本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)繼電保護領(lǐng)域，更具體地，涉及一種快速判別線路故障方向的方法。

背景技術(shù)：

新能源發(fā)電作為清潔能源在電力系統(tǒng)中的得到廣泛應(yīng)用，直流輸電在電力系統(tǒng)應(yīng)用越來越多，但是由于新能源接入后的短路故障特性以及直流輸電交流側(cè)短路故障特性與傳統(tǒng)交流同步電機電源系統(tǒng)的故障特性有本質(zhì)區(qū)別，給傳統(tǒng)繼電保護裝置正常穩(wěn)定工作帶來巨大挑戰(zhàn)。在含新能源或直流落點的交流線路發(fā)生短路故障時，其故障特征受新能源或直流換流閥的電力電子設(shè)備和控制系統(tǒng)的影響，導(dǎo)致故障特征復(fù)雜多樣，傳統(tǒng)的方向元件不能可靠的判別故障方向，難以適應(yīng)電力系統(tǒng)的變化。

例如在含大規(guī)模雙饋風(fēng)電場的輸電線路發(fā)生短路故障，因故障電流的主頻率不再保持為工頻50hz，傳統(tǒng)基于工頻量的方向元件容易錯誤的判斷故障方向，從而在反向故障時誤動和正向故障時拒動。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種快速判別線路故障方向的方法，解決現(xiàn)有技術(shù)存在的對于含新能源接入或直流落點的交流線路短路故障方向判不準(zhǔn)、不具有普適性的技術(shù)問題。

本發(fā)明提供了一種快速判別線路故障方向的方法，方法基于的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括：第一等值電源、第一母線、被保護線路、第二母線、第二等值電源、第一繼電保護裝置和第二繼電保護裝置，第一等值電源與第一母線相連，第一母線通過被保護線路與第二母線相連，第二母線與第二等值電源相連；第一繼電保護裝置安裝在第一母線出口處，第二繼電保護裝置安裝在第二母線出口處；方法包括下述步驟：

s1：采集繼電保護裝置安裝處的電壓和電流信息，并對采集的信息進行處理后獲得記憶電壓和記憶電流；

s2：當(dāng)線路發(fā)生短路故障時，采集繼電保護裝置安裝處的故障后電壓和電流信息，并對采集的故障信息進行處理后獲得故障后電壓和故障后電流；

s3：根據(jù)所述記憶電壓、所述記憶電流、所述故障后電壓和線路參數(shù)，計算繼電保護裝置安裝處背側(cè)電源與母線之間的第一種電壓降落；

根據(jù)所述故障后電流和線路參數(shù)，計算繼電保護裝置安裝處背側(cè)電源與母線之間的第二種電壓降落；

s4：根據(jù)故障后一短時間內(nèi)繼電保護裝置安裝處背側(cè)電源與母線之間的所述第一種電壓降落和所述第二種電壓降落的變化趨勢來判斷故障方向。

更進一步地，步驟s3中，所述第一種電壓降落計算方法為：

δu1k(t)＝uk(t-t)+f[ik(t-t)]-uk(t)；

所述第二種電壓降落計算方法為：

δu2k(t)＝f[ik(t)]；

其中，k＝ab,bc,ca，分別代表ab兩相相間、bc兩相相間、ca兩相相間，t為t0～t0+t1時間窗內(nèi)各時刻，t0為故障發(fā)生時刻，t1為時間窗長度，t為一周波時間長度，δu1k(t)為故障后“第一種電壓降落”，δu2k(t)為故障后“第二種電壓降落”，uk(t-t)、ik(t-t)分別為繼電保護裝置安裝處記憶電壓和記憶電流，uk(t)、ik(t)分別為繼電保護裝置安裝處故障后電壓和故障后電流，f[ik(t-t)]為記憶電流ik(t-t)的函數(shù)，表示根據(jù)線路模型和相應(yīng)的線路參數(shù)計算出的繼電保護裝置安裝處背側(cè)電源與母線之間的記憶電壓降落，f[ik(t)]為故障后電流ik(t)的函數(shù)，表示根據(jù)線路模型和相應(yīng)的線路參數(shù)計算出的繼電保護裝置安裝處背側(cè)電源與母線之間的故障后電壓降落，也即“第二種電壓降落”。

