CN104054001B - 在没有电压测量信息的情况下确定故障方向的方法及其方向元件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于在没有电压测量信息的情况下确定故障方向的方法及其方向元件，包括：对于任一保护，测量本地线路的电流值；基于所述电流值计算故障分量电流，并且进一步计算所述故障分量电流的相位角；获取与所述本地线路所连接到的同一母线的至少两条其它线路的故障分量电流的相位角；将所述本地线路的故障分量电流的相位角与所述其它线路的故障分量电流的相位角进行比较；并且基于所述比较结果确定故障方向。所提出的无需电压测量信息的方法和方向元件可被用于配电系统中和输电系统中。应注意的是所提出的解决方案还可被用于需要故障方向但没有可用电压信息的任何应用。

Description

在没有电压测量信息的情况下确定故障方向的方法及其方向元件

技术领域

本发明涉及输电网或配电网的技术领域，更具体地，涉及在没有电压测量信息的情况下确定故障方向的方法及其方向元件。

背景技术

随着越来越多的分布式发电机(DG)被连接到配电网中，故障电流的方向变得非常复杂，且不同于没有DG的传统配电系统中的故障电流的方向。在一些情况下，没有方向判断的传统过电流(OC)保护继电器(也可直接称为“保护”)会发生误跳，这明显地影响了电力系统的可靠性、稳定性和安全性。因此，故障方向或用于确定故障方向的方向元件对于保护和控制(P&C)系统来说是非常重要的。

在一些情况下，保护可以直接由方向元件构成，例如方向纵联保护。在其它情况下，方向元件可以在保护中被用作重要的辅助元件，例如用于过电流保护的方向元件。

通常，电压向量与电流向量之间的角度差被用于估量与传感器位置相关的故障方向。遗憾的是，电压测量信息并不总是可用于保护的。对于配电网中的线路，在许多情况下没有电压传感器。即使对于输电网中有电压传感器的线路来说，电压测量信息也不总是可用的。例如，当传感器存在故障时，或传感器的输出信号由于一些原因没有被正常传送给智能电子设备(IED)。因此，在没有电压测量信息的情况下获取故障方向，以使保护能够正确动作是非常有用的。

现有技术中已经存在一些相关的解决方案，这些解决方案试图提供一种不需要电压测量信息而确定故障方向的方向元件。

在文章“在辐射状配电系统中使用序电流中的相位变换进行故障方向的判断(Fault direction estimation in radial distribution systemusing phase change in sequence current)”(A.KF.Pradhan等，IEEE输电汇刊，2007年，第22卷，第4期，第2065页至第2071页(A.KF.Pradhan,etc.,IEEE Transactions on Power Delivery,Vol.22,No.4,Pages2065-2071,2007))中，提出了一种不需要电压测量信息的用于配电网的方向检测方法。这种解决方案是基于故障电流向量与故障前的电流向量之间的电流角度之差的。然而，文章中的这种方法是基于这种假设的：流经线路的电流方向在故障之前不会改变；同时方向元件对这一方向是已知的。如果把与电网相连接的分布式发电机(DG)的间歇式发电和电流方向的改变考虑在内，这一假设在许多情况下是不合理的，因此该解决方案是不切实际的。

为解决此问题，P.Jena等于2009年在IEEE PES输电汇刊(IEEE PESTransactions on Power Delivery)上发表了一篇名为“基于电流相位变化的输电线方向元件的动态特性(Dynamic performance ofPhase-Change in Current based Directional Relaying forTransmission Line)”的文章。文章中提出的方法是对A.K.Pradhan提出的方法的扩展应用，即从配电网扩展至输电线。与之前的方法类似，由P.Jena提出的方法也是基于这样的假设：方向元件对故障前的电流方向是已知的。而且，需要使用故障前的电压参数和其电流来计算故障前的电流方向。该解决方案同样很难被用于没有电压测量信息的实际系统中。该方案无法解决存在的问题，即在没有电压测量信息的情况下确定故障方向。

在另一已有技术文章“用于含分布式电源的配网保护的无电压方向元件研究(Research on directional element without voltage indistribution network protection with DG)”(贾伟等，电力系统保护与控制，2011年，第39卷，第2期，第94页至97页(Jia Wei,etc.,Power System Protection and Control,Vol.39,No.2,Pages94-97,2011))中，提出了一种没有电压信息的故障方向检测技术。这种方法是基于对与同一母线相连接的所有线路的故障分量电流的幅值进行比较而实现的，并且不需要任何故障前的电压或故障前的电流方向。理论上，该方法是正确的。但是当考虑实际情况时，这一方法是很难被实现。事实上，通过将整个母线的差动保护方案引入该方法中以确定故障方向是不合理的。此外，该方法需要被连接到同一母线的所有线路的所有测量到的电流信息。在此方法中，一旦一条支线被添加到母线或与母线断开，则与同一母线相连接的线路的所有智能电子设备(IED)(在该方法中)的结构和逻辑算法都需要被改变。因此，该方法很难被实现，也很难维护。

