CN100392410C - 供电功率系统使用的有同步的相量测量能力的保护继电器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于电功率系统的保护继电器，用来对全系统进行控制和分析以及保护，该继电器系统从电力线得到电压和电流值，使用第一采样元件在选择的时间间隔对电压和电流值采样，其中的第一计算系统使用所得到的采样进行选择的功率全系统的控制和分析确定，频率估计电路用于确定估计的功率系统频率，第二采样电路用来以与功率系统频率有关的速率对采样电压和/或电流值重新采样；并且第二计算系统使用重新采样的电压和电流值对与保护继电器相关的电力线部分执行选择的保护功能。

Description

供电功率系统使用的有同步的相量测量能力的保护继电器
技术领域
本发明总体涉及电功率系统的监控和保护，更具体地，涉及功率系统继电器设备，能够监控全系统(system-wide)性能，如利用电压和电流示波法以及谐波分析和电压/电流同步的相量测量，同时还能够提供保护功能，如用于故障确定的线路距离保护。
背景技术
迄今为止，全系统功率监控功能，包括系统控制以及干扰分析和谐波频率分析，例如需要对来自参照时间，或者是当地时钟或者是如来自一个全球定位系统的绝对时间基准的电力线的数据采样。例如，数字故障记录器需要在固定的时间间隔来自电力线的数据(电流和电压值)，进行电压和电流示波法和谐波分析。典型的采样率是每秒1000(lk)采样或更快，如上所述，采样对于内部时钟或一个外部时间源是同步的。
另一方面，许多功率系统保护功能，如线路距离保护算法，需要在功率系统工作频率(典型的为60Hz)的倍数采样，以避免相量测量误差。保护算法使用的相量是从电压和电流值发展的，但在系统频率与标称不同时能包含显著的误差。保护继电器确定功率系统的工作频率，并且利用该频率信息产生是一个工作频率选择倍数的采样频率。该方法把相量计算中可能的误差降到最小；然而，所得到的相量测量没有参照绝对时间，所以使得不能对整个功率系统进行同步的相量测量的应用。
作为对上述系统的一个可选方案，功率系统工作频率，在得到时，能被用来更改用来过滤采样输入数据的数字带通滤波器的系数。这样的系统提供适用于某些保护功能的信息，而且由于原始输入数据通过基于时间的钟(内部的或外部的)被采样来提供示波法和谐波分析的能力，因此没有一个通用，即绝对的时间基准用于位于该功率系统中不同点的多个保护继电器和其它保护装置。因此，这样的系统不适合用于需要同步的相量测量的那些保护应用。
因此希望有一种单个的、综合的系统，能够产生同步的相量值，包括能用于全系统控制和干扰分析的值，以及能够在单个的功率系统继电器装置中产生线路保护功能。
发明内容
因此，本发明是一种用于电功率系统的保护继电器，用于对全系统进行控制和分析以及保护，它包括：采集电路，用于得到以下中的至少一个：来自电力线的(1)电压值和(2)电流值；第一采样电路，用于在选择的时间间隔对所说的电压和/或电流值采样；第一计算系统，使用所得到的采样值进行选择的功率全系统的控制和分析确定；一个频率估计电路，用于确定估计的功率系统的频率；第二采样电路，用来以与功率系统频率有关的速率对采样电压和/或电流值重新采样；和第二计算系统，使用重新采样的电压和电流值对与保护继电器相关的电力线部分执行选择的保护功能。
本发明还可以是用于电功率系统的保护继电器，使用同步的相量测量进行全系统的控制和分析以及电力线保护，它包括：电压和电流采集电路，用于从电力线得到电压和电流值；采样电路，用于在选择的时间间隔对电压和/或电流值采样，其中采样是基于一个绝对时间基准；第一计算系统，使用采样信号，执行选择的功率全系统的保护，控制和分析确定，并且从获得的电压和电流值产生同步的电压和电流相量值，同步的电压和电流值对于保护和控制功能基本上与系统频率无关；和第二计算系统，响应来自保护继电器和相同电力线上来自远离保护继电器的另一个继电器的同步的相量值来执行保护和控制功能。
附图说明
