CN111065932A - 用于电力系统保护的使用失真进行的行波识别 - Google Patents

用于电力系统保护的使用失真进行的行波识别 Download PDF

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Abstract

本公开涉及用于分析电力输送系统中的行波的系统和方法。在一个实施例中，系统可包括行波识别子系统以接收电力系统信号并识别多个入射行波、反射行波和透射行波。可以从入射行波和透射行波选择第一行波，并且可以确定第一失真。可以从入射行波选择在第一行波之后的第二行波，并且可以确定第二失真。行波分析子系统可以比较第一失真和第二失真，并确定第一失真是否与第二失真一致。保护行动子系统可以基于第一失真与第二失真一致的第一确定来实施保护行动。

Description

用于电力系统保护的使用失真进行的行波识别
技术领域
本公开涉及用于电力系统保护的使用失真进行的行波识别。本公开还涉及使用由故障发射的行波的正确识别的实例来确定故障是否在保护区域内。
附图简述
描述了本公开的非限制性和非详尽的实施例，包括参考附图的本公开的各个实施例，其中：
图1示出了符合本公开的实施例的在电力系统线路上的位置处的故障的Bewley图。
图2示出了符合本公开的实施例的行波距离元件的简化逻辑图。
图3示出了符合本公开的实施例的说明行波在两个不同终端处的反射模式的Bewley图。
图4示出了符合本公开的实施例的覆盖在Bewley图上的总线特定行波失真的概念表示，其可用于识别和区分从故障的返回和从其他反射的返回。
图5示出了符合本公开的实施例的覆盖在Bewley图上的总线特定行波失真的概念表示，其可用于识别和区分从具有多条总线的系统中的故障的返回。
图6示出了符合本公开的实施例的用于使用失真来识别行波的方法的流程图。
图7示出了符合本公开的实施例的用于使用行波中的失真来检测和定位故障的系统的功能框图。
详细描述
行波(“TW”)是由电压的突然变化引起的电涌，其以接近光速的速度沿着架空电力线路传播。当由线路故障发射时，这些TW携带关于故障位置和类型的信息。此外，根据线路长度和故障位置，该信息在1至2ms内到达线路终端。TW的相对到达时间和极性允许以单塔跨度的量级的准确度定位故障，以及利用使用基于TW的定向元件(TW32)的允许式超范围传输跳闸(permissive over-reaching transfer trip)(POTT)方案和利用基于TW的线路电流差动方案(TW87)来保护线路。这些基于TW的线路保护利用通信信道，该通信信道可以是POTT方案的标准导频信道或TW87方案的直接光纤信道；并且可以利用电流测量设备的足够频率响应来使用电流TW。在各个实施例中，符合本公开的线路保护系统可以在没有通信信道的情况下在1到2ms的量级上操作。
图1示出了符合本公开的实施例的在长度为LL的电力系统线路上的位置F处的故障的Bewley图。故障离本地终端(S)为M(千米或英里)以及离远程终端(R)为LL-M(千米或英里)。考虑在本地终端后面的另一个终端(B)。TW线路传播时间(TWLPT)是TW从一个线路终端行进到相对的终端所花费的时间。
在故障点(F)处发射的TW在t1到达本地终端(S)。TW的一部分反射，朝向故障行进回，从故障反射回来，然后在t4返回到本地终端(S)。在t4-t1时间间隔期间，TW行进了2·M的距离。我们如下书写距离-速度-时间方程：
2·M＝(t4-t1)·PV 方程1
其中传播速度PV为：
Figure BDA0002407453630000021
将方程2代入方程1，并且对M求解产生方程3，方程3可用于计算故障距离值：
Figure BDA0002407453630000022
引入每单位范围(per-unit reach)TW21M，我们使用方程3来表示TW21欠范围距离元件(underreaching distance element)的操作方程：
Figure BDA0002407453630000031
其中：
t1是第一TW的到达时间，以及
tF是从故障第一次返回的到达时间(图1中的t4)。
为了强调TW21对时间测量的依赖，我们如下重写TW21操作方程：
(tF-t1)＜2·TW21M·TWLPT 方程5
