CN102122815A - 高压输电线路超高速行波方向纵联保护方法、装置和*** - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种行波方向纵联保护方法，包括：分别获取高压输电线路的第一侧的电流故障初始行波的波头极性和电压故障行波中工频分量的初始极性，以及分别获取高压输电线路的第二侧的电流故障初始行波的波头极性和电压故障行波中工频分量的初始极性；将本侧的电流故障初始行波的波头极性和电压故障行波中工频分量的初始极性进行比较，以确定本侧上的故障方向；交换第一侧的故障方向的信息与第二侧的故障方向的信息，比较两侧之间的故障方向的信息，判断高压输电线路是否发生内部故障并确定继电保护是否动作。本发明还提供了一种行波方向纵联保护装置和行波方向纵联保护***，可应用于高压输电线路，能快速且准确地检测出故障及故障类型，并做出保护动作。

Description

高压输电线路超高速行波方向纵联保护方法、装置和***

技术领域

本发明涉及电力***领域，具体而言，涉及高压输电线路超高速行波方向纵联保护方法、装置和***。

背景技术

传统的基于工频电气量的继电保护受到高压输电线路分布电容电流、电流互感器饱和、电力***振荡和过渡电阻等因素的影响，不能准确检测线路上的故障，且动作速度一般在20ms左右。

高压输电线路故障后的电流故障行波和电压故障行波中包含了丰富的故障信息可以作为故障检测的依据。而故障后的电压故障行波和电流故障行波信号是一个频谱范围很宽的信号，电流互感器具有很好的宽频带传变特性，可以有效传变电流故障行波，并已成功应用于电力***行波测距。而在超/特高压电力***中普遍使用的电容式电压互感器不能有效传变宽频带的电压故障行波，这是目前还没有行波保护装置投入电力***实际应用的重要原因之一。超/特高压电力***中普遍使用的电容式电压互感器虽然不能有效传变宽频带的电压故障行波，但其可以有效传变工频附近一小段频带的电压故障行波信号，而利用工频故障分量原理的继电保护已经在电力***获得成功的应用。因此，行波保护不受到高压输电线路分布电容电流、电流互感器饱和、电力***振荡和过渡电阻等因素的影响。同时由于行波保护数据采样率高，一般为几十万赫兹，数据采集量和数据处理量都很大，而保护装置对数据处理的速度要求很高，所以行波保护对保护的硬件平台也提出了更高的要求，传统的基于工频电气量的继电保护硬件平台已经不能满足行波保护的需要。

因此，需要一种高压输电线路超高速行波方向纵联保护技术，实现高压输电线路故障的准确检测及保护，为行波保护硬件平台的实现提供硬件基础。

发明内容

有鉴于此，本发明所要解决的技术问题在于，提供一种高压输电线路超高速行波方向纵联保护方法、高压输电线路超高速行波方向纵联保护装置以及具有该高压输电线路超高速行波方向纵联保护装置的***，准确且快速地检测出高压输电线路的故障以及故障类型，并及时做出相应保护动作。

本发明提供了一种高压输电线路超高速行波方向纵联保护方法，包括：步骤102，分别获取高压输电线路的第一侧的电流故障初始行波的波头极性和电压故障行波中工频分量的初始极性，以及分别获取高压输电线路的第二侧的电流故障初始行波的波头极性和电压故障行波中工频分量的初始极性；步骤104，将第一侧的电流故障初始行波的波头极性和电压故障行波中工频分量的初始极性进行比较，以确定第一侧上的故障方向，以及将第二侧的电流故障初始行波的波头极性和电压故障行波中工频分量的初始极性进行比较，以确定第二侧上的故障方向；以及步骤106，交换第一侧的故障方向的信息与第二侧的故障方向的信息，当第一侧上的故障方向与第二侧上的故障方向均为正向故障时，确定高压输电线路发生内部故障，使继电保护出口动作，当第一侧上的故障方向与第二侧上的故障方向中的任意一个为反向故障时，则确定高压输电线路未发生内部故障，继电保护出口不动作。

在上述技术方案中，优选地，步骤102可以包括：步骤1022，采集高压输电线路故障后第一侧的电压行波和电流行波，采集高压输电线路故障后第二侧的电压行波和电流行波；步骤1024，对采集到的第一侧的电流行波和电压行波分别进行相模变换得到第一侧的电流行波模量和电压行波模量，对采集到的第二侧的电流行波和电压行波分别进行相模变换得到第二侧的电流行波模量和电压行波模量；步骤1026，对第一侧的电流行波模量进行小波变换，得到第一侧的电流小波变换系数，并根据第一侧的电流小波变换系数得到第一侧的电流小波变换模极大值和模极大值极性，进而确定第一侧的电流故障初始行波的波头极性，以及对第二侧的电流行波模量进行小波变换，得到第二侧的电流小波变换系数，并根据所述第二侧的电流小波变换系数得到第二侧的电流小波变换模极大值和模极大值极性，进而确定第二侧的电流故障初始行波的波头极性；以及步骤1028，从第一侧的电压行波模量中提取出电压故障行波分量，对电压故障行波进行小波变换，得到第一侧的电压故障行波小波变换系数，并根据第一侧的电压故障行波小波变换系数得到第一侧的电压故障行波小波变换模极大值和模极大值极性，进而确定第一侧的电压故障行波中工频分量的初始极性，以及从第二侧的电压行波模量中提取出电压故障行波分量，对电压故障行波进行小波变换，得到第二侧的电压故障行波小波变换系数，并根据第一侧的电压故障行波小波变换系数得到第二侧的电压故障行波小波变换模极大值和模极大值极性，进而确定第二侧的电压故障行波中工频分量的初始极性。

在上述技术方案中，优选地，在步骤104中故障方向的判定依据为：如果电压故障行波中工频分量的初始极性与电流故障初始行波的波头极性相反，则故障方向为正向故障；如果电压故障行波工频分量的初始极性与电流故障初始行波的波头极性相同，则故障方向为反向故障。

在上述技术方案中，优选地，在步骤106中，通过以太网光纤通信的方式来交换第一侧的故障方向的信息与第二侧的故障方向的信息。

本发明还提供了一种高压输电线路超高速行波方向纵联保护装置，安装在高压输电线路的一侧，可以包括：变换器、行波保护器、监控器和出口继电器，其中，变换器，连接至行波保护器，将来自高压输电线路的第一电压和电流分别变换为为供行波保护板使用的第二电压和电流；行波保护器，连接至监控器，接收来自所述变换器的第二电压和电流，对所述第二电压和电流进行处理以确定高压输电线路的故障信息，将故障信息传送给监控器，向外发送故障信息并接收来自外部的其他故障信息，将行波保护器确定的故障信息和来自外部的其他故障信息进行比较，并根据比较结果判定是否跳闸及跳闸相别，故障信息包括故障方向和故障相别；监控器，连接至行波保护器，显示和存储行波保护器传送的故障信息，根据输入的预设信息监控行波保护器，以及将故障信息传送至外部；以及出口继电器，接收行波保护器的判定结果，根据判定结果来确定是否发出跳闸命令。

在上述技术方案中，优选地，监控器可以包括：微处理器，连接至第一CAN通讯模块，接收来自行波保护器的故障信息和来自键盘模块的输入信息，将键盘模块的输入信息传输至行波保护器，控制液晶显示模块的显示内容；第一CAN通讯模块，连接至微处理器，实现与行波保护器的信息交互；以太网通讯模块，接收来自行波保护器的故障信息，将故障信息传输至外部；串口模块，连接至微处理器，传输显示内容和调试信号；液晶显示模块，连接至微处理器，显示来自微处理器的显示内容和通过键盘模块输入的信息；键盘模块，输入外部的信息；第一FLASH存储器，用于存储微处理器的控制程序和故障信息；以及第一SDAM存储器，用于存储微处理器处理的中间数据；其中，微处理器还可以包括：巡检模块，连接至第一CAN通讯模块，通过第一CAN通讯模块定时巡检行波保护器，在巡检到不正常状态时发出告警信息；上传模块，连接至第一CAN通讯模块，通过第一CAN通讯模块接收来自行波保护器的故障信息，并保存在FLASH存储器中；下传模块，连接至第一CAN通讯模块，通过第一CAN通讯模块将用户重新设定的保护定值传送给行波保护器。

