CN113253048A - 一种短路故障检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种短路故障检测方法及装置。本发明将电压、电流采样数据进行低通滤波处理，并通过差分算法计算故障特征量；根据故障特征量判断启动条件，若启动条件满足则输出启动信号，否则循环计算并检测启动条件；对电压、电流采样数据进行低通滤波、差分和归一化处理，根据状态递推方程计算状态量，并通过状态量计算电压、电流采样数据各频率的幅值和初始相位；根据幅值和初始相位判断动作条件，若动作条件满足则输出动作信号，否则循环计算并检测动作条件直至启动信号返回。本发明还提供了所述方法的具体装置实现。本发明算法简单有效，为故障限流设备的快速、可靠、正确动作提供了保障。

Description

一种短路故障检测方法及装置

技术领域

本发明涉及电力系统控制与保护技术领域，尤其涉及一种短路故障检测方法及装置。

背景技术

随着我国电力建设的不断发展，电力系统短路电流水平持续抬升，严重影响电网安全稳定运行，并成为制约电力建设和地区经济发展的瓶颈，必须采取合理有效的措施加以抑制，其中如何快速可靠地检测识别出短路故障成为故障限流装置应用的前提。目前国内外针对适用于故障限流装置的快速检测识别方法做了大量研究，提出了电流瞬时值、斜率、曲率、小波变换、半波傅里叶变换等方法，采用相电流突变量作为短路故障特征，方法简单、易于实现，但是这些检测方法通常故障特征单一且对系统噪声较为敏感，一般仅能够保证动作的快速性而无法兼顾可靠性和选择性的要求，导致在电网小扰动的情况下或者不需要限流的电网运行方式下装置频繁动作，对系统安全稳定运行带来负面影响。同时近年来研究的基于机器学习的故障识别算法，由于算法复杂且需要大量的训练数据以及高计算能力的硬件支撑，无法应用于工业现场。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：克服应用于故障限流装置的现有短路故障检测技术存在的无法兼顾动作快速性、可靠性和选择性，以及算法复杂度高的问题和缺陷，提供一种短路故障检测方法和装置。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种短路故障检测方法，包括如下步骤：

步骤1：获取电网系统各测点的电压、电流采样数据，对电压、电流采样数据进行低通滤波处理，并通过差分算法计算故障特征量；

步骤2：将故障特征量与故障检测启动阈值进行比较，若所述故障特征量越过故障检测启动阈值则输出启动信号，进入步骤3，否则返回步骤1；

步骤3：在所述启动信号的有效时间内进入故障检测程序：对所述电压、电流采样数据进行低通滤波、差分和归一化处理，根据状态递推方程计算状态量，并通过所述状态量计算所述电压、电流采样数据各频率的幅值和初始相位；其中，所述根据状态递推方程计算状态量的方法如下：

其中s_k为k时刻量测值与计算值之间的误差，

为k时刻电压、电流采样数据经低通滤波、差分和归一化处理后的量测值，

为k、k-1时刻状态量X_k的第n个元素的值，

为k时刻量测矩阵H_k的第n个元素的值，

为k时刻增益矩阵K_k的第n个元素的值，n＝1,2…N，其中N为状态量维数，所述

和

的计算方法如下：

其中λ和Δ为常量，P_k为误差矩阵；

步骤4：将电网系统各测点电压、电流采样数据的基波幅值和初始相位与故障检测动作阈值进行综合比较，若所述基波幅值和初始相位越过故障检测动作阈值则检测为电网短路故障，否则返回步骤3。

进一步，步骤1中所述故障特征量F_k计算方法如下：

其中z_k、z_k-1为k、k-1时刻电压、电流采样数据经滤波处理后的值，A为常量。

进一步，步骤3中所述电压、电流采样数据各频率的幅值和初始相位计算方法如下：

其中

为k时刻电压、电流采样数据第i次谐波的幅值，

为k时刻电压、电流采样数据第i次谐波的相位，

为k时刻X_k的第2i-1、2i个元素的值，i＝1,2…N/2，B为常量。

进一步，步骤4中检测为电网短路故障后输出动作信号，该动作信号为是否需要触发故障限流装置动作，其判断依据为：根据各测点电压、电流采样数据的基波幅值和初始相位，结合电网接线拓扑结构判断出电网短路故障发生于母线还是某条支路，以及此时各支路短路电流的大小和方向，进而根据限流策略要求判断该电网短路故障是否需要触发故障限流装置动作。

