CN102985836A - 用于供电网的快速距离保护 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于识别多相供电网的导线（10）上的短路（16）的方法，其中，记录电流和电压采样值并且如果由电保护设备（12a）对电流和电压采样值进行的故障分析得出在导线（10）上存在短路（16）则产生故障信号。为了特别是在清楚的故障的情况下比迄今为止更快地产生故障信号，建议从在短路（16）出现之前所记录的瞬时电流和电压采样值中计算瞬时的参考电压值，以及从在短路（16）出现之前所记录的瞬时电流和电压采样值和在短路（16）期间记录的瞬时电流和电压采样值中计算瞬时的比较电压值。然后，从相继的瞬时参考电压值中计算整流后的参考电压值，以及从相继的瞬时比较电压值中计算整流后的比较电压值。如果整流后的比较电压值和整流后的参考电压值的差超过触发阈值，则产生故障信号。本发明还涉及一种相应的保护设备（12a）。

Description

用于供电网的快速距离保护

技术领域

本发明涉及一种用于识别具有接地中点的多相供电网的导线上的短路的方法，其中，通过电保护设备记录在被监视的导线的一端的测量位置上的电流和电压采样值，并且如果由电保护设备对电流和电压采样值进行的故障分析得出在导线上存在短路，则产生说明导线上的短路的第一故障信号。本发明还涉及一种相应构造的电保护设备。

背景技术

在具有接地中点的供电网中必须在清楚短路的情况下能够特别快地断开发生故障的导线。由于高的短路功率，在这样的供电网中短路是特别危险的，因为其一方面对供电网的运行装置如导线、变压器、补偿设备、发电机等具有强的热要求并且另一方面会导致具有所谓的电摆动的“不稳定的”、振荡的运行。这两个效应一方面会导致持续的电网停电（所谓的“Blackout”），从而不能保证在特定的电网区域中的能量提供。因此，为了保证供电网的安全运行，要求快速断开故障导线上的短路。

一种用于自动监视供电网的导线的基本的保护方法是所谓的距离保护方法。通常在距离保护的范围内采用的用于识别导线上的短路的算法基于所谓的短路阻抗的测量。在此，保护设备测量直到故障位置的阻抗并且由此推导出到故障位置的距离（Distanz）。使用短路阻抗（转换为故障距离）以便确定所采集的短路是否实际上位于待保护的导线上。为此必须已知导线的长度以及其单位长度阻抗。如果确定了短路位于待保护的导线上，则断开所涉及的导线并且将故障的电网段与系统分离。由此保证了电网的继续一致的运行。

为了执行该距离保护算法，在被监视的导线的每个末端处的测量位置上采样并分析电流和电压信号。然后必须将时间参数转换为复数参数。这利用特别为该任务设计的滤波器来进行，所述滤波器消除了不期望的干扰信号（例如DC分量）并且提供电流或电压向量的实部和虚部。简单地，电流和电压向量可以基于复数参数作为复数电压和复数电流的商来计算。如果该短路阻抗小于已知的导线阻抗，则在导线的被监视的保护区域中出现内部故障。

还可以借助电流和电压的复数“德尔塔量

”来执行距离测量。这些德尔塔量可以通过比较在短路之前所采集的测量值与在短路期间所记录的测量值来确定。在此，在一定程度上分析通过在导线上的短路所产生的电流和电压曲线的分量。

两种所描述的方法具有的缺陷是，对于复数电流和电压值的计算取决于使用的测量窗的大小，需要最小数量的采样值，从而关于导线上短路的出现的判断以一定的延迟才能做出。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，这样提出一种方法和一种相应的保护设备，使得特别是在被监视的导线上的清楚故障的情况下可以比迄今为止更快地产生故障信号。

为了解决关于方法的上述技术问题，这样构造本文开头所提到种类的方法，使得对于电流和电压采样值的故障分析，根据在短路出现之前所记录的瞬时电流和电压采样值计算对于在导线上的参考位置的瞬时的参考电压值，以及根据在短路出现之前所记录的瞬时电流和电压采样值和在故障期间所记录的瞬时电流和电压采样值计算对于在导线上的参考位置的瞬时比较电压值。然后，从相继的瞬时参考电压值中计算整流后的参考电压值和从相继的瞬时比较电压值计算整流后的比较电压值。将整流后的参考电压值与整流后的比较电压值比较，并且如果整流后的比较电压值和整流后的参考电压值的差超过触发阈值，则产生第一故障信号。

按照本发明的特别的优点在于，通过使用对于参考电压值和比较电压值的瞬时值（而不是复数值）可以做出关于在导线上出现短路的特别快速的判断，因为不必等待所使用的测量窗的完整长度。因为根据这些瞬时值然后产生整流后的值，可以防止由于单个测量误差引起的错误判断的危险或在电流和电压的采样值中的异常测值。