总之，包括上述方法的现有解决方案本质上不能用于电压测量信息不可用情况下的故障方向检测的实际解决方案中。

基于上述原因，本发明提出了在没有电压测量信息的情况下确定故障方向的方法及其方向元件。此外，所提出的没有电压测量信息的方向元件可以被用于配电系统和输电系统。一般来说，所提出的解决方案可被用于在电压测量信息不可用的情况下需要故障方向的任何应用中。

发明内容

为克服上述问题，本发明提供了一种用于在没有电压测量信息的情况下确定故障方向的方法及其方向元件。

根据本发明的一个方面，提供了一种用于在没有电压测量信息的情况下确定故障方向的方法，包括：对于任一保护，测量本地线路的电流值；基于所述电流值计算故障分量电流，并进一步计算所述故障分量电流的相位角；获取与所述本地线路所连接到同一母线的至少两条其它线路的故障分量电流的相位角；将所述本地线路的故障分量电流的相位角与所述其它线路的故障分量电流的相位角进行比较；基于比较结果确定故障方向。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于在没有电压测量信息的情况下确定故障方向的方法，包括：对于任一保护，测量本地线路的电流值；获取与所述本地线路所连接到同一母线的至少两条其它线路的电流值；基于所述本地线路和所述其它线路的电流值计算故障分量电流，并进一步计算所述故障分量电流的相位角；将所述本地线路的故障分量电流的相位角与所述其它线路的故障分量电流的相位角进行比较；基于比较结果确定故障方向。

根据本发明的优选实施例，所述方法还包括：如果所述本地线路和其它线路的故障分量电流的相位角彼此相似，则确定故障发生于本地保护的反向；如果本地线路的故障分量电流的相位角与其它线路的故障分量电流的相位角中的一些相似且与另一些几乎相反，则确定故障发生于本地保护的反向；如果所述本地线路的相位角与所有其它线路的相位角都几乎相反，则确定故障发生于本地保护的正向。

根据本发明的优选实施例，所述方法还包括：在获得相位角后计算所述本地线路与所述其它线路的相位角之差；将所述相位角之差与预设阀值进行比较；如果所述相位角之差中的至少一个小于预设阀值，则确定故障发生于本地保护的反向；如果所有的所述相位角之差都显著大于所述预设阀值，则确定故障发生于本地保护的正向。

根据本发明的优选实施例，所述方法还包括：在故障发生于本地保护的正向的情况下，分别计算所述本地线路和其它线路上的每个故障分量电流的幅值；将所述本地线路上的故障分量电流的幅值与所述其它线路上的故障分量电流的幅值进行比较；确定所述本地线路上的故障分量电流的幅值是最大的；否则，发出警报信号或阻塞信号。

根据本发明的优选实施例，所述方法被应用于与同一母线相连接的多个电源系统、与不同母线相连接的多个电源系统、具有分布式发电的配电系统、配电网、输电网、传统变电站以及/或者数字化变电站。

根据本发明的优选实施例，所述方法可被过程层、间隔层或面向通用对象的变电站事件(GOOSE)用作数字化变电站中的通信工具。

根据本发明的另一方面，提供了在没有电压测量信息的情况下确定故障方向的方向元件，所述方向元件包括：测量模块，其被配置为测量本地线路的电流值；计算模块，其被配置为基于所述电流值计算故障分量电流，以及进一步计算所述故障分量电流的相位角；通信模块，其被配置为获取与所述本地线路被连接到同一母线的至少两条其它线路的故障分量电流的相位角；比较模块，其被配置为将所述本地线路的故障分量电流的相位角与所述其它线路的故障分量电流的相位角进行比较；确定模块，其被配置为基于比较结果确定故障方向。

根据本发明的另一方面，提供了在没有电压测量信息的情况下确定故障方向的方向元件，所述方向元件包括：测量模块，其被配置为测量本地线路的电流值；通信模块，其被配置为获取与所述本地线路被连接到同一母线的至少两条其它线路的电流值；计算模块，其被配置为基于所述本地线路和其它线路的电流值计算故障分量电流，以及进一步计算所述故障分量电流的相位角；比较模块，其被配置为将所述本地线路的故障分量电流的相位角与所述其它线路的故障分量电流的相位角进行比较；确定模块，其被配置为基于比较结果确定故障方向。

根据本发明的优选实施例，所述确定模块还被配置为：如果所述本地线路与其它线路的故障分量电流的相位角彼此相似，则确定故障发生于本地保护的反向；如果所述本地线路的故障分量电流的相位角与其它线路的故障分量电流的相位角中的一些相似且与另一些几乎相反，则确定故障发生于本地保护的反向；如果所述本地线路的相位角与其它线路的相位角都几乎相反，则确定故障发生于本地保护的正向。

