输电线路数字式行波保护方法及其继电器与保护系统 【技术领域】
本发明属于电力系统领域，特别涉及电力系统高压/超高压输电线路的继电保护技术。背景技术
继电保护是电力系统的重要组成部分。动作速度是衡量继电保护性能优劣的重要指标。目前在电力系统大量运行的继电保护基本上都是以工频电气量为基础的。这种继电保护当采用微机实现时，其动作时间一般都在20毫秒以上，特别地，由于受过渡电阻、电流互感器饱和等因素影响，继电保护的灵敏性和动作速度都受到较大的限制。发明内容
本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种输电线路数字式行波保护方法及其继电器与保护系统，使用高速数据采集技术、快速数字信号处理技术、利用输电线路故障后所产生的暂态行波和小波变换技术，能够记录输电线路故障后线路两端三相暂态电压行波和三相暂台电流行波。可以用作110千伏及其以上电压等级的高压和超高压输电线路主保护。具有超高速动作性能(最快动作速度可以达到几个毫秒)的优点。
本发明提出的一种输电线路数字式行波保护方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)采集和计算输电线路故障后所产生的暂态电压和暂态电流行波；
(2)对最先得到的三相电压和三相电流行波施行相模变换，得到两个线模分量；
(3)对于这两个线模行波分量施行小波变换，得到小波变换模极大值；
(4)计算初始电压行波小波变换模极大值和初始电流行波小波变换模极大值的比值，判别故障发生的方向，其判据是：
如果比值小于负1，则判为正向故障；
如果比值等于正1，则判为反向故障；
(5)利用高频载波通道交换被保护线路两端的故障方向信息，进而根据两端方向判别的结果做出故障发生在被保护线路区内或者区外的结论，决定继电保护是否出口动作跳闸；
其保护动作判据是：
如果两端方向继电器都判别为正向故障，则为内部故障，保护出口动作跳闸；
如果两端方向继电器判别结果不同，则判为外部故障，保护不动作。
本发明提出一种采用上述保护方法的数字式行波继电器，其特征在于：包括安装在一机箱内插于一母板上的由电源，电流/电压、电压/电压变换器板，监控板，方向继电器板，行波保护板，出口继电器板六个部分组成的硬件装置，以及固化在监控板、方向继电器板、行波保护板上的三个微处理器中的监控模块、相模变换模块、小波变换模块、行波启动模块、行波选相模块、完整的波阻抗方向继电器模块、保护动作判别模块组成的保护与算法程序。该保护与算法程序由上述行波保护方法编制而成，其作用有两个：采集计算行波、判别故障方向；比较两端方向判别结果。
本发明提出了一种采用上述数字式行波继电器地输电线路数字式行波保护系统，其特征在于：在待保护的输电线路的一端连接有第一台数字式行波继电器和与其相连的第一台高频收发讯机，在该输电线路的另一端连接有第二台数字式行波继电器和与其相连的第二台高频收发讯；其中，高频收发讯机和高频载波通道用于交换被保护输电线路两端的故障方向判别结果。如果线路两端行波继电器的故障方向判别结果都为正，则认为故障发生在被保护线路区内，继电器出口跳闸，否则继电器不动作。
本发明可达到如下性能指标：
1、行波方向继电器出口时间小于5毫秒；
2、整套保护动作时间小于15毫秒；
3、能够记录输电线路故障后线路两端三相暂态电压行波和三相暂台电流行波。
本发明能够应用于保护110千伏及以上电压等级的高压、超高压输电线路。附图说明
图1为本发明应用于典型输电线路实施例保护系统构成图。
图2为本实施例中的数字式行波继电器结构框图。
图3为本实施例中的监控板硬件构成框图。
图4为本实施例中的监控板的软件构成框图。
图5为本实施例中的方向继电器板硬件构成框图。
图6为本实施例中的方向继电器板的软件构成框图。
图7为本实施例的行波保护板的硬件构成框图。
图8为本实施例的行波保护板的软件构成框图。具体实施方式
本发明提出了输电线路数字式行波保护方法及其继电器与保护系统实施例，结合各附图详细说明如下：
本发明所说的输电线路数字式行波保护系统实施例是用于一个典型的输电线路中，如图1所示，其中典型的输电线路的电力系统设备包括：输电线路1、等效电力系统2、母线3、电压互感器4、电流互感器5、高频耦合设备6、高频耦合设备11，线路阻波器7，断路器8。
图1中电力系统设备各个元器件的作用分别说明如下：
(1)输电线路1是被保护输电线路，也是传送高频载波信号的通道。
(2)等效电力系统2，代表连接到该线路两端的电力系统。
