CN109564256B

CN109564256B - 用于对传输线路中的故障进行定位的基于行波的方法和用于该方法的装置

Info

Publication number: CN109564256B
Application number: CN201780044857.5A
Authority: CN
Inventors: O.D.奈杜; N.戈奥格; S.斯里瓦斯塔瓦
Original assignee: ABB Grid Switzerland AG
Current assignee: Hitachi Energy Co ltd
Priority date: 2016-12-28
Filing date: 2017-04-20
Publication date: 2021-01-15
Anticipated expiration: 2037-04-20
Also published as: WO2018122627A1; CN109564256A; US11061062B2; EP3563163B1; US20190369156A1; EP3563163A1

Abstract

本发明提供智能电子装置（IED）和用于用IED对输电线路中的故障进行定位的方法。该方法包含：使用利用与输电线路连接的一个或多个测量设备所获得的测量来测量行波的第一、第二以及第三峰的到达时间。该方法还包含生成故障的位置的两个或更多个初始估计、估计行波的起始时间以及估计第三峰的到达时间。将第三峰的所估计的到达时间与第三峰的所测量的到达时间比较，以选择两个或更多个初始估计中的初始估计作为故障的位置。

Description

用于对传输线路中的故障进行定位的基于行波的方法和用于该方法的装置

技术领域

本发明通常涉及对输电线路中的故障进行定位，且更具体地涉及基于行波的故障定位。

背景技术

对于到达出故障的位置且迅速地着手修理的维修队，传输线路中的准确故障定位是非常重要的。故障定位的准确标识改进可靠性、可利用性，且为公共事业节省税收流失。

故障定位方法基于输入量的可利用性而分类为两类，即单端和双端。另外，根据故障定位原理，故障定位方法归类为1）基于阻抗的方法和2）基于行波的方法。基于阻抗的故障定位方法由于动态系统条件、滤波技术以及测量的不确定性而具有不良的准确度。

行波是跨针对线路的电参数的任何突变的功率电路和设备行进的电磁瞬变。例如，传输网络中的故障是一个这样的场景。这些行波遵循设备的电磁参数，这些电磁参数相对于系统条件而保持恒定。因此，基于行波的方法更准确，因为它们不受稳态和动态系统条件的影响。

使用行波的故障定位通过使该点处的初始行波和/或其反射之间的时间差与传播速度相乘而估计。基于通信的行波方法被认为是更准确且可靠的。然而，建立通信信道的复杂性高，并且该方法的可靠性取决于通信的质量。另外，对于基于通信的方法，双方的准确的GPS同步是强制性的。这进一步对故障定位器（或IED）的准确度和复杂性产生影响。因此，对于故障定位，单端方法被全世界的大部分的公共事业所优选。

能够通过跨输电线路的任何干扰而生成行波。根据故障的位置，到达线路中的已知点处的反射/折射的序列存在改变。标识行波反射/折射的源（即，反射是来自故障还是来自线路中的已知点（例如，远端总线））是基于单端行波的方法的主要挑战。一旦标识波的序列，随后就能够基于到达时间而计算故障位置。

发明内容

本发明的各种方面提供智能电子装置（IED）和用于对输电线路中的故障进行定位的方法。本发明的方法能够用于不同类型的输电线路，诸如架空线路、地下线缆、具有与地下线缆连接的架空线路的混合线路以及混合线路的不同的可能的组合，诸如与地下线缆连接且后接架空线路的架空线路或与架空线路连接且后接地下线缆的地下线缆等。在本发明的实施例中，输电线路使两个变电站连接，其中第一变电站位于输电线路的第一端处，而第二变电站位于输电线路的第二端处。

根据各种方面，该方法用IED执行。IED与一个或多个测量设备连接，该测量设备与输电线路连接。例如，测量设备能够包括电流变换器、电位变换器、基于传感器的测量设备（例如，Rogowski线圈、非常规仪器变换器等）和/或类似设备，其提供与如从输电线路感测的电流、电压或其它信息对应的信号/测量。例如，电流变换器提供单相/多相电流信号，并且电位变换器能够向IED提供单相/多相电压信号。IED可以备选地（或另外地）通过通信信道而从功率系统的测量设备或其它终端接收测量。

在实施例中，IED从测量设备接收（一个或多个）信号，且从测量设备获得测量。在另一实施例中，测量设备通过总线（例如，过程总线）而发布测量，并且IED（例如，被订阅，以从这样的总线接收数据）通过总线而接收测量。

