CN108141043A - 行波定向元件 - Google Patents

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曼加帕斯劳·文卡塔·迈纳姆
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Abstract

本公开涉及电力输送系统中的故障。在一个实施例中，系统可以包括数据采集子系统，该数据采集子系统被配置为接收与电力输送系统中的至少一部分相关联的电气条件的多个表示。行波检测器可以被配置为基于电气条件的多个表示来检测行波事件。行波定向子系统可以被配置为基于由行波干扰检测器对于行波的检测，计算在累加时段期间的行波事件的能量值。可以确定在累加时段期间的最大和最小能量值。可以基于最大能量值和最小能量值确定故障方向。故障检测器子系统被配置为基于所确定的故障方向来宣告故障。

Description

行波定向元件
技术领域
本公开涉及检测电力输送系统中的故障方向。更具体地，本公开涉及使用行波原理来确定电力输送系统上的故障是在保护区域的内部还是外部。
附图说明
参照附图对本公开的非限制性和非详尽的实施例，包括本公开的各个实施例进行描述，在附图中：
图1图示了与本公开的某些实施例一致的用于检测行波并使用所检测的行波计算故障的位置的系统的框图。
图2A图示了与本公开的某些实施例一致的点阵图，其示出了在相对时间尺度上由300英里(482.8km)长的传输线路上的故障事件所造成的入射行波和反射行波。
图2B图示了与本公开的某些实施例一致的作为由于图2A中所图示的故障电流随着时间推移的函数的入射行波和反射行波。
图2C图示了与本公开的某些实施例一致的点阵图，其示出了由于在400km长的传输线路上的故障事件在远程终端和本地终端处的入射行波和反射行波。
图2D图示了与本公开的某些实施例一致的显示用于反向故障的行波电流和电压信号以及积分转矩值的曲线图。
图2E图示了与本公开的某些实施例一致的显示用于前向故障的行波电流和电压信号以及积分转矩值的曲线图。
图3A图示了与本公开的某些实施例一致的用于从电力系统信号中提取行波信息信号的简化功能框图。
图3B图示了与本公开的某些实施例一致的行波定向元件的输入和输出。
图4图示了与本公开的某些实施例一致的用于根据电压和电流行波信号确定电压和电流行波检测输出的系统的简化逻辑图。
图5图示了与本公开的某些实施例一致的用于确定来自行波检测元件的监督输出的简化逻辑图。
图6图示了与本公开的某些实施例一致的用于确定禁用时间和用于确定行波能量的观察窗口的简化逻辑图。
图7图示了与本公开的某些实施例一致的用于计算行波能量的系统的逻辑图。
图8图示了与本公开的某些实施例一致的用于计算最大和最小能量的系统的逻辑图。
图9A图示了与本公开的某些实施例一致的用于确定前向行波信号和反向行波信号的系统的逻辑图。
图9B图示了与本公开的某些实施例一致的用于确定前向行波信号和反向行波信号的系统的一部分的逻辑图。
图10图示了与本公开的某些实施例一致的定向比较允许式超范围传输跳闸方案的逻辑图。
图11图示了与本公开的某些实施例一致的用于使用行波来检测故障并估计故障位置的系统的功能框图。
详细描述
更快的传输线路保护提高了电力系统的稳定性。如果在临界故障清除时间之前没有清除故障，则系统可能会失去瞬态稳定性并且可能遭受停电。另外，更快的故障清除增加了可转移的电力的量。更快的保护还增强了公共和公用设施人员的安全，限制了装备的磨损，改善了电力质量，并减少了财产损失。
大多数保护原理是基于电压和电流的基频分量。正弦量的准确测量通常需要一个周期。为了加快保护动作的速度，瞬态分量的分析可结合本公开的各种实施例来进行。此外，与电气条件有关的信息可在设备之间进行传递，以提供端到端的传输线路保护。
初级保护继电系统通常在一到一个半周期内工作，并且断路器在一个半到三个周期内中断电流，因此故障通常在三到四个周期内被清除。有时继电系统运行更快。例如，敏感的瞬时过电流元件可用于切换到故障(switch-onto-fault)事件，并且可具有低至四分之一周期的工作时间。可以应用通过提取基频分量(相量)获得的传统频域技术来识别瞬态信号衰减之后的故障。相量测量所需的滤波导致约一个电力周期的工作时间，对于近距离的大电流故障(close-in high-current faults)，最佳情况的时间接近半个周期。
然而，为了确定用于规划目的的稳定性极限的目的，最适当的是使用保守的保护工作时间。如果断路器未能跳闸，则采取断路器故障方案，并延迟故障清除直至最慢的备用断路器工作，这可能是大约10到12个周期。如果使用时间协调的远程备份保护来代替断路器故障保护，则故障清除时间可能高达几百毫秒。
高速保护设备响应于高频信号分量，其可用于检测故障并实现各种优势。例如，诸如风能和太阳能的某些非传统能源通过电力电子接口连接到电力系统。因此，这些源通常具有很小的惯性或没有惯性。它们的控制算法针对网路故障条件对转换器进行保护。因此，这些源产生了对针对具有同步发电机的网络开发的一些保护原理构成挑战的电压和电流。相反，被配置为响应于高频信号分量的高速保护设备较少依赖于源而更多依赖于网络本身。因此，这样的继电器可以接近非传统源的应用中是有用的。
