CN103109429A - 故障参数指示器装置和有关的方法 - Google Patents

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Abstract

相对于传输线（10）的测量位置（12）确定配电系统（1）的AC传输线（10）上的故障的故障参数的方法包括：在测量位置（12）处测量传输线（10）的时间-依赖的电流；将指示测量的电流的电流信号传输到决策逻辑段（36），该电流信号包括多个故障前电流值和多个故障后电流值；由决策逻辑段（36）确定多个相位差值，其指示相应的故障前电流值与相应的故障后电流值之间相应的相位差；使多个相位差值累积成累积的相位差参数；通过将累积的相位差参数与阈值比较获得故障参数；以及输出确定的故障参数。

Description

故障参数指示器装置和有关的方法
技术领域
本发明的方面涉及用于配电系统的故障参数指示器装置，一般来说涉及用于指示传输线上的故障的参数（尤其是故障方向）的故障参数指示器装置。另外的方面涉及定向过电流继电器，其包括这样的故障参数指示器装置并且还包括断路器。另外的方面涉及确定配电系统的传输线上的故障的故障参数的方法。
背景技术
定向过电流继电器广泛地用于例如径向和环形二次输电系统和其他配电系统的配电系统的保护。这些继电器具有使它们能够确定故障方向的功能性。这里，故障一般意指过电流，典型地来自短路。此外，故障方向在大多数情况下是二进制信息，其指示故障是前向故障还是后向故障。这里，在使上游电源连接到下游配电系统部分的电力线中（其中正常电力方向是从上游到下游），前向方向是继电器的下游，并且后向（或反向）方向是继电器的上游。
在智能电网中，分散或分布式单元可以将电力馈送到电网中或消耗来自电网的电力。从而，在智能电网中，电力流方向可随着时间而改变。在该情形下，“前向”和“反向”仍可以如上文那样相对于当前电力流而限定，使得例如如果电力流反向，则前向方向将改变。
更一般地，故障方向是故障在测量位置的哪一侧处已发生的指示符。在上文的示例中，存在两个方向，前向和后向。如果测量位置处于具有多于两个侧的电力网的节点处，可存在不只是前向或后向方向。例如，对于一个后向线路部分和两个前向线路部分所连接到的节点，故障方向可包括情况“前向-1”、“前向-2”和“后向”。
方向信息提供关于在其处故障已发生的位置的更详细的信息。该信息可用于在故障情况下停用配电系统的较小部分。例如，例如对国内供应的常规的环形主馈线在它的T-结处具有断路器。如果在该常规的环形主馈线的线路中的任何线路中存在故障，典型地整个线路段被中断。该情形可以在获得更详细的故障方向信息时改进。为了此目的，定向过电流继电器可以连同断路开关安装在线路中。利用这样的继电器-开关系统，参考电压测量允许计算故障电流和它的方向。方向信息然后可以用于仅断开适当的段，而不是整个线路。
已知的定向过电流继电器依靠参考电压相量，也称为“电压极化”，用于估计故障的方向。当故障发生时，故障电流具有关于电压相量的特性相位角，该相位角取决于故障方向。通过将电流相量（复数电流值，其实部是实际AC电流）与在电力线上的测量位置处测量的参考电压相量（在工业上称作“电压极化”）比较而确定故障方向。这需要电流和电压两者的测量。该方法在故障非常靠近继电器时变得不可靠，因为在该情况下，继电器通过短路而几乎接地（在工业上称作“近区故障”）。
此外，包括电压测量单元的过电流继电器是昂贵的。因为对于上文的布置必须大量地使用它们，这是主要的成本因素。
Eissa M.M.在IEEE Transactions on Power Delivery，IEEE Service Center，New York，NY，US，卷20，第2期 (2005年4月1日)，页566-572，XP0ll129251，ISSN：0885-8977 “Evaluation of New Current Directional Protection Technique Using Field Data”中公开了电流极化方向元件技术以使用现场中记录的故障数据确定传输线上的故障方向。为了确定故障方向，评估普通的电流信号的和。结论是，对于前向故障，故障电流信号和极化电流信号的绝对值和高于故障电流信号的绝对值。另一方面，结论是，对于反向故障，故障电流信号和极化电流信号的绝对值和低于故障电流信号的绝对值。获得的绝对值和（其不包含任何相位信息）还在提出的技术中使用来识别方向性并且因此与阈值比较。换句话说，没有使用包含相位差的值的累积。
