在稳态期间使用行波进行的故障检测和保护的制作方法

本公开涉及电力系统保护。更具体地，本公开涉及使用行波检测电气故障并且在电流接近故障水平之前发出保护动作的信号。

附图简述

描述了本公开的非限制性和非详尽的实施例，包括参考附图的本公开的各个实施例，在附图中：

图1示出了电力输送系统的单线图。

图2示出了在故障状况开始期间三相电力输送系统上的电流值的图。

图3示出了通过检测行波来保护电力系统的方法。

图4示出了通过检测行波来保护电力系统的另一种方法。

图5示出了电力输送系统的一部分的单线图。

图6示出了电力输送系统的一部分的单线图。

图7示出了通过检测行波来保护电力系统的方法。

图8示出了通过检测行波来保护电力系统的方法。

图9示出了根据本公开的某些实施例的用于使用行波检测故障和评估故障位置的系统的功能框图。

详细描述

通过参照附图将最好地理解本公开的实施例，其中通篇相似的部分由相似的数字标记。将容易理解的是，如在本文中的附图中一般性地描述和图示的，所公开的实施例的部件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，本公开的系统和方法的实施例的以下详细描述不旨在限制本公开所要求保护的范围，而是仅代表本公开的可能实施例。另外，除非另有说明，方法的步骤不一定需要按照任何特定的顺序或甚至依次序地执行，也不需要步骤仅执行一次。

在一些情况下，众所周知的特征、结构或操作没有被详细示出或描述。此外，所描述的特征、结构或操作可以以任何合适的方式组合在一个或更多个实施例中。还将容易理解的是，如在本文中的附图中一般性地描述和图示的实施例的部件可以以各种不同的配置来布置和设计。

所描述的实施例的几个方面可作为软件模块或部件来实施。如本文中所使用的，软件模块或部件可包括位于存储设备内和/或作为电子信号通过系统总线或者有线或无线网络传输的任何类型的计算机指令或计算机可执行代码。例如，软件模块或部件可包括计算机指令的一个或更多个物理块或逻辑块，其可被组织为例程、程序、对象、部件、数据结构等，其执行一个或更多个任务或实现特定的抽象数据类型。

在某些实施例中，特定的软件模块或部件可包括被储存在存储设备的不同位置中的不同指令，其共同实现模块的所描述的功能。事实上，模块或部件可包括单一指令或许多指令，并且可以分布在几个不同的代码段上、分布在不同的程序之间以及跨几个存储设备分布。一些实施例可在分布式计算环境中实践，其中任务由通过通信网络链接的远程处理设备执行。在分布式计算环境中，软件模块或部件可位于本地存储器储存设备和/或远程存储器储存设备中。另外，在数据库记录中绑定或呈现在一起的数据可驻留在相同的存储设备中或跨几个存储设备驻留，并且可以跨网络在数据库中的记录的字段中链接在一起。

实施例可作为计算机程序产品来被提供，包括具有在其上所储存的指令的非暂时性计算机和/或机器可读介质，该指令可用于对计算机(或其他电子设备)进行编程以执行本文中所描述的过程。例如，非暂时性计算机可读介质可储存指令，当该指令由计算机系统的处理器执行时使处理器执行本文中所公开的某些方法。非暂时性计算机可读介质可包括但不限于硬盘、软盘、光盘、cd-rom、dvd-rom、rom、ram、eprom、eeprom、磁卡或光卡、固态存储器设备、或适用于储存电子指令和/或处理器可执行指令的其他类型的机器可读介质。

通常使用本地、分布式和广域的输电和配电系统的组合将电力从发电地点输送给消费者。电力输送系统有时遇到需要断开断路器或其他保护动作的故障。导致高电流的故障可能会损坏电力系统装备，并且可能是危险的。因此，在检测到行波或故障状况时，应尽快执行电力系统的故障部分的移除。

