CN114039326A - 一种多端口内部无源无荷随机潮流电网络的故障监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多端口内部无源无荷随机潮流电网络的故障监测方法，在所述导线上设置电流互感器，将所述电流互感器的电流量变换成电压量，再将所述电压量经压频转换电路转换成脉冲，将脉冲经光纤传送给比较模块并计算所有脉冲个数的代数和，规定电流互感器的安装方向与端口指向随机潮流电网络的方向相同时所述脉冲个数为正，相反则为负，当所述代数和超出阈值时，即判定所述随机潮流电网络内部发生故障。该方法针对电能传输方向不确定的电网络，能够及时准确地检测电网内部是否发生单相接地、相间短路等故障，具有对故障响应快，判断精准及时的优点。

Description

一种多端口内部无源无荷随机潮流电网络的故障监测方法

技术领域

本发明涉及电保护和监测领域，具体涉及一种多端口内部无源无荷随机潮流电网络的故障监测方法。

背景技术

差动保护是一种线路保护方法，对主干线路和分支线路之间常采用差动保护的方式。现有的差动保护是分别通过电流互感器（CT）获取线路两端电流、电压等参数，并变成报文发送给计算机，由计算机进行报文解读，并由此对线路上游位点的电流和下游位点的电流进行比较，看上点电流是否与下点电流相等，如果不相等则判断发生故障，并切断线路的开关，以此来切除故障线路。但是，报文的编写和制造、传输、接收、解释等过程涉及诸多环节，不仅涉及器件多，计算量大，而且算法复杂，整体耗时长，装置可靠性设计难度大。为了提升差动保护的响应速度，发明专利申请CN 111463758 A公开了一种电力线路的保护方法，将入口开关和出口开关上的电流量转换成具有对应关系的脉冲，并将各脉冲点对点直接传输给比较模块，然后通过入口与出口脉冲的差值来判断相应的电流量的差值，从而做出响应。这样做的好处是避免了报文编制等环节、减少了器件使用，极大提升了响应速度，该方法与传统保护方法相比，差动保护的响应时间由26~40毫秒缩短至不足5毫秒。但是，该方法仅针对电源和负载确定的电网，即电能流确定流向的电力系统，其有明确的电源和负荷，电能传输方向总是由电源朝向负荷。但是随着技术和社会发展，电网络越来越复杂，对于复杂电网络内部无源无负荷也无储能元件，流过各个端口的电能流方向随时都是可能变化的，尤其是对于复杂供电网络中的枢纽变电站，其各进出线的电能流方向是随机变化的。此外，现在作为电能消费的家庭，不仅具有家用电器等负荷，也安装了太阳能、风能等发电装置，并且用不完的电能还可以上传到电网。当一个电网络的端口具有上述特点时就不能利用前述专利申请的方法来监测电网内部是否发生故障。

发明内容

本发明的目的是提供一种多端口内部无源无荷随机潮流电网络的故障监测方法，该方法针对电能传输方向不确定的电网络，能够及时准确地检测电网内部是否发生单相接地、相间短路等故障，具有对故障响应快，判断精准及时的优点。

为了实现上述目的，本发明采取如下技术方案：

一种多端口内部无源无荷随机潮流电网络的故障监测方法，所述随机潮流电网络与所述端口分别经导线相连，在所述导线上设置电流互感器，将所述电流互感器的电流量变换成电压量，再将所述电压量经压频转换电路转换成脉冲，将脉冲经光纤传送给比较模块，通过比较模块计算所有与各所述电流互感器对应的脉冲个数的代数和，并且规定电流互感器的安装方向与端口指向随机潮流电网络的方向相同时所述脉冲个数为正，电流互感器的安装方向与端口指向随机潮流电网络的方向相反时所述脉冲个数为负，或者规定电流互感器的安装方向与端口指向随机潮流电网络的方向相同时所述脉冲个数为负，电流互感器的安装方向与端口指向随机潮流电网络的方向相反时所述脉冲个数为正，当所述代数和超出阈值时，即判定所述随机潮流电网络内部发生故障。

