WO2016029466A1

WO2016029466A1 - 确定电力传输线路故障方向的方法和装置

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Publication number: WO2016029466A1
Application number: PCT/CN2014/085610
Authority: WO
Inventors: 易星; 陈维刚; 华韬; 吴剑强; 卓越
Original assignee: 西门子公司; 易星; 陈维刚; 华韬; 吴剑强; 卓越
Priority date: 2014-08-29
Filing date: 2014-08-29
Publication date: 2016-03-03
Also published as: CN106662608A

Abstract

一种确定电力传输线路故障方向的方法和装置。所述方法包括：(a)获取电力传输线路在一个测量位置处在(n+1)T/2时长的故障前瞬时时域电流i _pre(t)和(n+1)T/2时长的故障后瞬时时域电流i _fau(t)；(b)把获取的故障前瞬时时域电流i _pre(t)或者故障后瞬时时域电流i _fau(t)在时域上平移T/4+mT，使平移后的故障前瞬时时域电流与故障后瞬时时域电流i _fau(t)相差π/2+2mπ相位角，或者使平移后的故障后时域电流i _fau(t)与故障前瞬时时域电流i _pre(t)相差π/2+2mπ相位角；(c)把故障后瞬时时域电流i _fau(t)与平移后的故障前瞬时时域电流的乘积，或者故障前瞬时时域电流i _pre(t)与平移后的故障后时域电流i _fau(t)的乘积在(n+1)T/2时间段内积分，得到积分结果γ；(d)比较所述积分结果γ和预定的阈值，根据比较的结果确定电力传输线路中故障相对于所述测量位置的方向。其中，n和m为0或者正整数，T为电力传输线路中瞬时时域电流的周期。

Description

说明书确定电力传输线路故障方向的方法和装置技术领域

本发明涉及电力领域，尤其涉及电力系统中的电力传输线路。

體

故障保护，尤其是过电流保护，对电力系统是非常有用的技术。在具有两侧电源或单相环网的电网中，为切除线路上的故障，线路两侧都装有断路器和相应的保护。为有选择地切断线路，在断路器等保护装置的基础上又装设了方向原件（例如功率方向继电器）来确定故障的方向。故障的方向是指在电力传输线路测量位置的哪一侧出现了故障。例如沿着电能流动的方向，可将电能分布式发电设备至测量位置之间出现的故障规定为正向或者上游故障，而将测量位置至用电设备或者电网之间出现的故障规定为负向或者下游故障方向元件判断出故障的方向后则对应地切断该方向上的电路。

公开号为 CN103250063A的中国专利公开了一种确定输电系统传输线的故障方向的方法。该方法涉及从由过零电流、最大电流、最小电流和最大斜率电流组成的电流数据组中选择周期重复出现的特征参数。从电流数据组中提取一个偏移指示参数，该偏移指示参数为第一时间和第二时间的时间间隔，这里第一时间和第二时间为发生故障时电流的偏移时间。通过比较偏移指示参数和非偏移指示参数计算出偏移方向参数。依据计算出的偏移方向参数可以确定故障方向。

本发明实施例提供了一种确定电力传输线路中故障方向的方法，该方法能够更准确可靠地确定电流传输线路中故障的方向。

本发明的一个实施例提供一种确定电力传输线路中故障方向的方法，包括如下步骤：（a) 获取电力传输线路在一个测量位置处在^时长的故障前瞬时时域电流和^ 2时长的故障后瞬时时域电流 i_fau (t)； (b)把获取的故障前瞬时时域电流 ( 或者故障后瞬时时域电流 ( 在时域上平移 T/4+mT，使平移后的故障前瞬时时域电流与故障后瞬时时域电流 _/fl„ (t)相差 π /4+2m π相位角，或者使平移后的故障后时域电流 _/fl„ W与故障前瞬时时域电流 W相差 π /4+2m π相位角； (_c ) 把故障后瞬时时域电流 i_fau (t)与平移后的故障前瞬时时域电流的乘积，或者故障前瞬时时域电流 (0与平移后的故障后时域电流^ 的乘积在^时间段内积分，得到积分结果 (d)比较所述积分结果 ^和预定的阈值，根据比较的结果确定电力传输线路中故障相对于所述测量位置的方向。其中， n和 m为 0或者正整数， T为电力传输线路中瞬时时域电流的周期。

