CN101237144A - 继电器设备及相应的方法 - Google Patents

Abstract

一种操作继电器装置的方法，该方法包括下列步骤：提供干线断路器和连接干线断路器的母线连接线断路器；定义包括干线断路器和母线连接线断路器的局部差动区域；为流入局部差动区域的故障电流方向分配第一值；为流出局部差动区域的故障电流方向分配第二值，其中第二值与第一值不等；比较分配给故障电流的数值；确定故障电流是否流入差动区域；相对于差动区域，确定是否故障电流中的至少有两个以不同的方向流动，其中一个故障电流流入差动区域，一个故障电流流出差动区域。

Description

继电器设备及相应的方法

技术领域

本发明通常涉及继电器，并且特别涉及电力系统保护继电器。

背景技术

时基协调和保护是调节低压配电系统的标准基础。进一步来讲，可以使用区域选择互锁和母线差动保护来加速保护装置的运行。但是，在现有的技术条件下，此类改进方法可能花费较高、较难操作、也难以达到预期效果。在当今注重弧闪和耐久性的意识环境下，故障清除速度和选择性能的潜在利益比以往更有价值。本描述中涉及传统保护改进方法，例如缺陷以及在注重故障范围、系统配置和装载类型的选择性能下，更有效达到快速清理故障执行地区范围保护的方法。

低压配电系统应在一定限制下提供可靠电力，所述限制包括但不局限于在可利用技术下产生的费用和设备大小。因而选择、安装和调节保护设备，并使其能快速操作、选择性、可靠地保护低压配电系统。传统上，保护通常通过调整故障电流(亦称过载电流或者过电流)的每个特性实现，靠近过载电流的下游装置比远离故障过电流的上游装置要快。例如，在图20里面描绘了一幅现有技术的时基协调继电器电路的功能性电路结构图，该继电器电路可以用在例如ZSI方案中。结构图中包括连接在接口模块上的跳闸装置。每一个干线和馈线断路器以及连接线断路器都有一个跳闸装置与之对应。跳闸装置被连接到接口模块。主干线由电源供电，例如，一个或多个公用发电机。跳闸装置和接口模块的使用是跳闸装置之间通过模拟电压信号进行通信的一个示例。该信号为一个跳闸或不跳闸信号。虚线块F1、F2、F3、F4和F5示意性说明故障位置。该时基协调可以达到良好的系统选择。然而，选择性需要通过耗费一些相关继电器的速度实现。在大型电力系统中，重要的干流设备(例如，上游、以及如干流线路断路器之类的电源侧保护设备)可能会被显著延迟以便有时间选择性清除负载侧设备。

有几种方法经常被用于改进时基协调。例如1)区域选择联锁；2)差动保护(如母线差动)。然而，这些方法是有局限性的，而且，对这些方法的不当操作还存在风险。如何通过使用单一处理机方法来减少这些风险也值得讨论(以下参照IEEE标准)。

区域选择联锁和差动保护可以改进保护装置(例如，加速保护设备运行时间)。清除速度也影响弧闪能量。然而，这些方法是有局限性的，而且，对这些方法的不当操作还存在风险。如何通过使用单一处理机方法来减少这些风险也值得讨论(以下参照IEEE标准)。

附带的弧闪能量是在一个电弧故障事件中估算出从一个电弧中辐射到空气的破坏性热能的技术，《IEEE弧闪危害计算指导手册》(IEEE标准1584-2002，由纽约电力电子工程师研究所出版，以下简称IEEE标准)对此进行了介绍。该基准基于在特殊实验室条件进行的一系列测试，并制定了使用电弧电流值识别保护装置运行速度和合成电弧能量的标准：计算出的电弧电流，85％的计算出的电弧电流，另外可能的变化，因为计算电弧电流的公式基于校准的故障电流和特殊电极形状。可能由系统阻抗引起的不明原因附加变化不被计入短路分析范围，例如连接和保护装置阻抗。不同于在实验室中使用的有关电弧活动的导体几何形附加变化可能使其实际情况和电弧电流预测之间产生差异。另外，该基准提供了各种条件下估算电弧电流和辐射射入热能有效距离范围的方程式。基准将电弧电流定义为具有有效电压，有效拴结故障电流以及电流输送导体间隙的函数。估算出的电弧电流少于有效拴结故障电流。电弧电流和有效拴结故障电流的关系对于一个32毫米的导体间隙在3种不同电压处的百分比。在43％-56％之间的480伏特电弧电流内，有效短路电流对有效短路电流值为20千安至100千安。(参照“IEEE”标准中有关附图1的描述)

弧闪能量是下述因数的函数，例如：1)电压-对于系统是固定的；2)有效短路电流-由系统设计和电源确定；3)工作距离-电弧长度有限；4)电弧间隙-由设备类型确定；5)电弧故障清除时间(而非短路清除时间)-保护装置基于电弧电流工作的函数。因此，短路电流被固定，且不能变化，因为电压、电弧或带电操作杆长度有限且不能变化。因此清除时间是唯一可以修改的参数。这清楚地表明电弧故障清除时间是重要的因素。

电弧电流和有效拴结故障电流的关系基于电流输送导体的电极间隙而变化。(参照IEEE标准，图2进一步描述了电弧电流作为预期故障电流的函数，在480伏特，HRG，各种电极间隙下，表明两者比率可从20,000安和13毫米间隙时的65％变化到100,000安和32毫米间隙时的43％。

保护装置的反应速度必须与在电弧故障事件中的电弧电流一同考虑。正如在IEEE标准中论证的，电弧电流在多个参数基础上会有不定的预期故障电流比例。定义的方法不能说明可能的变化，然而，保守使用该计算方法应大概考虑现有电弧电流计算方程模式中的电弧电流附加变化和射入能值。

其他需要考虑的因素有故障电流源、方向和每个故障电流输送的路径。母线的有效短路电流很有可能有一部分来自发电机输送。所有的考虑表明通过干线导致的电弧故障电流非常小。以上基于《保护和控制控电装置电流断路器单一处理器理论》[Valdes，M.，T.Papallo，I purkayastha合著，IEEE7-8月份学报，932-940页(2004)，以下简称学报]，例如一个62千安，4000安的低压开关装置母线和一个估计为10000安通过馈线输送的发电机，和一个估计为52000安通过干线断路器输送的转换器。通过干线过电流装置流入为480伏特开关装置提供的潜在电弧电流可以按照如下公式计算：

1)62000A-10000A＝52000A(仅为变压器贡献)

2)52000A×.48＝25000A(图形2曲线)

3)25000A×.85＝21250A(85％为从已知拴结电流中产生的电弧电流变化)[1]

因此，在有预计短路故障电流有效值的系统中，当干线发生电弧故障时，流入到干线装置的电流可能少于22,000。如果是一个4000安的母线，电弧故障电流可能落入干线断路器的5×pick额定值的容限，并且低于4000安L级保险丝的电流限制阈值的50％。这时，干线断路器可能不将此考虑为短时故障。

短路电流计算中错误使用信息或保守假定而计算出的高于实际故障值可能引起附加电弧电流变化。例如，导线终端阻抗和保护装置可能导致阻抗在短路电路中不被考虑。用来标识设备和组件的额定值的传统故障值计算方式通常是通过确定故障导致较高而不是较低的故障电流。然而，当计算弧闪故障能量时，过高或过低的电弧故障值都可能导致更危险的能量水平。过大的预计电流将导致过大的电弧电流，从而导致每周期产生过大的故障能量，而过低的电弧故障电流值可能导致保护装置降低运行速度，从而也会导致故障能量增加。

低电弧电流的电压能为弧闪状况增加更大的风险。任何装置，取决于高电流值而快速操作的保险丝或断路器能够在电弧电流低于预期值时与预期操作不同。对于系统中具有实现负载的短时特征的选择性的大型低压电力短路断路器甚至短时拾取点的设置均可能高于电弧电流的电压。

加之，IEEE标准中提供的信息(参照附图3)，阐明故障能量在回路中的清障时间的函数。480伏特、HRG、32毫米、18英寸、52千安Ibf，箱内电弧。并进一步描述出一个480伏特、电极间隙32毫米、工作距离18英寸的高阻抗接地(“HRG”)系统中计算的能量与周期中的时间的关系曲线图。图中指出超过22个周期的清障时间将导致约40cal/cm。高于这个水平，人工保护设备(“PPE”)的合适水平将不起作用。

正如上文指出，设置了5倍额定值的短时拾取的干线断路器实际上将产生18000安至22000安的短时拾取。尽管对于大型主线电路断路器而言该设置通常不会被设置这么高，但可能会在大馈线和高的涌入电流中类似的设置引起。电弧故障电流被计算约为21250安，并表明断路器将在其长时延迟代替速度更快的短时延迟被清除。即使该设备是区域联锁方案的一部分，如果电流没有超过短时拾取，设备将不在短时范围内运行。较长的清除时间将导致显著高的故障弧闪能量，从而超过了风险范围4(“HRC”)。一个有55000安附近的电流限制阈值的4000安L级保险丝也将不能改变该状况。

在区域选择联锁中，各级的断路器在其区域短时故障的最短延迟时间内选择性运行。一个3级区域选择联锁系统，如附图4中展示的一系列断路器将能够允许设备从下面的设备接收闭锁信号，同时将信号传送给在上面的下一个断路器。当断路器感应到电流超过其短时(ST)拾取电平时就会产生信号。如果断路器也接收到了闭锁信号，它将按编程的延迟运行。如果没有接收到闭锁信号，它将在最短延迟时间运行。