优选的，所述电压量经基准电压抬高电路抬高后再输入到所述压频转换电路。

优选的，各个所述电流互感器的安装方向均与所述端口指向所述随机潮流电网络的方向相同或相反，所述比较模块包括计数器和加法器，所述代数和为对各个所述脉冲个数求和。

优选的，每隔固定周期对所述比较模块的输出清零。

优选的，通过电压互感器引入任一所述电流互感器安装位置的电压量，将所述电压量经过波形整形电路转化成与过零点同相位方波，在电压不低于第一预设值的情况下由方波上升沿或下降沿对所述固定周期误差大于第二预设值时进行基于电压相位同步修正。

优选的，设置N个比较模块分别对所有所述脉冲个数计算代数和，且每隔固定周期T对各个所述比较模块的输出清零，且对不同比较模块开始清零的时刻依次相隔T/N，当至少有一个比较模块的计算结果超过所述阈值时则判定所述随机潮流电网络内部发生故障，所述N为大于1的正整数。

本发明有益效果在于，针对端口流入或流出电能不确定的随机潮流电网络，将导线上的电流量变成电压量后经压频转化电路（VFC）变成脉冲，然后通过光纤传输给比较模块后再求脉冲个数的代数和，并规定脉冲个数的正负值与电流互感器安装方向的关系，这样对各个端口不管在某一瞬间电能流入还是流出，或者流入流出不断变换，体现在代数和上正负值应恰好抵消，否则就说明随机潮流电网络内部发生了单相接地或相间短路等故障。本发明将VFC的使用与电流互感器的安装方向相联系，并给脉冲个数规定正负号，能够充分利用VFC转换中不需要协议的快捷便利性来巧妙解决随机潮流电网络电能传输方向不确定、从而发明专利申请CN 111463758 A方法不适用的难题，从而精确快速判断随机潮流电网络内部是否发生故障。

附图说明

图1是本发明线路示意图。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实施例对本发明做进一步说明：

如图1所示，在一内部无电源无负荷的电网络上，经四条导线与外部电源和负载相连，在导线L1上设有电流互感器1，在导线L2上设有电流互感器2，在导线L3上设有电流互感器3，在导线L4上设有电流互感器4，四条导线的另一端为电源端或负载端，并且何时为电源何时为负载随机变化，也就是说各条导线上电能的输送方向既可能朝向端口，也可能由端口朝向电网络，且两种方向有可能随时变换，从而形成所谓的随机潮流电网络。在导线L1上的电流互感器1用于检测流过导线L1的电流，并且电流互感器1的安装方向按照由端口或导向L1指向电网络的方向，导线L1上的一次电流互感器1的电流量经二次电流互感器11转换成电压量，并将电压量传送给压频转换电路（VFC）5，经VFC转换成脉冲，并且脉冲个数与电压量成正比例关系，再将脉冲经光纤送入比较模块9。同样，在导线L2上设有电流互感器2用于检测流过导线L2的电流，并且电流互感器2的安装方向按照由导线L2指向电网络的方向，导线L2上的电流量经二次电流互感器21被转换成电压量后经VFC 6转换成脉冲，脉冲被光纤送入比较模块9。在导线L3上设有电流互感器3用于检测流过导线Ｌ3的电流，并且电流互感器３的安装方向按照由导线L3指向电网络的方向，导线L3上的电流量经二次电流互感器31转换成电压量后经VFC 7转换成脉冲，脉冲被送入比较模块9。在导线L4上设有电流互感器4用于检测流过导线L4的电流，并且电流互感器4的安装方向按照由导线L4指向电网络的方向，导线L4上的电流量转换成电压量后经VFC 8转换成脉冲，脉冲被送入比较模块9，上述四个来源的脉冲在比较模块9中计算代数和。上述四个电流互感器的安装方向一致，均由端口指向电网络，可以将对应的脉冲个数均设为正（即电能流入电网络和电能流出电网络时对应的脉冲个数都设置为正），这样在比较模块9内直接求和，并且当和值超过阈值时即判断电网络内发生故障，如单相接地故障或相间短路故障等。此时比较模块可以发出报警信号，或者发出指令切断电源端的开关等以进行保护。上述实施例中，电流互感器的安装方向（即电流互感器安装时在导线上绕制螺旋的前进方向，电流互感器器件均有安装方向或电流进出方向的标识，安装方向在图1的电流互感器上用箭头示意）均指由端口向电网络。在另一个实施例中，如果电流互感器的安装方向随机选取，则可以规定安装方向由端口指向电网络对应的脉冲数为正（或负），则安装方向由电网络指向端口对应的脉冲数则为负（或正）。然后按此规则再通过比较模块计算脉冲个数的代数和。

