CN109275337A - 行波故障检测系统的相选择 - Google Patents

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Abstract

本文公开了行波故障检测系统的相选择。智能电子设备(IED)可用于通过检测行波并对其起作用来监控和保护电力输送系统。可以基于检测到的行波的相对极性来选择电力输送系统的相。可以将选定相的振幅和/或极性与其他相的振幅和/或极性进行比较，以确定故障状况。例如，IED可以基于检测到的行波的相对极性和幅度来确定单相接地故障，向识别出的有故障的相发送保护行动，和/或继续使用增量来为了事件的继续或不同事件例如三相故障的识别而监控系统。

Description

行波故障检测系统的相选择
技术领域
本公开涉及行波故障检测系统的相选择。更具体地，本公开涉及在使用行波的电力系统上的故障的检测和有故障的相的适当选择。本文的公开内容使用具有相选择的行波呈现快速保护和/或报警行动。
附图的简要说明
本公开包括非限制性和非穷举性的说明性实施例。参考在下面描述的附图中描绘的某些这样的说明性实施例。
图1示出了电力系统及用于其保护的系统的简化单线图的示例。
图2A示出了在事件附带的三个相中的每一个相上的行波的示例曲线图。
图2B示出了在n个不同事件附带的三个相中的每一个相上的行波的示例曲线图。
图3A示出了用于使用本地和远程量来确定用于相选择的行波相极性模式的逻辑图的示例。
图3B示出了用于使用本地量来确定用于相选择的行波相极性模式的逻辑图的示例。
图3C示出了用于使用本地量来确定用于相选择的行波相极性模式的逻辑图的另一示例。
图4A示出了用于使用行波相极性模式来识别故障的逻辑图的示例。
图4B示出了用于使用行波相极性模式来识别故障的另一逻辑图的示例。
图5示出了用于相选择的逻辑图的另一个示例。
图6示出了使用相选择的保护行动的逻辑图的示例。
图7示出了实现本文所述的各种功能的智能电子设备(IED)的框图的示例。
详细描述
更快的传输线路保护提高了电力系统的稳定性。如果在致命故障清除时间之前没有清除故障，则系统可能会失去暂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以通过不被热限制的线路传输的电力的数量。更快的保护还增强了公共和公用事业人员的安全、限制了装备的磨损、提高了电力质量、并减少了由于故障能量而引起的损失。
本文描述了使用行波和/或增量的超高速故障检测技术。在电力系统中的各种事件和条件可能发射行波。这种事件和条件的例子包括但不限于相接地故障、相间故障、三相故障等。使用行波和/或增量进行故障检测的系统和方法可以基于检测行波和识别引起行波的事件。系统和方法可以检测、测量、监控和/或以其他方式利用由这样的条件发射的各种增量电流量、增量电压量和/或行波。
在一些实施例中，系统和方法包括识别对应于特定事件/条件的行波的唯一识别标志。在这样的条件期间在各种相上的行波相极性模式对于不同的故障类型可能是相似的。例如，在三相中的每一相上的行波对于单相接地故障可能与对于三相故障的在三相中的每一相上的行波相似。因此，本文描述的用于故障检测的系统和方法包括相选择子系统。
如在本文一般描述的实施例的各种部件、子系统和部分，包括下面的参考附图的描述，可以在各种不同的配置中被布置和设计。例如在整个这个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、或“该实施例”的任何提及意味着结合那个实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在至少一个实施例中。因此，贯穿本说明书叙述的所引用的短语或其变型不一定都指向相同的实施例。在一个实施例的上下文中描述的特征、功能和元件也可以与其他实施例结合来使用。
短语“连接到”和“与...进行通信”指在两个或更多个部件之间的任何形式的交互作用，包括机械、电气、磁性和电磁交互作用。两个部件可彼此连接，即使它们与彼此没有直接接触，以及即使在这两个部件之间可能有中间设备。
如本文中所使用的，术语“IED”可以指监控、控制、自动化和/或保护在系统内的受监控的装备的任何基于微处理器的设备。例如，这样的设备可包括远程终端单元、差动继电器、距离继电器、方向继电器、馈线继电器、过电流继电器、电压调节器控件、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、自动重合闸控件、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、电动机驱动器等。IED可连接到网络，且网络上的通信可通过包括但不限于多路复用器、路由器、集线器、网关、防火墙和交换机的联网设备来促进。此外，联网和通信设备可并入IED中或与IED进行通信。术语“IED”可互换地使用来描述单独IED或包括多个IED的系统。
