CN109188174B - 一种交流线路出口故障的判别方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种交流线路出口故障判别方法，包括：设计数字滤波器模拟电容式电压互感器传变特性；由继电保护装置处的电压获得记忆电压；当被保护交流线路发生短路故障时，获得继电保护装置处故障后电压和电流；由记忆电压和故障发生时刻重构虚拟故障电压；将虚拟故障电压和故障后电流经过数字滤波器处理；由线路参数设定出口故障保护范围，利用经数字滤波器处理的故障电流计算第一电压差；利用故障后电压和虚拟故障点电压计算第二电压差；根据故障后一段时间内第一电压差和第二电压差绝对值之和判断是否发生出口故障。本发明判据简单、动作速度快，能够克服电容式电压互感器暂态过程对出口故障判别的影响，有效提升交流线路出口故障的动作速度。

Description

一种交流线路出口故障的判别方法

技术领域

本发明属于电力系统继电保护领域，更具体地，涉及一种交流线路出口故障的判别方法。

背景技术

随着交流输电电压等级提升，输送容量进一步扩大，对交流线路保护动作速度提出更高的要求。交流线路近区出口故障作为严重的故障类型，快速有效的判别交流线路近区出口故障对于提升保护动作速度保证系统安全稳定运行具有重要的意义。目前针对交流线路出口近区故障判断由于受到电容式电压互感器暂态传变特性的应用，无法直接根据测量电压判断是否发生出口故障，故通常是根据传统的距离保护测量阻抗进行判断，若测量阻抗接近零则认为发生出口故障，再采取出口故障的应对措施，导致出口短路故障动作时间较长，不利于系统的安全稳定。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种交流线路出口故障的判别方法，由此解决现有技术中存在的对交流线路出口故障判别速度慢，故障切除时间较长的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种交流线路出口故障的判别方法，包括：

设计数字滤波器以模拟电容式电压互感器的传变特性，并根据继电保护装置安装处的电压获得记忆电压；

在被保护交流线路发生短路故障时，获得所述继电保护装置安装处的故障后电压和故障后电流；

根据所述记忆电压和确定的故障时刻，重构虚拟故障点电压，将所述虚拟故障点电压和所述故障后电流经过所述数字滤波器进行滤波处理；

将经过所述数字滤波器处理后的故障后电流结合线路参数和预设出口故障保护范围计算整定距离上的电压差作为第一种电压差；

将所述故障后电压与经过所述数字滤波器处理的虚拟故障点电压做差得到第二种电压差；

根据在故障后预设时间内的所述第一种电压差和所述第二种电压差的绝对值之和之间的大小关系判断是否发生出口故障。

优选地，所述设计数字滤波器以模拟电容式电压互感器的传变特性，包括：

由继电保护装置根据所述电容式电压互感器的参数，获得所述电容式电压互感器的输出信号与输入信号之间的传递函数，然后通过双线性变换获得数字滤波器。

优选地，所述根据所述记忆电压和确定的故障时刻，重构虚拟故障点电压，包括：

故障时刻前，虚拟故障点电压为所述记忆电压；故障时刻后，虚拟故障点电压为零。

优选地，由u_1k(t)＝f[i_k(t)]确定所述第一种电压差，其中，k＝a,b,c，分别代表a相，b相和c相，t为t₀～t₀+T₁时间窗内的各时刻，t₀为故障时刻，T₁为时间窗长度，u_1k(t)为故障后的第一种电压差，i_k(t)为经过数字滤波处理的故障后电流，f[i_k(t)]为i_k(t)的函数，表示根据线路模型和相应的线路参数计算出的整定距离上的电压差。

优选地，由u_2k(t)＝u_k(t)-u_{k_c}(t)确定所述第二种电压差，其中，k＝a,b,c，分别代表a相，b相和c相，t为t₀～t₀+T₁时间窗内各时刻，t₀为故障时刻，T₁为时间窗长度，u_2k(t)为故障后第二种电压差，u_k(t)为继电保护装置安装处测量的故障时刻后的电压，u_{k_c}(t)为经过数字滤波器处理的对应的故障时刻后的虚拟故障点重构电压。

优选地，所述根据在故障后预设时间内的所述第一种电压差和所述第二种电压差的绝对值之和之间的大小关系判断是否发生出口故障，包括：

若故障后预设时间内计算的所述第一种电压差的绝对值之和大于所述第二种电压差绝对值之和，则认为发生了出口故障；

若故障后预设时间内计算的所述第一种电压差的绝对值之和小于所述第二种电压差绝对值之和，则认为发生了非出口故障。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