通过使用按照本发明的方法可以在导线上强电流的短路情况下在几个毫秒之后就形成相应的故障信号。因为该方法仅利用在局部的测量位置上所采集的电流和电压采样值工作，所以与其它保护设备（例如在其它导线端上）的通信是不必要的。

按照本发明的方法的有利扩展在于，瞬时参考电压值的计算按照以下公式进行：

$u_{\mathrm{ref}}\left(n\right)=u_p\left(n\right)-L_{\mathrm{ref}}\frac{i_p\left(n\right)-i_p(n-1)}{T}-R_{\mathrm{ref}}\·i_p\left(n\right),$

其中，

u_ref(n)：瞬时参考电压值；

u_p(n)=u(n-N)：故障前电压采样值瞬时电压采样值u(n)之前的电网周期时间；

i_p(n)=i(n-N)：故障前电流采样值瞬时电流采样值i(n)前的电网周期时间；

T：周期时间；

N：每个周期时间的采样值的数量；

n：故障出现之后采样值的序号；

L_ref：导线上从测量位置到参考位置的电感；

R_ref：导线上从测量位置到参考位置的电阻。

以这种方式可以仅根据在故障出现之前所采集的采样值和已知的导线参数来确定参考电压值。

按照本发明的方法的另一个有利的实施方式，瞬时比较电压值的计算根据以下公式进行：

$u_v\left(n\right)=\mathrm{\Δ}{u}_f\left(n\right)-L_{\mathrm{ref}}\frac{{\mathrm{\Δi}}_f\left(n\right)-{\mathrm{\Δi}}_f(n-1)}{T}{-R}_{\mathrm{ref}}\·{\mathrm{\Δi}}_f\left(n\right)$

其中，

u_v(n)：瞬时比较电压值；

Δu_f(n)：故障出现之后的瞬时德尔塔电压值；

Δi_f(n)：故障出现之后的瞬时德尔塔电流值；

L_ref：导线上从测量位置到参考位置的电感；

R_ref：导线上从测量位置到参考位置的电阻；

T：周期时间；

n：故障出现之后采样值的序号。

以这种方式可以根据对于电流和电压的德尔塔量和已知的导线参数来计算比较值。

具体地，为了确定德尔塔量可以，一方面，按照以下公式来确定瞬时德尔塔电压值：

Δu_f(n)=u(n)-u_p(n)

其中，

Δu_f(n)：故障出现之后的瞬时德尔塔电压值；

u(n)：在故障出现之后的瞬时电压采样值；

u_p(n)=u(n-N)：故障前电压采样值瞬时电压采样值u(n)之前的电网周期时间；

n：故障出现之后采样值的序号；

N：每个周期时间的采样值的数量

而另一方面，按照以下等式确定瞬时德尔塔电流值：

Δi_f(n)=i(n)-i_p(n)

其中，

Δi_f(n)：故障出现之后的瞬时德尔塔电流值；

i(n)：故障出现之后的瞬时电流值；

i_p(n)=i(n-N)：故障前电流采样值瞬时电流采样值i(n)前的周期时间；

n：故障出现之后采样值的序号；

N：每个周期时间的采样值的数量。

以这种方式可以根据短路前和在短路期间记录的采样值计算德尔塔量。

关于整流后的参考电压值和整流后的比较电压值，还可以具体地，一方面按照以下等式进行整流后的参考电压值的计算：

$U_{\mathrm{ref}}\left(n\right)=\frac{2}{N}\underset{k=n-(\frac{N}{2}-1)}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left(\right|u_{\mathrm{ref}}\left(k\right)\left|\right),$

其中，

U_ref(n)：整流后的参考电压值；

u_ref(k)：对于采样值k的瞬时参考电压值；

n：故障出现之后采样值的序号；

N：每个周期时间的采样值的数量；

k：累加指数

而另一方面，按照以下等式进行整流后的比较电压值的计算：

$U_V\left(n\right)=\frac{2}{N}\underset{k=n-(\frac{N}{2}-1)}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left(\right|u_V\left(k\right)\left|\right)$

其中，

U_v(n)：整流后的比较电压值；

u_v(k)：对于采样值k的瞬时比较电压值；

n：故障出现之后采样值的序号；

N：每个周期时间的采样值的数量；

k：累加指数。

特别有利地是，作为参考位置使用导线上由保护设备监视的监视区域的末端。

在按照本发明的方法的该有利扩展中，可以非常简单地对于导线上完全被监视的监视区域或保护区域确定故障信号（例如从涉及的保护设备位于的测量位置出发，导线长度的85%）。

按照本发明的方法的另一个有利实施方式，保护设备当所记录的电流采样值具有超过了突变阈值的电流突变时识别短路的开始，当保护设备已经识别了短路的开始时产生第一激励信号，并且在第一激励信号出现之后保护设备才开始电流和电压采样值的故障分析。

以这种方式可以特别节约资源地进行按照本发明的方法，因为当保护设备根据电流突变已经探测到导线上短路出现时才开始电流和电压采样值的故障分析，并且另一方面对于电流和电压采样值的分析不必应用另外的计算功率。

