CN109088403A - 半波长线路故障检测方法、保护方法及对应装置 - Google Patents

半波长线路故障检测方法、保护方法及对应装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及半波长线路故障检测方法、保护方法及对应装置，先对两端的电压和电流进行相模变换，得到两侧电压和电流的模量，进而得到两侧电压和电流的故障分量；然后，对两侧中的每一侧均进行以下处理过程：分别判断该侧在电压和电流的故障分量的行波波头到达时刻出现的突变的方向，然后根据该侧电压和电流的故障分量极性是否相同，判定故障方向，最后经两侧故障方向比较，从而确定故障位置在区内还是区外，根据判定出的故障就能够进行相应的保护动作。该方法专用于半波长线路的故障检测，能够准确检测得到半波长线路的故障类型，根据确定的故障类型能够进行后续的保护动作。因此，该故障检测方法、保护方法及对应的装置可靠性高，专用性强。

Description

半波长线路故障检测方法、保护方法及对应装置
技术领域
本发明涉及半波长线路故障检测方法、保护方法及对应装置，属于半波长线路故障检测技术领域。
背景技术
半波长交流输电技术是指输电的电气距离接近1个工频半波长，即3000km(50Hz)或者2600km(60Hz)的超远距离的三相交流输电。半波长输电线路不需要安装无功补偿装置，不需加设中间开关站，经济性和可靠性较好，可以实现远距离同步联网，是一种可行性非常高的远距离、大容量的电力输送技术，可实现能源在全国范围内的配置和消纳。
我国的西部能源基地与东部负荷中心之间距离有些可以达到3000km，随着全球能源互联网的建设，未来还可能开发与邻国之间的电力能源输送网络，其距离也在3000km以上，超出了特高压直流输电系统的经济输送距离，使得特高压半波长交流输电技术有望成为我国未来可能的输电方式之一。随着近年来能源互联网的建设，半波长输电技术作为一种高效的远距离洲际输电方式，具有良好的应用前景。但是继电保护技术一直是困扰特高压半波长交流输电工程化的难题之一。
半波长线路距离超长，两侧电压和电流不再遵循集中参数的基尔霍夫定律，表现出与常规输电线路完全不同的特征，分布电容大、容易受分布电容影响的传统差动保护方法不再适用。对于距离保护，半波长线路测量阻抗随故障点位置非线性变化，线路的空间距离与电气距离不再呈线性关系，无法区分线路首端及正向出口故障，存在严重的正向超越，距离保护不再适用。
因此，特高压半波长输电线路输电距离远，电气特征与现有特高压线路存在较大差异，传统的继电保护原理无法满足半波输电线路要求。研究适用于半波长线路的保护原理，对提升半波长输电线路继电保护理论研究水平，以及提升半波长输电系统的运行可靠性具有重要的理论与现实意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种半波长线路故障检测方法和检测装置，用于检测半波长线路的故障，以解决利用现有的故障检测方法对半波长线路进行故障检测时的准确性较差的问题。本发明的目的是还提供一种半波长线路故障保护方法和保护装置，用于根据检测得到的半波长线路的故障进行保护动作，以解决利用现有的故障保护方法对半波长线路进行故障保护时的可靠性较差的问题。
为实现上述目的，本发明包括以下技术方案。
一种半波长线路故障检测方法，包括以下步骤：
(1)采集半波长线路两侧的电压和电流；
(2)对两侧的电压和电流分别进行相模变换，得到两侧电压和电流的模量；
(3)对两侧电压和电流的模量进行处理，分别得到两侧电压和电流的故障分量；
(4)对两侧中的每一侧均进行以下处理过程：分别判断该侧在电压和电流的故障分量的行波波头到达时刻出现的突变的方向，根据突变的方向确定相应故障分量的极性，设定流入半波长线路的方向为正方向，若该侧的电压和电流的故障分量极性相同，则判定该侧为反方向故障，若该侧的电压和电流的故障分量极性不同，则判定该侧为正方向故障；
