CN114089105B - 一种基于线路边界两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两侧电压的故障方向判别方法及系统，对交流配电网或直流配电网边界元件母线侧和线路侧电压进行相模变换，得到模量电压；根据模量电压计算模量电压的突变量；根据模量电压的电压突变量判断是否启动保护；启动保护后，确定模量电压突变极性指标Fp；在给定时间窗内提取第二个行波波头到达时刻；根据第二个行波波头到达时刻计算边界母线侧与线路侧电压差值并求和，得到边界两侧电压差值Fr；根据模量电压突变极性指标Fp和边界两侧电压差值Fr判定正反向故障，得到正反向故障判别结果。原理简单，计算量小，判别速度快，理论上不受过渡电阻的影响，对不同类型的故障都能正确判别，通过仿真表明具有优异的性能。

Description

一种基于线路边界两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两侧电 压的故障方向判别方法及系统。

背景技术

随着配电网中分布式电源、储能装置等设备的大量接入，配电网的形态正 在发生变化，最终会成为一个潮流双向流动且拓扑多变的多源供电系统，已有 的故障方向判别元件包括90°接线的功率方向元件、零序功率方向元件、阻抗 方向元件和工频变化量方向元件。90°接线的功率方向元件受负荷电流变化影 响较大，耐过渡电阻能力较弱。零序功率方向元件仅能反映接地故障，对非接 地故障的方向判别存在局限性。阻抗方向元件受负荷阻抗的影响，直接用于含 大量新能源的配电网可能会发生误动。工频变化量方向元件的灵敏度与系统阻 抗和线路阻抗的一致性有关，用于配电网会有误动和拒动的可能性。

因此，亟需研究适用于含有大量新能源和储能的配电网的故障方向判别方 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 于线路边界两侧电压的故障方向判别方法及系统，仅利用线路边界元件线路侧 电压和母线侧电压信息判别正反向故障。

本发明采用以下技术方案：

一种基于线路边界两侧电压的故障方向判别方法，包括以下步骤：

S1、采集交流配电网或直流配电网边界元件母线侧和线路侧电压；

S2、对步骤S1采集的交流配电网或直流配电网边界元件母线侧和线路侧 电压进行相模变换，得到模量电压；

S3、根据步骤S2得到的模量电压计算模量电压的突变量；

S4、根据步骤S3得到的模量电压的电压突变量判断是否启动保护；

S5、步骤S4启动保护后，确定模量电压突变极性指标Fp；

S6、步骤S4启动保护后，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；

S7、根据步骤S6的第二个行波波头到达时刻计算边界母线侧与线路侧电 压差值并求和，得到边界两侧电压差值Fr；

S8、根据步骤S5得到的模量电压突变极性指标Fp和步骤S7得到的边界 两侧电压差值Fr判定电压正反向故障，得到正反向故障判别结果。

具体的，步骤S2中，相模变换后的模量电压u_m计算如下：

其中，对于交流配电网，

为相电压，

对于直流配电网，

为正 极和负极电压，

T为相模变换矩阵。

进一步的，交流配电网下的相模变换矩阵Τ_a如下：

直流配电网下的相模变换矩阵T_d如下：

具体的，步骤S3中，第n个采样点的模量电压突变量Δu_m(n)计算如下：

Δu_m(n)＝u_m(n)-u_m(n-N)

其中，u_m(n)表示交流配电网模量电压的第n个采样点或直流配电网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表示故障前N个点。

具体的，步骤S4中，判断是否启动保护如下：

其中，|Δu_m(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，判断故障或扰动发生后突变量的正负极性如下：

其中，

表示启动后模量下电压突变量一阶差分的第一个点和第 二个点；sign(x)为x的符号函数，若突变量为正阶跃，计算得到Fp大于0，若 为负阶跃，Fp小于0，若Fp等于0，采用一阶差分第二个和第三个点进行计算。

具体的，步骤S6中，提取第二个行波波头到达时刻具体为：

对该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，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，提取整个数据窗的数据。

