CN101210954B - 继电器装置和相应的方法 - Google Patents

Abstract

本发明包括继电器装置和相应的方法。该装置包括用来将继电器装置(100)从正常模式(N)改变到测试模式(T)的模式改变装置(106)；用来从源(106)接收测试脚本的接口(I/O)；用来运行测试脚本并且输出测试结果的波形发生器(208)，其中该源(106)用信号通知继电器(100)转换模式(N，T)；逻辑装置(204)在测试模式(T)期间提供输出到波形发生器(208)；数据准备部件206计算来自电力系统输入(202)的电流和电压样本；数据准备部件计算来自电力系统输入(202)的电流和电压样本；以及数据处理器(209)进行保护计算(211)以确定继电器的输出。

Description

继电器装置和相应的方法

版权通知 

本专利文件公开的一部分包含受版权保护的材料。版权所有者不反对本专利文件或本专利公开的任何人的拓制，如它在专利和商标局专利文件或档案中呈现的，但在别的方面却无论如何均保留所有版权权利。 

技术领域

本发明总的来说涉及继电器，并且更具体地说涉及电力系统保护继电器。 

背景技术

在美国电功率系统产生三相交流电(AC)电功率。每个功率相位与其它两个功率相位有120度的相位差(正的或负的)。任何相位的电压都在正电压和负电压之间正弦形地振荡。在高电压电平传送电功率比在低电压电平更有效。电功率被产生为中等电压的三相AC功率并且为了在长的传输线上传输利用变压器增加到110kV到1000kV的范围。 

采用开关装置来控制传输系统。开关装置可以包括断路器、熔断器、开关、和继电器。电力分配保护继电器，在此被称作继电器，监控电力分配参数的变化并且根据电力分配参数的状态和情形控制开关装置。例如，如果太多的电流被提供给局部分配线，继电器可以指令断路器或开关装置断开，从而中断电力供给该局部分配线。可以通过继电器监控电流、电压电平、频率、相位、和其它参数。 

继电器在复杂性上从监控单个参数的机电装置到能够同时监控许多独立参数的微处理器控制的继电器变化。继电器能够在被改编程序用来监控电力分配系统的多个特性时改变它们的行为。为了电力分配系统的安全和可靠运行，必须定期彻底检测电力分配系统中的继电器。电力分配系统的失效可能导致重大经济损失和麻烦，并且可能会导致对需要依赖于电力分配的特殊医疗服务的人的危险。 由于这些原因，电功率系统的定期检测由政府法规规定。该周期检测通过连接外部检测设备到用来检测的继电器(即测试中的继电器(RUT))来实行。该外部检测设备可以是互连的单独装置、或固定的测试系统或其它外部配置。电力公司等(即中压工业设备)需要显著的检测效果来确认继电器的持续正确运行。 

单独的外部检测设备97包括多个用来执行检测的单独部件，该设备可以包括例如万用表、钳形表、便携式应用测试器、示波器、频谱分析器、频率计数器、断路器分析器、信号发生器和指示器。这些装置的互连以及到受测试的继电器的连接需要专门的知识和培训。 

除了继电器外部的单独测试部件外，已经使用多个测试系统(即基于单封装测试装置的专用微处理器(未示出))测试电力系统保护继电器。利用机电和电子型继电器，继电器测试系统临时连接到继电器脱扣单元电路以测试继电器对各种类型的电力系统问题包括过电流、电流不足、线-线故障、线-地故障、谐波引入、相移等的响应。也可以在系统监控继电器对该系统提供的多个输入信号的响应时出现测试。一些固定测试设备在商业上可得到，例如单封装断路器和过载继电器测试装置，其在继电器的外部并且为了正当运行其上还需要校正连接。 

继电器的检测按照惯例通过模仿继电器可能受到的各种输入信号完成，通过仿真输入信号例如功率分配或生成系统的理论上的故障特性，由此验证与功率分配或生成系统上的保护系统相关的设计元件。仿真可以被看作是努力尽可能接近地复制来自实际过程的数据(例如，由装置在电力系统的一点记录的数据)。该仿真包括与故障期间的功率分配系统相关的多个参数特性。通过仿真生成的故障条件(例如电流、电压电平、频率、相位、和谐波改变)因而被应用到继电器，并且在继电器被应用在实际的功率分配系统中时预期结果被预先考虑、确认或为正确的操作修正设置。也可以通过利用由位于电力系统特定位置的数字故障记录器记录的电流和电压数据执行数据模拟；该数据仅适用于测试位于电力系统中相同位置的继电器。仿真数据并不精确代表实际的电力系统值因此现有技术的测试可能并不精确并且产生不精确的结果。 

许多现有技术的继电器测试设备97具有多个外部信号发生器以生成信号来测试一个或多个继电器。这些系统包括提供信号发生器生成信号使用的输入的控制器。这些系统也可以包括可以手持的控制器，并且包括和控制器进行通信并且接收和显示继电器测试信息以及为用户/测试工程师输入控制信息的用户界面。 

在现有技术中，基本上在一个外壳中的外部测试设备的一个这样的封装是具有多个生成信号以测试一个或多个继电器的信号发生器的继电器测试装置97。该系统包括提供信号发生器生成信号使用的输入的控制器。该测试包括选择由用户通过继电器测试装置97的手持式控制器(未示出)的输入启动继电器的测试并且为根据用户输入传送输入信号到继电器测试装置97的控制模块作准备，并且包括响应于该输入信号开始继电器的测试。该测试也包括由继电器测试装置97的发生器产生测试信号以测试该继电器并且包括通过该控制模块捕获该继电器测试结果。该方法也为显示该手持式控制器的显示器上的继电器测试信息的至少一部分作准备。 

可以采用具有大功率电源和放大器的继电器测试设备97并且采用控制该继电器测试设备97的分开的个人计算机(PC)来测试继电器。该继电器测试设备97可以相对不智能并且可以依赖于该分开的PC提供测试继电器所需的智能。 