在一个具体实施例中，当电流互感器的安装方向均相同时，比较模块9包括计数器和加法器，比较模块9将脉冲先转换成代表脉冲个数的数字量，通过加法器对所述数字量进行求和然后和阈值比较，超过阈值即可认为网络内部发生故障。

考虑到VFC转化以及比较模块计算时存在的噪声误差以及误差的累积效果，为了不使误差的累积超过所预设的阈值，从而影响判断，需要每隔固定周期对比较模块的输出清零。例如，在一个实施例中，先构建一个周期为10毫秒的固定周期电路，然后任意电流互感器安装位置处通过电压互感器引入线路的电压量，在电压值不低于预设值的情况下将电压量经过波形整形电路转化成与过零点同相位方波，每两个电压周期抽取过零点方波上升沿或下降沿对10毫秒固定周期的电路进行同步修正，使10毫秒周期和线路电压周期保持同步（也可以不修正），固定周期电路每隔10ms将比较模块的输出清零，这就保证了不会因噪声误差的累积超出阈值造成误判。但是，故障发生具有随机性，假如故障发生时刻位于清零发生后的大于等于0而小于5ms内，并假设从故障发生时起需要累积5ms比较模块的计算结果才会超出所设置的阈值，则自清零发生后需要5~10ms的时间即能判断出故障发生并切断开关。但假如故障发生在清零后大于等于5而小于10ms内，因同样需要5ms的积累，则自清零发生后则需要10ms以上的时间才能累积到超出阈值的结果，而在10ms时会又发生一次清零，这样比较模块的计算结果被清零后需要重新计算和累积，只有又到5ms才会累积达到阈值，这样在故障发生后至再次清零的时间就不会起到累积作用，造成时间浪费形成跳闸迟延，这样切断开关的时间就会最长拖延达5ms，从而延迟了故障判断的时间和切断操作。

为了克服这种状况，可以设置多个比较模块，比如设置两个比较模块，与各开关电流对应的脉冲既输入到第一个比较模块，也同时输入到第二个比较模块，两个比较模块同时并行转换成数字量并进行加法或减法计算，而由方波上升沿或下降沿分别经两个延时电路，第一个延伸电路对第一个比较模块清零，第二个延伸电路对第二个比较模块清零，二者清零周期都为10ms，但是第二个比较模块的清零开始时刻位于第一个比较模块清零后的10/2=5ms，即给第一个比较模块清零后5ms再对第二个比较模块清零。对两个比较模块的计算结果取“或”，即至少有一个计算结果超出阈值时，则切断开关。对于前述情况（故障发生在清零后大于等于5而小于10ms的情况），对第一个比较模块而言，到下一次清零时，故障仍未能累积达到阈值，只能从清零后再累积5ms，这与前述情况相同。但是对于第二个比较模块，其清零操作开始于第一个比较模块清零后5ms，则故障发生时刻对于第二个比较模块而言，相当于在清零后大于等于0而小于等于5ms内发生故障，则在该次清零后大于等于5小于等于10ms就会累积到阈值（即发生在对第二个比较模块清零之前），而不会有时间的浪费。当第二个比较模块计算结果超出阈值时，虽然因第一个比较模块由于重新计算还没有达到阈值，则也会报警提示电网络内部故障，从而可以切断相应的开关以进行保护。

