基于多通道暂态极性方向比较算法的集成继电保护系统

摘要

本发明公开一种基于多通道暂态极性方向比较算法的集成继电保护系统。集成保护继电器安装在变电站，它通过变电站的光纤网与每条线路通过CT连接，集成保护继电器对连接于变电站的每条线路起保护作用；集成保护系统以线路故障产生的高频暂态信号的检测和提取为基础，集成保护继电器在暂态检测单元检测故障产生的暂态电流信号，多通道暂态滤波算法单元检测不同频率的暂态信号，暂态极性识别单元识别被检测信号的极性，通过比较各条线路的信号极性确定故障方向，通过各个变电站的极性方向信息处理判别出实际的故障线路。跳闸信号通过光网再输给线路开关。与现有继电保护系统相比，具有配置灵活，使用方便以及明显的经济效益，在电力系统中具有广阔的应用前景。

说明书

技术领域

本发明涉及一种电力系统的保护系统，具体说是一种输电线路继电保护系统，属于电力系统输电线路保护技术领域。

背景技术

继电保护在电力系统中起着至关重要的作用，但现有的继电保护大都基于独立电气设备设计安装。随着经济的发展，电网规模越来越大，电网安全性显得尤为重要，快速且正确地清除故障，提高系统稳定性，是继电保护发展的方向。在现代电力系统保护领域中，数字式继电器已逐步取代传统继电器。随着计算机技术、网络通信技术及其元器件制造工艺的不断发展和进步，有些继电保护系统已经将一些保护功能集中到一个保护设备中，例如微机线路保护可以将距离或电流等具有不同功能的保护集成作为主保护，也可将方向保护以及过电流保护等集成作为后备保护。但是集成程度不够，且没有考虑整个系统对继电保护动作的影响；并且基于工频信号的各种保护原理仍然发挥着主导作用。

发明内容

为了解决现有技术存在的上述问题，从而快速准确的切除故障，本发明提供一种基于多通道暂态极性方向比较算法的集成继电保护系统。该系统包括接口单元，光纤网络通信单元，集成保护继电器等三部分组成。集成保护继电器安装在变电站，每条线路通过CT与其连接，集成保护继电器对连接于变电站的每条线路起保护作用。光纤网络作为通信的媒介，不仅连接各个变电站的集成保护继电器，还将集成保护单元、接口单元和集成保护继电器连接，其他一些设备(如多路通信单元，GPS时钟，人机对话接口等)也连在光纤网络上。所用协议为标准通信协议。

本发明的集成保护系统以线路故障产生的高频暂态信号的检测和提取为基础，集成保护继电器在暂态检测单元检测故障产生的暂态电流信号，多通道暂态滤波算法单元检测不同频率的暂态信号，暂态极性识别单元识别被检测信号的极性，通过比较各条线路的信号极性确定故障方向，通过各个变电站的极性方向信息处理判别出实际的故障线路。所述保护系统的技术方案是：

(1)当一个变电站的某条线路发生故障时，系统中的每个变电站的集成保护继电器都检测故障产生的暂态电流信号。

(2)通过光纤通信比较各个变电站所检测到的电流信号的极性。

(3)判断线路故障是哪个变电站的保护区间内，并使相应的继电器跳闸。

本发明的有益效果是：该集成保护系统不仅为单独输电线路或电力设备提供了应用暂态信号进行保护的方法，而且将变电站中多个保护元件用一个集成保护系统来实现。与现有继电保护系统相比，具有配置灵活，使用方便以及明显的经济效益，在电力系统中具有广阔的应用前景。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1是基于多通道暂态极性方向比较算法的集成继电保护系统的结构示意图；

图2是验证此基于多通道暂态极性方向比较算法的集成继电保护系统的带支路的输电系统；

图3是基于多通道暂态极性方向比较算法的集成继电保护系统的继电器的功能框图；

图4是保护计算流程图。

具体实施方式

集成保护系统如图1所示。主要由接口单元、光纤网络通信单元和集成保护继电器等三部分组成。

集成保护继电器安装在变电站，每条线路通过CT与其连接，并对连接于变电站的每条线路起保护作用。光纤网络作为通信的媒介，不仅连接各个变电站的集成保护继电器，还将集成保护单元、接口单元和集成保护继电器连接，其他一些设备(如多路通信单元，GPS时钟，人机对话接口等)也连在光纤网络上。所用协议为标准通信协议。