试图产生或仿真理论的故障条件的多个测试设备的使用可能会使误差源漏洞百出，例如错误设置、与实际故障条件不一致、人为误差等。这些误差不精确的测试并且因此影响电力系统的可靠性。员工在隔离继电器并且连接外部测试设备的过程中犯错。对于电力系统运行，这可能具有就负载损耗和可靠性而言的严重后果。另外外部测试设备的费用和相关培训费用非常高。 

而且，继电器测试操作员一般必须具有相对先进的继电器和电力分配的知识以采用继电器测试设备97测试继电器。具有先进知识的人员可能会供应有限，由于竞争雇用有限的有技能的人员增加了电力公司的劳动力成本，或由于熟练操作人员的短缺而耽搁测试。另外，测试操作员必须采取专门的措施以预防负载意外从电力系统跳闸并且还要维持安全的工作环境。所有这些预防措施可能会累积地产生有压力的工作环境，其会导致误差和事故的引入。有时候错误 地执行测试，由此对有关测试中的继电器(RUT)是否正确运行引起混乱。 

发明内容

可以通过本发明的实施例克服以上讨论的或其它缺点中的一个或多个，其中继电器装置包括：至少一个用来将继电器装置从正常模式变化到测试模式的模式改变装置；用来从源接收测试脚本(testscript)的界面；用来运行从源接收的测试脚本并且输出测试结果的波形发生器，其中该源用信号通知继电器从正常模式转换到测试模式；用来在继电器处于测试模式时提供逻辑输出给波形发生器并且将该波形发生器设置为预定值的逻辑装置；用来计算来自电力系统输入数据的电流和电压样本的数据准备部件；以及用来进行来自电力系统输入数据的电流和电压样本的相量估算和频率跟踪并且进行保护计算以确定继电器的输出的数据处理器。 

在本发明的另一个实施例中是操作继电器装置的方法，该方法包括的步骤为：提供用来将继电器装置从正常模式转换到测试模式的模式改变装置；提供用来从源接收测试脚本的界面；产生用来运行从源接收的测试脚本并且输出测试结果的波形，其中该源用信号通知继电器从正常模式转换到测试模式；提供在继电器处于测试模式时从逻辑装置到波形发生器的逻辑输出；将波形发生器设置为预定值；利用数据准备部件计算来自电力系统输入数据的电流和电压样本；利用数据处理器进行来自电力系统输入数据的电流和电压样本的相量估算和频率跟踪；以及利用数据处理器确定继电器的测试数据输出。 

在本发明的又一个实施例中，计算机程序产品包括：可由继电器装置读取的程序存储装置，确实地体现可由继电器装置执行以执行运行该继电器装置的方法步骤的指令程序，所述方法步骤包括：提供用来将继电器装置从正常模式转换到测试模式的模式改变装置；提供用来从源接收测试脚本的界面；产生用来运行从源接收的测试脚本并且输出测试结果的波形，其中该源用信号通知继电器从正常模式转换到测试模式；提供在继电器处于测试模式时从逻辑装置到波形发生器的逻辑输出；将波形发生器设置为预定值；利用数据准 备部件计算来自电力系统输入数据的电流和电压样本；利用数据处理器进行来自电力系统输入数据的电流和电压样本的相量估算和频率跟踪；以及利用数据处理器确定继电器的测试数据输出。 

以上简短描述相当概括地提出了本发明的更重要的特征，以便其下列详细描述可以更好理解，并且以便可以更好地理解对本领域的贡献。当然存在本发明的附加特征，其将在下文中描述并且其将支持所附权利要求的主题。 

在这方面，在详细解释本发明的几个实施例之前，要理解的是，本发明并不限于它在下列描述中提出的或在附图中示出的详细结构和部件排列的应用。本发明可以是其它实施例并且能够以多种方式被实施和执行。而且，要理解的是，在本文中采用的措词和术语是为了描述并且不应当被认为是限制。 

因而，公开所基于的概念可以被容易地用来作为设计用于执行本发明的几个目的的其它结构、方法、和系统的基础。因此，重要的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下权利要求应当被认为包括这些等效结构。 

此外，前述摘要的目的是使美国专利和商标局以及不熟悉专利术语或措词的普通大众并且尤其是本领域的科学家、工程师和实践者由粗略查看来快速确定本申请的技术公开的本质和核心。因此，该摘要既不想限定本发明或本申请，其仅由权利要求限定，也不想以任何方式限制本发明的范围。 

附图说明

当结合附图考虑时参考下列详细描述，本发明的更完整的理解以及其许多附属优点将会容易获得，并且也会被理解得更好。 

图1示出连接到测试中的继电器的现有技术的继电器测试装置的方块图； 

图2示出本发明的实施例的具有综合测试能力的继电器的方块图，详述了该具有综合测试能力的继电器的仿真器部件； 

图3示出本发明的实施例的具有综合测试能力的继电器的状态图，详述了该具有综合测试能力的继电器的全部过程； 

图4到9示出由本发明的实施例的具有综合测试能力的继电器的 仿真器部件提供的示例性波形； 

图10到13示出本发明的实施例的具有综合测试能力的继电器的人机界面的示例性屏幕截图； 

图14示出本发明的实施例的具有综合测试能力的继电器的原理框图，详述了具有综合测试能力的继电器的普通和测试操作(测试中的继电器)； 

图15到17示出本发明的实施例一组示例性流程图，对应于详述了具有综合测试能力的继电器的测试操作(测试中的继电器)的图14的功能框图。 

具体实施方式

现在参考附图，其中在所有不同的图中类似的参考数字表示同样或相应的部件，将描述本发明的实施例的具有综合测试能力的继电器的实施例中的一个。在此描述的本发明的实施例的有利方面中的一个是被集成到本发明的继电器以便在测试模式中本发明的继电器是测试中的继电器的新的测试特征。这些测试特征利用可以由电力系统创建的仿真的数据测试本发明的继电器。本发明的波形根据用户偏好生成；用户设计信号以注入继电器。由下列所考虑的详细描述连同附图和权利要求一起将会更容易地理解这些和其它特征和优点。 