与本公开一致的各种实施例可对行波(TW)进行分析，以辅助检测故障。当故障出现在电力系统中时，行波从故障处发射并以接近光速的速度向外行进。行波根据总线和其他不连续点的特征阻抗而被它们反射。在故障的初始阶段，电力系统的行为类似分布式参数网络。因此，行波可由传播速度、反射和传输系数以及线路特征阻抗来描述。使用行波检测算法，高速继电器可以能够与本公开的某些实施例一致的在小于1毫秒内检测故障并启动校正动作。
在几次往返反射以后，来自故障处的行波重组成驻波，并且电力系统可使用处于瞬态的集总参数RLC网络来近似。鉴于行波的速度，这样的条件可以在故障出现之后的很短时间内实现。来自100英里线路上的任何地方的故障的TW在600微秒内到达两端。与本公开一致的各种实施例可对“集总电路理论(lumped circuit theory)”瞬态波形进行分析，以在与本公开的某些实施例一致的毫秒内检测故障并启动校正动作。
可使用各种技术来简化某些实施例中所使用的模型。例如，某些实施例可对增量进行分析，该增量是由于故障而出现且不包含负载电流的信号。增量可通过消除电源并留下故障作为等效网络中的唯一“源”来简化线路和系统的表示。换句话说，瞬态的驱动力是故障，而稳态响应的驱动力是系统基频源(例如，发电机)的集合。
超高速原理允许继电器识别位于保护区内但不一定是永久性故障的事件。早期的电缆故障或避雷器传导事件可能分别对现有的馈线和总线继电器提出检测挑战。类似地，超高速线路保护需要确保区内事件是合法故障。
在一些实施例中，除了基于相量的保护元件之外，还可以操作与本公开一致的行波定向元件。在这样的布置中，行波方向元件可以被偏置以用于操作速度而不是可靠性。因此，在一部分故障中，行波定向元件可以快速识别和操作。基于相量的保护元件的可靠但较慢的操作可识别并清除行波定向元件未解决的任何故障。这种系统的综合结果可以缩短系统的平均工作时间。
通过参照附图将最好地理解本公开的实施例，其中通篇相似的部件由相似的数字来标记。将容易理解的是，如在本文的附图中一般性地描述和图示的，所公开的实施例的组件可以以各种各样不同的配置来布置和设计。因此，以下对本公开的系统和方法的实施例的详细描述不旨在限制本公开所要求保护的范围，而是仅代表本公开的可能实施例。另外，除非另有说明，方法的步骤不一定需要按照任何特定的顺序或甚至依次序地执行，也不需要步骤仅执行一次。
在一些情况下，众所周知的特征、结构或操作没有被详细示出或描述。此外，所描述的特征、结构或操作可以以任何合适的方式组合在一个或更多个实施例中。还将容易理解的是，如在本文中的附图中一般性地描述和图示的实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
所描述的实施例的几个方面可被图示为软件模块或组件。在其他实施例中，可使用硬件实现的实施例。除了其他技术之外，这样的实施例可使用现场可编程门阵列。如本文中所使用的，软件模块或组件可包括位于存储器设备内和/或作为电子信号通过系统总线或者有线或无线网络传输的任何类型的计算机指令或计算机可执行代码。例如，软件模块或组件可包括计算机指令的一个或更多个物理块或逻辑块，其可被组织为执行一个或更多个任务或实现特定的抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等。
在某些实施例中，特定的软件模块或组件可包括被储存在存储器设备的不同位置中的不同指令，其共同实现所描述的模块的功能。事实上，模块或组件可包括单一指令或许多指令，并且可以分布在几个不同的代码段上、分布在不同的程序之间以及跨几个存储器设备分布。一些实施例可在分布式计算环境中实践，其中任务由通过通信网络链接的远程处理设备执行。在分布式计算环境中，软件模块或组件可位于本地存储器储存设备和/或远程存储器储存设备中。另外，在数据库记录中绑定或呈现在一起的数据可驻留在相同的存储器设备中或跨几个存储设备驻留，以及可以跨网络在数据库中的记录字段中链接在一起。
实施例可作为计算机程序产品提供，所述计算机程序产品包括具有在其上所储存的指令的机器可读介质，该指令可用于对计算机(或其他电子装置)编写程序以执行本文中所描述的过程。机器可读介质可包括，但不限于，硬盘、软盘、光盘、CD-ROM、DVD-ROM、ROM、RAM、EPROM、EEPROM、磁卡或光卡、固态存储器装置、或适用于储存电子指令的其他类型的媒介/机器可读介质。
图1图示了用于使用本文中进一步描述的时域原理和元件来对故障的位置进行检测和计算的系统100的框图。系统100可包括生成系统、传送系统、分配系统和/或类似的系统。系统100包括导体106，诸如连接两个节点的传输线路，该两个节点被图示为本地终端112和远程终端114。本地终端112和远程终端114可以是分别由发电机116和118供电的传输系统中的总线。尽管为了简单起见以单线路形式来图示，但系统100可以是多相系统，诸如三相电力输送系统。
