Method for detecting fault in power system

Abstract

A method for detecting a fault in a power system is provided. The method comprises: obtaining current change at a first position of a power line in the power system and voltage change at a second position of the power line, the second position being located on a side of the first position opposite to a power source (1001); determining, based on the obtained current change and the obtained voltage change, transient energy indicating a fault direction of the fault relative to the first position (1002); determining energy thresholds based on line parameters of the power line and the obtained current change (1003); and identifying the fault direction based on comparison of the determined transient energy and the determined energy thresholds (1004). In the method, the thresholds for identifying the fault direction can be accurately determined in real time, thereby improving accuracy and response speed of the fault detection and protection.

Description

METHOD FOR DETECTING FAULT IN POWER SYSTEMFIELD

[0001] Embodiments of present disclosure generally relate to power system protection, and more particularly, to a method for detecting a fault in a power system.BACKGROUND

[0002] An identification of a fault direction plays an important role in the power system protection. When a fault occurs in the power system, the fault direction can be detected or identified by a direction element. Thereby, protection devices of the power system can perform suitable protection actions according to the identified fault direction, so that the fault can be cleared in time. The direction element for identifying the fault direction have been widely used in various protection relays, such as a distance protection relay, a direction over-current protection relay, a pilot protection relay, etc.

[0003] In the operation of detecting the fault direction, the accuracy of judging the direction may be affected by some factors, for example, changes in system parameters, noise influence, etc. The mistake and delay in the detection of the fault direction result in the system fault not being able to be removed quickly, which may adversely affect the safety of the power system. Thus, it is desired to further improve the fault direction detection.SUMMARY

[0004] Embodiments of the present disclosure provide an improved solution of detecting a fault of a power system.

[0005] In a first aspect, a method for detecting a fault in a power system is provided. The method comprises: obtaining current change at a first position of a power line in the power system and voltage change at a second position of the power line, the second position being located on a side of the first position opposite to a power source; determining, based on the obtained current change and the obtained voltage change, transient energy indicating a fault direction of the fault relative to the first position; determining energy thresholds based on line parameters of the power line and the obtained current change; and identifying the fault direction based on comparison of the determined transient energy and the determined energy  thresholds.

[0006] In some embodiments, obtaining current change at a first position of a power line in the power system and voltage change at a second position of the power line comprises: computing, based on measured voltage and measured current at the first position, voltage at the second position; and determining the current change from the measured current and the voltage change from the computed voltage.

[0007] In some embodiments, the energy thresholds comprise a forward fault threshold and a reverse fault threshold, and determining energy thresholds based on line parameters of the power line and the obtained current change comprises: calculating, based on the line parameters of the power line and the current change, line energy on the power line, the line parameters comprising resistance and inductance of the power line from the first position through the second position to an end of the power line; determining the forward fault threshold based on the calculated line energy and a first ratio of a distance between the first position and the second position to a distance between the first position and the end of the power line; and determining the reverse fault threshold based on the calculated line energy and a second ratio of a distance between the second position and the end of the power line to the distance between the first position and the end of the power line.

[0008] In some embodiments, the forward fault threshold is represented by a product of the calculated line energy, the first ratio and a margin value less than one, and the reverse fault threshold is represented by a product of the calculated line energy, the second ratio and the margin value.

[0009] In some embodiments, the second position is located at a middle point between the first position and the end of the power line.

[0010] In some embodiments, identifying the fault direction based on comparison of the determined transient energy and the determined energy thresholds comprises: in response to the determined transient energy above the reverse fault threshold, identifying a reverse fault; and in response to the determined transient energy below the forward fault threshold, identifying a forward fault.

[0011] In some embodiments, computed, based on measured voltage and measured current at the first position, voltage at the second position comprises: calculating, based on a sequence of sampled voltages at the first position and a sequence of sampled currents at the  first position, a sequence of computed voltages at the second position, and wherein determining the current change from the measured current and the voltage change from the computed voltage comprises: calculating, based on the sequence of sampled currents, a sequence of current change values as the current change, each current change value corresponding to a difference of two sampled currents separated by a predetermined time interval; and calculating, based on the sequence of computed voltages, a sequence of voltage change values as the voltage change, each voltage change value corresponding to a difference of two computed voltages separated by the predetermined time interval.

[0012] In some embodiments, determining, based on the obtained current change and the obtained voltage change, transient energy indicating a fault direction of the fault relative to the first position comprises: multiplying the current change values and the voltage change values within a certain time range respectively to obtain a product sequence; and calculating a sum of the sequence of products as the transient energy.

[0013] In some embodiments, the transient energy and the energy thresholds comprises at least one or a combination of: a transient energy value and threshold values for a first phase, a transient energy value and threshold values for a second phase, a transient energy value and threshold values for a third phase, a transient energy value and threshold values for a phase to phase combination of the first phase and the second phase, a transient energy value and threshold values for a phase to phase combination of the second phase and the third phase, and a transient energy value and threshold values for a phase to phase combination of the third phase and the first phase.

[0014] In some embodiments, the transient energy and the energy thresholds comprise a transient energy value and threshold values for zero sequence component.

[0015] In some embodiments, the transient energy and the energy thresholds comprise a transient energy value and threshold values for negative sequence component.

[0016] In a second aspect, an electronic device is provided. The electronic device comprises: at least one processing unit; and at least one memory coupled to the at least one processing unit and storing instructions executable by the at least one processing unit, the instructions, when executed by the at least one processing unit, causing the device to perform the method according to the first aspect.

[0017] In some embodiments, the electronic device comprises a relay used in a power  system.

[0018] In a third aspect, a computer readable storage medium is provided. The computer readable storage medium has computer readable program instructions stored thereon which, when executed by a processing unit, cause the processing unit to perform the method according to the first aspect.DESCRIPTION OF DRAWINGS

[0019] Drawings described herein are provided to further explain the present disclosure and constitute a part of the present disclosure. The example embodiments of the disclosure and the explanation thereof are used to explain the present disclosure, rather than to limit the present disclosure improperly.