可与本文中所公开的实施例一起使用的基础设施中的一些已经是可用的，例如：通用计算机、计算机编程工具和技术、数字存储介质以及通信网络。计算机可包括处理器，例如微处理器、微控制器、逻辑电路等。处理器可包括专用处理设备，例如ASIC、PAL、PLA、PLD、现场可编程门阵列或其他定制的设备或可编程设备。计算机也可包括计算机可读存储设备，例如非易失性存储器、静态RAM、动态RAM、ROM、CD-ROM、磁盘、磁带、磁性存储器、光学存储器、闪存或其他计算机可读存储介质。
如本文所述，用于配置和/或使用的合适网络包括各种各样的网络基础设施中的任何一种。具体地，网络可以包括陆线、无线通信、光连接、各种调制器、解调器、小封装可插拔(SFP)收发器、路由器、集线器、交换机和/或其他联网装备。
网络可以包括通信或联网软件，例如从Novell、Microsoft、Artisoft和其他销售商可得到的软件，并且可以使用TCP/IP、SPX、IPX、SONET和其他协议通过双绞线、同轴电缆或光纤电缆、电话线、卫星、微波继电器、调制AC电力线、物理媒体传输、无线的无线电链路和/或其他数据传输“线”来操作。网络可以包括更小的网络和/或可以通过网关或类似机制连接到其他网络。
本文中所描述的某些实施例的各方面可被实现作为软件模块或部件。如本文中所使用的，软件模块或部件可包括位于计算机可读存储介质内或上的任何类型的计算机指令或计算机可执行代码。例如，软件模块可包括可被组织为例程、程序、对象、部件、数据结构等的计算机指令的一个或更多个物理块或逻辑块，其执行一个或更多个任务或实现特定的数据类型。
特定的软件模块可包括被存储在计算机可读存储介质的不同位置中的不同指令，其共同实现模块的所描述的功能。事实上，模块可包括单个指令或许多指令，并且可以被分布在几个不同的代码段上、在不同的程序当中以及跨越几个计算机可读存储介质而分布。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，软件模块可位于本地和/或远程计算机可读存储介质中。另外，在数据库记录中绑定或再现在一起的数据可驻留在同一计算机可读存储介质中或跨越几个计算机可读存储介质而驻留，以及可跨越网络在数据库中的记录的字段中链接在一起。
通过参照附图可理解本公开的一些实施例，其中相似的部件始终由相似的数字标示。如在本文的附图中通常描述和所示的，可在各种不同的配置中布置和设计所公开的实施例的部件。因此，本公开的系统和方法的实施例的下面的详细描述并不意欲限制如所主张的本公开的范围，而是仅代表可能的实施例。众所周知的结构、材料或操作没有被显示或详细描述，以避免使本公开的方面模糊。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，也不需要仅执行一次步骤。
图1示出了用于使用本文描述的时域原理和元件来检测和计算故障的位置的系统100的框图。系统100可包括生成系统、传输系统、分配系统和/或类似的系统。系统100包括导体106，例如连接两个节点的传输线路，该两个节点被示为本地终端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供应的传输系统中的总线。尽管为了简单的目的以单线形式示出，但系统100可以是多相系统，例如三相电力输送系统。
系统100由在系统的两个位置处的智能电子设备(IED)102和104监控。在各种实施例中，额外的IED可此外或可选地用于监控系统100的这些或其他位置。IED 102和104可使用电流互感器(CT)、电压互感器(PT)、罗氏线圈(Rogowski coil)、分压器和/或类似物来获得电力系统信息。IED 102和104可以能够使用来自通常在监控电力系统时使用的常规仪表互感器(例如CT和PT)的输入。在一些实施例中，IED可能不利用公共时间源来提供保护。在其它实施例中且如所示，IED 102和104可接收来自公共时间源110的公共时间信息。公共时间源110可以是能够将公共时间信号输送给IED 102和104中的每一个的任何时间源。公共时间信号的例子包括但不限于全球导航卫星系统(GNSS)例如输送与IRIG对应的时间信号的全球定位系统(GPS)、WWVB系统或WWV系统、基于网络的系统例如实现IEEE1588精确时间协议的系统和/或类似系统。
数据通信信道108可允许IED 102和104交换与除了别的以外还有电压、电流和/或时域故障检测和定位有关的信息。根据一些实施例，基于公共时间源110或独立内部时间源的时间信号可使用数据通信信道108被分配到IED 102和104和/或被分配在IED 102和104之间。数据通信信道108可以体现在各种介质中，并可利用各种通信协议。例如，可以利用物理介质例如光纤、电导体(例如铜)或者甚至无线信道来体现数据通信信道108。此外，数据通信信道108可以利用通信协议例如以太网、SONET、SDH等。
IED 102和104中的一个或两个可以被配置为使用在一个或更多个相导体上检测到的行波和/或从电力系统获得的增量来确定电力系统的状况。行波和/或增量可以从CT、PT等获得。