附图5中阐述了在一个双CB方案中，ZSI对上部CB的影响。区域联锁取决于馈电线断路器感应到区域内故障电流并将闭锁信号传输到干线和连接线。图中时间电流曲线展示了区域选择联锁对于双断路器(“CB”)的短时(“ST”)运行的影响。如果电流通过馈电线流入区域内故障，闭锁信号将使干线双断路器开始超过馈电线的清除时间的设定延迟运行。这保证了如果故障电流也超过干线短时提取时，馈线快速运行而维持干线作备用。如果故障发生在主干线上，馈线将看不到它，并且干线将在更快时间延迟内运行并在少于100毫秒时间内清除。

在附图6中描述了由电源和发动机供电的母线故障。在所示系统中，一个800安框架双断路器为一个有4台100Hp电机的MCC(电机控制中心)输电。每个电机的满载电流为146.3安，锁定转子电流为863安(5.9乘以满载安培(“FLA”))。电机将在系统的预期运行期间各自启动。800安的双断路器设置高于电机组的满载电流-732安的125％(146.3A×4×1.25)。将断路器的短时提取设置为清除3台电机FLA(满载安培)的125％+一台电机的启动电流的125％[(146.3A×3+146.3×5.9)×1.25]，1624安。

在附图7中描述了一个为电机控制中心负荷设置的馈线，1个电机启动并且是馈线的时间电流曲线，干线(在区域联锁模式下运行)和电机负荷。在其他3个满载运行时，电机负荷对于一个电机可以在10秒钟快速启动。

在附图8中描述了电机控制中心故障对干线故障的作用，来自馈线的ZSI信号迫使干线双断路器产生两个延迟。这在母线故障条件与附图7中描述的电路相同，和MCC作用于短路电流0.1-0.05秒。电机的作用足以在馈线断路器中启动短时计时，而馈线断路器也将发出一个联锁信号给干线，使主线在一个延迟时间段内运行。干线达到保护的干线区域内故障比系统设计者所期望的慢很多。由电机作用引起的反电流欺骗馈线断路器运行，就像它在它的负载侧给故障供电一样。此时，ZSI执行与预期恰恰相反。

该风险可以通过将馈线的延迟设置为更高值或调整短时拾取为更高值来解决。每种情况，一些期望的保护都是妥协的。

在没有低压主线的母线情况下，主要中等点压转换器保护设备主线可能是具有馈线的地区联锁。通过馈线由电机引起的故障产生的问题在主线位于转换器另一侧是同等有效，并且比中等电压设备的期望运行更慢也是可能的。

发明内容

通过本发明的一个实施例可以解决上述一个或多个缺陷，以及其他缺陷，本发明提供了一种操作继电器设备的方法，该方法包括以下步骤：a)提供包括第一和第二干线断路器及连接第一和第二干线断路器的母线连接线断路器的电路；b)定义包括第一断路器和母线连接线断路器的局部差动区；c)确定在至少一个断路器处于短时拾取时，说明电路中至少存在一个故障；d)确定电路中故障电流的方向，如果至少一个断路器的短时拾取超过至少一个断路器的预定阈值，判断每个故障电流的方向为流入或流出差动区；e)为流入差动区的故障电流的方向分配第一值；f)为流出差动区的故障电流的方向分配第二值，其中第一值与第二值不等；g)将分配给故障电流的值进行比较；h)确定是否每个故障电流流入差动区；以及i)相对于差动区，确定每个故障电流中是否有至少两个电流以不同的方向流动，其中一个故障电流中流入差动区，另一个故障电流中流出差动区。

本发明的另一个实施例，其中是一种计算机程序产品，包括：可由继电器设备读出的程序存储设备，由继电器设备执行的指令实施该程序，来执行操作继电器设备的方法步骤，该方法步骤包括：a)提供包括第一和第二干线断路器及连接第一和第二干线断路器的母线连接线断路器的电路；b)定义包括第一断路器和母线连接线断路器的局部差动区；c)确定在至少一个断路器处于短时拾取时，说明电路中至少存在一个故障；d)确定电路中故障电流的方向，如果至少一个断路器的短时拾取超过至少一个断路器的预定阈值，判断每个故障电流的方向为流入或流出差动区；e)为流入差动区的故障电流的方向分配第一值；f)为流出差动区的故障电流的方向分配第二值，其中第一值与第二值不等；g)将分配给故障电流的值进行比较；h)确定是否每个故障电流流入差动区；以及i)参照差动区，确定每个故障电流中是否至少两个以不同的方向流动，其中一个故障电流中的流入差动区，另一个一个故障电流中的流出差动区。

以上简要描述阐明了本发明的重要特征，以便下面的详细描述易于理解，也令本发明对现有技术的贡献更明了。下面将就其进行详细介绍，以便理解。下文将介绍本发明的附加特征，这些特征属于该发明的附属的权利要求的主旨。

基于此方面，本发明不局限于其所申请的在下面描述或附图中阐述的组件设置和结构的细节。本发明也可以以其它实施方式，并可通过多种方式来操作、运行。因此，可以理解的是，以下的措辞和术语是为了描述本发明，但不应局限于这些措辞和术语。

因此，本领域技术人员能够理解，本技术的下列描述可以作为实施本发明多种用途的其他结构、方法和系统基础。因此，重要的是，本发明的权利要求被认为包括所有等同结构，它们均不视为超出本发明的主旨和范围。

前述摘要也将能使读者在浏览时能快速了解本申请的技术方案的特征和本质。进一步讲，摘要不意图定义仅由权利要求限定的的本发明或申请，也不是意图使用任何方式限定本发明的范围

附图说明

通过参考结合附图考虑的下面的详细描述，可以更好地理解并且更容易得到对本发明更彻底的理解以及其许多伴随的优点，其中：

附图1是关于电弧电流作为预计故障电流函数，在32毫米间隙，电弧电流故障情况下的曲线图[2]。

附图2是关于电弧电流作为预计故障电流函数，在480伏特，HRG下，对于各种电极间隙的曲线图[2]。

附图3是故障能量在周期中作为清除时间的函数，在480伏特、HRG、32毫米、18”、52千安Ibf时的曲线图。

附图4是对一个3级区域选择互锁系统的图解。

附图5对区域选择互锁(ZSI”)作用于配置了两个断路器装置的上游断路器的图解。

附图6对由电源和电机供电的母线故障进行图解。

附图7是关于馈线、干线(运行在区域选择互锁模式下)和电动机负载的时间电流曲线；电动机负载在其他三个电机满载运行时，另一个电机10秒快速启动。

附图8对附图7中的电路进行图解，电机控制中心(“MCC”)故障作用于干线母线故障-线断路器(“CB”)由ZSI从馈线接收的信号迫使发生两次延迟；在母线故障情况下，MCC在0.1-0.05秒提供短路电流，其中干线对其保护区内的故障反应比设计者要求的缓慢。

附图9对具有选择连接线的区域选择互锁的基本配置进行图解。

附图10对具有快速干线的区域选择互锁的基本配置进行图解。

附图11通过传统ZSI(左)瞬时值与更快执行(右)交迭馈线瞬时值对时间电流曲线进行图解。

附图12对两区双端变电站进行图解。

附图13显示了通过同时采样的得到的四个波形的瞬时值，其中在单个放射系统的的四个电流的四个瞬时(单次数据采样)值，可以用于计算每次数据采样的母线的差动电流。

附图14显示了对作用于左侧线路故障的故障电流；左侧干线和朝向母线流动的连接线，因此确定故障位于干线母线。

附图15显示了作用于干线故障前方的故障，而两个母线都表明连接线和干线的电流以相反方向流动时，存在通过故障；通过使用干线断路器来保护该情况下的电流方向。

附图16显示了一个TCC：模制箱式断路器(“MCCB”)，Swgr馈线和Swgr母线，其中在1600安馈线下面增加了电流限制MCCB以进行对比。

附图17显示了Kirchoff的节点定律，其中所有流入节点的电流与流出节点的电流相等。

附图18是本发明一个实施例的通过使用电流方向数据来确认故障位置的流程图。

附图19时本发明一个实施例的确认故障位置的流程图。

附图20显示了现有技术中的时基协调继电器电路的功能性结构图，其可以用于，例如，一个ZSI配置，其中图示的跳闸单元与接口模块相连接。

附图21显示了本发明一个实施例的功能性电路的结构图，其中有用于差动区域选择互锁配置的具有中央处理器的智能电子装置(“IED”)，以跳闸连接到系统的断路器，还包括位于每个断路器的节点，每个节点接口具有中央处理器以提供节点数据用于处理、确定等。

附图22显示了位于位置F4的区域外故障，其中(由于IA和IB以不同的方向流动)，F4上故障为区域外故障，以邻近F4的X表示。

附图23显示了位于位置F2上的区域内故障，其中(由于IA和IB以相同的方向流动)，F2上故障为区域内故障，以邻近F2的X表示。

附图24显示了确定内部或区域内故障是否为馈线故障，以及不是在差动区域320内的细节。

附图25显示了确定馈线、馈线E、电流IE是否进入差动区域的其它细节，故障为区域内故障，位于F2位置。

附图26显示了ZSI区域和ZSI区域内的DZSI区域。

附图27显示了本发明一个实施例的具有4个交迭局部差动区域的电路图。

附图28显示了时间电流曲线(“TCC”)，在局部差动区域(“PDZ”)内的干线、连接线、馈线将在层叠时间延迟内跳闸，其中通过使用DZSI操作，使在同一个时间点对于干线、连接线和馈线，跳闸操作完全同步。

