CN101523681A - 基于电流和电压的增量相选择器之间的故障相判定方法 - Google Patents
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Abstract
一种识别三相功率系统中的故障状况的方法，包括监视三相功率网络上的电流和电压属性的变化。确定电流和电压的最大相变化值。选择电压或者电流值中无论哪一个包括最大的最大相变化。随后分析所选的一组测量以确定三相功率的任一相上是否存在故障状况。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求于2006年10月13日提交的美国临时申请第60/851,617号的优先权，上述申请通过整体引用结合于此。
背景技术
保护继电器用来监视多相电线中是否存在故障状况，然后电隔离故障相。一些保护继电器利用增量相选择器以检测功率电路中的故障相。无论是用模拟部件实现该实施还是针对数值(numerical)继电器使实施数字化，该处理均始于使相电压或者电流经过去除功率系统标称频率分量的滤波器。在正常条件之下，当没有扰动或者故障事件时，变化检测滤波器的输出将为零。当功率电路中出现故障时，将出现电流或者电压波形的变化并且变化检测滤波器将具有非零输出。该变化的量值表明功率电路中的如电压和/或电流值代表的实际变化的显著性。
利用增量(delta)相选择器的保护继电器的一个例子包括通过引用而结合于此的、授予Brandt等人的美国专利第4,409,636号(下文为“′636专利”)。尽管这些现有技术方法已经被证实有效，但是它们对一个或者多个故障相的确定并不准确，因此希望更高准确性。
发明内容
一般而言，根据本发明的一种保护继电器向输送三相功率的功率系统提供保护控制。该保护继电器包括：处理器；至少一个计算机可读介质；程序指令，存储于至少一个计算机可读介质上并且可由处理器执行以实现故障检测监视。该监视可以包括以下步骤：接收代表由三相功率系统的各相输送的功率的电压属性的第一组信号值和代表由三相功率系统的各相输送的功率的电流属性的第二组信号值；处理第一组信号值以产生代表三相功率各相应相电流变化的第一组处理信号；处理第二组信号值以产生代表三相功率各相应相电压变化的第二组处理信号；确定第一组处理信号中的最大值和第二组处理信号中的最大值；选择具有较大最大值的一组处理信号；以及使用所选择的一组处理信号以确定三相功率的任一相上是否存在故障状况。
根据本发明的另一方面，一种确定三相功率系统中的故障状况的方法包括：接收代表由三相功率系统输送的功率的电压属性的第一组信号值和代表由三相功率系统输送的功率的电流属性的第二组信号值；处理所述第一组信号值以产生代表三相功率各相应相电流变化的第一组处理信号；处理第二组信号值以产生代表三相功率各相应相电压变化的第二组处理信号；确定第一组处理信号中的最大值和第二组处理信号中的最大值；选择具有较大最大值的一组处理信号；以及使用所选择的一组处理信号以确定三相功率的任一相上是否存在故障状况。
附图说明
图1是根据本发明实施的保护继电器的正视图；
图2是保护继电器的数值模块的示意图；
图3示出了根据本发明的基于电流的质量值的计算；
图4示出了根据本发明的基于电压的质量值的计算；
图5示出了以基于电流的质量值或者基于电压的质量值中的较大质量值为基础的输出选择；
图6示出了具有功能块的逻辑图，这些功能块实施图3和图4中所示的计算以及图5的输出选择。
具体实施方式
现在参照图1和图2，本发明涉及一种保护继电器10，该继电器用于检测功率电路中的一个或者多个故障相并且在与继电器中的保护功能结合操作时对应地使电路断路器跳闸。保护继电器10可以是双向保护继电器、差分保护继电器或者距离保护继电器。保护继电器10可以具有模块化构造并且包括全部由底板互连的电源模块、组合式底板模块、变换器输入模块、模拟到数字(A/D)转换模块、通用底板模块和数值模块12(图2中示意地所示)。保护继电器10也可以包括人机接口(HMI)14(图1中所示)，该HMI具有显示屏16和可以用来向保护继电器10输入信息的多个输入键18。组合式底板模块在保护继电器10中的模块之间输送所有内部信号。变换器输入模块可以接收和变换来自连接到受保护功率电路的电压和电流传感器的电压和电流信号并且以电流方式将这些信号与保护继电器10的电路的其余信号分离。通用底板模块形成底板的一部分并且将变换器输入模块连接到A/D转换模块。通用底板模块也连接到数值模块12。来自电流和电压传感器的模拟信号可以由A/D转换模块中的A/D转换器转换成数字信号。
