CN111095007A - 电力输送系统中的安全行波距离保护 - Google Patents

Abstract

本公开涉及用于监测电力系统中的行波的系统和方法。在各个实施例中，数据采集子系统可以采集电力系统信号。行波检测子系统可以基于电力系统信号来检测两个或更多个行波，并确定触发行波的事件的位置。行波安全子系统可以基于在阻断区域内的事件的位置来选择性地生成抑制信号。当位置在阻断区域之外时，保护行动子系统可以实施保护行动。在各个实施例中，对于从正常操作的开关设备的已知位置发射的行波，将不实施保护行动。此外，如果行波的幅度不同于基于故障前电压的期望值，则保护行动可以被抑制。

Description

电力输送系统中的安全行波距离保护

技术领域

本公开涉及在电力输送系统中使用行波的距离保护。更特别地但不排他地，本公开涉及使用多区域保护方案的概念为区域内切换事件提供安全性。

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3A示出了符合本公开的实施例的电力输送系统的一部分的简化单线图，该电力输送系统包括安装在电力线路上的已知位置处的电容器和旁路开关设备。

图3B示出了符合本公开的实施例的多区域保护方案。

图4示出了符合本公开的实施例的可用于建立多区域保护方案的系统的简化逻辑图。

图5示出了符合本公开的实施例的Bewley图，其中在电力系统中的事件朝向总线S和R发射行波，并且系统确认第一入射TW与在事件的位置处的所计算的故障前电压一致。

图6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。

图7示出了符合本公开的实施例的用于使用行波来检测和定位故障并选择性地启用保护行动的方法的流程图。

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，朝向故障向回行进，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：

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：

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：

其中：

t₁是第一TW的到达时间，以及

t_F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：

(t_F-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(t_F)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(t_F-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，从该终端反射，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。

引起电压的突然变化的任何事件——不仅仅是故障——发射行波。实际TW21元件设计必须区分与电力系统中的设备的典型操作相关的事件(例如，区域内切换事件)和故障。区域内切换事件包括电容器旁路和在串联补偿线路上的重新插入以及将线路侧并联电抗器切换为在运行中和停止运行。在符合本公开的各个实施例中，可以通过各种系统和方法来分析行波以确定触发行波的事件的位置。此外，行波可以被分析以基于触发行波的事件的位置来确定是否应实施控制行动(例如，打开断路器)。

当TW21元件准备进行操作时，TW被发射的位置已经被确定。作为TW21系统的逻辑的一部分，该元件以与单端TW故障定位器一致的方式计算位置。然后，该元件可以使用这个计算出的事件位置来阻断靠近直列式串联电容器或线路侧电抗器的位置，以便通过接通或断开这些电容器或电抗器来穿越所发射的TW。

图3A示出了符合本公开的实施例的电力输送系统300的一部分的简化单线图，该电力输送系统300包括安装在电力线路302上的已知位置处的电容器310和旁路开关设备308。例如，开关设备308可以被体现为直列式串联电容器或线路侧电抗器。开关308可以被启动以绕过电容器310。出于维护或其他原因，可以通过闭合开关308来绕过电容器310。电力系统中的其他类型的设备也可以在典型操作期间产生行波。例如，当执行抽头变化时，多抽头互感器可以产生行波。

闭合或打开开关设备308可以触发朝向总线304和306的行波。将电容器310切换为停止运行是系统300的典型操作的一部分，因此不应触发保护行动；然而，这种切换可能产生类似于指示故障的行波的行波，并且这通常可能使行波保护系统实施保护行动。

在符合本公开的各个实施例中，TW21系统可以抑制由在电容器310和开关308的位置附近起源的行波所触发的保护行动。这种系统可以在没有与开关308通信的情况下避免与系统300的典型操作相关联的保护行动。

图3B示出了符合本公开的实施例的多区域保护方案。在第一部分320和第三部分324中检测到的行波可以像由故障引起的那样由行波保护系统处理。换句话说，如果行波保护系统确定行波发源于在第一部分320或第三部分324中的事件(诸如，故障)，则行波保护系统可以实施保护行动。然而，如果行波在第二部分322中，则行波保护系统可以像由切换事件引起的那样对它们进行处理，并且可以抑制保护行动。因此，第二部分322也可以被称为阻断部分或抑制部分。