可能由于传输线路中的故障而生成（一个或多个）行波。该行波可以从输电线路的电参数（例如，电流/电压）的一个或多个测量而检测，其中一个或多个测量用一个或多个测量设备获得。这样的检测可以发生于IED或输电线路的另一终端处。例如，检测行波及其参数的（一个或多个）模块可以在另一IED或电力线路装置中提供。在实施例中，IED具有检测行波及其参数（例如，第一峰、第二峰、第三峰的到达时间等）的行波模块。在另一实施例中，行波模块通过总线而接收行波参数（例如，IED能够被订阅，以通过过程总线而接收所发布的数据）。

根据该方法，测量行波的第一峰、第二峰以及第三峰的实际到达时间。第一峰、第二峰以及第三峰的实际到达时间的测量或其它行波参数能够用IED或用另一终端执行，且随后传送到IED。在任一情况下，所测量的参数存储于IED处（例如，存储器中）。

该方法还包括生成故障的位置的两个或更多个初始估计。两个或更多个初始估计能够用IED的初始估计模块执行。在实施例中，两个或更多个估计的第一初始估计（d1）基于以下参数而生成：

·第一峰的到达时间，

·第二峰的到达时间，以及

·行波的传播速度。

另外，两个或更多个估计的第二初始估计（d2）基于以下参数而生成：

·第一峰的到达时间，

·第二峰的到达时间，

·行波的传播速度，以及

·输电线路的长度。

该方法还包括估计行波的起始时间（t0_估计）。IED的时间估计模块能够生成t0_估计。t0_估计基于第一峰和第二峰之一的到达时间、两个初始估计之一（分别为d1或d2）以及行波的传播速度而生成。可选地，输电线路的长度可以用于生成t0_估计。

另外，该方法包括基于第一初始估计（d1）和第二初始估计（d2）之一、行波的起始时间的估计以及行波的传播速度而估计第三峰的到达时间（t3_估计）。可选地，输电线路的长度可以用于生成t3_估计。IED的时间估计模块生成t3_估计。t3_估计能够通过标识与第三峰对应的距离而生成。

此后，该方法包括基于第三峰的所估计的到达时间与第三峰的所测量的到达时间的比较而确定故障的位置。IED的故障定位模块根据本发明的实施例而确定故障的位置。

在一个实施例中，第三峰的所估计的到达时间与第三峰的所测量的到达时间之间的差与（一个或多个）阈值（例如，关于IED）比较。可存在关于IED的多个阈值，以用于在第三峰的到达时间的估计值与实际值之间的比较。在实施例中，如果第三峰的到达时间的估计之间的差以小于阈值的值而小于第三峰的实际的（所记录的）到达时间，则第一初始估计被选择作为故障的位置。根据实施例，如果该差大于阈值，则第二初始估计被选择作为故障的位置。

在实施例中，IED与服务器（例如，云服务器）传递测量。例如，在IED与服务器之间可存在通信信道。在这样的情况下，服务器能够执行处理，且计算故障位置，且将其跨订户（包括IED）发布。

附图说明

图1a和图1b示出示例Bewley Lattice图。

图2是根据本发明的实施例的用于对输电线路中的故障进行定位的系统的简化图。

图3是根据本发明的实施例的示出输电线路中的故障的简化图。

图4是根据本发明的实施例的用于对输电线路中的故障进行定位的智能电子装置的简化框图。

图5是根据本发明的实施例的用于对输电线路中的故障进行定位的方法的流程图。

具体实施方式

由于若干原因而发生传输线路中的故障。可能由于输电线路中的故障而生成（一个或多个）行波。取决于故障的位置，行波的具体的峰（例如，第二峰）能够是来自故障点的反射或来自线路中的已知点的反射。故障的位置能够基于第二峰信息（即，如果已知第二峰是来自故障点还是来自远端总线（还是来自线路中的其它已知点（诸如，架空线路和线缆区段的结合处）的话）而计算。

参考图2，第一变电站（E_m 202）能够位于输电线路的一端（第一）处，而第二变电站（E_n 204）位于输电线路（206）的另一端（第二）处。另外，如所示的，智能电子装置（208）可以在总线M（214）处操作。IED能够与一个或多个测量设备连接。例如，IED分别从电位变换器（PT 210）和电流变换器（CT 212）得到电压和电流测量输入，并且这样的信息能够存储于干扰故障记录仪（DFR）中。在实施例中，电压/电流行波从存储于DFR中的信息提取。所提取的行波随后用于估计故障位置。这样的行波检测（及其参数的检测）可以在另一IED或电力线路装置中执行，且（例如，通过在上面订阅IED的总线）传送到IED。