在上述技术方案中，优选地，行波保护器可以包括：行波数据采集模块、行波数据处理模块和信息输入输出模块，其中，行波数据采集模块，包括：核心控制模块、二阶有源低通滤波模块、二阶无源带通滤波模块、保护硬件启动模块、多路转换开关模块、A/D转换模块、双口RAM模块，其中二阶有源低通滤波模块，接收来自高压输电线路的行波模拟信号，对行波模拟信号进行滤波，行波模拟信号包括电压行波模拟信号和电流行波模拟信号；二阶无源带通滤波模块，连接到二阶有源低通滤波模块，用于从二阶有源低通滤波模块的输出的信号中提取行波中的高频信号；保护硬件启动模块，接收来自二阶无源带通滤波模块的高频信号，并确定高频信号是否满足预定条件，在高频信号满足预定条件后，发送启动信号至核心控制模块；多路转换开关模块，连接至二阶有源低通滤波模块，用于在接收到来自核心控制模块的控制信号后将行波模拟信号依次输出至A/D转换模块；A/D转换模块，连接至多路转换开关模块，根据来自核心控制模块的控制信号，对行波模拟信号进行A/D转换，并将转换结果输出至双口RAM模块；双口RAM模块，具有两组数据总线和两组地址总线，用于在核心控制模块的控制下存储来自A/D转换模块的转换结果，以及被行波数据处理模块读取转换结果；以及核心控制模块，接收来自保护硬件启动模块的启动信号，控制多路转换开关、A/D转换器、和双口RAM，以及实现对地址总线和数据总线的译码，并且向行波数据处理模块发送中断信号；行波数据处理模块，接收来自核心控制模块的中断信号，从双口RAM读取转换结果，对转换结果进行处理以取得故障信息，其中，故障信息包括高压输电线路的故障方向、故障相别；信息输入输出模块，包括：信息处理模块、以太网控制模块、开关量输入模块、开关量输出模块，其中，信息处理模块，接收来自行波数据处理模块的故障信息，通过以太网控制模块接收来自高压输电线路的另一侧的其他故障信息，以及接收来自开关量输入模块的开关量信息，根据来自行波数据处理模块的故障信息、来自另一侧的其他故障信息以及开关量信息确定是否跳闸及跳闸相别；以太网控制模块，将来自信息处理模块的故障信息，发送到高压输电线路另一侧的行波方向保护装置，以及接收从另一侧的行波方向保护装置发送的其他故障信息，将其他故障信息发送到信息处理模块；开关量输入模块，将行波保护装置使用的开关量信息输入至信息处理模块；以及开关量输出模块，接收来自信息处理模块的进行跳闸的命令和跳闸相别并发送到出口继电器；第二CAN通讯模块，接收来自信息处理模块的故障报告信息发送到监控器；以及232通讯模块，接收来自监控器的对行波保护器进行调试的调试信号。

在上述技术方案中，优选地，行波数据处理模块包括：相模变换模块、小波变换模块、故障启动判别模块、行波故障选相模块、极性比较式行波方向继电器模块，其中相模变换模块，对来自双口RAM的转换结果进行凯伦贝尔变换得到模量行波数据；小波变换模块，接收来自相模变换模块的模量行波数据，并对模量行波数据进行小波变换得到小波变换的模极大值和模极大值的极性，并根据模极大值的极性得到故障初始行波的波头极性；故障启动判别模块，接收来自小波变换模块的模极大值，根据Lipschitz信号的奇异性检测理论确定是否为线路故障导致保护硬件启动模块的启动，并仅在确定为线路故障导致保护硬件启动模块的启动时，启动行波故障选相模块和极性比较时行波方向继电器模块；行波故障选相模块，接收来自小波变换模块的模极大值，并根据模极大值确认线路的故障类型和故障相别；极性比较式行波方向继电器模块，接收来自小波变换模块的故障初始行波的波头极性，并根据故障初始行波的波头极性确认线路的故障方向，并根据线路上的故障方向确认是否发送故障方向和故障相别至信息输入输出模块。

在上述技术方案中，优选地，行波数据处理模块还可以包括：第二SDRAM存储器，用于存储行波数据处理模块进行处理所需的数据；第二FLASH存储器，用于存储行波数据处理模块所采用的算法程序；以及SPI通讯控制模块，使行波数据处理模块与信息输入输出模块进行SPI通讯，将故障信息发送给信息输入输出模块。

本发明还提供了一种高压输电线路超高速行波方向纵联保护***，在高压输电线路的第一侧设置有如以上的第一高压输电线路超高速行波方向纵联保护装置、第一电压互感器、第一电流互感器、第一断路器和第一以太网通讯装置，以及在高压输电线路的第二侧设置有如以上的第二高压输电线路超高速行波方向纵联保护装置、第二电压互感器、第二电流互感器、第二断路器和第二以太网通讯装置，其中，第一电压互感器和第二电压互感器，将高压输电线路上的电压转换为分别提供至第一高压输电线路超高速行波方向纵联保护装置和第二高压输电线路超高速行波方向纵联保护装置的电压；第一电流互感器和第二电流互感器，将高压输电线路上的电流转换为分别提供至第一高压输电线路超高速行波方向纵联保护装置和第二高压输电线路超高速行波方向纵联保护装置的电流；第一高压输电线路超高速行波方向纵联保护装置，从来自第一电压互感器和第一电流互感器的电压和电流中分别获取所述高压输电线路的第一侧的电流故障初始行波的波头极性和电压故障行波中工频分量的初始极性，并根据第一侧的电流故障初始行波的波头极性和电压故障行波中工频分量的初始极性确定高压输电线路第一侧的故障方向，以及通过以太网通讯装置，接收来自第二侧的第二高压输电线路超高速行波方向纵联保护装置的其他故障信息，根据第一侧的故障信息和第二侧的其他故障信息来确定高压输电线路的故障类型和故障相别，并确定是否向第一出口继电器发送跳闸命令；第二高压输电线路超高速行波方向纵联保护装置，从来自第二电压互感器和第二电流互感器的电压和电流中分别获取高压输电线路的第二侧的电流故障初始行波的波头极性和电压故障行波中工频分量的初始极性，并根据第二侧的电流故障初始行波的波头极性和电压故障行波中工频分量的初始极性确定高压输电线路第二侧的故障方向，以及通过以太网通讯装置，接收来自第一侧的第一高压输电线路超高速行波方向纵联保护装置的其他故障信息，根据第二侧的故障信息和第一侧的其他故障信息来确定高压输电线路的故障类型和故障相别，并确定是否向第二出口继电器发送跳闸命令；第一以太网通讯装置，通过光纤通讯网络将高压输电线路第一侧的故障信息传送给高压输电线路的第二侧的第二以太网通讯装置，实现高压输电线路两端的故障信息的交互；第二以太网通讯装置，通过光纤通讯网络将高压输电线路第二侧的故障信息传送给高压输电线路第一侧的第一以太网通讯装置；第一断路器，安装在高压输电线路上，接收来自第一高压输电线路超高速行波方向纵联保护装置的跳闸命令，断开或闭合高压输电线路；以及第二断路器，安装在高压输电线路上，接收来自第二行波方向保护装置的跳闸命令，断开或闭合高压输电线路。

附图说明

图1示出了根据本发明的实施例的高压输电线路超高速行波方向纵联保护方法的流程图；

图2示出了根据本发明的实施例的高压输电线路超高速行波方向纵联保护装置的框图；

图3示出了根据本发明的实施例的高压输电线路超高速行波方向纵联保护***的框图；

图4示出了根据本发明的实施例的高压输电线路超高速行波方向纵联保护***的示意图；

图5示出了根据本发明的实施例的高压输电线路超高速行波方向纵联保护装置结构示意图；

图6示出了根据本发明的实施例的行波保护器的结构示意图；

图7示出了根据本发明的实施例的数字处理芯片TMS320C6713的程序执行流程图；

图8示出了根据本发明的实施例的小波变换的多分辨率分解示意图；

图9示出了根据本发明的实施例的行波故障选相模块的程序流程图；

图10a和图10b示出了根据本发明的实施例的极化电流故障行波方向继电器的示意图；

图11示出了根据本发明的实施例的行波保护器中微处理器MCF5282程序流程图；

图12示出了根据本发明的实施例的监控板硬件构成框图；

图13示出了根据本发明的实施例的监控板嵌入式***软件设计的框图；

图14a示出了根据本发明的实施例的以太网光纤通讯***的示意图；以及

图14b示出了根据本发明的实施例的以太网光纤通讯***的示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开的具体实施例的限制。

图1示出了根据本发明的实施例的高压输电线路超高速行波方向纵联保护方法的流程图。

如图1所示，根据本发明的实施例的高压输电线路超高速行波方向纵联保护方法包括：步骤102，分别获取高压输电线路的第一侧的电流故障初始行波的波头极性和电压故障行波中工频分量的初始极性，以及分别获取高压输电线路的第二侧的电流故障初始行波的波头极性和电压故障行波中工频分量的初始极性；步骤104，将第一侧的电流故障初始行波的波头极性和电压故障行波中工频分量的初始极性进行比较，以确定第一侧上的故障方向，以及将第二侧的电流故障初始行波的波头极性和电压故障行波中工频分量的初始极性进行比较，以确定第二侧上的故障方向；以及步骤106，交换第一侧的故障方向的信息与第二侧的故障方向的信息，当第一侧上的故障方向与第二侧上的故障方向均为正向故障时，确定高压输电线路发生内部故障，使继电保护出口动作，当第一侧上的故障方向与第二侧上的故障方向中的任意一个为反向故障时，则确定高压输电线路未发生内部故障，继电保护出口不动作。