现在参照图2，数值模块12包括中央处理单元(CPU)22、闪速存储器28和动态随机存取存储器(DRAM)32。软件控制逻辑40(参见图6)可以使用快速文件系统存储于闪速存储器中。在保护继电器10上电期间，将控制逻辑40传送到DRAM 32。CPU 22访问并且执行DRAM 32中的控制逻辑。控制逻辑40一般包括三个逻辑子部分(图6中所示)。增量滤波器部分48、故障相部分50和质量部分52。
可以利用功能块以图形编程语言编写控制逻辑40。功能块执行具体功能并且通常具有至少一个输入变量、至少一个输出变量、一个或者多个内部变量和内部行为描述。功能块也可以具有贯通变量。内部行为可以由连续或者离散时间来驱动或者由事件驱动。功能块与其它功能块结合操作(经由称为链路的连通)以实施控制策略或者方案。功能块通常执行输入功能(比如与发送器、传感器或者其它变量测量器件关联的输入功能)、逻辑或者变量操控功能(比如加法、减法、乘法等)或者执行控制或者指示功能的输出功能之一。在以下描述中使用简称为“块”的功能块按照以图形编程语言的编写来描述控制逻辑40。
如下文将更具体地描述，本发明的基于增量的相选择器通过检测电流变化(图3)和电压变化(图4)，然后选择这些检测的变化之一以检测故障相(图5)，来检测故障相。取决于线路条件(强源比对弱源)和故障位置(靠近(close-in)比对远离(far-out))，在多数情况下产生基于电流和基于电压的结果。基于电流的结果经常为最正确的结果，因为电压在故障过程中更倾向于感应谐波从而造成错误结果。然而，甚至当电流和电压均产生结果时，对于某些故障而言有时电压仍然产生正确结果。
故障可以等同于汲取某一数量的功率(P＝V*I)的负荷并且通常等同于在受保护的设备即传输线的工作包络以外的负荷。在正常负荷条件内，系统的其余部分(由于发电机、变压器等的物理特征)规定电压保持于恒定电平，例如69kV、230kV、500kV等。正是电流有改变以匹配由负荷/故障施加的需求。电流因此将比电压对负荷/故障有更大响应性。由于增加的负载实际上导致电压电平的下降，可能降到0V的事实，使得情形变得恶化。尽管故障可能在线路上的任一处出现，但是传感器是固定的。因此，电流并非总是给予最佳的故障指示。取决于系统条件如SIR(源与阻抗之比)和故障位置，电压有时可以比电流产生更佳的故障指示。因此鉴别基于电压与基于电流的结果以确定哪一个结果最佳地指示故障是有利的。
现在参照图3，示出了根据本发明的基于电流的质量计算的概况。增量相选择器60具有作为输入的来自受保护电路的相A、B和C的电流采样62和标记为电流minFilterOp的输入信号64，下文将更具体地描述minFilterOp的功能。在块66，识别并且输出任一相A、B或者C的最大电流变化并且在66a处输出。在一个或者多个实施例中，可以基于如′636专利中所述增量滤波方法来确定最大电流变化。
minFilterOp信号64和块66a的输出作为输入提供到判定块68。判定块68确定来自块66a的最大电流变化是否大于minFilterOp 64的值。minFilterOp 64代表为了从增量相选择器产生输出而需要的最小变化量，因此充当阈值。在一个实施例中，minFilterOp信号值表达为额定系统电流的百分比。
minFilterOp信号64的值由本发明的用户确定并且可以由用户设置成预定值范围中的值之一。预定值范围可以基于本发明给予针对故障检测的有效结果，并且允许用户选择适合于特定功率系统的值。该值应当有利地略大于电流相中可能经历的最大骤然功率摆幅。这样的值通常可以是额定电流的1％至3％。