测试中的现有技术继电器 

图1示出连接到继电器99的现有技术继电器测试设备97的方块图。当继电器被连接到测试设备97并且被测试时它被称为测试中的继电器(RUT)。在现有技术中，测试设备97，其可以包括多个被互连以测试继电器的电气设备，与测试中的继电器97分隔开。现有技术继电器测试设备97通常包括生成测试继电器的信号的外部信号发生器部件和放大由该信号发生器部件产生的信号的外部放大器。现有技术继电器测试设备97也可以包括耦合到外部继电器测试设备97的用于关于由测试设备97的信号发生器部件生成的信号测试继电器进行通信的手持式控制器。也可以使用笔记本电脑或其它个人计算机系统作为界面。 

在图1的现有技术实施例的实例中，描绘可编程继电器测试设备 97的方块图。继电器测试设备97包括控制器、可以包括一个或多个信号发生器的信号发生器模块、多个信号放大器和电源。用户界面(UI)被耦合到控制器并且提供命令输入并且显示测试结果。控制器、信号发生器模块、信号放大器以及电源被点线示出的外壳96保持；然而，许多现有技术设备在没有外壳的情况下由多个互连的单独装置(即信号发生器、计量仪器、示波器)构成。 

图1的现有技术实施例中的控制器包括电源、具有存储器的控制器、几个信号发生器、放大器和计时器以及集成逻辑电路(未示出)。控制器的CPU采用操作系统。控制器还包括多个被称作输入/输出(I/O)的接口。这些接口允许继电器测试装置与其它装置(未示出)通信。 

此外，在例如图1中示出的现有技术中，控制器在存储器装置的一个或多个中存储被执行以通过测试测试中的继电器99的步骤使继电器测试设备97排好顺序的测试步骤或测试程序。控制器与信号发生器模块进行通信并且控制信号发生器模块产生期望的测试信号。控制器在全部测试中监控测试中的继电器99，确定测试中的继电器99的测试结果，并且把结果发送到用户界面(UI)以被显示。 

在保护继电器测试中使用的信号发生器一般在从小于十分之一欧姆到600欧姆或以上变化的阻抗下利用5伏到300伏的功率级电压，并且在一些实施例中集中在50到60Hz的线路速率。信号发生器模块可以利用计算机程序、软件、或存储在存储器中的固件从波形部件生成复杂的信号并且可以重现存储在数据表中的周期波形，以及重现由数字故障记录器(DFR)(未示出)或继电器99或其它记录装置记录的信号。信号发生器模块使用仿真数据或来源于DFR的实际数据。虽然DFR记录器可以被用来测试继电器，但是基于测试的DFR记录器使用继电器测试设备97。 

DFR是动态测试的实例，其中继电器中的全部子系统的所有操作都在一起被测试。理论上它测试继电器及其功能是否被设计得满足客户的用户保护需求。 

更常规或静态的测试包括注入多个信号以测量继电器的全部的多个比较器、计时器、和相关逻辑的阈值。作出一系列这样的测试以测试继电器中的多个子系统中的每一个。这种类型的测试的目的 是确认继电器正在工作并且确认最后设置已经被应用。结果非常容易理解，经常包括合格或失败。 

本发明 

本发明的继电器的实施例集中在容易被测试操作员理解的静态测试上，并且因为在继电器测试中静态测试是常见的所以是被信赖的测试惯例。应当注意的是，本发明的继电器被这样设计以便动态(例如DFR)测试也可以由本领域技术人员实施。在下文讨论的实例中，讨论静态测试。本发明的继电器的实施例具有内部测试装置并且因此可以在不利用现有技术的外部测试设备97的情况下被测试。 

正如与DFR比较的，本发明的实施例的继电器在继电器具有合适阻抗的情况下工作。然而，现有技术执行由DFR捕获的波形到继电器测试中去仅可以确定继电器在捕获故障的地方是否正确地运行(以及具有捕获故障的地方的阻抗)。现有技术捕获故障记录，把来源于故障记录的数据下载到测试设备97，并且将电压和电流数据注入到测试中的继电器99。因此，现有技术继电器测试装置根据来自DFR的被记录的信号快照(snapshot)利用DFR记录的信号生成测试信号。现有技术继电器将看见从该DFR快照创建的实际故障表示，现有技术继电器不利用本发明的仿真电流和电压。 

本发明的继电器的实施例使用由用户导出的信号。而且，本发明的继电器的实施例调整信号发生器以修改电力系统上的信号。这些信号被用来获得本发明的仿真电流和电压。 

图2示出本发明的实施例的具有综合测试能力的继电器的方块图，详述了该具有综合测试能力的继电器的仿真器200部件。该仿真器部件包括多个子部件，其在本发明的继电器处于测试模式中即是测试中的继电器时运转以提供测试数据、输入和输出并且控制继电器操作。换句话说，仿真器200存在于下文图14的继电器100(也被称作分站智能电子装置(IED))中和继电器100配置软件(未示出)中。测试按钮107以假想线(phantom line)示出，作为用来将继电器转换到测试模式的替换实施例。 

仿真器部件100的功能被描述如下。该仿真器是基于固件的可编程信号发生器。在本示例性实施例中，可以单独地限定高达24个通道。仿真器的波形或信号发生器部件208产生样本，这些样本被重 新路由到数据处理器209部件的电压和电流输入(当继电器处于测试模式时，用假想箭头S(开关)示出)以便校验那些保护功能并且相关逻辑被正确地编程。数据准备部件206执行以下功能：1)磁性过滤，其清理输入信号并且除去不关心的数据(即转换数据到低能例如5V；滤出60Hz的电压和电流；滤出噪声)；2)模数转换(在测试模式中，电压和电流的数字表示从数据准备部件206输出)；以及3)取样和保持(在模数转换器执行模拟电压和电流值到数字信号的转换时保持模拟电压和电流值稳定)。示例性函数例如幅度、频率、角度、以及谐波含量的阶跃函数与斜坡函数被实施用于测试目的并且在下文图4到9中被示出。在本实施例中，三个可编程触发器在仿真器逻辑控制部件204(以围绕控制部件204的虚线示出)中被处理并且被列举为控制仿真器200的故障前、故障和故障后模式。锁存器模块205和“与”207操作数在每个模式的逻辑电路中起作用。幅度、频率、角度、谐波含量、和逝去时间的实际值在触发时被捕获并且将在以下图4的描述中被进一步讨论。该仿真器的高级特征是协同测试，其可以利用本发明的多个继电器(未示出)执行，只要它们时间同步，本领域普通技术人员可以测定时间同步。在本实施例中，当该多个正被测试的继电器处于测试模式时可以激活时间同步特征。 