关于这点，按照本发明的方法的另一个有利的实施方式，保护设备在出现第一激励信号的情况下首先进行电流和电压采样值的检查，关于导线的哪个相线出现短路，产生第二激励信号，该激励信号说明至少一个涉及短路的相线，并且保护设备仅关于至少一个由第二激励信号说明的相线进行故障分析。

由此可以更加节约资源地执行该方法，因为电流和电压采样值的故障分析仅关于实际上发生短路的故障回路进行。

按照本发明的方法的另一个有利实施方式，这样动态地确定触发阈值，使得随着对于计算整流后的比较电压值而考虑的电流和电压采样值的数量增加，触发阈值的值至少按照级别地降低。

由此，按照本发明的方法的灵敏度可以特别有利地与作为分析的基础的采样值的数量匹配。随着采样值的数量增加，故障分析的结果更可靠，从而可以减小对于形成故障信号而使用的触发阈值。

按照本发明的方法的另一个有利实施方式还可以的是，瞬时电流和电压采样值也可以用于计算由保护设备监视的导线的复数阻抗值，并且当复数阻抗值处于复数平面中预定的触发区域内时由保护设备产生说明导线上的短路的第二故障信号。

以这种方式可以几乎平行于前面描述的按照本发明的方法来实施基于复数故障阻抗的计算的经典的距离保护算法。由此可以更可靠地做出关于出现短路的判断。

关于这点，根据按照本发明的方法的另一个有利的实施方式最后可以的是，只要第一或第二故障信号出现的话，保护设备就产生用于触发限定导线的功率开关的触发信号。

以这种方式，可以当两个距离保护算法中的仅一个已经识别到导线上的短路时就产生故障信号，从而对于特定的短路情况分别最快的算法可以导致断开导线。由此进一步提高该方法的可靠性。

关于保护设备，上述技术问题通过一种用于关于在导线上出现的短路监视具有接地的固定点的多相供电网的导线的保护设备解决，其中保护设备被构造为用于执行按照权利要求1至11中任一项所述的方法。

附图说明

以下借助附图详细解释本发明。其中，

图1示出了多相供电网的被监视的导线的示意图；

图2示出了被监视的导线的等效电路图，用于解释叠加原理；

图3示出了具有电压曲线的线图，用于解释叠加原理；

图4示出了具有电压曲线的线图，用于解释德尔塔量的数值确定；

图5示出了被监视的导线的两个等效电路图，用于解释快速距离保护算法的功能；

图6示出了在被监视的导线上短路的情况下具有电压曲线的线图；

图7示出了用于解释动态匹配触发阈值的线图；

图8示出了在被监视的导线上短路情况下具有电流曲线的三个线图，用于解释突变探测；和

图9示出用了于解释回路选择的工作方式的示意性框图。

具体实施方式

图1示出了其它方面没有详细示出的多相供电网的导线10。导线10在其两端A和B由功率开关11a和11b限定，经过所述功率开关在故障情况下可以进行导线10的涉及的相线的断开。为此目的，在导线端A和B在测量位置15a和15b上设置了保护设备12a和12b。在各自的测量位置15a、15b上借助仅示意性示出的电流互感器13a、13b和电压互感器14a、14b所记录的电流和电压信号，被传输到所述保护设备12a和12b。

保护设备12a、12b借助A/D转换进行电流和电压信号的采样并且对于这样产生的电流和电压采样值进行故障分析，以便能够识别导线10上可能的短路16。这样的短路16或者可以是在相线和地之间的单相接地或者是多个相线参与的两相或多相短路。如果故障分析得出导线上的短路16，则产生触发信号S_aus并且传输到各自的功率开关11a、11b，以便促使这些功率开关断开其开关接触并且这样将涉及短路16的相线从其余的供电网分离。

借助仅在一端记录的电流和电压采样值的这样的故障分析通常不能对全部的导线长度进行，因为在一个测量位置（例如导线端A处的测量位置15a）所确定的采样值在处于分别另一个导线端（例如导线端B）附近的短路情况下由于从测量位置到故障位置的高的导线阻抗而只能非常不精确地被采集。由于这个原因在保护设备12a、12b处通常设置所谓的监视或保护区域，所述监视或保护区域说明从各自的测量位置开始的由保护设备12a及12b有效监视的那个导线长度。在图1中这样的监视区域17示意性地通过导线10的由保护设备12a监视的部分的阴影示出。监视区域的长度通常作为在各自的保护设备12a、12b中的参数以导线长度的百分比预先给出；例如监视区域可以是导线10的总长度的85%。各自的保护区域17的末端18也称为所谓的稳定限度（Kippgrenze）。