如可以被认识到的，基于与在第二部分322中的事件相关联的行波来抑制保护行动可以避免与开关308的启动相关联的保护行动。避免这种行动可以通过避免与系统300的典型操作(例如，断路器308的启动)相关联的保护行动来增加系统300的安全性和可靠性。在各个实施例中，可以选择第二部分322的尺寸以考虑到与行波保护系统相关联的误差的余量或其他因素。多亏故障定位的非常高的准确度，阻断区域可以非常小，例如在切换点的每一侧上大约1km，从而使得非阻断部分变大，允许大部分线路长度的保护。

图4示出了符合本公开的实施例的可用于建立多区域保护方案的系统400的简化框图。在所示的实施例中，行波源定位子系统402可以确定行波的位置。如上所述，可以通过故障和通过电力系统的典型操作来创建行波。系统400可以抑制与产生行波并且在特定区域中出现的事件相关联的保护行动。

在所示的实施例中，如果事件出现在区域1或区域3中但不在区域2中，则系统400禁用TW21输出412。区域1、2和3中的每一个的比较器414、416和418可以接收来自TW源定位子系统402的输出和区域特定的设置。区域特定的设置可以指定对应于特定区域的范围。如果引起行波的事件的位置在特定区域内，则相关联的比较器414、416或418的输出可以被断言。比较器414和416的输出可以是或门420的输入。因此，如果引起行波的事件出现在区域1或区域2中，则或门420的输出被断言。或门420的输出和比较器418的反输出(即，事件没有出现在区域2中)可以是与门422的输入。如可以认识到的，否定比较器418的输出确保了如果事件出现在区域2中，则与门422的输出将不被断言。在各个实施例中，可以利用附加的逻辑来创建多个抑制或阻断区域以及这样的区域的不同配置。

与门410的附加输入也可以在各个实施例中用于选择性地启用与TW21信号相关联的输出412。例如，也可能需要其他安全条件406。在一个特定的实施例中，这种其他安全条件可以包括确认第一入射TW的极性和幅度与在故障位置处的瞬时故障前电压一致，如在图5中更详细描述的。在图4中所示的实施例中，定向监督元件(TW32)408也可以充当与门410的输入。在一个实施例中，当故障在与反向方向相反的正向方向上时，可以断言定向监督信号408。

图5示出了符合本公开的实施例的点阵图，其中电力系统中的事件朝向总线S 504和R 506发射行波，并且系统确认第一入射TW与在事件的位置550处的所计算的故障前电压一致。与总线S 504电通信的单端行波故障检测器可以使用入射波552和反射554连同行波的传播速度来确定故障的位置。故障检测器还可以确定在故障位置550处的故障前电压。在一些实施例中，在故障位置550处的故障前电压可以准确地被近似为在线路的两端处的瞬时电压的加权平均值。加权系数对于本地电压是每单位故障位置而对于远程电压是1-每单位故障位置。可替代地，故障前电压可以被近似为针对来自总线S和故障位置550之间的线路阻抗两端的局部电流的电压降所补偿的局部电压。

可以分析第一入射行波552的极性和幅度以确保它与在故障位置550处的故障前电压一致。特别是，正故障前电压下的故障降低电压，因此发射负电压和电流行波。因此，正故障前电压下的故障的入射行波应是负的。如在故障的位置处的电压(V_F)的曲线508中所示的，紧接在故障之前的电压(V_F(PRE))和因此朝向总线S 504发射的行波将是负的。使用虚线来指示在故障之后的预期电压。符合本公开的行波检测系统可以确认接收到的行波的极性与基于电压预期的极性相匹配。在符合本公开的各个实施例中，所接收和预期的极性的比较可以用作实现保护行动所必需的一个安全条件。

故障前电压和线路特性阻抗也建立行波的最大振幅。电压的ΔV的变化产生ΔV/Zc的入射电流行波，其中Z_C是已知的线路特性阻抗。例如，在350欧姆线路上的电压的40kV的突然变化将产生大约40,000/350＝114A的初级电流TW。该波在到达终端之前可能被衰减，但它可能仍然被预期在100A的范围内。如果入射波被测量为明显高于100A或明显低于100A，则保护行动可能被阻止。符合本公开的行波检测系统可以确认在各个实施例中行波的幅度小于行波的最大振幅，作为实现保护行动所必需的安全条件。

图6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600的功能框图。在某些实施例中，系统600可包括IED系统以除此之外还获得并计算行波信号并分析行波中的失真。行波可以由可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。