系统100由在系统的两个位置处的IED 102和104监测，然而另外的IED也可用于监测系统的其他位置。如本文中所使用的，IED(诸如IED 102和104)可指监控、控制、自动化和/或保护系统100内的受监控的装备的任何基于微处理器的设备。例如，这样的设备可包括例如远程终端单元、差动继电器、距离继电器、方向继电器、馈电继电器、过电流继电器、电压调节器控制器、电压继电器、断路器故障继电器、发电机继电器、电动机继电器、自动化控制器、间隔控制器、计量表、自动开关控制器、通信处理器、计算平台、可编程逻辑控制器(PLC)、可编程自动化控制器、输入和输出模块等等。术语IED可用于描述单个IED或包括多个IED的系统。IED 102和104可使用电流互感器(CT)、电压互感器(PT)、罗氏线圈(Rogowskicoils)、分压器和/或类似物来获得电力系统信息。IED 102、104可以能够使用来自通常用于监控电力输送的常规仪表互感器(诸如CT和PT)的输入。IED 102和104还可接收来自公共时间源110的公共时间信息。在某些实施例中，时间信息对于元件正确运行来说可能不是必要的。例如，行波定向元件可能不需要用于正确运行的时间信息。
公共时间源110可以是能够将公共时间信号传递给IED 102和104中的每一个的任何时间源。在各种实施例中，公共时间源110可以是全球导航卫星系统(“GNSS”)。GNSS系统的示例包括全球定位系统(“GPS”)、全球导航卫星系统(GLONASS)和伽利略卫星系统。GNSS系统可以由分布在大面积地区的多种设备和应用使用，并可避免在多个地点需要昂贵的高精度时间源。除了GNSS之外，公共时间源110还可以使用IRIG系统、WWVB或WWV系统、基于网络的系统(诸如，对应于IEEE1588精确时间协议的基于网络的系统)和/或类似物来实施。根据一个实施例，公共时间源110可包括卫星同步时钟(例如，可从华盛顿普尔曼的施瓦哲工程实验室获得的型号SEL-2407)。此外，应当注意，每个IED 102、104可与单独的时钟(诸如卫星同步时钟)进行通信，其中每个时钟给每个IED 102、104提供公共时间信号。公共时间信号可得自GNSS系统或其他时间信号。
数据通信信道108可以允许IED 102和104交换除其他事项的与行波方向、行波极性、基于时域增量的故障方向以及反映导体106上的电气条件的其他测量结果相关的信息。根据一些实施例，基于公共时间源110的时间信号可使用数据通信信道108被分配到IED102和104和/或在它们之间分配。数据通信信道108可以以各种媒介实施，并可使用各种通信协议。例如，数据通信信道108可以利用物理介质(诸如，同轴电缆、双绞线、光纤等)来实施。此外，数据通信信道108可以利用诸如以太网、SONET、SDH等的通信协议，以便传送数据。
图2A图示了与本公开的某些实施例一致的点阵图200，该点阵图示出了由故障造成的入射行波和反射行波。在所示的实施例中，故障位于距离300英里(482.8km)长的线路上的第一终端50英里(80.5km)处。由故障发射的入射波在时间TL50到达终端L，并在时间TR250到达终端R。
图2B图示了显示在终端L处来自故障的反射的图202。反射波的极性、振幅和到达时间可用于识别来自故障或远程终端的反射波并计算故障位置。
图2C图示了与本公开的某些实施例一致的点阵图204，其示出了在400km长的传输线路上由于故障事件而在远程终端和本地终端处的入射行波和反射行波。假设以3X108m/s的传播速度，位于400km线路上的50km处的故障将导致初始前波和来自故障的第一合法反射波之间的时滞，该时滞可使用方程1来计算。
如图2C所示，由于本地继电器和故障之间的50km的距离，本地继电器生成关于第一到达波的测量值，其是166.6μs。
图2D图示了与本公开的某些实施例一致的显示用于反向故障的行波电流和电压信号以及积分转矩值的曲线图。在大约170μs处，出现具有负电压极性和负电流极性的行波。在各种实施例中，行波的极性可用于确定故障方向。如果故障处于前向方向，则电压极性和电流极性是相反的。如果故障处于反向方向，则电压行波和电流行波具有相同的极性。
与本公开一致的系统和方法可以因为电压行波和电流行波具有相同的极性而确定行波出现在反向方向上(即，在保护区外)。在各种实施例中，图2D中示出的电压信号和电流信号可以是仪表互感器的次级信号。
转矩值的曲线图反映了电压行波信号与电流行波信号的反相乘积(negatedproduct)的积分值。在一些实施例中，可以使用反相的或符号反向的值，使得转矩量对于前向事件为正，对于反向事件为负。如图2D所示，对于反向故障，乘积为负值，元件的积分下降(integrates down)。
