專利名稱：一種基于瞬時故障功率方向的中壓母線保護方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種電力系統(tǒng)母線保護方法，特別是涉及一種基于瞬時故障功率方向的中壓母線保護方法。

背景技術：
現(xiàn)有母線保護通常是集中式的電流差動保護，其裝置復雜，接線較多，成本較高。對于出線較多，重要性較低的中壓(35kV、10kV、6kV)母線，配置集中式的電流差動保護在經(jīng)濟上是不恰當?shù)?。近期有基于故障功率方向的中壓母線保護方法提出。經(jīng)文獻對比分析，在中壓母線出現(xiàn)區(qū)外故障時，故障線上的電流互感器極易飽和，電流互感器發(fā)生飽和的時間為5ms左右，即正確求取故障功率方向的有效數(shù)據(jù)區(qū)間為5ms，對于已提出的中壓母線保護方法要在5ms數(shù)據(jù)區(qū)間內(nèi)正確求取故障功率方向是困難的。中壓系統(tǒng)是中性點不完全接地系統(tǒng)，允許單相接地運行，出現(xiàn)兩點兩相接地故障的概率很大，為了正確求取故障功率方向，應按相求取故障功率方向，但已提出的大多數(shù)中壓母線保護方法不是按相求取故障功率方向的。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于瞬時故障功率方向的中壓母線保護方法，它可以有效地解決在5ms數(shù)據(jù)區(qū)間內(nèi)正確求取故障功率方向的問題，并有效的判定出母線區(qū)內(nèi)外故障。
本發(fā)明可以通過以下技術方案來加以實現(xiàn)，即一種基于瞬時故障功率方向的中壓母線保護方法，該方法采用5ms時間區(qū)間按相求取的瞬時故障功率方向來區(qū)分母線區(qū)內(nèi)區(qū)外故障，該方法包括以下步驟 1)同步采樣將母線上各回路電流互感器二次線圈來的三相電流模擬信號iAn，iBn，iCn和母線上電壓互感器二次線圈來的三相電壓模擬信號vAn，vBn，vCn，經(jīng)過硬件的低通濾波、鎖頻鎖相采樣得到同步的電流數(shù)值信號i’An，i’Bn，i’Cn和電壓數(shù)值信號，v’An，v’Bn，v’Cn； 2)故障啟動故障啟動包括自適應故障預啟動模塊和故障啟動確定模塊 a、由自適應故障預啟動模塊輸出故障預啟動信號由步驟1)獲得的電流數(shù)字信號i’An(i’Bn，i’Cn)接入自適應故障預啟動模塊的自適應正弦濾波器，自適應正弦濾波器由一個與電流數(shù)字信號i’An(i’Bn，i’Cn)相同頻率的正弦信號逼近電流數(shù)字信號i’An(i’Bn，i’Cn)構成，電流數(shù)字信號i’An(i’Bn，i’Cn)與濾波器正弦信號之間的誤差e由自適應正弦濾波器(61)輸出，并將誤差e與誤差定值eset1進行比較，若e＞eset1，且誤差和∑|e(j)|大于誤差定值eset2，則輸出故障預啟動信號； b、由故障啟動確定模塊輸出故障啟動信號上述故障預啟動信號輸出后，從步驟1