CN102842891B - 数字式保护继电器及其操作方法 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种数字式保护继电器以及数字式保护继电器的操作方法，其用于增强其频率变化率继电器元件（81R）的操作，并且所述数字式保护继电器及其操作方法可以通过测量到的频率计算多个不同的频率变化率，并且在控制继电器操作时使用基于预定的标准选择的频率变化率的值，由此提供增强频率变化率继电器元件的操作可靠性的效果。

Description

数字式保护继电器及其操作方法

相关申请的交叉引用

根据35U.S.C.§119（a），本申请要求于2011年6月24日提交的申请号为10-2011-0061950的韩国临时申请的在先申请日和优先权的权益，该申请的全部内容通过引用合并于此。

技术领域

本公开涉及一种保护继电器以及所述保护继电器的操作方法，尤其涉及一种用于增强频率变化率继电器元件的继电器操作的保护继电器以及所述保护继电器的操作方法。

背景技术

通常，可以使用各种保护继电器来保护电力系统中的馈电线、电动机、变压器等。这样的保护继电器可以分为机械式和数字式。数字式保护继电器可以包括继电器、通信、数字输入/输出触点等的综合功能。当在电力系统的任何位置处发生故障时，这种数字式保护继电器执行迅速将发生故障的部分分离的功能。尤其是，如果在分布式发电被操作与电力系统互连的同时将电力系统的一侧与系统分离，则应将数字式保护继电器的频率变化率继电器元件（81R）设计为与分布式发电侧或者系统分离。如果不这样做，则存在由于重新闭合而产生异步电力的顾虑，而且会引起安全事故。换言之，如果在监控频率的频率变化率时值等于或者大于预存的设定值，则频率变化率继电器元件可以用快速且准确的方式将分布式发电与其分离，以迅速处理电力系统的故障或者障碍。

零交叉方案通常可以用于测量输入信号频率的方法。零交叉方案通过从输入电压或者电流信号的波形中检测与零点交叉的时点并且计算所检测到的零交叉时点之间的间隔来测量频率。然而，使用这种零交叉方案的频率测量可能具有易受包括在输入电压信号中的噪声影响的结构。尤其是，如果外部噪声被引入以使输入信号偏离零交叉点，则在测量频率和实际频率之间会产生很大的误差，由此造成频率变化率继电器元件（81R）的误动作。

发明内容

本公开旨在解决上述问题，并且本公开的目的是提供一种数字式保护继电器以及数字式保护继电器的操作方法，其中，附加地计算从测量频率中获得的一个以上频率变化率，并且接着基于预定的标准选择频率变化率中的一个以用作控制继电器操作的数据，由此防止频率变化率继电器元件的误动作并且增强操作的可靠性。

为了实现本公开的上述目的，提供了一种数字式保护继电器，并且根据本公开的数字式保护继电器可以包括：频率测量单元，其被配置为使用零交叉方案来测量输入信号的频率；频率变化率计算单元，其被配置为计算测量频率的各个预定周期的频率的频率变化率以获得第一数据，并且多次累加和平均各个预定周期的频率，接着计算频率的频率变化率以获得一个以上第二数据；偏差计算单元，其被配置为计算预定时间间隔内的连续频率变化率的偏差；以及操作控制器，其被配置为如果所述偏差等于或者大于基准值，则选择第一数据和一个以上第二数据中的最小值，并且如果所述偏差小于所述基准值，则选择第一数据，从而控制继电器的操作。

在根据本公开实现上述目的的一实施例中，所述数字式保护继电器的特征可以在于：所述频率变化率计算单元将由半周期离散傅里叶变换测量到的频率相对于时间进行微分以获得所述第一数据。此外，所述数字式保护继电器的特征可以在于：所述频率变化率计算单元多次累加和平均由半周期离散傅里叶变换测量到的频率，并且将平均值相对于时间进行微分以获得一个以上第二数据。

在根据本公开实现上述目的的一实施例中，所述数字式保护继电器的特征可以在于：所述偏差计算单元使用前面多个连续频率变化率和当前频率变化率中的最大值和最小值来计算偏差。