这里需要说明的是，首先，上面方法步骤（a) 中 "获取"瞬时时域电流可以为接收从电力传输线路现场的电流传感器传送过来的瞬时时域电流信号的方式，也可以是直接用电流传感器检测瞬时电流信号的方式。另外，所述故障后瞬时时域电流是电力传输线路出现故障后在^时长内的瞬时电流。最后， "积分"在本发明中是求和的意思。其不仅包括严格数学意义上积分，即对连续电流信号（即数字信号）求和，也包括对离散电流信号（模拟信号）求和。优选，步骤（d) 进一步为：当积分结果^ "小于预定的阈值时，确定所述电力传输线路在所述测量位置的第一方向出现故障，当积分结果大于预定的阈值时，确定所述电力传输线路在所述测量位置的第二方向出现故障。这里 "第一方向"和 "第二方向"是用来标示位于测量位置不同侧的故障。

步骤（a )进一步可以为：获取电力传输线路在一个测量位置处在时长的故障前瞬时时域电流 ^ ) 和时长的故障后瞬时时域电流 _/fl„ ) ; 和步骤（c) 进一步为：使用下述公式积分并得到积分结果 :

上述方法无需依靠过零电流来判断故障方向，所以其对直流电流不敏感，同时积分的方式使得该方法抵抗干扰的能力强，对故障方向的判断准确性更高。并且，本发明没有采用傅里叶变换获取电流的频率和角速度。这使得系统的判定精度与采样点数无直接关系，需要的采样时间最少可为半个周期的瞬时电流信号，这可以减少故障判定时间。另外，故障点的测量位置也不会影响上述方法判断的准确性。最后，上述方法仅仅基于电流值即可判断电流方向，而无需电压信号，故而可以省去价格高的电压互感器。

本发明的另外一个实施例还公开了一种确定电力传输线路中故障方向的装置，包括：瞬时电流获取单元，用于获取电力传输线路在一个测量位置处在^时长的故障前瞬时时域电流 ^ ( )和^时长的故障后瞬时时域电流 _/fl„( )；电流处理单元，用于把获取的故障前瞬时时域电流 ^Ζ^^{β (} )或者故障后瞬时时域电流在时域上平移 _T/_4+mT，从而使平移后的故障前瞬吋时域电流与故障后瞬时时域电流 ^{ζ (} )相差 π /4+2m π相位角，或者使平移后的故障后时域电流^{¾ W}与故障前瞬时时域电流^ ^)相差 π /4+2m π 相位角；积分单元，用于把故障后瞬时时域电流 ^{Ζ (} )与平移后的故障前瞬时时域电流的乘积，或者故障前瞬时时域电流 ^W与平移后的故障后时域电流^" ^(?)的乘积在^时间段内积分，得到积分结果；和比较单元，用于比较所述积分结果^ "和预定的阈值，根据比较的结果确定电力传输线路中故障相对于所述测量位置的方向；其中 n和 m为 0或者正整数， T为电力传输线路中瞬时时域电流的周期。上述装置无需依靠过零电流判断故障方向，所以其对直流电流不敏感，同时积分的方式使得该方法抵抗干扰的能力强，对故障方向的判断准确性更高。并且，也没有采用傅里叶变换获取电流的频率和角速度。系统的判定精度与采样点数无直接关系，上述装置需要的采样吋间最少可为半个周期时长的瞬时电流信号，这可以减少设备成本。另外，故障点的测量位置也不会影响上述装置判断故障的准确性。最后，上述装置仅仅基于电流值即可判断电流方向，而无需电压信号，故而可以省去价格高的电压互感器。