)輸出的電流數(shù)字信號i’An(i’Bn，i’Cn)和電壓數(shù)字信號v’An(v’Bn，v’Cn)接入故障啟動確定模塊的正弦逼近處理器，正弦逼近處理器由一個與電流電壓數(shù)字信號相同頻率的正弦信號在一個時域區(qū)間逼近電流電壓數(shù)字信號構成，逼近后的正弦信號A(t)、B(t)是時間函數(shù)，A(t)、B(t)時間函數(shù)由正弦逼近處理器(62)輸出，計算和可獲得電流數(shù)字信號i’An(i’Bn，i’Cn)的瞬時幅值im和電壓數(shù)字信號v’An(v’Bn，v’Cn)的瞬時幅值Vm，若瞬時幅值im的增量im(t+Δt)-im(t)(其中Δt的取值為5ms)，大于電流定值iset1，瞬時幅值im(t+Δt)大于電流定值iset2，且瞬時幅值vm(t+Δt)小于電壓定值vset1，則輸出各項故障啟動信號；所述電流定值iset2、電壓定值vset1依據(jù)母線運行條件設定。
3)、故障類別判斷故障類別判斷模塊進行故障類別的判斷，若三相故障啟動信號都出現(xiàn)，其邏輯為與(AND)關系，輸出三相故障信號；若有兩相故障啟動信號出現(xiàn)，其邏輯先為與(AND)關系，后為或(OR)關系，輸出兩相故障信號；若有一相故障啟動信號出現(xiàn)，其邏輯為或(OR)關系，輸出單相故障信號； 4)瞬時故障功率方向判斷故障啟動模決輸出故障啟動信號后，依據(jù)故障類別判斷模塊輸出的故障類別信號，在瞬時故障功率方向計算模塊中計算瞬時故障功率方向， a、對于單相故障，從接入的電壓數(shù)字信號v’An，v’Bn，v’Cn中選擇非故障的另兩相電壓數(shù)字信號，另兩相電壓數(shù)字信號接入正弦逼近處理器，計算另兩相電壓數(shù)字信號的瞬時幅值vm，若任一相的瞬時幅值vm(t+Δt)小于電壓定值vset1(依據(jù)母線運行條件設定)，則選擇為另一故障相；在另一故障相選擇后，依據(jù)電流故障相，由故障前故障相電壓Vp1減去故障前故障相電壓Vp2獲得故障前故障相線電壓Vl1，然后依據(jù)自適應正弦濾波器，計算故障前故障相線電壓Vl1的相位v1，同時依據(jù)正弦逼近處理器，計算故障后故障相電流ip1的瞬時相位i1(t)； b、對于兩相故障，依據(jù)電流故障相，由故障前故障相電壓Vp1或Vp2減去故障前故障相電壓Vp2或Vp1獲得故障前故障相線電壓Vl1或Vl2，然后依據(jù)自適應正弦濾波器，分別計算故障前故障相線電壓Vl1和Vl2的相位v1和v2，同時依據(jù)正弦逼近處理器，計算故障后故障相電流ip1和ip2的瞬時相位i1(t)和i2(t)； c、對于三相故障，依據(jù)電流故障相，分別計算故障前故障相相電壓Vp1、Vp2和Vp3的相位v1、v2和v3，同時依據(jù)正弦逼近處理器，計算故障后故障相電流ip1、ip2和ip3的瞬時相位i1(t)、i2(t)和i3(t)； d、對于上述任一故障相，為求取故障相的瞬時故障功率方向，先計算故障后故障相電流瞬時相位i(t)在1/4周期采樣點的平均電流瞬時相位

