CN114089104A - 一种基于线路边界线路侧电压的故障方向判别方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于线路边界线路侧电压的故障方向判别方法及系统，测量边界元件线路侧电压信息，采集交流配电网和直流配电网的电压；对交流配电网电压或直流配电网电压进行相模变换；分别计算交流配电网电压突变量和直流配电网电压突变量；判断是否启动保护；保护启动后，在给定时间窗内利用小波模极大值算法提取第二个行波波头到达时刻，再提取启动时刻到第二个波头到达时刻的数据窗数据；计算提取的数据的二阶差分代替二阶导数，得到电压突变量二阶导数近似值；统计电压突变量二阶导数近似值的符号，对基于线路边界线路侧电压的故障方向进行判断。

Description

一种基于线路边界线路侧电压的故障方向判别方法及系统

技术领域

本发明属于配电网继电保护技术领域，具体涉及一种基于线路边界线路侧电压的故障方向判别方法及系统。

背景技术

随着“双碳”战略的推进，大量新能源和储能装置接入电网，负荷侧的电网形态正在发生变化，未来配电网将成为潮流双向流动和拓扑结构多变的多源供电系统。

配电网形态的变化也为配电网故障方向判别带来了新的挑战。传统的故障方向元件包括阻抗方向元件、工频变化量方向元件、90°接线功率方向元件和零序功率方向元件。由于大量新能源接入的配电网控制特性复杂，负荷阻抗性质变化较大，阻抗方向元件存在误判的问题。工频变化量方向元件的灵敏度受阻抗相位角影响较大，在配电网存在误动和拒动的风险。90°接线功率方向元件易受过渡电阻的影响，零序功率方向元件仅能反映接地故障，在非接地故障的方向判别存在局限性。因此针对具有大量新能源和储能装置接入的配电网，亟需研究适应性较广的故障方向判别方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于线路边界线路侧电压的故障方向判别方法及系统，请用一句话补充本发明的特点。

本发明采用以下技术方案：

一种基于线路边界线路侧电压的故障方向判别方法，包括以下步骤：

S1、测量边界元件线路侧电压信息，对于交流配电网，采集a、b、c三相电压，对于直流配电网，采集正极电压和负极电压；

S2、对步骤S1采集到的交流配电网电压或直流配电网电压进行相模变换；

S3、步骤S2交流配电网相模变换后，采用1模或2模电压计算电压突变量，步骤S2直流配电网相模变换后，采用1模电压计算电压突变量；

S4、根据步骤S3得到的交流配电网电压突变量或直流配电网电压突变量判断是否启动保护；

S5、步骤S4保护启动后，在给定时间窗内利用小波模极大值算法提取第二个行波波头到达时刻，得到第二个波头到达时刻后提取启动时刻到第二个波头到达时刻的数据窗数据，若在整个数据窗内没有检测到第二个波头到达，则提取整个数据窗的数据；

S6、计算步骤S5提取的数据的二阶差分代替二阶导数，得到电压突变量二阶导数近似值；

S7、统计步骤S6得到的电压突变量二阶导数近似值的二阶导数符号，对基于线路边界线路侧电压的故障方向进行判断。

具体的，步骤S2中，对于交流配电网，相模变换如下：

其中，u₀、u₁、u₂表示0、1、2模电压，u_a、u_b、u_c表示a、b、c相电压。

具体的，步骤S2中，对于直流配电网，相模变换如下：

其中，u₀、u₁表示0模和1模电压，u_p、u_n表示正、负极电压。

具体的，步骤S3中，电压突变量的计算如下：

Δu(n)＝u(n)-u(n-N)

其中，u(n)表示交流配电网1模或2模电压以及直流配电网1模电压的第n个采样点，交流配电网中N表示工频一周波所对应的采样点数，直流配电网中N为故障前N个采样点；Δu(n)为电压突变量的第n个采样点。