如果故障发生后至累积达到阈值的时间不是5ms而是3.333ms，假设清零周期仍为10ms，则此时可以设置三个比较模块，清零时间依次相隔10/3=3.333毫秒，即可避免类似问题。采用多个比较模块并行计算并错开清零时间点的处理方式，与采用一个比较模块并单纯缩短清零周期不同，因为清零周期不变保证了对噪声误差的容忍度，也就是保证了动作可靠性，同时交错清零又增强了动作的及时性。

在一个实施例中，如果压频转换电路只能接受正电压，则通过一次电流互感器、二次电流互感器获取各端口的由一次交流电流变换成的弱电交流电压信号，然后先经过直流基准电压抬高电路，使弱电交流电压量变换为均为正值的脉动直流电压量，再输入给压频转换电路（VFC电路一般只支持正极性输入），但是在计算时，要相应扣除各个基准电压抬高电路所导致的在一个清零周期内的脉冲数目。

在另一个实施中，可以通过电压互感器引入任一电流互感器安装位置的电压量，将所述电压量经过波形整形电路转化成与过零点同相位方波，在电压不低于第一预设值（说明线路未出故障，有一定的电压，预设值根据实际情况人为设置）的情况下由方波上升沿或下降沿对所述固定清零周期误差大于第二预设值（第二预设值人为设定，当误差超过该值即可进行修正）时进行基于电压相位同步修正。

上述实施例只是对本发明构思和实现的若干说明，并非对其进行限制，在本发明构思下，未经实质变换的技术方案仍然在保护范围内。

Claims (6)

1.一种多端口内部无源无荷随机潮流电网络的故障监测方法，其特征在于，所述随机潮流电网络与所述端口分别经导线相连，在所述导线上设置电流互感器，将所述电流互感器的电流量变换成电压量，再将所述电压量经压频转换电路转换成脉冲，将脉冲经光纤传送给比较模块，通过比较模块计算所有与各所述电流互感器对应的脉冲个数的代数和，并且规定电流互感器的安装方向与端口指向随机潮流电网络的方向相同时所述脉冲个数为正，电流互感器的安装方向与端口指向随机潮流电网络的方向相反时所述脉冲个数为负，或者规定电流互感器的安装方向与端口指向随机潮流电网络的方向相同时所述脉冲个数为负，电流互感器的安装方向与端口指向随机潮流电网络的方向相反时所述脉冲个数为正，当所述代数和超出阈值时，即判定所述随机潮流电网络内部发生故障。

2.如权利要求1所述的故障监测方法，其特征在于，所述电压量经基准电压抬高电路抬高后再输入到所述压频转换电路。

3.如权利要求1所述的故障监测方法，其特征在于，各个所述电流互感器的安装方向均与所述端口指向所述随机潮流电网络的方向相同或相反，所述比较模块包括计数器和加法器，所述代数和为对各个所述脉冲个数求和。

4.如权利要求3所述的故障监测方法，其特征在于，每隔固定周期对所述比较模块的输出清零。

5.如权利要求4所述的故障监测方法，其特征在于，通过电压互感器引入任一所述电流互感器安装位置的电压量，将所述电压量经过波形整形电路转化成与过零点同相位方波，在电压不低于第一预设值的情况下由方波上升沿或下降沿对所述固定周期误差大于第二预设值时进行基于电压相位同步修正。

6.如权利要求4所述的故障监测方法，其特征在于，设置N个比较模块分别对所有所述脉冲个数计算代数和，且每隔固定周期T对各个所述比较模块的输出清零，且对不同比较模块开始清零的时刻依次相隔T/N，当至少有一个比较模块的计算结果超过所述阈值时则判定所述随机潮流电网络内部发生故障，所述N为大于1的正整数。

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