方程5的左侧是继电器测量。仅响应于TW到达时间，该测量不被在较低(kHz)频段中的CT和PT比率误差、瞬变现象和信号失真影响。TW21元件在计算方程5中的操作信号时不使用线路阻抗数据，因此操作信号不被这种线路数据的有限准确度影响。
方程5的右侧是针对任何给定应用固定的阈值——用TW线路传播时间TWLPT表示的线路长度和用户优选的每单位范围设置TW21M的乘积的两倍。当在单端基于TW的故障定位器中被使用时，可以以1个或2个塔跨度的准确度来确定故障位置。由于这个高准确度，TW21M范围可以肯定地被设置在例如每单位0.95处，以在没有通信信道的情况下覆盖线路长度的95％(与基于阻抗的距离元件的80％的典型范围设置相比)。
图2示出了符合本公开的实施例的行波距离元件200的简化逻辑图。从故障的第一次返回的到达时间(tF)和与在终端处的故障相关联的第一TW的到达时间(t1)之间的差(tF-t1)由TW检测和时间戳记子系统202确定。根据方程3，该差代表到故障的距离。将该差与范围设置204进行比较。范围设置204可以是例如由方程5的右侧给出的与该特定保护元件的保护区域相关的设置。如果该差在保护区域内(即，小于范围设置204)，则行波距离元件200的输出212可以被断言。输出212的断言可用于施加保护行动，例如跳闸以断开线路。
根据所示实施例，行波距离元件200可以通过在输出212被断言之前要求其它条件存在或被确定而变得更加安全。如图所示，定向监督(TW32)输入208输入可以指示故障在TW21元件的方向上，通常是向前。此外，除了行波距离元件200的定向监督208之外，还可能需要其他安全条件206以解决与以下所述的保护安全相关的挑战。
在TW21元件的成功实施中依然存在若干挑战。例如，如果元件正确地识别从故障的第一次返回，则在方程3中所示的故障距离计算执行顺利；然而，如果另一TW被误认为从故障的第一次返回，则故障距离计算的计算将是不准确的。如图1所示，在t1到达的第一TW朝向终端B继续，从终端反射，然后在时间t2返回到本地终端(S)。如果基于TW的系统将t2误认为从故障的第一次返回，则故障距离计算结果将是不正确的。类似地，到达远程终端(R)的第一TW从终端R反射并返回到本地终端(S)，传播通过故障点(F)。该TW在t3到达本地终端。如果TW21算法将t3误认为从故障的第一次返回，则故障距离计算结果也是不正确的。
图3通过示出Bewley图来说明又一个挑战，该Bewley图示出了符合本公开的实施例的行波在两个不同终端(终端S和B)处的反射模式。故障朝向两个终端S和R发射TW。这些TW在各个不连续点处传播、反射和透射，作为结果，一串TW在终端S处被测量。从S-R线路的方向到达终端S的每个入射TW将部分地透射通过终端S并到达终端B。测量相同定时和极性模式的TW，在终端B处的TW21算法将看到虚假的故障位置(F*)。
安装在终端S处的TW21应该操作，但安装在终端B处的TW21应该抑制。然而，终端B和终端S处的TW21算法看到相同的TW定时和极性模式。在终端B处测量的TW的幅度将低于在终端S处测量的TW的幅度；然而，这些低幅度可能是透射通过终端S时对于在F处的故障(在这种情况下，终端B应该抑制)的TW幅度减小的结果，或者它们可能是在低的波上点电压(low point-on-wave voltage)处出现的在F*处的故障(在这种情况下，终端B应该操作)的结果。本文公开的各个实施例可以通过使用总线特定的TW失真来识别从故障的返回，帮助区分开在F和F*处的故障。
图4示出了符合本公开的实施例的覆盖在Bewley图上的总线特定TW失真的概念表示，其可用于识别和区分从故障的返回和从其他反射的返回。当行波到达特征阻抗中的不连续点时，例如连接多条线路和其他电力系统元件的汇流条，波的部分在到达方向上反射回，以及波的部分在原始方向上继续。这些波被单独地称为入射波(到达不连续点的波)、反射波(被反射回的波)和透射波(在原始方向上继续的波)。
当由故障发射时，入射TW是相对干净的电流阶跃和电压阶跃，如由信号402a和402b指示的。信号402a和402b分别朝向总线S和R传播。当信号402a和402b的电流和电压的陡阶跃到达总线S和R时，信号激励在总线处存在的寄生高频谐振电路。集总参数电路由总线支撑结构的电感和电容、互感器绕组的寄生电容、电容耦合电压互感器(CCVT)、电涌放电器等组成。作为结果，反射的TW以它们对总线的独特特性“编码”的方式失真。如图所示，从总线S的反射404a不同于从总线R的反射406。这些独特编码的TW 404a和406从总线S和R朝向故障反射回。
