专利名称：输电线路故障方向检测方法
技术领域：
本发明涉及电力系统继电保护及故障检测技术领域，尤其涉及输电线路故障方向
检测领域。
背景技术：
高压输电线路特别是超、特高压长距离输电线路的参数具有明显的分布参数特 征。传统的基于工频电气量的继电保护受到输电线路分布电容、电流互感器饱和等因素的 影响，不能准确检测线路上的故障。但实际上故障后的故障暂态行波包含了丰富的故障信 息。故障后的电压故障暂态行波波头和电流故障暂态行波波头信号是一个频谱范围很广的 信号，理论上是一个全频域的信号。早在上世纪50年代国内外学者就开始研究基于故障暂 态行波的继电保护，并提出了多种行波保护原理和方案。但是现有研究表明，电力系统中应 用的电流互感器可以有效地传变电流故障暂态行波，在电力系统220kV及以上电压等级中 广泛使用的电压互感器——电容式电压互感器，仅仅可以传变工作频率(50赫兹或者60赫 兹)左右一个很窄的频带的电压信号，不能有效地将电力系统一次侧的电压故障暂态行波 波头传变到互感器的二次侧。因此基于电压故障暂态行波和电流故障暂态行波的故障方向 检测和方向保护无法实现，这也是电力系统行波保护研究领域中多年来的一个没有解决的 技术问题。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种输电线路故障方向检测方法，包括步 骤IOO，分别获取输电线路的三个电流模量故障暂态行波的波头极性匪I。，匪Ie ， miY ;步 骤200，分别获取所述输电线路的三个电压模量故障暂态行波中工频分量的初始极性Sa ， Se ， SY ;步骤300，将所述三个电流模量故障暂态行波的波头极性匪I。，匪Ie ， miY分别与 对应的所述电压故障暂态行波中工频分量的初始极性S。， Se， SY进行比较，并根据判断结 果确定所述输电线路的故障方向。 在上述技术方案中，优选地，在所述步骤100中包括步骤102，在输电线路的正 常运行状态下，对所述输电线路的电流进行实时采样和存储，采样率为400kHz，获得电流的 采样值序列；步骤104，当所述输电线路发生故障时，对所采集的三相电流值ia(n) ， ib(n)， i。(n)进行凯伦贝尔(Karenbauer)变换，将存在电磁耦合关系的三个相量电流相量解耦 为独立的三个模量电流模量ia (n) ， ie (n) ， iY (n);步骤106，对所述三个模量电流ia (n)， ie (n)， iY (n)进行小波变换，求得对应的小波变换系数；以及步骤108，分别求取所述小波 变换系数的模极大值，以及根据所述模极大值的极性来分别确定所述电流故障暂态行波的 波头极性。 在上述技术方案中，优选地，在所述步骤104中，凯伦贝尔变换为
4
<formula>formula see original document page 5</formula>
在所述步骤106中，采用三次中心B样条函数的导函数作为小波函数。在所述步 骤108中，所述小波变换系数的模极大值为对于任一给定的正数e，当|n-n。| < e满足
时，对任意的n # n。，如果l^'("。)卜l^/(")l成立，则认为l"" )l为所述小波变换系数的 模极大值，其中n为采样序号，n。为模极大值所对应的采样序号，lw , ""l为所述小波变换
2
系数，j为小波变换的尺度。
在上述技术方案中，优选地，在所述步骤200中包括 步骤202，正常运行状态下，对所述输电线路的电压进行实时采样和存储，采样率 为20kHz，获得所述电压的采样值序列； 步骤204，当所述输电线路故障时，提取所述输电线路的各相电压故障暂态行波中
工频分量 Ufttpa赁Ufttpb赁Ufttpc ^ 步骤206，对所提取的所述工频分量Utff^， ufttDb， Uftt。。进行凯伦贝尔变换，将存在
丄fttpa ， %UpP ， %UpY
电磁耦合关系的三个相量电压解耦为独立的三个模量电压uf
步骤208，分别对所述三个模量电压故障暂态行波中工频分量的初始阶段采样值 进行求和；以及 步骤210，根据求和结果确定所述电压故障暂态行波中的工频分量的初始极性。
在上述技术方案中，优选地，在所述步骤208中，所述初始阶段为从所述故障后所 述故障暂态行波到达母线电容式电压互感器处的时刻开始到预定时间结束的时间间隔。