为了实现本公开的上述目的，提供了一种数字式保护继电器的操作方法，所述方法可以包括：使用零交叉方案来测量输入信号的频率；计算所测量频率的各个预定周期的频率的频率变化率以获得第一数据；多次累加和平均各个预定周期的频率，并且接着计算频率的频率变化率以获得一个以上第二数据；计算预定时间间隔内的连续频率变化率的偏差；如果所述偏差等于或者大于基准值，则选择第一数据和一个以上第二数据中的最小值，并且如果所述偏差小于基准值，则选择第一数据；以及使用所选择的数据来控制继电器的操作。

在根据本公开实现上述目的的一实施例中，所述方法的特征可以在于：所述获得的第一数据是将由半周期离散傅里叶变换测量到的频率相对于时间进行微分以获得所述第一数据。此外，所述方法的特征可以在于：所述获得的一个以上第二数据是多次累加和平均由半周期离散傅里叶变换测量到的频率，并且将平均值相对于时间进行微分以获得一个以上第二数据。

在根据本公开实现上述目的的一实施例中，所述方法的特征可以在于：所述计算偏差是计算前面多个连续频率变化率和当前频率变化率中的最大值和最小值的偏差。

附图说明

所包括的附图提供了对本发明的进一步理解，其包含在本说明书中并构成本说明书的一部分，附图图示出本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

在附图中：

图1是图示出根据现有技术的数字式保护继电器的频率变化率继电器元件的操作流程图；

图2是图示出输入电压信号的采样数据的图；

图3是用于说明外部噪声被引入到输入信号中的情况的图；

图4是图示出图3中的频率变化率的图；

图5是图示出根据本公开的数字式保护继电器的频率变化率继电器元件的示意性框图；

图6是图示出根据本公开的数字式保护继电器的频率变化率继电器元件的操作流程图；以及

图7是用于说明图6中所计算出的各个频率变化率的图。

具体实施方式

下面，将参照附图详细描述根据本公开的数字式保护继电器以及数字式保护继电器的操作方法。

图1是图示出根据现有技术的数字式保护继电器的频率变化率继电器元件的操作流程图。首先，输入至系统电力的电压信号被A/D转换并且作为输入信号提供（S10）。接着，从所提供的输入信号的波形中检测与零点交叉的时点（S20）。以这种方式基于频率的测量来检测与零点交叉的时点的过程被称为零交叉方案。参照图2，图示出了输入至系统电力的电压信号的采样数据，并且在所图示的信号波形中与零点交叉的时点被示为箭头。如果在步骤S20中没有交叉点，则过程返回至步骤S10。如果检测到与零点交叉的时点，则将过程推进至步骤S30以从所提供的输入信号的波形中测量频率。接着，将测量到的频率相对于时间进行微分以计算频率变化率（S40）。换言之，通过考虑到频率变化率继电器元件的快速操作，以非常短的时间间隔计算频率变化率，例如，可以通过下列等式计算频率在半周期内的频率变化率。

$\frac{\mathrm{df}}{\mathrm{dt}}=\underset{\mathrm{\Δt}->0}{\lim }\frac{\mathrm{\Δf}}{\mathrm{\Δt}}$

此处，f表示频率，t表示时间。将所计算的频率变化率值与存储在保护继电器中的设定值进行比较（S50）。作为比较的结果，如果所计算的频率变化率值等于或者大于所存储的设定值，则在电力系统中发生错误，于是保护继电器的频率变化率继电器元件（81R）执行纠正（correct）操作（S60）。如果所计算的频率变化率值小于所存储的设定值，则过程返回至步骤S10以重复前述步骤。

此时，例如如果外部噪声等被引入到输入信号中，则频率变化率值可以以不同于实际值的方式变化。图3图示出这样的示例。如图所示，如果外部噪声被包括在60Hz时接收到的输入信号中，则可以画出偏离于零交叉位置的波形（如虚线圈中所示）。因为此时未检测到任何零交叉时点，所以由测量频率计算出的频率变化率值可以大幅变化。图4图示出在这种情况下的频率变化率。换言之，如果由于引入外部噪声而使计算出的频率变化率具有除“0”以外的大数据值，并且该数据值大于或者等于存储在保护继电器中的设定值，则即使在正常条件下，也可能发生执行保护继电器的继电器操作的误动作。因此，在如上所述由于引入外部噪声而使频率变化率大幅变化的特定情况下，应当判定所测量到的电压波形不在正常输入状态中，以防止频率变化率继电器元件的误动作。