具体的，步骤S4中，判断是否启动保护具体如下：

其中，|Δu(n)|为电压突变量第n个采样点的绝对值，Δu_set的整定按照躲过正常运行时电压的波动整定。

具体的，步骤S5中，利用小波模极大值算法提取第二个行波波头到达时刻具体为：

对数据窗数据进行一层小波分解；提取细节系数并利用重构算法对细节系数进行小波重构；计算重构后小波模极大值以确定第二个波头到达时刻。

具体的，步骤S6中，电压突变量第i个采样点对应的二阶导数近似值ΔU₂(i)计算如下：

其中，Δu_i为第i个采样点对应的电压突变量，Δt为采样间隔。

具体的，步骤S7中，正向故障与反向故障判别方式如下：

其中，Nset为过零次数整定值，NumP为二阶差分符号为正的次数，NumN为二阶差分符号为负的次数，Nz为判别正反向故障的指标。

进一步的，二阶导数符号如下：

其中，函数Π(·)表示若自变量满足条件则取1，否则为0，交流配电网中N表示工频一周波所对应的采样点数，直流配电网中N为故障前N个采样点，ΔU₂(i)为二阶导数近似值的第i个采样点。

本发明的另一技术方案是，一种基于线路边界线路侧电压的故障方向判别系统，包括：

采集模块，测量边界元件线路侧电压信息，对于交流配电网，采集a、b、c三相电压，对于直流配电网，采集正极电压和负极电压；

变换模块，对采集到的交流配电网电压或直流配电网电压进行相模变换；

计算模块，交流配电网相模变换后，采用1模或2模电压计算电压突变量，直流配电网相模变换后，采用1模电压计算电压突变量；

保护模块，根据交流配电网电压突变量或直流配电网电压突变量判断是否启动保护；

提取模块，保护启动后，在给定时间窗内利用小波模极大值算法提取第二个行波波头到达时刻，得到第二个波头到达时刻后提取启动时刻到第二个波头到达时刻的数据窗数据，若在整个数据窗内没有检测到第二个波头到达，则提取整个数据窗的数据；

近似模块，计算提取模块提取的数据的二阶差分代替二阶导数，得到电压突变量二阶导数近似值；

判断模块，统计近似模块得到的电压突变量二阶导数近似值的二阶导数符号，对基于线路边界线路侧电压的故障方向进行判断。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种基于线路边界线路侧电压的故障方向判别方法，利用故障后首个电压行波波形判别故障方向，判别速度较快，而且只利用单测点的电压信息，与传统方法相比减少了电流互感器的安装。

进一步的，通过交流的相模变换，用单一模量反映所有故障类型，降低了交流线路耦合的影响。

进一步的，通过对直流配电网进行相模变换，消除了直流正负极线路之间耦合的影响。

进一步的，通过计算电压突变量，可以避免负荷波动对故障方向元件启动计算造成的影响。

进一步的，利用电压突变量进行启动判定，避免了正常运行状态下产生误判。

进一步的，针对启动后的数据进行小波模极大值变换并提取第二个行波波头到达的时刻，避免第二个行波波头对波形的凹凸性造成影响

进一步的，利用数值近似的方法计算电压突变量的二阶导数近似值，具有可靠简单，计算量小的优点。

进一步的，统计二阶导数的符号个数，具有易于理解，计算量小的优点。

进一步的，通过二阶导数的符号个数判别正反向故障，将故障后的电压首行波波形特征转换为具体指标，实现利用首行波电压波形的故障方向判别。

综上所述，本发明基于故障后线路边界线路侧电压首行波波形，将波形的凹凸性转换为二阶导数符号个数，实现快速判别故障方向。仿真结果表明本发明快速可靠，对不同的故障类型都具有较好的适应性，判别结果准确度高。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明流程图；

图2为含分布式电源交流配电网模型示意图；

图3为线路l₁末端故障示意图，其中，(a)为电压波形，(b)为电压二阶差分，(c)为判别指标；

图4为距线路l₁首端1/5处故障示意图，其中，(a)为电压波形，(b)为电压二阶差分，(c)为判别指标；

图5为测点背侧故障示意图，其中，(a)为电压波形，(b)为电压二阶差分。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

本发明提供了一种基于线路边界线路侧电压的故障方向判别方法，实现前提是交直流配电网中线路测点含有边界元件且测点两侧均为线路；利用第二个反射波未到达电压测点时的电压时域波形凹凸性进行故障方向的判别；当故障发生在反向时，电压行波经过边界其时域波形的凹凸性不变，而故障发生在正向时由于边界对不同频率下的电压反射作用强度不同，电压波形凹凸性会发生变化。