图2E图示了与本公开的某些实施例一致的显示用于前向故障的行波电流和电压信号以及积分转矩值的曲线图。如果故障处于前向方向，则电压极性和电流极性是相反的。与本公开一致的系统和方法可以因为电压行波和电流行波具有相反的极性确定行波出现在前向方向上(即，在保护区内)。
转矩值的曲线图反映了电压行波信号与电流行波信号的反相乘积的积分值。在一些实施例中，可以使用反相的或符号反向的值，使得转矩量对于前向事件为正，对于反向事件为负。如图2E所示，对于前向故障，乘积为正，元件积分上升(integrates up)。
本文中所描述的时域电力系统故障检测和定位的技术不需要完整的电力系统周期来计算电压或电流的测量结果。常规的PT和CT可用于提供与电力输送系统的电压和电流对应的信号，其可用于在小于一个电力系统周期中进行故障检测和位置计算。
使用TW确定故障方向的行波定向元件(TW32)面临的挑战之一是，在保护线路是位于同一塔架上的并联线路时，可能会降低安全性。在这些应用中，无故障线路的TW32元件在对应的并联线路存在故障时具有操作倾向。在本文中描述的定向元件可以使用增量定向元件(TD32)结合TW32元件来增加安全性。TW32元件的另一个挑战是在单极跳闸应用中的故障相的选择。在本文中描述的定向元件还使用每相增量元件(A相的TD32AF、B相的TD32BF、C相的TD32CF)以选择合适的跳闸相。
图3A图示了与本公开的某些实施例一致的用于从电力系统信号302中提取行波信息信号的简化功能框图。在所示实施例中，电力系统信号包括电压和电流测量结果的采样表示。电力系统信号302可以包括三个电压信号(A相、B相和C相中的每一相有一个电压信号)以及三个电流信号(A相、B相和C相中的每一相一个电流信号)。在所示的实施例中，电力系统信号302以1Mhz进行采样。在其他实施例中，采样率可以大于或小于1Mhz。
微分器-平滑器304可以被配置成确定行波相电流(A相的IATW；B相的IBTW；C相的ICTW)和电压(A相的VATW；B相的VBTW；以及C相的VCTW)。在如此短的时间段内(例如，近似几十微秒)，电力系统中的电流是准恒定的(即，缓慢变化)。相反，行波表示从一个准稳态水平到不同的准稳态水平的急剧变化。微分器-平滑器304可以响应输入信号的变化率并且可以使输出平滑。微分器-平滑器304的输出可以是行波检测器306和行波定向元件312的输入。
可以由行波检测器306使用行波相电流和行波相电压308来检测行波。在各种实施例中，行波检测器306可将行波相电流和行波相电压308与阈值进行比较以检测行波。行波的检测可以通过对信号TW50DD 310的声明(assertion)来指示。
行波相电流和行波相电压308以及行波检测信号TW50DD 310可以由行波定向元件312用来确定检测到的行波是由前向故障发射的还是由反向故障发射的，这可通过输出信号TW32F、TW32R 314识别出。
图3B图示了与本公开的某些实施例一致的行波定向元件312的输入和输出。下面的表格1.1.1列出了到行波定向元件312的输入信号。下面的表格1.1.2列出了可以由行波定向元件312使用的多个设置参数320。表格1.1.3列出了行波定向元件312的输出信号314。在各种实施例中，具体的设置、输入和输出可以变化。
表格1
表2
设置参数
标签 描述
TW32WD TW32观察窗口
TW32DO TW32回动时间(dropout time)
BLKTIME TD和TW元件阻塞时间
TWVTH 用于检测电压TW的TW电压阈值
TWITH 用于检测电流TW的TW电流阈值
表3
输出
图4图示了与本公开的某些实施例一致的用于根据电压和电流行波信号确定电压和电流行波检测输出的系统400的简化逻辑图。系统400可以用于监测多相系统中的单相。在所示实施例中，系统400与三相电力系统的A相相关联。类似于系统400的系统可以用于电力输送系统的其他相。
输入信号电压信号VATW 402和电流信号IATW 404分别可以表示电力输送系统的一部分上的行波的电气参数。可以确定VATW 402和IATW 404的绝对值406和408。比较器418可确定VATW 402的绝对值是否超过电压阈值TW32VTH 410。如果VATW402的绝对值超过TW32VTH 410，则可以声明输出VATWPU 422。
图5图示了与本公开的某些实施例一致的用于确定来自行波检测元件500的监督输出的简化逻辑图。系统500可以用于监测多相系统中的单相。在所示实施例中，系统500与三相电力系统的A相相关联。类似于系统500的系统可以用于电力输送系统的其他相。某些实施例可以使用监督输出以在确定方向之前确保存在行波。
根据图5的逻辑图，当满足四个条件时，可以声明行波A相监督输出514A：(1)检测到A相电流行波TWIADD 422；(2)检测到A相电压行波TWVADD 424；(3)由行波检测系统检测到行波TWDD 310；和(4)不能声明行波禁用时间信号TWDIS 622。反相器510可以使行波禁用时间信号TWDIS 622反相。在一个实施例中，A相行波监督输出TWSUPIA 514A是接收上述四个信号的与门512的输出。