更進一步地，步驟s4中，故障方向判別的方法為：

若故障后一短時間內(nèi)，計算的繼電保護裝置安裝處背側(cè)電源與母線之間“第一種電壓降落”和“第二種電壓降落”變化趨勢一致，即在故障后短時間內(nèi)“第一種電壓降落”和“第二種電壓降落”同時增大或同時減小，則認(rèn)為發(fā)生正向故障；

若故障后一短時間內(nèi)，計算的繼電保護裝置安裝處母線與背側(cè)電源之間“第一種電壓降落”和“第二種電壓降落”變化趨勢相反，即在故障后短時間內(nèi)“第一種電壓降落”和“第二種電壓降落”一個增大一個減小，則認(rèn)為發(fā)生反向故障。

更進一步地，采用計算等效斜率的方法判斷“第一種電壓降落”與“第二種電壓降落”的變化趨勢，具體包括：

若成立，則認(rèn)為背側(cè)電源與母線之間的“第一種電壓降落”與“第二種電壓降落”的變化趨勢一致，判定為正向故障；

若成立，則認(rèn)為背側(cè)電源與母線之間的“第一種電壓降落”與“第二種電壓降落”的變化趨勢相反，判定為反向故障。

本發(fā)明利用繼電保護裝置安裝處故障前記憶電壓、記憶電流、故障后繼電保護裝置安裝處電壓以及線路參數(shù)，計算繼電保護裝置安裝處背側(cè)電源與母線之間的“第一種電壓降落”；同時利用故障后繼電保護裝置安裝處電流，結(jié)合線路參數(shù)，計算繼電保護裝置安裝處背側(cè)電源與母線之間的“第二種電壓降落”。取故障后一短時間作為數(shù)據(jù)窗，以母線指向線路方向為正方向，將“第一種電壓降落”與“第二種電壓降落”變化趨勢進行對比確定故障方向。本發(fā)明提出的線路故障方向判別方法，判據(jù)簡單、動作速度快、基于時域電氣量，不受頻率的影響、具有普適性，能夠很好的解決含新能源接入以及直流落點的交流線路故障方向判別的問題。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例提供的電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明實施例提供的含風(fēng)電接入的電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明實施例提供的含風(fēng)電接入的電力系統(tǒng)在第二繼電保護裝置正向出口處發(fā)生三相短路故障f1時，第二繼電保護裝置計算的背側(cè)電源與母線之間的“第一種電壓降落”與“第二種電壓降落”；

圖4為本發(fā)明的含風(fēng)電接入的電力系統(tǒng)在第二繼電保護裝置反向出口處發(fā)生三相短路故障f2時，第二繼電保護裝置計算的背側(cè)電源與母線之間的“第一種電壓降落”與“第二種電壓降落”；

圖5為本發(fā)明的含風(fēng)電接入的電力系統(tǒng)在第一繼電保護裝置反向出口處發(fā)生三相短路故障f3時，第一繼電保護裝置計算的背側(cè)電源與母線之間的“第一種電壓降落”與“第二種電壓降落”。

其中，1為第一等值電源，2為第一母線，3為被保護線路，4為第二母線，5為第二等值電源，6為第一繼電保護裝置，7為第二繼電保護裝置，8為變壓器，9為風(fēng)電機組。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

本發(fā)明針對傳統(tǒng)方向元件在含新能源接入或直流落點的交流線路短路故障方向判別中存在的問題，提出一種能夠適用于傳統(tǒng)電網(wǎng)、含新能源接入和直流落點的交流線路的故障方向快速判別方法。