图2A示出了A相202上的事件附带的分别在A相202、B相204和C相206上的行波210、220和230的示例曲线图200。在各种实施例中，包括行波210、220和230的所示信号可以是从来自电力输送系统的部分的相应相202、204和206获得的滤波的信号。在某些实施例中，这种滤波可以如在美国专利申请号14/856,350(美国专利申请公布号2016/0077149)和14/856,353(美国专利申请公布号2016/0077150)的一个或组合中所描述的那样执行，其中每一个专利特此通过引入被全部并入。行波可以是时间对准的，如所示。
图2A示出了在事件期间在电力输送系统的三个相202、204和206中的每一个上的行波幅度210、220和230以及极性(例如正或负)随时间推移的曲线图200。在A相202上检测到的行波展示第一极性(正)和(相对大的)幅度。在B相204和C相206上检测到的行波220和230展示与第一极性相反的第二极性(负)和比在A相202上的行波的幅度小的幅度。具体地，在B相204和C相206上的行波220和230的幅度分别是在A相202上的行波210的幅度的大约一半。
图2A所示的在三相上的行波的行波相极性模式对应于在A相202上的单相接地故障或三相故障。也就是说，图2A所示的行波的模式可能由A相接地故障或三相故障产生。
更一般地，检测系统可以识别行波模式，该行波模式包括在第一相上的具有第一极性和第一幅度的第一行波以及在另外两个(第二和第三)相上的相应行波，这两个相(i)在极性上相反，并且(ii)它们的幅度之和大约等于(或小于)第一幅度(例如，每个一半)。如果行波被识别为具有上述特征，则检测系统可以确定第一相出现故障，因为相接地故障比三相故障更可能发生。可选地，检测系统可以提供指示特定相具有接地故障或者三相故障存在的警报，而不必指定哪一个。
检测系统(或与检测系统通信的另一系统)可使断路器跳闸以清除有故障的相。例如，如果检测系统(或与检测系统通信的另一个系统)确定故障是三相故障，则系统可以使所有三相跳闸。
图2B示出了在不同事件期间在电力输送系统的三个相252、254和256的每一个上的行波260、270和280——包括随时间变化的幅度和极性——的曲线图。在A相252上检测到的行波260展示第一极性和幅度。在B相254和C相256上的行波270和280分别展示比在A相252上的行波的幅度更大的幅度。具体地，在B相252和C相256上的行波270和280每个展示比在A相252上的行波的幅度更大的幅度。在各种实施例中，在B相252和C相256上的行波270和280每个展示近似两倍于在A相252上的行波的幅度的幅度。此外，在B相254和C相256上检测到的行波270和280的极性彼此相反。
行波检测系统可以识别行波相极性模式(包括行波260、270和280)，作为B相到C相故障的结果。因此，当第三相的行波具有比在其它两相上发现的行波的幅度更小的幅度时，该系统可以基于在幅度上近似相等、相反极性的两相上的行波来识别相间故障。在各种实施例中，第三相可以有具有在其它两相上发现的行波的幅度的大约一半的行波。如果故障没有被识别为单相接地或三相故障，则系统可以确定相间故障。
如上所述，行波检测系统可以确定在行波中的故障的相选择。行波检测系统可以进一步确定在两个相上的行波的幅度是否实质上相等(或小于)，但在极性上相反。行波检测系统可以进一步确定在剩余相上的行波的幅度低于其它两相的幅度。在这样的实例中，行波检测系统可以将行波相极性模式的原因识别为在具有相反但实质上相等的幅度的两个相上的相间故障。
在一些实施例中，通过识别在极性上相反的第一和第二相上的行波以及识别在具有比在第一和第二相上的幅度小的幅度第三相上的行波，可以进一步简化该确定。该系统可以将这种行波相极性模式的源识别为源自相间故障，而不考虑或没有分析第一和第二相相对于彼此的幅度。
如前所提到的，为了区分开单相接地故障、相间故障和三相故障，相选择系统可能偏向更可能出现的故障。已经观察到，与三相故障在电力输送系统上出现相比，单相接地故障更可能在同一电力输送系统上出现。因此，当检测到在一个相上的行波具有大于在另两个相上检测到的行波的幅度和与其相反的极性时(如在图2A中的)，系统可以将行波的起源识别为在具有更大幅度的相上的单相接地故障。系统可以立即使具有更大的幅度的相(例如使断路器断开)跳闸。
一旦该相跳闸(例如断路器断开)，行波检测系统(或其他监控系统)就可以继续监控三相中的每一相，以确定故障是否是在电力输送系统上的三相故障。根据一个实施例，系统(或其他监控系统)可以监控来自电力输送系统的三个相中的每一个的增量电流和电压量。如果增量指示故障是三相故障，则剩余的两相也可能跳闸(例如，其上的断路器的三极可能断开)。否则，如果增量没有指示三相故障状况，则可以确认单相接地故障(或者如果模式匹配图2B的模式或者单相接地故障或者三相故障没有被识别出，则是相间故障)，如先前基于行波相极性模式所评估的。
图3A示出了用于使用本地和远程量来确定用于相选择的行波相极性模式的行波故障检测系统的一部分的逻辑图300的示例。所示的实施例示出了A相选择，但是应当认识到，类似的逻辑可以用于确定B相或C相选择。
如前所提到的，行波相极性模式或者仅仅“模式”可以指示故障的类型。来自三个相中的每一个相的行波操作信号用于确定模式。在一个实施例中，可以使用来自电力输送系统中的一个或更多个位置的电流信号来计算操作信号。在另一实施例中，可以使用来自电力输送系统内的本地点和电力输送系统内的远程点的电流信号来计算操作信号。