使用这样的单端行波系统（在图2中示出）来计算故障位置的主要挑战是标识行波反射/折射的源（即，反射是来自故障还是来自远端总线（还是来自输电线路上的其它已知点））。

图1（a）示出对于当已在输电线路的前半部分中发生故障时的情况的BewleyLattice图。在此，输电线路是架空线路（OHL）。在此情况下，第一峰以及第二峰来自故障点。对于距终端M ‘d1’ km处的故障，其中L是输电线路的长度（在图3中示出），第一和第二峰到达时间能够在等式（1）和（2）中如下地表达：

其中，

·v是传输线路的传播速度（线路中的行波的传播速度），

·t0是故障起始时间（行波的起始时间），

·t1是第一峰到达时间（行波的第一峰的到达时间），

·t2是第二峰到达时间（行波的第一峰的到达时间），

·d1是故障位置的第一估计（例如，与线路的前半部分中的故障对应），

·在等式（2）中使用3d1，因为第二峰行进3d1距离（如能够从图1（a）看到的，对于第二峰，必须覆盖距离d1的三倍以到达总线M）。

对两个等式都求解，前半部分中的故障的故障位置由等式（3）给出：

图1（b）的Bewley Lattice图示出当已在线路的后半部分中发生故障时的情况。在此情况下，第一峰与来自故障点的反射对应，并且第二峰与来自远端总线的反射对应。对于距终端M ‘d2’ km处的故障，第一和第二峰到达时间能够在等式（4）和（5）中如下地表达。

对两个等式都求解，后半部分中的故障位置由以下的等式给出：

因此，为了从使用等式（3）和（6）来计算的两个初始估计选择实际故障位置，我们需要知道故障是已在线路的前半部分还是后半部分中发生。

本发明通过使用第三峰到达时间信息而解决由两个可能的位置估计标识实际故障位置的挑战。

本发明提供用于对输电线路中的故障进行定位的IED（300）。IED能够在总线M（214）（诸如，图2中所示出的IED 208）、总线N（216）或输电线路的其它已知点处操作。IED能够（通过总线）与用于获得输电线路的测量的一个或多个测量设备（诸如，电压变换器210、电流变换器212等）通信。IED能够具有用于对输电线路中的故障进行定位的一个或多个模块。

在图4中所示出的实施例中，IED（300）具有行波模块（302）、初始估计模块（304）、时间估计模块（306）以及故障定位模块（308）。

参考图5，图5是根据实施例的对故障进行定位的方法的流程图。

假设在M处测量到行波的第一峰的时间为t1，在M处测量到行波的第二峰的时间为t2，并且在M处测量到行波的第三峰的时间为t3_实际。在502，到达时间可以用行波模块测量，或从另一终端接收，且用行波模块记录。

在504，生成故障位置的两个或更多个初始估计。这样的初始估计用IED的初始估计模块生成。在一个实施例中，故障位置的两个初始估计（d1（第一初始估计）和d2（第二初始估计））使用等式（3）和（6）来获得。等式（3）给出线路的前半部分中的故障位置估计d1。类似地，等式（6）给出线路的后半部分中的故障位置估计d2。这可与实际故障位置是位于前半部分中还是位于后半部分中无关。

在初始故障估计d1和d2非常接近于线路的中点的情况下，实际故障位置能够计算为d1和d2的平均值。这样的确定可以可选地在506通过将d1与

和

比较而作出。这能够改进接近于传输线路的中点的故障的准确度。

在508，获得故障起始时间（或行波的起始时间）的估计t0。这样的估计能够用IED的时间估计模块执行。所估计的故障位置（d1）能够在等式（1）中被代入，以计算故障起始时间（t0）。备选地，d2能够在等式（5）中被代入，以获得t0。可选地，输电线路的长度可以用于生成t0_估计。

在510，使用已知的故障位置估计（d1）和故障起始时间（t0），与第三峰对应的距离‘d_第三峰’能够使用等式（7）来计算。在等式（7）中使用最小值，因为第三峰同样地能够来自故障点或来自远端总线的反射：

d_第三峰=最小值（5*d1，（2L-d1））（7）

代替d1，d2可以用于标识与第三峰对应的距离。

在512，生成第三峰的到达时间的估计（t3_估计）。该估计能够用IED的时间估计模块执行。t3_估计能够使用等式（8）来估计。

在514，对所测量的第三峰到达时间和所估计的第三峰到达时间进行比较。该比较能够用故障定位模块执行。该步骤将实际测量的第三峰时间‘t3_实际’与所估计的第三峰时间‘t3_估计’比较。

如果t3_估计与从行波测量的t3_实际之间的差小于阈值（关于IED），则实际故障距离为d1（516）。该阈值可以基于IED的采样频率。例如，对于1MHz采样，2微秒可以设置为阈值。如果该差大于该阈值，则这意味着初始估计d1并非实际故障位置。相反，d2是实际故障位置（518）。对于这样的比较，有可能具有零的阈值。