图1是一个框图，示出现有技术的基于时间的采样设备，用于电功率系统记录器，如数字故障记录器。
图1A的图与图1中的类似，使用全球定位接收机来提供一个绝对时间基准。
图2是现有技术系统的框图，使用在功率系统工作频率的倍数进行的采样用于电功率系统继电器。
图3是本发明系统的框图。
图4是图3系统的一个可选系统。
图5-7的图示出在一个继电器装置，和包括主机和/或另一个继电器装置的其它单元之间不同的通讯方案，涉及请求和非请求信息。
具体实施方式
如上所述，某些功率系统监控装置，如数字故障记录器，需要在固定时间间隔来自电力线的模拟电压和电流值，从而在整个功率系统上进行电压和电流示波法分析以及谐波分析。这样的系统是由图1中的10所示，有电压源VA用12表示。典型地，模拟数据包括来自电力线的所有三个电压相位和所有三个电流相位。
模拟信号VA(在适当的量值水平，由变压器提供)被引到一个低通滤波器14，然后到一个A-D转换器16。这是常规的情况。图1中的本地时钟源18工作在特定的选择采样间隔(框20)，以选择的速率，例如每秒8000采样，对A-D转换器16采样。所得到的时间采样的信号被送到一个常规的处理系统24用来进行示波法和谐波分析。由于时间采样的数据保持有功率系统的频率信息，所以能在功率系统干扰过程中分析功率系统频移。
图1A的系统，在与时间同步系统通信中使用一个绝对时间基准，而不是本地时钟，如来自一个GPS(全球定位系统)基准26，通过处理器25提供同步的相量值(除示波法和谐波分析之外)。对这些同步的相量测量或值，也称作同步相量(synchrophasor)测量的使用，将在以下将详细讨论。
在恒定的时间间隔对输入数据采样典型地没有用于保护功能，如线路距离保护，因为它能把误差引入保护功能。并且，如上文所简述的，传统的线路距离保护需要在功率系统工作频率的一些倍数采样。参考图2，来自电力线30的数据，如来自变压器的相位A电压(VA)，被施加于低通滤波器32。系统频率估计电路34从低通滤波器的输出得到系统频率，发展一个功率系统工作频率(fsys)。该频率信息在36与因数K相乘，得到系统采样频率fs，它被施加到A/D转换器37。许多类型的频率估计电路可在本系统中使用。在以下参考文章中公开了一个实施例：Phadke等的“A New Measurement Technique for TrackingVoltage Phasors，Local System Frequency and Rate of Change ofFrequency(用于跟踪电压相量，本地系统频率和频率变化速率的新测量技术)”，IEEE Transactions on Power Apparatus and System，1983年5月，Vol.PAS-102 No.5。来自A-D转换器37的采样数据通过数字带通滤波器38。数字带通滤波器的输出被施加于常规的保护处理器电路41。
图2系统的缺点是相量测量没有同步的相量测量应用所必需的绝对时间基准。因此，该系统没有对于全系统的监控、计量、保护和控制功能所必需的时间同步。
图3示出本发明的系统，它产生同步的相量值(测量)，与系统频率无关，并且因此能用于某些全系统保护功能。全系统的保护，监控，计量和控制功能，包括图1和图1A的示波法和谐波分析，能由使用同步相量用于基于时间的应用的基于时间的采样来完成。另外，输入信号在功率系统工作频率的倍数被重新采样，从而提供典型范围的保护功能，如线路距离保护和故障确定。
图3包括一个本地保护设备或装置42，也称为智能电装置，如保护继电器，和包括一个远程设备44。远程设备与本地设备相同，二者在通信信道46上互相连通。以下说明涉及本地装置的结构和操作；相同的说明可适用于远程设备44。
更详细地，数据取自电力线，典型地是三相电流(IA、IB、IC)和三相电压(VA、VB、VC)。为简化说明之目的，图3中仅示出VA。元件50包括常规的变压器装置(变压器/变流器)，把电流和/或电压值降到适于在基于微处理器的保护继电器42中使用的水平。元件50的典型的电压输出在正常工作条件下约为1.34伏特。