需要总电流行波(i_TW)和电压行波(V_TW)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600。在一些实施例中系统600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600包括通信接口616以与设备和/或IED通信。在某些实施例中，通信接口616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600还可包括时间输入端612，其可用于接收时间信号(例如，公共时间基准)，允许系统600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616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608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624处理经由通信接口616、时间输入端612和/或受监控的设备接口608接收的通信。处理器624可以使用任何数量的处理速率和架构来操作。处理器624可以执行本文描述的各种算法和计算。处理器624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600可包括传感器部件610。在所示实施例中，传感器部件610可以接收高保真电流测量602和/或高保真电压测量614。传感器部件610可使用包括A/D转换器618，该A/D转换器618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622的相应的数字化电流和电压信号。高保真电流测量602和/或高保真电压测量614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618可通过数据总线622连接到处理器624，电流信号和电压信号的数字化表示可通过该数据总线222被传输到处理器624。

非暂时性计算机可读存储介质630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642可将被监控的设备接口608、时间输入端612、通信接口616以及计算机可读存储介质630链接到处理器624。

通信模块632可允许系统600经由通信接口616与各种外部设备中的任一个进行通信。通信模块632可以使用各种数据通信协议进行通信。

数据采集模块640可收集数据样本，例如与行波相关联的电流和电压测量结果。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616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640可结合故障检测器模块634操作。数据采集模块640可控制由故障检测器模块634使用的数据的记录。根据一个实施例，数据采集模块640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634处理，故障检测器模块634可以识别行波中的失真。

行波识别模块644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644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634可以使用行波的识别根据几个行波保护算法来确定故障。

行波安全模块644可以使用行波信息来计算故障位置，并且可以应用安全考虑因素来在某些条件下抑制保护行动。当故障位置被确定为在抑制或阻断区域中时，行波安全模块644可以阻断行波距离故障检测。抑制或阻断区域可以与能够从开关设备的位置发射行波的开关设备的位置对应。在一些实施例中，行波安全模块644可以计算在故障位置处的故障前电压，并且当观察到的行波的幅度或极性与在故障位置处的计算出的故障前电压不对应时阻断行波距离元件。行波安全模块644可以选择性地抑制由保护行动模块652实施的保护行动。

图7示出了符合本公开的实施例的用于使用行波来检测和定位故障并选择性地启用保护行动的方法700的流程图。在702，方法700可以等待，直到检测到两个或更多个行波。当检测到时，可以在704确定触发行波的事件的位置。在各个实施例中，可以使用单端行波系统检测系统来确定行波源的位置。

在706，方法700可以确定行波的源是否位于阻断区域中。如果该位置在阻断区域中，则在716可以抑制基于行波的保护行动。如关于图3所述的，阻断区域可以与在电力系统的正常操作期间可能发射行波的设备相关联。在各个实施例中，可以建立多个阻断区域。

返回到图7的讨论，在708，方法700可以确定在行波源的位置处的事件前电压。基于事件前电压，可以确定预期的行波的极性和幅度。如关于图5所讨论的，事件前电压确定所得到的行波的极性。正故障前电压下的故障降低电压，因此发射负电压和电流行波。因此，正故障前电压下的故障的入射行波应是负的。在710，可以针对一致性而将所确定的行波的极性与检测到的行波进行比较。如果极性是不一致的，则方法700可在716抑制保护行动。

在712，可以针对一致性而将所确定的行波的幅度与检测到的行波进行比较。如果比较是不一致的，则方法700可在716抑制保护行动。如果幅度是一致的，则方法700可在714实施保护行动。在各个实施例中，保护行动可以包括启动断路器、使电力系统的一部分通电或断电等。

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)

1.一种监测电力系统中的行波的系统，包括：

数据采集子系统，其在所述电力系统的第一终端处采集电力系统信号；

行波检测子系统，其用于：

分析所述电力系统信号以识别至少两个行波；以及

确定触发所识别的行波的事件的位置；行波安全子系统，其与所述行波检测子系统通信以：

基于所述事件的位置来评估安全措施；和

基于所述安全措施来选择性地生成抑制信号；以及

保护行动子系统，其与所述行波检测子系统和所述行波安全子系统通信以基于下列项来实施保护行动：

所述行波的检测，和

所述抑制信号的缺乏。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述安全措施包括多区域保护方案，所述多区域保护方案包括至少一个阻断区域。