在上述技术方案中，优选地，步骤102可以包括：步骤1022，采集高压输电线路故障后第一侧的电压行波和电流行波，采集高压输电线路故障后第二侧的电压行波和电流行波；步骤1024，对采集到的第一侧的电流行波和电压行波分别进行相模变换得到第一侧的电流行波模量和电压行波模量，对采集到的第二侧的电流行波和电压行波分别进行相模变换得到第二侧的电流行波模量和电压行波模量；步骤1026，对第一侧的电流行波模量进行小波变换，得到第一侧的电流小波变换系数，并根据第一侧的电流小波变换系数得到第一侧的电流小波变换模极大值和模极大值极性，进而确定第一侧的电流故障初始行波的波头极性，以及对第二侧的电流行波模量进行小波变换，得到第二侧的电流小波变换系数，并根据所述第二侧的电流小波变换系数得到第二侧的电流小波变换模极大值和模极大值极性，进而确定第二侧的电流故障初始行波的波头极性；以及步骤1028，从第一侧的电压行波模量中提取出电压故障行波分量，对电压故障行波进行小波变换，得到第一侧的电压故障行波小波变换系数，并根据第一侧的电压故障行波小波变换系数得到第一侧的电压故障行波小波变换模极大值和模极大值极性，进而确定第一侧的电压故障行波中工频分量的初始极性，以及从第二侧的电压行波模量中提取出电压故障行波分量，对电压故障行波进行小波变换，得到第二侧的电压故障行波小波变换系数，并根据第一侧的电压故障行波小波变换系数得到第二侧的电压故障行波小波变换模极大值和模极大值极性，进而确定第二侧的电压故障行波中工频分量的初始极性。

在上述技术方案中，优选地，在步骤104中故障方向的判定依据为：如果电压故障行波中工频分量的初始极性与电流故障初始行波的波头极性相反，则故障方向为正向故障；如果电压故障行波工频分量的初始极性与电流故障初始行波的波头极性相同，则故障方向为反向故障。

在上述技术方案中，优选地，在步骤106中，通过以太网光纤通信的方式来交换第一侧的故障方向的信息与第二侧的故障方向的信息。

图2示出了根据本发明的实施例的高压输电线路超高速行波方向纵联保护装置的框图。

如图2所示，根据本发明的实施例的高压输电线路超高速行波方向纵联保护装置200，安装在高压输电线路的一侧，可以包括：变换器202、行波保护器204、监控器206和出口继电器208，其中，变换器202，连接至行波保护器204，将来自高压输电线路的第一电压和电流分别变换为为供行波保护板使用的第二电压和电流；行波保护器204，连接至监控器206，接收来自所述变换器202的第二电压和电流，对所述第二电压和电流进行处理以确定高压输电线路的故障信息，将故障信息传送给监控器206，向外发送故障信息并接收来自外部的其他故障信息，将行波保护器204确定的故障信息和来自外部的其他故障信息进行比较，并根据比较结果判定是否跳闸及跳闸相别，故障信息包括故障方向和故障相别；监控器206，连接至行波保护器204，显示和存储行波保护器204传送的故障信息，根据输入的预设信息监控行波保护器204，以及将故障信息传送至外部；以及行波保护器208，接收行波保护器204的判定结果，根据判定结果来确定是否发出跳闸命令。

在上述技术方案中，优选地，监控器206可以包括：微处理器2062，连接至第一CAN通讯模块2064，接收来自行波保护器204的故障信息和来自键盘模块的输入信息，将键盘模块的输入信息传输至行波保护器204，控制液晶显示模块的显示内容；第一CAN通讯模块2064，连接至微处理器2062，实现与行波保护器204的信息交互；以太网通讯模块2066，接收来自行波保护器204的故障信息，将故障信息传输至外部；串口模块，连接至微处理器2062，传输显示内容和调试信号；液晶显示模块2068，连接至微处理器2062，显示来自微处理器2062的显示内容和通过键盘模块输入的信息；键盘模块20610，输入外部的信息；第一FLASH存储器20612，用于存储微处理器2062的控制程序和故障信息；以及第一SDAM存储器20614，用于存储微处理器2062处理的中间数据；其中，微处理器2062还可以包括：巡检模块，连接至第一CAN通讯模块2064，通过第一CAN通讯模块2064定时巡检行波保护器204，在巡检到不正常状态时发出告警信息；上传模块，连接至第一CAN通讯模块2064，通过第一CAN通讯模块2064接收来自行波保护器204的故障信息，并保存在FLASH存储器中；下传模块，连接至第一CAN通讯模块2064，通过第一CAN通讯模块2064将用户重新设定的保护定值传送给行波保护器204。

在上述技术方案中，优选地，行波保护器204可以包括：行波数据采集模块2042、行波数据处理模块2044和信息输入输出模块2046，其中，行波数据采集模块2042可以包括：核心控制模块、二阶有源低通滤波模块、二阶无源带通滤波模块、保护硬件启动模块、多路转换开关模块、A/D转换模块、双口RAM模块，其中二阶有源低通滤波模块，接收来自高压输电线路的行波模拟信号，对行波模拟信号进行滤波，行波模拟信号包括电压行波模拟信号和电流行波模拟信号；二阶无源带通滤波模块，连接到二阶有源低通滤波模块，用于从二阶有源低通滤波模块的输出的信号中提取行波中的高频信号；保护硬件启动模块，接收来自二阶无源带通滤波模块的高频信号，并确定高频信号是否满足预定条件，在高频信号满足预定条件后，发送启动信号至核心控制模块；多路转换开关模块，连接至二阶有源低通滤波模块，用于在接收到来自核心控制模块的控制信号后将行波模拟信号依次输出至A/D转换模块；A/D转换模块，连接至多路转换开关模块，根据来自核心控制模块的控制信号，对行波模拟信号进行A/D转换，并将转换结果输出至双口RAM模块；双口RAM模块，具有两组数据总线和两组地址总线，用于在核心控制模块的控制下存储来自A/D转换模块的转换结果，以及被行波数据处理模块2044读取转换结果；以及核心控制模块，接收来自保护硬件启动模块的启动信号，控制多路转换开关、A/D转换器、和双口RAM，以及实现对地址总线和数据总线的译码，并且向行波数据处理模块2044发送中断信号；行波数据处理模块2044，接收来自核心控制模块的中断信号，从双口RAM读取转换结果，对转换结果进行处理以取得故障信息，其中，故障信息包括高压输电线路的故障方向、故障相别；信息输入输出模块2046，可以包括：信息处理模块、以太网控制模块、开关量输入模块、开关量输出模块，其中，信息处理模块，接收来自行波数据处理模块2044的故障信息，通过以太网控制模块2接收来自高压输电线路的另一侧的其他故障信息，以及接收来自开关量输入模块的开关量信息，根据来自行波数据处理模块2044的故障信息、来自另一侧的其他故障信息以及开关量信息确定是否跳闸及跳闸相别；以太网控制模块，将来自信息处理模块的故障信息，发送到高压输电线路另一侧的行波方向保护装置，以及接收从另一侧的行波方向保护装置发送的其他故障信息，将其他故障信息发送到信息处理模块；开关量输入模块，将行波保护装置使用的开关量信息输入至信息处理模块；以及开关量输出模块，接收来自信息处理模块的进行跳闸的命令和跳闸相别并发送到行波保护器208；第二CAN通讯模块，接收来自信息处理模块的故障报告信息发送到监控器206；以及232通讯模块，接收来自监控器206的对行波保护器204进行调试的调试信号。

在上述技术方案中，优选地，行波数据处理模块2044包括：相模变换模块、小波变换模块、故障启动判别模块、行波故障选相模块、极性比较式行波方向继电器模块，其中相模变换模块，对来自双口RAM的转换结果进行凯伦贝尔变换得到模量行波数据；小波变换模块，接收来自相模变换模块的模量行波数据，并对模量行波数据进行小波变换得到小波变换的模极大值和模极大值的极性，并根据模极大值的极性得到故障初始行波的波头极性；故障启动判别模块，接收来自小波变换模块的模极大值，根据Lipschitz信号的奇异性检测理论确定是否为线路故障导致保护硬件启动模块的启动，并仅在确定为线路故障导致保护硬件启动模块的启动时，启动行波故障选相模块和极性比较时行波方向继电器模块；行波故障选相模块，接收来自小波变换模块的模极大值，并根据模极大值确认线路的故障类型和故障相别；极性比较式行波方向继电器模块，接收来自小波变换模块的故障初始行波的波头极性，并根据故障初始行波的波头极性确认线路的故障方向，并根据线路上的故障方向确认是否发送故障方向和故障相别至信息输入输出模块2046。

在上述技术方案中，优选地，行波数据处理模块2044还可以包括：第二SDRAM存储器，用于存储行波数据处理模块2044进行处理所需的数据；第二FLASH存储器，用于存储行波数据处理模块2044所采用的算法程序；以及SPI通讯控制模块，使行波数据处理模块2044与信息输入输出模块2046进行SPI通讯，将故障信息发送给信息输入输出模块2046。