图5是图示出根据本公开的数字式保护继电器的频率变化率继电器元件的示意性框图。频率变化率继电器元件（81R）可以包括A/D转换单元10、频率测量单元20、频率变化率计算单元30、偏差计算单元40以及操作控制器50。

A/D转换单元10接收输入至电力系统的模拟电压信号，并且将其转换为数字信号，接着将经转换的数字信号输出至CPU。

频率测量单元20接收经A/D转换的电压信号，即输入信号，以用零交叉方案来测量频率。零交叉方案可以分为第一方案和第二方案，所述第一方案用于从输入信号的波形中检测与零点交叉的时点并且计算所检测到的零交叉时点之间的间隔来测量频率，所述第二方案用于以预定周期对输入信号的波形进行采样并且假定所采样的两点之间的波形是线性的，接着使用线性方程来检测零交叉点。频率测量单元20从接收到的输入信号的波形中在与零点交叉的时点处应用f=1/T来测量频率。此处，f代表频率[Hz]，T代表周期[秒]。

频率变化率计算单元30计算所测量频率的各个预定周期的频率的频率变化率以获得第一数据，并且多次累加和平均所测量频率的各个预定周期的频率，接着计算频率的频率变化率以获得一个以上第二数据。此处，对于所获得的一个以上第二数据，可以应用彼此不同的累加次数，以获得多个不同的数据值。

在一实施例中，通过半周期离散傅里叶变换测量到的频率可以相对于时间进行微分以获得第一数据。此处，f表示频率，t表示时间。此外，通过半周期离散傅里叶变换测量到的频率可以多次累加和平均，接着频率相对于时间进行微分以获得第二数据。

在一实施例中，第一数据可以是各个半周期测量到的频率相对于时间微分得到的频率变化率值（A），并且第二数据可以是各个半周期测量到的频率六次累加和平均并且将频率相对于时间微分得到的频率变化率值（B），另一个第二数据可以是各个半周期测量到的频率十二次累加和平均并且将频率相对于时间微分得到的频率变化率值（C）。图7图示了说明这点的曲线图。在另一个实施例中，应用于频率变化率值（A）、（B）和（C）的所测量频率的周期或者所测量频率的累加次数可以包括计算量和复杂度未快速增加的范围内的除上述值以外的值。例如，每一个周期测量到的频率可以应用于计算（A），每一个周期测量到的频率可以十次累加和平均并且可以将平均值应用于计算（B），并且每一个周期测量到的频率可以十六次累加和平均并且可以将平均值应用于计算（C）。此外，在又一个实施例中，一个以上第二数据可以包括经同样计算获得的除（B）和（C）以外的频率变化率值4。

偏差计算单元40计算预定时间间隔的连续频率变化率与由频率变化率计算单元30计算出的频率变化率值的偏差。

更具体地，在一实施例中，如果假定第一数据是各个半周期测量到的频率的频率变化率值（A），第二数据是各个半周期测量到的频率六次累加和平均所得到的频率的频率变化率值（B），且另一个第二数据是各个半周期测量到的频率十二次累加和平均所得到的频率的频率变化率值（C），则可以通过计算连续前五个数据值（B）和当前数据值中的最大值和最小值之间的差值来获得偏差。在另一个实施例中，可以通过应用数据值（A）或者应用数据值（B）来计算偏差。此外，在又一个实施例中，可以通过以不同的方式应用不同的前连续数据值个数来计算偏差。例如，可以通过计算连续前三个数据值（A）和当前数据值中的最大值和最小值之间的差值来获得偏差。

如果由偏差计算单元40计算出的偏差等于或者大于预定的基准值，则操作控制器50选择第一数据和一个以上第二数据中的最小值，并且如果偏差小于预定的基准值，则操作控制器50选择第一数据。此处，预定基准值可以通过实验确定，并且考虑到在所提供的输入信号的波形异常时频率变化率值大幅变化，因而在最小值的选择中应用例外情况。所选择的数据可以用作监测电力系统状况和稳定地管理电力系统的基础数据。

