CN102510051B - 基于波形系数方程识别智能变电站采样值数据失效的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于波形系数方程识别智能变电站采样值数据失效的方法，继电保护装置根据保护单元的不同，建立不同保护单元的数据模型，该数据模型包括差动保护数据模型、阻抗保护数据模型及方向保护模型；智能变电站非常规互感器输出的数据，通过合并单元，经过交换机或不经交换机直接以数字量接入继电保护装置，继电保护装置依据输入非常规互感器的电压、电流采样值数据进行数学运算，按不同保护单元的数据模型计算采样值的波形系数；继电保护装置对形成的波形系数值的大小及波动范围进行判断，以决定继电保护是否闭锁。

Description

基于波形系数方程识别智能变电站采样值数据失效的方法

技术领域

本发明涉及一种应用于继电保护的基于波形系数方程识别智能变电站采样值数据失效的方法，属于继电保护技术领域。

背景技术

随着变电站自动化和网络通信技术的飞速发展，及IEC61850标准体系的颁布和推行，传统的变电站逐渐向智能变电站过渡。非常规互感器作为智能变电站的基础和重要的组成部分，其发展和应用受到了广泛的关注。另随着有关非常规互感器的国际、国内标准相继颁布，相关应用研究和应用已逐步展开。

非常规互感器具有结构紧凑、绝缘性能优越、抗电磁干扰、不饱和、易于数字信号传输等优点，不但可降低变电站的综合成本，更重要的是可大幅度提高系统内保护装置及计量装置的动作可靠性及精度，对保证电网安全及有效提高计量回路的整体精度有重大的现实意义。

非常规互感器包括两种基本类型：一种为电子式电压、电流互感器(EVT/ECT)，主要特点为需要向传感头提供电源，主要以罗柯夫斯基线圈为代表；一种为电光效应的互感器(OVT/OCT)，主要指采用法拉第效应光学测量原理的电流互感器和采用普克儿效应的电压互感器，其特点为无须向传感头提供电源；非常规互感器最大的特点为输出为数字量信号或低电平的模拟量信号；目前110kV及以上电压等级数字化变电站中主要采用非常规互感器的数字量输出信号。

110kV及以上电压等级数字化变电站中输电线路间隔的电流、电压二次回路接入方式如图1、图2所示；系统一次电流由电子互感器采集器采样后输出电流的数字量信号，经IEC60044-8(FT3)协议以光纤通信的方式传输给合并单元(MU)，合并单元(MU)对本单元的电压、电流数字量进行重采样后实现采样同步，方式1为如图1所示通过光纤以太网经交换机以IEC61850-9-2协议传输至保护装置的过程层网络接口；方式2为如图1b所示经光纤通道以IEC61850-9-2协议传输直接接至保护装置过程层网络接口，本间隔交换机与其它间隔交换机通过以太网口通讯构成过程层总线，实现过程层采集信息的共享。

随着非常规互感器逐步推广应用，在实际现场运行中暴露了新产品市场初期的不稳定性，现场发生了一些由于电子互感器异常而导致的智能变电站继电保护单元误动作，影响着电力系统的稳定安全。目前针对电子互感器异常防止继电保护单元误动作的问题，主要有两个方面的措施，一是在电子互感器环节采用双采集回路(即双A/D回路)，二是在继电保护本身增加保护动作延时躲过电子互感器环异常数据段；采用双采集回路时保护采取相应的措施可以避免其中一个采集回路异常导致的保护误动作，但如两路采集回路公共部分出现异常或一次传感部分异常时，保护将无法采取措施保证保护正常工作；对于继电保护增加延时躲过异常数据段的方法，是以牺牲继电保护的速动性为代价的，由此而带来的后果对电力系统安全本身是不利的。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于波形系数方程识别智能变电站采样值数据失效的方法，以解决非常规互感器异常而导致的智能变电站继电保护单元误动作的问题。

本发明的识别智能变电站采样值数据失效的方法首先是保护的模型建立，通过模型建立选取对应保护的波形系数方程，波形系数方程本身是识别瞬时保护用电流或电压数据非工频量的信息，这是因为互感器异常数据不具有工频量特性的。波形系数方程是为求取电压或电流波形数据异常过程的手段。

为了衡量电流或电压波形发生异常(畸变)的过程，引入波形异常率的概念，其定义为电流或电压波形中不包括基波在内的所有各次谐波有效值平方和的平方根占该波形基波有效值的百分比，即

