一種主輸電線路集成邊界保護系統的製作方法
2023-05-13 12:29:36
專利名稱：一種主輸電線路集成邊界保護系統的製作方法
技術領域：
本發明屬於電力系統領域，涉及一種電力系統的保護裝置，特別是一種主輸電線路集成邊界保護系統。
背景技術：
上世紀60年代後期，Rockefeller提出了一種基於集中式計算機系統的集中式變電站保護系統。這種想法很好的迎合了全面集成保護的概念，即保護不僅能監視單個電站還能監視網絡的一個區域。由於計算機軟硬體以及通信技術還不能支持這一想法，它至今還沒有付諸實踐。自那時起，基於數位技術的電力系統繼電保護技術已經獲得了極大的發展。上世紀80年代在保護中引入微處理器大多數遵循常規的步驟即採用主要用於保護系統單個元件的分布式處理平臺。為數不多的集成保護以後備保護的形式被配置因此只起到次要的功能。
近幾年，微處理器與傳感器技術均有了迅速的發展。這使得過去不能實現的故障檢測技術成為可能並激起了利用故障暫態量進行保護的興趣。研究已經表明故障產生的高頻暫態分量能夠被探測並量化，這些研究開啟了發展保護新原理與新技術的可能。如今大量的工作都致力於高頻暫態量檢波的研究。已經提出了許多新技術，並對與之相關的測量方法及信號處理技術進行了研究。
與此同時，信號處理的顯著發展為繼電保護平臺提供的支持與適當通信方案的應用，二者為重新審視集成保護概念提供了一個機會。研究表明可以使用由若干電站與元件獲得的信息設計新的保護原理與方案，它們將遠優於已有的基於單個電站或元件的保護技術。在這一方面，已發明的新的基於暫態量的保護技術不僅繼承了保護單個裝置的能力，當有現代通信技術支持時還可以用來設計用於電力系統集成保護的新方案。
諸如僅依靠單端測量的傳統線路保護裝置並不具有迅速識別全線保護區域的能力，之所以這樣是因為在受保護線路末端與下一條線路始端故障的基波分量沒有顯著差別。正因為如此，引入應用受保護線路雙端信息的保護原理以使得線路任一端的故障都能快速被切除。然而這些原理的實施需要信道，這不僅導致保護方案費用與複雜性的增加，還會降低方案的可靠性與跳閘速度。
因此，應用單端測量的快速故障切除的重要性是再明顯不過的了。線路邊界定義為特徵阻抗明顯變化的位置。實際上連接在線路末端的諸如母線，線路阻波器，變壓器等電力設備會非常明顯的改變高頻特徵阻抗。這就是說，線路邊界確實存在並且正如研究指出的受保護的傳輸線線路區域內部與外部的高頻特性是不同的。基於線路邊界的這些不同的頻率特性，利用單端暫態量測量在全線快速區分內部與外部故障的保護方案即稱作為邊界保護的一種用於超高壓傳輸線保護的新構思。
發明內容
本發明的目的是提出一種新型主輸電線路集成邊界保護系統，該系統基於線路邊界的不同頻率特性，利用單端暫態量測量，集中式繼電保護裝置通過CT安裝在變電站上並連接在各相關線路上。故障暫態信號由繼電器捕獲，無需通信線路提取聯合保護線路區域的故障，然後比較各頻段電平大小從而確定故障是在保護區域內部還是外部。
為了實現上述任務，本發明採取如下的技術解決方案一種主輸電線路集成邊界保護系統，它主要包括接口通信單元、通信光纖網絡、中央繼電保護單元和多個斷路器，其特徵在於所述的接口通信單元包括多個測量和執行單元以及連接這些單元的通信光纖網絡部分，所說的測量和執行單元包括電流互感器、接口單元、通信乙太網及網絡開關，其連接關係為電流互感器和被保護輸電線相連，接口單元的輸入端與電流互感器的三相電流輸出端相連，接口單元的輸出端與斷路器相連，接口單元的通訊端通過網絡開關與該通信光纖網絡相連，多個繼電器通過網絡開關與該通信光纖網絡相連。
本發明能夠應用於高壓輸電線的保護，該系統與配電網的具體結構無關，不需要信道，構成簡單，易於實現。