元件50的输出施加于低通滤波器52，它的输出施加于A-D转换器54。取得的数据被以固定时间间隔采样。采样信号参照外部时钟信号，如来自GPS接收机56，是一个绝对时间基准。GPS接收机56的输出施加于一个时间同步元件58。为了产生同步的相量测量，需要这样的一个绝对时间基准。所得到的来自A-D转换器的采样输出被施加于一个计算在数据采集硬件中可能发生的任何数据采集误差从而使数据在装置42和44之间被调整的校准电路62。校准电路62的输出，典型地以较高的采样速率，如每秒8000的采样被提供，施加于一个处理电路64，用于常规的示波法和谐波分析的应用。
然而，另外，同步的相量值是从电力线输入电压和电流值来确定。电路64的同步的相量输出与系统频率无关，并且能在由本地设备42进行的某些保护功能中使用。
确定同步相量值本身是已知的，如在名为“Measurement of VoltagePhase for the French Future Defense Team Plan Against Loss ofSynchronism(用于对抗失去同步的法国未来国防小组计划的电压相位的测量)”的，在IEEE TRANSACTIONS ON POWER DELIVERY，1992年1月，Vol.7 No.1的论文中所公开的。处理电路64中的算法使用输入值VA、VB、VC和IA、IB、IC，以每秒8000采样，有一个绝对时间基准。处理器64抽选(decimate)，即减少样本数目，除以8，以每秒1000(lk)采样产生电压和电流信号。接下来，每个输入信号与基准信号cos(2πt+β)和sin(2πt+β)相乘，其中时间t是绝对时间基准，β是用于所用的特定硬件的校准调节。在下一步，相乘的信号由一个低通滤波器解调，从而得到VA、VB、VC和IA、IB、IC相量的实和虚部。继电器每50毫秒计算这些特定的相量。
接下来，处理器使用来自上述步骤中VA相量计算的角度信息和来自过滤的量VFA(过滤的基本的A-pphase电压量)的量值计算，产生A-相位电压同步相量(VAsync)。继电器对其它相量进行类似计算。每个所得到的同步相量与特定的时间标记相关，称为时间同步。该时间标记参照绝对时间。
然后，正序列的量(例如Vlsync)由三相电流和电压同步相量计算如下：
Vlsync＝(1/3)(VAsync+aVBsync+a2VCsync)
Ilsync＝(1/3)(IAsync+aIBsync+a2ICsync)
其中，在角度120度时a＝1。用于保护计算的一个可选的正序列电压，称为Alpha Clarke组件，如下所述：
Valphasync＝(2/3)(VAsync-VBsync/2-VCsync/2)；和
Ialphasync＝(2/3)(IAsync-IBsync/2-ICsync/2)
使用同步的相量测量，如同步的正序列相量值的保护功能包括电流差动保护，其中来自本地装置，如装置42的电流值与来自远程装置，如装置44的电流值一起使用，来提供保护功能。对于同步相量的绝对时间基准提供了执行这些保护功能和进行故障确定的能力。尽管同步的相量测量本身是已知的，如上述参考文献所述，但对于线路距离保护在保护继电器中应用同步的相量却是迄今为止所不知道的。因此，全系统的分析能力以及一些保护功可离开处理电路64单独有效。
再参考图3，校准电路62的输出也施加于数字低通滤波器68，它的输出施加于一个抽选，即分割样本数目的“减少(down)”采样装置70，如从每秒8000采样减到每秒1000采样。减少采样数据在传输线路71在通信信道46上以适于通信信道带宽的速率被施加到远程装置44。减少采样数据输出还施加于一个常规的频率估计器72，如上所述，它能是任何已知的装置。频率估计器72提供关于电力线信号实际频率的估计。
频率估计器电路72的输出施加于双位置开关74的一个输入73。另一个输入75是来自远程装置的传输数据，在接收线路76上来自通信信道46。因此，到开关74的输入是本地和远程功率信号频率信息。开关74的输出作为采样信号fsys施加于一个重新采样电路78。到重新采样器78有两个数据输入，一个在线路79来自本地装置42的数字低通滤波器68的输出(本地信号)，另一个在线路81通过远程信道82来自远程装置(远程信号)。