，然后將故障前故障相線電壓或相電壓相位v與故障后故障相平均電流瞬時相位

進行比較，在滿足

時，該故障相的瞬時故障功率方向為正，在滿足

時，該故障相的瞬時故障功率方向為負。
5)母線區(qū)內(nèi)外故障判定上述各回路的瞬時故障功率方向計算模塊輸出的故障相瞬時故障功率方向送往母線區(qū)內(nèi)區(qū)外故障判斷模塊，在各回路的瞬時故障功率方向中只要存在任一故障相的瞬時故障功率方向為正，則判定母線發(fā)生區(qū)外故障，反之，在各回路的瞬時故障功率方向中所有故障相的瞬時故障功率方向為負，則判定母線發(fā)生區(qū)內(nèi)故障。
本發(fā)明的優(yōu)點 本方法采用5ms時間區(qū)間求取的瞬時故障功率方向來實現(xiàn)中壓母線保護，不受電流互感器飽和的影響；本方法按相求取瞬時故障功率方向，能適應兩點兩相接地故障的情況；本方法利用已有的線路保護單元和中心通信單元的硬件資源，增加軟件功能模塊實現(xiàn)中壓母線保護，硬件成本不增加。



圖1基于瞬時故障功率方向的中壓母線保護的方法框圖； 圖2故障啟動方法； 圖3自適應故障預啟動方法； 圖4自適應正弦濾波器結構； 圖5故障啟動確定方法； 圖6故障類別判斷方法； 圖7正弦逼近處理方法； 圖8瞬時故障功率方向計算方法； 圖9其它故障相選擇方法； 圖10故障前電壓相位求取方法； 圖11故障后電流相位求取方法； 圖12故障前故障相線電壓相位的求取和故障后故障相單相電流相位的求取方法； 圖13故障前故障相線電壓相位的求取和故障后故障相兩相電流相位的求取方法； 圖14故障前三相相電壓相位的求取和故障后三相相電流相位的求取方法； 圖15故障相瞬時故障功率方向的計算方法； 圖16母線區(qū)內(nèi)區(qū)外故障判斷方法； 圖17基于瞬時故障功率方向的中壓母線保護系統(tǒng)的結構框圖。
具體實施方案 以下詳細說明本發(fā)明的具體實施方案 1、從母線上各回路電流互感器二次線圈來的三相電流模擬信號iAn，iBn，iCn和從母線上電壓互感器二次線圈來的三相電壓模擬信號vAn，vBn，vCn，接入各回路的低通濾波電路(11)，經(jīng)低通濾波電路(11)處理后的電流電壓模擬信號送入鎖頻鎖相采樣模塊(12)，從鎖頻鎖相采樣模塊(12)中輸出的電流電壓數(shù)字信號i’An，i’Bn，i’Cn，v’An，v’Bn，v’Cn用于故障啟動模塊(2)和瞬時故障功率方向計算模塊(4)。
2、故障啟動模塊(2)由自適應故障預啟動模塊(21)和故障啟動確定模塊(22)組成。
1)、在自適應故障預啟動模塊(21)中，從鎖頻鎖相采樣模塊(12)出來的電流數(shù)字信號i’An(i’Bn，i’Cn)接入自適應故障預啟動模塊(21)的自適應正弦濾波器(61)，自適應正弦濾波器(61)由一個與電流數(shù)字信號i’An(i’Bn，i’Cn)相同頻率的正弦信號逼近電流數(shù)字信號i’An(i’Bn，i’Cn)構成。
自適應正弦濾波器(61)的數(shù)學表達是 y(t)＝Acos(ωt)+Bsin(ωt) e(t)＝y(tǒng)(t)-i(t) 為了調(diào)節(jié)修正參數(shù)A和B，進行下列修正算法 A′＝A-μe(t)cos(ωt) B′＝B-μe(t)sin(ωt) 式中A′、B′是自適應正弦濾波器(61)參數(shù)的修正值，μ(μ＞0)是算法收斂因子并依經(jīng)驗取值。電流數(shù)字信號i’An(i’Bn，i’Cn)與濾波器正弦信號之間的誤差e由自適應正弦濾波器(61)輸出，并將誤差e與誤差定值eset1(依據(jù)母線運行條件設定)進行比較，若e＞eset1，且誤差和∑|e(j)|大于誤差定值eset2(依據(jù)母線運行條件設定)，則輸出故障預啟動信號。