因而，本发明提供用于以行波中的第一峰、第二峰以及第三峰的实际到达时间信息准确地标识实际故障位置的解决方案。即使当故障开始角为零时，对于传输线路中的故障，行波中的第三峰也是可利用的，从而导致准确的故障定位。所标识的位置信息能够传递给到达出故障的位置且迅速地着手修理的维修队。

Claims

1.一种用于用智能电子装置IED对输电线路中的故障进行定位的方法，其中所述IED与一个或多个测量设备连接，所述测量设备与所述输电线路连接，所述IED：

测量从所述输电线路的电参数的一个或多个测量而检测的行波的第一峰、第二峰以及第三峰的到达时间，其中所述一个或多个测量用所述一个或多个测量设备获得；

生成所述故障的位置的两个或更多个初始估计，其中所述两个或更多个初始估计的第一初始估计基于所述第一峰的所述到达时间、所述第二峰的所述到达时间以及所述行波的传播速度而生成，并且所述两个或更多个初始估计的第二初始估计基于所述第一峰的所述到达时间、所述第二峰的所述到达时间、所述行波的所述传播速度以及所述输电线路的长度而生成；

基于以下之一而估计所述行波的起始时间：

所述第一峰的所述到达时间、所述第一初始估计以及所述行波的所述传播速度，所述第二峰的所述到达时间、所述第二初始估计以及所述行波的所述传播速度，以及

所述第二峰的所述到达时间、所述第二初始估计、所述行波的所述传播速度以及所述输电线路的所述长度；

基于以下之一而估计所述第三峰的到达时间：

所述第一初始估计、所述行波的起始时间的所述估计以及所述行波的所述传播速度，

所述第二初始估计、所述行波的起始时间的所述估计以及所述行波的所述传播速度，以及

所述第二初始估计、所述行波的起始时间的所述估计、所述行波的所述传播速度以及所述输电线路的所述长度；以及

基于所述第三峰的所估计的到达时间与所述第三峰的所测量的到达时间的比较，选择所述第一初始估计和所述第二初始估计之一作为故障的所述位置。

2.根据权利要求1所述的方法，其中基于以下之一而在所述IED处测量所述到达时间：

用所述IED记录的所述一个或多个测量，和

在所述IED处接收的所述一个或多个测量。

3.根据权利要求1所述的方法，其中如果所述第三峰的所估计的到达时间与所述第三峰的所测量的到达时间之间的差小于阈值，则所述第一初始估计被选择作为所述故障的所述位置。

4.根据权利要求1所述的方法，其中如果所述第三峰的所估计的到达时间与所述第三峰的所测量的到达时间之间的差大于阈值，则所述第二初始估计被选择作为所述故障的所述位置。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述第三峰的所估计的到达时间通过标识与所述第三峰对应的距离而生成。

6.根据权利要求1所述的方法，其中第一变电站在所述输电线路的第一端处连接，而第二变电站在所述输电线路的第二端处连接，并且所述IED在所述第一端处操作。

7.一种用于对输电线路中的故障进行定位的智能电子装置IED，所述智能电子装置包含：行波模块，所述行波模块用于测量从所述输电线路的电参数的一个或多个测量而检测的行波的第一峰、第二峰以及第三峰的到达时间，其中所述一个或多个测量用所述一个或多个测量设备获得；和

初始估计模块，所述初始估计模块用于生成所述故障的位置的两个或更多个初始估计，其中所述两个或更多个初始估计的第一初始估计基于所述第一峰的所述到达时间、所述第二峰的所述到达时间以及所述行波的传播速度而生成，并且所述两个或更多个初始估计的第二初始估计基于所述第一峰的所述到达时间、所述第二峰的所述到达时间、所述行波的所述传播速度以及所述输电线路的长度而生成；

时间估计模块，所述时间估计模块用于：

基于以下之一的所述行波的起始时间的估计：

所述第二峰的所述到达时间、所述第二初始估计、所述行波的所述传播速度以及所述输电线路的所述长度；以及

基于以下之一而估计所述第三峰的到达时间：

故障定位模块，所述故障定位模块用于基于所述第三峰的所估计的到达时间与所述第三峰的所测量的到达时间的比较，选择所述第一初始估计和所述第二初始估计之一作为故障的所述位置。

8.根据权利要求7所述的IED，其中所述行波模块由从所述一个或多个测量设备接收的所述输电线路的电参数的所述一个或多个测量而检测所述行波。

9.根据权利要求7所述的IED，其中所述IED通过通信信道而从所述一个或多个测量设备接收所述电参数的所述一个或多个测量。