在测试模式中，图2的仿真器的测试开关110被移到测试位置(用虚线示出)。利用例如USB驱动器106(在图14中示出)输入由以下讨论的手写器生成的输入数据，通过到达继电器100的输入触发测试模式。在测试模式中，样本数据流出波形发生器208并且流到数据处理器部件209，其中该数据被处理用于：1)相量估算(将时域形式的信号转换成向量形式的相量表示)；2)频率跟踪(使该信号与电力系统同步以进行精确的相量估算)；以及3)保护计算(处理相量数据以为输出确定脱扣(trip)或不脱扣的决定)。本发明的继电器100的该实施例利用相量估算和频率跟踪来实现数据处理器209。相量估算和频率跟踪210是具有利用频率跟踪能力来以高水平准确性进行相量估算的子部件210的微处理器继电器100的非限制性实例。在这样的继电器100中，由波形发生器208生成的数据被用于频率跟踪。当继电器100处于测试模式时(当继电器100是 测试中的继电器(RUT)时)，这提供相量估算的精确度。数据准备部件206也被影响。然而，当继电器100处于测试模式(RUT)时，不使用来自数据准备部件206的数据。类似地，当在正常模式时，来自数据准备部件206的样本被用于频率跟踪。这也影响来自波形发生器208的数据。此外，当继电器100处于正常模式时不使用该数据。在本发明的继电器100的替换实施例中，该过程可以被扩展用在其它方法例如重新采样上以在相量估算中提供附加的精确性。 

在测试模式中，仿真器200产生基本等效于可以来自电力系统的数据的数字化数据。因此，在测试模式中，信号发生器208提供实际电力系统数据的数字化。实际电力系统数据的这种数字化给用户提供用户可能觉得舒适的可靠数据，因为在由脚本提供的基本相同的条件下仿真模式中继电器100的响应基本等效于正常模式中继电器100的响应。对仿真数据的信任对综合测试系统的成功是必需的；没有对数据的信任，用户或客户将不使用继电器功能并且将不会实现综合测试能力的好处。 

信号或波形发生器208输出由部件212、214示出的实际值中的数据；部件212示出实际值输出(即为了报告目的并且为了脚本控制继电器100的测试)并且部件214示出还被称作Flex操作数的数字输出。模拟和数字输出212、214提供报告并且控制脚本(在这里和下文解释的)。本发明的该实施例的图2中加了标题的实际值的模拟输出212是浮点数并且提供例如An、Fn、Hn和tn(其在以下表格A、B、C和D中被定义)的实际值。 

下列表格概述了值和操作数并且提供每个的一般解释，其被用来描述本发明的继电器100的实施例。表格中的操作数和值可以在用来描述本发明的公式和图中找到。 

表格A-位置-时间：

t	时间
		δt	当前样本和前一样本之间的时间差
u(t-td)	单位阶跃函数
		H	调和数

[0051]  表格B-在故障前模式中：

0	故障后幅度设置
		1	故障后幅度设置
0	故障后频率设置
		1	故障前频率设置
C0	故障后谐波含量设置
		C1	故障前谐波含量设置
t	δt

表格C-在故障模式中：

0	故障前幅度设置
		1	故障幅度设置
0	故障前频率设置
		1	故障频率设置
C0	故障前谐波含量设置
		C1	故障谐波含量设置
t	斜坡设置(如果设置为零则Δt＝δt)

表格D-在故障后模式中：

0	故障幅度设置
		1	故障后幅度设置
0	故障频率设置
		1	故障后频率设置
C0	故障谐波含量设置
		C1	故障后谐波含量设置
t	δt

在图2的方块图中(建议其与图14一起来观察)，应当注意的是，测试模式和正常模式相互排斥。因此，在取消继电器测试的过程中电力系统的误操作经常发生。该优点是，操作为测试中的继电器的继电器100不会丢下客户(也被称作丢下的负载(droppedload))。注意，在测试模式期间，没有输出到脱扣线圈102(图14中所示)。操作为测试中的继电器的本发明的继电器100简单并且这些测试容易执行。 

图3示出本发明的实施例的具有综合测试能力的继电器的状态图，详述了该具有综合测试能力的继电器的全部过程；在测试模式下，继电器根据本状态图运行；而正常或典型运行条件具有不同的状态图，正如本领域技术人员可以确定的。 

在图3中如所示，进行从开启状态300到测试状态304的转换，其中用户或操作员触发继电器来仿真故障。在开启状态300(也称作启动仿真器)和测试状态304(也称作触发器)之间是故障前模式302，其中看见故障模式以前的条件并且正常仿真器电压(Vs)、电流(Is)幅度(A)、频率(f)和相角(

)被定义(也参考在前的表格A到D)。 

在状态306对触发器进行检查。继电器可以检查在状态306的人工触发器或仿真器启动的触发器。注意，与状态306操作数相邻的阴影区域表示故障模式，并且表示在状态314故障后模式开始并且新的值被获得用于操作数A0、A1 F0、F1、HC0和HC1。如果在状态306没有触发那么继电器在故障前状态运行经过状态308、310和312直到在状态306确定触发存在为止。如果在状态306确定了触发状态，那么继电器运行以获得故障状态值用于操作数诸如故障幅度(A0，A1)、故障频率(F0，F1)、以及谐波含量(HC0，HC1)。这些值名义上改变并且幅度取决于触发后继电器被确定处于哪个模式。在图3的本示例性状态图中，操作为测试中的继电器的本发明的继电器100处于故障模式；然而，在替换状态中，触发后继电器100可以是故障前或故障后模式。本领域技术人员可以为多个触发和状态中的每一个确定合适的状态图。 