2)、輸出故障預啟動信號后，從鎖頻鎖相采樣模塊(12)輸出的電流數(shù)字信號i’An(i’Bn，i’Cn)和電壓數(shù)字信號v’An(v’Bn，v’Cn)接入故障啟動確定模塊(22)的正弦逼近處理器(62)，正弦逼近處理器(62)由一個與電流電壓數(shù)字信號相同頻率的正弦信號在一個時域區(qū)間逼近電流電壓數(shù)字信號構成。
在正弦逼近處理器(62)中， A(t)＝A0+A1t+A2t2+Λ+ANtN B(t)＝B0+B1t+B2t2+Λ+BNtN 記N為多項式函數(shù)的階數(shù)，I為一個區(qū)段里的計算點數(shù)，k為逼近計算次數(shù)。正弦逼近處理器(62)的修正算法為 Wk+1＝Wk-μJ/Wk μ(μ＞0)是算法收斂因子。
逼近后的正弦信號A(t)、B(t)是時間函數(shù)，A(t)、B(t)時間函數(shù)由正弦逼近處理器(62)輸出，計算和可獲得電流數(shù)字信號i’An(i’Bn，i’Cn)的瞬時幅值im和電壓數(shù)字信號v’An(v’Bn，v’Cn)的瞬時幅值vm，若瞬時幅值im的增量im(t+Δt)-im(t)大于電流定值iset1(依據(jù)母線運行條件設定)，瞬時幅值im(t+Δt)大于電流定值iset2(依據(jù)母線運行條件設定)，且瞬時幅值vm(t+Δt)小于電壓定值vset1(依據(jù)母線運行條件設定)，則輸出故障啟動信號。
3、故障啟動模塊(2)輸出故障啟動信號后，故障類別判斷模塊(3)進行故障類別的判斷。若三相故障啟動信號都出現(xiàn)，其邏輯為與(AND)關系，輸出三相故障信號；若有兩相故障啟動信號出現(xiàn)，其邏輯先為與(AND)關系，后為或(OR)關系，輸出兩相故障信號；若有一相故障啟動信號出現(xiàn)，其邏輯為或(OR)關系，輸出單相故障信號。
4、故障啟動模塊(2)輸出故障啟動信號后，依據(jù)故障類別判斷模塊(3)輸出的故障類別信號，在瞬時故障功率方向計算模塊(4)中計算瞬時故障功率方向。對于單相故障，從接入的電壓數(shù)字信號v’An，v’Bn，v’Cn中選擇非故障的另兩相電壓數(shù)字信號，另兩相電壓數(shù)字信號接入正弦逼近處理器(62)，計算另兩相電壓數(shù)字信號的瞬時幅值vm，若任一相的瞬時幅值vm(t+Δt)小于電壓定值vset1，則選擇為另一故障相；在另一故障相選擇后，依據(jù)電流故障相，由故障前故障相電壓Vp1減去故障前故障相電壓Vp2獲得故障前故障相線電壓Vl1，然后依據(jù)自適應正弦濾波器(61)，計算故障前故障相線電壓Vl1的相位v1，同時依據(jù)正弦逼近處理器(62)，計算故障后故障相電流ip1的瞬時相位i1(t)。對于兩相故障，依據(jù)電流故障相，由故障前故障相電壓Vp1或Vp2減去故障前故障相電壓Vp2或Vp1獲得故障前故障相線電壓Vl1或Vl2，然后依據(jù)自適應正弦濾波器(61)，分別計算故障前故障相線電壓Vl1和Vl2的相位v1和v2，同時依據(jù)正弦逼近處理器(62)，計算故障后故障相電流ip1和ip2的瞬時相位i1(t)和i2(t)。對于三相故障，依據(jù)電流故障相，分別計算故障前故障相相電壓Vp1、Vp2和Vp3的相位v1、v2和v3，同時依據(jù)正弦逼近處理器(62)，計算故障后故障相電流ip1、ip2和ip3的瞬時相位i1(t)、i2(t)和i3(t)。對于任一故障相，為求取故障相的瞬時故障功率方向，先計算故障后故障相電流瞬時相位i(t)在1/4周期采樣點的平均電流瞬時相位