具体的，步骤S7中，边界两侧电压差值Fr计算如下：

其中，u_mb(i)、u_ml(i)分别为数据窗内母线侧电压和线路侧电压的第i个采样 点，N_w为给定数据窗内采样点的个数。

具体的，步骤S8中，判定正反向故障如下：

其中，Ftp为正反向故障判别指标。

本发明的另一技术方案是，一种基于线路边界两侧电压的故障方向判别系 统，包括：

采集模块，采集交流配电网或直流配电网边界元件母线侧和线路侧电压；

变换模块，对采集的交流配电网或直流配电网边界元件母线侧和线路侧电 压进行相模变换，得到模量电压；

计算模块，根据变换模块得到的模量电压计算模量电压的突变量；

保护模块，根据计算模块得到的模量电压的电压突变量判断是否启动保护；

突变模块，保护模块启动保护后，确定模量电压突变极性指标Fp；

提取模块，保护模块启动保护后，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；

求和模块，根据提取模块的第二个行波波头到达时刻计算边界母线侧与线 路侧电压差值并求和，得到边界两侧电压差值Fr；

判别模块，根据突变模块计算得到的模量电压突变极性指标Fp和求和模 块得到的边界两侧电压差值Fr判定电压正反向故障，得到正反向故障判别结果。

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两侧电压的故障方向判别方法，通过电路边界一 侧的电压测点判断故障极性，再利用两侧的电压大小判断正反向故障，原理简 单，判别快速可靠，对不同的故障类型均能正确判别。

进一步的，通过相模变换进行线路参数的解耦，降低故障后行波在线路中 传播的耦合影响。

进一步的，交流配电网的相模变换矩阵采用一种新的方法，通过该矩阵的 变换，可以实现仅用单一模量反映所有故障类型的功能。直流配电网采用直流 的相模变换，可以消除正负极间的耦合。

进一步的，通过模量电压计算突变量可以消除工频量变化的影响，提高方 法的可靠性。

进一步的，通过设置保护启动判据减小故障方向判别方法在正常运行状态 下的计算，降低误动的风险。

进一步的，在启动后计算模量电压突变量的一阶差分符号，进而得到模量 电压突变极性指标，从而判断出故障或扰动发生在正半周还是负半周，从而可 以结合边界两侧电压差极性判断正反向故障。

进一步的，考虑到第二个行波波头达到测点后会改变边界两侧电压差的极 性，因此利用小波模极大值算法提取第二个行波波头的到达时刻，并提取启动 后到该时刻的数据进行故障方向判别，提高方法的可靠性。

进一步的，通过计算边界两侧电压差值得到两侧电压差的极性，从而可以 结合故障极性判别故障方向。

进一步的，结合边界两侧电压差极性和故障正负半周极性，可以判别出正 反向故障，该判据原理简单，计算量小。

综上所述，本发明通过边界两侧的电压判断故障方向，原理简单，计算量 小，判别速度快，不受过渡电阻的影响，对不同类型的故障都能正确判别故障 方向，仿真结果表明本方法具有优异的性能。

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末端正向故障示意图，其中，(a)为a接地故障，(b)为bc 两相短路故障，(c)为bc两相短路接地故障，(d)为abc三相短路故障；

图4为距线路l₁首端1/5处正向故障示意图，其中，(a)为a接地故障， (b)为bc两相短路故障，(c)为bc两相短路接地故障，(d)为abc三相短路 故障；

图5为测点背侧1km故障示意图，其中，(a)为a接地故障，(b)为bc 两相短路故障，(c)为bc两相短路接地故障，(d)为abc三相短路故障；

图6为测点背侧6km故障示意图，其中，(a)为a接地故障，(b)为bc 两相短路故障，(c)为bc两相短路接地故障，(d)为abc三相短路故障。

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两侧电压的故障方向判别方法，实现前提 是线路具有边界元件且边界元件两侧均为线路，利用测点电压信息判断故障后 电压突变量的极性，然后利用边界元件两侧电压差值区分正反向故障。

请参阅图1，本发明一种基于线路边界两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采集边界元件母线侧和线路侧电压，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、对采集到的交流配电网三相电压或直流配电网正极电压和负极电压进 行相模变换；

相模变换计算如下：

其中，u_m为相模变换后模量电压，对于交流配电网

为相电压，

对于直流配电网

为正极和负极电压，即

T为相模变换矩阵。

交流配电网下，相模变换矩阵Τ_a如下：

直流配电网下，相模变换矩阵T_d如下：

S3、步骤S2相模变换后，计算模量电压u_m的突变量；

电压突变量的计算如下：

Δu_m(n)＝u_m(n)-u_m(n-N) (4)

其中，u_m(n)表示交流配电网模量电压的第n个采样点或直流配电网1模电 压的第n个采样点，交流下N表示工频一周波所对应的采样点数，直流下N表 示故障前N个点，Δu_m(n)为第n个采样点的模量电压突变量。

S4、根据步骤S3得到的电压突变量判断是否启动保护；

如果满足下式，保护启动，具体如下：

其中，|Δu_m(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、采用启动后模量电压突变量的一阶差分符号Fp判断故障或扰动发生 后突变量的正负极性；