在一个实施例中，行波检测系统可以基于在本地终端处的A相上的行波的实测带符号振幅(ITWA本地)和在远程终端处的A相上的行波的实测带符号振幅(ITWA远程)之和来计算在A相上的行波带符号振幅(IA)。类似地，对于B相，行波检测系统可以基于在本地终端处的B相上的行波的实测带符号振幅(ITWB本地)和在远程终端处的B相上的行波的实测带符号振幅(ITWB远程)之和来计算在B相上的行波带符号振幅(IB)。最后，对于C相，行波检测系统可以基于在本地终端处的C相上的行波的实测带符号振幅(ITWC本地)和在远程终端处的C相上的行波的实测带符号振幅(ITWC远程)之和来计算在C相上的行波带符号振幅(IC)。
可以基于在A相上的行波带符号振幅(IA)的两倍(2x)减去在B相上的行波带符号振幅(IB)减去在C相上的行波带符号振幅(IC)的结果的三分之一来计算A相的操作信号(IOPA)。因此，A相的操作信号(IOPA)可以被表示为：
可以基于在B相上的行波带符号振幅(IB)的两倍(2x)减去在A相上的行波带符号振幅(IA)减去在C相上的行波带符号振幅(IC)的结果的三分之一来计算B相的操作信号(IOPA)。因此，B相的操作信号(IOPB)可以被表示为：
可以基于在C相上的行波带符号振幅(IC)的两倍(2x)减去在A相上的行波带符号振幅(IA)减去在B相上的行波带符号振幅(IB)的结果的三分之一来计算C相的操作信号(IOPA)。因此，C相的操作信号(IOPC)可以被表示为：
比较来自每个相的操作信号的极性。如果A相操作信号(IOPA)的极性与B相和C相操作信号(分别为IOPB和IOPC)中的每个的极性相反，则识别A行波相极性模式(A相选择)。类似的逻辑可以用于确定B或C相选择的B和C行波相极性模式。
在所示的逻辑图300中，本地行波带符号振幅估计器320从三个相中的每一个接收本地电流测量结果，即IA本地、IB本地和IC本地。远程行波带符号振幅估计器330从三个相中的每一个接收远程电流测量结果IA远程、IB远程和IC远程。在一些实施例中，本地行波带符号振幅估计器320和远程行波带符号振幅估计器330是不同的部件、同一部件或共享一些部件。
本地和远程行波带符号振幅估计器320和330输出行波的相应带符号振幅，包括ITWA本地、ITWA远程、ITWB本地、ITWB远程、ITWB本地和ITWC远程。这些值中的每一个可以同义地被描述为被测量、确定或计算。如上所述，这些量可以如上所述由求和元件340求和，以产生三个相IA、IB和IC中的每一个的行波带符号振幅。
如上所述，α电流计算器350可以确定三个相中的每一个的操作信号，包括IOPA、IOPB和IOPC。如果，在362A相的极性是正的而B相和C相中的每个的极性是负的，OR(逻辑370)，在364A相的极性是负的而B相和C相中的每个的极性是正的，则可以识别A相行波极性模式390(即A相选择)。用于识别所选择的相的相选择子系统可以包括与极性比较逻辑362和364组合的α电流计算器350。
如下所述，A相行波极性模式390可随后用于识别源自A相接地故障或三相故障的事件。行波故障检测系统可以包括三相故障识别子系统310(或者与单独的三相故障识别系统通信)，其使用增量来识别三相故障。具体地，三相中的每一相的本地电压测量结果VA本地、VB本地、VC本地和三相中的每一相的本地电流测量结果IA本地、IB本地、IC本地可用于识别(或排除)三相故障。三相故障信号312(FS3P信号)可以用作在图6中所示和在下面更详细地描述的逻辑图600的输入。
图3B所示的逻辑类似于图3A所示的逻辑，除了只有本地信号被使用以外。因此，省略了远程行波带符号振幅估计器330。在图3B所示的实施例中，行波检测系统可以基于在本地终端处的A相上的行波的实测带符号振幅来计算A相上的行波带符号振幅(IA)(IA＝ITWA本地)。对于B相，行波检测系统可以基于在本地终端处的B相上的行波的实测带符号振幅来计算B相上的行波带符号振幅(IB)(IB＝ITWB本地)。最后，对于C相，行波检测系统可以基于在本地终端处的C相上的行波的实测带符号振幅来计算C相上的行波带符号振幅(IC)(IC＝ITWC本地)。α电流计算器350中的后续逻辑以及决策逻辑362、364和370类似于结合图3A描述的逻辑。
图3C示出了用于使用本地量来确定用于相选择的行波相极性模式的逻辑图的另一示例。所示的例子类似于图3B所示的例子，而没有使用三相故障识别，该三相故障识别使用三相中的每相的本地电压测量结果来指示三相故障信号。
认识到，本文描述的实施例可以与各种各样的保护、报告和监控技术和系统中的任何一种一起使用。因此，虽然在本文中许多实施例被描述为导致“跳闸”，但是在这些实施例的大部分(如果不是全部)中，可以采取可选的保护、报告、警报或监控步骤来代替跳闸。此外，诸如差动保护、方向保护等的技术可与本文描述的系统和方法结合来使用。如上所详述的，类似于图3A、3B或3C中的任一个的逻辑图可用于B相选择或C相选择，如上所述。