发明内容
鉴于上文，提供根据权利要求1的确定故障参数的方法、根据权利要求12的故障参数指示器装置、根据权利要求14的定向过电流继电器和根据权利要求15的使用。可以与本文描述的实施例组合的另外的优势、特征、方面和细节从从属权利要求、描述和图而是明显的。
根据第一方面，提供例如用于户外应用的相对于传输线的测量位置确定配电系统的AC传输线上的故障的故障参数（例如故障方向参数）的方法。该方法包括：在测量位置处测量传输线的时间-依赖的电流；将指示测量的电流的电流信号传输到决策逻辑段，该电流信号包括多个故障前电流值和多个故障后电流值；由决策逻辑段确定多个相位差值，其指示故障前电流值中相应的一些与故障后电流值中相应的一些之间相应的相位差，其中这些相位差值通过例如傅里叶分析或其他方法来计算；使多个相位差值累积成累积的相位差参数；通过将累积的相位差参数与阈值比较获得故障参数；以及输出确定的故障参数。
根据第二方面，提供用于相对于传输线的测量位置指示配电系统的AC传输线上的故障的故障参数（例如故障方向参数）的故障参数指示器装置。该故障参数指示器装置包括输入段，其用于接收指示由测量单元在测量位置处测量的时间-依赖的电流的电流信号，该电流信号包括多个故障前电流值和多个故障后电流值；和决策逻辑段，其配置用于基于电流信号确定故障参数。该决策逻辑段包括：相位差值确定子段，其配置成确定指示故障前电流值中相应的一些与故障后电流值中相应的一些之间相应的相位差的多个相位差值；累积子段，其配置成使多个相位差值累积成累积的相位差参数；和故障参数产生子段，其配置成通过将累积的相位差参数与阈值比较产生故障参数。根据一方面，决策逻辑段配置用于执行本文描述的任何方法步骤。
上文的方面允许以减少的成本可靠且有效地确定例如故障方向的故障参数。除其他因素外，成本降低因为不需要电压测量而是可能的。
此外，即使故障位于继电器或变电站附近（称为“近区故障”），该方法允许估计例如故障的方向。通过使用常规的基于电压的方法难以估计这样的故障的方向，因为测量位置处的输入电压趋于变成零。由于上文的方面依靠电流测量，在该情况下不存在这样的问题。
此外，上文允许独立于电流测量的取样速率来选择相位角灵敏度。具体来说，可以获得这样的相位角灵敏度，其低于两个电流测量（取样角）之间的正常相位改变。
附图说明
细节将在下面参照图描述，其中
图1示出根据一实施例的配电系统，其包括测量单元和故障方向指示器装置；
图2示出对于理解本发明的方面有用的电流-相量图；
图3示出对于理解本发明的方面有用的时间-vs.-电流图；
图4更详细地示出图1的测量单元和故障方向指示器装置；
图5更详细地示出根据一实施例的故障方向指示器装置的决策逻辑段；
图6示出时间-vs.-电流图，其图示根据本发明的一实施例确定故障方向的方法；
图7示出时间-vs.-相位差图，其图示根据本发明的一实施例确定故障方向的方法；以及
图8示出根据一实施例的配电系统，其包括断路器。
具体实施方式
现在将详细参考各种实施例，其一个或更多示例在每个图中图示。每个示例为了解释而提供并且不意为限制。例如，图示或描述为一个实施例的一部分的特征可以在任何其他实施例上或与任何其他实施例结合使用以产生再另一实施例。意图是本公开包括这样的修改和变化。特别地，下文的示例涉及故障方向指示器装置。然而，本文描述的方法还可以在其他保护功能（除方向估计外）中使用。
在图的下列描述中，相同的标号指相同的组件。一般，只描述关于单独实施例的差异。除非另外规定，一个实施例中的一部分或方面的描述也适用于另一个实施例中的对应部分或方面。
在本文，当参考对在特定时间测量的电流值或参考时域电流值测量作出时，这样的术语暗指可以对这样的测量指派时间，但不一定的是测量在时间方面完全是局部的。例如，测量可在时间方面被涂抹或可包括在其他时间获得的信息，只要仍可以对测量合理地指派特定时间（例如平均时间）。例如，为了获得测量的电流值的虚部，可使用傅里叶变换，其包括来自在其他时间获得的测量的信息。
另外，如果规定的是传输故障前和故障后信号，这不一定暗指将在传输的时候知道故障前和故障后信号之间的区别。这样的区别还可在传输后的时间建立，例如在信号处理后或在获得来自其他源的另外的信息后。
装置：一般描述