如图3中所示，如果任一相A、B或者C的电流幅度的最大变化值大于minFilterOp信号64的值，则在块70中增量相选择器60选择在输出72处的基于电流的结果。如果最大变化值小于minFilterOp信号64的值，则增量相选择器60在块74禁止选择基于电流的结果而在输出72不出现结果。总体上，基于电流的结果包括所有三相的电流变化值。
根据本发明，增量相选择器60还包括接收块66a的输出以及minFilterOp信号64的块76。块76确定三相中的任何相中的电流的最大检测变化与为minFilterOp信号64选择的幅度之比。块76的输出78称为基于电流的质量78，该质量代表电流的最大变化是minFilterOp设置的多少倍。取决于所用处理器类型，该质量的值可以是1、2、3等整数值或者非整数值，如1.27。
现在参照图4，示出了根据本发明的基于电压的质量计算的概况。增量相选择器80具有作为其输入的来自受保护相A、B和C的电压采样82以及电压minFilterOp信号64。增量相选择器80的块86、88、90、94和96对电压采样82执行分别与增量相选择器60的块66、68、70、74和76针对电流采样62所执行的功能相同的功能。
如果判定块88确定任一相A、B或者C中的电压幅度的最大变化大于minFilterOp信号64的关联值，则增量相选择器80具有作为其输出92的基于电压的结果。也输出对应质量98。用于电压的minFilterOp信号64的值应当略大于电压相中可能经历的最大骤然功率摆幅。该值通常可以在额定电压的1％与3％之间。应当认识到，在一个实施例中，用于基于电压的计算的minFilterOp信号可以与用于基于电流的计算的minFilterOp信号相同。在其它实施例中，用于基于电压的计算的minFilterOp信号可以设置成与用于基于电流的计算的minFilterOp信号不同的值。
选择器60的质量输出78和选择器80的质量输出98对应于故障分别在电流或者电压中的影响量。本发明如图5中所示使用基于电流的质量输出78和基于电压的质量输出98以确定是基于电流的结果还是基于电压的结果应当用来正确地确定一个或者多个故障相的识别。如图5中所示，如果基于电流的质量的值大于基于电压的质量的值，则本发明选择基于电流的结果。如果相反情况成立，则本发明选择基于电压的结果。
基于电流的相选择器计算可以产生与基于电压的相选择器计算不同的结果。在基于电流的质量与基于电压的质量之间的比较是实现对一个或者多个故障相并且常常是先检测到故障的相进行更准确识别的决定性因素。这是因为故障的最强影响被捕获，并且在“质量”变量中被量化而且用来选择基于电流或者基于电压的结果。本发明比现有技术的故障相选择方法更快并且提供更佳的鉴别。
现在参照图6，示出了具有功能块的逻辑图，这些功能块实施图3-图5中所示计算。一般而言，部分48和50代表增量相选择器60或者80的如下部分，这些部分确定基于电流的结果还是基于电压的结果出现在关联选择器的输出处。部分52是增量相选择器28或者46的如下部分，该部分计算基于电流的质量或者基于电压的质量。
增量相选择器连接到具有三个相A、B和C的功率网络。在增量相选择器60的情况下，例如通过使用电流互感器获取代表电流的信号。在增量相选择器80的情况下，例如通过使用电压互感器获取代表电压的信号。代表电流或者电压的电压信号可以去往A/D转换模块并且转换成向CPU 22中运行的控制逻辑提供的数字信号。在控制逻辑40中，各数字化电压信号(代表相的电流或者电压)被馈送到包括带阻滤波器和放大器的检测器块100。带阻滤波器去除信号中的频率与功率网络的标称工作频率相同的分量。滤波信号被放大、然后供应到绝对值块102，该块确定放大信号的绝对值。在正常条件(即在功率网络中无故障)的情况下，这一绝对值信号由于功率网络60中的噪声以及测量和滤波缺陷而为零或者约为零。当在功率网络60中出现变化(例如故障)时，绝对值信号将有尖峰。如果变化持续，则绝对值信号将降回至零或者零周围。因此，将两次检测典型故障：第一次在其开始时，然后在故障自行清除时或者当断路器断开而清除时。