判断方法如下：

其中，

表示启动后模量下电压突变量一阶差分的第一个点和第 二个点；sign(x)为x的符号函数，定义如下：

若突变量为正阶跃，则计算得到Fp大于0，若为负阶跃则Fp小于0，若 Fp等于0，则采用一阶差分第二个和第三个点进行计算，以此类推。

S6、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；

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。

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S7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S7的计算。

S7、根据步骤S6的第二个行波波头到达时刻计算边界母线侧与线路侧电 压差值并求和，得到边界两侧电压差值Fr；

边界两侧电压差值Fr计算如下：

其中，u_mb(i)、u_ml(i)分别为数据窗内母线侧电压和线路侧电压的第i个采样 点，N_w为给定数据窗内采样点的个数。

S8、根据步骤S5计算得到的模量电压突变极性指标Fp和步骤S7得到的 边界两侧电压差值Fr判定电压正反向故障，得到正反向故障判别结果。

判定正反向故障的计算如下：

本发明再一个实施例中，提供一种基于线路边界两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两侧电压的故障方向判别方法， 具体的，该基于线路边界两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、突变模块、提取模块、求和模块以及判别模块。

其中，采集模块，采集交流配电网或直流配电网边界元件母线侧和线路侧 电压；

变换模块，对采集的交流配电网或直流配电网边界元件母线侧和线路侧电 压进行相模变换，得到模量电压；

计算模块，根据变换模块得到的模量电压计算模量电压的突变量；

保护模块，根据计算模块得到的模量电压的电压突变量判断是否启动保护；

突变模块，保护模块启动保护后，确定模量电压突变极性指标Fp；

提取模块，保护模块启动保护后，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；

求和模块，根据提取模块的第二个行波波头到达时刻计算边界母线侧与线 路侧电压差值并求和，得到边界两侧电压差值Fr；

判别模块，根据突变模块计算得到的模量电压突变极性指标Fp和求和模 块得到的边界两侧电压差值Fr判定电压正反向故障，得到正反向故障判别结果。

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

请参阅图2，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建立如图2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，R2为边界元件背侧母 线处电压测点，R1为线路l₁首端电压测点。

利用本方法所述步骤进行正反向故障的判别，其中数据窗的选择考虑与母 线相连最短线路上行波传播的时间，本方法选择行波在最短线路上传播一次的 时间T，若在该数据窗内有第二个波头达到，则利用小波模极大值算法提取第 二个波头到达时刻并提取仅有首行波数据时间段进行分析计算，若在该时间窗 内无第二个行波波头到达，则利用整个数据窗数据分析。

对于如图2所示的配电网模型，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a相接地、bc两相短路、bc两相短路接地以 及abc三相短路的1模电压波形如图3所示。可以看到故障后四种故障类型对 应的1模电压突变量均为正，因此Fp为1。由于边界元件对正向故障的反射叠 加作用和对反向故障的折射衰减作用，可以看到线路侧电压有明显的峰值且要 大于母线侧电压，线路侧与母线侧电压差值为正，因此Fr为1，得到最终判别 指标Ftp为1，准确判别为正向故障。

请参阅图4，当线路l₁距电压测点2km发生故障时边界两侧电压波形如图 4所示。由于1模电压是由三相电压运算得到的结果，因此在同一时刻发生不 同类型的故障1模电压突变量变化的正负极性可能不同。图4中发生a相接地 故障和abc三相短路故障，1模电压突变量极性为负，Fp为-1，线路侧电压小 于母线侧电压，线路侧电压与母线侧电压差值为负，因此Fr为-1，得到正反向 故障判别指标Ftp为1，准确判别为正向故障。对于bc两相短路和bc两相短路 接地故障Fp和Fr均为1，正反向故障判别指标Ftp为1，同样准确判别为正向故障。

请参阅图5，线路l₂末端(距母线1km)发生故障时，边界两侧1模电压 突变量波形见图5所示。可以看到四种故障类型对应的1模电压突变量均为正 阶跃，线路侧和母线侧电压均正向增大，Fp为1，但由于边界的反射衰减作用， 母线侧电压值较大而线路侧电压值较小，增加较慢，因此Fr为-1，得到最终判 别指标Ftp为-1，准确判别为反向故障。

请参阅图6，测点背侧线路l₂首端(距测点6km)发生故障边界两侧电压 波形如图6所示。可以看到对于a相接地故障和abc三相短路故障，1模电压 突变量为负，因此Fp为-1，但由于线路侧电压经过边界衰减后大于母线侧电压， 线路侧电压与母线侧电压差值为正，因此Fr为1，正反向故障判别指标Ftp为，准确判别为反向故障。对于bc相短路和bc相短路接地故障，1模电压突变 量为正，线路侧与母线侧电压差值为负，Ftp为-1，同样准确判别为反向故障。