图1示出配电系统1。在本文，传输线10使电源2（例如，分布式发电源母线）连接到电网4，例如以从电源2对电网4馈电。此外，测量单元20在测量位置12处连接到传输线10。关于测量位置12，传输线分成上游（或后向）部分（源2的侧，在源与继电器之间）以及下游（或前向）部分（电网4的侧，在继电器与线路或电网之间）。如上文描述的，在智能电网中，电力流方向可随时间变化，但“前向”和“反向”仍可以关于当前电力流而限定。
测量单元20适应于在测量位置12处测量传输线10中流动的电流。故障方向指示器装置30从测量单元20接收指示测量的电流的电流信号，并且具有从电流数据指示传输线10上的故障的方向的功能性，即指示故障相对于测量位置12是在后向方向上还是在前向方向上已发生的功能性。
测量单元20包括电流传感器，用于测量在传输线10的测量位置12处的电流。它不包括任何电压传感器。测量单元20操作地耦合到故障方向指示器装置30（更准确地，耦合到其输入段32，在下文在图4中示出）用于将从电流测量获得的电流信号传输到故障方向指示器装置30（到输入段32）。
如将在下文更详细描述的，故障方向指示器装置30具有通过仅使用从测量单元20提供的电流数据而没有任何参考电压的情况下来指示方向信息的功能性。这导致主要的成本优势，因为在测量单元20中不需要有电压传感器。由于典型的配电系统需要许多继电器（如在图1中描绘的那个），总成本优势可以是显著的。
一般地，例如当传输线12不直接连接到电源2上游而经由更复杂网络的总线连接时，配置将更复杂。相似地，下游配置可更复杂。另外，为了简洁，仅示出单相线路。一般地，网络将具有更多的相位（典型地，三相位）。多于一个单相线路的情况将在下文进一步讨论。
现在，参照图4，更详细地描述图1的故障方向指示器装置30。故障方向指示器装置30具有输入段32和决策逻辑段36。该输入段32适应于接收传输线数据，即与传输线有关的数据，并且更具体来说，来自测量单元20的电流信号，而不接收任何电压信号。
从而，由输入段32接收的传输线数据由电流信号和可能其他非电压数据组成，但不包括任何电压数据或例如混合的电流-电压数据。换句话说，传输线数据没有由电压测量产生的数据。
决策逻辑段36操作地连接到输入段32以用于接收传输线数据（其还包括从传输线数据处理的数据的情况）。决策逻辑段36包括第一故障方向确定程序，以用于从传输线数据确定故障方向和用于将确定的故障方向输出作为第一故障方向指示符。
故障方向确定程序：一般引入
在下面，将更详细地描述决策逻辑段36，并且更具体来说第一故障方向确定程序。在故障的情况下，程序的任务是从传输线数据（即尤其从电流信号）提取方向信息。利用下文描述的算法，从电流测量检测故障的方向而不使用电压信号。
底层模型：
现在，在详细描述决策逻辑之前，将参照图1至3描述模型，故障方向可以根据该模型而仅从电流得到。图1示出电力传输线10的两个可能故障，下游故障F2和上游故障F1。
在上游故障F1的情况下，从电网4流到故障F1的故障电流IF1是
   （1），
其中V4是电网4处的电压，并且其中Z4-F1是电网4与故障F1的故障位置之间的阻抗。（这里，所有量是给出为相量的AC量，即复数）。同样，在下游故障F2的情况下，从源2流到故障F2的故障电流IF2是
Figure 944772DEST_PATH_IMAGE002
   （2），
其中V2是源2处的电压，并且其中Z2-F2是源2与故障F2的故障位置之间的阻抗。
阻抗Z4-F1和Z2-F2不是确切已知的并且可互不相同。然而，因为线路10一般是具有可忽略电阻和电容的几乎纯电感的，阻抗Z4-F1和Z2-F2是具有负虚数分量的几乎纯虚数。
现在，如果Ipre是从源2到电网4的故障前电流，则，在上游故障F1的情况下总的故障后电流I1是
Figure 588243DEST_PATH_IMAGE003
           （3）。
同样，在下游故障F2的情况下总的故障后电流I2是
Figure 923409DEST_PATH_IMAGE004
         （4）。
请注意在符号方面的差异，其是由于在与故障前电流相反的方向上指引故障电流IF1（从电网4到故障F1），而在与故障前电流相同的方向上指引故障电流IF2（从源2到故障F2）。