请参阅图1，本发明一种基于线路边界线路侧电压的故障方向判别方法，包括以下步骤：

S1、利用行波电压传感器测量边界元件线路侧电压信息，对于交流配电网采集a、b、c三相电压，对于直流配电网采集正极电压和负极电压；

S2、对步骤S1采集到的交流配电网电压或直流配电网电压进行相模变换；对于交流配电网，计算如下：

其中，u₀、u₁、u₂表示0、1、2模电压，u_a、u_b、u_c表示a、b、c相电压。

对于直流配电网，计算如下：

其中，u₀、u₁表示0模和1模电压，u_p、u_n表示正、负极电压。

S3、步骤S2相模变换后，对于交流配电网采用1模或2模电压计算突变量，对于直流配电网采用1模电压计算突变量；

电压突变量的计算如下：

Δu(n)＝u(n)-u(n-N) (3)

其中，u(n)表示交流配电网1模或2模电压以及直流配电网1模电压的第n个采样点，对于交流配电网N表示工频一周波所对应的采样点数，对于直流配电网N为故障前N个采样点；Δu(n)为电压突变量的第n个采样点。

S4、根据步骤S3得到的电压突变量判断保护是否启动；

如果电压突变量满足下式，保护启动；

其中，|Δu(n)|为电压突变量第n个采样点的绝对值，Δu_set的整定按照躲过正常运行时电压的波动整定即可。

S5、步骤S4保护启动后，在给定时间窗内利用小波模极大值算法提取第二个行波波头到达时刻，得到第二个波头到达时刻后提取启动时刻到第二个波头到达时刻的数据窗数据，进行步骤S6的计算，若在整个数据窗内没有检测到第二个波头到达，则提取整个数据窗的数据进行步骤S6的计算；

首先，对该数据窗数据进行一层小波分解；

其次，提取其细节系数并利用重构算法对细节系数进行小波重构；

最后，计算重构后小波模极大值以确定第二个波头到达时刻。

S6、计算步骤S5提取的数据的二阶差分代替二阶导数，得到电压突变量二阶导数近似值；

具体计算方法如下：

其中，Δu_i为第i个采样点对应的电压突变量，Δt为采样间隔，ΔU₂(i)为电压突变量第i个采样点对应的二阶导数近似值。

由于近似计算的误差以及采样带来的二阶导数近似计算离散性，当二阶导数较小时，其值在0附近波动，因此二阶导数计算值ΔU₂(i)∈[-ε,ε]时，ΔU₂(i)＝0。

S7、统计步骤S6得到的电压突变量二阶导数近似值的二阶导数符号，对基于线路边界线路侧电压的故障方向进行判断。

二阶导数符号计算如下：

其中，函数Π(·)表示若自变量满足条件则取1，否则为0；NumP为二阶差分符号为正的次数，NumN为二阶差分符号为负的次数。

最终正向故障与反向故障判别方式如下：

其中，Nset为过零次数整定值，理论上Nset为0，但由于采样造成的时域波形具有离散性，其二阶导数不光滑，为了防止将反向故障判别为正向故障，取大于0的一个整数，Nset一般取值为Nset∈[0,5]。

本发明再一个实施例中，提供一种基于线路边界线路侧电压的故障方向判别系统，该系统能够用于实现上述基于线路边界线路侧电压的故障方向判别方法，具体的，该基于线路边界线路侧电压的故障方向判别系统包括采集模块、变换模块、计算模块、保护模块、提取模块、近似模块以及判断模块。

其中，采集模块，测量边界元件线路侧电压信息，对于交流配电网，采集a、b、c三相电压，对于直流配电网，采集正极电压和负极电压；

变换模块，对采集到的交流配电网电压或直流配电网电压进行相模变换；

计算模块，交流配电网相模变换后，采用1模或2模电压计算电压突变量，直流配电网相模变换后，采用1模电压计算电压突变量；

保护模块，根据交流配电网电压突变量或直流配电网电压突变量判断是否启动保护；

提取模块，保护启动后，在给定时间窗内利用小波模极大值算法提取第二个行波波头到达时刻，得到第二个波头到达时刻后提取启动时刻到第二个波头到达时刻的数据窗数据，若在整个数据窗内没有检测到第二个波头到达，则提取整个数据窗的数据；