${\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{DF}}=\frac{\sqrt{\underset{n=2}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{I^2}_n}}{I_1}\×100\%$

I₁为基波有效值；I_n为n次谐波有效值；n＝2，3，…。

另为得到一个可以快速识别波形异常程度(即波形异常率)的方程，采用了基于瞬时采样点的波形异常程度方程(即波形系数方程)。具体波形系数方程如下：

$R=\sqrt{\frac{\underset{k=2}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}|i_{k-1}+i_{k+1}-{2i}_k\cos w{T}_s|}{\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left|i_k\right|}}$

该指标可以反映任意时间长度的正弦波信号的异常程度。若信号为标准正弦波，则波形系数为0；若信号含有较多非工频信号，则波形系数就不为0，且波形非工频含量越大，波形系数越大。

为实现上述目的，本发明的基于波形系数方程识别智能变电站采样值数据失效的方法包括以下步骤：

(1)继电保护装置根据保护单元的不同，建立不同保护单元的数据模型；

(2)智能变电站非常规互感器输出的数据，通过合并单元，经过交换机以数字量接入继电保护装置，继电保护装置依据输入非常规互感器的数据进行数学运算，按不同保护单元的数据模型计算采样值的波形系数；

(3)继电保护装置依据不同保护功能或模块设计相对应的波形系数方程，对形成的波形系数值的大小及波动范围进行判断，以决定继电保护是否延时动作或立即闭锁。

进一步的，所述步骤(1)中各保护单元的数据模型建立首先依据保护原理形成的动作方程，并结合故障时电力系统特征形成。

进一步的，所述步骤(1)中继电保护保护单元的数据模型包括差动保护数据模型、阻抗保护数据模型及方向保护模型，分别对应输电线路或元件差动保护、距离保护、功率或故障分量方向保护。

进一步的，所述差动保护的数据模型按电力系统个元件发生故障时差动电流的工频量含量形成，不考虑系统中的非周期分量、高频分量的情况，理想情况下差流波形中含非工频量为零；所述阻抗保护与方向保护数据模型建立类似差动保护，仅判别量为电力系统故障时保护获取的电压、电流量。

进一步的，所述步骤(2)中差动保护数据模型是以差动电流的工频量含量的大小为基准，R值大小代表了非工频量的大小，波形系数方程为：

$R=\sqrt{\frac{\underset{k=2}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}|i_{k-1}+i_{k+1}-{2i}_k\cos w{T}_s|}{\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left|i_k\right|}}.$

式中i_k-1、i_k、i_k+1为差动电流的瞬时采样值；T_s为保护装置的采样间隔；w＝2πf₀，f₀＝50；N代表选取数据窗的长度，根据保护动作速动进行相应选取，一般可选取半个工频周期或一个工频周期的采样点数。

进一步的，所述步骤(2)中所述距离保护数据模型是以用于阻抗计算的电压、电流的工频量含量的大小为基准，用于阻抗计算的电压、电流的波形系数R_U、R_I，

$R_U=\sqrt{\frac{\underset{k=2}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}|u_{k-1}+u_{k+1}-2u_k\cos w{T}_s|}{\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left|u_k\right|}},$

式中u_k-1、u_k、u_k+1为用于阻抗计算电压的瞬时采样值；T_s为保护装置的采样间隔；w＝2πf₀，f₀＝50；N代表选取数据窗的长度，可根据保护动作速动进行相应选取，一般可选取半个工频周期或一个工频周期的采样点数；

$R_I=\sqrt{\frac{\underset{k=2}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}|i_{k-1}+i_{k+1}-{2i}_k\cos w{T}_s|}{\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left|i_k\right|}}$

式中i_k-1、i_k、i_k+1为用于阻抗计算电流的瞬时采样值；T_s为保护装置的采样间隔；w＝2πf₀，f₀＝50；N代表选取数据窗的长度，可根据保护动作速动进行相应选取，一般可选取半个工频周期或一个工频周期的采样点数。