对于各相，最大值块104的第一输入连接到绝对值块102的输出，而最大值块104的第二输入连接到存储器块106的输出。最大值块104可操作用以输出其第一和第二输入中的较大输入。最大值块104针对三个相A、B、C的输出连接到开关108的故障输入。零值块110连接到开关108的真输入。复位信号112提供到开关108的控制输入。该控制输入(并且因而复位信号112)控制开关108的操作。当复位信号112为真(布尔一)时，开关108的输出被设置成真输入(即零)，而当复位信号为假(布尔零)时，开关108的输出被设置成假输入、即最大值块104a、104b、104c的输出。开关108的输出分别连接到乘法器块114a、114b、和114c的第一输入。乘法器块114a、114b、和114c的第二输入连接到用户可以例如通过HMI 14来设置和修改的衰减信号116。衰减信号116具有范围从约0.5到约0.99的值。因此，来自开关108的输出信号被减少范围从约50％到约1％的百分比。这些减少的输出信号在下文中称为相衰减信号。
相衰减信号分别输入到存储器块106a、106b、106c。在各相中，存储器块106将衰减信号延迟一个执行循环。存储器块106保证捕获来自绝对值块102的绝对值信号中的任何瞬态尖峰。当复位信号112为真时，复位信号112分别复位存储器块106a、106b、106c。复位信号106可以由用户瞬间地设置成布尔一。
除了输入到第一控制逻辑48中的存储器块106a、106b和106c之外，相衰减信号还发送到第二逻辑部分50。在第二逻辑部分，最大值块118连接到乘法器块114a、114b和114c的输出并且确定最大相衰减信号。运算块120包括接收最大相衰减信号的第一输入和接收minFilterOp信号64的第二输入。如果最大相衰减信号大于minFilterOp信号64，则比较器块120输出真(布尔一“运算”)信号。
来自块118的最大相衰减信号也连同minFilterOp信号一起输入到质量块122。除法块122将最大相衰减信号除以minFilterOp信号以输出质量值。比较增量相选择器60(基于电流)和80(基于电压)的质量值(图5中所示)，并且二者中的较大值将输出对应值。在一个实施例中，比较基于电流和基于电压的质量值，并且二者中的较大值将在对应控制逻辑中输出真释放信号124，而二者中的较小值将输出假释放信号124。如下文将要所述，以这一方式将仅输出来自增量相选择器之一、即质量值更大的这一选择器的结果。
为了确定哪一个或者多个相有故障，除法器块126a、126b和126c各自分别从乘法器块114a、114b和114c接收相衰减信号。相应衰减信号除以从块118输出的最大相衰减信号。块126a、126b和126c的输出然后分别发送到范围块128a、128b和128c。范围块128适合于在进入的信号在预设范围内时输出真值。在本实施例中，如果来自块126的信号在0.60与1.01(即60％至100％)之间，则输出真信号。
最后，故障块130a、130b和130c各自接收作为输入的来自运算块120的信号、释放信号124以及来自范围块128a、128b和128c的各自的信号。对于各相，范围块128的输出为真，运算块120的输出为真，且如果释放信号124为真，则块130将输出代表相应相上的故障的真信号。
来自块130a、130b或者130c的信号分别代表相A、相B或者相C上的故障。因此，块130a、130b和130c的输出可以分别连接到用于相A、B和C的电路断路器。根据一个实施例，在块130a的输出处的布尔一将使得用于相A的电路断路器跳闸，在块130b的输出处的布尔一将使得用于相B的电路断路器跳闸，而在块130c的输出处的布尔一将使得用于相C的电路断路器跳闸。根据这一或者其它实施例，在块130a的输出处的布尔一将使得用于相A的报警信号或者指示器跳断(trip)，在块130b的输出处的布尔一将使得用于相B的报警信号或者指示器跳断，而在块130c的输出处的布尔一将使得用于相C的报警信号或者指示器跳断。