[0020] Figure 1 illustrates a schematic diagram of a system model for a power system.

[0021] Figure 2A illustrates a waveform diagram of a power system in the event that a reverse three-phase fault occurs.

[0022] Figure 2B illustrates a waveform diagram of a power system in the event that a forward three-phase fault occurs.

[0023] Figure 3 illustrates a schematic diagram of a power system according to embodiments of the present disclosure.

[0024] Figure 4 illustrates a schematic diagram of an equivalent circuit of a power system according to embodiments of the present disclosure.

[0025] Figure 5 illustrates a schematic diagram of a direction element according to embodiments of the present disclosure.

[0026] Figure 6 illustrates a schematic diagram of a three-phrase power system according to embodiments of the present disclosure.

[0027] Figure 7 illustrates a schematic diagram of an exemplary characteristic of fault direction detection according to embodiments of the present disclosure.

[0028] Figure 8 illustrates a simulation result when a forward fault occurs in a power system according to the embodiments of the present disclosure.

[0029] Figure 9 illustrates a simulation result when a reverse fault occurs in a power system according to the embodiments of the present disclosure.

[0030] Figure 10 illustrates a flowchart of a method for detecting a fault in a power system according to embodiments of the present disclosure.

[0031] Figure 11 illustrates a flowchart of a process for obtaining current change at a first position and voltage change at a second position according to embodiments of the present disclosure.

[0032] Figure 12 illustrates a flowchart of a process for determining energy thresholds according to embodiments of the present disclosure.

[0033] Throughout the drawings, the same or similar reference symbols are used to indicate the same or similar elements.

[0034] DETAILED DESCRIPTION OF EMBODIEMTNS

[0035] Principles of the present disclosure will now be described with reference to several example embodiments shown in the drawings. Though example embodiments of the present disclosure are illustrated in the drawings, it is to be understood that the embodiments are described only to facilitate those skilled in the art in better understanding and thereby achieving the present disclosure, rather than to limit the scope of the disclosure in any manner.

[0036] The term “comprises” or “includes” and its variants are to be read as open terms that mean “includes, but is not limited to. ” The term “or” is to be read as “and / or” unless the context clearly indicates otherwise. The term “based on” is to be read as “based at least in part on. ” The term “an embodiment” and “an example” are to be read as “at least one embodiment” and “at least one example. ” The term “another embodiment” or “another example is to be read as “at least one other embodiment” and “at least one other example. ” The terms “first, ” “second, ” and the like may refer to different or same objects. Other definitions, explicit and implicit, may be included below. A definition of a term is consistent throughout the description unless the context clearly indicates otherwise.

[0037] In the description below, like reference numerals and labels are used to describe the same, similar or corresponding parts in the figures. Other definitions, explicit and implicit, may be included below.

[0038] Embodiments of the present disclosure provides an improved solution for detecting a fault direction in the power system. In the improved solution, thresholds for detecting and identify the fault direction can be obtained in real time, thereby providing a self-adaptive time domain direction detection. Since the thresholds can be adjusted accurately in real time, the fault direction can be determined more accurately, which improves the detection and protection for faults in the power system.

[0039] Figure 1 illustrates a schematic diagram of a system model for a power system, figure 2A illustrates a waveform diagram of a power system in the event that a reverse three-phase fault occurs, and figure 2B illustrates a waveform diagram of a power system in the event that a forward three-phase fault occurs In the figure 1, a point P indicates a relay location, such as a bus of the power system, and Δu and Δi are fault component voltage and current (or voltage change and current change) at the relay location, i.e., the point P. In the figures 2A and 2B, incremental voltage and current of one (e.g., phrase A) of the three phases are plotted. As shown in the figures 1 and 2A, if the reverse fault occurs, that is, the fault position is on the left side of the point P, the incremental voltage and current have same polarity, and as shown in the figures 1 and 2B, if the forward fault occurs, that is, the fault position is on the right side of the point P, the incremental voltage and current have different polarity.

[0040] In this situation, a product of fault component voltage multiplying fault component current can be used for distinguishing the fault direction. In an example, an energy S can be defined as below: S=∫Δu·Δi·dt       (1)

[0041] If S<0, the forward fault is identified, and if S>0, the reverse fault is identified.

[0042] However, the above methods cannot work for an extra strong system. In the extra-strong system, the system impedance is very small, and thus the fault component voltage Δu sampled by the relay is close to zero when a fault occurs. If the measured voltage is mixed with noises, the above methods often cannot get accurate judgement, and even result in mal-operation.

[0043] In order to avoid the mal-operation in the extra strong system, the above approaches can be further improved, and the redefined transient energy SD indicating the fault  direction can be calculated as below: SD=∫Δuq·Δi·dt      (2)

[0044] Δuq is fault component voltage or voltage change at a position different from the point P, for example, this position may be preset to be located on the power transmission line and at a certain distance from the point P. Since Δuq are substantially in phase with Δu, Δu can be replaced with Δuq. If SD is above a preset reverse fault threshold, the reverse fault is detected, and if SD is below a preset forward fault threshold, the forward fault is detected. In the equation (2) , Δuq is advantageous much greater than zero even in the extra strong system, so that the redefined energy SD can improve the detection of the fault direction, thereby avoiding the wrong direction detection in the event that the fault occurs in the extra strong system.

[0045] It is seen from above that in the detection of the fault direction, the thresholds are preset to be fixed values for distinguishing forward fault and reverse fault. Unfortunately, the thresholds are difficult to set accurately, and influenced by many factors such as system parameter and noise influence. That is, the thresholds that can accurately identify the fault direction are not easy to set, and may change in different power systems or in the case that the system conditions are changes. As a result, if the threshold is not preset appropriately or changed for some factors, the detection of the fault direction may get wrong results and mal-operations.