根据本发明的优选实施例，所述计算模块还被配置为在获得相位角后计算所述本地线路与所述其它线路之间的相位角之差；所述比较模块还被配置为将所述相位角之差与预设阀值进行比较；所述确定模块还被配置为：如果所述相位角之差中的至少一个小于预设阀值，则确定故障发生于本地保护的反向；如果所有的所述相位角之差都显著大于预设阀值，则确定故障发生于本地保护的正向。

根据本发明的优选实施例，在故障发生于本地保护的正向的情况下，所述计算模块还被配置为分别计算所述本地线路和其它线路上的每个故障分量电流的幅值；所述比较模块还被配置为将所述本地线路上的故障分量电流的幅值与所述其它线路上的故障分量电流的幅值进行比较；所述确定模块还被配置为确定所述本地线路上的故障分量电流的幅值是最大的；否则，发出警报信号或阻塞信号。

根据本发明的优选实施例，所述方向元件被应用于与同一母线相连接的多个电源中、与不同母线相连接的多个电源中、具有分布式发电的配电系统中、配电网中、电力传送网中、传统变电站中以及/或者数字化变电站中。

根据本发明的优选实施例，所述方向元件可通过过程层、间隔层或面向通用对象的变电站事件(GOOSE)以数字化变电站中的通信工具来实现。

根据本发明的优选实施例，所述方向元件可被用来构成用于输电网或配电网的方向纵联保护。

本发明的实施例提供了在没有电压测量信息的情况下，用于确定故障方向的方法以及用于确定故障方向的方向元件，这使得在配电网或输电网中，在没有电压测量信息的情况下，保护也能够基于对前向故障方向的正确判定而正确地动作，这尤其对于具有多电源系统或具有分布式发电机的电网尤其重要。

附图说明

下文将结合由附图示出的优选示例性实施例对本发明的主题进行详细的描述，其中：

图1示出了具有DG的典型配电网；

图2示出了本发明的应用，其中该应用处于具有被连接到同一母线的多电源配电网中；

图3示出了本发明的另一应用，其中该应用处于具有多电源的配电网中；

图4示出了本发明的另一应用，其中该应用处于具有至少一个DG的配电网中；

图5示出了本发明的另外两个应用，其中所述两个应用处于电力传送网中，且处于当电压不可用时故障方向是必需的情况下；图5a和图5b分别示出了方向纵联保护和解除闭锁差动保护；

图6示出了本发明的另一应用，其中该应用处于具有多个DG的配电网中；

图7示出了与图6所示电路相对应的故障分量电路的示意图；

图8示出了与图7所示电路相对应的具有发生于线路k上的故障的示例性向量示意图；

图9示出了在没有电压测量信息的情况下根据本发明的实施例确定故障方向的方法；

图10示出了在没有电压测量信息的情况下根据本发明的另一实施例确定故障方向的方法；

图11示出了在没有电压测量信息的情况下根据本发明的另一实施例确定故障方向的方法；

图12示出了在没有电压测量信息的情况下根据本发明的另一实施例确定故障方向的方法；

图13示出了在故障发生于母线而非其它线路的情况下的故障分量电流的向量图；

图14示出了根据本发明的在没有电压情况下确定故障方向的方向元件。

具体实施方式

下文将结合相应附图对本发明的示例性实施例进行描述。为达清晰简明的目的，说明书中并未对实际实施例的所有特性进行描述。

图1示出了具有DG的典型配电网。如图1所示，如果网络中没有DG，那么电流方向是从左向右的；并且过电流保护L₂在故障F₁或F₂发生的情况下不会测量到任何故障电流。因此，过电流保护L₂不会由于故障F₁或F₂的发生而产生误跳。实际上，图1中DG与网络相连接，这种情况与没有DG的情况相比，具有明显的不同。如果DG具有足够大的容量，当故障发生于F₁或F₂处时，过电流保护L₂会测量到一个相当大的故障电流。这时，如果保护L₂中没有方向元件，则当故障电流足够大时保护L₂会发生误跳。

很明显，在具有DG的配电网中对于保护来说方向元件是必需的。考虑到配电网中普遍没有电压测量信息的普通情况，电压无法被方向元件所用。即使在这样具有DG的配电网中，如果其配置了本发明所提出的方向元件，则过电流保护仍然可正确动作。