这两个输入信号，在所示的实施例中，都以是工作系统频率的选择的倍数的频率来重新采样，如32·fsys。可以使用其它倍数。本地和远程重新采样数据分别显现在输出线路80和83上。然后这些信号通过数字带通滤波器84和86来施加。开关88控制本地或远程频率采样数据对一个常规的保护、计量和可编程逻辑电路90的应用。二者之间的选择取决于与特定保护功能有关的可编程逻辑的需要。
本地重新采样数据还在94处理，来产生一个RMS(均方根)值。该RMS数据用于继电器的计量和保护应用。电路90的输出在通信信道46上施加给远程装置，同时来自远程装置的类似信息施加于保护电路90，来执行保护功能并且产生故障指示，以及在适当时为继电器所覆盖的该部分的功率系统松开断路器。
单个装置中的图3系统提供示波法和谐波分析的能力，由于基于时间的采样以及使用基于系统频率倍数采样的保护和计量功能。因此，装置具有综合的保护，监控，计量和控制能力。绝对时间基准，如GPS接收机的使用使得能够产生在保护功能中使用的同步的相量(同步相量)值。保护能力包括与远程装置的连通和协调。
图4示出图3的一个变化，其中来自电力线的输入电压和电流数据的采样是基于来自源99的一个本地时钟信号，提供一个采样频率fs给A-D转换器101，同时重新采样电路100使用来自GPS接收机102的一个绝对时间基准来提供同步的相量值。系统频率也由电路104估计，并且施加于重新采样器100。绝对时间基准和系统工作频率，根据应用，以特定频率对来自A-D转换器101的数据重新采样。一个频率能被用于进行保护，另一个频率能被用于同步相量测量。
来自图3装置42的同步的相量测量数据能以两种不同的方式报告，在特定时间间隔的非请求的二进制信息和在特定时间的请求的ASCII码信息。图5示出一个实施例，其中两个装置(智能电装置，如保护继电器)112和114在常规的通信信道118和120上与主机连通，使用常规的CRC(周期性冗余位数校验)检错方法。
非请求的二进制信息，从IED到主机116，典型地包含以下数据：由主机使用来确定数据源的IED地址；数据的样本数目；有绝对时间基准的数据采集时间戳记；功率系统的估计频率；相位和来自电力线的正序列电压和电流；校正时间同步的指示；确认数据包准备好；后面是通用位；和最后，检错码。根据每个数据包中的时间戳记和样本数目，主机116解析来自网络中与其连通的几个不同装置的接收数据。
对于请求信息，装置响应来自主机116与相量测量有关的命令，通过报告特定的时间功率系统中计数器数据(三相电流和电压的大小与角度)的同步的相量测量。这方案用来在特定的时间穿过整体功率系统拍同步相量的“快照”，当放在一起时，示出在系统中的所有点在一个特定的时间点的功率系统的情况。采样报告由图6示出。
对于继电器到继电器的非请求的二进制信息(图7)，使用非请求二进制信息的一个本地继电器130能把一个远程继电器132用作一个基准，有通信信道134。被传输的数据包类似于图6所示的非请求信息。数据包包含一个或多个电压和/或电流值。通常，正序列电压被传输。本地装置(继电器)130使用时间戳记信息来调整本地与远程数据包。例如，本地角度信息ANGLOCAL能以远程角度ANGREMOTE调整，从而得到线路两端之间的角度差。然后，该角度差能由继电器逻辑使用，对于固定或可编程逻辑，来执行控制或保护功能。
对于那些信息，如上述的非请求二进制信息，把从同步的相量测量确定的正序列电压值用作基准，能使用一个称为Alpha Clarke电压的可选方案。Alpha Clarke电压是一个比正序列电压更好的基准选择，因为它更容易计算，并且因此降低了继电器处理的负担。Alpha Clarke组件的计算如上所述。