[0046] Figure 3 illustrates a schematic diagram of a power system according to embodiments of the present disclosure, and figure 4 illustrates a schematic diagram of an equivalent circuit of the power system according to embodiments of the present disclosure. As an example, the power system as shown in figures 3 and 4 may be a three-phase and two-source power system, and may be a distributed grid or a transmission grid. Em and En refer to the power sources at two ends which are connected by the power line or transmission line of impedance. A point P indicates a first position of the power line, and uL and iL refer to voltage and current at the point P respectively. In an example, the point P is located at a bus of the power system at the side of the power source Em, or located at a start of the power line. For the purpose of convenience, the following description will be based on the assumption that the point P is located at the start of the power line close to the power source  Em. However, it is appreciated that the point P also can be located at any other suitable position of the power line or the power system in addition to the start of the power line. A point Q indicates a second position of the power line, such as a pre-set point on the power line, and a point M indicates an end of the power line, such as a bus of the power system at the side of the power source En.

[0047] In addition, the system parameters of the power system may comprise RSL, LSL, RSR, LSR, RL, LL, R and L. RSL and LSL are resistance and inductor of the power source Em at left side respectively, RSR and LSR are resistance and inductor of the power source En at right side respectively, RL and LL are resistance and inductor of the power line or transmission line respectively, and R and L are resistance and inductor of the line from the point P to the point Q respectively.

[0048] As shown in the figures 3 and 4, faults F1 and F2 may occur in the power system. The faults F1 and F2 may be phase to ground short circuit, phase to phase short circuit or any other type of the fault. Δu and Δi represent voltage change and current change at the point P respectively when the fault occurs, and are also referred to as the fault component voltage and current respectively. In an example, Δu and Δi can be measured or obtained by a relay or other measuring devices arranged at the point P, for example, a relay arranged at or near a bus between the power source and the power line.

[0049] Energy quantities of SPL, SPR, SL and Sq related to the power system can be defined by the following equation:

[0050] In the equation (3) , the energy quantity SPL is the energy on the resistance and inductor of the power source Em at the left side, the energy quantity SPR is the energy on the  resistance and inductor of the power source En at the right side, the energy quantity SL is the energy on the resistance and inductor of the power line, and the energy quantity Sq is the energy on the resistance and inductor of the power line from the point P to the point Q.

[0051] When a forward fault occurs, for example, when a fault occurs at F2, the voltage change or fault component voltage Δu at the point P can be obtained by the follow equation (4) , and the voltage change or fault component voltage Δuq at the point Q can be obtained by the follow equation (5) .

[0052] According to the equations (2) to (5) , the transient energy SD in the equation (2) can be transformed as the following:

[0053] From the above equation, it can be obtained that in the event of a forward fault, the transient energy SD contains both the energy on the impedance of power source Em and the energy on the line impedance from the point P to the point Q.

[0054] When a reverse fault occurs, for example, when a fault occurs at F1, the voltage change or fault component voltage Δu at the point P can be obtained by the follow equation (7) , and the voltage change or fault component voltage Δuq at the point Q can be obtained by the follow equation (8) .

[0055] According to the equations (2) , (3) , (7) and (8) , the transient energy SD can be expressed as the following:

[0056] From the above equation, it can be obtained that in the event of a reverse fault, the transient energy SD contains both the energy on the impedance of power source En and the energy on the line impedance from the point Q to the point M.

[0057] Regardless of the forward fault and the reverse fault, the transient energy SD contains the energy on the line impedance, e.g., -Sq and SL-Sq. In the case of the forward fault, the amplitude of the transient energy SD at least contains Sq, i.e., the energy on the line impedance from the point P to the point Q. In the case of the reverse fault, the amplitude of the transient energy SD at least contains SL-Sq, i.e., the energy on the line impedance from the point Q to the point M. For example, if the point Q is assumed to be at the middle point between the points P and M, Sq=SL-Sq=SL / 2, and the equations (6) and (9) can be further simplified to the equations (10) and (11) respectively. SD=-SPL-SL / 2        (10) SD=SL+SPR-Sq=SPR+SL / 2         (11)

[0058] That is, assuming the point Q is the middle of the power line, if the fault direction is forward, SD will be at least lower than -SL / 2, and if the fault direction is reverse, SD will be at least higher than SL / 2, even under the condition which the power system has the extra-strong power source. Furthermore, as discussed above, SL can be calculated or determined by the third one of the equations (3) . Thereby, the thresholds for identifying the direction can be accurately determined in real time according to the above principles.

[0059] However, it is appreciated that the point Q may be assumed to be located at other position, instead of the middle point between the points P and M. For example, the point Q  can be set at 1 / 3 of the position from the point P to the point M, and in this event, Sq in the equations (6) and (9) will be 1 / 3 of SL. Thus, if the fault direction is forward, SD will be at least lower than -SL×1 / 3, and if the fault direction is reverse, SD will be at least higher than SL×2 / 3.

[0060] On the basis of the above property discovered by the inventor, an improved solution for detecting the fault direction is proposed to further improve the accuracy of fault direction judgment by accurately determining the threshold in real time. Figure 5 illustrates a schematic diagram of a direction element 500 according to embodiments of the present disclosure. In an example, the direction element 500 may be a relay or a part of the relay arranged at the point P. The direction element 500 may be a time domain element, and can process the data or information to determine the fault direction relative to the point P, that is, whether the fault is a reverse fault or a forward fault with respect to the point P. In another example, the direction element may be a processing unit or circuit separate from the relay, and obtain measurement information from the relay or other measuring devices arranged at the point P. In addition, the direction element may be arranged at or near the point P, or arranged remotely with respect to the point P. That is, the directional element 500 may be any suitable unit or circuit and may be located at any suitable location, as long as it is capable of acquiring measurement information and detecting or identifying the direction of the fault relative to the point P. The directional element 500 comprises a plurality of modules and submodules which may be implemented in the form of software or firmware, or in the form of software or firmware and circuitry.