应注意的是，所提出的在没有电压测量信息情况下确定故障方向的方法，以及用于确定故障方向的方向元件，可被用于配电网和输电网中，尤其是同一母线上连接有多电源的网络、具有多个电源的配电网、具有DG的配电网等。无论有无电压测量信息，图2示出了本发明的应用，其中该应用用于同母线多电源配电网中。图3示出了本发明的另一应用，其中该应用用于具有多个电源的配电网中。图4示出了本发明的另一应用，其中该应用处于具有至少一个DG的配电网中。图5示出了本发明的另两个在输电网中的应用，其中当电压不可用时故障方向是必需的。例如，电压测量信号未被传送至IED，以及/或者电压测量传感器由于一些原因发生了故障。在这种情况下，本发明提供的方向元件可被用作方向纵联保护或解除闭锁差动保护(如图5a和图5b分别示出的)。

为达清晰简明的目的，下文将详细描述处于具有DG的配电网中的本发明的典型应用。

图6示出了本发明的另一应用，其中该应用处于具有多个DG的配电网中。在图6中，该配电网模块具有n条线路，并且每条线路都与一个保护(L₁，L_k……L_n)相串联。多个DG分别与多条对应线路相连接。故障F发生于线路k上。

图7示出了与图6所示电路相对应的故障分量电路的示意图。在图7中，故障分量电路示出了故障发生于线路k上的情况。可通过如下所示来计算网络中每条线路上的故障分量电流：

$\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_S=-\frac{Z_{S1}^{\′}}{Z_S+Z_{S1}^{\′}}\×\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_k---\left(1\right)$

Z'_S1＝Z₁//Z₂...//Z_n(n≠k,S1) (2)

$\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_n=-\frac{Z_{n1}^{\′}}{Z_n+Z_{n1}^{\′}}\×\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{I}}_k---\left(3\right)$

Z'_n1＝Z₁//Z₂...//Z_n(n≠k,n1) (4)

其中，是从发电机到母线的线路上的电流；Z_S是从发电机到母线的线路的等效阻抗；Z'_S1是除开从发电机到母线的线路和故障线路k以外的所有并联线路的等效阻抗，且 $\frac{1}{Z_{S1}^{\′}}=\frac{1}{Z_1}+\frac{1}{Z_2}+...+\frac{1}{Z_n};(n\≠k,S1);$ 是发生故障F的线路k上的电流；是线路n上的电流；Z_n是线路n的等效阻抗；Z'_n1是除开从发电机到母线的线路和线路n以外的其他并行线路的等效阻抗，且 $\frac{1}{Z_{n1}^{\′}}=\frac{1}{Z_1}+\frac{1}{Z_2}+...+\frac{1}{Z_n};(n\≠k,n1).$

通常，等式(1)和等式(3)中所有电阻的相位角是相似的(约70°～85°)，这表示故障线路k上的故障分量电流的相位角与所有非故障线路上的故障分量电流的相位角是完全不同的(方向几乎相反)。

图8示出了与图7所示电路相对应的，线路k上发生了故障的向量示意图。

本发明涉及在没有电压测量信息的情况下，检测故障方向的解决方案，其中故障分量电流的相位角，在故障线路与非故障线路之间是不同的。如图8所示，对本领域技术人员来说明显的是故障线路上的故障分量电流的相位角与所有非故障线路上的故障分量电流的相位角几乎相反。如果一条线路的相位角与所有其它线路的相位角完全不同，则其被视为故障线路，且其故障方向被认为是正向(forward direction)(故障位于相关保护的正向)。

图9示出了在没有电压测量信息的情况下根据本发明的实施例确定故障方向的方法。

如图9所示，在没有电压测量信息的情况下确定故障方向的方法包括：

步骤902，对于任一保护，测量本地线路的电流值。即，每条线路上的保护被配置为测量其本地线路的本地电流。

步骤904，基于所述电流值计算故障分量电流，并且进一步计算所述故障分量电流的相位角。每个本地保护计算本地线路上的故障分量电流的相位角。

步骤906，获取与所述本地线路被连接到同一母线的至少两条其它线路的故障分量电流的相位角。每个本地保护与至少两个其它保护进行通信，并且获得与其本地线路所连接到同一母线的线路上的故障分量电流的相位角。

步骤908，将所述本地线路的故障分量电流的相位角，与其它线路的故障分量电流的相位角进行比较。

步骤910，基于比较结果确定故障方向。

本领域技术人员可看出相比于现有的方向元件，所述解决方案不需要电压测量信息来确定故障方向。此外，相比于A.K.Pradhan和P.Jena所提出的的方法，所述解决方案不需要任何故障前的电流方向或故障前的电压信息来确定故障方向。因此，所述方法及其方向元件对于在没有电压测量信息的情况下确定故障方向来说，更加实际且更有价值。

在本发明的实施例中，如果本地线路与其它线路的故障分量电流的相位角彼此相似，则每个本地保护可确定故障发生于本地保护的反向；如果本地线路的故障分量电流的相位角与其它线路的故障分量电流的相位角中的一些相似且与另一些几乎相反，则确定故障发生于本地保护的反向；如果本地线路的相位角与所有其它线路的相位角都几乎相反，则确定故障发生于本地保护的正向。