本发明利用继电保护装置测量用电容式电压互感器参数设计数字滤波器，将保护安装处测量的故障后电流通过数字滤波器处理之后结合线路参数和设定的出口故障保护范围计算第一种电压差；利用保护安装处记忆电压重构虚拟故障点电压，将虚拟故障点电压经过数字滤波器处理，将保护安装处故障后电压与经过数字滤波器处理的虚拟故障点电压做差得到第二种电压差；取故障后一段时间作为时间窗，比较该时间窗内第一种电压差和第二种电压差绝对值之和的大小判断是否发生了线路出口故障。本发明提出的交流线路出口故障判别方法，判据简单、所需数据窗短、能够有效克服电容式电压互感器暂态过程的影响，能够实现交流线路出口故障快速判别，有效提升交流线路出口故障切除速度。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种交流输电系统结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种典型500kV交流输电系统结构示意图；

图3是本发明实施例提供的一种500kV交流输电系统第一继电保护装置正向出口处发生单相接地故障f₁时，第一继电保护装置计算的第一种电压差和第二种电压差变化曲线及对应数据窗内计算的第一种电压差和第二种电压差的绝对值之和；其中，图3(a)为计算的第一种电压差和第二种电压差的变化曲线，图3(b)为对应数据窗内计算的第一种电压差和第二种电压差的绝对值之和；

图4为本发明实施例提供的一种500kV交流输电系统第一继电保护装置反向出口处发生单相接地故障f₂时，第一继电保护装置计算的第一种电压差和第二种电压差变化曲线及对应数据窗内计算的第一种电压差和第二种电压差的绝对值之和；其中，图4(a)为计算的第一种电压差和第二种电压差的变化曲线，图4(b)为对应数据窗内计算的第一种电压差和第二种电压差的绝对值之和；

图5为本发明实施例提供的一种500kV交流输电系统第一继电保护装置正向非出口处发生单相接地故障f₃时，第一继电保护装置计算的第一种电压差和第二种电压差变化曲线及对应数据窗内计算的第一种电压差和第二种电压差的绝对值之和；其中，图5(a)为计算的第一种电压差和第二种电压差的变化曲线，图5(b)为对应数据窗内计算的第一种电压差和第二种电压差的绝对值之和；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1为第一等值电源、2为第一交流线路、3为第一母线、4为被保护交流线路、5为第二母线、6为第二交流线路、7为第二等值电源、8为第一继电保护装置、9为第二继电保护装置。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明的说明书和权利要求书中的术语“第一”和“第二”等是用于区别不同对象，而非用于描述特定顺序。

在本发明实施例中，利用继电保护装置测量用电容式电压互感器参数设计数字滤波器，将保护安装处测量的故障后电流通过数字滤波器处理之后结合线路参数和设定的出口故障保护范围计算第一种电压差；利用保护安装处记忆电压重构虚拟故障点电压，将虚拟故障点电压经过数字滤波器处理，将保护安装处故障后电压与经过数字滤波器处理的虚拟故障点电压做差得到第二种电压差；取故障后一段时间作为时间窗，比较该时间窗内第一种电压差和第二种电压差绝对值之和的大小判断是否发生了线路出口故障。若故障后一段时间内，计算的第一种电压差的绝对值之和大于第二种电压差绝对值之和，则认为发生了出口故障；若故障后一段时间内，计算的第一种电压差的绝对值之和小于第二种电压差绝对值之和，则认为发生了非出口故障。本发明提出的交流线路出口故障判别方法，判据简单、所需数据窗短、能够有效克服电容式电压互感器暂态过程的影响，能够实现交流线路出口故障快速判别，有效提升交流线路出口故障切除速度。

如图1所示，本发明实施例提供的一种快速判别交流线路出口故障的方法，该方法基于的系统结构包括：第一等值电源1、第一交流线路2、第一母线3、被保护交流线路4、第二母线5、第二交流线路6、第二等值电源7、第一继电保护装置8和第二继电保护装置9，第一等值电源1通过第一交流线路2与第一母线3相连，第一母线3通过被保护交流线路4与第二母线5相连，第二母线5通过第二交流线路6与第二等值电源7相连；第一继电保护装置8安装在第一母线3出口处，第二继电保护装置9安装在第二母线5出口处；该方法包括下述步骤：