[0061] As shown in figure 5, the direction element 500 comprises an obtaining module 510. The obtaining module 510 obtains current change Δi at the point P of the power line in the power system and voltage change Δuq at the point Q of the power line. As an example, the obtaining module 510 or the direction element 500 can receive measurement information related to electric quantities of the power system from the any suitable measuring devices, thereby acquiring and determining the current change Δi and the voltage change Δuq.

[0062] In some embodiments, the obtaining module 510 comprises submodules 511 and 512. The submodule 511 can compute voltage uq at the point Q based on the measured voltage uL and the measured current iL at the point P. For example, the voltage uq, which is also called compensation voltage, can be obtained by the following equation:

[0063] R and L are the resistance and inductance of the power line from the point P to the point Q respectively. Then, the submodule 512 can determine the current change Δi from the measured current iL, and determine the voltage change Δuq from the computed voltage uq.

[0064] In an embodiment, the submodule 511 calculates a sequence of computed voltages at the point Q based on a sequence of sampled voltages at the point P and a sequence of sampled currents at the point P. As an example, by means of voltage and current measuring devices at the point P, the voltage and current at the point P may be sampled in a plurality of cycles before and after a fault occurs, and each cycle may have multiple sampling points. Thereby, the sequence of sampled voltages and the sequence of sampled currents at point P can be obtained, and on the basis of the sampled voltage values and current values of the point P, the voltage values of the point Q can be computed or estimated. Each of the voltage values of the point Q can be obtained by the following:

[0065] In the equation (13) , uk is the voltage of the point P at the kth sample time point, ik is the current of the point P at the kth sample time point, uq_k is the computed voltage of the point Q corresponding to the kth sample time point, and R and L are resistance and inductor of the power line from the point P to the point Q respectively. By processing the values of a series of sampling points, the sequence of computed voltages at the point Q can be obtained.

[0066] In an embodiment, the submodule 512 calculates a sequence of voltage change values as the voltage change Δuq based on the sequence of computed voltages, and calculates a sequence of current change values as the current change Δi based on the sequence of sampled currents. Each voltage change value corresponds to a difference of two computed voltages separated by the predetermined time interval, and each current change value corresponds to a difference of two sampled currents separated by a predetermined time interval. As an example, each voltage change value Δuq_k of the point Q and each current change value Δik of the point P can be obtained by the following equations respectively: Δuq_k=uq_k-uq_ (k-N)           (14) Δik=ik-ik-N           (15)

[0067] In the above equations (14) and (15) , k represents the kth sample time point, and N represents the number of the sample points per cycle. That is, in an example, the predetermined time interval may have the same time length as one cycle. By processing the values of a series of sampling points before and after a fault, the sequence of voltage change values of the point Q and the sequence of current change values of the point P can be obtained, so that the voltage change or fault component voltage at the point Q and the current change or fault component current at the point P are determined.

[0068] The direction element 500 comprises an energy determining module 520. The energy determining module 520 determines transient energy SD indicating a fault direction of the fault relative to the point P based on the obtained current change Δi and the obtained voltage change Δuq. As an example, the transient energy SD can be determined according the equation (2) . Compared with the equation (1) , the voltage change Δu at the point P is replaced with the voltage change Δuq at the point Q. The point Q is located on a side of the point P opposite to the power source Em, and there is a non-negligible line impedance between the points P and Q. The voltage at the point Q is also referred to as compensation voltage, which reflects the voltage at the point P. In the power system which has the extra-strong power source, when a fault occur, the voltage change Δuq at the point Q has substantially the same phase as the voltage change Δu at the point P, but a larger amplitude than the voltage change Δu. In this way, even under the condition which the power system has the extra-strong power source, the transient energy SD will be large enough to be able to identify the fault direction.

[0069] In an embodiment, the energy determining module 520 multiplies the current change values and the voltage change values within a certain time range respectively to obtain a product sequence, and calculates a sum of the sequence of products as the transient energy SD. As an example, in the event that the sequence of voltage change values of the point Q and the sequence of current change values of the point P are obtained according to the equations (14) and (15) , the transient energy SD can be calculated based on the voltage change value and current change value corresponding to sample time points within the certain time  range. In an example, the certain time range may be a time period having some sample time points before the fault occurs and some sample time points after the fault occurs. The transient energy SD can be obtained as below: SD=∑Δuq_kΔik         (16)

[0070] The direction element 500 comprises a threshold determining module 530. The threshold determining module 530 determines energy thresholds based on line parameters of the power line and the obtained current change Δi. As an example, the line parameters of the power line is known in advance, and can be stored in the local storage device. Based on the line parameters (e.g., the resistance and the inductance) and the current change Δi. The threshold determining module 530 can determine the energy quantity on the resistance and inductor of the power line, and then determine the thresholds based on the determined energy quantity on the impedance of the line.

[0071] In some embodiments, the threshold determining module 530 comprises submodules 531, 532 and 533. The submodule 531 calculates line energy SL on the power line based on the line parameters of the power line and the current change Δi, the line parameters comprising resistance RL and inductance LL of the power line from the point P to the end of the power line (i.e., the point M) . For example, the line energy SL can be calculated according to the third one of the equations (3) .

[0072] The submodule 532 of the threshold determining module 530 determines the forward fault threshold THF based on the calculated line energy SL and a first ratio of a distance between the point P and the point Q to a distance between the point P and the point M. For example, according to the equation (6) , the amplitude of the transient energy SD is at least higher than Sq if the forward fault occurs, and thereby the forward fault threshold THF can be determined based on Sq. Moreover, Sq represents the energy on the impedance on the line from the point P to the point Q. Generally, the impedance and energy on the power line is uniformly distributed, and thus Sq can be determined by a length ratio of the P-Q segment to the entire power line when the line energy SL for the total length of the power line is known. As a result, the determination of the forward fault threshold THF can be done by means of the line energy SL and the above first ratio.