在本發(fā)明實施例中，當(dāng)線路發(fā)生短路故障時，利用繼電保護裝置安裝處故障前記憶電壓、記憶電流、故障后電壓以及線路參數(shù)，計算繼電保護裝置安裝處背側(cè)電源與母線之間的“第一種電壓降落”；利用故障后繼電保護裝置安裝處電流以及線路參數(shù)，計算繼電保護裝置安裝處背側(cè)電源與母線之間的“第二種電壓降落”。取故障后一短時間作為數(shù)據(jù)窗，以母線指向線路方向為正方向，對比“第一種電壓降落”與“第二種電壓降落”變化的趨勢，若繼電保護裝置安裝處背側(cè)電源與母線之間的“第一種電壓降落”與“第二種電壓降落”變化趨勢相同，則判定為正方向故障；若繼電保護裝置安裝處母線與背側(cè)電源之間的“第一種電壓降落”與“第二種電壓降落”變化趨勢相反，則判定為反方向故障。本發(fā)明方法判據(jù)簡單、動作速度快、基于時域電氣量，不受頻率的影響，能夠適用于新能源接入、存在直流落點的交流線路故障方向判別，能夠解決含新能源接入、存在直流落點的交流線路發(fā)生短路故障時傳統(tǒng)方向元件不能可靠的判別故障方向，從而容易在反方向故障時誤動和正方向故障時拒動的問題，是一種普遍適用的線路故障方向判別方法。

如圖1所示，本發(fā)明實施例提供的一種快速判別線路故障方向的方法，該方法基于的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括：第一等值電源1、第一母線2、被保護線路3第二母線4、第二等值電源5、第一繼電保護裝置6和第二繼電保護裝置7，第一等值電源1與第一母線2相連，第一母線2通過被保護線路3與第二母線4相連，第二母線4與第二等值電源5相連；第一繼電保護裝置6安裝在第一母線2出口處，第二繼電保護裝置7安裝在第二母線4出口處；其特征在于，所述方法包括下述步驟：

s1：通過所述第一繼電保護裝置6和所述第二繼電保護裝置7將采集的繼電保護裝置安裝處的電壓和電流信息分別送入各自信號處理單元進行數(shù)據(jù)處理，并獲得記憶電壓和記憶電流；其中，各繼電保護裝置處的記憶電壓用uk(t-t)表示，記憶電流用ik(t-t)表示；其中，k＝ab,bc,ca，分別代表ab兩相相間、bc兩相相間、ca兩相相間，t＝t0～t0+t1為故障后時間窗內(nèi)各時刻，t0為故障發(fā)生時刻，t1為時間窗長度，t為一周波時間長度；

s2：當(dāng)線路發(fā)生短路故障時，通過第一繼電保護裝置6和第二繼電保護裝置7的故障啟動元件啟動，并將采集的繼電保護裝置安裝處的故障后電壓和電流信息分別送入各自信號處理單元進行數(shù)據(jù)處理，獲得故障后電壓和故障后電流；其中，各繼電保護裝置安裝處的故障后電壓用uk(t)表示，故障后電流用ik(t)表示；

s3：根據(jù)所述記憶電壓、所述記憶電流、所述故障后電壓和線路參數(shù)，計算繼電保護裝置安裝處背側(cè)電源與母線之間的第一種電壓降落；

根據(jù)所述故障后電流和線路參數(shù)，計算繼電保護裝置安裝處背側(cè)電源與母線之間的第二種電壓降落；

s4：根據(jù)故障后一短時間內(nèi)繼電保護裝置安裝處背側(cè)電源與母線之間的所述第一種電壓降落和所述第二種電壓降落的變化趨勢來判斷故障方向。

作為本發(fā)明的一個實施例，第一種電壓降落計算方法為：

δu1k(t)＝uk(t-t)+f[ik(t-t)]-uk(t)；

第二種電壓降落計算方法為：

δu2k(t)＝f[ik(t)]；

其中，k＝ab,bc,ca，分別代表ab兩相相間、bc兩相相間、ca兩相相間，t為t0～t0+t1時間窗內(nèi)各時刻，t0為故障發(fā)生時刻，t1為時間窗長度，t為一周波時間長度，δu1k(t)為故障后“第一種電壓降落”，δu2k(t)為故障后“第二種電壓降落”，uk(t-t)、ik(t-t)分別為繼電保護裝置安裝處記憶電壓和記憶電流，uk(t)、ik(t)分別為繼電保護裝置安裝處故障后電壓和故障后電流，f[ik(t-t)]為記憶電流ik(t-t)的函數(shù)，表示根據(jù)線路模型和相應(yīng)的線路參數(shù)計算出的繼電保護裝置安裝處背側(cè)電源與母線之間的記憶電壓降落，f[ik(t)]為故障后電流ik(t)的函數(shù)，表示根據(jù)線路模型和相應(yīng)的線路參數(shù)計算出的繼電保護裝置安裝處背側(cè)電源與母線之間的故障后電壓降落，也即“第二種電壓降落”。