根据以下附图现在要解释由保护设备12a在导线端A处进行的距离保护方法的实施例，以便能够快速识别并断开在监视区域17中出现的短路16。

以下解释的快速距离保护方法对于电流和电压采样值的故障分析提供所谓的“德尔塔值（Delta-Werten）”，所述德尔塔值是按照叠加原理确定的，由此在以下首先简短解释该叠加原理。

每个线性电路可以按照叠加原理分解为多个等效回路，其中所有等效回路必须具有相同的无源拓扑，所述拓扑也具有初始的回路。此外，按照叠加原理分解的回路的所有有源元件（能量源和汇点）的在电的意义上考察的和必须相应于实际的输出回路的有源元件。图2中示出了图1的发生短路16的导线10的等效电路20a(图2中对于与图1的组件相应的组件选择了相同的附图标记)。导线10由具有两个导线端A、B的相应的前接阻抗Z_S,A和Z_S,B的电压源E_S,A和E_S,B馈电。在测量位置15a可以量取电流信号i_A和电压信号u_A。短路通过开关闭合来模拟。导线阻抗Z_L涉及导线10的总长；相应地，在导线端A处的测量位置15a至故障位置的导线阻抗利用a·Z_L来说明（a是涉及总的导线长度的、从导线端A至故障位置的距离）。

图2中的等效电路20a可以按照叠加原理分解为反映了短路16出现之前导线10的运行状态的等效电路20b以及说明了通过短路16的出现而引起的导线10的状态的改变的等效电路20c。

等效电路20b包括电压源E_S,A和E_S,B。在等效电路20a中短路16出现的位置处施加电压u_k。在测量位置15a处出现故障前电压u_p,A和故障前电流i_p,A。

另一个等效电路20c表示电网拓扑改变之后的情形。从该回路获得的电流和电压参数称为德尔塔量Δi_f，A和Δu_f，A，因为其涉及通过电路引起的电流和电压的改变。这些德尔塔量通过代表了短路16的虚拟电压源-u_k在故障位置处驱动。

在等效电路20b（短路之前的情形）和20c（通过短路引起的改变）叠加情况下由此得到等效电路20a。

因为在现实中由于关于a到故障位置的距离的缺少的信息而未知网络拓扑和其组件，所以不能从网络电路的计算确定电流和电压的德尔塔量。但是它们可以通过故障前量i_p,A和u_p,A与故障参数i_A、u_A的相减来确定。在此假定，故障前量反映了网络的稳定特性。图3再次以三个线图30a、30b、30c的形式示出了在故障参数i_A、u_A、故障前量i_p,A、u_p,A和德尔塔量Δi_f，A、Δu_f,A之间的关系。在此，线图30a示出了实际上在测量位置15a处在t=0时短路出现之前和之后所测量的电压u_A的时间曲线。线图30b表示了没有发生故障的情况，也就是仅涉及故障前量u_p,A的曲线，而在线图30c中示出的德尔塔电压Δu_f,A的曲线仅涉及通过短路产生的改变。在故障前量u_p,A和德尔塔量Δu_f,A的曲线相加的情况下又得出实际上在测量位置15a处所采集的电压u_A的曲线，因此各自的德尔塔量可以通过对于电压u_A的和故障前电压u_p,A的曲线的相减来计算。

在图4中详细示出了在实际计算对于电流和电压的德尔塔量的情况下的工作方式。图4示出了线图40，在所述线图中实线表示实际上在测量位置15a处采集的电压u_A的曲线。可以看出，电压u_A以t=0时的短路开始突变地下降并且然后以相应更低的振幅延伸。虚线画出了在t=0时故障出现之后故障前电压u_p，A的-虚拟-曲线，所述曲线是当t=0时没有出现短路时所产生的。各自的故障前电压的值u_p,A可以通过沿着时间轴以完整的波动周期T（或完整的波动周期的倍数）的时间上的偏移来确定，如图3中通过箭头31表示的。由此对于故障前电压成立关系：

u_p,A(t)=u_A(t-T)。

实际上必须在进行故障分析的保护设备12a（参见图1）中由此对于至少一个完整的波动周期的持续时间存储采集的采样值，以便能够计算虚拟的故障前量u_p,A的曲线。如从图3还可以获悉的，如通过另一个箭头32表示的德尔塔电压Δu_f,A的曲线可以通过按照下式

Δu_f，A(t)=u_p,A(t)-u_A(t)

相减来确定。

在故障前量和德尔塔量之间还出现数学联系，即，故障位置处的电压u_k，所述电压可以从这两个量确定。该虚拟的电压源是用于故障的距离确定的判断因数：

u_k=u_A-aZ_L·i_A，

和

u_k=Δu_f，A-aZ_L·Δi_f，a

其中，如上所述u_A和i_A是可测量的并且Δu_f,A和Δi_f，A是可计算的量。

但是未知量是至故障位置的阻抗aZ_L，其反映了网络的短路点。为了判断短路是否位于待保护的区域（监视区17，参见图1）中，必须插入优选处于监视区17的末端处的参考位置18的设置值Z_ref，其由此确定相应的监视区。该设置值Z_ref可以这样集成到计算中，即，可以如下进行故障位置的确定，即，处于监视区中的故障可以与这些位于监视区之外的区别。借助设置值Z_ref可以一方面关于故障前电压计算在故障发生前在设置的监视区的末端处的虚拟参考电压。另一方面可以在使用设置值和德尔塔电压的条件下还可以确定故障位置处的虚拟的比较电压，该虚拟的比较电压是当监视区的末端处出现故障时出现的。从这两个计算的电压的分析可以得到如下结论：