[0073] The submodule 533 of the threshold determining module 530 determines the  reverse fault threshold THR based on the calculated line energy SL and a second ratio of a distance between the point Q and the point M to a distance between the point P and the point M. For example, according to the equation (9) , the amplitude of the transient energy SD is at least higher than SL-Sq if the reverse fault occurs, and thereby the reverse fault threshold THR can be determined based on SL-Sq. Moreover, SL-Sq represents the energy on the impedance on the line from the point Q to the point M. Generally, the impedance and energy on the power line is uniformly distributed, and thus SL-Sq can be determined by a length ratio of the Q-M segment to the entire power line when the line energy SL for the total length of the power line is known. As a result, the determination of the reverse fault threshold THR can be done by means of the line energy SL and the above second ratio.

[0074] In an embodiment, the forward fault threshold THF can be represented as a product of the line energy SL, the first ratio and a margin value KRel, and the reverse fault threshold THR can be represented as a product of the line energy SL, the second ratio and the margin value KRel, wherein the margin value KRel is less than one. In an example, the margin value KRel is in the range of 0.7～0.9. By mean of the margin value KRel, the amplitude of the real thresholds can be slightly lower than Sq or SL-Sq to ensure an adequate detection margin, which helps to improve the accuracy of the fault direction detection.

[0075] In an embodiment, the point Q may be located at a middle point between the point P and the point M. In this way, the calculation of the thresholds can be further simplified. Specifically, according to the equations (10) and (11) , no matter the fault direction is forward or reverse, the amplitude of SD is always larger than SL / 2 at least. Thereby, both of the forward fault threshold THF and the reverse fault thresholds THR can be determined by the calculation of SL / 2. For example, the forward fault threshold THF and the reverse fault thresholds THR can be obtained by the following equations respectively:

[0076] In the embodiments of the present disclosure, the direction element 500 comprises an identifying module 540. The identifying module 540 identifies the fault direction based on comparison of the determined transient energy SD and the determined energy thresholds. In an embodiment, in response to the determined transient energy SD above the reverse fault  threshold THR, the identifying module 540 identifies the fault as the reverse fault, and in response to the determined transient energy SD below the forward fault threshold THF, the identifying module 540 identifies the fault as the forward fault. In this way, the direction element 500 can compare the transient energy SD with the accurate thresholds obtained in real time, and thus the accuracy of the fault direction detection can be efficiently improved. As a result, the fault in the power system can be cleared more rapidly and accurately, thereby improving the stability and reliability of the power system.

[0077] Figure 6 illustrates a schematic diagram of a three-phrase power system according to embodiments of the present disclosure. The exemplary detection approach of the fault direction for the three-phase system will be discussed with reference to the figure 6 and the following description. In the figure 6, Ls is the phase inductance of the line between the points P and Q, Lm is the phase to phase mutual inductance of the line between the points P and Q, R is the phase resistance of the line between the points P and Q, and ua, ub and uc are phase voltages at the point P, wherein the line parameters such as the resistance and inductance are positive sequence parameters. According to the equation (13) , A, B and C phase compensation voltage at the point Q can be calculated as the following equations:

[0078] In the above equation, k represents the kth sample time point, and thus ua_k represents the A-phase sampled voltage of the point P at the kth sample time point, ia_k represents the A-phase sampled current of the point P at the kth sample time point, and uq_a_k represents the A-phase voltage of the point Q corresponding to the kth sample time point. Analogous meanings apply to the B and C phases.

[0079] The phase to phase voltage between phase A and phase B, uq_ab_k, can be calculated by following equation:

[0080] In the above equation, uab_k represents the item (ua_k-ub_k) , iab_k represents the item (ia_k-ib_k) , and L represents the item (Ls-Lm) . The phase to phase voltage between phase B and phase C uq_bc_k and the phase to phase voltage between phase C and phase A uq_ca_k can be calculated similarly. That is, the equations for calculating the three phase to phase voltages can be summarized as below:

[0081] Thereby, by means of the equation (19) , the direction element 500 can determine a sequence of phase voltage values for respective phase at the point Q, and by means of the equation (21) , the direction element 500 can determine a sequence of phase to phase voltage values for respective combination of two phases at the point Q.

[0082] After estimating the compensation voltage at the point Q, according the equations (14) and (15) , the voltage change Δuqa, Δuqb, Δuqc, Δuqab, Δuqbc and Δuqca and the current change Δia, Δib, Δic, Δiab, Δibc and Δica for the three phase loops and the three phase to phase loops can be determined. Thereby, according to the equation (2) or (16) , transient energy SDa for the phase A, transient energy SDb for the phase B, transient energy SDc for the phase C, transient energy SDab for the phase A and phase B, transient energy SDbc for the phase B and phase C and transient energy SDca for the phase C and phase A can be calculated as below:

[0083] Moreover, according to the third one of the equations (3) , the energy quantities SLa, SLb, SLc, SLab, SLbc and SLca for the three phase loops and the three phase to phase loops, which are the energy on the power line from the point P to the point M, can be calculated as below:

[0084] According to the above equation in combination of the equations (6) , (9) , (17) and (18) , the energy thresholds for the three phase loops and the three phase to phase loops can be obtained. For example, assuming that the point Q is located at a middle point between the point P and the point M, the forward fault threshold THFa and reverse fault threshold THRa for the phase A can be represented by the following:

[0085] If SDa<THFa, the direction element 500 determines that the fault in the phase A loop is in the forward direction, and if SDa> THRa, the direction element 500 determines that the fault in the phase A loop is in the reverse direction. The fault direction in the other phase loops and the phase to phase loops can be identified in the same way.

[0086] In some embodiments, the transient energy and the energy thresholds comprise a combination of transient energy values and the threshold values for the three phases loops and the three phase to phase loops. As an example, the transient energy of the power system can be determined as a sum of the transient energy for the three phase loops and the three phase to phase loops, and the energy thresholds can be determined as a sum of the energy thresholds for the three phase loops and the three phase to phase loops. Specifically, the transient energy SDΣ and the forward and reverse fault thresholds THFΣ and THRΣ of the power system can be represented as the following: SD∑=SDa+SDb+SDc+SDab+SDbc+SDca      (26)

[0087] If SDΣ< THFΣ, the direction element 500 determines that the fault in the power system is in the forward direction, and if SDΣ>THRΣ, the direction element 500 determines that the fault in the power system is in the reverse direction. In this way, instead of performing multiple comparisons for the six loops, only one comparison is required to determine the fault direction in the power system, thereby allowing the direction detection to be done more quickly.