此外，操作控制器50控制是否使用所选择的数据来执行继电器操作。关于这点，图7图示出计算出的各个频率变化率。参照图7，例如，在三周期频率的频率变化率值（B）的基础上获得连续前五个数据值和当前数据值中的最大值和最小值之间的差值，并且如果获得的偏差等于或者大于预定的基准值，则选择作为最小值的六周期频率变化率（C），如果获得的偏差小于预定的基准值，则与现有技术类似地选择半周期频率变化率（A），并且将半周期频率变化率（A）用作管理继电器操作的数据。

操作控制器50可以包括比较单元55，比较单元55用于将所选择的数据与存储在数字式保护继电器中的设定值进行比较。如果基于比较单元55的比较结果，所选择的数据值等于或者大于设定值，则操作控制器50将其判定作为分布式发电的单操作（single operation）以产生跳闸信号，由此操作频率变化率继电器元件（81R）。此外，如果基于比较单元55的比较结果，所选择的数据值小于设定值，则不操作继电器元件，并且再次重复从进入频率测量单元20的输入信号的波形中测量频率的一系列过程。

图6是图示出根据本公开的数字式保护继电器的频率变化率继电器元件的操作流程图。首先，如果输入至系统电力的电压信号经A/D转换并且作为输入信号提供（S10），则对于输入信号的波形检测与零点交叉的时点（S20）。如果在步骤S20中未检测到任何交叉点，则过程返回至步骤S10，如果检测到与零点交叉的时点，则过程推进到步骤S30以从所提供的输入信号的波形中来测量频率。

多次计算所测量频率的频率变化率以获得第一数据和一个以上第二数据（S40）。例如，计算输入信号波形的各个半周期测量到的频率的频率变化率以获得第一数据，对输入信号波形的各个半周期测量到的频率进行多次累加和平均，接着计算频率的频率变化率以获得一个以上第二数据。其具体的计算过程已参照图4在上面进行了详细描述。

接着，计算预定时间间隔的连续频率变化率的偏差（S42）。通过计算第一数据或者一个以上第二数据的连续前五个数据值和当前数据值中的最大值和最小值之间的差值可以获得所述偏差。

接着，将计算出的偏差与预定的基准值进行比较（S45）。如果偏差等于或者大于预定的基准值，则选择第一数据和一个以上第二数据中的最小值（S47），如果偏差小于预定的基准值，则选择第一数据（S48）。

接着，使用所选择的数据值来控制继电器操作，尤其是，将所选择的数据值与存储在数字式保护继电器中的设定值进行比较（S50），作为比较结果，如果所选择的数据值等于或者大于设定值，则实施频率变化率继电器元件的操作（S60）。如果计算出的频率变化率值小于所存储的设定值，则过程返回至步骤S10以重复上述步骤。换言之，如果所选择的数据值等于或者大于所存储的设定值，则其判定为分布式发电的单操作以产生跳闸信号，由此执行继电器元件的操作。如果所选择的数据值小于所存储的设定值，则不实施继电器元件的操作（S70），并返回至步骤S10以重复执行以上步骤。

如上所述，可以根据偏差与预定基准值的比较结果来选择合适的数据值（计算出的频率变化率值之一），因而能够更稳定地判定出是否操作频率变化率继电器元件，由此作为结果获得防止频率变化率继电器元件误动作的效果。

根据依照本公开的数字式保护继电器以及数字式保护继电器的操作方法，可以从所测量频率中计算出多个不同的频率变化率，并且可以使用基于预定标准选择的频率变化率值作为用于控制继电器操作的基础数据，由此获得增强频率变化率继电器元件的操作可靠性的效果。

此外，根据本公开的数字式保护继电器以及数字式保护继电器的操作方法，其被设计为在使用现有技术中频率变化率继电器元件要求快速操作的本来操作特性的同时，当输入电压的波形为异常时执行例外条件，由此以简单方便的方式获得防止频率变化率继电器元件误动作的效果。