回到图3，在故障前状态中，本发明的继电器100的实施例运行以检测需要转换到故障状态的故障条件(即继电器的脱扣，以及稍后到故障后或故障前的转换)。这些故障包括例如接地故障、负载损耗、相间短路故障，包括相位序列差错、相位损耗、和相位失衡。 

图4到9示出由本发明的实施例的具有综合测试能力的继电器100的仿真器部件200提供的示例性波形。本发明的典型继电器100以规定的方式即仿真模式中的脱扣、不脱扣、字块输出信号等对这些波形做出反应。几个示例性波形包括图4的阶跃幅度变化、图5的幅度斜坡、图6的相角阶跃变化(其中不连续性被示为用点线围 绕)、图7的频率斜坡、图8的谐波斜坡和图9的相角斜坡。可以由本领域技术人员生成其它波形以模拟可以在电力系统上看见的正常和反常的波形。这些波形由信号或仿真器200的波形发生器部件208生成。利用生成多个波形的一般方程对波形发生器部件208编程，该多个波形被转换为存在于本发明的继电器100的实施例的固件中的代码。用于每个信号发生器的一般方程是： 

y(t)＝A(t)·[sin(θ(t))+HC(t)·sin(H·θ(t))] 

$A\left(t\right)=A_0\·[1-u(t-\mathrm{tr})]$

$+[\frac{A_0\·(\mathrm{\Δt}-\mathrm{\δt}){+A}_1}{\mathrm{\Δt}}\·(t-\mathrm{tr})]\·u(t-\mathrm{tr})\·[1-u(t-\mathrm{\Δt})]$

$+A_1\·u(t-\mathrm{tr}-\mathrm{\Δt})$

$\mathrm{HC}\left(t\right)=H{C}_0\·[1-u(t-\mathrm{tr})]$

$+[\frac{{\mathrm{HC}}_0\·(\mathrm{\Δt}-\mathrm{\δt})+H{C}_1}{\mathrm{\Δt}}\·(t-\mathrm{tr})]\·u(t-\mathrm{tr})\·[1-u(t-\mathrm{\Δt})]$

$+H{C}_1\·u(t-\mathrm{tr}-\mathrm{\Δt})$

$+\frac{({\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_0)\·\mathrm{\π}}{180\·\mathrm{\Δt}}\·u(t-\mathrm{tr})\·[1-u(t-\mathrm{tr}-\mathrm{\Δt})]$

$+\left[\frac{F_0\·(\mathrm{\Δt}-\mathrm{\δt})+F_1}{\mathrm{\Δt}}\right]\·(t-\mathrm{tr})\·u(t-\mathrm{tr})\·[1-u(t-\mathrm{\Δt})]$

$+2\·\mathrm{\π}\·F_1\·\mathrm{\δt}\·u(t-\mathrm{tr}-\mathrm{\Δt})$

图10到13示出本发明的实施例的具有综合测试能力的继电器100的人机界面(HMI)104(见图14)的示例性屏幕截图。图10是示出仿真模式配置数据的本发明的实施例的人机界面104的示例性屏幕截图。该配置数据确定波形发生器的时间响应。图11是示出故障前模式配置数据的本发明的实施例的人机界面104的示例性屏幕截图。图12是示出故障模式配置数据的本发明的实施例的人机界面104的示例性屏幕截图。图13是示出故障后模式配置数据的本发明的实施例的人机界面104的示例性屏幕截图。每个屏幕截图具有八个示例性通道；然而，该示例性屏幕截图并不意味着将本发明限制为配置数据的八个通道。可以由本领域技术人员确定其它数目的配置数据。每个示例性屏幕截图显示频率(f)谐波(H)、通道(CH)、电流和电压的幅度(A)、相位(

)、以及谐波含量(HC)。在故障前模式中，图11、12和13的故障模式和故障后模式分别触发操作数并且显示触发时间。在图12的故障模式中，显示触发OP；注意，OP是操作(operate)的缩写并且是预示具体保护功能已经运行的操作数。在图10的仿真模式屏幕截图上，显示故障前时间、故障时间和仿真模式(即激活、停用)。图11到13的屏幕截图被提供作为实例并且并不意味着限于被并入人机界面104的屏幕截图的数据类型的范围。在前述实例中，介绍了三个仿真器状态：故障前、故障、以及故障后。该仿真器可以包括多于或少于三个的状态，正如可以由本领域技术人员确定的。可替换地，屏幕截图可以在个人计算机106(见图14)上观看，该个人计算机可以连接到本发明的继电器100的实施例用于下载脚本数据。 

利用脚本工具创建脚本数据；脚本工具(未示出)可以被本领域技术人员理解。脚本工具特征允许用户创建一系列测试，其被设计以确认继电器的子系统的正确运行。对于这些测试中的每一个而言，配置数据和触发条件被计算并且被下载到仿真器200。在每个测试之后，可以检索并且编辑仿真结果。 

脚本工具支持包括例如整数、实数和串以及阵列的变量类型。也包括数学算符例如(+，-，*，/，^，++，--)以及相关算符(＞，＞＝，＜，＜＝，＝＝，！＝，&&，||)。也可利用数学函数例如(sqrt，log，ln，exp，abs，max，min，round，sin，cos，tan，asin，acos，atan)。本 发明的实施例支持例如循环、IF语句以及文件I/O。另外，下列继电器I/O函数可以被用来下载仿真器配置数据以及检索仿真结果以由用户进行分析： 

表格E-继电器I/O函数 

函数	解释
		setprefault(CH，A，F，θ，HC)	设置故障前值
setfault(CH，A，F，θ，H，HC，DT)	设置故障值
		setpostfault(CH，A，F，θ，HC)	设置故障后的值
resetprefault()	将所有故障前的值设  置为零
		resetfault()	将所有故障值设置为  零
resetpostfault()	将所有故障后的值设  置为零
		switchtoprefault(FO)	设置故障前触发
switchtofault(FO)	设置故障触发
		switchtopostfault(FO)	设置故障后触发
setactivegroup	强加有效设置组
		setvirtualinput(n)	设置虚拟输入n为1
resetvirtualinput(n)	设置虚拟输入n为0
		readfaultmag(CH)	读取故障幅度
readfaultfreq(CH)	读取故障频率
		readfaultphase(CH)	读取故障相角
readfaultharm(CH)	读取故障谐波含量
		readfaulttime()	读取故障时间
Wait(FO)	等待直到Flex操作数  为真为止