[0088] In some embodiments, the transient energy and the energy thresholds comprise a transient energy value and threshold values for zero sequence component. Specifically, the direction element 500 can be used as the zero sequence directional element. Under the condition where zero sequence voltage is too small, traditional zero sequence directional element cannot work. Similar to the discussion for the above equations (19) to (28) , which illustrate the fault direction detection for the positive sequence component, the fault direction can be determined and identified based on zero sequence component by the following  equations: S0=∫uq0×i0×dt           (29)

[0089] In the above equations, uq0 and i0 are zero sequence voltage of the point Q and zero sequence current respectively, R0 and L0 are zero sequence resistance and inductance of the power line from the point P to the point M respectively, S0 is transient energy value for the zero sequence component, and SL0 is energy quantity on the line impedance for the zero sequence component. As an example, assuming that the point Q is located at a middle point between the point P and the point M, if S0<-KRel×SL0 / 2, the forward fault will be determined, and if S0>KRel×SL0 / 2, the reverse fault will be determined.

[0090] In some embodiments, the transient energy and the energy thresholds comprise a transient energy value and threshold values for negative sequence component. Specifically, the direction element 500 can be used as the negative sequence directional element. Similar to the discussion for the above equations (19) to (28) , the fault direction can be determined and identified based on negative sequence component by the following equations: SN=∫uqN×iNdt           (31)

[0091] In the above equations, uqN and iN are negative sequence voltage of the point Q and negative sequence current respectively, RN and LN are negative sequence resistance and inductance of the power line from the point P to the point M respectively, SN is transient energy value for the negative sequence component, and SLN is energy quantity on the line impedance for the negative sequence component. As an example, assuming that the point Q is located at a middle point between the point P and the point M, if SN<-KRel×SLN / 2, the forward fault will be determined, and if SN>KRel×SLN / 2, the reverse fault will be determined.

[0092] Figure 7 illustrates a schematic diagram of an exemplary characteristic of the fault  direction detection according to embodiments of the present disclosure. As an example, the thresholds THF and THR in figure 7 are determined according to the equations (17) and (18) , wherein the point Q is assumed to be located at a middle point between the point P and the point M. As seen from the figure, there is a large margin or gap between the forward fault threshold THF and the reverse fault threshold THR. If the margin or gap between the forward and reverse thresholds is small, in some situations (for example, the transient energy SD of a fault is near the thresholds) , a forward fault may be incorrectly identified as a reverse fault or a reverse fault may be identified as a forward fault due to measurement or calculation error or other factors. Therefore, a sufficiently large margin or gap can effectively avoid such mistake. Moreover, the thresholds can be determined or calculated at real time, and the thresholds for different systems are different, and thereby the detection of the fault direction actually can be performed in a self-adaptive way for different systems. The setting of the thresholds becomes more convenient and flexible, and can ensure both of the sensitivity and reliability.

[0093] Figure 8 illustrates a simulation result when a forward fault F2 occurs in the power system according to the embodiments of the present disclosure, and figure 9 illustrates a simulation result when a reverse fault F1 occurs in the power system according to the embodiments of the present disclosure. A simulation model is built according to the power system of figure 3. In the built model, the system voltage level is 245kV, the length of the power line is 100 km, the point P is set at the start of the line, and point Q is set at the midpoint of the line. The position that the reverse fault F1 occurs is located at the power source Em, and the position that the fault F2 occurs is located at the end of the power line. In the figures 8 and 9, the item “Threshold” is defined as KRel×SL / 2, and the item “SD” can be determined by the equations (2) , (16) , (22) , (26) , (29) or (31) . As seen in the figure 8, for the forward fault, “SD” is with negative value, which is less than the threshold, thereby determining the forward fault. As seen in the figure 9, for the reverse fault, “SD” is with positive value, which is larger than the threshold, thereby determining the reverse fault. It can be seen that the fault direction can be determined by the first fault data, and thus the fault identification has super-fast speed. That is, the embodiments of the present disclosure enable the protection device of the power system to trip with a super-fast speed.

[0094] Figure 10 illustrates a flowchart of a method 1000 for detecting a fault in a power system according to embodiments of the present disclosure. The method can be performed by a processing unit of an electronic device such as the direction element 500 which may be  a relay or may be a part of or independent of a relay. In addition, in the case that the electronic device such as the direction element 500 is a relay or a part of the relay, the processing unit for performing the method may be an integral part of the existing processor arranged in the relay, and alternatively, the processing unit for performing the method may also be another processor independent of the existing processor of the relay. In some other alternative embodiments, the processor for performing the method may also be a processor of a device such as a computer or computing device which is located outside the relay and not dedicated to the detection of fault and its direction. Actually, any suitable processor that can perform the method below may be used.

[0095] As shown in figure 10, at block 1001, the current change at a first position (e.g., the point P) of the power line in the power system and the voltage change at a second position (e.g., the point Q) of the power line are obtained, the second position being located on a side of the first position opposite to a power source (e.g., Em) .