(5)若两侧均判定为正方向故障，则故障为区内故障，否则故障为区外故障。
该方法通过对两端的电压和电流进行相模变换，得到两侧电压和电流的模量，进而得到两侧电压和电流的故障分量；通过对故障分量的突变方向进行判断，确定故障方向；最后经两侧故障方向比较，从而确定故障位置在区内还是区外。该方法专用于半波长线路的故障检测，能够准确检测得到半波长线路的故障类型。因此，该故障检测方法的准确性和可靠性高，灵敏性和专用性强。
进一步地，步骤(2)中，对两端的电压和电流分别进行的相模变换为克拉克变换，得到两侧电压和电流的1模分量。通过克拉克变换能够准确得到两侧电压和电流的1模分量。
进一步地，1模分量由负荷分量和故障分量叠加构成，步骤(3)中，对两侧电压和电流的1模分量进行高通滤波处理，滤除1模分量中的负荷分量，分别得到两侧电压和电流的1模分量中的故障分量。通过对两侧电压和电流的1模分量进行高通滤波处理能够有效滤除1模分量中的负荷分量，保留1模分量中的故障分量。
进一步地，步骤(4)中，在根据突变的方向确定相应故障分量的极性时，突变向上则极性记为正，突变向下则极性记为负。
一种基于上述半波长线路故障检测方法及其各改进的半波长线路故障保护方法，还包括以下步骤：(6)根据判定出的故障进行保护动作。
该方法通过对两端的电压和电流进行相模变换，得到两侧电压和电流的模量，进而得到两侧电压和电流的故障分量；通过对故障分量的突变方向进行判断，确定故障方向；经两侧故障方向比较，从而确定故障位置在区内还是区外；最后根据确定的故障类型进行后续的保护动作。该方法专用于半波长线路的故障保护，能够根据检测得到的半波长线路的故障类型进行保护动作。因此，该故障保护方法的准确性和可靠性高，灵敏性和专用性强。
一种半波长线路故障检测装置，包括：
数据采集模块，用于采集半波长线路两侧的电压和电流；
相模变换模块，用于对两侧的电压和电流分别进行相模变换，得到两侧电压和电流的模量；
故障分量检测模块，用于对两侧电压和电流的模量进行处理，分别得到两侧电压和电流的故障分量；
处理模块，用于对两侧中的每一侧均进行以下处理过程：分别判断该侧在电压和电流的故障分量的行波波头到达时刻出现的突变的方向，根据突变的方向确定相应故障分量的极性，设定流入半波长线路的方向为正方向，若该侧的电压和电流的故障分量极性相同，则判定该侧为反方向故障，若该侧的电压和电流的故障分量极性不同，则判定该侧为正方向故障；
故障检测模块，用于进行以下判断：若两侧均判定为正方向故障，则故障为区内故障，否则故障为区外故障。
通过对两端的电压和电流进行相模变换，得到两侧电压和电流的模量，进而得到两侧电压和电流的故障分量；通过对故障分量的突变方向进行判断，确定故障方向；最后经两侧故障方向比较，从而确定故障位置在区内还是区外。该检测装置专用于半波长线路的故障检测，能够准确检测得到半波长线路的故障类型。因此，该检测装置的准确性和可靠性高，灵敏性和专用性强。
进一步地，对两端的电压和电流分别进行的相模变换为克拉克变换，得到两侧电压和电流的1模分量。通过克拉克变换能够准确得到两侧电压和电流的1模分量。
进一步地，1模分量由负荷分量和故障分量叠加构成，故障分量检测模块对两侧电压和电流的1模分量进行高通滤波处理，滤除1模分量中的负荷分量，分别得到两侧电压和电流的1模分量中的故障分量。通过对两侧电压和电流的1模分量进行高通滤波处理能够有效滤除1模分量中的负荷分量，保留1模分量中的故障分量。
进一步地，在根据突变的方向确定相应故障分量的极性时，突变向上则极性记为正，突变向下则极性记为负。
一种基于上述半波长线路故障检测装置及其各改进的半波长线路故障保护装置，还包括：
保护模块，用于根据判定出的故障进行保护动作。