图1示出了电力输送系统100的简化单线图。系统100包括用于生成电力的发电机110和112，使用变压器120和122将电力逐步升高到总线118处的输电电压。输电线124将总线118与总线126连接起来，总线126可以由其他发电(未单独示出)供电。来自总线126的电力可以使用变压器130逐步降压至配电电压，并且使用配电线(馈线)134、136和138以及另外的变压器141、143和145分配至各种负载140、142和144。每个配电线134、146和138可以经由断路器154、156和158分别选择性地连接到总线132。此外，总线132可以使用断路器152选择性地连接到变压器130。应当注意，除非另有明确说明，断路器152、154、156和158可以是任何合适类型的开关设备，例如诸如断路器、自动开关、固态开关设备、开关、微机电系统(“mems”)开关设备等。

可以使用智能电子设备(“ied”)104和106来监测、保护或控制电力输送系统100。ied104可以监测变压器120的高压侧和低压侧上的电流和/或电压，并根据需要提供保护。ied104可以接收公共时间信号168。ied106可以监测配电线134上的电流和/或电压，并控制断路器154和/或152。ied106可以根据本文公开的各种实施例控制断路器154和/或152。

电力输送系统(诸如图中1所示的电力输送系统)通常设计成在稳态下运行。例如，电力输送系统的部分可以被设计成在标称电压和电流电平下运行。电力输送系统可以设计成以标称频率运行。在这种预定标称条件之外运行的电力输送系统可以说是处于稳态之外。电力输送系统脱离稳态的转移可能由例如电力输送系统的一部分处的故障引起。

更快的保护提高了电力系统的稳定性。如果在临界故障清除时间(criticalfaultclearingtime)之前没有清除故障，则系统可能会失去暂态稳定性并且可能遭受停电。另外，更快的故障清除增加了可转移的电力的量。更快的保护还增强了公共和公用事业人员的安全、限制了装备的磨损、改进了电力质量、并减少了财产损失。

大多数保护原理是基于电压和电流的基频分量。正弦量的准确测量通常需要一个循环。为了增加保护动作的速度，瞬态分量的分析可结合本公开的各种实施例来进行。此外，与电气条件有关的信息可在设备之间进行传递，以提供端到端的输电线保护。

主继电保护系统通常在一到一个半循环内操作，并且断路器在一个半到三个循环内中断电流，因此故障通常在三到四个循环内被清除。有时继电系统运行更快。例如，敏感的瞬时过电流元件可用于合闸于故障(switch-onto-fault)事件，并且可具有低至四分之一个循环的操作时间。可以应用通过提取基频分量(相量)获得的传统频域技术来识别瞬态信号分量衰减之后的故障。对于相量测量所需的滤波导致约一个电力循环的操作时间，对于近距离高电流故障(close-inhigh-currentfault)，最佳情况的时间接近半个循环。

然而，为了确定用于规划目的的稳定性极限的目的，最适当的是使用保守的保护操作时间。如果断路器未能跳闸，则采取断路器故障方案，并延迟故障清除直到备用断路器操作，这可能是大约10到12个循环。如果使用时间协调的远程备用保护来代替断路器故障保护，则故障清除时间可能高达几百毫秒。

高速保护设备响应于高频信号分量，其可用于检测故障并实现各种优势。例如，某些非传统能源(诸如，风能和太阳能)通过电力电子接口连接到电力系统。因此，这些源通常具有很小的惯性或没有惯性。它们的控制算法针对网路故障状况对转换器进行保护。因此，这些源产生了电压和电流，这对针对具有同步发电机的网络开发的一些保护原理构成了挑战。相反，被配置为响应于高频信号分量的高速保护设备较少依赖于源而更多依赖于网络本身。因此，这样的继电器可以在非传统源附近的应用中是有用的。

与本公开一致的各种实施例可对行波(tw)进行分析，以帮助故障的清除。当故障发生在电力系统中时，行波从故障处发射并以接近光速的速度向外行进。行波根据总线和其他不连续性的相应的特性阻抗而被它们反射。在故障的初始阶段，电力系统可以表现类似分布式参数网络。因此，行波可由传播速度、反射和传输系数以及线路特性阻抗来描述。使用行波保护算法，高速继电器可能能够在小于1毫秒内检测到故障并启动校正动作(与本公开的某些实施例一致)。