对于任一具体的保护，所述解决方案仅需要至少三个电流测量信息(如具有具体保护的本地线路上的电流，以及与所述本地线路被连接到同一母线的至少两条其它线路上的电流)来检测和确定线路的故障方向，而在现有技术中，尤其是在贾伟的解决方案中，为确定故障方向，需要被连接到同一母线的所有线路的电流测量信息。此外，本发明的解决方案简化了对硬件、软件及系统维护的需求。

图10示出了在没有电压测量信息的情况下根据本发明的另一实施例确定故障方向的方法。

如图10所示，在没有电压测量信息的情况下确定故障方向的方法包括：步骤1002至1014；其中步骤1002至1006与图9中的步骤902至906相同或相似。为使说明书简洁，相同或相似的步骤不再复述。

步骤1008，在获得相位角的步骤之后，计算所述本地线路与其它线路之间的相位角之差；

步骤1010，将所述相位角之差与预设阀值进行比较。如果至少一个所述相位角之差小于预设阀值，则转至步骤1012；否则，转至步骤1014。

步骤1012，确定故障发生于本地保护的反向。

步骤1014，确定故障发生于本地保护的正向。如果所有相位角之差都显著大于所述的预设阀值，则故障发生于本地保护的正向。

例如，可将阀值预设为40度及40度左右。如果至少一个相位角之差小于40度，则本地保护可确定故障发生于反向(表示故障不在本地线路的正向)。因此即使过电流保护中的电流大于设定值，本地保护也不对故障进行响应。也就是说，如果差值小于特定阀值，我们可以说这些相位角彼此相同。否则，如果所有差值都大于40度，则故障发生于本地保护的正向。因此，如果同时电流大于设定值，则保护会对故障进行响应。应注意的是本领域技术人员可根据具体应用来选择和调整预设阀值；40度是示例性的预设阀值，而不用于限定预设阀值。

当故障发生于故障线路时，其它非故障线路与故障线路被连接到同一母线。如图8所示，对本领域技术人员来说明显的是故障线路上的故障分量电流的幅值与所有其它非故障线路上的故障分量电流的幅值不同；此外，在所有被连接到同一母线的线路上的故障分量电流中，发生故障的故障分量电流的幅值最大。因此，幅值差也可被用作加强本解决方案可靠性的辅助标准和算法。

根据本发明的另一实施例，为了再次检查确定故障方向的准确性，本发明提供了在没有电压测量信息的情况下确定故障方向的另一方法。在确定了故障发生于本地保护的正向后(例如图9或图10所示的实施例)，所述方法还包括再次检查的过程：

步骤A01，分别计算所述本地线路和其它线路上的每个故障分量电流的幅值。例如，在故障发生于正向的情况下，本地保护计算之前被用于确定故障发生于正向的每个故障分量电流的幅值。

步骤A02，将所述本地线路上的故障分量电流的幅值与其它线路上的故障分量电流的幅值相比较。

步骤A03，确定本地线路上的故障分量电流的幅值是最大的。而后可再次确认故障发生于本地保护的正向。否则，系统存在错误，可能是通信错误、测量错误或电流互感器错误等；而后本地保护发出警报信号或阻塞信号。

应注意的是所述进一步的步骤“比较所有故障分量电流的幅值，并且确定故障分量电流幅值最大的线路是故障线路(在所述故障线路上故障分量电流的相位角与其它线路的故障分量电流的相位角几乎相反)”被用作最终确认的辅助方法。这种基于幅值的辅助方法有利于增强所提出的在没有电压测量信息情况下用于确定故障方向的方法的可靠性。然而，理论上这种辅助方法并不是必需的。本领域技术人员可领会的是基于相位角的步骤(例如，“确定相位角之一与其它相位角几乎相反”，或者“确定相位角之差显著大于所述预设阀值”)已经能够确定故障分量电流的相应相位角来自故障线路。即使没有辅助方法，该方法也完全能在没有电压测量信息的情况下确定故障方向。

图11示出了根据本发明另一实施例的用于在没有电压测量信息的情况下确定故障方向的方法。

如图11所示，在没有电压测量信息的情况下确定故障方向的方法包括：步骤1102至1110；其中步骤1102、1108和1110与图9所示的步骤902、908和910相同或相似。为使说明书简洁，相同或相似的步骤不再复述。

步骤1104，获取与所述本地线路被连接到同一母线的至少两条其它线路的电流值。在每个保护测量了其本地线路上的电流值后，任一本地保护可直接测量其它线路的电流值，例如与其本地线路被连接到同一母线的至少两条其它线路。