附图29显示了在并行双端系统上的母线和/或反向故障电流位置的电路图。

附图30说明本发明一个实施例的电流流动的电路图。

附图31说明本发明一个实施例的电流流动的电路图。

附图32说明本发明一个实施例的电流流动的电路图。

附图33是本发明一个实施例的故障前正序矢量图。

附图34是本发明一个实施例的故障后正序反向故障电流矢量和故障前正序电压参照矢量图

具体实施方式

引言

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。

在本说明书中，可以采用“基本同时运行函数”的表达。在单处理器设备的情况下，该表述表示在相同的1/2周期处理器操作时间内执行一些函数，这样在相同1/2周期处理器操作时间内执行的所有函数的结果在任何一个断路器指令发出之前均予以考虑。因此，多个函数可以处理基本相同的同步数据并且优化它们的整体性能。对于系统结构上的其他细节，请参照美国专利号6,985,784，该专利文献的内容全部包括在这里作为参考。此外，使用在单处理器设计的电流互感器并不是传统的ANSI继电器级变压器。该电流互感器称作检测器并且具有低于1安培的二次电流。它们的这些特性包含在处理器功能中并被补偿。

图21示出了功能电路300的方框图，其示出用中央处理器306或者单处理器系统构造的智能电子器件(“IED”)(也称作继电器)。该IED可用于例如DZSI方案中，从而跳闸连接到该系统304的断路器304，306，308，310。节点302位于每个断路器上并且与中央处理器连接，从而提供用于处理和进行决定等的节点数据。应该注意，节点302在本文中可称作元件，区域中的断路器，电流源和/或测量电流的点。在本系统304中，节点302是其中测量电流的点。图21的方框图包括连接到中央处理器304的节点302。存在对应于每个干线306和馈电线断路器以及连接线断路器308的节点。节点302连接到中央处理器304。干线306由电源312馈电，电源312例如是一个或多个公用发电机。虚线正方形F1，F2，F3，F4和F5示出了故障的示意位置。节点302和中央处理器304的应用是实时处理的实施例，其中节点302和处理器304系统几乎同时处理信号。例如将这些信号进行连续并打包，因此通过电流互感器(“CT”)(未示出)得到的模拟信号转换成数字信号。图21中示出的方案可用于例如确定相关电流方向，以便确定跳闸决定和例如定时。本领域普通技术人员也可以进行其他决定。

具有连接线的多源系统中的ZSI应用：选择性或保护：在具有连接线断路器的配电系统中，将ZSI方案构造成两种不同的方式；具有选择性连接线，或者具有快速干线。附图9说明了有选择性连接线的ZSI和选择性连接线的基本设置。附图10说明了为快速干线的具有快速干线的ZSI。这些方案都在选择性和快速保护之间进行了折衷。

DZSI的操作理论：1)在本发明的实施例中，反向电流采用电压极化来检测和跳闸干线断路器。反相电流将采用“历史”电压-例如来自故障之前的约6到30周期-用于方向比较。在本发明中，如果干线断路器306(即，图25的干线A的断路器)在传动装置上闭合，那么该功能并不起作用。此外，在本发明的实施例中，反向电流将与DZSI相互作用，这是因为对于反向故障需要“翻转”ZSI层。2)母线差动检测并清除区域母线故障的较低电平；3)在本发明的实施例中，DZSI处理方向以及并联故障情形；并且DZSI与单个断路器的短时功能(“ST”)相互作用，改变了用于改进的故障清除的延迟以及基于故障情形上的选择性。

此外，针对DZSI的操作理论：1)在本发明的实施例中，DZSI以母线和区域原理操作，与ZSI多点IED(或者继电器)相同，例如由通用电气制造的Entellisys^TM。因此，DZSI在CCPU固件上操作；采用多点继电器的母线和区域配置技术进行操作；采用HMI配置软件进行操作。单处理器系统为将要确定的电流方向提供平台。DZSI系统的实施例计算矢量。

采用DZSI检测四种故障情形：1)区域内母线故障；2)未进行区域拾取的区内馈电线故障；3)已经进行区域拾取的区域内馈电线故障；以及4)干线断路器上的反向故障。应该注意，采用DZSI进行区分来检测四种故障情形，是因为断路器原始和备用跳闸时间的时刻对于不同的故障情形是不同的。DZSI逻辑用于基于几种系统电流测试来区分故障类型。测试的结果是确定故障类型。每个测试可由本领域普通技术人员来确定。采用每个测试所得的故障类型(即，区域内故障，区域外故障，区域内馈电线故障，无故障，区域内反向故障，区域内母线故障)来产生状态表。

用于为DZSI确定故障情形的电流测试是：1)DZSI区内故障；2)DZSI区外故障；3)逆向干线故障；4)拾取中的馈电线；和5)馈电线方向。图26示出DZSI区330和ZSI区340的实施例。DZSI区330包括干线A、B，断路器306和位于母线324边界上的母线连接C，D断路器308，DZSI区330的功能在于保护。DZSI区330不包括母线324的E、F和/或G馈电线断路器310。基于干线断路器306和连接线断路器308的局部差动计算确定DZSI区域电流。ZSI区340包括图26中示出的所有断路器。图26中未示出局部差动区的实施例。

将局部差动(“PD”)计算定义成干线断路器和连接线断路器的矢量和。基于电流幅值可将不同的技术用于实现这种计算。DZSI区的逻辑，简化成：1)区外：a)PD确定区内/区外故障；b)采用反向电流来区分通过和反向故障；以及2)区内：a)PD确定区内/区外故障；b)馈电线拾取来区分母线和馈电线故障；以及c)将馈电线方向用于确定馈电线不对母线故障送电。在本发明中，与以前的例如限制断路器的ZSI保护方案那样的保护方案相比，干线断路器和连接线断路器不受限制。

在选择性连接线结构中，连接线两侧的馈电线断路器与该连接线互锁。然后该连接线与两个干线互锁。馈电线之下的故障将正确保持连接线和干线以延时间隔操作，同时馈电线将更快地清除故障。对于任一母线上的故障，连接线在分开母线时将延迟干线。然而，分开母线并不能清除故障。发生故障的那条母线保持故障直到后来每条干线清除一个时间延迟为止。在该情形下，馈电线，连接线和干线进行协作，节约了一个延时，但故障仍能通过一个电源保持通电来两个延时。

快速干线连接采用连接线和两个干线断路器来互锁馈电线。在这种情况下，三个断路器将母线故障看作为它们各自区域之内的故障，并且三个断路器将以最小的延时进行跳闸。实现了快速保护，但牺牲了系统的可靠性。

在理想的系统中，向故障母线馈电的干线和连接线以最短时间清除，同时其他母线仍然连接到其专用源。

区域选择性互锁和干线断路器前方的故障。大多数的低压电力系统将通过低压干线断路器从变压器进行馈电。当故障出现在低压干线断路器和变压器次级端子之间时就出现了故障检测和隔离问题。在闭合连接线断路器的操作过程中，采用与故障并联的电源从其他电源通过连接和两个干线断路器(见下面的图15)进行馈电。了解电流幅值不足以识别故障位置。在图9所示的选择性连接线结构中，连接线断路器将首先清除并且将故障与其他电源正确隔离开，尽管不能与所有的马达贡献隔离，并且不必在至少一条母线上降压。然而，在快速干线结构中，干线和连接线将几乎同时清除，不必要地将两条母线与它们的电源断开连接。

在理想情况下，最靠近故障的干线在大约最小的时间内将故障从其他电源隔开。同样，作为另一干线的连接线保持闭合。中压器件也应尽可能快地操作，从而将故障与其初级电源隔开。为此，必须知道故障位置。

正常的具有ZSI的断路器跳闸将不能将设备母线上的故障和变压器端子中任何一个端子上的母线前的故障分开。在本实施例中，图9的三个断路器(1a，2和1b)，断路器发现基本上由一个变压器贡献的相同故障电流。在该故障情形下，图9中示出的连接将跳闸连接线而不是干线跳闸，而不必要地将一条母线从可行电源断开。在图10所示的连接中，所有的三个断路器几乎同时跳闸，将两条母线几乎同时从所有的电源断开。

区域选择性互锁和瞬时保护

图11示出常规的ZSI(左)上瞬时与快速执行(右)重叠馈电线瞬时。为了实现最快速的保护和最小的级联延时，希望采用馈电线断路器，同时，将瞬时特性设定得足够低以便检测被保护电路中的电弧电流。上面的任何断路器可设定为短时间带(short time band)来采用馈电线断路器进行选择。常规上，短时间带定位成超过馈电线断路器瞬时操作的清除时间。采用大储能器件通常可以3个周期(50毫秒)汲取瞬时清除次数。下一个器件中的短时间带将在3个周期之上启动，如图11的左侧所示。