图3示出了根据本发明的实施例的高压输电线路超高速行波方向纵联保护***的框图。

如图3所示，根据本发明的实施例的高压输电线路超高速行波方向纵联保护***300，在高压输电线路的第一侧设置有如图2所说明的第一高压输电线路超高速行波方向纵联保护装置302a、第一电压互感器304a、第一电流互感器306a、第一断路器308a和第一以太网通讯装置310a，以及在高压输电线路的第二侧设置有如图2所说明的第二高压输电线路超高速行波方向纵联保护装置302b、第二电压互感器304b、第二电流互感器306b、第二断路器308b和第二以太网通讯装置310b，其中，第一电压互感器304a和第二电压互感器304b，将高压输电线路上的电压转换为分别提供至第一高压输电线路超高速行波方向纵联保护装置302a和第二高压输电线路超高速行波方向纵联保护装置302b的电压；第一电流互感器306a和第二电流互感器306b，将高压输电线路上的电流转换为分别提供至第一高压输电线路超高速行波方向纵联保护装置302a和第二高压输电线路超高速行波方向纵联保护装置302b的电流；第一高压输电线路超高速行波方向纵联保护装置302a，从来自第一电压互感器304a和第一电流互感器306a的电压和电流中分别获取所述高压输电线路的第一侧的电流故障初始行波的波头极性和电压故障行波中工频分量的初始极性，并根据第一侧的电流故障初始行波的波头极性和电压故障行波中工频分量的初始极性确定高压输电线路第一侧的故障方向，以及通过以太网通讯装置，接收来自第二侧的第二高压输电线路超高速行波方向纵联保护装置的其他故障信息，根据第一侧的故障信息和第二侧的其他故障信息来确定高压输电线路的故障类型和故障相别，并确定是否向第一出口继电器发送跳闸命令；第二高压输电线路超高速行波方向纵联保护装置，从来自第二电压互感器304b和第二电流互感器306b的电压和电流中分别获取高压输电线路的第二侧的电流故障初始行波的波头极性和电压故障行波中工频分量的初始极性，并根据第二侧的电流故障初始行波的波头极性和电压故障行波中工频分量的初始极性确定高压输电线路第二侧的故障方向，以及通过以太网通讯装置，接收来自第一侧的第一高压输电线路超高速行波方向纵联保护装置的其他故障信息，根据第二侧的故障信息和第一侧的其他故障信息来确定高压输电线路的故障类型和故障相别，并确定是否向第二出口继电器发送跳闸命令；第一以太网通讯装置310a，通过光纤通讯网络将高压输电线路第一侧的故障信息传送给高压输电线路的第二侧的第二以太网通讯装置310b，实现高压输电线路两端的故障信息的交互；第二以太网通讯装置310b，通过光纤通讯网络将高压输电线路第二侧的故障信息传送给高压输电线路第一侧的第一以太网通讯装置310a；第一断路器308a，安装在高压输电线路上，接收来自第一高压输电线路超高速行波方向纵联保护装置的跳闸命令，断开或闭合高压输电线路；以及第二断路器308b，安装在高压输电线路上，接收来自第二行波方向保护装置的跳闸命令，断开或闭合高压输电线路。

图4示出了根据本发明的实施例的高压输电线路超高速行波方向纵联保护保护***的示意图。

如图4所示，本发明的实施例的高压输电线路超高速行波方向纵联保护保护***可应用于一个典型的750kV输电线路中，可以包括：输电线路1、电流互感器2和10、电容式电压互感器3和11、等效电力***4和12、母线5和13、超高速行波方向保护装置6和14即图2所示的高压输电线路超高速行波方向纵联保护装置、复用接口装置7和15、SDH/PDH光传输设备8和16、SDH/PDH光纤通讯网络9以及断路器17和18。

图4所示的高压输电线路超高速行波方向纵联保护保护***中的各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。

(2)电流互感器2和10，用于把高压输电线路上的大电流变换成为小电流例如1安培。

(3)电容式电压互感器3和11，用于把高压输电线路上的高电压变换成低电压例如57.7伏。

(4)等效电力***4和12，表示连接到该高压输电线路两端的电力***。

(5)母线5和13，表示该高压输电线路两端变电站的母线。

(6)断路器17和18，用于闭合和断开该高压输电线路。

(7)SDH/PDH光传输设备8和16，用于将电信号转换成光信号，并传输至SDH/PDH光纤通讯网络。

(8)SDH/PDH光纤通讯网络9，用于传输SDH/PDH光纤网络中各节点的信息。

在该高压输电线路中，设置在被保护输电线路1两端的两台超高速行波方向保护装置(如6和14)和以太网光纤通讯***(如7、8和16、15、9)构成了本高压输电线路超高速行波方向纵联保护***的重要部分，其中超高速行波方向保护装置用于实现继电保护；而以太网光纤通讯***用于交换两台保护装置的故障信息。该两重要部分的结构及详细功能分别说明如下：

1、应用于本高压输电线路超高速行波方向纵联保护保护***中的超高速行波方向保护装置，其组成结构可以如图5所示，它可以包括电源板21、精密电流变换器和精密电压变换器板22，超高速行波保护板23、监控板24、出口继电器板25，这些器件板并排连接至母板20上并固定于机箱19中，在机箱的外表面的前面板上还有液晶显示屏191和操作按键192。

该超高速行波方向保护装置中的各器件型号与功能说明如下：

(1)机箱19：安装固定各功能板，并具有屏蔽外部电磁干扰功能。

液晶显示屏191：用于显示正常运行时的线路信息及故障后的故障报告、故障录波等故障信息。液晶屏采用彩色3.5寸TFT液晶屏，显示屏的分辨率为320×240。

操作按键192：用于设置保护定值，显示故障报告、故障录波等故障信息，实现人机交互的相关操作。操作按键采用3×4矩阵键盘，实现用户对超高速行波方向保护装置的操作。

(2)母板20：用于传递各功能板之间的交互信号。

(3)电源板21：向各功能板提供直流电源，可提供数字电源5伏特和数字地，模拟电源正负5伏特、正负12伏特、正24伏特和模拟地。电源功率为500瓦特。

(4)精密电流变换器和精密电压变换器板22：由4个型号为UCT-01-5A/3.53mA的精密电流变换器，4个型号为TV3154-100V/3.53V的精密电压变换器。该功能板的作用是把电容式电压互感器二次侧的57.7伏特电压和电流互感器二次侧的1安培电流变换成正负2.5伏特弱电信号，供超高速行波保护板使用。

(5)超高速行波保护板23：该功能板的作用是采集故障后的电流行波信号和电压行波信号，并对采集到的电流行波信号和电压行波信号分别进行相模变换、小波变换的多分辨率分解算法、故障启动的软件判别、行波故障选相以及极化电流故障行波方向保护继电器算法的处理。同时发送高压输电线路的本侧的故障方向信息至高压输电线路的对侧的超高速行波方向保护装置，接收对侧的超高速行波方向保护装置的故障方向信息，以及接收本地开入量信息，并进行行波纵联方向保护逻辑判断，根据判断结果发出开出量信息等功能。

而超高速行波保护板的硬件构成可以如图6所示，它由高速数据采集电路602、高速数字信号处理电路604和保护逻辑判断及输入输出接口电路606三部分组成。

该三部分的组成及功能说明如下：

一、高速数据采集电路602：

高速数据采集电路602可以包括二阶有源低通滤波模块6022、二阶无源带通滤波模块6024、保护硬件启动模块6026、多路转换开关模块6028、A/D转换模块60210、双口RAM模块60212、复杂可编程器件(CPLD)EMP7128S控制和译码模块60214。其中：

1)二阶有源低通滤波模块6022：

8路模拟信号经母板端子输入至超高速行波保护板23后，进入二阶有源低通滤波模块6022，该二阶有源低通滤波模块6022的截止频率为250kHz，满足香农采样定理和滤除高频干扰。

2)二阶无源带通滤波模块6024：

二阶无源带通滤波模块6024的带通频率为3kHz～30kHz，提取电流故障行波中的高频信号，作为行波保护硬件的启动信号。

3)保护硬件启动模块6026可以如图中的电平比较电路：

该模块通过运算放大器构成电平比较回路，当经过带通滤波器后的电流故障行波中的高频部分(3kHz～30kHz)电平超过预设的硬件启动电平后，硬件启动回路发出启动信号至复杂可编程逻辑器件EMP7128S60214，复杂可编程逻辑器件EMP7128S60214触发高速数字信号处理器TMS320C6713中断，进入故障处理程序。

4)多路转换开关模块6028：

多路转换开关MAX46396028是四选一的高速切换开关，将四路模拟信号依次输出至A/D转换模块60210。两片MAX4639可实现8路模拟信号的转换。

5)A/D转换模块60210：

A/D转换模块60210中采用2块AD9240高速模/数转换开关60210a和60210b，实现对模拟信号的高速模/数转换，对每一路模拟信号的数据采样率达到1MHz。