-如果短路处于监视区的末端（aZ_L=Z_ref），则参考电压和比较电压的值（几乎）一致。

-如果短路位于监视区中（aZ_L<Z_ref），则从德尔塔电压计算的比较电压大于参考电压。

-如果故障位于区域外部（aZ_L>Z_ref或aZ_L<0），则参考电压大于由德尔塔电压得出的比较电压。

由此，德尔塔量对于距离测量是有帮助的。为了在基于德尔塔量的方法中不会由于使用用于计算复数参数的时间窗而具有时间延迟，将其以时间上的形式利用瞬时值实现。在此，不需要从故障前量和德尔塔量到复数形式的转换。由此保护设备关于短路出现的判断可以被加速，因为不必等待直到测量窗被测量值填满并且可以计算复数的参数。类似于迄今为止描述的工作方式，首先确定瞬时参考电压值和瞬时比较电压值。该确定将根据在图5中示出的等效电路50a和50b来解释。

参考电压u_ref的计算可以根据图5中的等效电路50a来解释。该等效电路反映了故障前量。借助以下涉及采样值n的等式来确定该参考电压u_ref：

$u_{\mathrm{ref}}\left(n\right)=u_p\left(n\right)-L_{\mathrm{ref}}\frac{i_p\left(n\right)-i_p(n-1)}{T}-R_{\mathrm{ref}}\&CenterDot;i_p\left(n\right),$

其中，阻抗z_ref通过等效电感L_ref和电阻R_ref来代替。此外，u_p(n)=u(n-N)意味着故障前电压采样值，其在瞬时电压采样值u（n）之前的一个周期时间T发生，并且，i_p(n)=i(n-N)意味着故障前电流采样值，其在瞬时电流采样值u（n）之前的一个周期时间T发生。每个周期时间的采样值的数量是N。指标n表示故障发生之后采样值的序号。

此外，为了故障分析必须确定从电流和电压的德尔塔量（也就是通过短路引起的改变）中得到的在通过阻抗Z_ref设置的监视区的末端处的比较电压u_v。该比较电压u_v可以借助图5的等效电路50b来计算。在此必须首先将德尔塔量作为瞬时采样值和相应的故障前采样值（也就是所存储的采样值，其是在实际的采样值之前的一个波动周期（或其倍数）被采集的）的差。利用这些德尔塔量Δu_f和Δi_f关于采样值n得到比较电压为：

$u_v\left(n\right)={\mathrm{\&Delta;u}}_f\left(n\right)-L_{\mathrm{ref}}\frac{{\mathrm{\&Delta;i}}_f\left(n\right)-{\mathrm{\&Delta;i}}_f(n-1)}{T}-R_{\mathrm{ref}}\&CenterDot;{\mathrm{\&Delta;i}}_f\left(n\right).$

所示出的对于u_ref和u_v的等式首先允许仅对瞬时值的计算，所述瞬时值对于故障分析太不精确，因为它们可能遭受测量误差、异常测量或偶然波动。瞬时值由此不是用于故障分析的可靠基础。由于这个原因建议，根据参考电压u_ref和比较电压u_v的整流后的值进行所述分析。整流后的参考电压U_ref如下确定：

$U_{\mathrm{ref}}\left(n\right)=\frac{2}{N}\underset{k=n-(\frac{N}{2}-1)}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\left(\right|u_{\mathrm{ref}}\left(k\right)\left|\right),$

其中，

U_ref(n)：整流后的参考电压值；

u_ref(k)：对于采样值k的瞬时参考电压值；

n：故障出现之后采样值的序号；

N：每个周期时间的采样值的数量；

k：累加指数。

为了缩短计算并且在此提高该方法的速度，可以在半个网络周期期间确定整流后的参考电压。因为整流后的参考电压在故障出现之前保持恒定，所以其测量技术上的采集是没有问题的。

整流后的比较电压U_v相应地按照以下等式来确定：

$U_V\left(n\right)=\frac{2}{N}\underset{k=n-(\frac{N}{2}-1)}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\left(\right|u_V\left(k\right)\left|\right)$

其中，

U_v(n)：整流后的比较电压值；

u_v(k)：对于采样值k的瞬时比较电压值；

n：故障出现之后采样值的序号；

N：每个周期时间的采样值的数量；

k：累加指数。

这意味着，该方法在采样频率1kHz时最大需要10个采样值，以便能够确定整流后的比较电压U_v。关于在导线上的短路的判断由此可以在最大10个采样值之后做出，由此实现了明显的速度增加。