本发明的另外一个实施例还公开了一种机器可读的存储介质，其特征在于，存储用于使所述机器执行上面所述的检测方法的指令。

本发明的再一个实施例还公开了一种计算机程序，其特征在于，当所述计算机程序运行于一机器中时使所述机器执行上面所述的检测方法。

附图说明

图 1是应用本发明中一种确定电力传输线路中故障方向的方法的电力系统的结构示意图；

图 2是上游瞬时故障电流、下游瞬时故障电流和故障前瞬时电流的矢量图；

图 3是本发明实施例中一种确定电力传输线路中故障方向的方法的流程图；

图 4是本发明实施例中另外一种确定电力传输线路中故障方向的方法的流程图；

图 5是本发明一个实施例中确定电力传输线路中故障方向的装置的结构示意图；

图 6和 7分别是从本发明的一个测试样例中得到的出现上游故障时的积分结果和出现下游故障时的积分结果。

具体实施方式

为了使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，以下举例对本发明实施例进行进一步的详细说明。

图 1是应用本发明中一种确定电力传输线路中故障方向的方法的电力系统的结构示意图。这里的电力传输线路可以为输电线路和配电线路。本发明适用的电力系统可以为单相电的，双相电的，或者三相四线的。上游电源 5 (例如分布式发电设备）和下游电源 6 (例如电网）通过电线 7连接。正常的能量方向从上游电源 5流向下游电源 6。电流互感器 8设置在电线 7的一个位置处用来检测电流。电流互感器 8检测到的电流信号传送给使用本发明确定故障方向的方法的微处理器 9中。微处理器 9根据该方法确定出故障的方向后使继电器 10动作，切断相应方向上的电路。

图 1只是能够应用本发明确定故障方向的方法的一种电力系统的例子。本发明的方法还可以用于其它多种电力系统。例如上游电源 5还可以为电网，下游电源 6可以为变电站或者有源用电设备。电流互感器 8可以用罗果夫斯基（Rogowsk 线圈替代，微处理器 9也可以为其它的智能装置。

图 2是上游瞬时故障电流、下游瞬时故障电流和故障前瞬时电流的矢量图，用来说明本发明确定故障方向的原理。规定沿着电流的方向，发生在测量位置上游的故障为上游故障，发生在测量位置下游的故障为下游故障。图 2中各个矢量分别为： U表示基准电压， _up表示当输电线路上游出现故障时由故障引起的额外瞬时电流变化， i _dw表示当输电线路下游出现故障后由故障引起的额外瞬时电流变化。 i _pre表示出现故障前正常的瞬时电流， _{fau up}表示上游出现故障后上游的瞬时故障电流， _fau— ^表示下游出现故障后下游的瞬时故障电流。 e_pre表示故障前正常电流的初始相位角， e_fau— _up和 e_fau— ^分别为上游和下游出现故障后瞬时电流的初始相位角。以基准电压 U为基准点，如图 2所示，如果故障发生在检测位置的下游，则存在下述关系： ifau = i fau—chv = ^ pre ⁺ w ( 1 ) 并且 θ pre fau _ d ,w > 0 ( 2 ) 如果故障发生在检测位置的下游，则存在下述关系： ifau = i fau—dw = ^ pre ~ p ( 3 ) 并且

所以故障的方向（即在检测位置的上游还是下游）能够依据故障前瞬时电流和故障后瞬时电流的初始相位角的差值的正负（极性）确定。

图 3是本发明实施例中一种确定电力传输线路中故障方向的方法的流程图。下面仅以单相短路为例来说明该方法。该方法包括如下步骤：（a) 在电力传输线路中出现短路、接地等故障之前，获取电力传输线路一个测量位置处在半个周期或者半个周期整数倍（即^， n为零或正整数）时长的故障前瞬时时域电