图6图示了与本公开的某些实施例一致的用于确定禁用时间和用于确定行波能量的观察窗口的系统600的简化逻辑图。使用或门616声明任何相的监督输出(例如，TWSUPIA514A、TWSUPIB 514B或TWSUPIC 514C)，激活TWDIS输出。在各种实施例中，TWDIS输出可以用于激活其中确定行波功率的时间窗。
定时器618可以控制禁用时间的持续时间。在一些实施例中，禁用时间可以由阻塞时间参数BLKTIME确定。在一个具体实施例中，TWDIS时段618可以是大约80ms。当声明输出TWDIS 622时，可以针对所有相来执行行波能量计算。在一些实施例中，对于禁用时间的持续时间，TWDIS位的声明可以分别阻塞后续对于监督输出(TWSUPIA514A、TWSUPIB 514B或TWSUPIC 514C)的声明。
通过对或门616的声明也可以激活单独的定时器620。对在监督位514A-514C中的任何监督位的声明还在定时器620的持续时间内激活TWSUP位。定时器620的输出TWSUP 624可用于指示何时确定来自三相能量值和三相的能量值中的最大和最小能量值。在各种实施例中，定时器620可以将输出保持从大约30μs到大约50μs的时段；这个时段可以由参数TW32WD确定。
图7图示了与本公开的某些实施例一致的用于计算行波能量的系统700的逻辑图。系统700可以用于监测多相系统中的单相。在所示实施例中，系统700与三相电力系统的A相相关联。类似于系统700的系统可以用于电力输送系统的其他相。
乘法器708可以确定A相电压行波402和A相电流行波404的乘积。在一些实施例中，A相电压行波402和A相电流行波404的乘积可以被称为转矩值。VATW 402和IATW 404的乘积表示行波的功率。乘法器708的输出可以由放大器710乘以负一。当TWDIS 622信号被声明时，累加器714可以累加放大器710的输出，即A相上行波的功率TWPRWA。与门718可使用输入TWSUP 622和TWDIS 622来使用RUN输入选择性地启用累加器714。当TWDIS 622信号未被声明时，反相器712可声明累加器714的RESET信号。换句话说，当TWSUP 622和TWDIS 622被声明时，累加器714可以运行，并且可以确定在该时间段期间A相上的行波的能量。
图8示出了确定在由TWSUP的下降沿624指示的行波定向观察窗口期满时的最大能量ENRGYMX 822和最小能量ENRGYMN 824的系统800的逻辑图。参数TW32WD确定行波观察窗口的持续时间。所有三个相ENRGYA 716A、ENRGYB 716B和ENRGYC 716C的累加能量计算的最大值和最小值由最大值框818和最小值框820来确定。
图9A示出了与本公开的某些实施例一致的用于确定前向行波信号和反向行波信号的系统900的一部分的逻辑图。图9A中所示的系统可以结合图9B中所示的系统进行操作，以使用本文讨论的定向行波原理在故障处于前向方向时声明前向行波信号TW32F 910并且在故障处于反向方向时声明反向行波信号TW32R 912。
在图9A中，当最大值能量822的绝对值大于最小值能量824的绝对值时，开关920闭合，使得最大值能量822被用在比较器906中。当最小值能量824的绝对值大于最大值能量822的绝对值时，则开关922闭合，使得最小值能量824被用在比较器908中。由比较器906和908使用的能量阈值可以基于乘法器902基于与行波定向元件相关联的某些设置的值来确定。在所示的实施例中，设置TWITH、TWVTH和TW32WD用于确定能量阈值。在其他实施例中，可以使用其他设置来确定能量阈值。
当开关920闭合并且最大值能量大于能量阈值时，比较器906的输出被声明。当开关922闭合时，比较器908将能量阈值的负值904与最小值能量824进行比较。如果最小值能量小于能量阈值的负值，则比较器908的输出被声明。比较器906和908的输出可以分别作为TW32F_MHz和TW32R_MHz传递给图9B所示的系统900的一部分。TW32F_MHz输出可指示前向行波条件，而TW32R_MHz输出可指示反向行波条件。在一个实施例中，当最小值能量的绝对值等于最大值能量的绝对值时，前向故障信号和反向故障信号可以保持为不声明。
图9B示出了与本公开的某些实施例一致的用于确定前向行波信号和反向行波信号的系统900的一部分的逻辑图。对TW32F_MHz的声明可以是对多个与门932、934和936的输入。与门932、934和936还可以接收对于哪个相对应于ENRGYMX值的指示，并且合适的信号(即，TW32FA_MHz、TW32FB_MHz或TW32FC_MHz)可以被声明。TW32R_MHz信号还可以被提供给定时器944，定时器944可以将定时器944的输出保持一段时间TW32DO。类似地，与门932、934和936的输出可被提供给多个定时器946。定时器944的输出可以声明TW32R信号。类似地，对定时器946的输出的声明可以导致或门952声明接下来哪个可以对应于TW32F信号。定时器944-946的操作可以使用从高频到低频故障检测信号(即，TW32、TW32FA、TW32FB、TW32FC、TW32R)的过渡高频检测信号(即，TW32F_MHz、TW32FA_MHz、TW32FB_MHz、TW32FC_MHz和TW32R_MHz)。在一些实施例中，高频信号可具有近似于1Mhz的频率，并且低频信号可具有近似于10kHz的频率。在其他实施例中，其他频率可以被使用。