S1：根据第一继电保护装置8测量用电容式电压互感器参数，设计数字滤波器模拟电容式电压互感器传变特性；

S2：根据第一继电保护装置8采集的电压，处理后获得记忆电压；

S3：当被保护交流线路发生短路故障时，获得继电保护装置安装处故障后电压和故障后电流；

S4：根据记忆电压和确定的故障时刻，重构虚拟故障点电压；

S5：将虚拟故障点电压和故障后电流经过数字滤波器处理；

S6：根据线路参数设定出口故障保护范围，利用经过数字滤波器处理的故障后电流计算第一种电压差；

S7：利用故障后电压和经过数字滤波器处理后的虚拟故障点电压计算第二种电压差；

S8：根据故障后预设时间内的第一种电压差和第二种电压差绝对值之和判断是否发生出口故障。

在本发明实施例中，预设时间为故障后的一段时间，可以根据实际需要确定，本发明实施例不做唯一性限定。

在本发明实施例中，步骤S1中，数字滤波器设计方法具体为：

根据第一继电保护装置8测量用电容式电压互感器的结构参数，得到电容式电压互感器输入信号和输出信号的传递函数，采用双线性变换法获得数字滤波器参数；

在本发明实施例中，步骤S4中，虚拟故障点电压重构方法具体为：

故障时刻前，虚拟故障点电压为记忆电压；故障时刻后，虚拟故障点电压为零。

在本发明实施例中，步骤S6中，由u_1k(t)＝f[i_k(t)]确定第一种电压差，其中，k＝a,b,c，分别代表a相，b相和c相，t为t₀～t₀+T₁时间窗内各时刻，t₀为故障时刻，T₁为时间窗长度，u_1k(t)为故障后第一种电压差，i_k(t)为经过数字滤波处理的故障后电流，f[i_k(t)]为i_k(t)的函数，表示根据线路模型和相应的线路参数计算出的整定距离上的电压差，也即第一种电压差。

在本发明实施例中，步骤S7中，第二种电压差的计算方法具体为：

将继电保护装置安装处测量的故障时刻后电压减去经过数字滤波器的对应的故障时刻后的虚拟故障点重构电压，即u_2k(t)＝u_k(t)-u_{k_c}(t)，其中，k＝a,b,c，分别代表a相，b相和c相，t为t₀～t₀+T₁时间窗内各时刻，t₀为故障时刻，T₁为时间窗长度，u_2k(t)为故障后第二种电压差，u_k(t)为继电保护装置安装处测量的故障时刻后电压，u_{k_c}(t)为经过数字滤波器处理的对应的故障时刻后的虚拟故障点重构电压。

在本发明实施例中，步骤S8中，出口故障的判别方法具体为：

若故障后一段时间内，计算的第一种电压差的绝对值之和大于第二种电压差绝对值之和，则认为发生了出口故障；

若故障后一段时间内，计算的第一种电压差的绝对值之和小于第二种电压差绝对值之和，则认为发生了非出口故障。

本发明利用继电保护装置测量用电容式电压互感器参数设计数字滤波器，将保护安装处测量的故障后电流通过数字滤波器处理之后结合线路参数和设定的出口故障保护范围计算第一种电压差；利用保护安装处记忆电压重构虚拟故障点电压，将虚拟故障点电压经过数字滤波器处理，将保护安装处故障后电压与经过数字滤波器处理的虚拟故障点电压做差得到第二种电压差；取故障后一段时间作为时间窗，比较该时间窗内第一种电压差和第二种电压差绝对值之和的大小判断是否发生了线路出口故障。本发明提出的交流线路出口故障判别方法，判据简单、所需数据窗短、能够有效克服电容式电压互感器暂态过程的影响，能够实现交流线路出口故障快速判别，有效提升交流线路出口故障切除速度。

为了更进一步的说明本发明实施例提供的快速判别线路出口故障的方法，现结合附图以及具体实例详述如下：

具体实施方式以典型的500kV交流输电系统为例进行说明，如图2所示，典型的500kV交流输电系统包含第一等值电源1、第一交流线路2、第一母线3、被保护交流线路4、第二母线5、第二交流线路6、第二等值电源7、第一继电保护装置8和第二继电保护装置9，第一等值电源1通过第一交流线路2与第一母线3相连，第一母线3通过被保护交流线路4与第二母线5相连，第二母线5通过第二交流线路6与第二等值电源7相连；第一继电保护装置8安装在第一母线3出口处，第二继电保护装置9安装在第二母线5出口处。