综上所述，本发明一种基于线路边界两侧电压的故障方向判别方法及系统， 原理简单，计算量小，判别速度快，理论上不受过渡电阻的影响，对不同类型 的故障都能正确判别，通过仿真表明具有优异的性能。

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 (9)

1.一种基于线路边界两侧电压的故障方向判别方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、采集交流配电网或直流配电网边界元件母线侧和线路侧电压；

S2、对步骤S1采集的交流配电网或直流配电网边界元件母线侧和线路侧电压进行相模变换，得到模量电压；

S3、根据步骤S2得到的模量电压计算模量电压的突变量；

S4、根据步骤S3得到的模量电压的电压突变量判断是否启动保护；

S5、步骤S4启动保护后，确定模量电压突变极性指标Fp；

S6、步骤S4启动保护后，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；

S7、根据步骤S6的第二个行波波头到达时刻计算边界母线侧与线路侧电压差值并求和，得到边界两侧电压差值Fr；

S8、根据步骤S5得到的模量电压突变极性指标Fp和步骤S7得到的边界两侧电压差值Fr判定电压正反向故障，得到正反向故障判别结果，判定正反向故障如下：

其中，Ftp为正反向故障判别指标，sign(x)为x的符号函数。

2.根据权利要求1所述的基于线路边界两侧电压的故障方向判别方法，其特征在于，步骤S2中，相模变换后的模量电压u_m计算如下：

其中，对于交流配电网，

为相电压，

对于直流配电网，

为正极和负极电压，

T为相模变换矩阵。

3.根据权利要求2所述的基于线路边界两侧电压的故障方向判别方法，其特征在于，交流配电网下的相模变换矩阵Τ_a如下：

直流配电网下的相模变换矩阵T_d如下：

4.根据权利要求1所述的基于线路边界两侧电压的故障方向判别方法，其特征在于，步骤S3中，第n个采样点的模量电压突变量Δu_m(n)计算如下：

Δu_m(n)＝u_m(n)-u_m(n-N)

其中，u_m(n)表示交流配电网模量电压的第n个采样点或直流配电网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表示故障前N个点。

5.根据权利要求1所述的基于线路边界两侧电压的故障方向判别方法，其特征在于，步骤S4中，判断是否启动保护如下：

其中，|Δu_m(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两侧电压的故障方向判别方法，其特征在于，步骤S5中，判断故障或扰动发生后突变量的正负极性如下：

其中，

表示启动后模量下电压突变量一阶差分的第一个点和第二个点；sign(x)为x的符号函数，若突变量为正阶跃，计算得到Fp大于0，若为负阶跃，Fp小于0，若Fp等于0，采用一阶差分第二个和第三个点进行计算。

7.根据权利要求1所述的基于线路边界两侧电压的故障方向判别方法，其特征在于，步骤S6中，提取第二个行波波头到达时刻具体为：

对给定的时间窗进行一层小波分解；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，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时间窗，若在整个时间窗内没有检测到第二个波头到达，提取整个时间窗的数据。

8.根据权利要求1所述的基于线路边界两侧电压的故障方向判别方法，其特征在于，步骤S7中，边界两侧电压差值Fr计算如下：

其中，u_mb(i)、u_ml(i)分别为数据窗内母线侧电压和线路侧电压的第i个采样点，N_w为给定数据窗内采样点的个数。

9.一种基于线路边界两侧电压的故障方向判别系统，其特征在于，包括：

采集模块，采集交流配电网或直流配电网边界元件母线侧和线路侧电压；

变换模块，对采集的交流配电网或直流配电网边界元件母线侧和线路侧电压进行相模变换，得到模量电压；

计算模块，根据变换模块得到的模量电压计算模量电压的突变量；

保护模块，根据计算模块得到的模量电压的电压突变量判断是否启动保护；

突变模块，保护模块启动保护后，确定模量电压突变极性指标Fp；

提取模块，保护模块启动保护后，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；

求和模块，根据提取模块的第二个行波波头到达时刻计算边界母线侧与线路侧电压差值并求和，得到边界两侧电压差值Fr；

判别模块，根据突变模块计算得到的模量电压突变极性指标Fp和求和模块得到的边界两侧电压差值Fr判定电压正反向故障，得到正反向故障判别结果，判定正反向故障如下：

其中，Ftp为正反向故障判别指标，sign(x)为x的符号函数。

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