图10示出了使用行波前向定向信号TW32F 910和时域(或增量)前向定向信号TD32F 1010通过将跳闸命令发送到一个或更多个相来保护电力系统的方向比较允许式超范围传输跳闸(POTT)方案的逻辑框图。对于TW32F 910或TD32F 1010信号的声明导致或门1020声明输出1006，以激活关键允许式跳闸传输。当关键允许式跳闸1006被声明并且允许式跳闸1004被接收并且TD32R信号912未被设置(与门1022)时，通信辅助跳闸允许信号1008由与门1024声明。
每个相TD32AF 1012、TD32BF 1014和TD32CF 1016的增量前向定向信号分别各自单独用于或门1026、1028和1030中。三极跳闸信号1050也被提供给或门1026、1028和1030。如果三极跳闸信号1050或A相增量前向故障信号1012被设置，则或门1026被设置成启用与门1032以及通信辅助跳闸允许1008。类似地，如果三极跳闸信号1050或B相增量前向故障信号1014被设置，则或门1028被设置成启用与门1034以及通信辅助跳闸允许1008。最后，如果三极跳闸信号1050或C相增量前向故障信号1016被设置，则或门1030被设置成启用与门1036以及通信辅助跳闸允许1008。
当通信辅助跳闸允许信号1008和三极跳闸1050信号或TD32AF 1012信号均存在于与门1032中时，跳闸A 1042信号被激活。类似地，当通信辅助跳闸允许信号1008和三极跳闸1050信号或TD32BF 1014信号均出现在AND框1034中时，跳闸B 1044信号被激活。最后，当通信辅助跳闸允许信号1008和三极跳闸1050信号或TD32CF 1016信号均存在于AND块1036中时，跳闸C 1046信号被激活。跳闸信号1042、1044、1046可以由1040重置。跳闸逻辑1048接收跳闸信号，并使用在A相跳闸信号1052、B相跳闸信号1054、C相跳闸信号1056和三极跳闸1050中的一个或更多个在适当的相上产生适当的跳闸信号。
图11图示了与本公开的实施例一致的用于使用时域量来检测和定位故障的系统1100的功能框图。在某些实施例中，系统1100可包括IED系统，该IED系统被配置为除其他事项外获得时域量并对其进行计算、使用时域距离模块检测并定位故障、使用时域方向模块检测并定位故障、以及使用行波检测并定位故障。系统1100可使用硬件、软件、固件和/或它们的任意组合来实现。在一些实施例中，系统1100可作为IED来实施，而在其他实施例中，本文中所描述的某些组件或功能可与其他设备相关联或者可由其他设备执行。具体图示的配置仅代表与本公开一致的一个实施例。
系统1100包括被配置为与设备和/或IED进行通信的通信接口1116。在某些实施例中，通信接口1116可便于与其他IED直接进行通信或通过通信网络与系统进行通信。通信接口1116可便于通过网络进行通信。系统1100还可包括时间输入端1112，其可用于接收时间信号(例如，公共时间基准)，允许系统1100将时间戳施加到所获得的样本。在某些实施例中，可经由通信接口1116来接收公共时间基准，因此，加时间戳和/或同步操作可以不需要单独的时间输入端。一个这样的实施例可采用IEEE 1588协议。受监测的装备接口1108可被配置为从一件受监测的装备(譬如电路断路器、导体、互感器等)接收状态信息，和向其发出控制指令。
处理器1124可被配置为对经由通信接口1116、时间输入端1112和/或受监测的装备接口1108接收的通信进行处理。处理器1124可使用任意数量的处理速率和架构来操作。处理器1124可以被配置成执行本文描述的各种算法和计算。处理器1124可被实施为通用集成电路、专用集成电路、现场可编程门阵列和/或任何其他合适的可编程逻辑设备。
在某些实施例中，系统1100可包括传感器组件1110。在所图示的实施例中，传感器组件1110被配置为使用常规的PT和/或CT直接从诸如导体(未示出)的常规电力系统装备收集数据。传感器组件1110可使用例如互感器1102和1114以及可采样和/或数字化经滤波的波形的A/D转换器1118，以形成被提供给数据总线1122的相应数字化的电流和电压信号。电流(I)和电压(V)输入可以是来自常规仪表互感器(诸如，CT和VT)的次级输入。A/D转换器1118可以包括用于每个传入信号的单个A/D转换器或不同的A/D转换器。电流信号可以包括来自三相电力系统的每个相的单独的电流信号。A/D转换器1118可通过数据总线1122连接到处理器1124，电流信号和电压信号的数字化表示可通过该数据总线1122被传输到处理器1124。在各种实施例中，如本文中所描述的，数字化的电流和电压信号可用于计算时域量用于电力系统上的故障的检测和定位。