在上述技术方案中，优选地，所述预定时间为2毫秒。 在上述技术方案中，优选地，在所述步骤210中使用符号函数来确定所述电压故 障暂态行波中的工频分量的初始极性。 在上述技术方案中，优选地，在所述步骤300中，当确定所述各电流模量故障暂态 行波的波头极性中的任一模量的波头极性与对应模量的所述电压故障暂态行波中工频分 量的初始极性相反，则确定所述输电线路故障为正向故障。 在上述技术方案中，优选地，在所述步骤300中，当确定与故障类型相关的所述各 电流模量故障暂态行波的波头极性都与对应模量的所述电压故障暂态行波中工频分量的 初始极性相同时，则确定所述输电线路故障为反向故障。 从而，本发明能够在电容式电压互感器不能有效地将电力系统一次侧的电压故障 暂态行波波头传变到电容式电压互感器二次侧的情况下，充分利用电流故障暂态行波在电 力系统故障检测中的作用，利用电容式电压互感器二次侧可以得到的故障后电压故障暂态 行波中的工频分量来极化电流故障暂态行波，从而确定故障方向，进而构成一种可实用的 输电线路故障方向检测元件，最终实现输电线路行波方向保护。 虽然电容式电压互感器不能传变电压故障暂态行波的波头，但是故障后电压故障 暂态行波中，不仅仅包含电压故障暂态行波的波头，同时还包含了大量的工频分量，这些工频分量是可以传变到电容式电压互感器的二次侧的，而且电压故障暂态行波的波头极性和 电压故障暂态行波中工频分量的初始极性是具有一致性的，所以可以用电压故障暂态行波 中的工频分量初始极性和电流故障暂态行波的波头极性构成极性比较式故障方向检测元 件，从而解决了长期以来由于电容式电压互感器不能传变电压故障暂态行波的波头而无法 构成可应用于实际电力系统的行波故障方向检测元件及行波方向保护的这一难题。
图1是根据本发明的一个实施例的输电线路故障方向检测方法的流程图； 图2是图1中示出的步骤100的处理过程的流程图； 图3是图1中示出的步骤200的处理过程的流程图； 图4是根据本发明的一个优选实施例的输电线路故障方向检测方法的流程图； 图5是根据本发明的输电线路故障方向检测方法中的正向故障的判据图；以及 图6是根据本发明的输电线路故障方向检测方法中的反向故障的判据图。
具体实施例方式
图1示出了根据本发明的一个实施例的输电线路故障方向检测方法的流程图。该 输电线路故障方向检测方法，包括步骤100，分别获取输电线路的三个电流模量故障暂态 行波的波头极性匪I。，匪Ie，匪1￥ ;步骤200，分别获取所述输电线路的三个电压模量故障 暂态行波中工频分量的初始极性S。， Se， SY ;步骤300，将所述各电流模量故障暂态行波的 波头极性匪I。，匪Ie ，MMIY分别与对应模量的所述电压故障暂态行波中工频分量的初始极 性S。，Se，Sy进行比较，并根据判断结果确定所述输电线路的故障方向。
在上述技术方案中，优选地，如图2所示。在所述步骤100中包括步骤102，在输 电线路的正常运行状态下，对所述输电线路的电流进行实时采样和存储，采样率为400kHz， 获得电流的采样值序列；步骤104，当所述输电线路发生故障时，对所采集的三相电流值 ia(n) ， ib(n) ， i。(n)进行凯伦贝尔变换，将存在电磁耦合关系的三个相量电流解耦为独立的 三个模量电流i。(n)， ie(n)， iY(n);步骤106，对所述三个模量电流ia (n) ， ie(n)， iY(n) 进行小波变换，求得对应的小波变换系数；以及步骤108，分别求取所述小波变换系数的模 极大值，以及根据所述模极大值的极性来分别确定所述电流故障暂态行波的波头极性。
在上述技术方案中，优选地，在所述步骤106中，采用三次中心B样条函数的导 函数作为小波函数。所述小波变换系数的模极大值为对于任一给定的正数e，当
in—nn
< e满足时，对任意的n^n。，如果
>
T^j(rt)成立，则认为jw^ o。 ) l为所述/J
波变换系数的模极大值，其中n为采样序号，n。为模极大值所对应的采样序号，|^2,
为所述小波变换系数，j为小波变换的尺度。 在上述技术方案中，优选地，在所述步骤200中包括 步骤202，正常运行状态下，对所述输电线路的电压进行实时采样和存储，采样率 为20kHz，获得所述电压的采样值序列； 步骤204，当所述输电线路故障时，提取所述输电线路的三相电压故障暂态行波中 工频分
Ufttpa赁Ufttpb赁Utttpc