采用上述系统，快速判别交流线路出口故障的方法按照以下步骤实施：

步骤1：根据第一继电保护装置8测量用电容式电压互感器参数，设计数字滤波器模拟电容式电压互感器传变特性；

步骤2：根据第一继电保护装置8采集的电压，处理后获得记忆电压；

步骤3：当被保护交流线路发生短路故障时，获得继电保护装置安装处故障后电压和故障后电流；

步骤4：根据记忆电压和确定的故障时刻，重构虚拟故障点电压；

步骤5：将虚拟故障电压和故障后电流经过数字滤波器处理；

步骤6：根据线路参数设定出口故障保护范围，利用经过数字滤波器处理的故障后电流计算第一种电压差；

步骤7：利用故障后电压和虚拟故障点电压计算第二种电压差；

步骤8：根据故障后一段时间内的第一种电压差和第二种电压差绝对值之和判断是否发生出口故障。

在本发明实施例中，步骤S1中，数字滤波器设计方法具体为：

本实施例中根据第一继电保护装置8测量用电容式电压互感器的结构参数，得到电容式电压互感器输入信号和输出信号的传递函数，采用双线性变换法获得数字滤波器参数，双线性变化法的离散化采样间隔选择为0.05ms。

在本发明实施例中，步骤S4中，虚拟故障点电压重构方法具体为：

本实施例中，在故障时刻前，虚拟故障点电压为记忆电压；故障时刻后，虚拟故障点电压为零。

在本发明实施例中，步骤S6中，第一种电压差的计算方法具体为：

本实施例中采用基于RL线路模型的微分方程算法，利用经过数字滤波处理的故障后电流和线路参数以及设定的出口故障保护范围计算第一种电压差；

本实施例中第一种电压差的计算方法为：

其中，k＝a,b,c，分别代表a相，b相和c相，t为t₀～t₀+T₁时间窗内各时刻，t₀为故障时刻，T₁为时间窗长度在本实施例中取为3ms，u_1k(t)为故障后第一种电压差，i_k(t)为经过数字滤波处理的故障后电流，R为线路单位长度电阻，L为线路单位长度电感，l₁为设定的出口故障保护范围在本实施例中取为被保护线路4全长的20％。

在本发明实施例中，步骤S7中，第二种电压差的计算方法具体为：

本实施例中，将继电保护装置安装处测量的故障时刻后电压减去经过数字滤波器的对应的故障时刻后的虚拟故障点重构电压，即：

u_2k(t)＝u_k(t)-u_{k_c}(t) (2)；

其中，k＝a,b,c，分别代表a相，b相和c相，t为t₀～t₀+T₁时间窗内各时刻，t₀为故障时刻，T₁为时间窗长度在本实施例中取为3ms，u_2k(t)为故障后第二种电压差，u_k(t)为继电保护装置安装处测量的电压，u_{k_c}(t)为经过数字滤波器的虚拟故障点重构电压。

在本发明实施例中，步骤S8中，出口故障的判别方法具体为：

若

成立，则认为发生k相出口短路故障；其中，k＝a,b,c，分别代表a相，b相和c相；T₀代表故障发生时刻；N代表数据窗长度，本实施例仿真补偿为0.05ms，时间窗长度选择为3ms，故N取60；

若

成立，则认为发生k相出口短路故障；其中，k＝a,b,c，分别代表a相，b相和c相；T₀代表故障发生时刻；N代表数据窗长度，本实施例仿真补偿为0.05ms，时间窗长度选择为3ms，故N取60。

在本发明实施例中，设置第一继电保护装置8正向出口发生a相短路故障(图2中f₁点)，第一继电保护装置8计算的第一种电压差与第二种电压差如图3(a)所示，第一种电压差与第二种电压差在选择的数据窗内绝对值积分如图3(b)所示，此时式(3)成立，故判定为出口故障。

在本实施例中，设置第一继电保护装置8反向出口发生a相短路故障(图2中f₂点)，第一继电保护装置8计算的第一种电压差与第二种电压差如图4(a)所示，第一种电压差与第二种电压差在选择的数据窗内绝对值积分如图4(b)所示，此时式(3)成立，故判定为出口故障。

在本实施例中，设置第一继电保护装置8正向非出口发生a相短路故障(图2中f₃点)，第一继电保护装置8计算的第一种电压差与第二种电压差如图5(a)所示，第一种电压差与第二种电压差在选择的数据窗内绝对值积分如图5(b)所示，此时式(4)成立，故判定为非出口故障。