表格F-其它值和操作数 

缩写	解释
		CH	通道数

[0081] 

A	幅度
		F	频率
θ	相角
		H	谐波数
HC	谐波含量
		DT	斜坡时间
FO	Flex逻辑操作数

在示例性实施例中，对从本发明的继电器分离的设备执行脚本生成。用户例如保护和控制工程师、或测试工程师、或技术员可以生成脚本数据。用户可以确定例如合适的启动电流值。用户可以对电力系统的阻抗模型执行故障研究。输出数据可以被用来生成用来输入到本发明的继电器100的实施例中的脚本。输入时的脚本将触发继电器100以实现为测试中的继电器。在本发明的实施例中该脚本可以被传输到通信网络105上的继电器100。通信网络105可以通过基于微处理器的个人计算机106或其它合适的连接连接到继电器，正如本领域技术人员所能执行的。脚本的接收然后可以触发继电器100到测试模式以起测试中的继电器的作用。在本发明的继电器100的另一个实施例中，数据可以远程传送到继电器并且测试可以自动操作。可替换地，可以远距离实施测试。本领域技术人员将能够执行网络通信、本发明的继电器100的实施例的远距离和/或自动测试。 

利用脚本过程准备的数据向用户提供了以下舒适水平：其中用户感觉到在本发明的继电器100中执行的生成测试基本上与由用户利用现有技术的外部测试设备97对现有技术的继电器99执行的典型物理测试相同，例如图1中示出的现有技术。因此，脚本，其是用于继电器100的一个或多个测试的一组指令，需要被信任。利用从继电器100分离生成的脚本，继电器将不知道它正看见仿真信号；因此继电器将不知道数据来源。用户期望数据具有高的舒适水平。典型用户或测试脚本编写者生性谨慎，假定负载(即客户)可能被有疑问的测试装置丢下。因此，数据的高可信度将促使用户等接受本发明的示例性继电器100的测试能力。 

图14示出本发明的实施例的具有综合测试能力的继电器的原理框图，详述了具有综合测试能力的继电器的正常和测试操作(测试中的继电器)。在不需要图1的现有技术测试设备97和继电器99中示出的外部测试设备97的情况下，本发明的继电器100能够起测试中的继电器的作用。 

图14进一步示出本发明的示例性继电器100的电路。图14中示出的这些模式是正常模式(N)和测试模式(T)。当存在诸如个人计算机或USB数据驱动器106到然后起测试中的继电器的作用的继电器100的连接时测试模式启动，因为该连接触发继电器从在前模式(例如正常模式)改变到测试模式。继电器100可以以其它方式例如外部开关来改变模式；模式改变代替方案可以由本领域技术人员确定。如果使用个人计算机(PC)106启动测试模式，PC 106通知继电器100保持测试脚本并且从仿真器200接收脚本。如果使用USB存储装置启动测试模式，则继电器被配置以根据该USB装置106连接的识别保持测试脚本并且然后人机界面104启动测试。 

本发明的继电器100的实施例包括内部测试电路(即测试开关、数据处理器、仿真器)以便对继电器和电力系统具有相对有限的知识和经验的用户可以利用有限的界面测试继电器100。本发明的继电器100的测试例如通过使用USB存储装置或个人计算机106启动。通过使用USB装置106或简单的PC连接106，具有相对有限的知识和经验的用户可以完成本发明的继电器100的测试。本发明的继电器100的实施例可以简化与例如图1中示出的现有技术的外部测试设备97相关的复杂的现场测试程序。 

回到图14的方块图，并且假定本发明的继电器100已经收到如上所解释的测试脚本，继电器改变到测试模式，其中测试开关#1打开，连接到输出212的测试开关#2打开，测试开关#3闭合并且测试开关#4闭合。该配置允许正确的测试电路运转，采用数据处理器209(包括处理部件210、211)和具有逻辑电路204和波形发生器208的仿真器200。注意在测试模式中，继电器100也即测试中的继电器不能操作脱扣线圈102并且也不发送输出数据到输出212、214。方块图通过图14中示出的关键描述来另外示出数字或布尔连接、模拟连接和控制。关于数字和模拟连接，应当注意的是，来自方块206 的输出信号是输出电压和/或电流的模拟值的数字化表示；此外，说明数字信号的符号是参考布尔而不是数字。在本发明的继电器100中，可以认为继电器100中的信号是数字的，正如本领域技术人员将理解的。 

在替换实施例中(分别通过图14的假想开关#3和#4，130和140表示)，图14的方块图包括两个测试开关；测试开关#1，110和测试开关#2，120。测试开关#3和#4，130和140分别可以被省略，因此当测试开关#1和#2，110和120，分别在正常模式中时，数据流到仿真器200和数据准备部件206而没有任何附加结果；分别消除开关#3和#4，130和140，简化了实施方式。 

图15到17示出本发明的实施例的一组示例性流程图，对应于详述了具有综合测试能力的本发明的继电器100的实施例的测试操作(测试中的继电器)的图2和14的功能框图。流程图包括图15的主流程图，标注有测试模式和两个子程序：1)图16的测试脚本子程序SRA，和图17的测试子程序SRB。 

从图15开始，在步骤S400中，测试模式开始，本发明的继电器100是测试中的继电器。随后，在步骤S402测试开关110(图2的)被设置为测试。然后在步骤S404下载测试脚本并且在步骤S406运行测试脚本(子程序SRA)。利用输入装置106(图14的)进行下载。在步骤S408，询问关于是否输入附加测试脚本。如果步骤S408的询问的答复为否，那么随后的步骤是在步骤S410将测试开关110(图14的)设置为正常并且在步骤S411结束测试模式。如果步骤S408的询问的答复为是，那么执行图15中标注有SRA的子程序测试脚本。 