步骤1106，基于本地线路和其它线路的电流值计算故障分量电流，并且进一步计算所述故障分量电流的相位角。

在本发明的实施例中，如果本地线路与其它线路的故障分量电流的相位角彼此相似，则本地保护可确定故障发生于本地保护的反向；如果本地线路的故障分量电流的相位角与其它线路的故障分量电流的相位角中的一些相似且与另一些几乎相反，则确定故障发生于本地保护的反向；如果本地线路的相位角与所有其它线路的故障分量电流的相位角都几乎相反，则确定故障发生于本地保护的正向。

图12示出了根据本发明另一实施例的用于在没有电压测量信息的情况下确定故障方向的方法。

如图12所示，在没有电压测量信息的情况下确定故障方向的方法包括：步骤1202至1214；其中

步骤1204和1206与图11中相应的步骤1104和1106相同或相似，并且步骤1202、1208至1214与图10中相应的步骤1002、1008至1014相同或相似。为使说明书简洁，相同或相似的步骤不再复述。

根据本发明的另一实施例，在根据例如图11或图12所示的实施例确定故障发生于本地保护的正向后，所示方法还包括再次检查的过程：

步骤A01，分别计算所述本地线路和其它线路上的每个故障分量电流的幅值。例如，在故障发生于正向的情况下，本地保护计算之前被用于确定故障发生于正向的每个故障分量电流的幅值。

步骤A02，将所述本地线路上的故障分量电流的幅值与其它线路上的故障分量电流的幅值相比较。

步骤A03，确定本地线路上的故障分量电流的幅值是最大的。而后可再次确认故障发生于本地保护的正向。否则，存在错误，可能是通信错误或测量错误等；而后本地保护发出警报信号或阻塞信号。

根据本发明的实施例，上述方法被应用于与同一母线相连接的多个电源中、与不同母线相连接的多个电源中、具有分布式发电的配电系统中、配电网中、电力传送网中、传统变电站中以及/或者数字化变电站中。

根据本发明的实施例，上述方法可通过过程层、间隔层或面向通用对象的变电站事件(GOOSE)以数字化变电站中的通信工具来实现。尤其地，直接获取至少两条其它线路电流值的所述方法易于通过具有IEC61850-9-2标准的数字化变电站来实现。

图13示出了在故障产生于母线而非其它线路的情况下故障分量电流的向量。

如图13所示，当故障发生于母线，被连接到该同一母线的所有线路的相位角彼此相似。图13中所示的特征表明本发明所提供的方法不受发生于母线上的故障的影响。即，本发明所提出的方法可利用相位角直接确定发生于故障线路上的故障和故障发生的方向。并且在母线发生故障的情况下，所提出的方法不需要任何附加逻辑来(在没有电压测量信息的情况下)确定故障方向。相反，在现有技术中的由贾伟所提出的方案中，整个母线保护被嵌入方向元件中以解决母线上的故障。

图14示出了根据本发明实施例的用于在没有电压信息的情况下确定故障方向的方向元件。

如图14所示，方向元件1400包括测量模块1402、计算模块1404、通信模块1406、比较模块1408和确定模块1410。

根据本发明的优选实施例，测量模块1402被配置为测量本地线路的电流值；计算模块1404被配置为基于所述电流值计算故障分量电流，并进一步计算所述故障分量电流的相位角；通信模块1406被配置为获取与所述本地线路被连接到同一母线的至少两条其它线路的故障分量电流的相位角；比较模块1408被配置为将所述本地线路的故障分量电流的相位角与其它线路的故障分量电流的相位角进行比较；确定模块1410被配置为基于比较结果确定故障方向。

与现有技术相比，本发明所提出的方案更加实际且更易于执行，尤其是当配电网/输电网中的线路数量和状态可变时。根据本发明，如果更多的线路被连接到母线，现有保护中的结构和所嵌入的算法逻辑不需要进行任何修改。而在贾伟的方案中，这种情况下需要改变所有保护的设置和算法逻辑。

根据本发明的另一优选实施例，通信模块1406被配置为获取与所述本地线路被连接到同一母线的至少两条其它线路的电流值；计算模块1404被配置为基于所述本地线路和其它线路上的电流值计算故障分量电流，并进一步计算所述故障分量电流的相位角。

根据本发明的另一优选实施例，确定模块1410还被配置为：如果所述本地线路和其它线路的故障分量电流的相位角彼此相似，则确定故障发生于本地保护的反向；如果所述本地线路的故障分量电流的相位角与其它线路的故障分量电流的相位角中的一些相似且与另一些几乎相反，则确定故障发生于本地保护的反向；如果所述本地线路的相位角与所有其它线路的相位角都几乎相反，则确定故障发生于本地保护的正向。