接口单元：这是一个测量和控制单元，通过不同类型的传感器诸如传统的CT和PT，光混合传感器，电子混合传感器等连接到各个设备。测量到的模拟信号和数字信号被转换成光信号，通过冗余的光纤网络送到集成保护继电器，接口单元同时接收和执行通过控制电路控制的继电器发出的信号。

光纤网络：这个通信网络不仅与监视设备的接口单元和继电器相连，而且也连接到其他一些设备，比如人机对话接口，多路通信单元，和GPS时钟等；并和其他变电站的集成保护继电器连接，使用标准的网络通讯协议。

集成保护继电器：集成保护继电器通过网络接收来自变电站各地的测量信息和相关变电站的信息。集成保护继电器随即进行计算、分析是否有故障在该变电站或者其他相连的线路内。如果检测到有故障，集成保护继电器通过控制单元返回的命令能够跳开相关的断路器。

图2所示为一带支路输电系统，如图所示，继电器单元安装在每个变电站，通过通信通道连接，一个网络保护和控制单元也支持这一技术。

当故障发生在有支路的线路时，例如图2中的F2点，高频暂态电流信号将从故障点F2到达每条母线，信号分别到达P、Q、R三条母线，安装在P、Q、R上的CT将同时检测到三个暂态信号的极性是相同的。认为是P、Q、S保护区间内的故障。如果故障发生在F1，即在P、Q、R的保护区间外，安装在线路上的CT检测到的暂态电流信号将不同，每个继电器检测到的故障产生的暂态电流信号的极性信息通过通信网络送到保护支路相关的另一端继电器S上，通过故障极性比较最终确定故障在P、Q、R的保护区间外。

然后，每个继电器检测的极性信息送到网络保护和控制单元，通过这些信息能判定故障线。这个单元不仅作为每条线的后备保护单元，而且能保证网络保护和控制单元及主系统的稳定性。

继电器设计

图3所示为继电保护系统的框图，它主要包括通讯以太网和继电器。

通讯网从连接线路CT的接口单元取来电流测量数据，这些测量值或为来自光传感器的数字信号，或是来自传统CT经接口单元转换的数字信号。通讯网也接受来自继电器的跳闸指令并送到相应的开关。另一个连接在网上的重要装置是多路通讯单元，它的功能是将继电器检测到的极性信号送到保护线路远端的继电器，同时接受保护线路远端的继电器送来的极性信号。本端的极性信号也将被送到中央网络保护与控制单元为系统后备保护用。

继电器包括故障检测、暂态信号提取、极性检测、极性比较和一个跳闸决策单元。

1)故障检测单元从CT得到电流测量信息，该电流量一旦超过预先设置的门槛值。继电器立即启动保护程序。故障检测单元同时选择一条线路上的CT测到的电流值来进行计算。对于本技术需要的电流极性的检测，知道一条线路上的电流极性既可导出其它相关线路上的极性。

2)故障暂态信号的提取，如图3所示，两路不同频率暂态电流信号提取是依据两个原理：

a、高频信号带的提取(如图3中A所示)，它包括模量转换和高频带通滤波两个步骤。通过这种方法，能提供极快的响应速度以适应系统保护。

b、故障叠加分量成分的提取(如图3中B所示)，它包括故障选相和故障分量提取两个步骤。通过在程序中植入一个叠加分量成分提取算法，即采样值在存储器中延迟了一个周期，从最近的样本中减去延迟的样本，就形成故障电流叠加分量。

这里应该注意，传统电压变换器，特别是电容式电压变换器有带宽限制，将不能应用于提取高频信号，而用电流变换器，就没有带宽限制问题。

3)极性检测和比较

一旦故障信号被暂态滤波单元检测到，具有自适应算法的数字计数器便用于该信号，如果故障叠加信号电平大于自适应门槛值电平，在超出计数器所确定的限制时间之后，便可以确定出故障产生的暂态信号的极性，然后极性信息传递到下一个阶段，与保护单元的另一端检测出的极性进行相比较，只有当继电器已经接收到与其发送信号极性相同的信号时，才说明故障在保护线路上。与此同时，极性信号还将被发送至网络保护和控制单元，用于网络保护和控制。网络保护和控制单元通过同样的原理来比较系统所有的极性信号就能得知故障的线路。