6)双口RAM模块60212：

2块双口RAM60212用于存储A/D转换模块60210转换后的8路数字信号，存储空间为128Kbyte。

7)复杂可编程逻辑器件EMP7128S控制和译码模块60214：

复杂可编程逻辑器件EMP7128S60214是高速数据采集电路602的核心控制部分，它实现对多路转换开关模块6028、A/D转换模块60210和双口RAM模块60212的协调控制和地址/数据信号的译码，实现将8路模拟信号转换成数字信号并存储与双口RAM模块60212中，同时复杂可编程逻辑器件EMP7128S60214在行波保护硬件启动后触发高速数字信号处理器TMS320C6713进入故障处理程序。

二、高速数字信号处理电路604

高速数字信号处理电路604以DSP TMS320C67136042为核心，包括：高速数字信号处理器(DSP)TMS320C67136042、SPI通讯模块6044、SDRAM存储器6046、FLASH存储器6048以及集成在TMS320C67136042内的相模变换算法模块、小波变换算法模块、故障启动的软件判别算法模块、行波故障选相算法模块、极化电流故障行波方向继电器。

高速数字信号处理电路604中的各部分功能如下：

1)TMS320C67136042：

这是一款高速数字信号处理芯片，数据总线32位，可进行浮点运算，精度高，芯片内部有8个运算单元，每秒可执行16亿条指令，能同时满足超高速行波保护对数据处理速度和精度的要求，在TMS320C6713中集成了超高速行波保护的核心算法程序。

2)SPI通讯控制6044：

TMS320C67136042通过与处理器MCF52826062进行SPI串行通信，将故障方向、故障录波等故障信息数据传送给MCF52826062，以便MCF5282进行后续的保护逻辑判断和通讯等操作，SPI通讯速率达到5Mbtye/s。

3)SDRAM存储器6046：

采用2块型号为HY57V641620的SDRAM存储器，构成32位2Mbyte字节的随机存取存储器，用于存放算法所需数据及故障录波数据。

4)FLASH存储器6048：

512K字节的FLASH程序存储器SST39LF，用于存放算法的程序。TMS320C67136042上电后自动将FLASH存储器6048中的程序读入TMS320C67136042内部的RAM中运行。

TMS320C67136042中的算法程序流程图如图7所示，该程序固化在FLASH存储器中，上电后，TMS320C6713自动将FLASH中的程序读入TMS320C6713内部的RAM中运行，该程序完成的主要功能有：

如图7的左边的流程图所示，是高速数字信号处理芯片正常运行时的自检，首先进行初始化(702)，判断是否有定值修改(704)，在判断结果为是的情况下，进行步骤(706)，在判断结果为否的情况下，进行步骤(708)，修改定值(706)之后判断是否有报告(708)，在判断结果为是时，发送该报告(710)，发送完之后判断自检时间是否已经到达(712)，若还没到，则重新判断是否有定值修改，若已经到达，则进行自检(714)；

继续如图7右边的流程所示，TMS320C6713实时检测是否有故障中断，当有故障中断时，读取故障数据(716)；

将读取的故障数据进行相模变换(718)；

求取小波变换的多分辨率分解及其模极大值(720)；

判别故障是否启动(722)，若没有启动，则故障中断处理结束，若启动，则进行故障选相和极化电流故障方向继电器的故障方向判定(724)；

判断故障方向是否为正向故障(726)，当判断结果是正向故障时，则将故障信息传送至MCF5282(728)，故障处理中断结束，当判断结果不是正向故障时，故障处理中断结束。

根据图7所示的流程，各软件模块的功能如下：

1)TMS320C6713启动：行波方向保护装置上电后，TMS320C6713启动。

2)初始化模块：对TMS320C6713内部各寄存器进行初始化，对保护算法中相关变量及标志位进行初始化，打开DSP中断。

3)自检模块：对TMS320C6713***的SDRAM存储器，SPI通讯模块等进行自检。

4)中断启动：TMS320C6713芯片中的中断控制器会实时监测是否有故障中断产生，若是有故障中断产生，则立即转到故障中断处理程序。

5)读取故障数据：TMS320C6713从双口RAM中读取电流行波和电压行波数据，准备故障处理。

6)相模变换：将三相电流行波和电压行波数据分别进行凯伦贝尔变换，变换成三个线模分量和一个零模分量。

$\left[\begin{array}{c}{u}_0\\ u_{\mathrm{\α}}\\ u_{\mathrm{\β}}\\ u_{\mathrm{\γ}}\end{array}\right]=\frac{1}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& 1& 1\\ 1& -1& 0\\ -1& 0& 1\\ 0& 1& -1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_a\\ u_b\\ u_c\end{array}\right]---\left(1\right)$

$\left[\begin{array}{c}{i}_0\\ i_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\\ i_{\mathrm{\γ}}\end{array}\right]=\frac{1}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& 1& 1\\ 1& -1& 0\\ -1& 0& 1\\ 0& 1& -1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right]---\left(2\right)$

7)求取小波变换的多分辨率分解及其模极大值：

小波变换的多分辨率分解示意图如图8所示。二进离散小波变换的分解公式如式(3)：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_{2^j}f\left(n\right)=\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{h}_k{V}_{2^{j-1}}f(n-2^{j-1}k)\\ W_{2^j}f\left(n\right)=\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{g}_k{V}_{2^{j-1}}f(n-2^{j-1}k)\end{array}\right.---\left(3\right)$

上式中f(n)是电流行波或电压行波的离散采样值点，h_k和g_k是二进离散小波变换分解算法中的滤波器组系数，

$\left\{\begin{array}{c}{h}_k=\left(\mathrm{0.125,0.375,0.375,0.125}\right)(k=-\mathrm{1,0,1,2})\\ g_k=(-\mathrm{2,2})(k=\mathrm{0,1})\end{array}\right\}---\left(4\right)$

对电流行波信号进行小波变换多分辨率分解求取子频率空间W2、W3、W4中的模极大值及模极大值的极性，从而得到电流故障初始行波的波头极性SI_α、SI_β、SI_γ。

对电压行波模量首先按公式(5)提取电压行波中故障行波分量：

u_fm(n)＝u_m(n)-2u_m(n-N)+u_m(n-2N)    (5)

上式中u_m(n)是高压输电线路故障后电压行波模量值，m表示α，β，γ三个线模量，N为一个工频周期的采样点数，本实施例中为10000。

将电压故障行波u_fm(n)进行小波变换的多分辨率分解，并求取在频率空间V12(0～61.0Hz)中模极大值极性，从而得到电压故障行波中工频分量的初始极性。

8)故障启动的软件判别：根据lipschitz信号的奇异性检测理论，若是输电线路故障启动，则电流行波的小波变换模极大值在W2、W3和W4空间中的模极大值依次增大，并进行相应的后续故障处理程序。若是高频干扰信号导致行波保护硬件启动，则其小波变换的模极大值在W2、W3和W4空间中的模极大值不是依次增大，此时立即退出故障处理中断程序，返回TMS320C6713的主循环程序。

9)行波故障选相模块：根据电流行波的小波变换模极大值构成故障选相模块。故障选相算法的流程如图9所示，基本工作流程为：

首先判定故障类型：

在步骤902，判断电流行波的零模分量是否为零；

若故障后电流行波的零模分量不为0，则判定为接地故障，否则为相间短路。

在步骤906，若是接地故障，再判定三个电流线模小波变换模极大值中是否有一个小波变换模极大值为0，若有一个小波变换模极大值为0，则为单相接地短路，否则为两相接地短路。

在不在904，而对于相间短路，进一步求取三个电流线模小波变换模极大值中的绝对值最大值MMImax和绝对值最小值MMImin。

在步骤908，判断MMImax是否等于2MMImin，若MMImax＝2MMImin，则判定为两相短路，否则为三相短路。

根据故障类型进一步判定故障相别：

两相短路故障相别判定：

若MMIα＝MMIγ，则故障相别：CA

若MMIβ＝MMIγ，则故障相别：AB

若MMIα＝MMIβ，则故障相别：BC

三相短路故障相别判定：则故障相别：ABC

单相接地短路相别判定：

若MMIγ＝0，则故障相别：A

若MMIβ＝0，则故障相别：B

若MMIα＝0，则故障相别：C

两相接地短路故障相别判定：

在步骤910，进行凯伦贝尔逆变换，由MMIα，MMIβ，MMIγ求取MMIa，MMIb，MMIc；

在步骤912，求取MMIa，MMIb，MMIc中绝对值最小值：

MMImin＝min(abs(MMIa)，abs(MMIb)，abs(MMIc))

若MMImin＝abs(MMIa)，则故障相别：BC

若MMImin＝abs(MMIb)，则故障相别：CA

若MMImin＝abs(MMIc)，则故障相别：AB

10)极化电流故障行波方向继电器：

根据电流行波小波变换多分辨率分解在W2空间的模极大值MMIα，MMIβ，MMIγ和电压故障行波的小波变换多分辨率分解在V12空间的模极大值MMUα，MMUβ，MMUγ判定故障方向。极化电流故障行波方向继电器的正向判据和反向判据如图10a和图10b所示：