应该更加期望图11的第二断路器的短延时更快操作并且仍然采用下面的低压电力断路器的重叠瞬时响应来维持选择性。图11的右侧示出两个断路器，其中主要器件以更快的短时间带操作，该短时间带与馈电线的瞬时带重叠。还在上游的任何区域选择互锁的断路器将以同样的短时间带选择性操作。该第二较快操作模式将是优选的，这是因为它使得保护更快，只要可通过瞬时和快速瞬时保护的相互作用可提供选择性即可。约20到25毫秒的延时对于采用大多数模制壳断路器(MCCB)同时操作的清除时间进行选择是足够的，该断路器可通过干线装置进行馈电(注意，可提供的最小延时可通过制造商进行改变)。注意，图28的TCC曲线。图28示出了采用馈电线在100ms时的PDZ，例如，干线，连接线和馈电线将采用级联延迟时间进行跳闸。注意，不管怎样，对于DZSI操作时的母线故障，在干线，连接线和馈电线的相同时间点，跳闸操作基本上是同时的。

母线差动保护

母线差动保护基于基尔霍夫节点定律，该定律声称流进节点(母线)的所有电流必须等于流出该节点的所有电流。图17中示出基尔霍夫节点定律。在图17中，基尔霍夫节点定律：流进节点的所有电流I₁，I₂，和I₃等于流出该节点的所有电流I₄；流进和流出节点的电流和等于零，如图17所述的表示基尔霍夫节点定律的等式(5)所表示的。应该注意到，本文中将节点限定为指的是元件，区内断路器，电流源和/或其中测量电流的点。母线差动系统能计算经历检测和信号处理中的误差极限值的故障电流。将典型的中压母线差动实施方式中所用的电流互感器(CT)选择成具有高达20X的相对线性特性。此外，典型地使用专用CT，该CT具有相同的变换系数并且大小可以为最大期望故障幅值提供足够的动态范围。

I₁+I₂+I₃+I₄＝0(5)

传统的母线保护采用专用电流互感器以及专用继电器来实现，如图12所示。在低压场合，传统的母线差动保护方案通常被认为成本太大或者太复杂以致于不考虑用于母线保护。采用断路器检测器的由单处理器设计实现的实施方式，成本上更有效，然而它不能处理所要求的动态范围以维持对于一些由于传感器饱和(即CT饱和)而导致的故障幅值自由跳闸的损害。

在低压系统中，母线差动对于检测较低值的高阻抗故障是很有益的，其中较低值的高阻抗故障可以或者可以不超过大的干线断路器以及连接线断路器的短时(ST)拾取。当故障电流增加时，区域互锁系统(即，ZSI)提供与差动系统类似的结果(即，DZSI或者PDZ)。因此，将母线差动保护和正确地设定区域选择瞬时保护进行组合可以在最小时间内提供宽范围的选择保护操作。该期望将选择性地且快速地正确定位非常高的阻抗电弧故障到全拴结故障(fullbolted fault)。

单处理器概念和故障位置

用于电路保护的单处理器是其中单个处理器获取相关系统信息，并且对于配电设备的全线路能够基本同时进行处理。由于将电流和电压信息同步，并且可以基本同时在一个位置使用，那么可以采用基本同时的信号时间数据采样或者时间上计算的均方根(“RMS”)值来进行计算。发出的数据种类取决于哪些对于计算是最佳的。

图13示出了在采样半径系统中四种电流的四个基本同时的(信号数据采样)值怎样用于计算每个数据采样上母线的差动电流。正确的极性指定使得可以仅采用电流幅值的每个数据采样来进行差动计算。这些计算可对于期望信号以及处理误差进行调整。经验数据显示，通过采用这种方法和铁心电流互感器，母线额定电流之下的故障电流保护的方案实现了。执行计算诸如1或1.5个周期的时间长度使得可以形成足够的计算，从而以高度的确定性来确保故障电流的幅值和位置。

单处理器概念允许对于例如不需要单一功能的专用器件的母线差动的多种保护和控制计算或者系统采用相同的电路信息。因此，提供正常过流、接地故障和区域选择互锁的相同的硬件可以基本同时提供母线差动保护。

组合母线差动和区域选择互锁：宽范围的故障检测

差动系统对于低压场合是足够的，其中该差动系统对电路中的任一电流互感器测量10倍的额定电流的地方起作用。该差动功能可通过短时区域选择互锁方案来实现。这种组合在所有的期望故障范围上提供故障检测和位置信息。将差动计算限制到其中所测量的电流不超过系统中任一CT额定电流的10倍的范围内保持了变压器线性范围内的计算。

例如，具有4,000A干线和连接的4,000A母线具有超过40,000A的故障电流在母线差动系统中断之前通过干线或者连接线。在其中故障在1,600A馈电线之下时，通过馈电线的故障电流超过16,000A，从而使母线差动系统停止工作。在任一或者这些情况下，电流足够大，从而进行断路器的短时(ST)拾取，以便很好地隔离故障，并且对于来自较大电源的1.5周期正向馈电故障达到10X，而不是反馈的马达贡献，如果需要的话。

用于检测具有多故障电流源的故障系统中电流方向的方法：相关方向。

为了处理由马达贡献或具有多电源的闭合连接操作而产生的可能问题，区域选择互锁系统必须识别相对的故障电流方向。区域选择操作的传统实施方式不能这样做。故障电流方向的充分识别可在单处理器系统中实现，这是因为故障电流可以互相比较。由于目的是识别相对方向，因此并未采用精确的角度和幅值，并且可以容许较大的误差而不损失主要的方向信息。为了处理连接的哪一侧是故障的位置的问题，可采用与局部差动计算类似的方法。局部差动计算采用了干线和连接线，因此减小了由多个与馈电线相关的小电流互感器所导致的累积误差。电流方向可定义成流向母线的电流流入(+1)，或者流出母线的电流流出(-1)。图14。这样就识别了主母线上的故障，(+1)对于干线电流，(+1)对于连接线电流，其都流向母线。右侧母线具有流进(右侧干线电流(+1)的一个电流)，以及流出(连接线电流(-1))的一个电流，因此该右侧母线不是故障母线。

在单个馈电线断路器进入除干线和连接以外的短时(ST)跳闸拾取时序的情况下，该馈电线的电流方向也可与干线电流方向和连接线电流方向进行比较。如果确定电流为流入，那么故障位于母线之中。如果馈电线中的故障电流与干线和连接线中的电流的电流方向相反，故障为由馈电线馈送的贯穿性故障(through-fault)。

在两条馈电线基本同时都到达短时(ST)拾取时序的情况下，可确定馈电线电流流入与干线和连接线电流相同的方向，即，流入；这种情况表明故障位于母线之内。如果一条馈电线电流流入并且另一条馈电线电流流出时，那么该故障位于该一条馈电线的负载侧，并且具有与所有其他的过电流流向相反的电流。

其中两条馈电线在它们的负载侧基本同时馈送单独的故障的情况是不可能的。然而，它不导致缺少跳闸。方向逻辑可识别不与干线和连接线相同的流入方向流入，因此两条馈电线都跳闸。

局部差动区域

用于确定电流方向的断路器跳闸的特定方法考虑每个区域，仅采用连接线和干线的局部差动区域(“PDZ”)。当PDZ中的任一CB识别为具有超过其短时阈值的电流时使用等式(1)。

$I_r=\underset{1-p}{\mathrm{\Σ}}{I}_M-\underset{1-q}{\mathrm{\Σ}}(I_T*D_T)---\left(1\right)$

其中I_r是PDZ的剩余值，I_M是干线电流，I_T是连接线电流，D_T是连接线的参考方向单位矢量。这样设计参考单位矢量：如果连接线和干线电流流向母线，那么等式(1)将两个电流相加。标记p和q分别表示馈电PDZ的干线和连接线数量。I_r与例如区域中(通常为干线)的最大CT的1.5倍的最小阈值进行比较。当I_r超过该阈值时，故障位于区域内或者由该区域馈电。

在一个或者多个电流读数超过10X其相应的CT时，进行测试以确定每相电流的大参考矢量。然后，处于短时(ST)拾取的其他电流与每相电流的这些大参考矢量进行比较以确定相对方向。

在电流读数低于或者等于10X其相应的CT时，进行测试以确定每相电流的大参考矢量。然后，处于短时(ST)拾取的其他电流与每相电流的这些大参考矢量进行比较以确定相对反向。该测试采用下面的等式(6)和(7)：

$I_r=\underset{1-P}{\mathrm{\Σ}}(I_M*D_M)+\underset{1-q}{\mathrm{\Σ}}(I_T*D_T)---\left(6\right)$

I_R＞＝1.5*Max(CT)(7)

可为确定为真的每个断路器进行下面的相对电流方向测试。该测试将包括提供参考相的断路器。首先，计算参考断路器和测试之下的断路器之间的角度差，如下：

Δθ＝ang(I)*D-ang(I_R)*D_R    (8)

其中，在等式(8)中，ang(I)和ang(I_R)分别是在测试和参考相的断路器的故障相上的角度。同样在等式(8)中，其中D和D_R分别对应于测试中的断路器以及参考相的断路器的方向设定值。

对于每相，选择参考电流和角度，其中-I_β是参考电流，ang(I_β)是角度。局部差动区中该相的其他故障电流是否相同由首先通过下面的等式(2)来计算区域中的故障断路器和参考故障断路器之间的角度差来识别。在等式(2)中，I_α是被考虑的电路中的相电流，Δθ是角度差。

Δθ＝ang(I_α)-ang(I_β)    (2)