圖1是集中式集成保護系統結構圖；圖2是集成邊界保護系統結構圖；圖3是母線電容對輸入電流信號的衰減作用圖；圖4是保護繼電器結構圖；圖5是保護計算流程圖；圖6是線路p中點最大電壓a相接地故障Tf＝5ms時的波形圖；其中，(a)CT輸出，(b)濾波器輸出圖中(i)濾波器1，(ii)濾波器2；(c)(i)動作與閉鎖信號；(ii)判別比；圖7是線路U中點最大電壓a相接地故障Tf＝5ms時的波形圖；其中，(a)CT輸出，(b)濾波器輸出圖中(i)濾波器1，(ii)濾波器2；(c)(i)動作與閉鎖信號；(ii)判別比。
以下結合附圖和實施例本發明作進一步的詳細說明。
具體實施例方式
本發明的主輸電線路集成邊界保護系統，它包括接口單元，光纖網絡，集中集成保護繼電器單元三個部分，其中接口單元(IU)，它是一個控制測量單元，它通過各類傳感器與設備相連，諸如傳統的CT，VT，光學組合傳感器，電子組合傳感器。測量到的模擬與數位訊號被轉換成光形式並通過多餘的光纖網絡送至中央繼電保護單元，接口單元(IU)也接收並執行由繼電器通過控制迴路發出的控制信號。
光纖網絡，這個光纖網絡的通信不僅與關鍵設備接口以及繼電器相連，它還連接著諸如通信網關，人機界面以及GPS時鐘等許多其他設備。利用網絡標準通信協議使得不同廠商的IED能夠方便的連接至系統。
集中集成中央保護繼電器單元，該集中集成中央繼電器單元通過光纖網絡接受來自變電站各處的測量量，並通過通信網關接受來自其他相關變電站的信息，接著進行計算以確定在變電站內部或在連接線路部分是否產生了故障，當檢測到一個故障，繼電器將通過控制單元發出一個跳閘命令從而使相關線路斷路器斷開。
用如圖3所示的一個典型的電力網絡來論證所提出的方案。集成邊界保護繼電器(IBPR)被配置在每個變電站母線並且和每條與母線相連的線路CT連接。一個被整合在繼電器內的具有多設置量的邊界保護算法負責與母線相連的線路全段的保護。這些設置量包括動作門檻值等。對每個線路段，當系統某處發生故障，比如，在如圖3所示線路1的F1處，繼電器IBPR1，IBPR2，IBPR3等中的邊界保護算法將檢測故障高頻暫態信號。之後每個繼電器將確定故障方向，區域範圍以及故障相位。如果故障發生在繼電器連接線路上它將立刻跳閘否則將閉鎖。
本發明的基本工作原理和出發點是傳輸系統的一個故障將產生從故障處延線路的兩個方向向外傳輸的多頻段電流信號。信號一旦遇到諸如母線的系統不連續處，一部分信號將繼續向下一條線路區域運行而另一部分信號將被反射。出大量的暫態電流信號，尤其是高頻部分將通過母線電容分流至大地。利用這一事實開發一套無通道保護系統，受保護線路兩端的母線可以作為保護區域的邊界。
用圖2來闡明所提出的技術。這是一個多段傳輸系統；線路長度與原參數如圖所示。繼電器在線路P段側母線s處與CT相連並負責線路該段保護。母線經常連接諸如電力變壓器以及發電機組之類的許多電力設備，它們的特性將確定母線的對地阻抗。這些設備通常本來導電；但是在很高頻率下電容與耦合電容成為母線對地阻抗的決定性因素。當系統發生一個外部故障，比如圖2所示線路Q段F2處寬頻電流暫態信號I2向母線R傳輸。信號將會到達母線R同時信號I1的大部分將繼續傳入P段。此外，部分信號I0將通過母線電容流入大地。結果，在母線S處由繼電器檢測到的故障暫態電流信號I1將比初始信號I2弱。由於母線對地阻抗隨頻率增加而增加，高頻衰減將比低頻嚴重的多。相反若在諸如線路P段F1處發生的內部故障將不會產生這種衰減。
為了考察母線電容對信號衰減的作用。圖3給出了頻率變化時測信號I1與初始信號I2的比例。圖頂端的線可以認為是內部故障時母線電容為零的情況。如圖所示，對給定的母線電容，信號間比例隨頻率增加而增大。很明顯對於外部故障，低頻信號(例如，1KHz)比例將比高頻信號(例如，100KHz)比例大。相反對於內部故障比例將保持恆定。這一重要特性可被用來區分內部與外部故障。
這裡提出的技術有賴於故障暫態電流分量的首次檢測，於是多通道濾波器被用來從捕捉信號中提取在兩個所需頻段的信號，一個在低頻段另一個在高頻段。從圖3可以清楚地看到，對於保護區域外部故障，比如F2，提取的高頻段信號將被母線電容強烈的衰減。相反，在F1處發生的內部故障就不會有這種衰減。結果高頻段信號頻譜能量與低頻段信號頻譜能量的比例可被用來區分故障是在保護區域內部還是外部。