如图10a所示，正方向故障：任一线模量电压故障行波模极大值和电流故障行波模极大值极性相反。

如图10b所示，反方向故障：三个线模量电压故障行波模极大值和电流故障行波模极大值极性相同。

11)SPI串行通信模块

当极化电流故障行波方向继电器判定为正向故障时，TMS320C6713通过与处理器MCF5282进行SPI串行通信，将故障方向、故障录波等数据传送给MCF5282，以便MCF5282进行后续的保护逻辑判断和通讯等操作。

三、保护逻辑判断及输入输出接口电路606

保护逻辑判断及输入输出接口电路606以微处理器MCF52826062为核心，包含：微处理器MCF5282模块6062、SPI通讯模块6044、以太网控制模块6066、开关量输入模块6068、开关量输出模块6068、CAN通讯模块60610、232通讯模块6064、集成在MCF5282内部的行波方向纵联保护逻辑判断算法。如图6所示，各功能模块功能如下：

1)微处理器MCF5282模块6062：MCF5282是飞思卡尔(Freescale)公司生产的一款32位高性能工业控制芯片，该芯片中集成了丰富的常用外设功能模块，如集成了3个定时器，2个SPI通讯口，1个CAN通讯控制器，1个以太网控制器，大量的通用输入输出接口(GPIO)等，同时芯片内部集成了256Kbyte的FALSH和64Kbyte的SRAM，运行性能稳定可靠。

2)SPI通讯模块6044：MCF5282与TMS320C6713进行SPI通讯，获取故障方向、故障相别、故障录波等结果。

3)以太网控制模块6066：将线路本侧的故障方向和故障相别等故障信息通过以太网通讯传输至输电线路对侧行波方向纵联保护装置；同时接收对侧行波方向纵联保护装置通过以太网传输至本侧行波方向纵联保护装置的故障信息。

4)开关量输入模块6068：将本侧行波方向保护装置用的相关开关量信息传送给微处理器MCF5282，以进行后续的保护逻辑判断。

5)开关量输出模块60612：根据行波方向纵联保护的判定结果，在区内故障时发出开关跳闸命令及相关告警信息。

6)CAN通讯模块60610：将行波方向纵联保护的故障处理相关故障报告信息传输给监控板，以实现对故障报告的存储与显示。

7)232通讯模块6064：实现超高速行波方向保护板的在线调试。

8)MCF5282中行波方向纵联保护逻辑判断算法流程如图11所示，左边的流程图是MCF5282正常运行时的自检，右边是进行判断的流程。纵联方向保护按允许信号构成保护跳闸逻辑，MCF5282通过SPI通讯中断接收到DSP传送的本侧故障信息，读取该故障信息(1102)，通过以太网控制器，将故障信息通过以太网传输至对侧行波方向保护装置(1104)，同时检测以太网控制器是否收到对侧行波方向保护装置的故障信息(1106)，判断等待延时是否到整定值(1108)，若是在指定延时内没有收到对侧行波方向保护装置的故障信息，则判定为被保护线路外部故障，若是收到对侧行波方向保护装置的正向故障信息，则判定为被保护线路内部故障，本侧行波方向保护装置将结合本侧开入量信息判定是否跳闸及跳闸相别(1110)，最后发送故障报告及故障录波给监控板。

(6)监控板24

监控板的主要作用是监视、管理行波保护装置，其中可以包括：微处理器MCF5282、串口模块、CAN通讯模块、以太网通讯模块、时钟模块、FLASH存储器模块、SDRAM存储器模块、集成在MCF5282中的嵌入式操作***、液晶显示模块、键盘操作模块、巡检模块、上传故障报告与故障录波模块、下传定值模块、设备调试模块。

该监控板24的硬件的结构如图12所示，各模块功能如下：

1)微处理器MCF52821202：该监控板采用的微处理器为飞思卡尔公司生产的32位嵌入式微处理芯片MCF5282，该处理器是本监控板的核心计算与控制元件，本板的所有功能都通过该芯片和集成在其中的程序模块完成。

2)FLASH存储器1218：该存储器模块采用AMD公司的AM29LV160DB-90EI，这是16位2M字节FLASH。主要用于存储MCF5282嵌入式操作***内核、应用程序、录波数据与故障报告等。

3)SDRAM存储器1216：该监控板采用了两片16位8M字节的SDRAM组成了一个32位16M字节的内存空间。SDRAM型号为MT48LC4M16A2-75，用于存储MCF5282程序运行中间数据。

4)时钟模块1210：该用PCF8563时钟芯片进行计时，向保护装置提供统一的时钟信息，可以精确到秒级。

5)串口模块1204：该监控板采用两个RS232串口电平转换芯片MAX3232EEPE，一个控制液晶屏的显示，一个负责输出输入调试信息。

6)以太网模块1208：该监控板通过以太网模块1208完成数据的远方传输，以太网物理层芯片选用LXT971ALC，以太网隔离变压器选用HR601680，以太网物理接口采用RJ45口。

7)CAN通讯模块1206：该监控板通过CAN通讯模块1206完成与高速数据采集及超高速行波保护板的信息交互，CAN通讯芯片采用CTM8251AT。

8)集成在MCF5282中的嵌入式模块1300：嵌入式模块的结构图如图13所示。

该监控板采用嵌入式uClinux操作***，完成硬件设备的控制，实现各种功能，包括：液晶显示、键盘控制、巡检、设备调试、下传定值、上传故障报告与故障录波，各功能模块的具体作用如下：

液晶显示模块1302：实时显示线路电流电压值、故障报告、故障录波波形、保护定值。

键盘操作模块1304：实现更改保护定值、查看故障报告与故障录波波形、进行整机调试。

巡检模块1306：在保护装置上电1分钟后，监控板24通过CAN通讯每10秒巡检高速数据采集及超高速行波保护板一次。若巡检不正常则发出告警信息。

上传故障报告与故障录波模块1312：通过CAN通讯接收高速数据采集及超高速行波保护板23的故障报告及故障录波数据，并保存在FLASH存储器中。

下传定值模块1310：将用户重新设定保护定值，通过CAN通讯传送给高速数据采集及超高速行波保护板。

设备调试模块1308：用户可通过键盘、液晶等人机交互接口对行波保护装置进行调试。

(7)出口继电器板25

出口继电器板中有三相出口跳闸继电器、合闸继电器、告警继电器等。实现超高速行波方向保护装置的跳闸出口、合闸操作、告警等功能。

2、以太网通讯***

以太网通讯***可以包含：行波保护装置以太网光口；复用接口装置；SDH/PDH光传输设备和SDH/PDH光纤通讯网络，如图14b所示，各部分功能如下：

行波保护装置以太网光口：超高速行波方向保护装置采用单模HFBR5203光口，将本侧行波保护的故障信息电信号转换为光信号，经光纤通讯网络发送至对侧的超高速行波方向保护装置，同时将对侧行波保护经光纤网传送过来的光信号转换为电信号。

复用转换装置C1和C2：实现光口与标准电接口G703E1的转换，以便信号进入SDH/PDH光传输设备进行传输。

SDH/PDH光传输设备D1和D2：将复用转换装置转换后的电信号，经***转换成光信号，经SDH/PDH光纤通讯网络传送至对侧SDH/PDH光传输设备。

行波方向纵联保护的以太网光纤通讯***可以采用专用光纤通信，如图14a所示，也可以采用复用(2M)SDH/PDH光纤通讯网络通信，如图14b所示。

换言之，在采用专用光纤通信的情况下，以太网通讯装置包括：行波保护装置以太网光口，用于将本端的行波保护装置的故障信息电信号转换为故障信息光信号，经专用光纤通讯网络发送至高压输电线路的另一端的行波保护装置，同时接收另一端的经专用光纤通讯网络传送过来的其他故障信息光信号并将其他故障信息光信号转换为其他故障信息电信号；

在采用SDH/PDH光纤通信的情况下，以太网通讯装置包括：行波保护装置以太网光口、复用接口装置、SDH/PDH光传输设备，其中，

复用接口装置，连接至行波保护装置以太网光口，接收行波保护装置以太网光口发送的故障信息光信号，将故障信息光信号转换成故障信息电信号；

SDH/PDH光传输设备，连接至复用接口装置，将复用接口装置转换后的所述信息电信号转换成信息光信号，经SDH/PDH光纤通讯网络传送至另一端的SDH/PDH光传输设备。

在详细说明的本发明的各元器件的组成结构和功能之后，结合下面的示例进一步说明本发明的技术方案。

结合附图说明本发明的技术方案的工作过程：

1)假设被保护线路1内部发生故障，如图4所示；

2)故障点将产生向线路两侧运动的电流故障行波和电压故障行波。

3)线路两侧的电流互感器2、10将一次侧电流行波传变到二次侧；电容式电压互感器3、11将一次侧电压行波传变到二次侧。

4)超高速行波方向保护装置6和14中，精密电流变换器和精密电压变换器板22上的精密电流变换器和精密电压变换器将电流行波和电压行波进一步转变成正负2.5伏特的弱电信号。该信号经母板20传送至超高速行波保护板23。