计算等式(2)，并且对于每相一旦发现参考矢量，将局部差动区中超过设定的电流阈值的每个断路器的各相中的电流矢量进行比较。将角度差Δθ进行检测以确定电流是否同样流入母线，其中电流流进母线被定义成IN或者INWARD并且指定为布尔数学体系的数字1，电流流出母线被定义成OUT或者OUTWARD并指定为布尔数学体系的数字0。该逻辑可处理明显的角度误差，这是因为，对于相反的电流，期望的角度差是180度。如果与180度的角度差为±60度，那么考虑电流方向相反。

图22和23示出了PDZ320的设计，用于为区外故障和区内故障分别分析电流方向。在每个图中，PDZ由围绕干线A的断路器306以及母线连接B的断路器308的虚线320进行限定。

图22示出位置F4处的区外故障，其中该故障由临近F4的X表示。在本实施例的区外故障情形下，流过干线A的断路器306(从电源312流出并流入到局部差动区域320中)的电流IA设定成1，用于显示其INWARD，或者流进该区域的方向。此外，对于本实施例中的区外故障情形，流过母线连接B的断路器308(即，流过母线连接线断路器308并流出PDZ320)的电流IB设定为0，以显示其OUTWARD，或者流出该区域的方向。总的来说，IA被分配1，IB被分配0；因为IA和IB以不同的方向流动，因此F4处的故障是区外故障(即，局部差动区域的外部)。

图23示出了位于位置F2处的区内故障，其中该故障用临近F2的X表示。在本实施例的区内故障情形下，流过干线A的断路器306(从电源312流进局部差动区域320)的电流IA被分配1，以显示其INWARD，或者流入到区域中的方向。此外，对于本实施例中的区内故障情形，流过母线连接B的断路器308(即，通过母线连接线断路器308并流入局部差动区320)的电流IB被分配1，以显示其INWARD或者流进该区域的方向。总的来说，IA被分配1且IB被分配1，这是因为IA和IB以相同的方向流入，因此F2处的故障是区内故障(即，在PDZ内部)。

然而应该注意，由于这是PDZ系统，因此必须对馈电线进行其他的考虑，以便确定故障是否位于区内还是通过该区域馈电。为了确定故障是在区内还是通过该区域馈电，考虑从母线馈电并且处于短时拾取的馈电线电流。例如，如果确定流过馈电线的电流超过10X(设计的可能马达贡献之上的值)，那么确定故障位于馈电线的下游。如果电流处于定义成低于10X但是高于馈电线短时拾取的范围内，那么确定馈电线的故障电流的方向，以正确定位故障。被定义范围内的值经历可靠的结果。同样注意，使用PDZ的理由就是PDZ的干线和馈电线可具有不同额定值，即，5∶1，6∶1，20xMax；馈电线断路器可具有100xMax的额定值。然而，在该额定值的馈电线断路器可能不会足够精确地读取电流来确定方向。

图24和25示出当结果为区内故障时PDZ320系统的馈电线分布的考虑因素，例如图23示出的，图23示出了指向区域内的电流IA和IB(如同图23的IA和IB情形)。接下来，图24示出确定INWARD或者区内故障是否是馈电线故障并且不在局部差动区域320中的细节。如果馈电线，馈电线E，电流IE流出局部差动区域320，那么故障是区外故障，在图24的F5位置处(馈电线E断路器310的负载侧)。

图25示出确定馈电线，馈电线E，电流IE是否流进PDZ320然后确定位置F2处的故障是否是区内故障的其他细节。对于具有IE分布的区内故障，IE基本是马达贡献电流；当馈电线上的负载是马达时，如区内320的故障情形中馈电线E上的虚线中的马达322所示，马达负载产生在PDZ320中的F2处的故障馈电的电流IE。本发明的实施例通过确定相对电流方向(与更难确定或计算的电压极性相反)而执行局部差动区域320的保护。相对电流方向方法的有益之处包括：1)在故障事件中电流并不消失(然而在电压极化中使用的电压在故障事件中消失)；2)确定方向可以消除功率因数；以及3)故障类型或者由于故障类型不能用于确定电流方向的角度(而在其他计算中，例如以前使用在另一方法中的30度相间故障并未采用，这样30度的角度不需要使用在该决定中)。所有的这些有益之处简化了本发明实施例的确定。

如上所述，为了确定馈电线故障电流的相对方向，将馈电线故障电流与参考矢量进行比较，在参考矢量中参考相表示每个故障的PDZ的IN电流。矢量代表由故障PDZ或预定范围供电的每条故障馈电线的每相电流，馈电线输送电流朝向下游故障。然而，如果角度差在该范围之外，那么馈电线向主母线运送马达贡献电流。一旦为故障馈电线进行了这种比较，那么可以确定一条馈电线是否馈送其保护区内的故障或者多条馈电线是否向母线故障运送马达贡献电流。

一旦确定区域中的每个CB运送什么，可打开(跳闸)1合适的断路器，(即，一条干线，干线和连接线，或者进入到包括马达的母线中的几个电源)。如果备用适合故障时刻的故障位置，幅值和系统结构，那么可识别并操作正确的备用断路器。可在为单个断路器形成短时计算的大致相同的时间内进行，如同例如1.5个周期那么快。

注意，在本发明的替换实施例中，可重叠多个区域。图27示出了本发明具有四个重叠的局部差动区域320的实施例。每个局部差动区域320，称作Z1，Z2，Z3或Z4中的一个。本实施例中的每个局部差动区域包括干线断路器306，分别将每个区域Z1，Z2，Z3或Z4标记为M1，M2，M3或M4。每个干线断路器用M标明，并且作为源断路器来区分每个断路器。此外，每个局部差动区域包括两个母线连接线断路器，每个母线连接线断路器分布到两个区域上，如图27所确定的。例如，母线连接线断路器T1是Z1和Z4的一部分；母线连接线断路器T2是Z1和Z2的一部分；母线连接线断路器T3是Z2和Z3的一部分；母线连接线断路器T4是Z3和Z4的一部分。母线连接线断路器308位于环形母线325上。四个区域Z1，Z2，Z3和Z4一起包括全局区域。

下面表现图27限定的用于电力系统中的连接线断路器T1的层矩阵(tiermatrix)的实例，同时也是连接线断路器T1的层次设置矩阵：

相对于图27的重叠区域结构，上面的连接线矩阵实例提供了与T1相关的故障区域信息。在表1的实例中，区域1和4中的故障设定值应当不设定，这是因为连接线T1是这两个区域的元件。区域3中的故障设定值也应当不进行设定，因为在这种情况下连接线断路器T1是其元件的区域1与故障区(该区域中所有的连接线断路器是外部连接线)不相邻。

每个外部连接线断路器具有被限定的层分配矩阵。该表的内容指定与故障区域相邻的非故障区域(包含至少一个外部连接线的区域)的示意性可能系统故障情形的层设定值。不必为仅包含外部连接线的区域指定层矩阵，这是因为相邻的区域为这些连接线提供新的层值。这些矩阵限定了当连接线断路器直接或间接馈送电流到故障位置时对于各情形的参考断路器以及Δ。每个连接线断路器具有最大四对不同的参考断路器和对应的Δ。参考断路器和对应的Δ的数量对于小于4个区域的系统可以不同。基于故障的位置(即，故障在哪个区域)计算其他的连接线值，其他的层值等于由Δ值增加的故障区的参考断路器的层值，该Δ值可以由本领域的普通技术人员确定。

进一步相对于图27的实施例，基本同时出现多个故障(不同区域上的多个故障)，该系统将采用新的层和ST延时值来更新故障区，其可以由本领域普通技术人员确定。备用区中的断路器将具有它们的层和相应于每个故障调节的ST延时，其可以由本领域普通技术人员确定。

相对于图27和相邻区域中的故障如果存在处于区内故障状态的多个区域，并且这些区域相邻(具有共享断路器的区域)，那么该系统可指定层和对应于每个区域的元件断路器的故障类型的ST延时值。在为共享断路器设定新的值时，该系统将确保在一个故障区处于区内母线故障时，通过该区域成功设定共享断路器。在结合其他故障种类时，该系统仅在新的值大于先前的设定值时设定共享断路器的层和ST延时值。

图18是采用电流方向数据来确定故障位置的本发明的实施例的流程图。该方法在步骤S200开始。接下来在步骤S201，断路器进入到短时拾取。接下来在步骤S202，预见系统上所有的故障断路器。接着步骤S204，确定局部差动区域中的电流是流进还是流出PDZ。如果电流流出PDZ，那么在步骤S206什么也不做。然而，步骤S206可以替换地接着步骤S207，其中对于区域故障之外，执行连接线断路器规则或计算。返回到步骤S204，如果确定电流流进PDZ，那么在步骤S208，发现系统上的馈电线故障。在步骤S210，确定PDZ的馈电线故障电流方向。接下来在询问S212，确定故障电流是馈电线故障还是母线故障。如果询问D212的答案是母线故障，那么采用不限制，且短时(ST)拾取工作。如果步骤S212询问的答案是存在馈电线故障，那么在步骤S214执行ZSI规则。接着ZSI规则，改变ST延迟，就像前面提供的在表1矩阵中描述的那样。

在干线断路器之前的故障电流方向的检测方法：

绝对方向

基于电源电路器中的电流相对方向的分析将得到非决定性的结果。在干线路侧上故障的情况下，基于电源断路器中的电流相对方向分析的将不能确定故障位置。左侧母线或者右侧母线将示出故障位于其中。两母线将示出连接线和干线，流进相对方向的电流示出故障结束。(参照附图15)。为了确定此种情形下的故障位置，需要了解通过干线断路器的实际电流方向。