[0096] At block 1002, transient energy (e.g., SD) indicating a fault direction of the fault relative to the first position is determined based on the obtained current change and the obtained voltage change. In some embodiments, the transient energy and the energy thresholds comprises at least one of: a transient energy value and threshold values for a first phase, a transient energy value and threshold values for a second phase, a transient energy value and threshold values for a third phase, a transient energy value and threshold values for a phase to phase combination of the first phase and the second phase, a transient energy value and threshold values for a phase to phase combination of the second phase and the third phase, a transient energy value and threshold values for a phase to phase combination of the third phase and the first phase. In some embodiments, the transient energy and the energy thresholds comprises a combination of: a transient energy value and threshold values for a first phase, a transient energy value and threshold values for a second phase, a transient energy value and threshold values for a third phase, a transient energy value and threshold values for a phase to phase combination of the first phase and the second phase, a transient energy value and threshold values for a phase to phase combination of the second phase and the third phase, a transient energy value and threshold values for a phase to phase combination of the third phase and the first phase. In some embodiments, the transient energy and the energy thresholds comprise a transient energy value and threshold values for zero sequence component. In some embodiments, the transient energy and the energy thresholds comprise a transient energy value and threshold values for negative sequence  component.

[0097] At block 1003, energy thresholds are determined based on line parameters of the power line and the obtained current change.

[0098] At block 1004, the fault direction is identified based on comparison of the determined transient energy and the determined energy thresholds.

[0099] Figure 11 illustrates a flowchart of a process 1100 for obtaining the current change at a first position and the voltage change at a second position according to embodiments of the present disclosure. The process 1100 can be implemented at the block 1001.

[0100] As shown in figure 11, at block 1101, voltage at the second position is computed based on measured voltage and measured current at the first position. In an embodiment, a sequence of computed voltages at the second position are calculated based on a sequence of sampled voltages at the first position and a sequence of sampled currents at the first position.

[0101] At block 1102, the current change at the first position is determined from the measured current, and the voltage change at the second position is determined from the computed voltage. In an embodiment, based on the sequence of sampled currents, a sequence of current change values are calculated as the current change, each current change value corresponding to a difference of two sampled currents separated by a predetermined time interval. In an embodiment, based on the sequence of computed voltages, a sequence of voltage change values are calculated as the voltage change, each voltage change value corresponding to a difference of two computed voltages separated by the predetermined time interval.

[0102] In some embodiments, the current change values and the voltage change values within a certain time range are multiplied respectively to obtain a product sequence, and a sum of the sequence of products is calculated as the transient energy.

[0103] Figure 12 illustrates a flowchart of a process 1200 for determining the energy thresholds according to embodiments of the present disclosure. The process 1200 can be implemented at the block 1003.

[0104] As shown in figure 12, at block 1201, line energy (e.g., SL) on the power line is calculated based on the line parameters of the power line and the current change, the line parameters comprising resistance and inductance of the power line from the first position  through the second position to an end of the power line (e.g., the point M) . In an embodiment, the second position is located at a middle point between the first position and the end of the power line.

[0105] At block 1202, the forward fault threshold (e.g., THF) is determined based on the calculated line energy and a first ratio of a distance between the first position and the second position to a distance between the first position and the end of the power line. In an embodiment, the forward fault threshold is represented by a product of the calculated line energy, the first ratio and a margin value less than one.

[0106] At block 1203, the reverse fault threshold (e.g., THR) is determined based on the calculated line energy and a second ratio of a distance between the second position and the end of the power line to the distance between the first position and the end of the power line. In an embodiment, the reverse fault threshold is represented by a product of the calculated line energy, the second ratio and the margin value.

[0107] In some embodiments, a reverse fault is identified in response to the determined transient energy above the reverse fault threshold, and a forward fault is identified in response to the determined transient energy below the forward fault threshold.

[0108] According to another aspect of the present disclosure, a computer readable storage medium (or media) having computer readable program instructions thereon for performing aspects of the present disclosure is provided.

[0109] The computer readable storage medium can be a tangible device that can retain and store instructions for use by an instruction execution device. The computer readable storage medium may be, for example, but is not limited to, an electronic storage device, a magnetic storage device, an optical storage device, an electromagnetic storage device, a semiconductor storage device, or any suitable combination of the foregoing. A non-exhaustive list of more specific examples of the computer readable storage medium includes the following: a portable computer diskette, a hard disk, a random access memory (RAM) , a read-only memory (ROM) , an erasable programmable read-only memory (EPROM or Flash memory) , a static random access memory (SRAM) , a portable compact disc read-only memory (CD-ROM) , a digital versatile disk (DVD) , a memory stick, a floppy disk, a mechanically encoded device such as punch-cards or raised structures in a groove having instructions recorded thereon, and any suitable combination of the foregoing. A computer readable storage medium, as used herein, is not to be construed as being transitory signals  per se, such as radio waves or other freely propagating electromagnetic waves, electromagnetic waves propagating through a waveguide or other transmission media (e.g., light pulses passing through a fiber-optic cable) , or electrical signals transmitted through a wire.

[0110] Computer readable program instructions described herein can be downloaded to respective computing / processing devices from a computer readable storage medium or to an external computer or external storage device via a network, for example, the Internet, a local area network, a wide area network and / or a wireless network. The network may comprise copper transmission cables, optical transmission fibers, wireless transmission, routers, firewalls, switches, gateway computers and / or edge servers. A network adapter card or network interface in each computing / processing device receives computer readable program instructions from the network and forwards the computer readable program instructions for storage in a computer readable storage medium within the respective computing / processing device.

[0111] Computer readable program instructions for carrying out operations of the present disclosure may be assembler instructions, instruction-set-architecture (ISA) instructions, machine instructions, machine dependent instructions, microcode, firmware instructions, state-setting data, or either source code or object code written in any combination of one or more programming languages, including an object oriented programming language such as Smalltalk, C++ or the like, and conventional procedural programming languages, such as the “C” programming language or similar programming languages. The computer readable program instructions may execute entirely on the user’s computer, partly on the user’s computer, as a stand-alone software package, partly on the user’s computer and partly on a remote computer or entirely on the remote computer or server. In the scenario involving the remote computer, the remote computer may be connected to the user’s computer through any type of network, including a local area network (LAN) or a wide area network (WAN) , or the connection may be made to an external computer (for example, through the Internet using an Internet Service Provider) . In some embodiments, the electronic circuitry can be customized by utilizing state information of the computer readable program instructions, for example, programmable logic circuitry, field-programmable gate arrays (FPGA) , or programmable logic arrays (PLA) . The electronic circuitry may execute the computer readable program instructions, in order to perform aspects of the present disclosure.