进一步的，所述步骤(2)中所述方向保护模型是以用于阻抗计算的电压、电流的工频量含量的大小为基准，具体波形系数方程同距离保护的电压、电流波形系数方程。

进一步的，所述步骤(3)差动保护依据以差动电流的工频含量的大小为基准波形系数方程，从波形系数方程计算的数值可判断非工频量含量的大小，如非工频量数值超出系统本身含有的可判断是互感器异常导致的，选取设定的阀值门槛立即闭锁差动保护；距离保护和方向保护选用同样的方法进行判别进而闭锁相应的保护，由于距离保护和方向保护的判别需要电压和电流两个信息，故需要分别计算电流波形系数和电压波形系数，由两个系数数值的判别结果或门关系构成闭锁相应保护的条件。

本发明的基于波形系数方程识别智能变电站采样值数据失效的方法，首先依据各保护原理自身的特点建立数据模型，选取波形系数方程，依据波形系数方程计算的数值选取不同的阀值可快速闭锁相应的保护，由于波形数据窗的选取可根据保护的需要进行自由选择，保证了不牺牲保护的速动性。另该方法置于继电保护装置中，可反映电子互感器到保护装置间的任一个环节的采样值数据失效。该方法的应用可以有效的提高智能变电站继电保护的可靠性运行。

附图说明

图1是智能变电站线路差动保护采样数据传输及连接示意(组网方式)；

图2是智能变电站线路差动保护采样数据传输及连接示意(直连方式)；

图3是智能变电站距离保护采样数据传输及连接示意图；

图4是750kV输电线路故障时差流波形及故障相差动电流波形系数值；

图5是一次智能变电站现场电子互感器异常时保护差动波形及波形系数值；

图6是差动保护逻辑示意图；

图7是故障相B、C相电压和电流波形；

图8故障相B、C相电压和电流波形系数值；

图9是的距离保护逻辑示意图；

图10是高阻接地故障时零序电压、零序电流的波形；

图11是高阻接地故障时零序电压、零序电流的波形系数值；

图12是零序方向保护逻辑示意图。

具体实施方式

基于波形系数方程识别智能变电站采样值数据失效的方法包括以下步骤：

(1)继电保护装置根据保护单元的不同，建立不同保护单元的数据模型；

(2)智能变电站非常规互感器输出的数据，通过合并单元，经过交换机以数字量接入继电保护装置，继电保护装置依据输入非常规互感器的数据进行数学运算，按不同保护单元的数据模型计算采样值的波形系数；

(3)继电保护装置依据不同保护功能或模块设计相对应的波形系数方程，对形成的波形系数值的大小及波动范围进行判断，以决定继电保护是否延时动作或立即闭锁。

一、纵联差动保护

这里继电保护中的差动保护具体实施以高压输电线路的纵联差动保护为例具体说明。

如图1所示智能变站的输电线路纵联差动保护连接方式示意图，差动保护接收输电线路M侧、N侧的已经的同步电流、电压的数字量信息。一次电流、电压是非常规互感器进行采集并数字化后(采样率一般4Khz)，以瞬时值的方式经过合并器、交换机发送到继电保护装置，其通信协议是按IEC61850-9-2标准。差动保护的基本工作原理如下：差动保护获取两侧的电流信息，利用差动保护的动作方程判别，判别为区内故障时保护发出跳闸信息以控制断路器将故障隔离。动作方程如下：

I_CDΦ＞I_SETΦ    (1)

I_CDΦ＞0.75*I_r    (2)

式中：动作电流

为两侧电流矢量和的幅值；制动电流为两侧电流矢量差的幅值；I_SETΦ为相量差动电流定值，现场整定。

基于波形系数方程识别智能变电站采样值数据失效的方法对于差动保护的模型建立，是选用差动保护的动作方程式(1)中差动电流瞬时数据，识别差动电流的瞬时数据非工频量的信息，这是因为互感器异常数据不具有工频量特性的。波形系数方程的为求取电压或电流波形数据异常过程的手段。从波形系数方程计算的数值可判断非工频量含量的大小，如非工频量数值(R)超出系统本身含有的可判断是互感器异常导致的，选取一定裕度的阀值立即闭锁差动保护。

对于差动保护元件，考虑差动保护不同的保护对象(线路、变压器或母线)，依据保护对象发生故障时的模型特征，设置对应的波形系数数值的阀值，线路差动保护的闭锁门槛应考虑故障后的直流分量含量，分布电容引起的高频分量含量，母线保护考虑直流分量衰减时间等。

以线路差动保护对象的特点分析，这里以超高压750kV输电线路模型为例说明，以兰州东咸阳的497km示范工程中的线路模型建立仿真模型。模拟故障初始较为0°时区内发生典型金属性单相接地故障，故障相A相差动电流的波形系数值如图4中所示。