4)跳闸决策逻辑

当继电器已经接收到与其发送信号极性相同的信号时，意味着故障发生在保护线路上。跳闸决策逻辑单元收到两个频道(高频和故障分量)的输出信号，这个单元有两个供选择的预先设置的工作方式：

方式1(“或”方式)：两个频道的输出信号有一个判断故障在保护线上，即作出最终的跳闸决策。

方式2(“与”方式)：两个频道的输出信号有一个判断故障在保护线上，才作出最终的跳闸决策。

5)多路通信单元

在继电器中多路通信单元用于线路保护和网络保护。

一旦极性检测装置确定了信号极性，极性信号将通过通信单元发送至网络保护自动化装置。网络保护自动化装置从网络中的所有继电器处接收信号，比较获得的信号，就能够确定实际故障线路段。该单元也被用于接收来自网络保护自动化装置的指令(例如，跳闸信号)。

通信单元用来与其它单个线路保护装置继电器进行通信。在本地端测出的极性信号，发送给受保护线路的另一端继电器。

这里的通信仅要求“开”或“关”通信信号，分别代表正极性或负极性″。例如，在受保护线路两端的信号极性如果相同，表示出现了内部故障。

本实施例的工作过程

例如于图2所示的输电网当F1点发生故障，那么1#线路三端的继电器P，继电器Q和继电器R将动作，并动作于断路器跳闸，切除该线路。继电器S将不动作。

具体工作过程如下：

1.设F2点发生了故障。

2.流过所有电流互感器(CS、CP1、CP2、CQ1、CQ2，CR)的电流将变化。

3.这些电流信号将被接口单元(IU)检测到并送到各自的变电站以太网。

4.连接在各自的变电站以太网后面的所有继电器(继电器S，继电器P，继电器Q和继电器R)将得到各自的电流信号。

5.检测到故障并启动了的继电器计算自己的保护流程图如图4所示。

6.继电器P为例，故障检测出后，保护算法将采用电流互感器CP1或CP2的电流做下一步计算用。因为检测到一个电流互感器的电流极性就可以马上导出另一个或更多连在母线上的线路的极性。例如CP1同CP2，CQ1同CQ2的极性是相反的。

7.程序然后分别进入两个并行的计算算法：(1)高频量的提取和(2)故障分量的提取；

1)、高频量的提取将经过模量转换和高频带通滤波量的阶段；

2)、故障分量的提取将经过故障选相和分量提取两个阶段。

8.之后程序将进入极性检验单元，算法将分别的导出高频和故障分量两个信号的极性，并将它们通过网络送出到所保护线路(线路1，线路2，线路3)远端继电器  (继电器S，继电器Q和继电器R)及网络保护与控制单元。这里CP1的极性被送到继电器S，CP2的极性被送到继电器Q和继电器R。

9.之后程序将进入极性比较单元。此时继电器将接收来自所保护线路远端继电器(继电器S，继电器Q和继电器R)送来的的高频及故障分量的极性信号。这里，CT1的极性将和继电器S的CS的极性比较。CT2的极性将和继电器Q的CQ1的极性及继电器R的CR的极性比较。若极性相同即为保护线路的内部故障，否则为外部故障。此例中因为故障在F2点，所以继电器P检测到的CP2的极性将同继电器Q检测到的CQ1的极性和继电器R检测到的CR的极性相同。而继电器P检测到的CT1的极性将和继电器S的CS的极性相反，从而可以得出故障在线路2和3上而不在线路1上。

10.由于高频信号和故障分量是分别进行比较，结果将产生两个结果。两个分别比较的结果然后输给跳闸决策逻辑单元，该单元有两种可预先设置的工作模式：模式1和2；

1)模式1需要两个比较的结果有一个为内部故障即可做出跳闸的决策；

2)模式2需要两个比较的结果都为内部故障才能做出跳闸的决策；模式1反应速度快，而模式2可靠性高。

11.跳闸后，程序将返回。