一种加速故障电流小半波阶段检测的方法

本发明涉及电力系统交流输电线路故障快速检测技术领域，具体涉及一种加速故障电流小半波阶段检测的方法。

技术背景

随着我国用电量的上升，电网改革不断加深。电力系统负荷的增加，电网耦合程度的加深，使得电网短路电流超标问题日益严重，许多地方的短路电流大小已经超过了断路器的开断容量。目前在国内外限制短路电流的措施中，采用故障电流限制器(faultcurrentlimiter，fcl)这一方案随着电力系统设备研发技术的进步逐渐受到欢迎。其中非自触发型fcl需要故障检测与辨识系统提供动作信号控制限流器动作。短路故障发生后，为了快速限制短路电流，抑制短路电流超标带来的危害，要求在极短时间内投入故障限流器，如3-5ms，因此研究快速精确的短路故障快速检测方法是故障限流器快速可靠投入运行的必要条件，并且快速检测故障电流也是交流输电线路其他的快速保护的必要环节。

电力系统交流输电线路发生短路故障后电流特征不尽相同，与故障电压初相角、稳态短路电流幅值、衰减时间常数等均相关。对于相同的短路电流水平和衰减时间常数，随着故障初相角的不同短路故障电流的波形也不同，在某些故障电压初相角下发生短路故障时，短路瞬态过程的早期电流会呈现出小半波特征，即电流变化率di/dt或电流i两次过零点的时间间隔小于半个周期，如下图1或图2所示，此时短路电流的基本特征量如瞬时值、一阶微分di/dt的大小等基本与正常运行电流相当，因此难以通过检测其基础特征量的方式快速判断是否发生短路故障。

本发明利用以上特征，提出了一种加速短路电流小半波阶段故障快速检测的方法，与目前实际应用于交流输电线路保护装置的短路电流故障快速检测方法相配合，可以提高短路电流小半波阶段的检测速度，使得交流输电线路保护装置能够更加快速地响应。

技术实现要素：

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种加速故障电流小半波阶段检测的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：通过交流输电线路保护装置的采集系统采集交流输电线路上的三相电流信号，并输入保护装置的控制器，根据控制器的状态参数判断控制器是否运行正常；

步骤2：通过交流输电线路保护装置控制器的低通滤波环节，滤除采集到的三相电流信号中的高次谐波及噪声信号；

步骤3：通过交流输电线路保护装置控制器的故障快速检测系统，记录并计算各相电流瞬时值、电流变化率、电流瞬时值及电流变化率过零点之间的间隔；

步骤4：将电流瞬时值、电流变化率、电流瞬时值或电流变化率过零点之间间隔三个判据以“三选二”的决策方式进行融合，形成判据融合策略，具体包括：

将实时检测到的电流瞬时值、电流变化率与已设定好的阈值进行比较，若检测量大于阈值，则该判据置1，认定系统可能发生短路故障；

对于电流瞬时值或电流变化率过零点之间时间间隔的判据为：若有电流瞬时值或者电流变化率的两相邻过零点间隔在所设定的范围内，认定为系统可能发生短路故障，则该判据置1；

当有一个判据置1后，若半个周波内又出现另一个判据置1，则认定为系统发生短路故障，并输出动作信号，控制保护装置进行响应的保护操作。

在上述的一种加速故障电流小半波阶段检测的方法，电流瞬时值或者电流变化率的相邻两个过零点时间间隔，在正常运行电流中为恒定值，而发生短路故障后短路电流第一个过零点与上一个过零点之间的时间间隔将发生变化，以此判据与电流变化率判据、电流瞬时值判据配合来判断是否发生短路故障。

在上述的一种加速故障电流小半波阶段检测的方法，实现步骤3中寻找电流瞬时值或者电流变化率相邻两个过零点时间间隔的方法是,根据实时检测量中当前检测的电流是否为0进行选择执行:

选择步骤1、若当前检测的电流是否为0，基于以下公式进行处理：

即：若当前采集的电流为0，则用上一采集点的值代替当前采集点的值，其中n表示任意采样点编号；

选择步骤2、若当前检测的电流不为0，寻找电流瞬时值或者电流变化率相邻两个过零点时间间隔，基于以下公式：

其中n1为第一个过零点所在采样点编号，n2为第二个过零点所在采样点编号，和分别为第n1、n1-1、n2、n2-1个采样点的电流瞬时值和变化率值。

因此，本发明具有如下优点：1、加快了输电线路短路故障部分故障电压初相角工况下的故障检测速度，解决了短路电流小半波阶段的故障检测较慢的问题。2、只需要采集电流信号，节省资源，可实现输电线路短路故障快速检测。3、方法简单，占用内存少，运算量小，易在各种控制器内实现。