通过对两端的电压和电流进行相模变换，得到两侧电压和电流的模量，进而得到两侧电压和电流的故障分量；通过对故障分量的突变方向进行判断，确定故障方向；经两侧故障方向比较，从而确定故障位置在区内还是区外；最后根据确定的故障类型进行后续的保护动作。该装置专用于半波长线路的故障保护，能够根据检测得到的半波长线路的故障类型进行保护动作。因此，该装置的准确性和可靠性高，灵敏性和专用性强。
附图说明
图1是半波长线路故障检测方法流程图；
图2是高通滤波器传递函数的结构原理图；
图3是高通滤波器的幅值响应示意图；
图4是电压1模分量的故障分量的波头极性和电流1模分量的故障分量的波头极性示意图。
具体实施方式
半波长线路故障检测方法实施例
本实施例提供一种半波长线路故障检测方法，该故障检测方法基于功率方向进行故障检测和判断，如图1所示，包括以下步骤：
(1)采集半波长线路两侧的电压和电流；
(2)对两侧的电压和电流分别进行相模变换，得到两侧电压和电流的模量；
(3)对两侧电压和电流的模量进行处理，分别得到两侧电压和电流的故障分量；
(4)对两侧中的每一侧均进行以下处理过程：分别判断该侧在电压和电流的故障分量的行波波头到达时刻出现的突变的方向，根据突变的方向确定相应故障分量的极性，设定流入半波长线路的方向为正方向，若该侧的电压和电流的故障分量极性相同，则判定该侧为反方向故障，若该侧的电压和电流的故障分量极性不同，则判定该侧为正方向故障；
(5)若两侧均判定为正方向故障，则故障为区内故障，否则故障为区外故障。
基于以上技术方案，以下给出各个步骤的具体实现过程。
(1)分别用电压互感器和电流互感器采集半波长线路两侧的电压和电流，即半波长线路两端的电压和电流。为保证后续判别的精度，电压和电流的采样频率为106Hz。由于故障检测需要线路两侧的电压和电流信号，因此，本实施例中，该故障检测方法对应的故障检测硬件设备可以设置在线路的其中一侧，另外一侧的电压和电流检测数据可以通过光纤通道传输到该侧。
(2)由于克拉克变换是一种较为典型的相模变换，因此，本实施例中，相模变换以克拉克变换为例。对两侧的电压进行克拉克变换，得到两侧电压的模量，对两侧的电流进行克拉克变换，得到两侧电流的模量。克拉克变换后，得到三个分量，分别是0模分量、1模分量和2模分量，这里用到的分量为克拉克变换后的1模分量。
以A相为基准的克拉克变换的公式如下：
因此，对两侧的电压进行克拉克变换后最终得到两侧电压的1模模量，对两侧的电流进行克拉克变换，得到两侧电流的1模模量。
(3)得到的线路两侧的电压和电流的1模分量由负荷分量和故障分量叠加构成，其中负荷分量以基频为主，因此，需要将负荷分量滤除掉。这里，采用高通滤波器，两侧电压和电流的1模分量经高通滤波器进行高通滤波处理，滤除1模分量中的负荷分量，仅保留电压和电流1模分量中的故障分量。这里，用到的高通滤波器由两个2阶滤波器级联构成，其传递函数的结构如图2所示。
各环节的传递函数为：
其中，a11、a12、a13、a21、a22、a23、b11、b12、b13、b21、b22和b23是两个2阶滤波器的传递函数中的各参量。
该传递函数为H1(z)和H2(z)的级联，级联后的高通滤波器的幅值响应如图3所示。
高通滤波器对应于采样点的形式为：
其中，A1＝0.9914326，A2＝0.9797321，n对应采样点序号。
该高通滤波器可以很好的滤除低次谐波，因此频率以50Hz为主的负荷分量被滤除，仅保留频率在10kHz到500kHz的高次谐波，即为故障分量。
故障分量的作用是分析半波长线路故障时电压和电流行波的极性，具体过程在后文中进行描述。
(4)对于线路两侧中的任意一侧，电压1模分量中的故障分量以及电流1模分量中的故障分量在行波波头到达时刻会有明显的突变，那么，判断该侧在电压的故障分量的波头到达时刻出现的突变的方向，以及该侧在电流的故障分量的波头到达时刻出现的突变的方向。根据突变的方向确定相应故障分量的极性，以下给出一种具体的实施方式，突变向上则极性记为正，突变向下则极性记为负，即行波波头朝上则极性为正，波头朝下则极性为负。如图4所示，M侧(即本侧)电压1模分量的故障分量的极性为正，电流1模分量的故障分量的极性为负。