(3)母线3表示该线路两端的变电站母线。
(4)电压互感器4，用于把高电压变换成为低电压，100伏。
(5)电流互感器5，用于把线路上流过的大电流变换成为小电流，1安培。
(6)高频耦合设备6，用于把高频载波信号耦合到输电线路上去，也用于从输电线路上取回对端发送来的高频载波信号。
(7)阻波器16、17，用于让高频信号在本线路上流动而不到其它线路上去。
(8)断路器18、19，用于闭合和切除输电线路。
在这个典型输电线路中，设置在被保护的输电线路1两端的两台高频收发讯机和两台数字式行波继电器组成了本数字式行波保护系统实施例，其中，高频收发讯机用于产生发送和接收高频信号；数字式行波继电器实现继电保护。这两部分的实施例结构及功能分别详细说明如下：
1.应用于本数字式行波保护系统实施例中的数字式行波继电器，其组成结构实施例如图2所示，它包括电源板21、电流/电压、电压/电压变换器板22，监控板23，方向继电器板24，行波保护板25，出口继电器板26，该六块板均插在一块母板27上，该母板27安装在一机箱28内，该机箱28面板及侧板上安装有液晶显示器281，按键282，电源插座283等。
其工作过程为：电源板21为其它插件提供电源，来自于电压互感器的三相电压、来自于电流互感器的三相电流分别接入电压/电压、电流/电压变换器板22，然后被方向继电器板24采样、运算，得到故障方向(正或者负)，然后送给行波保护板25，该板一方面把这个结果传送给高频收发讯机，一方面等待高频收发讯机所收到的对端方向判别结果，如果都为正，则行波保护板输出跳闸命令给继电器出口板26，经该板子出口跳闸，断路器动作切除故障线路。监控板23和方向继电器板24、行波保护板25相连，监视控制整个系统的工作，上述6个插件安装在母板27上，封装在机箱28里。在机箱外部的前面板上装有液晶显示屏幕281、用于显示装置运行状况和显示故障信息，按键282用于输入修改继电保护定值、进行显示操作，交流电源插座283提供给该继电器220伏交流或者直流电源。
各器件的型号与功能说明如下：
(1)电源板21：它由无锡生产的YF20-113电源焊接在印制电路板上构成。
提供行波继电器各个板子所使用的电源，功率250瓦特，电压等级为：正负5伏特，正负12伏特给提供电源。
(2)电压/电压、电流/电压变换器板22它主要由8个型号为SPT-264A的电压/电压变换器和8个型号为SCT-254的电流/电压变换器构成。
该板子的作用是把来自于电压电流互感器的100伏特电压和电流1(或5)安培的电流变换成为正负5伏特的电压信号，供单片机电路使用。
在该板子上安装有8个电压/电压变换器和8个电流/电压变换器。
(3)监控板23
该板子的作用是管理、指挥整个数字式行波继电器的工作。包括刷新液晶屏幕、显示故障波形、扫描键盘操作、和行波保护板通信(包括互检和读取故障数据)等。它主要由MC68332微处理器和相应的外围电路构成的硬件，以及存储在其中的软件程序组成。
该监控板23硬件的主要元器件如图3所示如下：
微处理器：32位处理器芯片MC68332，该处理器是本监控板的核心元件，本板的所有功能都要通过该芯片和运行在其中的程序来实现。
数据存储器RAM：62256(256K字节)，用于存放数据
程序存储器EPROM：27256(256K字节)，用于存放和固化程序RAM，62256
该监控板23软件程序固化在程序存储器EPROM(62256)中、运行在MC68332微处理器中，主要完成以下功能：
和方向继电器板24，行波保护板25之间的通信；
键盘操作；
液晶显示；
故障数据存储等。
该程序由两部分构成，一个是正常运行(主程序)，如图4a所示；另一个是发生故障后(故障处理程序)。如图4b所示。现结合附图分别说明如下：
主程序包括：
“启动初始化”模块：启动DSP，上电，设定各个管脚的状态，开中断。
“自检”模块：数据存储器自检，在没有使用的数据存储区，写入字节，再读出，检验其状态。
“液晶显示”模块：
正常运行时，在液晶屏幕上显示“运行”，1秒钟刷新一次；
当发生故障后，在液晶屏幕上显示“故障”，2秒钟刷新一次；
当有键盘操作时，显示相应的对话字符和波形、定值等
“扫描键盘操作”模块，用于扫描键盘，1秒钟一次；如果有定值下放要求，波形调用要求等，通过该模块来实现
“触发判别”模块：判别硬件是否故障启动，已触发则转入故障处理程序；否则循环等待。它具有最高优先级。故障发生后，立即转入故障处理程序。“等待1秒钟”的意思是从故障发生到能够获得本次动作结果和故障数据的时间。