(n+\)T 流。在该电路传输线路出现故障之后，例如当过电流报警器报警后，再获取电路的同一位置在时长的故障后瞬时时域电流 _/fl„ ( 。可以以接收电力传输线路现场的电流传感器传送过来的瞬时时域电流信号的方式或者直接用电流传感器检测瞬时电流信号的方式获取上述电流。这里对故障前瞬时电流和故障后瞬时电流的获取（采样）频率没有特殊要求，只是需要采集数据的时长为^即可。同时，对测量位置也没有要求。已知故障前瞬时电流和故障后瞬时电流 _/fl„( ) 能够通过下述正弦函数表示： e ( = ^_pre sin(^ + ^_re) ( 5 ) (t (6) 公式中， i_pre 为故障前瞬时电流的幅值， i_fau 为故障后瞬时电流的幅值， w为电流的角速度， e_pre为故障前正常电流的初始相位角， ^^为故障电流的初始相位角， r为瞬时电流的周期。当然，电力领域的技术人员知道故障前瞬时电流 ()和故障后瞬时电流 _/fl„( )也可以用余弦函数表示，余弦函数和这里的正弦函数实质上只是相位角相差 90度，其和正弦函数的实质相同，本申请权利要求覆盖使用余弦函数的故障确定方法。

之后，该方法的步骤 (b)为：把获取的故障前瞬时时域电流 ( )在时域上平移 Τ/4+mT 得到 re(^{t +} -+ ^mT) ' 这里∞为零或正整数。从而使平移后的故障前瞬时时域电流。 _re(t + + :0与故障后瞬时时域电流 _/fl„ ( 相差 π /4+2m π相位角。也可以把故障后瞬时时域电流 _/fla (t)在时域上平移 T/4+mT，得到 i_fau (t +→mT),从而使平移后的故障后时域电流 i_fau (t +→mT)与故障前瞬时时域电流 i_pre (t)相差 π /4+2m π相位角。然后，该方法的步骤（c)包括：把故障后瞬时时域电流 _/fl„W与平移后的故障前瞬时时域电流 r_e + +∞Γ)的乘积在^时间段内积分，得到积分结果，即

或者，与步骤（b)对应，把平移后的故障后瞬时时域电流 _/fl„(t + + wr)与故障前瞬时时域电流^ W 的乘积在^时间段内积分，得到积分结果，即 (t + - + mT it (7')

上述公式（7) 和（7') 中 n的取值应当与步骤（a) 中的一致。

需要说明的是，在这里 "积分"是求取 (»_/fl„ + 或者 +∞7 _/fl„ )在半个周期或者半个周期整数倍时长的和。其包括对连续电流信号（即数字信号）求和，也包括对离散电流信号（模拟信号）求和。具体而言，这里可以将 )_/fl„ +^+ r或者 + 7 _/fl! t)在半个周期或者半个周期整数倍内的多个离散值加起来即可。而下面仅以对连续电流信号积分为例说明本发明的方法。优选，在步骤（a)中获取半个周期时长的故障前瞬时时域电流^ 和故障后瞬时时域电流^" ⁽ )。这样需要采集的电流信号时间最短，可以迅速的判定故障方向。下面以 n取 o为例说明计算积分结果 y的过程。 y ² + (7" ) 将上 5 )、 (6) 带入得到下述公式：

Ϊ = (8 )

由三：

7 = - 0_fau ))dt (9 )

r = ^I_pJ_fauTsm(0_pre - 0_fau) ( 10)

由于^ _re J T的乘积是正的，所以积分结果 y 和故障前瞬吋电流和故障后瞬时电流的初始相位角的差值 ( 具有相同的极性，即为正时，则 ( 也为正；反之为负时，则 ( 也为负。因此积分结果 ^能用来确定故障的方向。