计算机可读储存介质1126可以是包含每个传输线路和/或每个传输线路的每个节段的电力线路特性(诸如阻抗、电阻、传播时间、电抗、长度和/或类似的特性)的数据库1128的存储库。另一计算机可读储存介质1130可以是被配置为执行本文中所描述的方法中的任意一个的各种软件模块的存储库。数据总线1142可将受监控的装备接口1108、时间输入端1112、通信接口1116以及计算机可读储存介质1126和1130链接到处理器1124。
如图11中所图示的，计算机可读储存介质1126和1130可以是不同的介质，或者可是相同的介质(即相同的磁盘、相同的非易失性存储设备等)。另外，数据库1128可被储存在不是系统1100的部分但可使用例如通信接口1116由系统1100访问的计算机可读储存介质中。
通信模块1132可被配置为允许系统1100经由通信接口1116与各种外部设备中的任意一个进行通信。通信模块1132可被配置用于使用各种数据通信协议(例如，基于以太网的UDP、IEC 61850等)来进行通信。
数据采集模块1140可收集诸如电流量和电压量以及增量的数据样本。该数据样本可与时间戳相关联，并且使其可用于检索和/或经由通信接口1116传输到远程IED。由于行波是在电力输送系统中迅速消失的瞬态信号，因此可对它们进行实时测量和记录。数据采集模块1140可结合故障检测器模块1134操作。数据采集模块1140可控制由故障检测器模块1134使用的数据的记录。根据一个实施例，数据采集模块1140可选择性地储存和检索数据，并且可使该数据供进一步处理所用。这样的处理可包括通过故障检测器模块1134进行的处理，该故障检测器模块1134可被配置为确定电力分配系统的故障的出现。
增量模块1136可被配置为基于本文中所公开的技术，对时域增量进行计算。增量模块1136可被配置为使用电流和/或电压测量的数字化表示来由此计算增量。在一些实施例中，系统1100可以是与诸如图1的IED和系统的电力系统上的不同终端进行通信的一对IED中的一个。在一个实施例中，一对IED中的每个IED在其自身的增量模块1136中计算增量，以用于后续处理和在IED之间共享。在另一实施例中，系统1100可通过通信信道接收来自传感器组件1110和来自远程IED的数字化表示，并且增量模块1136可被配置为计算来自两个源的增加的信号，以计算本地增量和远程增量二者。
故障类型模块1138可被配置为使用来自模块1136的增量来确定故障类型。
定向模块1150可被配置为确定故障方向(前向或反向)。定向模块1150可被配置为使用来自增量模块1136的增量，以确定故障方向。定向模块1150可以被配置为基于行波信号来确定方向。定向模块1150可以使用本文描述的原理来使用行波信号和增量来确定故障方向。在各种实施例中，定向模块1150可以被配置为实现结合图4至图9描述的逻辑。
保护动作模块1152可被配置为基于通过故障检测器模块1134和定向模块1136对于故障的宣告来实施保护动作。在各种实施例中，保护动作可以包括使断路器跳闸，选择性地隔离电力系统的一部分等。在各种实施例中，保护动作模块1152可与和系统1100通信的其他设备协调保护动作。保护动作模块1152可以被配置为操作如结合图10所示出和描述的POTT方案。在各种实施例中，系统1100可被配置为基于瞬时电压和电流提供保护。这样的信号分量需要更短的数据窗口但便于更快保护。系统1100的各种实施例可被配置为实现约1毫秒的工作时间。这样的系统可使用基于集总参数电路和基于TW的时域方法，并且可允许涵盖各种继电器输入电压源和可用的通信信道的多功能应用。这样的系统可使用高采样速率(≥1MHz)、高分辨率(≥16bits)同步采样、高保真时间同步以及能够交换所有获得的数据(≥100Mbps)的通信网络，或一些算法所需的高数值负担(每秒≥1G个乘法)。
行波检测器1154可以被配置为按照电力系统的电压和/或电流测量结果来识别行波的存在。该系统可以被配置为接收来自传感器组件1110和/或通信接口1116的这样的测量结果。在一些实施例中，行波检测器1154可以实现与图3中的行波检测器306相关联的功能。
虽然上文中所讨论的几个实施例涉及的是交流电力输送系统的三个相，但本文中的原理可应用到具有多于或少于三相的多相交流电力系统。例如，设想了四相电力输送系统，六相电力输送系统也是如此。可应用本文中所教导的原理。在其他实施例中，所教导的原理可应用到直流电力输送系统。
虽然已经图示并描述了本公开的具体实施例和应用，但是应理解的是，本公开不限于本文中所公开的精确配置和组件。在不背离本公开的精神和范围的情况下，可以在本公开的方法和系统的布置、操作和细节中做出对于本领域中的技术人员来说明显的各种修改、变化和变型。

Claims (22)

1.一种被配置为检测电力输送系统中的故障的系统，包括：