如上所述，根据依照本公开的数字式保护继电器以及数字式保护继电器的操作方法，可以通过从输入信号的波形中测量到的频率来计算多个不同的频率变化率值，并且可以基于预定的标准来选择频率变化率值，并且使用频率变化率值来控制继电器元件的操作，由此获得增强频率变化率继电器元件的操作可靠性的效果。

Claims (14)

1.一种用于对输入信号的频率进行测量以操作继电器的数字式保护继电器，包括：

频率测量单元，其被配置为使用零交叉方案来测量所述输入信号的频率；

频率变化率计算单元，其被配置为计算测量到的频率的各个预定周期的频率的频率变化率以获得第一数据，并且多次累加和平均各个预定周期的频率，接着计算频率的频率变化率以获得一个以上第二数据；

偏差计算单元，其被配置为计算预定的时间间隔内的连续频率变化率的偏差；以及

操作控制器，其被配置为将频率变化率的偏差与基准值进行比较，并且基于比较结果来选择第一数据或第二数据来控制所述继电器的操作，

其中，如果频率变化率的偏差等于或者大于基准值，则所述操作控制器选择第一数据和第二数据中的最小值，并且如果频率变化率的偏差小于基准值，则所述操作控制器选择第一数据，从而控制所述继电器的操作。

2.根据权利要求1所述的数字式保护继电器，其中，所述频率变化率计算单元将由半周期离散傅里叶变换测量到的频率相对于时间进行微分以获得所述第一数据。

3.根据权利要求1所述的数字式保护继电器，其中，所述频率变化率计算单元多次累加和平均由半周期离散傅里叶变换测量到的频率，并将平均值相对于时间进行微分以获得所述第二数据。

4.根据权利要求1所述的数字式保护继电器，其中，所述偏差计算单元使用前面多个连续频率变化率和当前频率变化率中的最大值和最小值来计算偏差。

5.根据权利要求1所述的数字式保护继电器，其中，所述操作控制器包括比较单元，所述比较单元用于将所选择的第一数据或者第二数据与预存的设定值进行比较。

6.根据权利要求5所述的数字式保护继电器，其中，基于所述比较单元的比较结果，如果所选择的数据等于或者大于预存的设定值，则所述操作控制器将其判定为分布式发电的单操作以产生跳闸信号。

7.根据权利要求1所述的数字式保护继电器，进一步包括：

模数转换单元，其被配置为将系统电力转换为电压信号，并且对电压信号进行模数转换以将输入信号输出。

8.一种用于对输入信号的频率进行测量以操作继电器的数字式保护继电器的操作方法，所述方法包括：

使用零交叉方案来测量输入信号的频率；

计算频率的各个预定周期的频率的频率变化率以获得第一数据；

多次累加和平均各个预定周期的频率，并且接着计算频率的频率变化率以获得一个以上第二数据；

计算预定时间间隔内的连续频率变化率的偏差；

基于频率变化率的偏差与基准值的比较结果来选择第一数据或第二数据；以及

使用所选择的第一数据或者第二数据来控制继电器的操作，

其中，如果频率变化率的偏差等于或者大于基准值，则选择步骤选择所述第一数据和所述第二数据中的最小值，并且如果频率变化率的偏差小于所述基准值，则选择步骤选择所述第一数据。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述获得第一数据是将由半周期离散傅里叶变换测量到的频率相对于时间进行微分以获得所述第一数据。

10.根据权利要求8所述的方法，其中，所述获得一个以上第二数据是多次累加和平均由半周期离散傅里叶变换测量到的频率，并且将平均值相对于时间进行微分以获得所述第二数据。

11.根据权利要求8所述的方法，其中，所述计算预定时间间隔内的连续频率变化率的偏差是使用前面多个连续频率变化率和当前频率变化率中的最大值和最小值来计算偏差。

12.根据权利要求8所述的方法，其中，所述控制继电器的操作是基于将所选择的第一数据或第二数据与预存的设定值比较的结果来控制继电器的操作。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述控制继电器的操作是：基于比较结果，如果所选择的第一数据或第二数据等于或者大于预存的设定值，则将其判定为分布式发电的单操作以产生跳闸信号。

14.根据权利要求12所述的方法，其中，基于比较结果，如果所选择的第一数据或者第二数据小于预存的设定值，则控制步骤返回至测量输入信号的频率。