最后，该方法的步骤 (d)为：比较积分结果和预定的阈值，根据比较的结果确定电力传输线路中故障相对于所述测量位置的方向。可以根据电力传输线路的现场情况或者经验设定阈值的大小。如图 4所示，阈值可以设定为零，即：如果^ " ^{> ()} , 则确定故障方向为上游；相反如果 ^{< Q} , 则确定故障方向为下游。

上述方法通过构造一个积分函数使得函数的积分结果能够反应故障前瞬时电流和故障后瞬时电流初始相位角的差值的极性。并且通过运算能够消除掉函数中的未知参数，仅仅通过检测电流信号就能够得到函数的积分结果从而能够确定故障前瞬时电流和故障后瞬时电流初始相位角的差值的极性，从而能够确定输电线路相对于检测位置的故障方向。该方法无需依靠过零电流来判断故障方向，所以其对直流电流不敏感，同时积分的方式使得该方法抵抗干扰的能力强，对故障方向的判断准确性更高。并且，本发明没有采用傅里叶变换获取电流的频率和角速度。系统的判定精度与采样点数无直接关系，需要的采样时间最少可为半个周期时长的瞬时电流信号，这可以减少设备成本。另外，故障点的测量位置也不会影响上述方法判断的准确性。最后，上述方法仅仅基于电流值即可判断电流方向，而无需电压信号，故而可以省去价格高的电压互感器。

图 5是本发明一个实施例中确定电力传输线路中故障方向的装置的结构示意图。该装置包括：瞬时电流获取单元 1、电流处理单元 2、积分单元 3和比较单元 4。瞬吋电流获取单元 1用于获取电力传输线路在一个测量位置处在^时长的故障前瞬时时域电流和 (n+l)T/2时长的故障后瞬时时域电流 _/fl„(0 。电流处理单元 2 用于把获取的故障前瞬时时域电流 ^Ζ^ ⁽ )或者故障后瞬时时域电流^{¾ (} )在时域上平移 T/4+mT, 从而使平移后的故障前瞬时时域电流与故障后瞬时时域电流^{¾ (} )相差 π /4+2m π相位角，或者使平移后的故障后时域电流 ^{Ζ ( )}与故障前瞬时时域电流^¾^ ）相差 π /4+2m π相位角。积分单元 3用于把故障后瞬时时域电流^{¾ (ί)}与平移后的故障前瞬时时域电流的乘积，或者故障前瞬时时域电流^¾ ^)与平移后的故障后时域电流^" (0的乘积在^时间段内积分，得到积分结果。比较单元 4用于比较所述积分结果和预定的阈值，根据比较的结果确定电力传输线路中故障相对于所述测量位置的方向。

本领域的技术人员知晓，上述装置的瞬时电流获取单元 1、电流处理单元 2、积分单元 3和比较单元 4 不仅可以用软件实现，还可以用现场可编程门阵列（FPGA)、 ASIC 芯片、复杂可编程逻辑芯片 CPLD (Complex Programmable Logic Device)等硬件电路实现。

图 6和 7分别是从本发明的一个测试样例中得到的出现上游故障时的积分结果 ^和出现下游故障时的积分结果 ^。该测试样例是在 35千伏的电网电压，频率为 50Hz，故障类型为三相短路故障的条件下做的，从图 6中看到，在出现上游故障时，积分结果 ^为负。从图 7中看到，在出现下游故障时，积分结果为正。该测试样例表明依据本发明方法和装置中的积分结果的正负能够准确地确定故障方向。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。在具体的实施过程中可对根据本发明的优选实施例进行适当的改进，以适应具体情况的具体需要。因此可以理解，本文所述的本发明的具体实施方式只是起示范作用，并不用以限制本发明的保护范围。

Claims

权利要求书

1. 一种确定电力传输线路中故障方向的方法，包括如下步骤： (a) 获取电力传输线路在一个测量位置处在^时长的故障前瞬时时域电流和^时长的故障后瞬时时域电流 _/fl„( )；