关于图16的子程序SRA或测试脚本子程序，在步骤S420该测试脚本子程序SRA开始。随后在步骤S422利用波形发生器208(图2和14的)设置故障前、故障和故障后的值。步骤S422对应于例如在该步骤中描述的模式的屏幕截图，并且对应于图11到13的屏幕截图。此外，在步骤S424，利用逻辑控制电路204(图2和14的)设置故障前、故障和故障后的触发值。步骤S424的模式的每一个是预定模式并且为了示例性目的而示出；在该步骤中使用的值和触发可以与设置现有技术的常规测试装置过程中使用的那些比较(例 如，图1的测试设备97，其示出继电器外部的测试设备的用途)。图1的RUT与图14的RUT的比较示出了现有技术的继电器99和本发明的示例性继电器100之间的差别。被测试的继电器均以括号和相邻于每个继电器99(现有技术)和100(本发明)的指示RUT来区分。现有技术与本发明之间的重要区别因素是，本发明的继电器不需要现有技术的测试设备97。这对使用或客户而言代表了重大的投资费用的节省。它也允许测试更迅速和便利地执行(再次节省金钱)。在替换实施例中，本发明的继电器100可以通过远距离启动测试或通过使测试自动化而被测试。网络连接105即LAN连接可以被提供用于连接到继电器以便进行远距离测试。 

此外，在变电所中的大量不正确操作是测试期间所犯错误的直接后果。已经进行的一些争论是周期性的继电器测试引起比它解决的问题还多的问题。基于测试的软件或固件，例如本发明的软件或固件有少得多的侵入，因为在测试过程中没必要隔离继电器与系统并且之后重新连接它(尽管一些用户可能根据习惯想执行该隔离并且该隔离不被本发明所排除)。 

回到图14的示例性继电器，这些值和触发为波形发生器208定义参数；这些方程式定义所产生的波形的特性。这些触发起作用以促使波形发生器从目前的状态改变到下一个状态(例如，过流触发标记是传感器标记)。因此，该触发是由继电器100的内部标记(未示出)提供的信号并且控制波形发生器208的活动状态(即故障、故障前、故障后、仿真器模式)。在替换实施例中，触发可以来自HMI 104并且将由准备脚本的用户确定。在本实施例中，例如逻辑控制电路204示出触发。内部函数发生器受外部软件或脚本(未示出)控制。软件监控继电器100的响应并且编译测试结果的报告。测试结果是如下文描述的输出。 

回到图16子程序SRA的流程图，在步骤S426测试在运行；该测试被标记为子程序SRB。紧跟着子程序SRB是步骤S428，其中继电器100等待至少一个触发。在步骤S430利用输出212、214(图2和14的)获得测试结果。随后，询问关于脚本是否完成。如果答复是否定的，那么步骤S422、S424、S426、S428和S430再次进行并且紧接着询问步骤S432再次询问脚本是否完成。当询问步骤S432 的答复是肯定的时，则返回到测试模式步骤S432。测试模式在图15的主流程图步骤S400到S412中被概述。 

回到步骤S426的子程序SRB，测试模式在图17的子程序SRB流程图的步骤之后运行。在步骤S440，子程序SRB测试开始。子程序SRB进行通过它的三组步骤中的每一个中的类似步骤，逐渐导致步骤S450、S460和S470的询问。S450、S460和S470的询问检查触发并且分别对应于对故障前、故障和故障后触发的检查。在步骤S440开始测试后，在步骤S442由波形发生器208设置故障前的值。该步骤的示例性波形在图4到9中示出。随后在步骤S444，生成电压和电流采样。在步骤S446，进行频率跟踪并且后面是处理保护计算的步骤S448。在步骤S450，进行故障前触发确定。如果没有故障前触发出现，重复步骤S442、S444、S446和S448。如果故障前触发出现，子程序SRB转到下一步骤S452，其是故障模式的一部分。故障前触发是控制波形发生器从故障前模式到故障模式的内部继电器标记；可以通过使用HMI 104或可替换地使用继电器上的按钮(未示出)执行故障前触发。 

在步骤S452通过波形发生器208设置故障值。该步骤的示例性波形在图4到9中示出。随后在步骤S454，生成电压和电流采样。在步骤S456，进行频率跟踪并且后面是处理保护计算的步骤S458。在步骤S460，进行故障前触发确认。如果没有故障触发出现，重复步骤S452、S454、S456和S458。如果出现故障触发子程序SRB转到下一步骤S462，则其是故障模式的一部分。 

在步骤S 462通过波形发生器208设置故障后的值。该步骤的示例性波形在图4到9中示出。随后在步骤S464，生成电压和电流采样。在步骤S466，进行频率跟踪并且后面是处理保护计算的步骤S468。在步骤S460，进行故障前触发确认。如果没有故障前触发出现，则重复步骤S462、S464、S466和S468。如果出现故障后触发，则子程序SRB转到下一步骤S472并且回到测试脚本子程序SRA。在图16的测试脚本子程序SRA，继电器在步骤S428等待触发，在步骤S430得到测试结果并且在步骤S432询问关于脚本是否结束。如果对询问的答复是肯定的，则继电器在步骤S434回到测试模式。一回到主流程图图15的测试模式步骤S400，继电器100就执行以前描述的 主流程图的步骤并且在步骤S412结束测试模式。 

应当注意，在图16的测试子程序SRB中，步骤S446和S448分别执行频率跟踪和处理保护计算的步骤。步骤S456和S458进行故障模式的类似步骤并且步骤S466和S468进行故障后模式的类似步骤。这些对步骤中的每一个在图15中利用围绕它们的点线示出。在替换实施例中，频率跟踪步骤S446、S456和S466可以被可以由本领域技术人员执行的重新采样步骤替代。围绕步骤S446和S448、S456和S458、以及S466和S468中的每一组的虚线表现出继电器通常进行通过的两个步骤；典型的测试中的继电器与本发明的继电器的差别是，本继电器不知道该数据是模拟的，该数据对继电器呈现为来自互连到继电器的物理环境的实际数据。因为本发明的继电器的测试可以被更迅速地执行，当成本节约花费在本发明的附加继电器的实现上时其转变为减少的测试成本和增加的继电器可靠性。此外，软件和固件降低了错误测试结果的可能性。基于测试的软件和固件将人为失误和丢下负载的可能性减到最小。 