即

式中Ts為一個周期的采樣點數(shù)，然后將故障前故障相線電壓或相電壓相位v與故障后故障相平均電流瞬時相位

進行比較，在滿足

時，該故障相的瞬時故障功率方向為正，在滿足

時，該故障相的瞬時故障功率方向為負。
5、各回路的瞬時故障功率方向計算模塊(4)輸出的故障相瞬時故障功率方向送往母線區(qū)內(nèi)區(qū)外故障判斷模塊(5)，在各回路的瞬時故障功率方向中只要存在任一故障相的瞬時故障功率方向為正，則判定母線發(fā)生區(qū)外故障，反之，在各回路的瞬時故障功率方向中所有故障相的瞬時故障功率方向為負，則判定母線發(fā)生區(qū)內(nèi)故障。
在實施本發(fā)明方法時候，可將故障啟動模塊(2)、故障類別判斷模塊(3)和瞬時故障功率方向計算模塊(4)集合成線路單元(7)，將母線區(qū)內(nèi)區(qū)外故障判斷模塊(5)作為中心單元(8)。從母線上各回路電流互感器二次線圈來的三相電流模擬信號iAn，iBn，iCn和從母線上電壓互感器二次線圈來的三相電壓模擬信號vAn，vBn，vCn，接入各回路的低通濾波電路(11)，經(jīng)低通濾波電路(11)處理后的電流電壓模擬信號送入鎖頻鎖相采樣模塊(12)，從鎖頻鎖相采樣模塊(12)中輸出的電流電壓數(shù)字信號i’An，i’Bn，i’Cn，v’An，v’Bn，v’Cn送到線路單元(7)，實現(xiàn)故障啟動模塊、故障類別判斷模塊和瞬時故障功率方向計算模塊。母線上各回路都有一個線路單元(7)，各線路單元(7)和中心單元(8)構成一個分布式的中壓母線保護系統(tǒng)。
本發(fā)明受到重慶市自然科學基金項目《基于功頻瞬變信號的故障功率方向的求取》(項目號CSTC，2006BB3247)的資助。
權利要求
1、一種基于瞬時故障功率方向的中壓母線保護方法，其特征在于該方法采用5ms時間區(qū)間按相求取的瞬時故障功率方向來區(qū)分母線區(qū)內(nèi)區(qū)外故障，該方法包括以下步驟
1)同步采樣將母線上各回路電流互感器二次線圈來的三相電流模擬信號iAn，iBn，iCn和母線上電壓互感器二次線圈來的三相電壓模擬信號vAn，vBn，vCn，經(jīng)過硬件的低通濾波(11)、鎖頻鎖相采樣(12)得到同步的電流數(shù)值信號i’An，i’Bn，i’Cn和電壓數(shù)值信號，v’An，v’Bn，v’Cn；
2)故障啟動故障啟動包括自適應故障預啟動模塊(21)和故障啟動確定模塊(22)
a、由自適應故障預啟動模塊(21)輸出故障預啟動信號由步驟1)獲得的電流數(shù)字信號i’An(i’Bn，i’Cn)接入自適應故障預啟動模塊(21)的自適應正弦濾波器(61)，自適應正弦濾波器(61)由一個與電流數(shù)字信號i’An(i’Bn，i’Cn)相同頻率的正弦信號逼近電流數(shù)字信號i’An(i’Bn，i’Cn)構成，電流數(shù)字信號i’An(i’Bn，i’Cn)與濾波器正弦信號之間的誤差e由自適應正弦濾波器(61)輸出，并將誤差e與誤差定值eset1進行比較，若e＞eset1，且誤差和∑|e(j)|大于誤差定值eset2，則輸出故障預啟動信號；
b、由故障啟動確定模塊(22)輸出故障啟動信號
上述故障預啟動信號輸出后，從步驟1)輸出的電流數(shù)字信號i’An(i’Bn，i’Cn)和電壓數(shù)字信號v’An(v’Bn，v’Cn)接入故障啟動確定模塊(22)的正弦逼近處理器(62)，正弦逼近處理器(62)由一個與電流電壓數(shù)字信號相同頻率的正弦信號在一個時域區(qū)間逼近電流電壓數(shù)字信號構成，逼近后的正弦信號A(t)、B(t)是時間函數(shù)，A(t)、B(t)時間函數(shù)由正弦逼近處理器(62)輸出，計算和可獲得電流數(shù)字信號i’An(i’Bn，i’Cn)的瞬時幅值im和電壓數(shù)字信號v’An(v’Bn，v’Cn)的瞬時幅值vm，若瞬時幅值im的增量im(t+Δt)-im(t)，大于電流定值iset1，瞬時幅值im(t+Δt)大于電流定值iset2，且瞬時幅值vm(t+Δt)小于電壓定值vset1，則輸出各項故障啟動信號，所述Δt的取值為5ms；