因此，已对一个系统进行了说明，它能够产生电功率系统的控制和分析信息，以及对系统的保护功能。在一个方案中，绝对时间基准被用来产生电压和/或电流的同步的相量测量用于电流或电压差动分析，而在另一个方案中，频率与频率估计技术和重新采样结合，提供能被用于其它类型的保护，如线路距离保护的信息。
尽管，为了说明之目的已公开了本发明的一个优选实施例，但应能理解的是，在不偏离本发明实质精神和范围的情况下，可对本发明进行各种改变、更改和替代。

Claims (16)

1.一种用于电功率系统的保护继电器，用来对全系统进行控制和分析以及保护，包括：
采集电路，用来得到以下的至少一个：来自电力线的电压值和电流值；
第一采样电路，用于在选择的时间间隔对电压和/或电流值采样；
第一计算系统，使用所得到的采样进行选择的功率全系统的控制和分析确定；
一个频率估计电路，用于确定估计的功率系统频率；
第二采样电路，用来以与所述功率系统频率有关的速率对采样电压和/或电流值重新采样；和
第二计算系统，使用重新采样的电压和电流值对与所述保护继电器相关的电力线部分执行选择的保护功能。
2.如权利要求1所述的设备，其中一个选择的保护功能是线路距离保护。
3.如权利要求1所述的设备，其中所述第一采样电路有一个绝对时间基准。
4.如权利要求3所述的设备，其中所述绝对时间基准由全球定位系统提供。
5.如权利要求1所述的设备，包括一个校准电路，用于更改所得到的采样信号，计算数据采集中的误差。
6.如权利要求1所述的设备，包括一个减少采样电路，用于减少所述第一采样电路提供的样本数目。
7.如权利要求1所述的设备，其中所述第二采样电路对来自所述保护继电器的数据做出响应，还对相同电力线上来自远离所述保护继电器的另一个继电器的数据做出响应以产生重新采样信号。
8.如权利要求7所述的设备，其中所述估计的功率系统频率选自所述保护继电器或另一继电器。
9.如权利要求7所述的设备，其中来自所述保护继电器和所述另一继电器的所述重新采样信号施加于具有不依赖于所述功率系统工作频率的固定系数的带通滤波器。
10.如权利要求7所述的设备，包括一个计算电路，用来确定来自所述保护继电器的重新采样信号的均方根值，其中所述均方根值用于计量功能。
11.一种用于电功率系统的保护继电器，使用同步的相量测量进行全系统的控制和分析以及电力线保护，它包括：
电压和电流采集电路，用于从电力线得到电压和电流值；
一个采样电路，用于在选择的时间间隔对电压和/或电流值采样，其中所述采样是基于一个绝对时间基准；
第一计算系统，使用所述采样信号，执行选择的功率全系统的保护，控制和分析确定，并且从获得的电压和电流值产生同步的电压和电流相量值，所述同步的电压和电流值对于保护和控制功能基本上与系统频率无关；和
第二计算系统，响应来自所述保护继电器和相同电力线上来自远离所述保护继电器的另一个继电器的同步的相量值来执行保护和控制功能。
12.如权利要求11所述的保护继电器，包括用于将包含同步的相量值的非请求的二进制信息从所述保护继电器传到主机的通信装置，其中所述二进制信息包含所述保护继电器的地址，绝对时间戳记，用于被传输数据的样本数目，所述功率系统估计频率，和相对于绝对时间用于所述采样的所述电力线上电压和电流的同步的相量值。
13.如权利要求11所述的保护继电器，其中所述继电器包括一个通信电路，响应来自主机的请求，报告特定时间线路上出现的电压和电流的同步的相量值，其中在所述功率系统中来自多个保护继电器的同步的相量值由主机组合，提供所述特定时间所述功率系统工作情况的指示。
14.如权利要求11所述的保护继电器，其中所述第二计算系统使用电力线上来自远程继电器的绝对时间戳记信息，调整来自本地和远程源数据，包括量值和角度，和进一步使用调整的量值和角度信息执行保护和控制功能。
15.如权利要求11所述的保护继电器，其中所述同步的相量值用来产生一个Alpha Clarke组件电压，用作替代同步的相量保护应用中的正序列电压。
16.如权利要求11所述的保护继电器，其中，所述同步的电压和电流值是使用一个绝对时间基准产生的。
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