从图4中可以看出，故障相差动电流的波形系数并不为0，整个故障过程系数值小于0.5，这里主要是因为故障电流中的直流分量对波形系数值得影响。

这里再以一次智能变电站现场电子互感器异常时保护装置录取的数据波形说明波形系数值的变化情况，以便我们选取适当的阀值闭锁差动。具体如图5，在智能变电站运行过程中发生了B相电流突然增大，最终导致差动保护误动作造成停电事故。

基于以上的典型故障差流的波形系数值及电子互感器异常时的波形系数值，我们可以看出电子互感器异常时的波形系数值明显大于正常运行及电力系统发生故障时的波形系数值。这里直接可以将闭锁差动保护波形系数阀值定为0.5，当保护计算波形系数值大于0.5时保护可选择立即闭锁保护，实际应用中阀值的选择可以进一步对不同电压等级及不同线路模型进一步仿真分析，进而选取最优阀值。逻辑示意图如6。

二、距离保护

这里继电保护中的距离保护具体实施以高压输电线路的距离I段保护为例具体说明。

如图3所示智能变站的输电线路距离保护采样数据传输及连接方式示意图，距离保护接收输电线路M侧的已经的同步电流、电压的数字量信息。一次电流、电压是非常规互感器进行采集并数字化后(采样率一般4Khz)，以瞬时值的方式经过合并器发送到继电保护装置，其通信协议是按IEC61850-9-2标准。距离保护的基本工作原理如下：距离保护获取本间隔的电压、电流信息，利用电压、电流计算具体阻抗或建立阻抗保护动作方程，判别为区内故障时保护发出跳闸信息以控制断路器将故障隔离。以相间距离保护为例说明，动作方程如下：

式中：

为极化电压。

为工作电压，θ为偏移角；其中

及θ整定值。

本专利提出的基于波形系数方程识别智能变电站采样值数据失效的方法对于距离保护的模型建立，是选用距离保护的动作方程式(3)中电压、电流瞬时数据，与差动保护的方法类似识别电压、电流的瞬时数据非工频量的信息。波形系数方程是求取电压或电流波形数据异常过程的手段。从波形系数方程计算的数值可判断非工频量含量的大小，如故障相电压或故障相电流非工频量数值(R)超出系统本身含有的可判断是互感器异常导致的，选取一定裕度的阀值立即闭锁距离保护。

对于线路保护的距离保护元件，考虑发生故障时的模型特征，设置电压及电流对应的波形系数数值的阀值。

同样以超高压750kV输电线路保护为例说明阀值的选取方法，以兰州东咸阳的497km示范工程中的线路模型建立仿真模型。模拟区内发生典型金属性相间故障，故障相BC相电压、电流波形及波形系数数值如图7、8中所示。

从图中可以看出，故障相差动电流的波形系数值并不为0，整个故障过程系数值在0.1-0.4之间，这里主要是因为故障电流中的直流分量对波形系数值得影响。而故障相电压的波形系数值也不为0，其主要原因为故障时电压中含有的高次谐波所致。

基于以上的典型故障时计算距离保护所用到的故障相电压及电流值，可以看出，正常运行及电力系统发生故障时的故障相波形系数值均小于0.4。参考实施例一中的方法，考虑一定的裕度直接可以将闭锁距离保护的电压和电流波形系数阀值定为0.5，当保护计算波形系数值大于0.5时保护可选择立即闭锁保护，实际应用中阀值的选择可以进一步对不同电压等级及不同线路模型进一步仿真分析，进而选取最优阀值。逻辑示意图如9。

三、零序方向保护

这里继电保护中的方向保护具体实施以高压输电线路的零序方向保护为例具体说明。

智能变站的输电线路方向保护采样数据传输及连接方式与距离保护方式相同，如图3所示。方向保护接收输电线路M侧的已经的同步电流、电压的数字量信息。一次电流、电压是非常规互感器进行采集并数字化后(采样率一般4Khz)，以瞬时值的方式经过合并器发送到继电保护装置，其通信协议是按IEC61850-9-2标准。方向保护的基本工作原理如下：方向保护获取本间隔的电压、电流信息，利用电压、电流计算出零序电流、零序电压，通过零序过流元件及方向元件进行判别，判别为区内故障时保护发出跳闸信息以控制断路器将故障隔离。零序方向保护的具体动作方程如下：