在基于单处理器的系统中，当前的位置数据可与存储在该基于单处理器的系统中的以前的位置数据进行比较。在检测到电流超过拾取阈值之后，当前以及以前的位置数据提供了故障之前的电压与故障之前和之后电流的比较。本发明的这个实施例将故障电流的相角和故障之前电流的相角进行了比较，并且检测了反相电流故障。故障之前的电压矢量可进行连续计算，更新和存储(尤其在其被更新(或之后)可以放弃先前的值)。当超过故障幅值的电流幅值超过时，来自预定数量的在先周期的电压矢量用作参考值(即，20个周期)。反相通过180度相移来显示，同样，故障情形也可引入其他的滞后。因为电压在故障情形下相当大地减小，因此故障后相电压是反相信息的不可靠来源。在电压基本完全崩溃时，较小的剩余电压将是母线电压(IR)降，其与电压同相并且因此不经历需要确定反相电流故障的相差信息。对于上面解释的理由，采用方程式(3)实现的计算用于检测电流反相。

150°≤ang(I)-α≤250°(3)

对于方程式(3)，ang(I)是正序电流矢量的角度，a是故障之前的电压正序矢量。正向电流的期望理论角度对于纯阻性到纯感性电流位于0度到90度的范围内。电流反向增加180度，并处于约180度到270度的范围内。特别是，正向角对于阻性到非常感性的负载可以在约0度到60度的范围内。上述方法和方程式识别了导致约70度滞后(-30°≤α≤70°)的从负载电流移相约30度的故障。可补偿故障之前的正序电压矢量，以用于采样速度和频率之间的任何不匹配。为简便起见，在上述公式中忽略了这种补偿；然而本领域的普通技术人员可以进行补偿。

接下来是方程式(4)，其可在每相电流上周期性的实现以确定故障电流。

(I_RMS ²)≥(P_RC)²  (4)

对于方程式(4)，反向电流拾取方程式，I_RMS从每相的1/2周期电流采样中计算得到，P_RC是为被考虑的干线断路器选择的反相电流(“RC”)保护设定值。一旦确定流过干线的电流已经超过反相电流拾取的拾取阈值，那么可进行一系列的计算，通过参考故障之前的正序电压来比较故障之前的正序电流和故障之后的正序电流之间的角度关系。如果确定该电流反相，那么故障在器件之前。由于对于正向电流协调分析不需要考虑这种反相电流设定值，那么该拾取电平可以相当的低，只要需要就使延迟形成可靠的跳闸决定。即使通过反相正向故障的等级而实现的这种反方向时，区域选择互锁也能提供保护的备用电平。

应该注意，在本发明的这个实施例中，1)期望故障电流的范围，CT严重饱和，导致大的差动误差；以及2)每个子变压器的单个差动区域用于使得系统正确跳闸。

我们已经再次调查这些问题，并且合成了并行双端系统中位置母线和反相故障面临CT饱和而不需要测量变电站变压器电流的功能。这种情况在图29中示出。

本发明的这种系统中的实施例由次级侧上固定接地的两个变电站变压器进行双反馈。三个断路器全部闭合。问题情形是图29的位置1，2，3，4或5处的任何一种固态故障。该问题就是，尽管更早检测出从流过这些位置上的故障的全部三个断路器的大电流量的故障，但是基于电流的相对幅值的故障位置并不工作。需要另一种方案来确定故障是内部还是外部的，还确定故障位于连接线断路器的哪一侧上(左侧或右侧)。

这些确定可使用的方法基于下面的发现(再一次参考图29)：1)对于位置2和4上的内部故障，流过干线断路器的电流位于相同的方向；2)对于位置1和3上的内部故障，流过干线断路器位于相反的方向；3)通过比较流过连接线断路器的电流和任何一个干线断路器的电流可以在位置2和4之间区分；4)不能单独基于电流的相关方向来区分位置1和3。(似非而可能是的，可以在触发馈电系统中进行。)然而，同样通过查看电压和电流之间的相角，可以在故障位置1和3之间区分。

本发明实施例的方法包括下面的步骤：

1)对于每个干线断路器和连接线断路器，在一个周期窗口上每1/2周期计算矢量值的正序电流。如果在PT连接中存在任何转动，那么还计算母线的正序电压和相对于中间相角基准系的校正值。每1/2周期进行计算，而不管是否存在故障。通过查看实际测试波形，即使在面临严重的CT饱和时，也可以确定矢量对于该方法是足够精确的。

2)本文中描述的方法包括每1/2周期运行然后集成它们的保护计算的批处理。该方法通过超过预定阈值的干线断路器或者连接线断路器上的故障电流的一个或多个幅值来触发，而不需要在一条馈电线上出现明显的故障。这是存在母线故障或者反相故障的一种指示，其中这种指示通过连接线断路器进行反向馈电(即反馈)。

3)通过比较流过干线断路器M1的正序电流的相角和流过干线断路器M2的正序电流，来确定故障是内部(位置2或4)还是外部(位置1或3)的。如果两个电流同相，那么故障是内部的，反之是外部的。

4)如果故障是内部的，那么确定通过比较流过正路断路器的正序电流和流过一个干线断路器的正序电流的相角来确定其位于连接线断路器的哪一侧。尽管因为电流幅值较大的干线断路器提供一些更精确的结果因此是更好的选择，但理论上，可用任何一个干线断路器来进行比较。

5)如果故障是外部的，那么通过比较由于流过连接线断路器的正序电流而导致的压降方向和母线上故障之间的正序电压来确定它的位置。由于电流所导致的正序电压降通过将它与一个变电站变压器的标称复阻抗相乘而计算。所用的阻抗幅值对于这种计算并不是重要的；然而，阻抗相角应基本正确。

6)每1/2周期计算故障位置。不论何时在给定位置发现故障时都总共两次宣布故障位置。这将耗时约1个周期，但也可能耗时1.5个周期。

7)当确定故障位置时，跳闸恰当的断路器。对于位置1的故障，仅跳闸干线断路器M1。对于位置2的故障，跳闸连接线断路器和干线断路器M1。对于位置3的故障，仅跳闸干线断路器2。对于位置4的故障，跳闸连接线断路器TIE和干线断路器M2。

注意，系统中特定点处的故障＝导致保守(conservative)操作。为了克服保守操作，在可替换实施例中每个断路器提供两个CT。然而，每个断路器两个CT成本太大。例如，考虑位置Rt5处的故障，该方法将其定位成连接线断路器左侧的内部故障，结果导致在仅仅跳闸一个干线断路器M1，M2(也没有连接线断路器TIE)就已经足够了的情形下跳闸了连接线断路器TIE和干线断路器M1，M2中的一个。

这种方法的其他计算如下。除了计算电压和电流的正序分量的公式之外，使用两个更多的方程式来计算故障方向。首先，存在确定两个电流是在相同方向还是在相反方向的公式。这可通过采用其中一个电流与该电流的复共轭的乘积的实部来实现。如果该实部为正，那么电流大致同向。如果该实部为负，那么电流大致处于相反方向。这个公式是鲁棒性(robust)的，并且允许了两个被计算矢量之间存在大到90度的相角误差。

例如，流过两个干线断路器的电流的相对方向测试从直角坐标系中它们的正序矢量值计算得到，如方程式(9)：

$\mathrm{Real}({\stackrel{\‾}{I}}_{\mathrm{main}}1\·{\stackrel{\‾}{I}}^{*}\mathrm{main}2)>0?$

＝通过干线1的正序电流矢量

＝通过干线2的正序电流矢量

^*表示复共轭

存在类似的测试，来确定正序电流所引起的等效电压降与故障之前的正序电压是否同相。其他步骤是将正序故障电流与变电站变压器的复阻抗的近似值相乘。不需要采用阻抗的确切幅值。仅要求相角大致准确，这样具有一个幅值的阻抗可用在下面的方程式(10)中：

$\mathrm{Real}({\stackrel{\‾}{I}}_{\mathrm{tie}}\·\stackrel{\‾}{Z}\·{\stackrel{\‾}{V}}^{*}\mathrm{bus})>0?$

＝通过连接线的正序电流矢量

＝变电站变压器的近似复数阻抗

＝故障之前的母线电压

^*表示复共轭

修正故障之前的电压而不是实际的母线电压的原因在于故障之前的电压给出了更好的方向显示，这是因为它与变电站变压器初级侧的等效电压同相。可替换地，如果初级电压可利用，那么我们采用那些值；然而，它们不可用。因此，故障之前的电压为计算提供了足够的精度。

时序分量而不是单个矢量的使用简化了计算，使得故障种类的识别并不必要。然而，识别和校正PT连接中引入的矢量旋转是非常重要的。例如，如果使用了线线电压变压器，那么必须将所计算的母线电压矢量旋转60度。

图30是示出本发明实施例中的电流的电路图。主CB将看见从包括现在提供故障分布的马达负载的所有其他电源的故障电流贡献。该马达贡献可以明显，也可以不明显。其中C2＝C1+马达贡献，电流仍然流过负载。

图31是示出本发明实施例中的电流的电路图。干线和连接将发现来自电源2的相同的电流(C₁)。干线断路器中的一个还可发现来自马达贡献的其他电流。马达贡献可以继续负载电流，或者可以不明显。在图31中的I上，电流幅值基本相等，仅通过器件的方向不同。