本发明还包括一种短路故障检测装置，包括信号调理和采集单元、数字信号处理单元、存储单元、通讯接口单元，其中所述数字信号处理单元分别与所述信号调理和采集单元、所述存储单元、所述通讯接口单元连接；

所述信号调理和采集单元用于采样电网系统各测点的电压、电流数据并转换为数字信号；

所述数字信号处理单元用于基于所述信号调理和采集单元输出的数字信号，调用并执行所述存储单元中存放的程序，完成短路故障检测；

所述存储单元用于存放程序以及程序中使用的参数、常量，其中，所述程序被执行时实现如上所述的方法步骤；

所述通讯接口单元用于实现数字信号处理单元与外部的信息交互。

相比于现有技术，本发明的有益效果是：本发明采用快速启动的状态递推算法，在较短时间内即可求解出故障电压、电流的幅值和相位，算法实现简单有效，进而确保了能够通过接入大规模的电压和电流数据全面综合感知电网状态，兼顾了限流动作的快速性、可靠性和选择性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种短路故障检测方法流程示意图；

图2是本发明实施例提供的一种短路故障检测装置组成示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将结合附图和实施例，对本发明技术方案的具体实施方式进行更加详细、清楚的说明。然而，以下描述的具体实施方式和实施例仅是说明的目的，而不是对本发明的限制。其只是包含了本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，本领域技术人员对于本发明的各种变化获得的其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1是本发明实施例提供的一种短路故障检测方法流程示意图，包括以下步骤：

在步骤S1中，获取电网系统各测点的电压、电流采样数据，对电压、电流采样数据进行低通滤波处理，并通过差分算法计算故障特征量，故障特征量F_k计算方法如下：

其中z_k、z_k-1为k、k-1时刻电压、电流采样数据经低通滤波处理后的值，A为常量，低通滤波的目的是为了消除系统高频噪声对差分算法的影响。

在步骤S2中，将故障特征量与故障检测启动阈值进行比较，若故障特征量越过故障检测启动阈值则输出启动信号，进入步骤S3，否则返回步骤S1循环计算并检测启动条件。需要明确的是，启动条件可以根据各测点故障电压特征量低于电压启动阈值且故障电流特征量高于电流启动阈值来判断是否满足启动条件。

在步骤S3中，在启动信号有效的时间内进入故障检测程序：对电压、电流采样数据进行低通滤波、差分和归一化处理，根据状态递推方程计算状态量，并通过状态量计算电压、电流采样数据各频率的幅值和初始相位，根据状态递推方程计算状态量的方法如下：

其中s_k为k时刻量测值与计算值之间的误差，

为k时刻电压、电流采样数据经低通滤波、差分和归一化处理后的量测值，

为k、k-1时刻状态向量X_k的第n个元素的值，

为k时刻量测矩阵H_k的第n个元素的值，

为k时刻增益矩阵K_k的第n个元素的值，n取值范围为1,2…N，

和

的计算方法如下：

其中λ和Δ为常量，，P_k为误差矩阵

和

离线计算后在故障检测程序中直接作为参数调用。

电压、电流采样数据各频率的幅值和初始相位计算方法如下：

其中

为k时刻电压、电流采样数据第i次谐波的幅值，

为k时刻电压、电流采样数据第i次谐波的相位，

为k时刻X_k的第2i-1、2i个元素的值，i取值范围为1,2…N/2，B为常量。

在步骤S4中，将电网系统各测点电压、电流采样数据的基波幅值和初始相位与故障检测动作阈值进行综合比较，若基波幅值和初始相位越过故障检测动作阈值则检测为电网短路故障，同时输出动作信号，否则返回步骤S3循环计算并检测动作条件直至启动信号返回。需要明确的是，动作条件的判断逻辑取决于故障限流装置应用场景和电压、电流测点位置，根据计算出的电压、电流基波幅值和相位结合电网主接线拓扑结构可以判断出短路故障发生于母线还是具体某条支路，以及此时各支路短路电流的大小和方向，进而根据限流策略要求判断该短路故障是否需要触发故障限流装置动作，保证了限流动作的选择性。