(b) 把获取的故障前瞬时时域电流 ( )或者故障后瞬时时域电流 _/fl„( )在时域上平移 T/4+mT，使平移后的故障前瞬时时域电流与故障后瞬时时域电流 ( 相差 π /4+2m π相位角，或者使平移后的故障后时域电流 _/fl„ ( 与故障前瞬时时域电流 ( )相差 π /4+2m π相位角；

(c) 把故障后瞬时时域电流 ( )与平移后的故障前瞬时时域电流的乘积，或者故障前瞬时时域电流 i_p t)与平移后的故障后时域电流 _/fl„ ( 的乘积在^时间段内积分，得到积分结果 _;

(d) 比较所述积分结果 ^和预定的阈值，根据比较的结果确定电力传输线路中故障相对于所述测量位置的方向；其中 n和 m为 0或正整数， T为所述电力传输线路中瞬时时域电流的周期。

2. 根据权利要求 1所述的方法，其中所述步骤（d) 进一步为：当积分结果小于预定的阈值时，确定所述电力传输线路在所述测量位置的第一方向出现故障，当积分结果大于预定的阈值时，确定所述电力传输线路在所述测量位置的第二方向出现故障。

3. 根据权利要求 1所述的方法，其中：

所述步骤（a)进一步为：获取电力传输线路在一个测量位置处在 T/2时长的故障前瞬时时域电流 ^ ) 和时长的故障后瞬时时域电流 _/fl„(0；并且所述步骤（c) 进一步为：使用下述公式积分并得到积分结果 :

7= ²i_pre(t)i (t + ^)dt 或者 = i_pre(t + ^)i_fau(t)dt

4. 一种确定电力传输线路中故障方向的装置，包括：瞬时电流获取单元 (1)，用于获取电力传输线路在一个测量位置处在^时长的故障前瞬时时域电流和 ^时长的故障后瞬时时域电流 z。„ ( ；电流处理单元 (2)，用于把获取的故障前瞬时时域电流 i_pre (t)或者故障后瞬时时域电流 i_fau (t)在时域上平移 T/4+mT，从而使平移后的故障前瞬时时域电流与故障后瞬时时域电流 _/fl„ (t)相差 π /4+2m π相位角，或者使平移后的故障后时域电流 _/fl„ ( 与故障前瞬时时域电流 ( )相差 π /4+2m π相位角；积分单元 (3)，用于把故障后瞬时时域电流 _/fl„( )与平移后的故障前瞬时时域电流的乘积，或者故障前瞬时时域电流 ( 与平移后的故障后时域电流 _/fl„ ( 的乘积在 ^时间段内积分，得到积分结果 y；比较单元 (4)，用于比较所述积分结果 ^和预定的阈值，根据比较的结果确定电力传输线路中故障相对于所述测量位置的方向；其中 n和 m为 0或正整数， T为所述电力传输线路中瞬时时域电流的周期。

5. 根据权利要求 4所述的装置，其中所述比较单元（4) 进一步用于：当积分结果小于预定的阈值时，确定所述电力传输线路在所述测量位置的第一方向出现故障，当积分结果大于预定的阈值时，确定所述电力传输线路在所述测量位置的第二方向出现故障。

6. 根据权利要求 4所述的装置，其中，

所述瞬时电流获取单元 (1) 进一步用于获取电力传输线路在一个测量位置处在时长的故障前瞬时时域电流 ^( )和时长的故障后瞬时时域电流 _/fl„ (0；禾口所述积分单元 (3)使用下述公式积分并得到积分结果 y：

r = (² i_pre (t)i (t + ^)dt 或者 = |^ _e (t + ) _/fl„(t ft

7. 一种机器可读的存储介质，其特征在于，存储用于使一机器执行根据权利要求 1-3中任一所述的方法的指令。

8. 一种计算机程序，其特征在于，当所述计算机程序运行于一机器中时使所述一机器执行根据权利要求 1-3中任一所述的方法。