近似模块，计算提取模块提取的数据的二阶差分代替二阶导数，得到电压突变量二阶导数近似值；

判断模块，统计近似模块得到的电压突变量二阶导数近似值的二阶导数符号，对基于线路边界线路侧电压的故障方向进行判断。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

仿真验证

为了验证所提出的故障方向判别方法的正确性，以交流配电网为例，在电磁暂态仿真软件PSCAD中建立如下图所示的仿真模型，中性点采用消弧线圈接地方式，补偿度8％，分布式电源为1.5MW光伏，线路采用频变参数的架空线，边界由100个磁环构成，采样率2MHz，验证利用测点R₁处电压信息进行正反向故障判别方案。

对于不同位置下的故障数据，利用前文步骤进行正反向故障的判别。对于数据窗的选择，由于第二个波头会影响反向故障电压波形的凹凸性，因此需要考虑第二个波头的到达时刻。对于发生在观测点边界背侧的故障，其第二个波头到达时刻等于与测点相邻线路上行波传播一次所需要的时间T，因此数据窗宽度T_W<2T，图2中T对应行波在线路l₁中传播时间。考虑到启动的离散性，为了使该方法不受到第二个波头的影响，保证该方法的可靠性，选取时间窗为1.8T。

请参阅图2，对于如图2所示的配电网模型，R1处为电压测量点，线路l₁发生故障为正向故障，线路l₂、l₃和l₄发生故障为反向故障。由于线路l₂、l₃和l₄均是通过边界和母线相连，研究反向故障时效果相同，因此以线路l₂发生故障为例研究反向故障时所提出算法的正确性。

请参阅图3，线路l₁末端发生金属性单相接地、两相短路、两相短路接地以及三相短路故障时(以A相电压相角为参考)，1模电压波形见图3(a)所示。可以看到四种故障类型下故障后首个行波到达后电压由负到正增大。由于边界对不同频率信号的反射强度不同，因此会出现峰值，从波形的凹凸性来看表现为先凸后凹(下凸)。电压的二阶差分如图3(b)所示，二阶差分表现为由负到正，因此二阶差分为负的点占总体的少数，具体为三相短路为7、两相接地短路为13，两相短路为6，单相接地为12。Nset取略大于0的值，此处取2，正向线路末端故障判别均正确。

请参阅图4，线路l₁距首端1/5处发生故障时，不同故障类型下1模电压波形见图4(a)所示。可以看到首个行波到达时电压急剧减小，从波形的凹凸性来看表现为先凹后凸，二阶导数由正向负变化，并在0附近波动，如图4(b)所示，二阶差分为正的点占整体的少数，其中三相短路为10、两相接地短路为9，两相短路为3，单相接地为9，均大于Nset，准确判别为正向故障。

请参阅图5，线路l₂末端(边界背侧)发生故障时，对测点R1为反向故障，此时不同类型故障下测点R1的1模电压波形见图5(a)所示。可以看到首个行波经过边界衰减后，与区内故障的电压波形有明显差异，从波形的凹凸性来看在第二个波头到达前凹凸性一致，上图中故障波形表现为凸函数，图5(b)为1模电压二阶差分，可以看到二阶差分小于0，因此步骤S7中方向判据指标为0，小于整定值2，准确判定为反向故障。

综上所述，本发明一种基于线路边界线路侧电压的故障方向判别方法及系统，通过线路边界线路侧电压波形的凹凸性判别故障方向，原理简单可靠，判别速度快，对不同故障类型都能够准确判别故障方向。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于线路边界线路侧电压的故障方向判别方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、测量边界元件线路侧电压信息，对于交流配电网，采集a、b、c三相电压，对于直流配电网，采集正极电压和负极电压；

S2、对步骤S1采集到的交流配电网电压或直流配电网电压进行相模变换；

S3、步骤S2交流配电网相模变换后，采用1模或2模电压计算电压突变量，步骤S2直流配电网相模变换后，采用1模电压计算电压突变量；

S4、根据步骤S3得到的交流配电网电压突变量或直流配电网电压突变量判断是否启动保护；

S5、步骤S4保护启动后，在给定时间窗内利用小波模极大值算法提取第二个行波波头到达时刻，得到第二个波头到达时刻后提取启动时刻到第二个波头到达时刻的数据窗数据，若在整个数据窗内没有检测到第二个波头到达，则提取整个数据窗的数据；