信号404a在没有明显失真的情况下作为信号404b从故障F再次反射(即，来自从总线S的反射的独特编码被保留)。在总线S处实施TW21算法的IED可以比较信号404a和404b，确定形状是相似的，从而将波404b识别为波404a从故障的反射，并通过这样做来提供与对到故障F的距离M的确定相关联的附加安全性。
信号406以与总线R相关联的独特形状进行编码。当信号406到达总线S时，实施TW21算法的IED可以确定信号406的形状不同于信号404a的形状。基于该差异，该算法可以正确地确定信号406不是波404a从故障F的反射，而更确切地是从具有独特编码的不同总线的反射。应当注意，当TW在各个不连续点处反射和透射时，它们可能改变极性。为简单起见，上述解释不考虑极性变化。类似地，必须考虑电力线路的三导体性质。一个导体中的TW在它行进时耦合到其它两个导体。当TW在不同的不连续点处反射和透射时，它们在反射或透射之后重新耦合。实际的实施应将这些观察考虑进去。
以类似的方式，来自继电器后面并朝向受保护线路上的故障透射通过本地总线的TW也用存在于总线上的电路进行编码。如果这些TW的能量高到足以行进到故障并回来，则它们将以相似的形状返回。一般来说，从故障的返回是从正向方向朝向总线行进的任何入射波，并具有与在正向方向上远离总线行进的波的形状类似的形状。这一原理可以被概括如下：如果(在从在总线前面的不连续点到达之后从总线反射，或在在总线后面发源之后透射通过总线)朝向故障发送的TW的形状和在2m·TWLPT之后到达的入射TW的形状是相似的，那么m是到故障的真实每单位距离。
图5示出了符合本公开的实施例的覆盖在Bewley图上的总线特定行波失真的概念表示，其可用于识别和区分从具有多条总线的系统中的故障的返回。对从故障的返回的识别可允许与有故障的线路相关联的继电器跳闸，并允许与健康线路相关联的继电器抑制。信号502a首先在时间t1遇到总线S。信号的一部分传播到总线S之外并到达总线B(信号506)，而一部分从总线S朝向故障F反射(信号504a)。反射信号504a可以以总线S的某些独特特性“编码”。信号504a从故障F再次反射，产生返回到总线S的信号504b。信号504a从故障F的反射不引入显著失真，因此信号504a和504b的形状匹配。在接收信号504a和504b的总线S处的IED可以比较信号的形状，并结合TW21保护系统确定形状匹配。基于确定信号504a和504b的形状匹配，在总线S处的IED可以操作——假设其他条件(例如，在图2中描绘的条件)匹配——以使线路跳闸并使故障F断电。
与在总线S处的匹配信号504a、504b相比，由于在总线B处的IED接收的信号的编码由与总线S和总线B的不同相互作用而产生，因此这些信号将不匹配。更具体地，信号506和508可以分别在t4和t6到达总线B。信号504a包括信号502a的“编码”反射，而信号504b包括通过总线S的信号502b的“编码”表示。换句话说，信号506等于信号502a和504a之间的差。与和总线S相关联的集总参数电路的交互作用可以使信号504a和信号506在形状上有差异，该差异可以由符合本公开的各个实施例分析。
分析图5中所示的信号的IED可以辨认各种信号的不同“编码”，作为从各个总线反射或通过各个总线的结果。因此，IED可以确定信号508不是t4时刻的信号506在F*处的故障的反射并在t6返回到总线B处。基于这样的确定，在总线B处的IED可以适当地抑制针对在F处的故障的保护行动，该故障在IED保护的B-S线路之外。
上面使用的术语“相似的形状”可以以多种方式实现。在一个可能的实现中，可以使用一个波与怀疑是从故障反射的第一波的返回的波的短数据窗口之间的相关性。如果这两个形状是相似的，则相关性将产生与每个波的自相关的乘积有关的大值。
图6示出了符合本公开的实施例的用于使用失真来识别行波的方法600的流程图。在602，方法600可确定第一行波是否被检测到。当在602检测到第一行波时，方法600可以在604确定第一行波的第一失真。如上所述，行波从在电力系统中的总线的反射以由总线的电气特性(例如总线支撑结构的电感和电容、互感器绕组的寄生电容、CCVT、电涌放电器等)确定的独特模式对行波编码。