故障处理程序包括“和行波保护板通信，读取故障数据”模块和“形成本次故障数据文件”模块。
其中：“和行波保护板通信，读取故障数据”模块用于经过串行口和行波保护板通信，读取本次故障的三相电压、三相电流波形。保护动作的结果。
“形成本次故障数据文件”模块，对于本次故障数据连同时间信息等，整理成标准格式，准备给运行人员调用，显示、查看。
(4)方向继电器板24
该板子的作用是采集和记录故障后暂态电流、暂态电压、执行相—模变换，小波变换，故障启动判别，故障选相，故障方向计算与判别。
该方向继电器板24硬件构成如图5所示，它由模拟信号输入和A/D转换模块(虚线框左侧部分)、数字信号处理模块(虚线框内部分)、通信模块(虚线框右侧部分)三部分组成。
各模块的组成及功能说明如下：
←模拟信号输入和A/D转换模块
包插前置低通电路、前置带通电路、A/D模块、比较器(硬件启动)电路。其中：
前置低通电路
采用一个200千赫兹的低通滤波电路，滤除高频干扰。
前置带通电路
用于故障启动电路，频率范围3千赫兹～10千赫兹。
比较器(硬件启动)电路，使用电压比较器LM293构成
三相电流经过前置带通电路后，将获得3千赫兹～10千赫兹的频率分量。
这个电流频率分量和设定的门槛相比较，如果输出为高电平，则从硬件角度看，故障已经“发生”
A/D模块
A/D模块的核心是A/D转换器芯片，该芯片选择为AD803。 ↑数字信号处理(简称DSP)模块，包括控制及译码电路、DSP芯片及相应的外围电路。其中：
控制及译码电路
主要用于控制模数转换(A/D)、把转换结果送给RAM；
DSP及外围电路
DSP芯片选择TMS320C31，外围芯片包括数据存储器RAM、程序存储器芯片EPROM62256。
→通信模块
采用MC485芯片，用于和其它板件或者后台计算机交换采集与计算结果。
该方向继电器板24的软件程序如图6所示，其固化在DSP及外围电路中的程序存储器EPROM62256中，运行在DSP中，该程序完成以下功能：
故障启动的软件判别；
相模变换；
小波变换；
故障选相；
故障方向判别。
现结合图6说明如下
启动模块：启动DSP，上电。
初始化模块：设定各个管脚的状态，开中断。
自检：数据存储器自检
触发判别：判别硬件是否故障启动，已触发则继续；否则循环等待。
读取数据：读入故障数据。
软件判启动：三相电流中的某一相或全部是否求和大于整定值。是的，认为故障发生，继续，否则返回。
相模变换模块：把三相电流Ua，Ub，Uc，三相电压Ia，Ib，Ic变换成模量电压和模量电流Uα，Uβ，U0，Iα，Iβ，I0.μ0μαμβ=131111-1010-1×μaμbμc-----(1)]]>i0iαiβ=131111-1010-1×iaibic-----(2)]]>小波变换模块
采用二进小波，变换公式如下{hi}i∈Z和{gi}i∈Z是小波变换系数，数值是{hk}＝(0.125，0.375，0.375，0.125)(k＝-1，0，1，2)；{gk}＝(-2，2)(k＝0，1).A2′df(n)是小波变换逼近分量
W2′df(n)是小波分量
f(n)是离散的电压或者电流(采样值)故障选相模块
根据小波变换结果选择故障相当|Io|＝0，
如果|Iα|＝2|Iβ|＝2|Iγ|，判为AB两相短路；
如果|Iβ|＝2|Iα|＝2|Iγ|，，判为AC两相短路；
如果|Iγ|＝2|Iβ|＝2|Iα|，，判为BC两相短路。
否则，判为三相短路当|Io|≠0，
如果|Io|＝|Iα|＝|Iβ|，判为A相接地；
如果|Io|＝|Iα|＝|Iγ|，判为B相接地；
如果|Io|＝|Iβ|＝|Iγ|，判为C相接地；
如果Io＝Iβ+Iγ，判为AB相接地；
如果Io＝Iα-Iγ，判为AC相接地；
如果Io＝-(Iβ+Iα)，判为BC相接地上式中Io、Iα、Iβ、Iγ，都是小波变换后的模量电流。其中
Iγ＝Ib-Ic
方向判别模块
判别故障发生在正方向或者反方向
如果模量电压的小波变换模极大值和电流的小波变换模极大值相除再除以常数(线路波阻抗)，结果如果小于负2，则判为正向故障；如果等于1，则判为反向故障。
通信模块
通过串行通信把这个结果传送给行波保护板。
(5)行波保护板25
行波保护板的作用是执行继电保护判据，判断故障是否发生在被保护线路内部。具体包括：串行通信；执行保护判据；控制收发讯机发送或者停止发送高频信号；从方向继电器板读取故障数据；把故障数据传送给监控板上的MC68332微处理器单元。