图4A示出了可以被包括在故障检测器模块或子系统中的简化逻辑400，其使用操作信号401的幅度来基于A相行波极性模式(A相选择)来确定A相行波故障405，如在图3A、3B和/或3C中的任一个的任何变形中所描述的。在图4中所示的实施例中，如果在420A相操作信号IOPA的幅度的两倍大于B相和C相操作信号的幅度之和AND401A行波相极性模式被确定410，则A相行波故障可以被宣布。
在一些实施例中，所使用的表达式可以是“大于或等于”，使得如果在420A相操作信号IOPA的幅度的两倍大于或等于B相和C相操作信号的幅度之和AND401A行波相极性模式被确定410，则A相行波故障可以被宣布。
图4B示出了可以由故障检测器子系统或模块实现的逻辑450的另一个实施例，其中如果在图4A中描述的410和420中这两个条件被满足AND 401B-C相操作信号的幅度小于(或者可选地：小于或等于)C-A相操作信号的幅度430AND 401B-C相操作信号小于(或者可选地：小于或等于)A-B相操作信号的幅度440，则A相行波可被宣布。在上面的描述中且如图4B所示，B-C相操作信号是在B相操作信号IOPB和C相操作信号IOPC之间的差。类似地，C-A相操作信号是在C相操作信号IOPC和A相操作信号IOPA之间的差。A-B相操作信号是在A相操作信号IOPA和B相操作信号IOPB之间的差。
与前面一样，与结合图4A和4B描述的示例类似的逻辑可以用于确定B相行波故障和C相行波故障。如果A、B或C相行波信号中没有一个被断言(例如没有A相、B相或C相故障接地状况被识别出)，则相间故障可以被宣布。在一些实施例中，如果A相、B相或C相行波极性模式之一被识别出(即，A相选择、B相选择或C相选择)，则相接地故障(例如，通过图4B中的逻辑的满足)或相间故障被宣布，除非和/或直到使用增量来识别三相故障，如本文所述(例如，通过图3A和3B中的三相故障识别子系统310)。
在一些实施例中，当三相故障的确认或三相故障的排除被确定时，单个相可响应于故障的检测而跳闸。在其他实施例中，作为预防措施，所有三个相都可以被跳闸。在还有其他实施例中，所有跳闸(或其他保护措施)可以等待事件是相接地故障、相间故障还是三相故障的确认。
图5示出了用于进一步调节可根据各种实施例使用的行波信号的逻辑图500。指示故障的行波操作信号以及A相行波故障信号(例如，来自图4B的)、来自与图4B所示的逻辑类似的逻辑的B相行波故障信号以及来自与图4B所示的逻辑类似的逻辑的C相行波故障信号可用于进一步调节行波故障信号。当A相行波故障信号被断言并且行波操作信号被断言时，可以宣布A相行波故障信号(TWOPA)。当B相行波信号被断言并且行波操作信号被断言时，可以宣布B相行波故障信号(TWOPB)。当C相行波信号被断言并且行波操作信号被断言时，可以宣布C相行波故障信号(TWOPC)。如果行波操作信号被断言并且A相行波故障信号、B相行波故障信号和C相行波故障信号中没有一个被断言，则A相、B相和C相行波操作信号中的每一个都被断言。
图6示出了用于对图3A和3B中的任一个以及图5中的输出信号进行进一步操作的逻辑图600。特别是，在采取行波保护行动之前，来自图5的A、B和C相行波信号(TWOPA、TWOPB和TWOPC)由图3A和3B中的三相故障信号312监控。在某些条件下，可以对行波被检测到的一个或更多个相采取相行波保护行动TWOP。可选地，如果逻辑指示三相故障，则可以采取TWA、TWB和/或TWC的三相保护行动断言。
例如，如果一个或更多个行波信号TWOPA、TWOPB或TWOPC断言，则定时器610可以开始。当定时器610失效时，如果行波信号仍然被断言，则行波保护信号TWOP可以被断言。此外，如果三相故障信号FS3P被断言并且定时器610被断言，则行波A、B和/或C相输出可以断言。定时器610可以进一步由单独的系统监督，因此需要使能信号620，例如电流监督信号。定时器610可以被配置为具有足够长的跌落值，以使用增量来检测三相故障，如在本文且特别参考图3A和3B所描述的。
图7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700的功能框图。在某些实施例中，系统700可包括IED系统，该IED系统被配置为除了别的以外还获得并计算时域量、使用时域距离模块来检测并定位故障、使用时域方向模块来检测并定位故障和/或使用行波来检测并定位故障。可使用硬件、软件、固件和/或其任何组合来实现系统700。在一些实施例中，系统700可体现为IED，而在其他实施例中，本文中所描述的某些部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700包括被配置为与设备和/或IED进行通信的通信接口716。在某些实施例中，通信接口716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716可便于通过网络进行通信。系统700可包括可用于接收时间信号(例如公共时间基准)的时间输入端712，允许系统700将时间戳施加到所采集的样本、行动和/或各种数据。在某些实施例中，可经由通信接口716来接收公共时间基准，且因此单独的时间输入端712可能对加时间戳和/或同步操作不是需要的。一个这样的实施例可采用IEEE 1588协议。受监控的装备接口708可被配置为从一件受监控的装备(例如电路断路器、导体、互感器等)接收状态信息，并向受监控的装备发出控制指令。