3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述预定阻断区域与开关设备的位置对应，所述开关设备的启动触发行波。

4.根据权利要求2所述的系统，其中，所述开关设备包括串联补偿传输线路中的电容器、直列式并联电抗器、抽头式负载和抽头式互感器之一。

5.根据权利要求2所述的系统，其中，所述行波安全子系统包括多个比较器以确定所述行波的到达时间是否介于对应于所述阻断区域的近端的第一值和对应于所述阻断区域的远端的第二值之间，并且当所述行波的到达时间介于所述第一值和所述第二值之间时，所述行波安全子系统生成所述抑制信号。

6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述行波安全子系统还：

确定在所述事件的位置处的事件前电压；

基于所述事件前电压来确定入射行波的预期极性；

比较所述入射行波的极性与基于所述事件前电压的所述行波的预期极性；以及

当所述入射行波的极性不同于基于所述事件前电压的所述行波的预期极性时，生成抑制信号。

7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述行波安全子系统还：

确定在所述事件的位置处的事件前电压；

基于所述事件前电压来确定所述行波的预期幅度；

比较所述行波的幅度与基于所述事件前电压的所述行波的预期幅度；以及

当所述行波的幅度不同于基于所述事件前电压的所述行波的预期幅度时，生成抑制信号。

8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述行波检测子系统还：

识别入射波；

识别所述入射波从所述位置的第一反射；

识别在所述入射波的到达和所述第一反射之间的时间差；以及

基于所述时间差和所述行波的传播速度来确定所述位置。

9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述行波检测子系统还：

确定所述行波在所述第一终端处的第一到达时间；

接收所述行波在所述第二终端处的第二到达时间的指示；以及

基于在所述第一到达时间、所述第二到达时间之间的差和所述行波的传播速度来确定所述位置。

10.根据权利要求1所述的系统，其中，所述系统作为行波距离保护系统的监督元件来操作。

11.一种用于监测电力系统中的行波的方法，包括：

在所述电力系统的第一终端处采集电力系统信号；

分析所述电力系统信号以识别两个或更多个行波；

确定触发所识别的行波的事件的位置；

基于所述事件的位置来评估安全措施；

基于所述安全措施来选择性地生成抑制信号；以及

基于检测到所述行波和所述抑制信号的缺乏来实施保护行动。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述安全措施包括多区域保护方案，所述多区域保护方案至少包括阻断区域。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述预定阻断区域与开关设备的位置对应，所述开关设备的启动触发行波。

14.根据权利要求12所述的方法，其中，所述开关设备包括串联补偿传输线路中的电容器、直列式并联电抗器、抽头式负载和抽头式互感器之一。

15.根据权利要求12所述的方法，还包括：

确定所述行波的到达时间是否介于对应于所述阻断区域的近端的第一值和对应于所述阻断区域的远端的第二值之间；以及

当所述到达时间介于所述第一值和所述第二值之间时，生成所述抑制信号。

16.根据权利要求11所述的方法，还包括：

确定在所述事件的位置处的事件前电压；

基于所述事件前电压来确定入射行波的预期极性；

比较所述入射行波的极性与基于所述事件前电压的所述行波的预期极性；以及

当所述入射行波的极性不同于基于所述事件前电压的所述行波的预期极性时，生成抑制信号。

17.根据权利要求11所述的方法，还包括：

确定在所述事件的位置处的事件前电压；

基于所述事件前电压来确定所述行波的预期幅度；以及

比较所述行波的幅度与基于所述事件前电压的所述行波的预期幅度；以及

当所述行波的幅度不同于基于所述事件前电压的所述行波的预期幅度时，生成抑制信号。

18.根据权利要求11所述的方法，还包括：

识别入射波，

识别所述入射波从所述位置的第一反射，

识别在所述入射波的到达和所述第一反射之间的时间差，以及

基于所述时间差和所述行波的传播速度来确定所述位置。

19.根据权利要求19所述的方法，还包括：

确定所述行波在所述第一终端处的第一到达时间；

接收所述行波在所述第二终端处的第二到达时间的指示；以及

基于在所述第一到达时间、所述第二到达时间之间的差和所述行波的传播速度来确定所述位置。

20.根据权利要求11所述的方法，还包括：

使用所述抑制信号来监督行波距离保护系统。

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