图2示出了故障状况期间在一时间段内电流值的图200，其中纵坐标202以安培(a)为单位，而横坐标204以毫秒(ms)为单位。波形206可以代表三相电力系统的a相，波形208可以代表三相电力系统的b相，并且波形210可以代表三相电力系统的c相。

最初，从时间42.0开始，系统在稳态下运行。在稳态期间，每个相的峰值处于大约1000a的标称电流条件下。在某个时间处，电力输送系统的a相上发生故障，其在a相上投射(cast)行波。行波在时间47.2之后到达监测电力输送系统的ied，其由电流220的上升指示。可以看出，波形示出了由于行波引起的初始电流上升220和由于故障引起的过电流条件的开始之间的延迟222。在延迟222期间，电流值大约是系统的标称电流的两倍。

在检测到电力输送系统上的故障时，典型的ied可以被配置为通过断开电力输送系统的故障部分来保护系统。因为故障通常由过电流条件检测，所以电力系统通常不再处于稳态，或者经历标称电流条件。因此，断路器必须在过电流或非稳态条件下断开，以从电力输送系统的故障部分移除电力。在这种情况下，断路器可以被额定为在比标称电流高得多的电流下断开和/或在下一个过零点处中断电流。

本公开的几个实施例利用了在检测行波的时间和引入过电流条件的时间或者系统离开稳态的时间之间的延迟222。特别地，根据本发明的ied被配置为使用行波或增量来检测故障，并且在电流上升之前将保护命令发送给ied的位置处的故障水平。

保护命令可以是使断路器(如断路器134)断开的命令。断路器134可以是在向其发送保护命令时能够在电力系统条件下断开的断路器。在一些实施例中，ied106可以确定在系统离开稳态条件之前，或者在过电流条件超过断路器134的安全断开条件之前，断路器134是否有时间断开。断路器134可以能够中断在大约两倍于电力输送系统的标称电流的值处的电流。断路器134可以是例如固态断路器、使用微机电系统的断路器等。

在其他实施例中，保护命令可以是接合故障限流器以限制故障电流的命令。在某些实施例中，故障限流器可以限制故障馈线134上的故障电流，并允许断路器154断开。在其他实施例中，故障限流器可以限制到总线132的故障电流，并允许断路器154断开。

图3示出了根据一个实施例的保护诸如图1所示系统的电力输送系统的一种方法300。诸如图1的ied106的ied可以被配置为监测电力输送系统的馈线134。ied106可以被配置成获得与电力输送系统的操作条件相关的电信号(例如电流、电压、频率等)。为了获得电信号，ied106可以使用电流互感器(ct)、电压互感器(pt)等与电力输送系统进行电通信。ied106还可以与馈线断路器154和/或总线断路器152进行通信，以向这些断路器发送保护命令。在某些实施例中，ied106可以被配置成经由与其通信的另一ied向总线断路器152发送保护命令。

方法300开始于在302处ied106接收电力系统信号。使用行波故障检测或增量故障检测技术，在304处，ied106可以使用行波检测技术检测区域内故障。如果在304处检测到区域内故障，则在306处该方法立即发送命令来断开馈线断路器，以断开其上检测到故障的馈线(例如图1所示的馈线134的断路器154)。如上所讨论，馈线断路器可以是能够在ied检测到的条件期间断开的断路器。在一个特定实施例中，该方法可以在发送断开馈线断路器的命令之后结束。如果馈线断路器在电流超过断路器的额定断开阈值之前无法断开，则电力系统可以依赖于备用保护方法(例如总线断路器(例如图1中的断路器152断开)或保险丝断开)。

根据所示实施例，方法300在308处确定馈线断路器是否断开。在一些实施例中，该方法可以继续监测通过馈线的电流，以确定馈线断路器是否已经断开。如果馈线断路器已经断开，则该方法可以结束。