[0112] Aspects of the present disclosure are described herein with reference to flowchart illustrations and / or block diagrams of methods, device (systems) , and computer program products according to embodiments of the disclosure. It will be understood that each block of the flowchart illustrations and / or block diagrams, and combinations of blocks in the flowchart illustrations and / or block diagrams, can be implemented by computer readable program instructions.

[0113] These computer readable program instructions may be provided to a processor of a general purpose computer, special purpose computer, or other programmable data processing apparatus to produce a machine, such that the instructions, which execute via the processor of the computer or other programmable data processing apparatus, create means for implementing the functions / acts specified in the flowchart and / or block diagram block or blocks. These computer readable program instructions may also be stored in a computer readable storage medium that can enable a computer, a programmable data processing apparatus, and / or other devices to function in a particular manner, such that the computer readable storage medium having instructions stored therein comprises an article of manufacture, which includes instructions implementing aspects of the function / act specified in block or blocks of the flowchart and / or block diagram.

[0114] The computer readable program instructions may also be loaded onto a computer, other programmable data processing apparatuses, or other device to cause a series of operational steps to be performed on the computer, other programmable data processing apparatuses or other devices to produce a computer implemented process, such that the instructions which execute on the computer, other programmable data processing apparatuses, or other devices implement the functions / acts specified in block or blocks of the flowchart and / or block diagram.

[0115] It should be appreciated that the above detailed embodiments of the present disclosure are only to exemplify or explain principles of the present disclosure and not to limit the present disclosure. Therefore, any modifications, equivalent alternatives and improvement, etc. without departing from the spirit and scope of the present disclosure shall be comprised in the scope of protection of the present disclosure. Meanwhile, appended claims of the present disclosure aim to cover all the variations and modifications falling under the scope and boundary of the claims or equivalents of the scope and boundary.

Claims

A method for detecting a fault in a power system, comprising:obtaining current change at a first position of a power line in the power system and voltage change at a second position of the power line, the second position being located on a side of the first position opposite to a power source;determining, based on the obtained current change and the obtained voltage change, transient energy indicating a fault direction of the fault relative to the first position;determining energy thresholds based on line parameters of the power line and the obtained current change; andidentifying the fault direction based on comparison of the determined transient energy and the determined energy thresholds.The method of claim 1, wherein obtaining current change at a first position of a power line in the power system and voltage change at a second position of the power line comprises:computing, based on measured voltage and measured current at the first position, voltage at the second position; anddetermining the current change from the measured current and the voltage change from the computed voltage.The method of claim 1, wherein the energy thresholds comprise a forward fault threshold and a reverse fault threshold, and wherein determining energy thresholds based on line parameters of the power line and the obtained current change comprises:calculating, based on the line parameters of the power line and the current change, line energy on the power line, the line parameters comprising resistance and inductance of the power line from the first position through the second position to an end of the power line;determining the forward fault threshold based on the calculated line energy and a first ratio of a distance between the first position and the second position to a distance between the first position and the end of the power line; anddetermining the reverse fault threshold based on the calculated line energy and a second ratio of a distance between the second position and the end of the power line to the distance between the first position and the end of the power line.The method of claim 3, wherein the forward fault threshold is represented by a product of the calculated line energy, the first ratio and a margin value less than one, andthe reverse fault threshold is represented by a product of the calculated line energy, the second ratio and the margin value.The method of claim 3, wherein the second position is located at a middle point between the first position and the end of the power line.The method of claim 3, wherein identifying the fault direction based on comparison of the determined transient energy and the determined energy thresholds comprises:in response to the determined transient energy above the reverse fault threshold, identifying a reverse fault; andin response to the determined transient energy below the forward fault threshold, identifying a forward fault.The method of claim 2, wherein computing, based on measured voltage and measured current at the first position, voltage at the second position comprises:calculating, based on a sequence of sampled voltages at the first position and a sequence of sampled currents at the first position, a sequence of computed voltages at the second position, andwherein determining the current change from the measured current and the voltage change from the computed voltage comprises:calculating, based on the sequence of sampled currents, a sequence of current change values as the current change, each current change value corresponding to a difference of two sampled currents separated by a predetermined time interval; andcalculating, based on the sequence of computed voltages, a sequence of voltage change values as the voltage change, each voltage change value corresponding to a difference of two computed voltages separated by the predetermined time interval.The method of claim 7, wherein determining, based on the obtained current change and the obtained voltage change, transient energy indicating a fault direction of the fault relative to the first position comprises:multiplying the current change values and the voltage change values within a certain time range respectively to obtain a product sequence; andcalculating a sum of the sequence of products as the transient energy.The method of claim 1, wherein the transient energy and the energy thresholds comprises at least one or a combination of:a transient energy value and threshold values for a first phase,a transient energy value and threshold values for a second phase,a transient energy value and threshold values for a third phase,a transient energy value and threshold values for a phase to phase combination of the first phase and the second phase,a transient energy value and threshold values for a phase to phase combination of the second phase and the third phase, anda transient energy value and threshold values for a phase to phase combination of the third phase and the first phase.The method of claim 1, wherein the transient energy and the energy thresholds comprise a transient energy value and threshold values for zero sequence component.The method of claim 1, wherein the transient energy and the energy thresholds comprise a transient energy value and threshold values for negative sequence component.An electronic device, comprising:at least one processing unit; andat least one memory coupled to the at least one processing unit and storing instructions executable by the at least one processing unit, the instructions, when executed by the at least one processing unit, causing the device to perform the method according to any one of claims 1-11.The electronic device of claim 12, wherein the electronic device comprises a relay used in a power system.A computer readable storage medium having computer readable program instructions stored thereon which, when executed by a processing unit, cause the processing unit to perform the method according to any of claims 1-11.

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