在本發(fā)明實施例中，步驟s4中，故障方向判別的方法具體為：

若故障后一短時間內(nèi)，計算的繼電保護裝置安裝處背側(cè)電源與母線之間“第一種電壓降落”和“第二種電壓降落”變化趨勢一致，即在故障后短時間內(nèi)“第一種電壓降落”和“第二種電壓降落”同時增大或同時減小，則認(rèn)為發(fā)生正向故障；

若故障后一短時間內(nèi)，計算的繼電保護裝置安裝處母線與背側(cè)電源之間“第一種電壓降落”和“第二種電壓降落”變化趨勢相反，即在故障后短時間內(nèi)“第一種電壓降落”和“第二種電壓降落”一個增大一個減小，則認(rèn)為發(fā)生反向故障。

本發(fā)明利用繼電保護裝置安裝處故障前記憶電壓、記憶電流、故障后繼電保護裝置安裝處電壓以及線路參數(shù)，計算繼電保護裝置安裝處背側(cè)電源與母線之間的“第一種電壓降落”；同時利用故障后繼電保護裝置安裝處電流，結(jié)合線路參數(shù)，計算繼電保護裝置安裝處背側(cè)電源與母線之間的“第二種電壓降落”。取故障后一短時間作為數(shù)據(jù)窗，以母線指向線路方向為正方向，將“第一種電壓降落”與“第二種電壓降落”變化趨勢進行對比確定故障方向。本發(fā)明提出的線路故障方向判別方法，判據(jù)簡單、動作速度快、基于時域電氣量，不受頻率的影響、具有普適性，能夠很好的解決含新能源接入以及直流落點的交流線路故障方向判別的問題。

為了更進一步的說明本發(fā)明實施例提供的快速判別線路故障方向的方法，現(xiàn)結(jié)合附圖以及具體實例詳述如下：

具體實施方式以含風(fēng)電接入的電力系統(tǒng)為例進行說明，如圖2所示，含風(fēng)電接入的電力系統(tǒng)包含第一等值電源1，其與第一母線2相連，第一母線2通過被保護線路3與第二母線4相連，第二母線4與變壓器8相連，變壓器8與風(fēng)電機組9相連；第一繼電保護裝置6安裝在第一母線2出口處，第二繼電保護裝置7安裝在第二母線4出口處。

采用上述系統(tǒng)快速判別線路故障方向的方法按照以下步驟實施：

步驟1：第一繼電保護裝置6、第二繼電保護裝置7，將采集的繼電保護裝置安裝處的電壓和電流信息分別送入各自信號處理單元進行數(shù)據(jù)處理，得到記憶電壓和記憶電流；

步驟2：當(dāng)線路發(fā)生短路故障時，第一繼電保護裝置6、第二繼電保護裝置7的故障啟動元件啟動，將采集的繼電保護裝置安裝處的故障后電壓和電流信息分別送入各自信號處理單元進行數(shù)據(jù)處理，得到故障后電壓和電流；

步驟3：利用步驟1得到的記憶電壓和記憶電流以及步驟2得到的故障后電壓，結(jié)合線路參數(shù)，計算繼電保護裝置安裝處背側(cè)電源與母線之間的“第一種電壓降落”；利用步驟2中得到的故障后電流，計算繼電保護裝置安裝處背側(cè)電源與母線之間的“第二種電壓降落”；

步驟4：根據(jù)故障后一短時間內(nèi)步驟3中得到的繼電保護裝置安裝處背側(cè)電源與母線之間的“第一種電壓降落”和“第二種電壓降落”變化趨勢，判斷故障方向。

在本發(fā)明實施例中，步驟3中利用記憶電壓、記憶電流、故障后電壓和線路參數(shù)，計算繼電保護裝置安裝處背側(cè)電源與母線之間的“第一種電壓降落”的方法為：