根据本发明的另一优选实施例，计算模块1404还被配置为在获得所述本地线路与其它线路的相位角之后计算本地线路与其它线路之间的相位角之差；比较模块1408还被配置为将所述相位角之差与预设阀值进行比较；确定模块1410还被配置为：如果所述相位角之差中的至少一个小于预设阀值，则确定故障发生于本地保护的反向；如果所有相位角之差都显著大于所述预设阀值，则确定故障发生于本地保护的正向。

根据本发明的另一优选实施例，在故障发生于本地保护的正向的情况下，计算模块1404还被配置为分别计算所述本地线路和其它线路上的每个故障分量电流的幅值；比较模块1408还被配置为将所述本地线路上的故障分量电流的幅值与其它线路上的故障分量电流的幅值进行比较；确定模块1410还被配置为确定所述本地线路上的故障分量电流的幅值是最大的；否则，发出警报信号或阻塞信号。

在上述本发明的优选实施例中，方向元件被应用于与同一母线相连接的多个电源中、与不同母线相连接的多个电源中、具有分布式发电的配电系统中、配电网中、输电网中、传统变电站中以及/或者数字化变电站中。此外，方向元件可通过过程层、间隔层或面向通用对象的变电站事件(GOOSE)以数字化变电站中的通信工具来实现。

根据本发明的优选实施例，所述方向元件可被用于形成用于输电网或配电网的方向纵联保护。

与现有技术相比，本发明所提出的方案更加实际且更易于执行。参考对示例性实施例的描述，本领域技术人员可领悟到本发明的优势：

1、根据本发明所提出的在没有电压测量信息的情况下用于确定故障方向的方法及其方向元件，与现有方向元件相比，本方案不需要电压测量信息来确定故障方向。

2、根据本发明所提出的在没有电压测量信息的情况下用于确定故障方向的方法及其方向元件，与A.K.Pradhan和P.Jena所提出的方法相比，本方案不需要任何故障前的电流方向或故障前的电压信息来确定故障方向。因此，该方法及其方向元件对在没有电压测量信息的情况下确定故障方向来说更加实际且更有价值。

3、根据本发明所提出的在没有电压测量信息的情况下用于确定故障方向的方法及其方向元件，对于任一具体的保护，本解决方案仅需要至少三个电流测量信息(如具有保护的线路上的电流，以及被连接到同一母线的至少两条其它线路上的电流)来检测和确定具有这种保护设备的线路的故障方向。而在现有技术中，尤其是在贾伟的解决方案中，为确定故障方向，需要被连接到同一母线的所有线路的电流测量信息。此外，本发明的解决方案简化了对硬件、软件及系统维护的需求。

4、根据本发明所提出的在没有电压测量信息的情况下用于确定故障方向的方法及其方向元件，本发明所提出的方案更加实际且更易于执行，尤其是当配电网/输电网中的线路数量和状态可变时。根据本发明，如果更多的线路被连接到母线，现有保护中的所有结构和所嵌入的算法逻辑不需要进行任何修改。而在贾伟的方案中，这种情况下需要改变所有保护的设置和算法逻辑。

5、根据本发明所提出的在没有电压测量信息的情况下用于确定故障方向的方法及其方向元件，不像贾伟的解决方案那样需要将母线差动保护集成入方向元件中，这同样简化了本发明解决方案的实现。

6、根据本发明所提出的在没有电压测量信息的情况下用于确定故障方向的方法及其方向元件，通常电流互感器(CT)的饱和对电流相位产生更小的影响(与其对电流幅值的影响相比)。即，一旦发生CT饱和，本发明所提供的解决方案比贾伟所公开的方案更加可靠。

虽然基于优选实施例对本发明进行了描述，本领域技术人员应理解的是这些实施例决不应限制本发明的领域。实施例的任何变换体和修改体都在本领域技术人员的理解范围内，并且在随附的权利要求所限定的本发明的范围内，而不会脱离本发明的精神和思想。

Claims (15)

1.用于在没有电压测量信息的情况下确定故障方向的方法，其中所述方法包括：对于任一保护，

测量本地线路的电流值；

基于所述电流值计算故障分量电流，并且进一步计算所述故障分量电流的相位角；

获取与所述本地线路所连接到同一母线的至少两条其它线路的故障分量电流的相位角；

将所述本地线路的故障分量电流的相位角与所述其它线路的故障分量电流的相位角进行比较；并且

基于所述比较结果确定故障方向。

2.用于在没有电压测量信息的情况下确定故障方向的方法，其中所述方法包括：对于任一保护，

测量本地线路的电流值；

获取与所述本地线路所连接到同一母线的至少两条其它线路的电流值；

基于所述本地线路和所述其它线路的电流值计算故障分量电流，并且进一步计算所述故障分量电流的相位角；

将所述本地线路的故障分量电流的相位角与所述其它线路的故障分量电流的相位角进行比较；并且

基于所述比较结果确定故障方向。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述方法还包括：

如果所述本地线路和所述其它线路的故障分量电流的相位角彼此相似，则确定故障发生于本地保护的反向；

如果所述本地线路的故障分量电流的相位角与所述其它线路的故障分量电流的相位角中的一些相似且与另一些几乎相反，则确定故障发生于所述本地保护的反向；

并且

如果所述本地线路的相位角与所述其它线路的所有相位角都几乎相反，则确定故障发生于所述本地保护的正向。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述方法还包括：