在故障发生时，相当于在故障点加上一个电压源，这一电压源的接入会产生向两侧传播的能量，能量以电压波和电流波的形式传播。一般规定由母线流入线路的方向为正方向，对于半波长线路而言，设定由母线流入半波长线路的方向为正方向。那么，在内部故障条件下，在故障位置相当于有一附加电源，向半波长线路的两端输出能量，功率方向和规定的正方向相反。如果是背后故障，相当于在背后有一附加电源，则近故障端的附加能量为母线流向半波长线路，功率方向和规定的正方向相同。因此，若该侧的电压的1模分量的故障分量的极性与电流的1模分量的故障分量的极性相同，则该侧为反方向故障；相应地，若该侧的电压的1模分量的故障分量的极性与电流的1模分量的故障分量的极性相反，则该侧为正方向故障。
而另外一侧的极性判断以及故障方向的判断过程均与上述该侧的判断过程相同，这里就不再赘述。因此，需要对两侧中的每一侧均进行上述极性判断以及故障方向的判断过程。
(5)若半波长线路两侧均判定为正方向故障，则该故障发生在半波长线路范围内，为区内故障；否则，即如果存在任意一侧判别为反方向故障，则故障点不在半波长线路范围内，故障为区外故障。
另外，还可以通过光纤通道进行传递两侧的方向判别结果。虽然极性比较的保护也需要通信通道，但相对于差动保护，极性比较的保护对通信要求低，只需要传输表示方向的简单信号。该故障检测方法的滤波算法简单，容易实现，光纤通道仅需要传递方向信号，对光纤通道要求低，且可保护半波长线路全长，具有很高的可靠性。
以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。
半波长线路故障保护方法实施例
本实施例提供一种半波长线路故障保护方法，包括两大部分，第一部分是故障检测方法，用于判定出半波长线路存在的故障，第二部分是根据判定出的故障进行保护动作，比如断开线路上的相关断路器。由于上述半波长线路故障检测方法实施例中已对该故障检测方法的实施过程进行了详细地描述，这里就不再具体说明。
半波长线路故障检测装置实施例
本实施例提供一种半波长线路故障检测装置，包括：
数据采集模块，用于采集半波长线路两侧的电压和电流；
相模变换模块，用于对两侧的电压和电流分别进行相模变换，得到两侧电压和电流的模量；
故障分量检测模块，用于对两侧电压和电流的模量进行处理，分别得到两侧电压和电流的故障分量；
处理模块，用于对两侧中的每一侧均进行以下处理过程：分别判断该侧在电压和电流的故障分量的行波波头到达时刻出现的突变的方向，根据突变的方向确定相应故障分量的极性，设定流入半波长线路的方向为正方向，若该侧的电压和电流的故障分量极性相同，则判定该侧为反方向故障，若该侧的电压和电流的故障分量极性不同，则判定该侧为正方向故障；
故障检测模块，用于进行以下判断：若两侧均判定为正方向故障，则故障为区内故障，否则故障为区外故障。
该半波长线路故障检测装置的各功能模块的作用与半波长线路故障检测方法的各个步骤相对应，因此，该半波长线路故障检测装置的保护范围与半波长线路故障检测方法的保护范围相同。由于该检测方法在上述半波长线路故障检测方法实施例中已进行了详细地描述，这里就不再具体说明。
半波长线路故障保护装置实施例
本实施例提供一种半波长线路故障保护装置，包括：
数据采集模块，用于采集半波长线路两侧的电压和电流；
相模变换模块，用于对两侧的电压和电流分别进行相模变换，得到两侧电压和电流的模量；
故障分量检测模块，用于对两侧电压和电流的模量进行处理，分别得到两侧电压和电流的故障分量；
处理模块，用于对两侧中的每一侧均进行以下处理过程：分别判断该侧在电压和电流的故障分量的行波波头到达时刻出现的突变的方向，根据突变的方向确定相应故障分量的极性，设定流入半波长线路的方向为正方向，若该侧的电压和电流的故障分量极性相同，则判定该侧为反方向故障，若该侧的电压和电流的故障分量极性不同，则判定该侧为正方向故障；