附图说明

图1是第一种情况短路电流小半波阶段特征示意图。

图2是第二种情况短路电流小半波阶段特征示意图。

图3是电力系统单相双端电源输电线路简化模型。

具体实施方式

在电力系统正常运行状态下，三相输电线路上的电流呈现为正弦电流，发生短路故障后，短路电流中包含有稳态交流分量和衰减直流分量，短路电流的快速上升(或下降)，通常通过检测电流或者电流的变化率，能够实现短路故障的检测。在如图3所示的单相双端电源输电线路简化模型中，图中em为电源电势幅值；α为电源电压初相角，即故障初相角；ω为角频率；t为时间；i(t)为输电线路上的电流瞬时值。

当系统正常运行时，交流输电线路上的电流表达式如下：

式中im为正常运行电流幅值；为功率因数角。

当发生短路故障时，交流输电线路上的短路故障电流可以表示为：

式中τ为衰减直流分量的时间常数；im′为短路电流周期分量幅值；为故障后电路的阻抗角。

输电线路上正常运行电流i及电流对时间的变化率di/dt的频率是基本不变的，我国市电的频率为50hz，周期为20ms，由于电流为正弦波，此时电流过零点之间的间隔是相对固定的，为10ms。短路电流发生后，由于有衰减直流分量的影响，短路电流i的第一个过零点与上一个过零点之间的间隔将不再固定为10ms，可能小于10ms，可能大于10ms，前者称为小半波，后者称为大半波。电流对时间的变化率di/dt也存在类似的大、小半波现象。

对于双电源输电线路系统，输送功率方向即图3中i(t)的方向会随着运行方式的改变而改变，发生短路故障后会存在两种情况：正常运行时功率流向与短路发生后功率流向相反及正常运行时功率流向与短路发生后功率流向一致。前者可能出现的小半波现象，与图1类似，即出现电流i的小半波，后者可能出现的小半波现象与图2类似，即出现电流变化率di/dt的小半波。

图1的特征为短路发生后电流瞬时值i的第一个过零点与上一个过零点之间的间隔小于交流电源的半个周期；图2的特征为短路电流的变化率di/dt的第一个过零点与上一个过零点之间的间隔小于交流电源的半个周期。对短路故障检测极为不利的情况发生在极端小半波的情况下，因为这种情况下短路电流对应的基本特征量如瞬时值i、一阶微分di/dt大小均不能体现出与正常工作电流的明显区别。例如选取时间间隔小于5ms为极端小半波的情况。

基于以上研究内容，本发明提出了一种加速短路电流小半波阶段故障快速检测方法，通过判断短路电流瞬时值或者变化率的第一个过零点与上一个过零点之间的间隔在一定范围内进行故障快速检测与辨识，并且要求具有较强的可靠性，如下式所示。

其中f为采样频率，n1为刚刚经过第一个过零点所在采样点序号，n2为刚刚经过第二个过零点所在采样点序号，和分别为第n1、n1-1、n2、n2-1个采样点的电流瞬时值和电流变化率。要求小半波的时间长度大于某一个更小的数，如1ms，是为了有效避免因各种干扰而引起的波形毛刺，提高判据的可靠性。

考虑到电流或者电流变化率的采样点中可能为0值的情况，在使用上述公式前，增加一个数据处理的环节。目的是当出现采样值为0的情况时，将上一个采样点的值替换当前采样点的值。

其中n表示任意采样点的编号。

注意的是，此预处理只是在寻找电流瞬时值或者电流变化率相邻过零点的时候使用。是对上面不等式的一个补充，意思是如果刚好碰到采集的电流为0，则用上一点的值代替该点的值，不然没法满足<或者>的条件。

电流瞬时值或者电流变化率相邻两个过零点时间间隔范围选取应该同时考虑可靠性与快速性，经过大量仿真分析，时间间隔范围定值必须小于10ms并且大于一个较小值,为提高快速性可以要求为大于1ms且小于5ms，但不仅限于这两个具体值，关键在于取值利用了小半波的特性。

具体案例

目前实际应用于交流输电线路保护装置的短路电流故障快速检测算法为使用电流瞬时值i与电流变化率di/dt作为检测量，并当两种判据均满足时认为是发生短路故障，如故障限流器。为兼顾快速性和可靠性，将以上算法为基础，加入本发明提出的方法，三种判据任意满足两种视为发生短路故障。以某500kv输电线路模型短路电流仿真为例，模拟在同一故障位置、单相接地故障、不同故障电压初相角工况下发生故障，并分别使用不带本发明提出方法的算法和带本发明提出方法的算法进行故障检测，仿真结果如下表所示。

表1故障快速检测方法有效性仿真结果

仿真结果表明通过本发明提出的方法与目前实际应用于交流输电线路保护装置的短路电流故障快速检测方法相配合，可以有效加速短路电流小半波阶段故障快速检测。

本发明通过检测电流瞬时值或者电流变化率两相邻过零点之间的时间间隔来实现短路电流故障检测，并且能够有效加速短路电流小半波阶段故障快速检测，使得交流输电线路保护装置能够更快地动作，降低短路电流带来的危害，为短路故障快速检测技术提供了新的思路和方法。