步骤206，对所提取的所述工频分量ufttpa， uffttpb， uffttpc进行凯伦贝尔变换，将存在 电磁耦合关系的三个相量电压解耦为独立的三个模量电压ufttpa ， ufttpe ， ufttpY ;
步骤208，分别对所述三个模量电压故障暂态行波中工频分量的初始阶段采样值 进行求和；以及 步骤210，根据求和结果确定所述电压故障暂态行波中的工频分量的初始极性。
在上述技术方案中，优选地，在所述步骤208中，所述初始阶段为从所述故障后所 述故障暂态行波到达母线电容式电压互感器处的时刻开始到预定时间结束的时间间隔。
在上述技术方案中，优选地，所述预定时间为2毫秒。 在上述技术方案中，优选地，在所述步骤210中使用符号函数来确定所述电压故 障暂态行波中的工频分量的初始极性。 在上述技术方案中，优选地，在所述步骤300中，当确定所述各电流模量故障暂态 行波的波头极性中的任一模量的波头极性与对应模量的所述电压故障暂态行波中工频分 量的初始极性相反，则确定所述输电线路故障为正向故障。 在上述技术方案中，优选地，在所述步骤300中，当确定与故障类型相关的所述各 电流模量故障暂态行波的波头极性都与对应模量的所述电压故障暂态行波中工频分量的 初始极性相同时，则确定所述输电线路故障为反向故障。 图4是根据本发明的一个优选实施例的输电线路故障方向检测方法的流程图。
本发明的优先实施方式的流程图如图4所示，包括以下步骤
1)电流故障暂态行波波头极性的获取 L D正常运行状态下，对输电线路的电流进行实时采样和存储，采样率为 400kHz，获得电流的采样值序列，当输电线路发生故障时，首先对采集的三相电流值ia(n)， ib(n)， i。(n)进行凯伦贝尔(Karenbauer)变换，将存在电磁耦合关系的三个相量电流解耦 为独立的三个模量电流ia (n) ， ie (n) ， iY (n)。 1. 2)对采集到的故障后电流故障暂态行波ia (n) ， ie (n) ， iY (n)进行小波变换求
得各模量电流对应的小波变换系数^^' f W2/ ^ 。 在本实施例中，小波函数采用三次中心B样条函数的导函数作为小波函数。小波
系数序列Olk}k￡Z， (gJksz为<formula>formula see original document page 7</formula> 采用上述小波变换后，故障电流的离散信号i(n)可以分解为它的小波逼近和小 波变换 <formula>formula see original document page 7</formula>
式中A^'0)为电流信号i(n)的小波逼近系数，^2丌0)为电流信号的小波变换系数。 1. 3)对各模量电流的小波变换系数求取模极大值匪I a ，匪I e ，匪I Y 。
小波变换的模极大值定义为
对任一给定的正数e >0，当|n ^n。 | < e满足时，对任意的n - n。，有 >
"
T^^(w)成立，则称lT^^Ozo)l为小波变换系数的模极大值，小波变换系数的模
极大值实际是小波变换系数的局部极大值。电流信号小波变换的模极大值极性就代表了电 流故障暂态行波波头的极性。 2)电压故障暂态行波中工频分量的提取 2. 1)正常运行状态下，对输电线路的电压进行实时采样和存储，采样率为20kHz， 获得电压的采样值序列，当输电线路故障时，用故障后的电压采样点u(n)减去2倍的故障 前一个工频周期对应的电压采样点u (n-N)，再加上故障前两个工频周期对应的电压采样点 u(n-2N)，用下式提取各相电压故障暂态行波中工频分量ufttpa， ufttpb， ufttpc。
ufttpm (n) = um (n) _2um (n_N) +um (n_2N) 上式中UfttM(n)是线路故障后故障电压行波中的工频分量离散采样点，N为-
-水
工频周期的采样点数，在本实施例中N = 400， m表示a， b， c三相。 2. 2)对采集的三相电压值ufttpa， ufttpb， ufttpc进行凯伦贝尔(Karenbauer)变换，将 存在电磁耦合关系的三个相量电压解耦为独立的三个模量电压ufttpa ， ufttpe ， ufttpY 。
2. 3)用下式对电压故障暂态行波中工频分〗
t初始阶段的采样值进行求和。
二 U f O) W