主線路集成保護系統本發明所說的主線路集成保護系統實施例是用於一個典型的主輸電線路中，用如圖3所示集成邊界保護繼電器(IBPR)被配置在每個變電站母線並且和每條與母線相連的線路CT連接。一個被整合在繼電器內的具有多設置量的邊界保護算法負責與母線相連的線路全段的保護。這些設置量包括動作門檻值等。對每個線路段，當系統某處發生故障，比如，在如圖2所示線路1的F1處，繼電器IBPR1，IBPR2，IBPR3等中的邊界保護算法將檢測故障高頻暫態信號。之後每個繼電器將確定故障方向，區域範圍以及故障相位。如果故障發生在繼電器連接線路上它將立刻跳閘否則將閉鎖。很明顯由於繼電保護裝置計算所有與之相關的電流，它也能保護母線，繼電保護裝置詳細說明如下如圖4所示，測量和執行單元包括電流互感器、接口單元，中央集成繼電器包括選線，模量組合，多頻道濾波，頻譜能量計算，比值計算及跳閘邏輯等。選線邏輯依次將輸入的來自不同線路的各路電流輸出給下一步的算法單元，以便分別計算。
模量組合電路從接口電路接收電流信號並把三相混合從而形成23型信號。
Im1＝Ia-2Ib+IcIm2＝Ia-Ic(1)通過這種處理，不僅不同故障類型被掩蓋，共模幹擾也被消除。信號隨即通過模擬濾波器濾除多餘噪聲。繼電器的主要部分是作帶通濾波器用的多通道濾波器。在濾波器接受的頻段內繼電器從故障線路信號中提取一系列頻段的故障暫態電流信號。設計中，為了最終形成兩種判別信號，多通道濾波器被設計用來產生兩種信號輸出If1，If2，其中心頻率分別集中在以1kHz與80kHz為中心頻率的兩個頻段。
濾波器的輸出隨即通過1.5ms的波形窗口以計算一個動態積分從而產生閉鎖信號Ire與動作信號Iop，給出表達式如下
Ire,op(NT)=K=n-Mnif1,f22(KT)KT---(2)]]>式中，ΔT＝時間步長；k′＝衰減因數；M＝窗口樣本數；兩個判別信號即動作信號Iop與閉鎖信號Ire確定故障是區內還是區外故障Ratio＝KK×deliy(Iop)/Ire(3)如式(2)所示，將信號Iop延遲0.1ms以補償兩個濾波器間的差群延遲。比例係數KK取決於使用的移動窗口長度與電壓閾值。
從前面原理敘述中，很明顯對於一個外部故障的信號比將遠小於內部故障，因此可以設置一個閾值用來區分內部故障與外部故障。關於(3)式中給定的閾值電壓KK＝10，研究指出對於最嚴重的外部故障，動作與閉鎖信號比總能很好的保持低於定值。這一閾值電壓保證繼電器對外部故障的穩定，不會影響內部故障動作。
本發明的工作過程例如，於圖2所示的輸電網當F1點發生故障，那麼1#線路兩端的繼電器IBPR2和IBPR3將動作，並動作於斷路器跳閘，切除該線路。繼電器IBPR1和IBPR4將不動作。
具體工作過程如下1.設F1點發生了故障；2.流過所有電流互感器(N1、N2、P1、P2、Q1、Q2)的電流將變化；3.這些電流信號將被接口單元(IU)檢測到並送到各自的變電站乙太網，連接在各自的變電站乙太網後面的所有繼電器(IBPR1，IBPR2，IBPR3和IBPR4)將得到各自站內的電流信號；4.所有檢測到故障並啟動了的繼電器計算自己的保護流程圖如圖5所示；5.保護算法將從連接到變電站的第一條線路的電流算起，直到第n條；6.對該電流將先進行模量組合(公式1)；7.對轉換後的信號進行多頻道濾波(公式2)，產生兩個模量信號If1和If2；8.計算濾波後信號的頻譜能量(公式3)，產生動作信號Iop和抑制信號Ire；9.兩個信號頻譜能量的比值計算10.比值超過預定的門檻值了嗎？11.如果是，則執行跳閘；如果不是，則繼續計算下一個模量(或下一條線)。
系統響應評價如圖2所示，主輸電系統基於典型的400KV超高壓網。系統中有分別長80km，100km，120km的N，P，Q三個線路段。T，S，R，U端各自短路容量為35GVA，10GVA，20GVA，5GVA。假設各母線的母線電容典型值為0.1μF。