在获得所述相位角后，计算所述本地线路与所述其它线路之间的相位角之差；

将所述相位角之差与预设阀值进行比较；

如果所述相位角之差中的至少一个小于所述预设阀值，则确定故障发生于本地保护的反向；并且

如果所有的所述相位角之差均显著大于所述预设阀值，则确定故障发生于所述本地保护的正向。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述方法还包括：在故障发生于本地保护的正向的情况下，

分别计算所述本地线路和所述其它线路上的每个故障分量电流的幅值；

将所述本地线路上的故障分量电流的幅值与所述其它线路上的故障分量电流的幅值进行比较；并且

确定所述本地线路上的故障分量电流的幅值是最大的；否则，发出警报信号或阻塞信号。

6.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述方法被应用于与所述同一母线相连接的多个电源、与不同母线相连接的多个电源、具有分布式发电的配电系统、配电网、电力传送网、传统变电站以及/或者数字化变电站。

7.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述方法可通过过程层、间隔层或面向通用对象的变电站事件以数字化变电站中的通信方式来实现。

8.用于在没有电压测量信息的情况下确定故障方向的方向元件，其中所述方向元件包括：

测量模块，其被配置为测量所述本地线路的电流值；

计算模块，其被配置为基于所述电流值计算所述故障分量电流，以及 进一步计算所述故障分量电流的相位角；

通信模块，其被配置为获取与所述本地线路所连接到同一母线的至少两条其它线路的故障分量电流的相位角；

比较模块，其被配置为将所述本地线路的故障分量电流的相位角与所述其它线路的故障分量电流的相位角进行比较；

确定模块，其被配置为基于所述比较结果确定所述故障方向。

9.用于在没有电压测量信息的情况下确定故障方向的方向元件，其中所述方向元件包括：

测量模块，其被配置为测量所述本地线路的电流值；

通信模块，其被配置为获取与所述本地线路被连接到同一母线的至少两条其它线路的电流值；

计算模块，其被配置为基于所述本地线路和所述其它线路的电流值计算故障分量电流，以及进一步计算所述故障分量电流的相位角；

比较模块，其被配置为将所述本地线路的故障分量电流的相位角与所述其它线路的故障分量电流的相位角进行比较；

确定模块，其被配置为基于所述比较结果确定故障方向。

10.根据权利要求8或9所述的方向元件，其中所述确定模块还被配置为：

如果所述本地线路与其它线路的故障分量电流的相位角彼此相似，则确定故障发生于本地保护的反向；

如果所述本地线路的故障分量电流的相位角与所述其它线路的故障分量电流的相位角中的一些相似且与另一些几乎相反，则确定故障发生于所述本地保护的反向；

如果所述本地线路的相位角与其它线路的相位角都几乎相反，则确定故障发生于所述本地保护的正向。

11.根据权利要求8或9所述的方向元件，其中

所述计算模块还被配置为在获得所述相位角后计算所述本地线路与所述其它线路之间的相位角之差；

所述比较模块还被配置为将所述相位角之差与预设阀值进行比较；

所述确定模块还被配置为：如果所述相位角之差中的至少一个小于所述预设阀值，则确定故障发生于本地保护的反向；如果所有的所述相位角之差都显著大于所述预设阀值，则确定故障发生于所述本地保护的正向。

12.根据权利要求8或9所述的方向元件，其中在故障发生于所述本地保护的正向的情况下，

所述计算模块还被配置为分别计算所述本地线路和所述其它线路上的每个故障分量电流的幅值；

所述比较模块还被配置为将所述本地线路上的故障分量电流的幅值与所述其它线路上的故障分量电流的幅值进行比较；

所述确定模块还被配置为确定所述本地线路上的故障分量电流的幅值是最大的；否则，发出警报信号或阻塞信号。

13.根据权利要求8或9所述的方向元件，其中所述方向元件可被应用于与所述同一母线相连接的多个电源中、与所述不同母线相连接的多个电源中、具有分布式发电的配电系统中、配电网络中、输电网络中、传统变电站中以及/或者数字化变电站中。

14.根据权利要求8或9所述的方向元件，其中所述方向元件可通过过程层、间隔层或面向通用对象的变电站事件以数字化变电站中的通信工具来实现。

15.根据权利要求8或9所述的方向元件，其中所述方向元件可被用于输电网或配电网中的方向纵联保护。