a:=、 式中为故障后故障暂态行波到达母线电容式电压互感器处的时刻对应的采 样点，k2为、与采样点相差2毫秒对应的采样点。uSM中的下标sum表示求和，第二个下 标m表示模量a ， p ， Y ， Ufttpm中的下标fttp表示故障暂态行波中工频分量，下标m表示 模量a ， P ， y 。 2. 4)用下式求得电压故障暂态行波中工频分量的初始极性。 Sm = sgn(uj 式中m代表模量a ， P ， y 。 3)故障方向判定 3. 1)对获得的电流故障暂态行波波头极性MMI a ， MMI e ， MMIY和电压故障暂态行波 中工频分量的初始极性Sa，Se，Sy相比较。故障方向检测的正向判据如图5所示，当任一模 量电流故障暂态行波波头的极性与对应模量电压故障暂态行波中工频分量的极性相反时， 判定为正向故障。 3. 2)故障方向检测的反向判据如图6所示，当相对应的电流模量故障暂态行波 的波头极性与对应电压模量故障暂态行波中工频分量的初始极性都相同时，判定为反向故障。 从而，本发明能够在电容式电压互感器不能有效地将电力系统一次侧的电压故障 暂态行波波头传变到电容式电压互感器二次侧的情况下，充分利用电流故障暂态行波在电 力系统故障检测中的作用，利用电容式电压互感器二次侧可以得到的故障后电压故障暂态 行波中的工频分量来极化电流故障暂态行波，从而确定故障方向，进而构成一种可实用的 输电线路故障方向判别方法，最终实现输电线路行波方向保护。
虽然电容式电压互感器不能传变电压故障暂态行波的波头，但是故障后电压故障
暂态行波中，不仅仅包含电压故障暂态行波的波头，同时还包含了大量的工频分量，这些工
频分量是可以传变到电容式电压互感器的二次侧的，而且电压故障暂态行波的波头极性和
电压故障暂态行波中工频分量的初始极性是具有一致性的，所以可以用电压故障暂态行波
的工频分量初始极性和电流故障暂态行波的波头极性构成极性比较式故障方向检测方法，
从而解决了长期以来由于电容式电压互感器不能传变电压故障暂态行波的波头而无法构
成可应用于实际电力系统的行波故障方向检测元件及行波方向保护的这一难题。 本发明首先利用小波变换及其模极大值算法提取故障后各电流模量故障暂态行
波的波头极性，然后用故障后的电压采样点数值减去两倍的故障前一个工频周期对应的电
压采样点数值，再加上故障前两个工频周期对应的电压采样点数值，提取出各相电压故障
暂态行波中工频分量，并做相模变换，求得各电压模量故障暂态行波中工频分量，进而对各
电压模量故障暂态行波中工频分量从故障后故障暂态行波到达母线电容式电压互感器处
的时刻开始的两毫秒时间段内采样值求和，并提取出求和结果的极性作为各电压模量故障
暂态行波中工频分量的初始极性。并比较各电压模量故障暂态行波中工频分量的初始极性
和各电流模量故障暂态行波波头的极性判定故障方向是正向还是反向。 本发明利用了"故障后电压故障暂态行波中工频分量的初始极性和波头的极性一 致"这一特性，用电压故障暂态行波中的工频分量的初始极性与电流故障暂态行波的波头 极性构成一种可应用于实际电力系统的行波故障方向检测方法，用以构成输电线路行波方 向保护。克服了传统的行波故障方向检测方法由于电容式电压互感器不能有效传变电压故 障暂态行波波头而不能构成可应用于实际电力系统的行波故障方向检测元件的这一难题。 该行波故障方向检测方法动作速度快，不受电流互感器饱和影响，耐受故障过渡电阻能力 强，不受长线分布电容电流的影响，适合用于构成高压线路特别是超、特高压线路的纵联行 波方向保护。 以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技 术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修 改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
一种输电线路故障方向检测方法，其特征在于，包括步骤100，分别获取输电线路的三个模量电流故障暂态行波的波头极性MMIα，MMIβ，MMIγ；步骤200，分别获取所述输电线路的三个模量电压故障暂态行波中工频分量的初始极性Sα，Sβ，Sγ；步骤300，将所述三个模量电流故障暂态行波的波头极性MMIα，MMIβ，MMIγ分别与对应模量的所述电压故障暂态行波中工频分量的初始极性Sα，Sβ，Sγ进行比较，并根据判断结果确定所述输电线路的故障方向。