在606可以接收多个行波。多个行波可以借助于从在电力系统内的不连续点的反射而产生。在各个实施例中，每个反射可以一次被处理一个。多个行波可以包括例如从正向方向和反向方向到达的多个反射，并且来自正向方向的一些反射可以是从在受保护线路上的故障的反射，并且每个所得到的行波都可以被分析。参考图1，例如第一行波在t1到达。在第一行波到达之后，多个行波在t2、t3、t4和t5到达。
返回到图6的讨论，在608，可以确定与多个后续行波中的每一个相关联的失真。与多个行波中的每一个相关联的失真可以用于确定多个后续行波中的哪一个对应于第一行波从故障的反射。在610，可以将多个失真中的每一个与第一失真进行比较以确定多个失真中的任一个是否与第一失真匹配。如果没有检测到匹配，则所比较的波不被认为是第一波从故障的返回，并且可以在612抑制保护行动。在各个实施例中，可以单独地分析多个行波中的每一个。出于简单的目的，方法600在606、608和610一起分析多个波。
可以参考图1解释元件606、608和610。与在t1到达的行波相关联的第一失真可以与在t2、t3、t4和t5到达的每个行波相关联的失真进行比较。在t4到达的行波是从故障的反射，因此在t4的行波的失真将与在t1的行波失真匹配。
返回到图6的讨论，在614，可以基于第一行波和从多个行波当中识别出的具有匹配失真的行波的到达时间来确定到故障的距离。在各个实施例中，可以使用方程3来确定到故障的距离。此外，在一些实施例中，到故障的距离可以使用方程4以到故障的距离与线路长度的单位比来表示。
在616，方法600可以基于在614确定的到故障的距离来确定故障是否在范围设置内。在各个实施例中，到故障的距离可以与特定值(例如，以米表示的值)或每单位值(例如，代表线路的特定部分的阈值)进行比较，以确定故障是否在保护区域内。如果故障在保护区域之外，则可在612抑制保护行动。
如果基于在616的确定故障在保护区域内，则可在618启用保护行动。可以基于如上所述的单个测量或者为了增强的安全性使用多个测量来发起保护行动。参考图1，在t2从总线后面到达的波将朝向故障继续并返回到总线S。该方法可以将该返回识别为波在t2的反射，并且通过这样做，可以针对同一故障的第二次确定到故障的距离。类似地，在t3作为从远程总线的反射到达的波将反射总线S，行进到故障并返回。这个反射可以允许第三次确定到故障的距离。在某些实施例中，保护行动可以包括启动断路器以使电力系统的一部分断电。在其他实施例中，在618启用保护行动可以包括监督行动。在一个特定实施例中，保护行动可以包括断言信号例如图2中的信号206，该信号可以是断言行波距离元件200的输出212所必需的一个条件。
图7示出了符合本公开的实施例的用于行波中的失真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可以包括IED以除此之外还获得和计算行波信号并分析行波中的失真。行波可以由安装在变电站中的传输线路的末端处的电流互感器来测量。电流互感器通常具有足够的保真度以用足够的准确度测量电流行波，用于实际保护和故障定位应用。然而，电流互感器测量它在线路终端处的安装点处的电流——其总是特性阻抗中的不连续性，因此它测量入射电流和反射电流行波的总和。它不单独地测量入射波，且它不允许将波分为入射波、反射波和透射波。
电压和电流行波与线路的特性阻抗关联，并可相应地分为入射、反射和透射分量。这个分离可以使用电压行波的方程6或电流行波的方程7来执行。
Figure BDA0002407453630000091
Figure BDA0002407453630000092
需要总电流行波(iTW)和电压行波(VTW)的准确测量来分离入射、反射和透射分量。在一些实施例中可以使用电流互感器，因为它们提供足够准确的电流行波测量。
与仅使用来自电流互感器的行波测量(其是入射波和反射波的总和)相比，波分离成入射、反射和透射行波可以允许更好地利用行波信息。
可使用硬件、软件、固件和/或其任何组合来实施系统700。在一些实施例中系统700可被体现为IED，而在其他实施例中本文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。特别示出的配置仅代表符合本公开的一个实施例。
