故障生成的电磁故障暂态的步骤包括使用所述电力系统中第二监测点的第二采样数据检测所述一个或多个故障生成的电磁故障暂态，所述第二采样数据包括第二采样电流数据和第二采样电压数据中的至少一个。
3.根据权利要求2所述的方法，其中检测所述一个或多个故障生成的电磁故障暂态的步骤包括：
将所述第二采样数据进行高通滤波；以及
确定经滤波的所述第二采样数据是否超过预定的幅值。
4.根据权利要求1所述的方法，其中确定将所述开关设备跳闸的步骤包括，确定所述第一监测设备在预定的时间段内是否接收到所述一个或多个故障生成的电磁故障暂态的检测的指示。
5.根据权利要求4所述的方法，还包括如下步骤：
通过所述第一监测设备并使用所述电力系统的所述变电站的第一监测点的第一采样数据，来确定第一故障暂态的第一故障方向；以及
通过所述一个或多个其他监测设备并使用所述电力系统的至少第二监测点的采样数据，来确定所述一个或多个故障生成的电磁故障暂态中的至少一个故障暂态的第二故障方向，
其中确定将所述开关设备跳闸的步骤包括确定所述第一故障方向是否与所述第二故障方向相一致。
6.根据权利要求5所述的方法，其中确定所述第一故障方向包括：
通过获得若干跟踪的故障分量电压和电流中的每个的解耦模式电压和解耦模式电流，计算所述第一故障暂态的瞬时能量方向；
对每个所述解耦模式电压和解耦模式电流来计算瞬时有功功率和瞬时无功功率；
累加所述瞬时有功功率和瞬时无功功率，以形成瞬时有功能量和瞬时无功能量；以及
评估所述瞬时有功能量和瞬时无功能量的符号，以确定所述第一故障方向。
7.根据权利要求1所述的方法，其中检测所述故障的步骤包括通过第一监测设备接收所述电力系统的所述变电站中的第一监测点的第一采样数据，并且使用所述第一采样数据来检测所述故障，并且其中检测所述一个或多个故障生成的电磁故障暂态的步骤包括接收所述变电站的第二监测点的第二采样数据，并且确定所述第二采样数据指示所述第二监测点处的故障暂态。
8.根据权利要求7所述的方法，还包括如下步骤：
在所述第一监测点处确定第一故障暂态的第一故障方向；以及
在所述第二监测点处确定所述故障暂态的第二故障方向，
其中确定将所述开关设备跳闸的步骤包括确定所述第一故障方向是否与所述第二故障方向相一致。
9.一种用于电力系统的监测设备，所述监测设备包括：
第一接口电路，被配置成接收所述电力系统的变电站中的第一监测点的第一采样数据；
信号处理电路，具有故障暂态检测模块、主故障检测模块和判定逻辑单元，
所述故障暂态检测模块适于输出指示电磁故障暂态检测、来自变电站中的至少一个另外的监测设备的至少一个故障暂态报告，比较器适于讲经滤波的第一采样数据与阈值比较，以及延迟计数器适于指示所述经滤波的第一采样数据的采样时间；
所述主故障检测模块适于提供基于相量的故障检测，和
所述判定逻辑单元通信地耦合至所述故障暂态检测模块和所述主故障检测模块；以及
第二接口电路，被配置成从所述变电站中的至少一个其他监测设备接收至少一个故障暂态报告，所述至少一个故障暂态报告指示在故障生成的电磁故障暂态的所述变电站中的至少一个另外的监测点处的检测，
其中所述信号处理电路还被配置成，响应于所述主故障检测模块通过所述监测设备对所述故障的基于相量的故障检测以及通过所述监测设备对来自所述至少一个另外的监测设备的所述至少一个故障暂态报告的接收，确定是否发出命令以将所述电力系统的电力系统开关设备跳闸。
10.根据权利要求9所述的监测设备，其中所述信号处理电路被配置成使用基于所述第一采样数据的相量运算来检测所述故障，并且其中所述第一采样数据还包括采样电流数据和采样电压数据中的至少一个。
11.根据权利要求9所述的监测设备，其中所述信号处理电路被配置成通过使用所述第一采样数据检测第一故障暂态来检测所述故障，并且其中所述第一采样数据还包括采样电流数据和采样电压数据中的至少一个。
12.根据权利要求11所述的监测设备，其中所述至少一个故障暂态报告包括在所述至少一个另外的监测点处的所述故障暂态的第二故障暂态方向，并且其中所述信号处理电路还被配置成确定所述第一故障暂态的第一故障暂态方向，并且其中所述信号处理电路还被配置成如果所述第二故障暂态方向与所述第一故障暂态方向不一致，则不发出将所述电力系统跳闸的命令。
13.根据权利要求12所述的监测设备，其中所述信号处理电路被配置成在预定的间隔内未收到所述至少一个故障暂态报告时，确定不将所述电力系统的所述开关设备跳闸。
14.一种用于检测电力系统中的故障的方法，所述方法包括：
通过第一监测设备，接收所述电力系统的变电站中的监测点的采样数据；
通过所述第一监测设备并且使用相量计算和所述采样数据检测电力系统中的所述故障；
通过所述第一监测设备并使用所述采样数据，检测所述电力系统中由故障引起的在所述电力系统中传播的电磁暂态；以及
将检测到的所述电磁暂态向所述变电站中的至少一个其他的监测设备报告。
15.根据权利要求14所述的方法，其中检测所述电磁暂态的步骤包括：
将所述采样数据进行高通滤波，所述采样数据包括采样电流数据和采样电压数据中的至少一个；以及
确定经滤波的所述采样数据是否超过预定的幅值。
16.根据权利要求15所述的方法，还包括如下步骤，确定检测到的所述电磁暂态的故障方向，并且其中将检测到的所述电磁暂态报告的步骤包括报告确定的所述故障方向。
17.一种监测设备，包括：
第一接口电路，被配置成接收电力系统的变电站中的中第一监测点的第一采样数据；
信号处理电路，被配置成：(1)使用由所述第一接口电路接收的所述第一采样数据，来检测故障，以及(2)检测所述电力系统中由所述故障引起的电磁暂态，所述信号处理电路还被配置成将检测到的所述电磁暂态向所述电力系统的所述变电站中的至少一个附加的检测设备报告，
其中所述信号处理电路被配置成接收通过至少一个另外的监测设备的报告电磁暂态故障检测的信号，
其中所述信号处理电路还被配置成：响应于接收的通过所述至少一个另外的监测设备的电磁暂态故障检测报告，确认通过所述信号处理电路检测的故障；以及
其中所述信号处理电路还被配置成：响应于检测的故障的存在，确定将所述电力系统的开关设备跳闸。
18.根据权利要求17所述的监测设备，其中所述监测设备还包括高通滤波器，其被配置成将所述第一采样数据进行滤波以产生经滤波的第一采样数据，并且其中所述信号处理电路被配置成通过确定所述经滤波的第一采样数据是否超过预定的幅值，来检测所述电磁暂态，其中所述信号处理电路被配置成使用相量计算来检测故障。
19.根据权利要求17所述的监测设备，其中所述信号处理电路被配置成，确定所述电磁暂态的故障方向并且将确定的所述故障方向的指示向所述至少一个附加的检测设备报告。
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