参照图3、图4、图5，图3为本发明典型500kV交流输电系统第一继电保护装置8正向出口处发生单相接地故障(f₁)时，第一继电保护装置计算8的第一种电压差和第二种电压差变化曲线及对应数据窗内计算的第一种电压差和第二种电压差的绝对值之和；其中图3(a)为计算的第一种电压差和第二种电压差变化曲线，图3(b)为对应数据窗内计算的第一种电压差和第二种电压差的绝对值之和。图4为本发明典型500kV交流输电系统第一继电保护装置8反向出口处发生单相接地故障(f₂)时，第一继电保护装置计算的第一种电压差和第二种电压差变化曲线及对应数据窗内计算的第一种电压差和第二种电压差的绝对值之和；其中图4(a)为计算的第一种电压差和第二种电压差变化曲线，图4(b)为对应数据窗内计算的第一种电压差和第二种电压差的绝对值之和。图5为本发明典型500kV交流输电系统第一继电保护装置8正向非出口处发生单相接地故障(f₃)时，第一继电保护装置计算的第一种电压差和第二种电压差变化曲线及对应数据窗内计算的第一种电压差和第二种电压差的绝对值之和；其中图5(a)为计算的第一种电压差和第二种电压差变化曲线，图5(b)为对应数据窗内计算的第一种电压差和第二种电压差的绝对值之和。从图3～图5中可以看出，本发明实施例提供的方法能够有效判断线路是否发生出口故障。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种交流线路出口故障的判别方法，其特征在于，该方法基于的系统结构包括：第一等值电源(1)、第一交流线路(2)、第一母线(3)、被保护交流线路(4)、第二母线(5)、第二交流线路(6)、第二等值电源(7)、第一继电保护装置(8)和第二继电保护装置(9)，第一等值电源(1)通过第一交流线路(2)与第一母线(3)相连，第一母线(3)通过被保护交流线路(4)与第二母线(5)相连，第二母线(5)通过第二交流线路(6)与第二等值电源(7)相连；第一继电保护装置(8)安装在第一母线(3)出口处，第二继电保护装置(9)安装在第二母线(5)出口处；该方法包括下述步骤：

设计数字滤波器以模拟电容式电压互感器的传变特性，并根据第一继电保护装置(8)或第二继电保护装置(9)安装处的电压获得记忆电压；

在被保护交流线路发生短路故障时，获得所述第一继电保护装置(8)或第二继电保护装置(9)安装处的故障后电压和故障后电流；

根据所述记忆电压和确定的故障时刻，重构虚拟故障点电压，将所述虚拟故障点电压和所述故障后电流经过所述数字滤波器进行滤波处理；

将经过所述数字滤波器处理后的故障后电流结合线路参数和预设出口故障保护范围计算整定距离上的电压差作为第一种电压差；所述预设出口故障保护范围为被保护线路全长的20％；

将所述故障后电压与经过所述数字滤波器处理的虚拟故障点电压作差得到第二种电压差；

根据在故障后预设时间内的所述第一种电压差的绝对值之和与所述第二种电压差的绝对值之和之间的大小关系判断是否发生出口故障。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述设计数字滤波器以模拟电容式电压互感器的传变特性，包括：

由第一继电保护装置(8)或第二继电保护装置(9)根据所述电容式电压互感器的参数，获得所述电容式电压互感器的输出信号与输入信号之间的传递函数，然后通过双线性变换获得数字滤波器。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述记忆电压和确定的故障时刻，重构虚拟故障点电压，包括：

故障时刻前，虚拟故障点电压为所述记忆电压；故障时刻后，虚拟故障点电压为零。

4.根据权利要求1至3任意一项所述的方法，其特征在于，由u_1k(t)＝f[i_k(t)]确定所述第一种电压差，其中，k＝a,b,c，分别代表a相，b相和c相，t为t₀～t₀+T₁时间窗内的各时刻，t₀为故障时刻，T₁为时间窗长度，u_1k(t)为故障后的第一种电压差，i_k(t)为经过数字滤波处理的故障后电流，f[i_k(t)]为i_k(t)的函数，表示根据线路模型和相应的线路参数计算出的整定距离上的电压差。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，由u_2k(t)＝u_k(t)-u_{k_c}(t)确定所述第二种电压差，其中，k＝a,b,c，分别代表a相，b相和c相，t为t₀～t₀+T₁时间窗内各时刻，t₀为故障时刻，T₁为时间窗长度，u_2k(t)为故障后第二种电压差，u_k(t)为第一继电保护装置(8)或第二继电保护装置(9)安装处测量的故障时刻后的电压，u_{k_c}(t)为经过数字滤波器处理的对应的故障时刻后的虚拟故障点重构电压。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述根据在故障后预设时间内的所述第一种电压差的绝对值之和与所述第二种电压差的绝对值之和之间的大小关系判断是否发生出口故障，包括：

若故障后预设时间内计算的所述第一种电压差的绝对值之和大于所述第二种电压差绝对值之和，则认为发生了出口故障；

若故障后预设时间内计算的所述第一种电压差的绝对值之和小于所述第二种电压差绝对值之和，则认为发生了非出口故障。

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