系统700包括通信接口716以与设备和/或IED通信。在某些实施例中，通信接口716可便于与其他IED的直接通信或通过通信网络与系统通信。系统700还可包括时间输入端712，其可用于接收时间信号(例如，公共时间基准)，允许系统700将时间戳施加到所采集的样本。在某些实施例中，可经由通信接口716接收公共时间基准，因此单独的时间输入对于时间戳记和/或同步操作可能是不需要的。一个这样的实施例可以采用IEEE1588协议。受监控的设备接口708可从一件受监控的设备(例如，断路器、导体、互感器或诸如此类)接收状态信息，并向该受监控的设备发出控制指令。
处理器724处理经由通信接口716、时间输入端712和/或受监控的设备接口708接收的通信。处理器724可以使用任何数量的处理速率和架构来操作。处理器724可以执行本文描述的各种算法和计算。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。在所示实施例中，传感器部件710可以接收高保真电流测量702和/或高保真电压测量714。传感器部件710可使用包括A/D转换器718，该A/D转换器718可对经滤波的波形进行采样和/或数字化以形成被提供到数据总线722的相应的数字化电流和电压信号。高保真电流测量702和/或高保真电压测量714可以包括来自三相电力系统的每相的单独信号。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。
非暂时性计算机可读存储介质730可以是执行本文中所描述的方法、计算和确定的各种软件模块的存储库。数据总线742可将被监控的设备接口708、时间输入端712、通信接口716以及计算机可读存储介质730链接到处理器724。
通信模块732可允许系统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可以使用各种数据通信协议进行通信。
数据采集模块740可收集数据样本，例如与行波相关联的电流和电压测量。该数据样本可与时间戳相关联，并且变得可用于检索远程IED和/或经由通信接口716传输到远程IED。行波可被实时地测量和记录，因为它们是在电力输送系统中迅速消散的瞬态信号。数据采集模块740可结合故障检测器模块734操作。数据采集模块740可控制由故障检测器模块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，并且可使该数据可用于进一步处理。这种处理可以包括由故障检测器模块734处理，故障检测器模块734可以识别行波中的失真。
行波识别模块744可以比较行波的失真。如在本文所述和所示的，行波失真可用于确定行波的起源或反射。具有相似失真的行波可以被确定为具有相似的起源或反射。行波识别模块744可以基于检测到的失真来识别行波。根据本文的几个实施例，故障检测器模块734可以使用行波的标识根据几个行波保护算法来确定故障。
保护行动模块752可基于由故障检测器模块734对故障的声明来实施保护行动。在各个实施例中，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。在各个实施例中，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。
虽然示出并描述了本公开的特定实施例和应用，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。因此，可以在不偏离本公开的基本原理的情况下对上述实施例的细节做出许多改变。因此，本发明的范围应当仅由所附的权利要求确定。

Claims (20)

1.一种分析电力输送系统中的行波的系统，包括：
行波识别子系统，其用于：
接收多个电力系统信号；
从所述多个电力系统信号中识别多个入射行波、反射行波和透射行波；
从在监控线路的方向上传播的识别的多个入射行波和透射行波中选择第一行波；
确定所述第一行波的第一失真；
选择在所述第一行波之后的第二行波，所述第二行波选自所述识别的多个入射行波；以及
确定所述第二行波的第二失真；行波分析子系统，其与所述行波识别子系统通信以用于：
比较所述第一失真和所述第二失真；以及
确定所述第一失真是否与所述第二失真一致；以及