行波保护板25的硬件构成如图7所示，该板子主要由摩托罗拉生产的32位微处理器MC68332和相应的外围电路构成。
微处理器采用32位处理器芯片MC68332；8251作为串行扩展口，扩展两个串口，用于和监控板和方向继电器板之间的通信。该处理器是本板子的核心元件，本板子的所有功能都要通过该芯片和运行在其中的程序来实现。
数据存储器RAM：62256(256K字节)，用于存放数据。
程序存储器EPROM：27256(256K字节)，用于存放和固化程序。
行波保护板25的软件是固化在程序存储器并运行在MC68332中的程序，执行通信功能，执行保护判据，收发讯机控制等功能。行波保护板的程序如图8所示。现结合该图说明如下：
启动模块——启动DSP，上电。
初始化模块——设定各个管脚的状态，开中断。
自检——数据存储器自检。
触发判别——判别硬件是否故障启动，已触发则继续；否则循环等待，记录故障时间。
串行口中断程序1——用于和方向继电器板通信，包括读取故障数据、故障选相结果、方向继电器动作结果、给方向继电器板下达软件启动定值。利用串行口1；
串行口中断程序2——用于和监控板通信，包括把故障数据、故障选相结果、方向继电器动作结果传送给监控板，接受由监控板下达的定值。利用串行口2；
执行保护判据——如果本继电器方向继电器故障方向判别为正，对端方向继电器判别也为正，则继电器输出跳闸脉冲给出口继电器板，出口跳闸。否则，不输出。利用68332的输出口线；
高频收发讯机的控制——启动高频收发讯机收讯、停讯，利用68332的输入和输出口线；
故障数据读取和传送——利用串行口中断程序1、2，接收来自于方向继电器板的数据，发送给监控板，记录方向继电器动作结果到达该板的时间、行波保护继电器出口跳闸时间。
(6)出口继电器板26
该板子的作用是在数字式继电器和断路器控制回路之间增加一个机械接点，保障跳闸命令和断路器之间形成明显的断口。
(7)母板27
该板子的作用是把各个功能板安装固定在它的插座上，同时提供各个板子之间的联络线。
(8)机箱28
所有板子和元器件安装在一个铝合金机箱里面。
其中：液晶显示器-281型号为MGL(S)-320240CCFL，用于显示继电器整定值、波形，继电器动作情况。按键-282型号为TP801，运行人员管理、调试、修改下达定值时使用。电源插座-283外接交流或者直流220伏电源插口。
2.高频收发讯机
高频高频收发讯机是该保护系统的重要组成部分，因为，该保护系统需要比较输电线路两端的故障方向，因此快速可靠交换该方向信息是实现该保护的重要条件。
本保护使用的高频高频收法讯机型号选择为WGC-01A。该收发讯机是110千伏-500千伏输电线路继电保护的专用高频通道设备，它是微机型的产品，中央处理器单元采用英特尔公司生产的80196单片机芯片。
本实施例的工作过程
结合图1和图2说明如下：
1、设被保护线路1发生故障；
2、故障点将产生运动的电压和电流行波；
3、安装在线路1(参见图1)两端的电压和电流互感器6、8、7、9(参见图1)将把该行波信号传变到它们各自的二次侧；
4、这些变换了的电压和电流被连接到数字式行波继电器14、15(参见图1)；分别接入数字式行波继电器14、15的两个电压/电压、电流/电压变换器板-22(图2)；
5、然后，从电压/电压、电流/电压变换器板22(参见图2)出来的5伏弱信号进入方向继电器板24(参见图2)。首先，经过带通滤波器接入硬件启动电路，同时经过低通滤波电路进入采样回路，被转化成为数字信号；
6、硬件启动电路触发，并通知监控板23和行波保护板25(参见图2)；
7、方向继电器板24读入故障数据给DSP芯片，执行软件判启动；
8、确认故障发生后，进行相模变换，小波变换，故障选相和方向继电器计算，结果为小于负2的数；
9、方向继电器板把这个结果连同故障数据、故障时间通过传行通信发送给行波保护板25(参见图2)；
10、方向保护板25(参见图2)接到该方向继电器24(参见图2)的方向判别结果过后，给高频收发讯机“停信”命令，同时等待对端高频收发讯机“停信”；
11、确认对端也“停信”后，意味着对端也判别为正方向故障，这时给出出口“跳闸命令”，经由出口继电器板26(参见图2)出口跳闸；
12、把刚才收到的故障数据、故障时间、故障选相结果、该继电器出口动作时间等经过串行通信口传送给监控板；
13、监控板23(参见图2)收到这些信息后，整理成故障数据文件，供运行人员查看，分析。