5)在超高速行波保护板23中，电压行波和电流行波信号经过二阶有源低通滤波回路后，经多路转换开关和A/D高速(500kHz)数字转换后，变成数字信号保存在双口RAM中；同时二阶有源低通滤波回路输出信号经二阶带通滤波器传送至行波保护硬件启动回路，产生故障启动信号，启动TMS320C6713进入故障处理程序。

6)TMS320C6713进入故障处理程序后，首先从双口RAM中读取故障数据，对电压行波和电流行波故障数据进行相模变换，然后进行小波变换的多分辨率分解，并求取电流行波在频率空间W2{62.5，125kHz}、W3{31.25，62.5kHz}、W4{15.625，31.25kHz}中的模极大值。根据lipschitz信号的奇异性检测理论，进行故障启动的软件判别，若是干扰信号导致的行波保护启动，则行波方向保护立即退出故障处理程序；若是线路故障导致的行波保护启动，则保护装置进入行波故障选相和极化电流故障行波方向继电器算法程序。若是反向故障，则行波方向保护立即退出故障处理程序；若是正向故障，则TMS320C6713启动与MCF5282的SPI通讯，将相关故障信息传送给MCF5282，以便进行后续故障处理程序。

7)MCF5282将TMS320C6713传送的故障信息立刻通过以太网光纤通讯网络，将故障信息传送至对侧的超高速行波方向保护装置，同时检测是否接收到对侧的超高速行波方向保护装置通过以太网传输的故障信息，若在设定的等待延时中没有接收到对侧的超高速行波方向保护装置传来的故障信息，则判定为区外故障；若在设定的等待延时中接收到对侧的超高速行波方向保护装置传来的故障信息，则行波方向保护结合本侧的开入量信息进行逻辑判断，判定是否跳闸及跳闸的相别。跳闸信号由微处理器MCF5282开出量驱动出口继电器板25上的跳闸继电器，发出跳闸命令。MCF5282最后将故障报告及故障录波信息通过CAN通讯传送至监控板24。

8)监控板24接收到超高速行波保护板通过CAN通讯传输过来的故障报告和故障录波，一方面将故障信息显示在液晶屏上，同时将故障报告和故障录波数据通过以太网传送至变电站监控***和调度中心监控***。

本发明的技术方案克服已有保护技术的不足之处，使用高速数据采集技术、高速数字信号处理技术、利用小波变换的多分辨率分解技术提取高压输电线路电流故障初始行波的波头极性和电压故障行波中工频故障分量初始极性构成一种基于极化电流故障行波方向继电器，并利用以太网光纤通讯技术构成方向纵联保护***。该高压输电线路超高速行波方向纵联保护***具有超高速的动作性能(最快动作速度在10ms左右)，且不受电流互感器饱和影响，不受电容式电压互感器不能传变宽频带的电压故障行波信号的影响，不受电力***振荡的影响，不受输电线路充电电容电流的影响，不受输电线路串联电容器及并联电抗器的影响，不受过渡电阻的影响，可以作为高压输电线路的主保护。可达到如下性能指标：

1、超高速行波方向保护装置的数据采样率为0～1MHz可选；

2、极化电流故障行波方向继电器的出口时间小于5ms；

3、超高速行波方向纵联保护***中以太网通信时间小于5ms；

4、整套保护的动作出口时间小于15ms；

5、能够记录保护动作故障报告及故障录波数据30组。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高压输电线路超高速行波方向纵联保护方法，其特征在于，包括：

步骤102，分别获取所述高压输电线路的第一侧的电流故障初始行波的波头极性和电压故障行波中工频分量的初始极性，以及分别获取所述高压输电线路的第二侧的电流故障初始行波的波头极性和电压故障行波中工频分量的初始极性；

步骤104，将所述第一侧的电流故障初始行波的波头极性和电压故障行波中工频分量的初始极性进行比较，以确定所述第一侧上的故障方向，以及将所述第二侧的电流故障初始行波的波头极性和电压故障行波中工频分量的初始极性进行比较，以确定所述第二侧上的故障方向；以及

步骤106，交换所述第一侧的故障方向的信息与所述第二侧的故障方向的信息，当所述第一侧上的故障方向与所述第二侧上的故障方向均为正向故障时，确定所述高压输电线路发生内部故障，使继电保护出口动作，当所述第一侧上的故障方向与所述第二侧上的故障方向中的任意一个为反向故障时，则确定所述高压输电线路未发生所述内部故障，继电保护出口不动作。

2.根据权利要求1所述的高压输电线路超高速行波方向纵联保护方法，其特征在于，所述步骤102包括：

步骤1022，采集所述高压输电线路故障后所述第一侧的电压行波和电流行波，采集所述高压输电线路故障后所述第二侧的电压行波和电流行波；

步骤1024，对采集到的所述第一侧的电流行波和电压行波分别进行相模变换得到所述第一侧的电流行波模量和电压行波模量，对采集到的所述第二侧的电流行波和电压行波分别进行相模变换得到所述第二侧的电流行波模量和电压行波模量；

步骤1026，对所述第一侧的电流行波模量进行小波变换，得到所述第一侧的电流小波变换系数，并根据所述第一侧的电流小波变换系数得到所述第一侧的电流小波变换模极大值和模极大值极性，进而确定所述第一侧的电流故障初始行波的波头极性，以及对所述第二侧的电流行波模量进行小波变换，得到所述第二侧的电流小波变换系数，并根据所述第二侧的电流小波变换系数得到所述第二侧的电流小波变换模极大值和模极大值极性，进而确定所述第二侧的电流故障初始行波的波头极性；以及

步骤1028，从所述第一侧的电压行波模量中提取出电压故障行波分量，对所述电压故障行波进行小波变换，得到所述第一侧的电压故障行波小波变换系数，并根据所述第一侧的电压故障行波小波变换系数得到所述第一侧的电压故障行波小波变换模极大值和模极大值极性，进而确定所述第一侧的电压故障行波中工频分量的初始极性，以及从所述第二侧的电压行波模量中提取出电压故障行波分量，对所述电压故障行波进行小波变换，得到所述第二侧的电压故障行波小波变换系数，并根据所述第一侧的电压故障行波小波变换系数得到所述第二侧的电压故障行波小波变换模极大值和模极大值极性，进而确定所述第二侧的电压故障行波中工频分量的初始极性。

3.根据权利要求1或2所述的高压输电线路超高速行波方向纵联保护方法，其特征在于，在所述步骤104中所述故障方向的判定依据为：

如果所述电压故障行波中工频分量的初始极性与所述电流故障初始行波的波头极性相反，则所述故障方向为正向故障；

如果所述电压故障行波工频分量的初始极性与所述电流故障初始行波的波头极性相同，则所述故障方向为反向故障。

4.根据权利要求3所述的高压输电线路超高速行波方向纵联保护方法，其特征在于，在所述步骤106中，通过以太网光纤通信的方式来交换所述第一侧的故障方向的信息与所述第二侧的故障方向的信息。

5.一种高压输电线路超高速行波方向纵联保护装置，其特征在于，安装在所述高压输电线路的一侧，包括：变换器、行波保护器、监控器和出口继电器，其中，

所述变换器，连接至所述行波保护器，将来自所述高压输电线路的第一电压和电流分别变换为为供所述行波保护板使用的第二电压和电流；

所述行波保护器，连接至所述监控器，接收来自所述变换器的第二电压和电流，对所述第二电压和电流进行处理以确定所述高压输电线路的故障信息，将所述故障信息传送给所述监控器，向外发送所述故障信息并接收来自外部的其他故障信息，将所述行波保护器确定的所述故障信息和来自外部的所述其他故障信息进行比较，并根据比较结果判定是否跳闸及跳闸相别，所述故障信息包括故障方向和故障相别；

所述监控器，连接至所述行波保护器，显示和存储所述行波保护器传送的所述故障信息，根据输入的预设信息监控所述行波保护器，以及将所述故障信息传送至外部；以及

所述出口继电器，接收所述行波保护器的判定结果，根据所述判定结果来确定是否发出跳闸命令。

6.根据权利要求5所述的高压输电线路超高速行波方向纵联保护装置，其特征在于，所述监控器包括：

微处理器，连接至第一CAN通讯模块，接收来自所述行波保护器的故障信息和来自键盘模块的输入信息，将所述键盘模块的输入信息传输至所述行波保护器，控制所述液晶显示模块的显示内容；