S6、计算步骤S5提取的数据的二阶差分代替二阶导数，得到电压突变量二阶导数近似值；

S7、统计步骤S6得到的电压突变量二阶导数近似值的二阶导数符号，对基于线路边界线路侧电压的故障方向进行判断。

2.根据权利要求1所述的基于线路边界线路侧电压的故障方向判别方法，其特征在于，步骤S2中，对于交流配电网，相模变换如下：

其中，u₀、u₁、u₂表示0、1、2模电压，u_a、u_b、u_c表示a、b、c相电压。

3.根据权利要求1所述的基于线路边界线路侧电压的故障方向判别方法，其特征在于，步骤S2中，对于直流配电网，相模变换如下：

其中，u₀、u₁表示0模和1模电压，u_p、u_n表示正、负极电压。

4.根据权利要求1所述的基于线路边界线路侧电压的故障方向判别方法，其特征在于，步骤S3中，电压突变量的计算如下：

Δu(n)＝u(n)-u(n-N)

其中，u(n)表示交流配电网1模或2模电压以及直流配电网1模电压的第n个采样点，交流配电网中N表示工频一周波所对应的采样点数，直流配电网中N为故障前N个采样点；Δu(n)为电压突变量的第n个采样点。

5.根据权利要求1所述的基于线路边界线路侧电压的故障方向判别方法，其特征在于，步骤S4中，判断是否启动保护具体如下：

其中，|Δu(n)|为电压突变量第n个采样点的绝对值，Δu_set的整定按照躲过正常运行时电压的波动整定。

6.根据权利要求1所述的基于线路边界线路侧电压的故障方向判别方法，其特征在于，步骤S5中，利用小波模极大值算法提取第二个行波波头到达时刻具体为：

对数据窗数据进行一层小波分解；提取细节系数并利用重构算法对细节系数进行小波重构；计算重构后小波模极大值以确定第二个波头到达时刻。

7.根据权利要求1所述的基于线路边界线路侧电压的故障方向判别方法，其特征在于，步骤S6中，电压突变量第i个采样点对应的二阶导数近似值ΔU₂(i)计算如下：

其中，Δu_i为第i个采样点对应的电压突变量，Δt为采样间隔。

8.根据权利要求1所述的基于线路边界线路侧电压的故障方向判别方法，其特征在于，步骤S7中，正向故障与反向故障判别方式如下：

其中，Nset为过零次数整定值，NumP为二阶差分符号为正的次数，NumN为二阶差分符号为负的次数，Nz为判别正反向故障的指标。

9.根据权利要求8所述的基于线路边界线路侧电压的故障方向判别方法，其特征在于，二阶导数符号如下：

其中，函数Π(·)表示若自变量满足条件则取1，否则为0，交流配电网中N表示工频一周波所对应的采样点数，直流配电网中N为故障前N个采样点，ΔU₂(i)为二阶导数近似值的第i个采样点。

10.一种基于线路边界线路侧电压的故障方向判别系统，其特征在于，包括：

采集模块，测量边界元件线路侧电压信息，对于交流配电网，采集a、b、c三相电压，对于直流配电网，采集正极电压和负极电压；

变换模块，对采集到的交流配电网电压或直流配电网电压进行相模变换；

计算模块，交流配电网相模变换后，采用1模或2模电压计算电压突变量，直流配电网相模变换后，采用1模电压计算电压突变量；

保护模块，根据交流配电网电压突变量或直流配电网电压突变量判断是否启动保护；

提取模块，保护启动后，在给定时间窗内利用小波模极大值算法提取第二个行波波头到达时刻，得到第二个波头到达时刻后提取启动时刻到第二个波头到达时刻的数据窗数据，若在整个数据窗内没有检测到第二个波头到达，则提取整个数据窗的数据；

近似模块，计算提取模块提取的数据的二阶差分代替二阶导数，得到电压突变量二阶导数近似值；

判断模块，统计近似模块得到的电压突变量二阶导数近似值的二阶导数符号，对基于线路边界线路侧电压的故障方向进行判断。

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