图2是本发明实施例提供的一种短路故障检测装置组成示意图，装置包括信号调理和采集单元1、数字信号处理单元2、存储单元3、通讯接口单元4。信号调理和采集单元1连接数字信号处理单元2，用于采样系统各测点的电压、电流数据并转换为数字信号。存储单元3连接数字信号处理单元2，用于存放程序以及程序中使用的参数、常量，此程序被执行时实现上述短路故障检测方法。通讯接口单元4连接数字信号处理单元2，用于实现数字信号处理单元2与外部的高速信息交互。数字信号处理单元2作为装置的核心部件，连接信号调理和采集单元1、存储单元3和通讯接口单元4，用于调用并执行数字信号处理单元2中的程序，完成短路故障检测。

需要说明的是，以上参照附图所描述的各个实施例仅用以说明本发明而非限制本发明的范围，本领域的普通技术人员应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的前提下对本发明进行的修改或者等同替换，均应涵盖在本发明的范围之内。此外，除上下文另有所指外，以单数形式出现的词包括复数形式，反之亦然。另外，除非特别说明，那么任何实施例的全部或一部分可结合任何其它实施例的全部或一部分来使用。

Claims (5)

1.一种短路故障检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：获取电网系统各测点的电压、电流采样数据，对电压、电流采样数据进行低通滤波处理，并通过差分算法计算故障特征量；

步骤2：将故障特征量与故障检测启动阈值进行比较，若所述故障特征量越过故障检测启动阈值则输出启动信号，进入步骤3，否则返回步骤1；

步骤3：在所述启动信号的有效时间内进入故障检测程序：对所述电压、电流采样数据进行低通滤波、差分和归一化处理，根据状态递推方程计算状态量，并通过所述状态量计算所述电压、电流采样数据各频率的幅值和初始相位；其中，所述根据状态递推方程计算状态量的方法如下：

其中s_k为k时刻量测值与计算值之间的误差，

为k时刻电压、电流采样数据经低通滤波、差分和归一化处理后的量测值，

为k、k-1时刻状态量X_k的第n个元素的值，

为k时刻量测矩阵H_k的第n个元素的值，

为k时刻增益矩阵K_k的第n个元素的值，n＝1,2…N，其中N为状态量维数，所述

和

的计算方法如下：

其中λ和Δ为常量，P_k为误差矩阵；

步骤4：将电网系统各测点电压、电流采样数据的基波幅值和初始相位与故障检测动作阈值进行综合比较，若所述基波幅值和初始相位越过故障检测动作阈值则检测为电网短路故障，否则返回步骤3。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1中所述故障特征量F_k计算方法如下：

其中z_k、z_k-1为k、k-1时刻电压、电流采样数据经滤波处理后的值，A为常量。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3中所述电压、电流采样数据各频率的幅值和初始相位计算方法如下：

其中

为k时刻电压、电流采样数据第i次谐波的幅值，

为k时刻电压、电流采样数据第i次谐波的相位，

为k时刻X_k的第2i-1、2i个元素的值，i＝1,2…N/2，B为常量。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤4中检测为电网短路故障后输出动作信号，该动作信号为是否需要触发故障限流装置动作，其判断依据为：根据各测点电压、电流采样数据的基波幅值和初始相位，结合电网接线拓扑结构判断出电网短路故障发生于母线还是某条支路，以及此时各支路短路电流的大小和方向，进而根据限流策略要求判断该电网短路故障是否需要触发故障限流装置动作。

5.一种短路故障检测装置，其特征在于，包括信号调理和采集单元、数字信号处理单元、存储单元、通讯接口单元，其中所述数字信号处理单元分别与所述信号调理和采集单元、所述存储单元、所述通讯接口单元连接；

所述信号调理和采集单元用于采样电网系统各测点的电压、电流数据并转换为数字信号；

所述数字信号处理单元用于基于所述信号调理和采集单元输出的数字信号，调用并执行所述存储单元中存放的程序，完成短路故障检测；

所述存储单元用于存放程序以及程序中使用的参数、常量，其中，所述程序被执行时实现如权利要求1至3中所述的方法步骤；

所述通讯接口单元用于实现数字信号处理单元与外部的信息交互。

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