处理器724可被配置为处理经由通信接口716、时间输入端712和/或受监控的装备接口708接收的通信(communications)。处理器724可使用任何数量的处理速率和架构来操作。处理器724可以被配置成执行本文描述的各种算法、计算、特征化、识别和/或确定。处理器724可被体现为通用集成电路、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700可包括传感器部件710。在所示的实施例中，传感器部件710被配置为使用常规的PT和/或CT直接从常规电力系统装备例如导体(未示出)收集数据。传感器部件710可使用例如变压器702和714以及A/D转换器718，A/D转换器218可采样和/或数字化经滤波的波形以形成被提供给数据总线722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例如CT和VT的二次输入。A/D转换器718可以包括来自一个或更多个相以及来自一个或更多个相中的每个相上的一个或更多个位置的每个输入信号的单个A/D转换器或单独的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718可通过数据总线722连接到处理器724，电流信号和电压信号的数字化表示可通过该数据总线722被传输到处理器724。在各种实施例中，数字化的电流和电压信号可用于计算时域量，以如本文中所描述的对电力系统上的故障进行检测和定位。
计算机可读存储介质726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(例如阻抗、电阻、传播时间、电抗、长度和/或类似的)的数据库728的存储库。另一计算机可读存储介质730(或同一存储介质的部分)可以是被配置为执行本文中所描述的方法中的任一个的各种软件模块的存储库。数据总线742可将受监控的装备接口708、时间输入端712、通信接口716以及计算机可读存储介质726和730链接到处理器724。
如在图7中所示的，计算机可读存储介质726和730可以是单独的介质，或者可以是同一介质(即同一磁盘、同一非易失性存储器设备等)。另外，数据库728可被存储在不是系统700的部分但使用例如通信接口716可由系统700访问的计算机可读存储介质中。
通信模块732可被配置为允许系统700经由通信接口716与各种外部设备中的任一个进行通信。通信模块732可被配置成使用各种数据通信协议(例如，在以太网上的UDP、IEC61850等)来进行通信。
数据采集模块740可收集数据样本，例如电流量和电压量以及增量。数据样本可与时间戳相关联，并且对经由通信接口716检索和/或到远程IED的传输变得可用。由于行波是在电力输送系统中迅速消散的瞬态信号，因此可对它们进行实时测量和记录。数据采集模块740可结合故障检测器模块734来操作。数据采集模块740可控制对故障检测器模块734使用的数据的记录。根据一个实施例，数据采集模块740可选择性地存储和检索数据，并且可使该数据对进一步处理变得可用。数据采集模块740或子系统可以包括一个或更多个电气监控设备，或者从一个或更多个外部电气监控设备接收电气状况测量数据。电气监控设备例如PT和CT可以测量电压、电流、频率、变化率和/或与一个或更多个相相关联的其它电气状况。故障检测器模块734可以执行各种处理和/或确定步骤，例如对配电系统的故障的出现，如结合图3A-6中的一个或更多个所描述的。
增量模块736可被配置为基于本文中所公开的技术来计算时域增量。增量模块736可以被配置成使用电流和/或电压测量结果的数字化表示来从其计算增量，如结合图3A和3B中的三相故障识别系统310所描述的。在一些实施例中，系统700可以是与例如图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736中计算增量，以用于后续处理并在IED之间共享。在另一实施例中，系统700可通过通信信道接收来自传感器部件710和来自远程IED的数字化表示，并且增量模块736可被配置为计算来自这两个源的增量信号，以计算本地增量和远程增量。
故障类型模块738可被配置为使用来自模块736的增量来确定故障类型。故障类型模块738可使用本文中所公开的技术来确定故障类型并提供适当的增量以用于在IED内的其他处理。
行波差动模块744可通过使用在行波差动计算中的电流量确定内部故障的存在来确定由于故障的出现而采取的控制操作。
方向模块750可被配置为确定故障的方向(正向或反向)。方向模块750可被配置为使用来自增量模块736的增量来确定故障的方向。在其他实施例中，方向模块750可被配置为基于行波的极性来确定方向。在这样的实施例中，如果故障在正向方向上，则电压行波和电流行波的极性相反。如果故障在反向方向上，则电压行波和电流行波具有相同的极性。