还应当认识到本发明可以与其它故障检测机制结合使用。例如，可以在保护继电器中包括本发明，其中单独机制初始地检测三相功率上的故障状况。本发明可以与故障检测器结合用来准确地确定具体是哪一个或者多个相有故障或者哪一相先有故障。
将理解前述一个或者多个示例实施例的描述旨在于仅举例说明而不是穷举本发明。普通技术人员将能够对公开的主题内容的一个或者多个实施例进行某些添加、删除和/或修改而不脱离如所附权利要求书所限定的本发明的精神或者其范围。
Claims (14)
1.一种用于向输送三相功率的功率系统提供保护控制的保护继电器，所述保护继电器包括：
处理器；
至少一个计算机可读介质；
程序指令，存储于所述至少一个计算机可读介质上并且可由所述处理器执行以实现故障检测方法，该方法包括：
接收代表所述三相功率系统各相的电压属性的第一组信号值和代表所述三相功率系统各相的电流属性的第二组信号值；
处理所述第一组信号值以产生代表所述三相功率各相应相的电流变化的第一组处理信号；
处理所述第二组信号值以产生代表所述三相功率各相应相的电压变化的第二组处理信号；
确定所述第一组处理信号的最大值和所述第二组处理信号的最大值；
将所述第一组处理信号的所述最大值除以第一阈值以获得第一质量值；
将所述第二组处理信号的所述最大值除以第二阈值以获得第二质量值；
选择具有较大质量值的一组处理信号；以及
使用所述选择的一组处理信号以确定所述三相功率的任一相上是否存在故障状况。
2.根据权利要求1所述的保护继电器，还包括使与确定为处于故障状况的任一相关联的断路器跳闸的步骤。
3.根据权利要求1所述的保护继电器，还包括如果在所述三相功率的任一相上存在故障状况则向操作员报警的步骤。
4.根据权利要求1所述的保护继电器，其中所述使用所述选择的一组处理信号以确定是否存在故障状况的步骤包括：
比较最大的所述最大值和与之关联的所述阈值；以及
如果所述最大的最大值超过所述阈值，则允许使用所述选择的一组处理信号。
5.根据权利要求4所述的保护继电器，其中各所述阈值可人工调节。
6.根据权利要求4所述的保护继电器，其中所述使用所述选择的一组处理信号以确定是否存在故障状况的步骤还包括：
将所述一组选择的处理信号的各值除以所述最大值；
针对其中被除得到的值大于预选值的每一相，指示故障状况。
7.根据权利要求4所述的保护继电器，还包括以下步骤：
显示所述第一质量值和所述第二质量值。
8.一种识别三相功率系统中的故障相的方法，包括：
接收代表所述三相功率系统各相的电压属性的第一组信号值和代表所述三相功率系统各相的电流属性的第二组信号值；
处理所述第一组信号值以产生代表所述三相功率各相应相的电流变化的第一组处理信号；
处理所述第二组信号值以产生代表所述三相功率各相应相的电压变化的第二组处理信号；
确定所述第一组处理信号的最大值和所述第二组处理信号的最大值；
选择具有较大最大值的一组处理信号；以及
使用所述选择的一组处理信号以确定所述三相功率的任一相上是否存在故障状况。
9.根据权利要求8所述的方法，还包括使与确定为处于故障状况的任一相关联的断路器跳闸的步骤。
10.根据权利要求8所述的方法，还包括向操作员指示所述三相功率的一个或者多个故障相的步骤。
11.根据权利要求8所述的方法，其中所述使用所述选择的一组处理信号以确定是否存在故障状况的步骤包括：
预选阈值；
比较最大的所述最大值与所述阈值；以及
如果所述最大的最大值超过所述阈值，则允许使用所述选择的一组处理信号。
12.根据权利要求9所述的方法，其中所述阈值可人工调节。
13.根据权利要求11所述的方法，其中所述使用所述选择的一组处理信号以确定是否存在故障状况的步骤还包括：
将所述一组选择的处理信号的各值除以所述最大值；
针对其中被除得到的值大于第二预选阈值的每一相，指示故障状况。
14.根据权利要求11所述的方法，还包括以下步骤：
将各所述最大值除以所述阈值以获得基于电压的质量和基于电流的质量；
显示所述基于电压的质量和所述基于电流的质量。
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