例如，如果通过断路器的电流超过对于特定断路器的断开阈值，则馈线断路器可能没有断开。也就是说，如果断路器在当前的电流状态期间没有额定为断开，则它可能没有断开。因此，如果在308处馈线断路器没有断开，则该方法在310处可以继续发送命令来断开总线断路器(例如诸如图1的总线断路器152)。总线断路器可以是在更长的时间尺度上运行的典型的断路器，并且可能需要过零点以断开。在发送断开总线断路器的命令之后，该方法可以继续监测馈线中的电流。该方法可以继续检测馈线断路器是否已经断开。如果馈线断路器在预定时间量后未能断开，则该方法可以结束。在各种实施例中，该方法可以在步骤312中继续监测馈线断路器，并且直到馈线断路器已经断开才结束。在这样的实施例中，该方法还可以发送附加的命令来断开馈线断路器。如果在312处馈线断路器已经断开，则该方法可以在314处闭合总线断路器，从而恢复对剩余馈线的供电，并结束。

图4示出了根据一个实施例的保护诸如图1所示系统的电力输送系统的另一种方法400。类似于结合图3示出和描述的方法，在图4的方法中，ied(例如图1的ied106)可以被配置为监测电力输送系统的馈线134。ied106可以被配置成获得与电力输送系统的操作条件相关的电信号(例如电流、电压、频率等)。为了获得电信号，ied106可以使用电流互感器(ct)、电压互感器(pt)等与电力输送系统进行电通信。ied106还可以与馈线断路器154和/或总线断路器152进行通信，以向这些断路器发送保护命令。在某些实施例中，ied106可以被配置成经由与其通信的另一ied向总线断路器152发送保护命令。

方法400开始于在402处ied106接收电力系统信号。使用行波故障检测或增量故障检测技术，在404处ied106可以检测区域内故障。如果没有检测到区域内故障，则方法返回到402。然而，如果检测到区域内故障，则该方法在406处继续确定是否剩余足够的时间使馈线断路器断开。这可以包括关于在系统离开稳态条件之前、过电流条件到达断路器之前、断路器处的电流对于断路器来说太高而不能断开之前等等馈线断路器是否有时间断开的确定。如果在406处确定有足够的时间使馈线断路器断开，则该方法在408处命令馈线断路器断开。否则，该方法改为在410处发送命令来断开总线断路器(例如图1的总线断路器152)。一旦总线断路器断开，则电源从总线和所有馈线(包括出现故障的馈线)断开。为了保持对非故障馈线的电力服务，于是在412处断开与故障馈线(例如图1的断路器154)相关联的馈线断路器，并且在414处闭合总线断路器。然后方法可以结束。

在其他实施例中，电力系统可以配置有一个或更多个故障限流器。图5示出了类似于图1所示系统的电力输送系统500的一部分。从变压器130到总线132的输电线包括与ied506通信的故障限流器502。故障限流器502可被配置成在非故障事件期间对电力输送系统有些不可见。也就是说，在标称电流条件期间，故障限流器可以向电力输送系统提供很少或不提供阻抗。然而，在过电流条件期间，故障限流器502可以被激活以限制流向故障的电流。故障限流器可以通过向电力输送系统引入足够的阻抗来限制流向故障的电流量来起作用。故障限流器可以类似地通过增加电阻或使用电感来起作用。

图6示出了类似于图5的系统的电力电力输送系统600的一部分，除了故障限流器602被放置在馈线134上之外。ied606与馈线134进行通信，并且可以被配置成监测馈线134上的电力状况。ied606可被配置成根据馈线134的状况接合故障限流器602。图4和图5的ied506和606可以根据图7和图8中所示的方法进行操作。

某些故障限流器可能需要通过例如外部命令信号来激活。一旦接收到外部命令信号，则故障限流器可以能够立即将电流限制到预定阈值。根据本文中的几个实施例，故障限流器可以被接合以将限制到总线和/或馈线的故障。

图7示出了保护电力输送系统的方法700，其可用于保护诸如图5和图6所示的系统的系统。方法700开始于在702处ied接收电力系统信号。根据信号，该方法在704处使用例如行波技术、增量等来确定是否检测到区域内故障。如果未检测到区域内故障，则该方法在702处继续接收电力系统信号并监测电力输送系统。