所述第一CAN通讯模块，连接至所述微处理器，实现与所述行波保护器的信息交互；

以太网通讯模块，接收来自所述行波保护器的所述故障信息，将所述故障信息传输至外部；

串口模块，连接至所述微处理器，传输所述显示内容和调试信号；

所述液晶显示模块，连接至所述微处理器，显示来自所述微处理器的所述显示内容和通过所述键盘模块输入的信息；

所述键盘模块，输入外部的信息；

第一FLASH存储器，用于存储所述微处理器的控制程序和所述故障信息；以及

第一SDAM存储器，用于存储所述微处理器处理的中间数据；

其中，

所述微处理器还包括：

巡检模块，连接至所述第一CAN通讯模块，通过所述第一CAN通讯模块定时巡检所述行波保护器，在巡检到不正常状态时发出告警信息；

上传模块，连接至所述第一CAN通讯模块，通过所述第一CAN通讯模块接收来自所述行波保护器的所述故障信息，并保存在所述FLASH存储器中；

下传模块，连接至所述第一CAN通讯模块，通过所述第一CAN通讯模块将用户重新设定的保护定值传送给所述行波保护器。

7.根据权利要求5至6中任一项所述的高压输电线路超高速行波方向纵联保护装置，其特征在于，所述行波保护器包括：行波数据采集模块、行波数据处理模块和信息输入输出模块，其中，

所述行波数据采集模块，包括：核心控制模块、二阶有源低通滤波模块、二阶无源带通滤波模块、保护硬件启动模块、多路转换开关模块、A/D转换模块、双口RAM模块，其中

所述二阶有源低通滤波模块，接收来自所述高压输电线路的行波模拟信号，对所述行波模拟信号进行滤波，所述行波模拟信号包括电压行波模拟信号和电流行波模拟信号；

所述二阶无源带通滤波模块，连接到所述二阶有源低通滤波模块，用于从所述二阶有源低通滤波模块的输出的信号中提取行波中的高频信号；

所述保护硬件启动模块，接收来自所述二阶无源带通滤波模块的所述高频信号，并确定所述高频信号是否满足预定条件，在所述高频信号满足所述预定条件后，发送启动信号至所述核心控制模块；

所述多路转换开关模块，连接至所述二阶有源低通滤波模块，用于在接收到来自所述核心控制模块的控制信号后将所述行波模拟信号依次输出至A/D转换模块；

所述A/D转换模块，连接至所述多路转换开关模块，根据来自所述核心控制模块的控制信号，对所述行波模拟信号进行A/D转换，并将转换结果输出至双口RAM模块；

所述双口RAM模块，具有两组数据总线和两组地址总线，用于在所述核心控制模块的控制下存储来自所述A/D转换模块的所述转换结果，以及被所述行波数据处理模块读取所述转换结果；以及

所述核心控制模块，接收来自所述保护硬件启动模块的所述启动信号，控制所述多路转换开关、所述A/D转换器、和所述双口RAM，以及实现对所述地址总线和所述数据总线的译码，并且向所述行波数据处理模块发送中断信号；

所述行波数据处理模块，接收来自所述核心控制模块的中断信号，从所述双口RAM读取所述转换结果，对所述转换结果进行处理以取得故障信息，其中，所述故障信息包括所述高压输电线路的故障方向、故障相别；

信息输入输出模块，包括：信息处理模块、以太网控制模块、开关量输入模块、开关量输出模块，其中，

所述信息处理模块，接收来自所述行波数据处理模块的故障信息，通过所述以太网控制模块接收来自所述高压输电线路的另一侧的其他故障信息，以及接收来自所述开关量输入模块的开关量信息，根据来自所述行波数据处理模块的故障信息、来自所述另一侧的其他故障信息以及所述开关量信息确定是否跳闸及跳闸相别；

所述以太网控制模块，将来自所述信息处理模块的所述故障信息，发送到所述高压输电线路另一侧的行波方向保护装置，以及接收从所述另一侧的行波方向保护装置发送的所述其他故障信息，将所述其他故障信息发送到所述信息处理模块；

所述开关量输入模块，将所述行波保护装置使用的开关量信息输入至所述信息处理模块；以及

所述开关量输出模块，接收来自所述信息处理模块的进行跳闸的命令和跳闸相别并发送到所述出口继电器；

第二CAN通讯模块，接收来自所述信息处理模块的故障报告信息发送到所述监控器；以及

232通讯模块，接收来自所述监控器的对所述行波保护器进行调试的调试信号。

8.根据权利要求7所述的高压输电线路超高速行波方向纵联保护装置，其特征在于，所述行波数据处理模块包括：相模变换模块、小波变换模块、故障启动判别模块、行波故障选相模块、极性比较式行波方向继电器模块，其中

所述相模变换模块，对来自所述双口RAM的所述转换结果进行凯伦贝尔变换得到模量行波数据；

所述小波变换模块，接收来自所述相模变换模块的所述模量行波数据，并对所述模量行波数据进行小波变换得到小波变换的模极大值和所述模极大值的极性，并根据所述模极大值的极性得到故障初始行波的波头极性；

所述故障启动判别模块，接收来自所述小波变换模块的所述模极大值，根据Lipschitz信号的奇异性检测理论确定是否为线路故障导致所述保护硬件启动模块的所述启动，并仅在确定为所述线路故障导致所述保护硬件启动模块的所述启动时，启动所述行波故障选相模块和所述极性比较时行波方向继电器模块；

所述行波故障选相模块，接收来自所述小波变换模块的所述模极大值，并根据所述模极大值确认所述线路的故障类型和故障相别；

所述极性比较式行波方向继电器模块，接收来自所述小波变换模块的故障初始行波的波头极性，并根据所述故障初始行波的波头极性确认所述线路的故障方向，并根据所述线路上的故障方向确认是否发送所述故障方向和所述故障相别至所述信息输入输出模块。

9.根据权利要求8所述的高压输电线路超高速行波方向纵联保护装置，其特征在于，所述行波数据处理模块还包括：

第二SDRAM存储器，用于存储所述行波数据处理模块进行处理所需的数据；

第二FLASH存储器，用于存储所述行波数据处理模块所采用的算法程序；以及

SPI通讯控制模块，使所述行波数据处理模块与所述信息输入输出模块进行SPI通讯，将所述故障信息发送给所述信息输入输出模块。

10.一种高压输电线路超高速行波方向纵联保护***，其特征在于，在高压输电线路的第一侧设置有如权利要求5至10中任一项所述的第一高压输电线路超高速行波方向纵联保护装置、第一电压互感器、第一电流互感器、第一断路器和第一以太网通讯装置，以及在所述高压输电线路的第二侧设置有如权利要求5至10中任一项所述的第二高压输电线路超高速行波方向纵联保护装置、第二电压互感器、第二电流互感器、第二断路器和第二以太网通讯装置，其中，

所述第一电压互感器和所述第二电压互感器，将所述高压输电线路上的电压转换为分别提供至所述第一高压输电线路超高速行波方向纵联保护装置和所述第二高压输电线路超高速行波方向纵联保护装置的电压；

所述第一电流互感器和所述第二电流互感器，将所述高压输电线路上的电流转换为分别提供至所述第一高压输电线路超高速行波方向纵联保护装置和所述第二高压输电线路超高速行波方向纵联保护装置的电流；

所述第一高压输电线路超高速行波方向纵联保护装置，从来自所述第一电压互感器和所述第一电流互感器的电压和电流中分别获取所述高压输电线路的第一侧的电流故障初始行波的波头极性和电压故障行波中工频分量的初始极性，并根据所述第一侧的电流故障初始行波的波头极性和电压故障行波中工频分量的初始极性确定所述高压输电线路第一侧的故障方向，以及通过所述以太网通讯装置，接收来自第二侧的所述第二高压输电线路超高速行波方向纵联保护装置的其他故障信息，根据第一侧的所述故障信息和第二侧的所述其他故障信息来确定所述高压输电线路的故障类型和故障相别，并确定是否向所述第一出口继电器发送跳闸命令；

所述第二高压输电线路超高速行波方向纵联保护装置，从来自所述第二电压互感器和所述第二电流互感器的电压和电流中分别获取所述高压输电线路的第二侧的电流故障初始行波的波头极性和电压故障行波中工频分量的初始极性，并根据所述第二侧的电流故障初始行波的波头极性和电压故障行波中工频分量的初始极性确定所述高压输电线路第二侧的故障方向，以及通过所述以太网通讯装置，接收来自第一侧的所述第一高压输电线路超高速行波方向纵联保护装置的其他故障信息，根据第二侧的所述故障信息和第一侧的所述其他故障信息来确定所述高压输电线路的故障类型和故障相别，并确定是否向所述第二出口继电器发送跳闸命令；

所述第一以太网通讯装置，通过光纤通讯网络将所述高压输电线路第一侧的所述故障信息传送给所述高压输电线路的第二侧的所述第二以太网通讯装置，实现所述高压输电线路两端的所述故障信息的交互；

所述第二以太网通讯装置，通过光纤通讯网络将所述高压输电线路第二侧的所述故障信息传送给所述高压输电线路第一侧的所述第一以太网通讯装置；

所述第一断路器，安装在所述高压输电线路上，接收来自所述第一高压输电线路超高速行波方向纵联保护装置的跳闸命令，断开或闭合所述高压输电线路；以及

所述第二断路器，安装在所述高压输电线路上，接收来自所述第二行波方向保护装置的跳闸命令，断开或闭合所述高压输电线路。

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