虽然图17的子程序SRB示出在故障前模式、故障模式和故障后模式中的继电器的测试，但是这些图解并不意味着限制；可以由继电器执行其它模式或状态，正如可以由本领域技术人员所确定的。 

尽管以上继电器被描述为以几种模式执行，本领域技术人员将理解，在所要求的本发明的范围内，其它应用包括，但不限于，本发明的继电器100的实施例中示出的模式。 

本发明的继电器可以被执行，因为具有内部处理能力和局部界面的合适继电器平台支持本发明的功能性。以前，基于继电器的微处理器具有较小的处理能力和较小的网络容量。由于为本发明的继电器100设计和制造的部件的可用性，测试模式或RUT可以被执行。这给用户或客户提供了大的成本节省。例如，客户可以在培训、工程、配线和准备上节省。测试设备卖主没有能力提供具有测试功能的继电器，因为测试设备卖主不设计或制造继电器；对测试卖主的产品出售，提供具有内部测试能力的继电器将是违反直觉的。本发明的继电器100以前没有被使用的许多原因中有这些。 

该书面描述利用实例公开本发明，包括最佳模式，并且也能使本领域任何技术人员获得和使用本发明。本发明可以取得专利的范围 由权利要求限定，并且可以包括其它被本领域技术人员想到的实例。这些其它的实例规定在权利要求的范围之内，只要它们具有与权利要求的文字语言没有区别的结构要素，或只要它们包括与权利要求的文字语言具有非实质差别的等效结构要素。 

Claims (18)

1. 一种具有正常模式和测试模式的继电器装置，包括：

至少一个模式改变装置，用来将继电器装置从正常模式改变到测试模式；

用来从源接收测试脚本的接口;

用来当所述继电器装置处于测试模式时提供逻辑输出的逻辑装置；

当继电器装置处于测试模式时用来接收所述逻辑输出的波形发生器，其中所述波形发生器被配置成设置测试模式故障前值、故障值或故障后值，所述波形发生器进一步被配置成运行从所述源接收的测试脚本并输出测试数据结果，所述波形发生器进一步配置成生成对于所述故障前值、故障值或者故障后值的电压样本和电流样本；

用来接收电力系统输入数据的数据准备部件，所述电力系统输入数据包括电流样本和电压样本，并且所述数据准备部件被配置成计算来自所述电力系统输入数据的电流样本和电压样本；

用来对从所述波形发生器生成的电压样本和电流样本以及对来自所述电力系统输入数据的电压样本和电流样本执行相量估算和频率跟踪的数据处理器，所述数据处理器对从所述波形发生器生成的电压样本和电流样本以及对来自所述电力系统输入数据的电压样本和电流样本执行保护计算；以及

连接到数据处理器的输出，用于在继电器装置处于正常模式时接收对电力系统输入数据的保护计算的结果。

2. 如权利要求1所述的继电器装置，其中在测试模式，模式改变装置是在测试位置的至少一个测试开关。

3. 如权利要求2所述的继电器装置，其中当该至少一个测试开关在测试位置时，用来执行来自电力系统输入数据的电流和电压样本的相量估算和频率跟踪的数据处理器提供测试数据结果。

4. 如权利要求2所述的继电器装置，其中用来将继电器装置从正常模式转换到测试模式的该至少一个测试开关包括四个测试开关。

5. 如权利要求1所述的继电器装置，其中该源是连接到继电器装置的USB存储装置，并且其中该USB存储装置用于启动所述测试模式。

6. 如权利要求1所述的继电器装置，其中该源是连接到继电器装置的PC，并且其中连接到所述继电器装置的该PC用于启动所述测试模式。

7. 如权利要求1所述的继电器装置，其中该源是接收输入信号的网络，并且其中该输入信号也用作模式改变装置。

8. 如权利要求7所述的继电器装置，其中所述测试脚本远程地传送至所述继电器装置。

9. 如权利要求1所述的继电器装置，其中模式改变装置是用来将继电器装置转换到测试模式的测试按钮。

10. 如权利要求1所述的继电器装置，其中继电器装置还包括在继电器装置处的人机界面。

11. 如权利要求1所述的继电器装置，其中用来执行来自电力系统输入数据的电流样本和电压样本的相量估算和频率跟踪并且执行保护计算以确定继电器装置的输出的数据处理器使用重新采样。

12. 一种操作继电器装置处于正常模式和测试模式的方法，该方法包括以下步骤：

通过操作模式改变装置将继电器装置从正常模式转换到测试模式；

提供用来从源接收测试脚本的接口；

提供来自逻辑装置的逻辑输出；

使用波形发生器对于故障前值、故障值或者故障后值生成电压样本和电流样本以便运行从所述接口接收的测试脚本并且输出测试数据结果；

使用数据准备部件接收包括电压样本和电流样本的电力系统输入数据并且计算来自所述电力系统输入数据的电压样本和电流样本；

使用数据处理器对从所述波形发生器生成的电压样本和电流样本以及对来自所述电力系统输入数据的电压样本和电流样本执行相量估算和频率跟踪；

使用所述数据处理器对从所述波形发生器生成的电压样本和电流样本以及对来自所述电力系统输入数据的电压样本和电流样本执行保护计算；以及

当继电器装置处于正常模式时响应于对所述电力系统输入数据的保护计算的结果操作脱扣线圈。

13. 如权利要求12所述的方法，还包括输出实际测试数据值和输出Flex操作数的步骤。

14. 如权利要求12所述的方法，其中执行相量估算的步骤使用重新采样。

15. 如权利要求12所述的方法，进一步包括远程传送所述测试脚本至所述继电器装置的步骤。

16. 如权利要求12所述的方法，进一步包括通过操作模式改变装置将继电器装置改变到测试模式的步骤。

17. 如权利要求16所述的方法，其中模式改变装置是至少一个测试开关，并且其中通过将所述至少一个测试开关操作到测试位置来提供测试模式。

18. 如权利要求17所述的方法，其中执行来自电力系统输入数据的电流样本和电压样本的相量估算和频率跟踪的步骤提供测试数据结果。

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