3)、故障類別判斷故障類別判斷模塊(3)進行故障類別的判斷，依據(jù)各相故障啟動信號，故障類別判斷模塊(3)輸出三相故障信號、兩相故障信號和單相故障信號；
4)瞬時故障功率方向判斷故障啟動模塊(2)輸出故障啟動信號后，依據(jù)故障類別判斷模塊(3)輸出的故障類別信號，在瞬時故障功率方向計算模塊(4)中計算瞬時故障功率方向，
a、對于單相故障，從接入的電壓數(shù)字信號v’An，v’Bn，v’Cn中選擇非故障的另兩相電壓數(shù)字信號，另兩相電壓數(shù)字信號接入正弦逼近處理器(62)，計算另兩相電壓數(shù)字信號的瞬時幅值vm，若任一相的瞬時幅值vm(t+Δt)小于電壓定值vset1，則選擇為另一故障相；在另一故障相選擇后，依據(jù)電流故障相，由故障前故障相電壓Vp1減去故障前故障相電壓Vp2獲得故障前故障相線電壓Vl1，然后依據(jù)自適應正弦濾波器(61)，計算故障前故障相線電壓Vl1的相位v1，同時依據(jù)正弦逼近處理器(62)，計算故障后故障相電流ip1的瞬時相位i1(t)；
b、對于兩相故障，依據(jù)電流故障相，由故障前故障相電壓Vp1或Vp2減去故障前故障相電壓Vp2或Vp1獲得故障前故障相線電壓Vl1或Vl2，然后依據(jù)自適應正弦濾波器(61)，分別計算故障前故障相線電壓Vl1和Vl2的相位v1和v2，同時依據(jù)正弦逼近處理器(62)，計算故障后故障相電流ip1和ip2的瞬時相位i1(t)和i2(t)；
c、對于三相故障，依據(jù)電流故障相，分別計算故障前故障相相電壓Vp1、Vp2和Vp3的相位v1、v2和v3，同時依據(jù)正弦逼近處理器(62)，計算故障后故障相電流ip1、ip2和ip3的瞬時相位i1(t)、i2(t)和i3(t)；
d、對于上述任一故障相，為求取故障相的瞬時故障功率方向，先計算故障后故障相電流瞬時相位i(t)在1/4周期采樣點的平均電流瞬時相位
然后將故障前故障相線電壓或相電壓相位v與故障后故障相平均電流瞬時相位
進行比較，在滿足
時，該故障相的瞬時故障功率方向為正，在滿足
時，該故障相的瞬時故障功率方向為負；
5)母線區(qū)內(nèi)外故障判定上述各回路的瞬時故障功率方向計算模塊(4)輸出的故障相瞬時故障功率方向送往母線區(qū)內(nèi)區(qū)外故障判斷模塊(5)，在各回路的瞬時故障功率方向中只要存在任一故障相的瞬時故障功率方向為正，則判定母線發(fā)生區(qū)外故障，反之，在各回路的瞬時故障功率方向中所有故障相的瞬時故障功率方向為負，則判定母線發(fā)生區(qū)內(nèi)故障。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于瞬時故障功率方向的中壓母線保護方法，其特征在于方法包括1.同步采樣；2.故障啟動；3.故障類別判斷；4.瞬時故障功率方向判斷；5.母線區(qū)內(nèi)外故障判定。本方法采用5ms時間區(qū)間求取的瞬時故障功率方向來實現(xiàn)中壓母線保護，不受電流互感器飽和的影響；本方法按相求取瞬時故障功率方向，能適應兩點兩相接地故障的情況；并利用已有的線路保護單元和中心通信單元的硬件資源，增加軟件功能模塊實現(xiàn)中壓母線保護，硬件成本不增加。
文檔編號H02H3/26GK101098076SQ200710078529
公開日2008年1月2日 申請日期2007年5月29日 優(yōu)先權日2007年5月29日
發(fā)明者建 羅, 林 黃, 李亞軍, 浩 楊, 清 曾, 剛 陳, 高家志, 張繼紅 申請人:重慶大學, 重慶市電力公司