典型內部與外部故障響應圖6給出系統對線路s端起50km處的典型內部a相接地故障的相應。圖6給出故障後瞬間各相一次電流，故障相電流比非故障相明顯大；行波分量產生於故障相與非故障項並淹沒在基頻分量中。圖6給出了兩個濾波器的輸出。如圖所示，兩個信號在2ms內顯示出不同波形。中心頻率為1kHz的濾波器1輸出中明顯有一個疊加有高頻行波的連續波形。中心頻率為80kHz的濾波器2的輸出中發現了脈衝幹擾噪聲。然而，由於這是一個內部故障，兩個信號是一致的，而且如圖6c(I)預期所示獲得的動作信號比閉鎖信號大，如圖6c(ii)所示，這使得判別比遠大於給定值。最終繼電器發出一個跳閘命令。
圖7給出了保護區域外線路Q段故障時的相應故障響應。由於故障遠離裝設繼電器的母線S，如圖7所示的故障電流頻率變化比前例中小的多，如圖6a所示。然而，疊加在頻率信號上的高頻震蕩很明顯。如圖7c(i)濾波器所示的兩個波形濾波器輸出模式與內部故障情況相同。然而，濾波器1輸出比2的大，結果，如圖7c(i)所示動作信號電平的比閉鎖信號小，並且如圖7c(ii)所示判別比遠小於給定值。因此，繼電器制動。
權利要求
1.一種主輸電線路集成邊界保護系統，它主要包括接口通信單元、通信光纖網絡、中央繼電保護單元和多個斷路器，其特徵在於所述的接口通信單元包括多個測量和執行單元以及連接這些單元的通信光纖網絡部分，所說的測量和執行單元包括電流互感器、接口單元、通信乙太網及網絡開關，其連接關係為電流互感器和被保護輸電線相連，接口單元的輸入端與電流互感器的三相電流輸出端相連，接口單元的輸出端與斷路器相連，接口單元的通訊端通過網絡開關與該通信光纖網絡相連，多個繼電器通過網絡開關與該通信光纖網絡相連。
2.如權利要求1所述的主輸電線路集成邊界保護系統，其特徵在於，所述的接口通信單元是一個測量和控制單元，通過不同類型的傳感器連接於各個設備，將測量到的模擬和數位訊號轉換成光學數位訊號，通過多餘的光纖網絡送至中央集成繼電保護單元；接口單元同時通過控制迴路接受和發送對斷路器控制信號。
3.如權利要求1所述的主輸電線路集成邊界保護系統，其特徵在於，所述的通信光纖網絡不僅與關鍵的接口設備和中央集成繼電保護單元相連，而且還連接到通信網關、人機對話界面和GPS時鐘和其他設備，使用標準的網絡通訊協議將智能電子裝置與系統聯接。
4.如權利要求1所述的主輸電線路集成邊界保護系統，其特徵在於，所述的集成式中央集成繼電保護單元通過光纖網絡接受到來自變電站各傳輸線上的電流測量信息，並通過通信網關接受來自其他相關變電站的信息，隨即進行計算，以確定在該變電站內與其相連的線路是否有故障發生；假若檢測到有故障出現，通過光纖網絡發出指令去跳開相關的斷路器裝置。
5.如權利要求1所述的主輸電線路集成邊界保護系統，其特徵在於所說的中央集成繼電保護單元包括由電源、光信號輸入輸出接口、保護微處理器部分組成的通用的數字式繼電器硬體平臺，以及固化在該保護微處理器中的由程序初始化模塊、故障檢測模塊、故障選線模塊、多頻道濾波模塊、頻譜能量計算模塊、比值計算模塊、保護出口判別模塊、通信單元模塊組成的集成邊界保護程序。
全文摘要
本發明公開了一種主輸電線路集成邊界保護系統，它主要包括接口通信單元、通信光纖網絡、中央繼電保護單元和多個斷路器，接口通信單元包括多個測量和執行單元以及連接這些單元的通信光纖網絡部分，測量和執行單元包括電流互感器、接口單元、通信乙太網及網絡開關，電流互感器和被保護輸電線相連，接口單元的輸入端與電流互感器的三相電流輸出端相連，接口單元的輸出端與斷路器相連，接口單元的通訊端通過網絡開關與該通信光纖網絡相連，多個繼電器通過網絡開關與該通信光纖網絡相連。該系統能夠應用於高壓輸電線的保護，該系統與輸電網的具體結構無關，不需要通信通道，構成簡單，易於實現。
文檔編號H02H7/26GK101079544SQ20071001800
公開日2007年11月28日 申請日期2007年6月5日 優先權日2007年6月5日
發明者張保會, 薄自謙, 安德魯·克萊門克, 李朋 申請人:西安交通大學