保护行动模块752可被配置为通过故障检测器模块734基于故障的宣告来实现保护行动。在各种实施例中，保护行动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，保护行动模块752可以与和系统700通信的其他设备协调保护行动。
在各种实施例中，系统700可被配置为基于瞬时电压和电流来提供保护。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700的各种实施例可被配置为实现约1毫秒或更少的操作时间。这样的系统可利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用途应用。这样的系统可使用高采样速率(≥1MHz)、高分辨率(≥16比特)的同步采样、高保真时间同步以及能够交换所有采集的数据(≥100Mbps)或算法中的一些所需的高数值负担(≥1G乘法每秒)的通信网络。
相选择模块748可以被配置为从数据采集模块740接收电流信号。根据本文描述的实施例，相选择模块748可以被配置为选择一个或更多个相。相选择模块748可以与几个模块通信，用于与其共享不同的信号。此外，相选择模块748可以与保护行动模块752通信，保护行动模块752可以被配置成在故障被检测到时响应于相选择模块748的输出来操作某些装备。
虽然上文中所讨论的几个实施例指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。特别是，使用仅在行波差动模块中的电流的行波检测可使用来自直流电力输送系统的电流量来检测故障并对其采取控制行动、保护行动、报告行动等。
虽然已经示出并描述了本公开的具体实施例和应用，但是应理解，本公开不限于本文中所公开的精确配置和部件。例如，本文中所描述的系统和方法可应用于工业电力输送系统或可以不包括高压电力的长距离传输的电力输送系统，例如在船或石油平台中实现的电力输送系统。此外，本文中所描述的原理还可用于保护电气系统免于过频状况，其中电力生成将被放弃而不是加载，以降低对系统的影响或使系统稳定。因此，在不脱离本公开的基本原理的情况下，可以对上述实施例的细节做出许多改变。因此，本发明的范围应被确定为包括下面的权利要求。

Claims (21)

1.一种被配置为检测在电力输送系统中的故障的系统，包括：
数据采集子系统，其接收与电力输送系统的包括A相、B相和C相的三个相中的每一个相关联的电气状况的多个表示；
行波子系统，其使用所述多个表示来确定在所述电力输送系统的所述三个相中的每一个上的行波的带符号振幅值；
相选择子系统，其比较在所述三个相中的每一个上的所述行波的所述带符号振幅值的函数的极性，以识别具有与其它两个相的极性函数相反的极性函数的选定相；
故障检测器子系统，其将所述选定相的幅度的函数与其他两个未选择的相的幅度的函数进行比较，以确定所述电力输送系统具有下列项之一：
三相故障状况，
所述选定相的相接地故障状况，以及
所述未选择的相的相间故障状况；以及
通信子系统，其传输识别电力输送系统的所确定的故障状况的信息。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述通信子系统被配置为响应于所确定的故障状况而发起保护行动。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述数据采集子系统包括多个电流互感器(CT)以接收在所述三个相中的每一个上的电流值的表示。
4.根据权利要求3所述的系统，其中所述数据采集子系统还包括多个电压互感器(PT)以接收在所述三个相中的每一个上的电压值的表示，以及
其中所述系统还包括三相故障识别子系统以基于在所述三个相中的每一个上的电压值和电流值的表示的增量分析来确定所述电力输送系统具有三相故障状况。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述数据采集子系统从本地监控位置和远程监控位置接收与所述三个相中的每一个相关联的电气状况的多个表示，并且其中所述行波子系统被配置为对于所述三个相中的每一个基于在所述本地监控位置处的行波的振幅和在所述远程监控位置处的行波的振幅的总和来确定在所述三个相中的每一个上的行波的带符号振幅值。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述相选择子系统通过最初计算所述三个相中的每个的操作信号值来识别所述选定相，其中每个相的操作信号值等于该相的带符号振幅值的两倍减去其他相的带符号振幅值的结果的三分之一。
7.根据权利要求6所述的系统，其中所述相选择子系统通过识别所述三个相中的哪一个有具有与其它相的操作信号值的极性相反的极性的操作信号值来识别所述选定相。
8.根据权利要求6所述的系统，其中所述系统还包括三相故障识别子系统以基于由所述数据采集子系统接收的所述三个相中的每一个的电气状况的表示来确定所述系统没有三相故障状况。
9.根据权利要求8所述的系统，其中所述故障检测器子系统还被配置为基于所述选定相的操作信号值的两倍大于其他两个未选择的相的操作信号值的总和的确定来确定所述选定相在相接地故障状况中。