图32是示出本发明实施例中电流的电路图。主母线均发现干线电流和连接线电流处于相反方向(1内和1外)。因此相对方向比较将显示通过故障和不在故障情形下。馈电线故障电流分布可以或者可以不呈现用于检测的足够幅值，这样它就不是相对电流比较的可靠来源。

图33是示出本发明实施例的故障之前的正序矢量的图表。故障之前的情形在完全滞后感性到完全超前的范围之内。电流将不完全滞后(-90度)，或者完全超前(+90度)电压。商用和工业电力负载趋向于在从略微容性到中等感性的范围内。正向电流的角度在约-90度到+90度的范围内。

图34是示出本发明实施例的故障之后的正序反向故障电流矢量以及故障之前的正序电压参考矢量。故障之前的情形在完全滞后的感性到完全超前的范围内。电流将不完全之后(-90度)，或者完全超前(+90度)电压。商业和工业电力负载趋向于在从略微容性到中等感性的范围内。正向电流的角度将在约-90度到+90度的范围内。注意，允许干线的线路侧上的容性负载和相对小的故障幅值将要求考虑左下象限。精确的功能还将包括该区域内的矢量。

在本发明的实施例中，在上述公开的专利参考文献中的系统提供了反向故障功能。该功能与DZSI功能独立。在本发明的一个实施例中，在每个行列(line-up)基础上选择反向故障功能；其中存在作为系统中干线断路器分类的每个断路器的这种功能的一个实施例。智能电子器件(也称作继电器)执行保护路径，即每半个周期，对于60Hz是每8.333ms，对于50Hz是每10.000ms。

这种保护功能以与短时过流保护继电器相同的方式操作。该功能的有效性与节点结构无关。IED或继电器的反向电流保护功能可以检测各种故障幅值上的反向电流故障情形。

术语拾取表示对于给定的功能来说，一相或多相上的电流达到或者超过阈值，或者指定量。由于存在多个故障情形，可采用例如，-用于相角比较的3相，单相，相对中间线，正序电流和电压，同样可由本领域普通技术人员确定。

以下，对于补偿的故障之前的电压矢量的计算涉及关于故障矢量的部分。过去的电压矢量是例如在n-40的半个周期计算的电压矢量。其中n是用于计算电流矢量的电流数据的半个周期。这充分地意味着由于是系统的开始，对于例如40个半周期中的第一个继电器将不操作。一旦构建了所有的故障之前的数据，继电器将记录表示从现在开始准备执行保护任务的对应事件。在操作的整个过程中，继电器将继续收集故障之前的数据，放弃每个保护路径中最老的时间位置上的信息。如果故障之前的电压矢量幅值，例如，低于额定电压的75％，那么该矢量被考虑成比较无效，并且假定第二拾取情形故障。在那点上，继电器不进入拾取。

故障之前的电压和故障电流矢量之间的角度基本连续检测，只要电流电平高于拾取设定值即可。如果在三个连续的半周期之外的任何两个中检测到反向情形，那么继电器将宣布故障为反向故障，并且进入拾取。一旦继电器处于拾取状态，那么它将继续加热加法器直到电流下降到掉电电平为止。掉电将不对故障之前的电压和实际电流角度起作用。一旦继电器宣布故障为反向电流故障，即使继电器从拾取中降压，那么它将认为故障为反向的，直到加法器完全冷却为止。这意味着如果电流电平在其已经低于掉电电平之后但在加法器有过冷却机会之前高于拾取设定值一次或多次，继电器将不执行角度检测，从而确定故障是否是反向电流故障。相反，假定故障是与检测之前的故障相同的故障，进入拾取状态。

如果给定干线断路器不在拾取状态，反向电流加法器等于零，那么系统将不修正该断路器的加法器。如果给定干线断路器处于拾取状态，那么系统将“加热”该断路器的加法器。如果给定的断路器不在拾取状态，并且加法器不等于零，那么C/CPU将“冷却”该断路器的加法器。

矢量旋转补偿

反向电流保护继电器将从公知的频率方法中得到频率测量。对于得到的每个电压矢量，将得到对应的系统频率。本领域的普通技术人员可进行旋转调整。本领域的普通技术人员对于例如相角偏量的值来实现补偿功能。

反向电流加热。不论何时至少一相的均方输入电流超过反向电流拾取阈值而不管电流和电压方向测试的结果，反向电流加法器将增加或“加热”。

其中反向电流加法器更新的方式将取决于进行选择的反向电流保护曲线的类型，以及I²RMS的值。该加法器更新将由本领域普通技术人员来确定。

反向电流冷却

当反向电流功能落在拾取之外时，反向电流加法器将以称作“冷却”的程序进行减小，从而缩短跳闸的任何接下来的时间。冷却时间常数固定为例如80毫秒。本领域的普通技术人员也可确定其他的冷却常数。

反向电流操作

反向电流继电器由两个干线构建块构成。第一个与短路保护元件的功能非常相似。当电流上升为高于拾取电流并且下降到低于掉电电平时分别加热和冷却加法器。然而，该继电器并不宣布进入拾取和从拾取中出来。仅当继电器的第二部分检测到电流和电压以相反的方向流入时进行这种决定。

继电器的第二部分负责检测哪个方向(下游或上游)的故障电流流入。如果继电器的第二部分未检测到电流处于与电压流入方向反向的方向，即使加法器电平高于或者等于跳闸阈值，该继电器仍不跳闸该断路器。如果加法器高于拾取电平，并且电流和电压的正序分量分开预定量，继电器进入拾取状态。一旦发生那样的情况，无论何时加法器电平到达跳闸电平，继电器就准备跳闸断路器。

反向电流拾取和跳闸时间精度

反向电流拾取和跳闸时间精度与其他单点过流保护继电器类似。

误差补偿提示

将大多数的误差预算分配给传感器以及节点的电子器件。然而，存在其中C/CPU或系统影响精度的两个位置。第一个是由C/CPU或系统实现的实际函数。这些方程式或函数在固定点数据上操作并且不是其他误差的来源。其他C/CPU或系统可以影响测量精度的第二种方法是广播同步信息给节点的时间。如果将广播信息在与额定(60Hz为8.3333毫秒，50Hz为10.0000毫秒)非常不同的间隔上发送出去，那么将影响拾取计算的精度。

检测错误的相位旋转

继电器将确定系统的结构化相位旋转是否对应于实际情况。继电器将采用电压的正序分量来完成这个任务。如果计算的正序分量低于标称电压值的25％，继电器将停止操作，记录对应的事件。只要正序分量一再超过25％的极限值，继电器将再开始操作。

这些比较加上正确的误差补偿，冷却和加热计算用于在任何断路器上提供快速的反向故障保护。这种方法在干线断路器上检测与多电源系统并联的反向馈电故障电流或者当大多数马达贡献可提供所需的电流来识别故障时是有效的。

图19是用于确定故障位置的本发明实施例的流程图。该方法在步骤S100处开始。接下来在步骤S101，确定I是否大于I_pickup。如果S100确定的答案为否，那么在步骤S103确定蓄电池的值是否大于零。如果步骤S103的询问答案为否，那么该方法在结束步骤S110进行结束。如果步骤S103询问的答案为是，那么系统在S107减少或者冷却(冷却是在例如软件或硬件编程中为冷却所用的术语)。在S107冷却步骤之后，该方法在结束步骤S110结束。

返回到图19的步骤S101，如果其中确定I是否对于I_pickup的S101的询问答案为是，那么在步骤S102中将I_present与V_historic进行比较。一旦确定流过干线断路器的电流超过用于反向电流拾取的拾取阈值，运行一系列计算，通过将两者与故障之前的正序电压而比较故障之前的正序电流和故障之后的正序电流之间的角度关系。接下来，在步骤S105，当确定反向故障情形时设定备用保护。可替换地，在步骤S104，累加器增加(或者加热)。加热是例如在软件和硬件编程中用于累加的术语。接着步骤S104，在步骤S106确定累加器设定值高于还是等于延时的最大设定值。如果确定累加器不大于或等于延时的最大设定值，那么该方法进行到结束S110。如果在步骤S106确定累加器设定值大于或者等于延时最大设定值，那么接下来在步骤S108，继电器操作。接下来在S110结束继电器操作。可替换地，该方法在步骤S101再次继续开始并且接着上述步骤。

总结

基于下面的这种方案，对于保护工程有用，为多电源系统，或者具有能大致进行马达贡献的大马达负载或者具有并行工作的多电源的单电源系统提供基于区域的保护系统。该保护系统或者基本同时工作的子系统是：

1)母线差动保护

2)干线上的短时反向电流检测

3)干线和连接线之间的短时方向性区域互锁

4)它们之上的具有分段的馈电线上的短时方向区域选择互锁

5)在其他ZSI功能几乎同时工作时能操作的馈电线上的瞬时跳闸功能

该瞬时跳闸功能由其中采用数字跳闸装置和方法得到瞬时跳闸的几种方法中的任何一种实现。如果不希望由于母线故障或者单个馈电线故障的马达贡献所导致的瞬时跳闸，那么将该瞬时值设定为高于可能的最大马达贡献。