故障检测模块，用于进行以下判断：若两侧均判定为正方向故障，则故障为区内故障，否则故障为区外故障；
保护模块，用于根据判定出的故障进行保护动作。
该半波长线路故障保护装置的各功能模块的作用与半波长线路故障保护方法的各个步骤相对应，因此，该半波长线路故障保护装置的保护范围与半波长线路故障保护方法的保护范围相同。由于该保护方法在上述半波长线路故障保护方法实施例中已进行了描述，这里就不再具体说明。

Claims (10)

1.一种半波长线路故障检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)采集半波长线路两侧的电压和电流；
(2)对两侧的电压和电流分别进行相模变换，得到两侧电压和电流的模量；
(3)对两侧电压和电流的模量进行处理，分别得到两侧电压和电流的故障分量；
(4)对两侧中的每一侧均进行以下处理过程：分别判断该侧在电压和电流的故障分量的行波波头到达时刻出现的突变的方向，根据突变的方向确定相应故障分量的极性，设定流入半波长线路的方向为正方向，若该侧的电压和电流的故障分量极性相同，则判定该侧为反方向故障，若该侧的电压和电流的故障分量极性不同，则判定该侧为正方向故障；
(5)若两侧均判定为正方向故障，则故障为区内故障，否则故障为区外故障。
2.根据权利要求1所述的半波长线路故障检测方法，其特征在于，步骤(2)中，对两端的电压和电流分别进行的相模变换为克拉克变换，得到两侧电压和电流的1模分量。
3.根据权利要求2所述的半波长线路故障检测方法，其特征在于，1模分量由负荷分量和故障分量叠加构成，步骤(3)中，对两侧电压和电流的1模分量进行高通滤波处理，滤除1模分量中的负荷分量，分别得到两侧电压和电流的1模分量中的故障分量。
4.根据权利要求1所述的半波长线路故障检测方法，其特征在于，步骤(4)中，在根据突变的方向确定相应故障分量的极性时，突变向上则极性记为正，突变向下则极性记为负。
5.一种基于权利要求1-4任意一项所述半波长线路故障检测方法的半波长线路故障保护方法，其特征在于，还包括以下步骤：
(6)根据判定出的故障进行保护动作。
6.一种半波长线路故障检测装置，其特征在于，包括：
数据采集模块，用于采集半波长线路两侧的电压和电流；
相模变换模块，用于对两侧的电压和电流分别进行相模变换，得到两侧电压和电流的模量；
故障分量检测模块，用于对两侧电压和电流的模量进行处理，分别得到两侧电压和电流的故障分量；
处理模块，用于对两侧中的每一侧均进行以下处理过程：分别判断该侧在电压和电流的故障分量的行波波头到达时刻出现的突变的方向，根据突变的方向确定相应故障分量的极性，设定流入半波长线路的方向为正方向，若该侧的电压和电流的故障分量极性相同，则判定该侧为反方向故障，若该侧的电压和电流的故障分量极性不同，则判定该侧为正方向故障；
故障检测模块，用于进行以下判断：若两侧均判定为正方向故障，则故障为区内故障，否则故障为区外故障。
7.根据权利要求6所述的半波长线路故障检测装置，其特征在于，对两端的电压和电流分别进行的相模变换为克拉克变换，得到两侧电压和电流的1模分量。
8.根据权利要求7所述的半波长线路故障检测装置，其特征在于，1模分量由负荷分量和故障分量叠加构成，故障分量检测模块对两侧电压和电流的1模分量进行高通滤波处理，滤除1模分量中的负荷分量，分别得到两侧电压和电流的1模分量中的故障分量。
9.根据权利要求6所述的半波长线路故障检测装置，其特征在于，在根据突变的方向确定相应故障分量的极性时，突变向上则极性记为正，突变向下则极性记为负。
10.一种基于权利要求6-9任意一项所述半波长线路故障检测装置的半波长线路故障保护装置，其特征在于，还包括：
保护模块，用于根据判定出的故障进行保护动作。
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