3I₀＞I_0set    (5)

本发明的基于波形系数方程识别智能变电站采样值数据失效的方法对于零序方向保护的模型建立，是选用零序方向保护的动作方程式(4)中零序电压、零序电流瞬时数据，与差动保护的方法类似识别零序电压、零序电流的瞬时数据非工频量的信息。波形系数方程是求取零序电压或零序电流波形数据异常过程的手段。从波形系数方程计算的数值可判断非工频量含量的大小，如零序方向保护用到的零序电压、零序电流非工频量数值(R)超出系统本身含有的可判断是互感器异常导致的，选取一定裕度的阀值立即零序方向保护。

同样以超高压750kV输电线路保护为例说明阀值的选取方法，以兰州东咸阳的497km示范工程中的线路模型建立仿真模型。模拟区内发生典型单相高阻接地故障，这里以单相高阻为例主要因为零序方向保护主要针对高阻接地故障时作为后备保护而设置的，模拟区内发生单相高阻接地故障时零序电压、电流波形及波形系数数值如图10、11中所示。

从图中可以看出，零序方向保护计算用的零序电压和零序电流波形系数值并不为0，整个故障过程系数值在0.2左右。基于以上的典型故障时计算零序保护所用到的零序电压及零序电流值，可以看出，正常运行及电力系统发生故障时的故障相波形系数值均小于0.3。参考实施例一中的方法，考虑一定的裕度直接可以将闭锁零序方向保护的零序电压和零序电流波形系数阀值定为0.4，当保护计算波形系数值大于0.4时保护可选择立即闭锁保护，实际应用中阀值的选择可以进一步对不同电压等级及不同线路模型进一步仿真分析，进而选取最优阀值。逻辑示意图如12。

Claims (7)

1.基于波形系数方程识别智能变电站采样值数据失效的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤： 

（1）继电保护装置根据保护单元的不同，建立不同保护单元的数据模型； 

（2）继电保护装置依据不同保护单元设计相对应的波形系数方程，智能变电站非常规互感器输出的数据，通过合并单元，经过交换机以数字量接入继电保护装置，继电保护装置依据输入非常规互感器的数据进行数学运算，按不同保护单元的数据模型计算采样值的波形系数； 

（3）对形成的波形系数值的大小及波动范围进行判断，以决定继电保护是否延时动作或立即闭锁。 

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤（1）中各保护单元的数据模型建立首先依据保护原理形成的动作方程，并结合故障时电力系统特征形成。 

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述步骤（1）中继电保护保护单元的数据模型包括差动保护数据模型、阻抗保护数据模型及方向保护模型，分别对应输电线路或元件差动保护、距离保护、功率或故障分量方向保护。 

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述差动保护的数据模型按电力系统各元件发生故障时差动电流的工频量含量形成，不考虑系统中的非周期分量、高频分量的情况，理想情况下差动 电流波形中含非工频量为零；所述阻抗保护数据模型与方向保护模型建立类似差动保护，仅判别量为电力系统故障时保护获取的电压、电流量。 

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述差动保护数据模型是以差动电流的工频量含量的大小为基准，R值大小代表了非工频量的大小，波形系数方程为： 

式中i_k-1、i_k、i_k+1为差动电流的瞬时采样值；T_s为保护装置的采样间隔；w=2πf₀,f₀=50；N代表选取数据窗的长度，根据保护动作速动进行相应选取，一般可选取半个工频周期或一个工频周期的采样点数。 

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述阻抗保护数据模型是以用于阻抗计算的电压、电流的工频量含量的大小为基准，用于阻抗计算的电压、电流的波形系数R_U、R_I， 

式中u_k-1、u_k、u_k+1为用于阻抗计算电压的瞬时采样值；T_s为保护装置的采样间隔；w=2πf₀,f₀=50；N代表选取数据窗的长度，可根据保护动作速动进行相应选取，一般可选取半个工频周期或一个工频周期的采样点数； 

式中i_k-1、i_k、i_k+1为用于阻抗计算电流的瞬时采样值；T_s为保护装置的采样间隔；w=2πf₀,f₀=50；N代表选取数据窗的长度，可根据保护动作速动进行相应选取，一般可选取半个工频周期或一个工频周期的采样点数。 

7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述方向保护模型是以用于阻抗计算的电压、电流的工频量含量的大小为基准，具体波形系数方程同距离保护的电压、电流波形系数方程。 

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