然而，如果该方法在704处检测到区域内故障，则该方法可以在708处继续发信号通知馈线断路器断开并在710处接合故障限流器。故障限流器可以被配置成相比于馈线断路器能够断开而更快地接合。该方法然后可以在712处确定馈线断路器是否被断开。如果馈线断路器尚未断开，则该方法可以结束，或者可以继续监测馈线断路器是否已经断开。如果在712处馈线断路器已经断开，则该方法可以在714处使故障限流器脱离，并结束。

图8示出了保护电力输送系统的另一种方法800，其可用于保护诸如图5和图6所示的系统的系统。方法800开始于在802处ied接收电力系统信号。根据这些信号，该方法在804处使用例如行波技术、增量等确定是否检测到区域内故障波。如果未检测到区域内故障，则该方法在802处继续接收电力系统信号并监测电力输送系统。

然而，如果该方法在804处检测到区域内故障，则该方法可以在808处继续发信号通知馈线断路器断开和在810处接合故障限流器。该方法然后在812处可以检测馈线断路器是否已经断开。如果在812处馈线断路器已经断开，则该方法可以在820处使故障限流器脱离并结束。否则，如果馈线断路器在812处没有断开，则该方法可以在814处断开总线断路器。一旦信号被发送给总线断路器以断开，则该方法可以在816处确定馈线断路器是否已经断开。如果馈线断路器在816处没有断开，则该方法可以结束。如果馈线断路器在816处已经断开，则该方法然后可以在818处闭合总线断路器，在820处使故障限流器脱离，并结束。

图9示出了与本公开的实施例一致的用于使用时域量来检测和定位故障的系统900的功能框图。在某些实施例中，系统900可包括ied系统，该ied系统尤其被配置为获得时域量并对其进行计算、使用时域距离模块检测并定位故障、使用时域方向模块检测并定位故障、以及使用行波检测并定位故障。系统900可使用硬件、软件、固件和/或它们的任意组合来实现。在一些实施例中，系统900可以体现为ied。此外，本文描述的某些部件或功能可以与其他设备相关联或由其他设备执行。具体图示的配置仅代表与本公开一致的一个实施例。

系统900包括被配置为与设备和/或ied进行通信的通信接口916。在某些实施例中，通信接口916可便于与其他ied直接进行通信或通过通信网络与系统进行通信。通信接口916可便于通过网络进行通信。系统900还可包括时间输入端912，其可用于接收时间信号(例如，公共时间基准)，其允许系统900将时间戳施加到所获取的样本。在某些实施例中，可经由通信接口916来接收公共时间基准，因此，对于加时间戳和/或同步操作可以不需要单独的时间输入端。一个这样的实施例可采用标准化的988协议。受监测的装备接口908可被配置为从一件受监测的装备(譬如电路断路器、导体、变压器等)接收状态信息，并向其发出控制指令。

处理器924可被配置为对经由通信接口916、时间输入端912和/或受监测的装备接口908接收的通信进行处理。处理器924可使用任意数量的处理速率和架构来操作。处理器924可以被配置成执行本文描述的各种算法和计算。处理器924可被体现为通用集成电路、专用集成电路、现场可编程门阵列和/或任何其他合适的可编程逻辑设备。

在某些实施例中，系统900可包括传感器部件910。在所示出的实施例中，传感器部件910被配置为使用常规的pt和/或ct或其它非常规的感测装备直接从诸如导体(未示出)的常规电力系统装备收集数据。传感器部件910可使用例如变压器902和914以及a/d转换器918，该a/d转换器918可采样和/或数字化经滤波的波形以形成被提供给数据总线922的相应数字化的电流和电压信号。电流(i)和电压(v)输入可以是来自常规仪表变压器(例如ct和vt)的二次输入。a/d转换器918可以包括用于每个传入信号的单个a/d转换器或单独的a/d转换器。电流信号可以包括来自三相电力系统的每一相的单独的电流信号。a/d转换器918可通过数据总线922连接到处理器924，电流信号和电压信号的数字化表示可通过该数据总线922被传输到处理器924。在各种实施例中，数字化的电流和电压信号可用于计算时域量，以如本文中所描述的对电力系统上的故障进行检测和定位。