2. 根据权利要求1所述的输电线路故障方向检测方法，其特征在于，在所述步骤100中 包括步骤102，在输电线路的正常运行状态下，对所述输电线路的电流进行实时采样和存 储，采样率为400kHz，获得电流的采样值序列；步骤104，当所述输电线路发生故障时，对所采集的三相电流值ia(n)， ib(n)， i。(n)进 行凯伦贝尔变换，将存在电磁耦合关系的三个相量电流解耦为独立的三个模量电流i。(n)， i e (n) ， i Y (n);步骤106，对所述三个模量电流i a (n) ， i e (n) ， i Y (n)进行小波变换，求得对应的小波变 换系数；以及步骤108，分别求取所述小波变换系数的模极大值，以及根据所述模极大值的极性来分 别确定所述电流故障暂态行波的波头极性。
3. 根据权利要求1或2所述的输电线路故障方向检测方法，其特征在于，在所述步骤 106中，采用三次中心B样条函数的导函数作为小波函数。
4. 根据权利要求3所述的输电线路故障方向检测方法，其特征在于，所述小波变换系 数的模极大值为对于任一给定的正数e，当|n-n。| < e满足时，对任意的n^n。，如果|w2"( )|> |,;/(" )|成立，则认为卜2"("。)|为所述小波变换系数的模极大值，其中n为采样序号，n。为模极大值所对应的采样序号，|^2; "")l为所述小波变换系数，j表 示小波变换的尺度。
5. 根据权利要求1或2所述的输电线路故障方向检测方法，其特征在于，在所述步骤200中包括:步骤202，正常运行状态下，对所述输电线路的电压进行实时采样和存储，采样率为 20kHz ，获得所述电压的采样值序列；步骤204，当所述输电线路故障时，提取所述输电线路的三相电压故障暂态行波中工频A里Ufttpa， Ufttpb， Ufttpc ;步骤206，对所提取的所述工频分量Uft^， ufttpb， Ufttp。进行凯伦贝尔变换，将存在电磁 耦合关系的三个相量电压解耦为独立的三个模量电压ufttpa ， ufttpe ， ufttpY ;步骤208，分别对所述三个模量电压故障暂态行波中工频分量的初始阶段采样值进行 求和；以及步骤210，根据求和结果确定所述电压故障暂态行波中的工频分量的初始极性。
6. 根据权利要求5所述的输电线路故障方向检测方法，其特征在于，在所述步骤208中，所述初始阶段为从所述故障后所述故障暂态行波到达母线电容式电压互感器处的时刻 开始到预定时间结束的时间间隔。
7. 根据权利要求6所述的输电线路故障方向检测方法，其特征在于，所述预定时间为2毫秒。
8. 根据权利要求5所述的输电线路故障方向检测方法，其特征在于，在所述步骤210中 使用符号函数来确定所述电压故障暂态行波中的工频分量的初始极性。
9. 根据权利要求1所述的输电线路故障方向检测方法，其特征在于，在所述步骤300 中，当确定所述各电流模量故障暂态行波的波头极性中的任一模量的波头极性与对应模量 所述电压故障暂态行波中工频分量的初始极性相反，则确定所述输电线路故障为正向故 障。
10. 根据权利要求1所述的输电线路故障方向检测方法，其特征在于，在所述步骤300 中，当确定所述电流故障暂态行波的各模量波头极性都与对应模量的所述电压故障暂态行 波中工频分量的初始极性相同时，则确定所述输电线路故障为反向故障。
全文摘要
本发明提供了一种输电线路故障方向检测方法，包括步骤100，分别获取输电线路的三个模量电流故障暂态行波的波头极性MMIα，MMIβ，MMIγ；步骤200，分别获取所述输电线路的三个模量电压故障暂态行波中工频分量的初始极性Sα，Sβ，Sγ；步骤300，将所述各模量电流故障暂态行波的波头极性MMIα，MMIβ，MMIγ分别与对应模量的所述电压故障暂态行波中工频分量的初始极性Sα，Sβ，Sγ进行比较，并根据判断结果确定所述输电线路的故障方向。从而解决了长期以来由于电容式电压互感器不能传变电压故障暂态行波的波头而无法构成可应用于实际电力系统的行波故障方向检测元件及行波方向保护的这一难题。
文档编号G01R31/08GK101701999SQ20091023823
公开日2010年5月5日 申请日期2009年11月23日 优先权日2009年11月23日
发明者施慎行, 王世勇, 王宾, 董新洲 申请人:清华大学