保护行动子系统，其与所述行波分析子系统通信以基于所述第一失真与所述第二失真一致的第一确定来实施保护行动。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一失真和所述第二失真包括在所述电力输送系统中的电气总线和连接的电力设备的电气参数的表示。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述行波分析子系统还被配置成至少部分地基于所述第一行波的第一到达时间和所述第二行波的第二到达时间来确定到故障的距离。
4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述保护行动子系统基于到故障的所述距离来确定所述故障是否在范围设置内。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述保护行动包括启动断路器以使包括所述行波源起的位置的所述电力系统的一部分断电。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述电力输送系统信号包括高带宽电压信号。
7.根据权利要求6所述的系统，还包括数据采集子系统，以在所述电力输送系统的终端处采集所述多个电力输送系统信号。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述保护行动的实施仅基于单独从所述监控线路上的一个终端收集的信息。
9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述保护行动包括启用距离保护元件的输出端。
10.根据权利要求1所述的系统，其中，当所述第一失真与所述第二失真不一致时，所述保护行动子系统抑制所述保护行动。
11.一种用于分析电力输送系统中的行波的方法，包括：
接收多个电力系统信号；
从所述多个电力系统信号中识别多个入射行波、反射行波和透射行波；
从在监控线路的方向上传播的识别的多个入射行波和透射行波中选择第一行波；
确定所述第一行波的第一失真；
选择在所述第一行波之后的第二行波，所述第二行波选自所述识别的多个入射行波；以及
确定所述第二行波的第二失真；
比较所述第一失真和所述第二失真；
确定所述第一失真是否与所述第二失真一致；以及
基于所述第一失真与所述第二失真一致的第一确定来实施保护行动。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述第一失真和所述第二失真包括在所述电力输送系统中的电气总线和连接的电力设备的电气参数的表示。
13.根据权利要求11所述的方法，还包括至少部分地基于所述第一行波的第一到达时间和所述第二行波的第二到达时间来确定到故障的距离。
14.根据权利要求3所述的系统，其中，所述保护行动子系统基于到故障的所述距离来确定所述故障是否在范围设置内。
15.根据权利要求11所述的方法，其中，所述保护行动包括启动断路器以使包括所述行波源起的位置的所述电力系统的一部分断电。
16.根据权利要求11所述的方法，其中，所述电力输送系统信号包括高带宽电压信号。
17.根据权利要求16所述的方法，还包括在所述电力输送系统的终端处采集所述多个电力输送系统信号。
18.根据权利要求11所述的方法，其中，所述保护行动包括启用距离保护元件的输出端。
19.根据权利要求11所述的方法，还包括当所述第一失真与所述第二失真不一致时抑制所述保护行动。
20.一种分析电力输送系统中的行波的系统，包括：
处理器；
非暂时性计算机可读介质，其包括指令，所述指令当由处理器执行时使所述处理器实施操作，所述操作用于：
接收多个电力系统信号；
从所述多个电力系统信号中识别多个入射行波、反射行波和透射行波；
从在监控线路的方向上传播的识别的多个入射行波和透射行波中选择第一行波；
确定所述第一行波的第一失真；
选择在所述第一行波之后的第二行波，所述第二行波选自所述识别的多个入射行波；以及
确定所述第二行波的第二失真；
比较所述第一失真和所述第二失真；
确定所述第一失真是否与所述第二失真一致；以及
基于所述第一失真与所述第二失真一致的第一确定来实施保护行动。
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