计算机可读储存介质926可以是包含对于每个输电线和/或每个输电线的每个节段的电力线路特性(诸如阻抗、电阻、传播时间、电抗、长度和/或类似的)的数据库928的存储库。另一计算机可读储存介质930可以是被配置为执行本文中所描述的方法中的任意一个的各种软件模块的存储库。数据总线942可将受监测的装备接口908、时间输入端912、通信接口916以及计算机可读储存介质926和930链接到处理器924。

计算机可读储存介质926和930可以是单独的介质(如图9中所示出的)，或者可以是同一介质(即，同一磁盘、同一非易失性存储器设备等)。另外，数据库928可被储存在计算机可读储存介质中，该计算机可读储存介质不是系统900的部分，但可使用例如通信接口916由系统900访问。

通信模块932可被配置为允许系统900经由通信接口916与各种外部设备中的任意一个进行通信。通信模块932可被配置用于使用各种数据通信协议(例如，以太网上的udp、iec61850等)来进行通信。

数据采集模块940可收集诸如电流量和电压量以及增量的数据样本。该数据样本可与时间戳相关联，并且使其可用于检索和/或经由通信接口916传输到远程ied。由于行波是在电力输送系统中迅速消散的瞬态信号，因此可对它们进行实时测量和记录。数据采集模块940可结合故障检测器模块934操作。数据采集模块940可控制由故障检测器模块使用的数据的记录。根据一个实施例，数据采集模块940可选择性地储存和检索数据，并且可使该数据可用于进一步处理。这样的处理可包括通过故障检测器模块934进行的处理，故障检测器模块934可以被配置为使用例如行波来确定电力分配系统的故障的发生。

增量模块936可被配置为基于本文中所公开的技术来计算时域增量。增量模块936可被配置为使用电流和/或电压测量结果的数字化表示来计算由此的增量。在一些实施例中，系统900可以是与诸如图1的ied和系统的电力系统上的不同终端进行通信的一对ied中的一个。在一个实施例中，一对ied中的每个ied在其自身的增量模块936中计算增量，以用于后续处理并在ied之间共享。在另一实施例中，系统900可通过通信信道接收来自传感器部件910和来自远程ied的数字化表示，并且增量模块936可被配置为计算来自两个源的增量信号，以计算本地增量和远程增量二者。

保护动作模块952可被配置为基于通过故障检测器模块934的故障的声明来实施保护动作。在各种实施例中，保护动作可包括使断路器跳闸、选择性地隔离电力系统的部分中的一部分、操作限流设备等。在各种实施例中，保护动作模块952可以协调保护动作和与系统900进行通信的其他设备。在各种实施例中，系统900可被配置为基于瞬时电压和电流提供保护。这样的信号分量需要更短的数据窗口但便于更快保护。系统900的各种实施例可被配置为实现约1毫秒的操作时间。这样的系统可使用基于集总参数电路和基于tw的时域方法，并且可允许涵盖各种继电器输入电压源和可用的通信信道的多功能应用。这样的系统可使用高采样速率(≥1mhz)、高分辨率(≥16比特)的同步采样、高保真时间同步以及能够交换所有获取的数据(≥100mbps)或由算法中的一些所需的高数值负担(≥1g乘法每秒)的通信网络。保护动作模块952可以根据本文中的各种方法(包括例如由图3、图4、图7和图8示出并结合图3、图4、图7和图8描述的方法)进行操作。

虽然上文中所讨论的几个实施例指的是交流电力输送系统的三个相，但本文中的原理可应用到具有多于或少于三相的多相交流电力系统。例如，设想了四相电力输送系统，六相电力输送系统也是如此。可应用本文中所教导的原理。在其他实施例中，所教导的原理可应用到直流电力输送系统。具体地，使用仅在行波差动模块中的电流的行波检测可使用来自直流电力输送系统的电流量，以检测故障并对其采取控制动作。

虽然已经图示并描述了本公开的特定实施例和应用，但是应理解的是，本公开不限于本文中所公开的精确配置和部件。对于本领域中的这些技术人员来说明显的是，在不背离本公开的精神和范围的情况下，可在本公开的方法和系统的布置、操作和细节中做出各种修改、改变和变化。