包括那些用于断路器基本同时操作的短时功能可继续起作用，而不管瞬时跳闸功能的初始化，只要将系统设计和设定成执行如上所述的即可。这种设计可以通过本领域的普通技术人员实现。

与其他功能独立地执行母线差动功能，继续起作用，只要单个电流不超过例如区域内任何CT的额定值的10倍即可。母线差动可设定为明显低于任何干线或连接线上的短时拾取电平，与其他方法相比可提供最灵敏的故障保护。由于母线差动功能仅适用于母线故障，因此该设定值与系统中为优化选择性或维持负载所设定的其他设定值。

干线上的反向电流保护在本实施例中单独操作，当满足反向电流方程式或函数时，如果提供包括中压变压器干线，那么发出跳闸信号给恰当的断路器。如果其他电源能继续维持负载，由其他瞬时跳闸函数来基本同时阻断操作相同反向电流方程式或函数，从而防止不必要的多余跳闸。

本发明的函数能可靠地计算和两个半周期的电流数据一样少的故障信息。各种几乎同时操作的各种函数的组合可提供在具有多个电源和闭合连接的开关线路上的母线之前，之内和之下的故障位置的识别，而不管相对于馈电线断路器的瞬时设定值的马达贡献幅值。母线差动功能的最小灵敏度使得母线额定电流之下的故障可被定位并且各种瞬时跳闸函数使得故障达到设备的短路额定值，如果断路器使得它可以采用1周期数据进行检测和定位的话。

设定值，电路以及精确检测和清除时间的极限值取决于本发明实施例并在本文中进行描述的方程式，函数和设定值的特定实施方式以及用于实现本发明的实施例的器件。

例如，这些实施方式在2500kVA变电站上的网络效应在图16中的时间电流曲线上示出，其中该变电站具有4000A的干线和连接，在变压器之前具有1600A馈电线和真空断路器。用于补偿在1600A馈电线之下增加了限流模型断路器。

时间电流曲线示出了下面的器件：

1)应用到母线上的250A模型限流MCCB，其中该母线具有用于30kA螺栓故障，100％用于17,100A电弧故障，85％的14,500电弧电流。

2)应用到系统上的1600A LVPCB馈电线，该系统具有65kA的总螺栓故障电流，100％在馈电线负载侧计算的电弧为30,500A，85％为26,00A，单电源。

3)具有可从一个电源得到的62kA的螺栓故障电流的4000A。采用在800A时设定为拾取的母线差动保护和起作用直到40,000A并与92ms内延迟清除组合保护4000A母线。区域选择性功能维持了干线操作，同时最小延时所有的路径到最大故障值。

此外，主CB能将负载侧从任何线路侧故障情形隔离或者如果像在闭环暂态变换过程中提供并联电源。该函数能发现与87B怎样在图16中示出的相同的明确的时间函数。该反向保护未在该TCC上示出。馈电线保护和主母线保护是完全具有选择性的。MCCV可基于其电流极限值容量来完全选择。

馈电线下游的被计算弧闪电流由同时操作的器件进行中断，主母线电弧电流由以最小时间段操作的器件来中断，例如，在480V上能量等级如下：

1)主母线，62kA Ibf，32mm，24”， $.092s\⇒7.9\mathrm{cal},$ HRC2

2)主母线，62kA Ibf，32mm，18”， $.092s\⇒12\mathrm{cal},$ HRC3

3)馈电线终端，32mm，18”， $.05s\⇒6.5\mathrm{cal},$ HRC2

4)MCCB母线，30kA Ibf，25mm，18”， $.05s\⇒3.8\mathrm{cal},$ HRC1

5)MCCB终端，25mm，18”， $.017s\⇒1.3\mathrm{cal},$ HRC0

上面列出的弧闪能量值不能反应用于弧闪性能的这些器件的实际测试结果，其总体导致较低的故障能量值不能为进一步降低值的马达贡献减少负责。计算上面列出的弧闪能量值；本领域的普通技术人员可以实现弧闪能量的计算。

这里撰写的说明书采用了实施例来公开本发明，包括最佳模式，并且还能使得本领域的技术人员实现和利用本发明。本发明的专利范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员可想到的其他实施例。如果它们的结构元件与权利要求的文字语言并没有不同，或者如果它们包括与权利要求的文字语言基本没有不同的等效结构元件，那么这些其他的实施例将要包括在权利要求的范围内。

Claims (12)

1、一种操作继电器设备的方法，该方法包括以下步骤：

a)提供包括第一和第二干线断路器及连接第一和第二干线断路器的母线连接线断路器的电路；

b)定义包括第一断路器和该母线连接线断路器的局部差动区；

c)确定在至少一个断路器处于短时拾取时，说明电路中至少存在一个故障；

d)确定电路中故障电流的方向，如果至少一个断路器的短时拾取超过该至少一个断路器的预定阈值，判断每个故障电流的方向为流入或流出该局部差动区；

e)为流入局部差动区的故障电流的方向分配第一值；

f)为流出局部差动区的故障电流的方向分配第二值，其中第一值与第二值不等；

g)将分配给故障电流的数值进行比较；

h)确定是否每个故障电流都流入该局部差动区；以及

i)相对于局部差动区，确定是否每个故障电流中至少有两个在不同的方向流动，其中一个故障电流流入局部差动区，另一个故障电流流出局部差动区。

2、权利要求1中的方法，进一步包括下列步骤：

j)确定：

相对于局部差动区，如果每个故障电流中至少有两个在不同的方向流动，其中一个故障电流流入局部差动区，另一个故障电流流出差动区，

则故障位于局部差动区的外部。

3、权利要求1中的方法，进一步包括下列步骤：

j)确定：

如果每个故障电流都流入局部差动区，

则故障位于局部差动区的内部。

4、权利要求1中的方法，进一步包括下列步骤：

j)确定是否每个故障电流都流入局部差动区；以及

k)确定是否至少一个断路器的短时拾取超过该至少一个断路器的预定阈值，其中具有超过预定阈值的短时拾取的至少一个断路器是第一干线断路器或连接线断路器。

5、权利要求1中的方法，其中具有超过预定阈值的断路器是从位于第一干线断路器和连接线断路器之间的母线延伸出来的馈电线断路器；

其中该方法进一步包括下列步骤：

j)确定故障是否位于第一干线断路器和连接线断路器之间的母线上；以及

k)如果故障位于第一干线断路器和连接线断路器之间的母线上，则跳闸馈电线断路器、母线连接线断路器和第一干线断路器。

6、权利要求1的方法中，其中具有超过预定阈值的断路器是从位于第一干线断路器和连接线断路器之间的母线延伸出来的馈电线断路器；以及

其中该方法还进一步包括下列步骤：

j)确定故障是否位于在馈电线上的馈电线断路器的负载侧；以及

k)如果故障位于馈电线断路器的负载侧，则跳闸该馈电线断路器。

7、一种计算机程序产品，包括：由继电器设备读出的程序存储设备，由继电器设备执行指令来实施该程序，来执行操作继电器设备的方法步骤，该方法步骤包括：

a)提供包括第一和第二干线断路器及连接第一和第二干线断路器的母线连接线断路器的电路；

b)定义包括第一断路器和该母线连接线断路器的局部差动区；

c)确定在至少一个断路器处于短时拾取时，说明电路中至少存在一个故障；

d)确定电路中故障电流的方向，如果至少一个断路器的短时拾取超过该至少一个断路器的预定阈值，判定每个故障电流的方向为流入或流出局部差动区；

e)为流入局部差动区的故障电流的方向分配第一值；

f)为流出局部差动区的故障电流的方向分配第二值，其中第一值与第二值不等；

g)将分配给故障电流的数值进行比较；

h)确定是否每个故障电流都流入局部差动区；以及

i)相对于局部差动区，确定每个故障电流中是否有至少两个在不同的方向流动，其中一个故障电流流入局部差动区，另一个故障电流流出局部差动区。

8、权利要求7中的计算机程序产品，进一步包括以下步骤：

j)确定：

相对于局部差动区，如果每个故障电流中至少有两个在不同的方向流动，其中一个故障电流流入局部差动区，另一个故障电流流出局部差动区，则故障位于差动区的外部。

9、权利要求7中的计算程序产品，进一步包括以下步骤：

j)确定：

如果每个故障电流都流入局部差动区，

则故障位于局部差动区的内部。

10、权利要求7中的计算机程序产品，进一步包括以下步骤：

j)确定是否每个故障电流都流入局部差动区；以及

k)确定是否至少一个断路器的短时拾取超过该至少一个断路器的预定阈值，其中具有超过预定阈值的短时拾取的至少一个断路器是第一干线断路器或连接线断路器。

11、权利要求7的计算机程序产品，其中具有超过预定阈值的断路器是从位于第一干线断路器和连接线断路器之间的母线延伸出来的馈电线断路器；该方法进一步包括下列步骤：

j)确定故障是否位于第一干线断路器和连接线断路器之间的母线上；以及

k)如果故障位于第一干线断路器和连接线断路器之间的母线上，则跳闸馈电线断路器、母线连接线断路器和第一干线断路器。

12、权利要求7的计算机程序产品，其中具有超过预定阈值的断路器是从位于第一干线断路器和连接线断路器之间的母线延伸出来的馈电线断路器；以及

该方法还进一步包括下列步骤：

j)确定故障是否位于在馈电线上的馈电线断路器的负载侧；以及

k)如果故障位于馈电线断路器的负载侧，则跳闸高馈电线断路器。

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