在图6中示出了在监视区内单相短路的故障分析结果。图6中以线图60示出了实际上在测量位置15a（参见图1）处测量的电压u、整流后的参考电压U_ref和整流后的比较电压U_v的时间曲线。直到在t=0出现短路时对于整流后的参考电压U_ref和整流后的比较电压U_v的值一致，即，两个的差低于触发阈值。相反，在位置61处出现短路很短时间之后识别出了整流后的比较电压U_v的提高，而整流后的参考电压U_ref继续保持恒定，因为其根据故障前量形成。由此，在位置61处由整流后的参考电压和整流后的比较电压的差第一次超过触发阈值并且产生用于断开导线的相应的故障信号。

根据在图6中的整流后的比较电压U_v的曲线可以看出，总是需要一定数量n个采样值，以便在监视区内短路时超过触发阈值。尽管如此在按照图6的例子中可以在半个周期时间的持续时间内做出判断。

总之可以确定，用于识别供电网的导线上的短路的所设置的方法有利地利用了根据瞬时参考电压u_ref和比较电压u_v的整流后的值的故障分析。整流后的值的使用相对于瞬时值来说具有的优点是，可以更可靠地判断在监视区内的短路，因为各个采样值的异常测量不是立即导致可能的错误触发。此外在出现外部的也就是在监视区之外的短路的短时的测量误差不会直接导致错误触发并且由此对故障分析的特性影响较小。此外可以确保，在不精确规定导线参数的情况下不会如此强地影响故障分析的精度。

对于故障分析的判断的稳定可以附加地采用在图7中示出的触发阈值的特征。为此图7示出了所谓的触发特征70，其利用增加的数量n个为计算整流后的比较电压U_v而使用的电流和电压的采样值说明了触发阈值的曲线（在触发特征70中通过正的分量71a和负的分量71b说明）。高于触发阈值的正的分量71a的阴影区域72a说明了整流后的参考电压U_ref和整流后的比较电压U_v的差的范围，在该范围内推断出监视区内的内部短路，而低于触发阈值的负的分量71b的区域72b意味着位于监视区之外的外部短路。而在位于这两个区域72a和72b之间的中间区域内部不能得出清楚的结论。可以看出，利用增加的数量n个为故障分析而使用的电流和电压的采样值，中间区域73（在该中间区域内部不可能做出判断）按照级别地减小，因为随着采样值的数量增加，可以更可靠地确定整流后的比较电压U_v的值并且由此整个故障分析的可靠性增加。

在图7中示例性示出了整流后的比较电压U_v和整流后的参考电压U_ref之差的三个曲线74a-74c。曲线74a早早地取负值并且最后导致识别位置75a处的外部故障的。曲线74b正好在故障出现之后取正值并且早早地就导致识别在位置75b处的被监视的导线上的内部短路。曲线74c则首先取负值，然后正值并且最后导致位置75c处识别被监视的导线上的内部短路。

除了对于故障分析而考虑的采样值的数量，还可以确定触发阈值的曲线的其它系数（图7中没有示出）。例如关于采集的电流和电压呈现越多的例如以谐波或频率偏差形式的干扰，则区域73（在该区域内部不能做出判断）可能越大。

所描述的方法可以通过进行故障分析的措施而节约资源地进行，从而可以减少保护识别的数据处理装置（CPU、DSP）为执行故障分析而必须使用的计算容量的大小。为此例如可以，首先仅根据简单的标准进行检查，导线上到底是否出现故障。为此采用所谓的突变探测器，其检查各自的相线的相间电流或从相间电流导出的值（例如基于相间电流的德尔塔值，必要时以整流后的形式）的显著的电流突变，并且如果识别到这样的电流突变，也就是超过了电流阈值的电流改变，则产生第一激励信号。

图8示出了由突变探测器采集的电流曲线

指标

和ψ在此用作三相导线的各个考察的相线（相1、相2、相3）的通配符。在第一线图81中以实线示出对于相线相1和相2的相间电流I_1-2的电流曲线。线图82以实线示出对于相线相2和相3的相间电流I_2-3，而最后在线图83中以实线示出了对于相线相3和相1的相间电流I_3-1。各个线图81、82、83中分别以虚线示出了所属的突变阈值I_1-2*、I_2-3*、I_3-1*，其中在按照图8的实施例中这些突变阈值为了稳定突变识别而动态地例如与流动的零序电流的大小匹配。

在按照图8的实施例中假定，相1发生单相短路。相应地，线图81中的电流曲线I_1-2和线图83中的I_3-1在位置84和85处示出了阈值打破，而在线图82中电流曲线I_2-3明显保持低于突变阈值I_2-3*的曲线。突变探测器在该例子中通过打破在位置84和85处的相应的突变阈值而输出第一激励信号，该信号例如可以被用作为后面对电流和电压采样值的故障分析的触发信号。只要没有由突变探测器产生第一激励信号，则相应地也不进行关于导线上的短路而对电流和电压采样值的分析，从而通过前接突变探测器可以极大节省保护设备的CPU的计算资源。