数据采集子系统，所述数据采集子系统被配置为接收与所述电力输送系统中的至少一部分相关联的电气条件的多个表示；
确定行波检测器，所述行波检测器被配置为基于所述电气条件的多个表示来检测行波事件；
行波定向子系统，所述行波定向子系统被配置为：
基于由所述行波干扰检测器对于所述行波的检测，计算在累加时段期间的行波事件的能量值；
确定在所述累加时段期间所述能量值的最大能量值和最小能量值；以及
基于所述最大能量值和所述最小能量值来确定故障方向；
故障检测器子系统，所述故障检测器子系统被配置为基于所确定的故障方向来宣告所述故障；以及
保护动作子系统，所述保护动作子系统被配置为基于所述故障的所述宣告来实施保护动作。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述数据采集子系统、所述行波干扰检测器和所述行波定向子系统中的每一个均被配置为监测所述电力输送子系统的多个相。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述故障检测器子系统还被配置为基于每个相的故障方向来确定故障相。
4.根据权利要求2所述的系统，其中，所述行波定向子系统还被配置为从所述多个相中识别与所述最大能量值对应的相。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述保护动作子系统还被配置为使与所述最大能量值对应的相跳闸。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述能量值包括多个行波电压和多个行波电流的符号反向的乘积。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述行波定向子系统还被配置为基于所述最大能量值和所述最小能量值中的每一个与能量阈值的比较来确定所述故障方向。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述能量阈值包括基于电压行波检测阈值与电压比以及基于电流行波检测阈值与电流比的函数。
9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述保护动作子系统还包括由所述故障检测器子系统激活的允许式超范围传输跳闸系统。
10.根据权利要求1所述的系统，其中，所述数据采集系统包括传感器组件和通信接口中的一个，所述传感器组件被配置为确定电气传输线路上的电气条件，所述通信接口被配置为接收所述电气条件的多个表示。
11.根据权利要求1所述的系统，其中，所述累加时段是由在所述电气条件的多个表示中包括的多个行波电压测量结果超过第一阈值以及在所述电气条件的多个表示中包括的多个行波电流测量结果超过第二阈值时启动的定时器来确定的。
12.根据权利要求1所述的系统，其中，所述累加时段包括在30μs与50μs之间的持续时间。
13.根据权利要求1所述的系统，其中，所述数据采集子系统还包括微分器-平滑器，并且其中所述电气条件的多个表示由所述微分器-平滑器处理。
14.一种用于检测电力输送系统中的故障的方法，包括：
接收与所述电力输送系统中的至少一部分相关联的电气条件的多个表示；
基于所述电气条件的多个表示来检测行波事件；
基于对于所述行波的检测，计算在累加时段期间的行波事件的能量值；
确定在所述累加时段期间所述能量值的最大能量值和最小能量值；
基于所述最大能量值和所述最小能量值来确定故障方向；
基于所确定的故障方向来宣告所述故障；以及
基于所述故障的所述宣告，实施保护动作。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括监测所述电力输送子系统的多个相中的每一个，以检测所述故障。
16.根据权利要求15所述的方法，还包括基于每个相的所述故障方向来确定故障相。
17.根据权利要求14所述的方法，还包括计算作为多个行波电压和多个行波电流的符号反向的乘积的所述能量值。
18.根据权利要求14所述的方法，还包括通过将所述最大能量值和所述最小能量值中的每一个与能量阈值进行比较来确定所述故障方向。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述能量阈值包括基于电压行波检测阈值与电压比以及基于电流行波检测阈值与电流比的函数。
20.根据权利要求14所述的方法，其中，所述保护动作子系统还包括由所述故障检测器子系统激活的允许式超范围传输跳闸系统。
21.根据权利要求14所述的方法，还包括使用在所述电气条件的多个表示中包括的多个行波电压测量结果超过第一阈值以及在所述电气条件的多个表示中包括的多个行波电流测量结果超过第二阈值时启动的定时器来确定所述累加时段。
22.根据权利要求14所述的方法，还包括使用微分器-平滑器来处理所述电气条件的多个表示。
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