10.根据权利要求8所述的系统，其中所述故障检测器子系统还被配置为基于以下项的确定来确定所述选定(第一)相在所述相接地故障状况中：
所述选定相的操作信号值的两倍大于其它两个(第二和第三)未选择的相的操作信号值的总和，
所述第二相的操作信号值减去所述第三相的操作信号值小于所述第三相的操作信号值减去所选定的第一相的操作信号值，以及
所述第二相的操作信号值减去所述第三相的操作信号值也小于所选定的第一相的操作信号值减去所述第二相的操作信号值。
11.根据权利要求8所述的系统，其中所述故障检测器子系统还被配置为基于以下项中的至少一个是假的确定来确定所述选定(第一)相与其它两个(第二和第三)未选择的相中的一个在相间故障状况中，所述未选择的相中的所述一个的操作信号值在幅度上与所述选定(第一)相的幅度近似相等，但在极性上与所述选定(第一)相的极性相反：
所述故障未被识别为单相接地故障或三相故障，
所选定的第一相的操作信号值的两倍大于所述第二未选择的相和第三未选择的相的操作信号值的总和，
所述第二相的操作信号值减去所述第三相的操作信号值小于所述第三相的操作信号值减去所选定的第一相的操作信号值，以及
所述第二相的操作信号值减去所述第三相的操作信号值也小于所选定的第一相的操作信号值减去所述第二相的操作信号值。
12.一种检测在三相电力系统中的故障的方法，包括：
从一个或更多个电气监控设备接收与所述三相电力系统中的包括A相、B相和C相的三个相中的每一个相关联的电气状况的多个表示；
使用所述多个表示经由处理器来确定在所述三相电力系统的所述三个相中的每一个上的行波的带符号振幅值；
比较在所述三个相中的每一个上的所述行波的所述带符号振幅值的函数的极性；
识别具有与其它两相的极性函数相反的极性函数的选定相；
将所述选定相的幅度的函数与其它两个未选择的相的幅度的函数进行比较，以确定所述电力输送系统具有下列项之一：
三相故障状况，
所述选定相的相接地故障状况，以及
所述未选择的相的相间故障状况；以及
经由通信设备来传输识别电力输送系统的所确定的故障状况的信息。
13.根据权利要求12所述的方法，其中传输所述信息响应于所确定的故障状况而发起保护行动。
14.根据权利要求12所述的方法，其中所述一个或更多个电气监控设备包括多个电流互感器(CT)以接收在所述三个相中的每一个上的电流值的表示。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述一个或更多个电气监控设备还包括多个电位变压器(PT)以接收在所述三个相中的每一个上的电压值的表示，以及
其中所述方法还包括基于在所述三个相中的每一个上的电压值和电流值的表示的增量分析来确定所述三相电力系统具有所述三相故障状况。
16.根据权利要求12所述的方法，还包括：
从本地监控位置接收与所述三个相中的每一个相关联的电气状况的多个表示；以及
从远程监控位置接收与所述三个相中的每一个相关联的电气状况的多个表示，
其中确定在所述三个相中的每一个上的所述行波的所述带符号振幅值包括对于所述三个相中的每一个基于在所述本地监控位置处的行波的振幅和在所述远程监控位置处的行波的振幅的总和的确定。
17.根据权利要求12所述的方法，其中识别所述选定相至少部分地包括计算所述三个相中的每一个的操作信号值，其中每一个相的操作信号值等于该相的所述带符号振幅值的两倍减去其它相的所述带符号振幅值的结果的三分之一。
18.根据权利要求17所述的方法，其中识别所述选定相还包括识别所述三个相中的哪一个有具有与其它相的操作信号值的所述极性相反的极性的操作信号值。
19.根据权利要求17所述的方法，还包括基于所述三个相中的每一个的电气状况的表示来排除作为可能性的所述三相故障状况。
20.根据权利要求19所述的方法，还包括基于对以下项的确定来确定所述选定(第一)相在所述相接地故障状况中：
所述选定相的操作信号值的两倍大于其它两个(第二和第三)未选择的相的操作信号值的总和，
所述第二相的操作信号值减去所述第三相的操作信号值小于所述第三相的操作信号值减去所选定的第一相的操作信号值，以及
所述第二相的操作信号值减去所述第三相的操作信号值也小于所选定的第一相的操作信号值减去所述第二相的操作信号值。
21.根据权利要求19所述的方法，还包括基于以下项中的至少一个为假的确定来确定所述选定(第一)相与其它两个(第二和第三)未选择的相中的一个在相间故障状况中，所述未选择的相中的所述一个的操作信号值在幅度上与所述选定(第一)相的幅度近似相等，但在极性上与所述选定(第一)相的极性相反：
所述故障未被识别为单相接地故障或三相故障，
所选定的第一相的操作信号值的两倍大于其它第二未选择的相和第三未选择的相的操作信号值的总和，
所述第二相的操作信号值减去所述第三相的操作信号值小于所述第三相的操作信号值减去所选定的第一相的操作信号值，以及
所述第二相的操作信号值减去所述第三相的操作信号值也小于所选定的第一相的操作信号值减去所述第二相的操作信号值。
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