用于节省在故障分析时的计算性能的另一个可能性在于，在出现第一激励信号时进行回路识别，利用该回路识别可以识别各自的出现短路的回路（例如相1-地或相2-相3），并且然后仅对于所识别的故障回路进行电流和电压采样值的分析。这一点根据图9详细解释。

图9为此示出了回路识别功能的工作方式的框图。由突变探测器产生的第一激励信号S_an1被传输到第一处理块91。第一激励信号S_an1由此近似用作为用于开始回路识别的触发器，并且导致读出在第一处理块91处附加地施加的采样值u和i。在该第一处理块91中计算电流和电压的整流后的德尔塔量并且传输到第二处理块92。第二处理块92关于由电流采样值获得的德尔塔量进行各种的阈值比较。

该调用的结果被传输到第三处理块93，后者根据关于由电流和/或电压采样值所获得的德尔塔量的进一步检查来检查在第二处理块92中所获得的结果。如果在第三处理块93中的检查时可以确认来自于第二处理块92的结果，则第三处理块93输出第二激励信号S_an2，该激励信号说明了出现短路的故障回路。

例如，为了检查单相的相-地短路，可以在第二处理块92中检查以下条件（指标ψ和γ在此用作为导线的三个相的符号的通配符）：

和和ΔI₃₀>kI_N。

在此，I₃₀表示零序电压，k具有不同指标的代表预先给出的比较参数。如果预先提到的条件满足，则在第三处理块93处输出相应的第二信号，第三处理块93然后执行第二处理块92的结果的检查，方法是例如检查以下条件：

或(ΔI_ψ＞k_ip·ΔI_γ和

)

如果满足该条件，则第三处理块93确认第二处理块92的结果并且输出第二激励信号S_an2，该信号说明回路“相ψ-地”为发生短路。

在回路选择中，可以在块92中也检查以下条件：

和

如果满足该条件，则处理块92向处理块93输出相应的中间信号。该处理块93根据以下条件执行检查：

如果满足该这一点，则由第三处理块93输出第二激励信号S_an2，该信号表明回路“相ψ-相”是发生故障的。

在第三处理块93中还检查以下条件：

如果该条件满足，则输出第二激励信号S_an2，该信号说明回路“相

-地”发生故障。

通过在相选择时进行的检查可以非常可靠地说明实际上发生故障的回路，从而仅须关于由回路选择说明的发生故障的回路进行电流和电压采样值的分析。

最后，可以平行于所描述的故障分析还进行“经典的”距离保护方法，后者根据复数的电流和电压值确定短路阻抗，并且将其与预先给出的触发范围比较。首先已经识别了导线的监视区中的内部短路的那个算法输出相应的故障信号，该信号由所涉及的保护设备转换为用于触发相应的功率开关的触发信号。以这种方式可以确保，清楚的短路（其中整流后的参考电压和整流后的比较电压互相强烈不同）利用在此预先设置的故障分析导致快速触发，而在不太清楚的短路情况下，例如在稳定限度附近，可以援用缓慢的经典的距离保护方法的可靠性。

Claims (12)

1.一种用于识别具有接地中点的多相供电网的导线（10）上的短路（16）的方法，其中，执行以下步骤：

-通过电保护设备（12a）记录在被监视的导线（10）的一端（A）的测量位置（15a）上的电流和电压采样值；并且

-如果由所述电保护设备（12a）对电流和电压采样值进行的故障分析得出在所述导线（10）上存在短路（16），则产生说明该导线（10）上的短路（16）的第一故障信号，

其特征在于，

-对于电流和电压采样值的故障分析，执行以下步骤：

-从在短路（16）出现之前所记录的瞬时电流和电压采样值中，计算对于在导线（10）上的参考位置（18）的瞬时的参考电压值；

-从在短路（16）出现之前所记录的瞬时电流和电压采样值和在短路（16）期间记录的瞬时电流和电压采样值中，计算对于在导线（10）上的参考位置（18）的瞬时的比较电压值；

-从相继的瞬时参考电压值中计算整流后的参考电压值，以及从相继的瞬时比较电压值中计算整流后的比较电压值；

-将整流后的参考电压值与整流后的比较电压值进行比较；并且

-如果整流后的比较电压值和整流后的参考电压值的差超过触发阈值，则产生第一故障信号。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

瞬时参考电压值的计算按照以下公式进行：

$u_{\mathrm{ref}}\left(n\right)=u_p\left(n\right)-L_{\mathrm{ref}}\frac{i_p\left(n\right)-i_p(n-1)}{T}-R_{\mathrm{ref}}\&CenterDot;i_p\left(n\right),$