本實施例中采用基于rl線路模型的微分方程算法，取時間窗t1＝0.5ms，利用記憶電壓、記憶電流和線路電氣參數(shù)計算繼電保護裝置安裝處背側(cè)電源與母線之間的“第一種電壓降落”；

本實施例中背側(cè)電源與母線之間的“第一種電壓降落”計算方法為：其中，k＝ab,bc,ca；分別代表ab兩相相間、bc兩相相間、ca兩相相間，t＝t0～t0+t1為故障后時間窗內(nèi)各時刻，t0為故障發(fā)生時刻，t1為時間窗長度，t為一周波時間長度，δu1k(t)為故障后“第一種電壓降落”，uk(t-t)、ik(t-t)分別為保護安裝處記憶電壓和記憶電流，uk(t)為故障后保護安裝處電壓，r為線路單位長度電阻，l為線路單位長度電感。

步驟3中利用故障后電流和線路參數(shù)，計算繼電保護裝置安裝處背側(cè)電源與母線之間的“第二種電壓降落”的方法為：

本實施例中采用基于rl線路模型的微分方程算法，取時間窗t1＝0.5ms，利用故障后電流和線路電氣參數(shù)直接計算繼電保護裝置安裝處背側(cè)電源與母線之間的“第二種電壓降落”；

本實施例中背側(cè)電源與母線之間的“第二種電壓降落”計算方法為：

其中，k＝ab,bc,ca；分別代表ab兩相相間、bc兩相相間、ca兩相相間，t＝t0～t0+t1為故障后時間窗內(nèi)各時刻，t0為故障發(fā)生時刻，t1為時間窗長度，δu2k(t)為故障后“第二種電壓降落”，ik(t)為故障后保護安裝處電流，r為線路單位長度電阻，l為線路單位長度電感。

步驟4中故障判別方法為：在本實施例中采用計算等效斜率的方法判斷“第一種電壓降落”與“第二種電壓降落”的變化趨勢，具體算法如下所示：

若成立，則認(rèn)為背側(cè)電源與母線之間的“第一種電壓降落”與“第二種電壓降落”的變化趨勢一致，判定為正向故障；

若成立，則認(rèn)為背側(cè)電源與母線之間的“第一種電壓降落”與“第二種電壓降落”的變化趨勢相反，判定為反向故障。

在本實施例中，設(shè)置第二繼電保護裝置7正向出口發(fā)生三相短路故障(圖2中f1點)，第二繼電保護裝置7計算的“第一種電壓降落”與“第二種電壓降落”如圖3所示，此時式(3)成立，故判定為正向故障。

在本實施例中，設(shè)置第二繼電保護裝置7反向出口發(fā)生三相短路故障(圖2中f2點)，第二繼電保護裝置7計算的“第一種電壓降落”與“第二種電壓降落”如圖4所示，此時式(4)成立，故判定為反向故障。

在本實施例中，設(shè)置第一繼電保護裝置6反向出口發(fā)生三相短路故障(圖2中f3點)，第一繼電保護裝置6計算的“第一種電壓降落”與“第二種電壓降落”如圖5所示，此時式(4)成立，故判定為反向故障。

參照圖3、圖4和圖5，圖3為本發(fā)明的含風(fēng)電接入的電力系統(tǒng)在第二繼電保護裝置7正向出口處發(fā)生三相短路故障(f1)時，第二繼電保護裝置7計算的背側(cè)電源(風(fēng)電機組9)與母線(第二母線4)之間的“第一種電壓降落”與“第二種電壓降落”；圖4為本發(fā)明的含風(fēng)電接入的電力系統(tǒng)在第二繼電保護裝置7反向出口處發(fā)生三相短路故障(f2)時，第二繼電保護裝置7計算的背側(cè)電源(風(fēng)電機組9)與母線(第二母線4)之間的“第一種電壓降落”與“第二種電壓降落”；圖5為本發(fā)明的含風(fēng)電接入的電力系統(tǒng)在第一繼電保護裝置6反向出口處發(fā)生三相短路故障(f3)時，第一繼電保護裝置6計算的背側(cè)電源(第一等值電源1)與母線(第一母線2)之間的“第一種電壓降落”與“第二種電壓降落”。從圖3-圖5中可以看出，本發(fā)明實施例提供的方法能夠有效判斷線路故障的方向。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。