其中，

u_ref(n)：瞬时参考电压值；

u_p(n)=u(n-N)：故障前电压采样值瞬时电压采样值u(n)之前的电网周期时间；

i_p(n)=i(n-N)：故障前电流采样值瞬时电流采样值i(n)前的电网周期时间；

T：周期时间；

N：每个周期时间的采样值的数量；

n：故障出现之后采样值的序号；

L_ref：导线上从测量位置到参考位置的电感；

R_ref：导线上从测量位置到参考位置的电阻。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述瞬时比较电压值的计算根据以下公式进行：

$u_v\left(n\right)={\mathrm{\&Delta;u}}_f\left(n\right)-L_{\mathrm{ref}}\frac{{\mathrm{\&Delta;i}}_f\left(n\right)-{\mathrm{\&Delta;i}}_f(n-1)}{T}-R_{\mathrm{ref}}\&CenterDot;{\mathrm{\&Delta;i}}_f\left(n\right),$

其中，

u_v(n)：瞬时比较电压值；

Δu_f(n)：故障出现之后的瞬时德尔塔电压值；

Δi_f(n)：故障出现之后的瞬时德尔塔电流值；

L_ref：导线上从测量位置到参考位置的电感；

R_ref：导线上从测量位置到参考位置的电阻；

T：周期时间；

n：故障出现之后采样值的序号。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，按照以下公式来确定所述瞬时德尔塔电压值：

Δu_f(n)=u(n)-u_p(n)

其中，

Δu_f(n)：故障出现之后的瞬时德尔塔电压值；

u(n)：在故障出现之后的瞬时电压采样值；

u_p(n)=u(n-N)：故障前电压采样值瞬时电压采样值u(n)之前的电网周期时间；

n：故障出现之后采样值的序号；

N：每个周期时间的采样值的数量

并且，按照以下等式确定所述瞬时德尔塔电流值：

Δi_f(n)=i(n)-i_p(n)

其中，

Δi_f(n)：故障出现之后的瞬时德尔塔电流值；

i(n)：故障出现之后的瞬时电流值；

i_p(n)=i(n-N)：故障前电流采样值瞬时电流采样值i(n)前的周期时间；

n：故障出现之后采样值的序号；

N：每个周期时间的采样值的数量。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，

-按照以下等式进行所述整流后的参考电压值的计算：

$U_{\mathrm{ref}}\left(n\right)=\frac{2}{N}\underset{k=n-(\frac{N}{2}-1)}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\left(\right|u_{\mathrm{ref}}\left(k\right)\left|\right),$

其中，

U_ref(n)：整流后的参考电压值；

u_ref(k)：对于采样值k的瞬时参考电压值；

n：故障出现之后采样值的序号；

N：每个周期时间的采样值的数量；

k：累加指数

并且

-按照以下等式进行所述整流后的比较电压值的计算：

$U_V\left(n\right)=\frac{2}{N}\underset{k=n-(\frac{N}{2}-1)}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\left(\right|u_V\left(k\right)\left|\right)$

其中，

U_v(n)：整流后的比较电压值；

u_v(k)：对于采样值k的瞬时比较电压值；

n：故障出现之后采样值的序号；

N：每个周期时间的采样值的数量；

k：累加指数。

6.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，

-使用导线（10）上由保护设备（12a）监视的监视区域（17）的末端,作为参考位置（18）。

7.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，

-当所记录的电流采样值具有超过了突变阈值的电流突变时，所述保护设备（12a）识别短路（16）的开始；

-当该保护设备（12a）已经识别了短路（16）的开始时，产生第一激励信号；并且

-所述保护设备（12a）在出现第一激励信号之后才开始电流和电压采样值的故障分析。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，

-在出现第一激励信号的情况下，所述保护设备（12a）首先检查电流和电压采样值关于导线（10）的哪个相线出现了短路（16）；

-产生第二激励信号，该激励信号说明了至少一个发生短路（16）的相线；和

-所述保护设备（12a）仅关于至少一个由第二激励信号说明的相线进行故障分析。

9.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，

-如下动态确定触发阈值：使得随着对于计算整流后的比较电压值而引入的电流和电压采样值的数量增加，触发阈值的值至少按照级别地降低。

10.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，

-所述瞬时的电流和电压采样值也用于计算由所述保护设备（12a）所监视的导线（10）的复数阻抗；和

-如果该复数阻抗处于复平面中预先给出的触发范围内部，则由保护设备（12a）产生说明了导线（10）上的短路（16）的第二故障信号。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，

-只要出现第一或第二故障信号，所述保护设备（12a）就产生用于触发用来限定导线（10）的功率开关（11a）的触发信号。

12.一种用于关于导线（10）上的短路（16）来监视具有接地中点的多相供电网的导线（10）的保护设备，其特征在于，

-所述保护设备（12a）被构造为用于执行按照权利要求1至11中任一项所述的方法。

Images