该符号差异在图2的电流-相量图中可见。这里，在上游或下游故障的情况下，电流（表示为复平面中的复数）从Ipre跳变到I1或I2，如分别在等式（3）和（4）中给出的。这里，短路电流相量-IF1和IF2（通过其电流相量可跳变）由于等式（3）和（4）中的符号差异以及由于Z4-F1和Z2-F2都是具有负虚数分量的虚数而具有互相相反的符号。因此，相对于故障前电流Ipre的故障后电流（I1或I2）的相位角具有取决于故障方向并且指示故障方向的相位改变：例如，正的相位角改变可指示在上游方向上的故障，而负的相位角改变可指示在下游方向上的故障。因此，仅相对于Ipre确定故障后电流（前向和后向/反向）的方向而不需要任何母线电压是可能的。从而，电流独自包含足够的信息来确定故障方向，即包含在故障期间的电流的相位改变中的信息。
图3是示出在故障时间81处的故障的情况下作为时间的函数的理想化电流的图。故障时间81前的故障前电流是具有AC循环或AC周期T的正弦形状的AC电流。故障之后，故障后电流再次是正弦形状的AC电流，但具有更大的幅度－在这里更重要－相对于故障前电流具有
Figure 714648DEST_PATH_IMAGE005
相移。换句话说，如果故障前电流可以由时间-依赖I0·eiωt描述，则故障后电流可以由时间-依赖
Figure 793462DEST_PATH_IMAGE006
描述，其中c是实数，并且ω=2π/T是频率，T是AC周期。
在一实际情形中，在图3中示出的全曲线不可用。相反，以给出的取样速率（即以如在例如图6中示出的常规时间间隔取样）仅测量离散电流值（样本）。这里，取样速率N限定为每AC循环T获得的样本数量。例如，在图6中，N ≈ 50。在这样的情形中，难以区分小于大约取样角的相移
Figure 291439DEST_PATH_IMAGE005
，该取样角限定为360°除以取样速率N。例如，利用每AC循环20个样本的取样速率，角分辨率大约是360°/20=18°。大致上低于该极限的任何相移可能不被可靠地识别。
从而，如果相移小于大约取样速率，将预期基于相移检测的方法变得不可靠：如果例如只在故障开始81之前取得样本，并且如果故障角改变小于大约取样角，则将在改变后取得下一个样本，其可以导致方向的错误估计。
为了避免该错误，一个可能的解决方案将是对测量相移选择阈值极限，该阈值极限高于大约取样角。然后，仅当相移大于阈值时，确定故障方向，否则输出“中性的”，其用信号发出的是无法可靠地确定故障方向。然后，为了获得对于小的角的可靠预测，将简单地增加取样速率以便获得足够小的角分辨率（取样角）。
决策逻辑段的基本算法：
证实存在另一解决方案，其允许比取样速率更高的准确度。利用该算法，可以避免取样速率的增加。增加取样速率可以增加成本，因为需要具有更高取样频率和一般来说更强大的硬件和/或软件的一些设备。另外，如果使用现有的测量设备，有利的是，能够独立于取样速率地选择期望的准确度使得不必更改现有的取样速率。
通过在故障开始后等待少量的时间而使准确度增加到取样速率之上，这是可能的。即，如果分析故障后的多个样本，通过在下面参照图6解释的算法，甚至可以可靠地确定小的相移。
根据算法，由测量单元10也在正常操作期间连续测量在测量位置12（参见图1）处的电流。如果例如来自ABB的诸如仅电流保护装置的馈线保护系统用作测量单元，这样的系统连续监测电流的AC属性并且调整取样频率使得每AC循环的样本数量对应于取样速率。另外，保护装置一般来说能够将电流表示为复数，其中实部表示测量的电流并且虚部表示相位信息。复数电流值然后作为电流信号被传输到故障方向指示器装置。故障方向指示器装置持续一些时间地将复数电流值存储在缓冲器中。例如，对应于最后c个AC循环的电流值（其中c ≥ 1并且典型地c ≥ 4）可以存储在循环缓冲器中。这里，电流值称为Ij，其中j是表示样本数量的指数，一些较小的j是最早的样本并且一些较大的j是最近的样本。该标定指数方式不一定描述采用其在装置中物理存储样本或给样本编索引的方式，而只是用于描述本文的算法的简捷符号。电流值Ij的一示例在图6中表示。
在故障（例如电流超过阈值）的情况下，故障信号由馈线保护系统发出并且由故障方向指示器装置接收。即，在故障时或之后不久，发出起动命令，典型地在起动时间帧82中。如果故障持续一些时间，即如果几个AC循环（比如说，两个AC循环直到跳闸间隔84的末端或之后）后电流仍超过阈值，发出跳闸命令，其促使配电系统的一部分断开。备选地，如果电流超过另外的更高阈值，则还可以更早地发出该跳闸命令。起动和跳闸信号一般来说响应于超过阈值的电流或一些其他故障-指示事件从例如馈线保护系统发出。在下面，k将指示对应于接近故障事件的时间的指数，理想地，对应于故障事件之前的最后样本的时间的指数。然后，电流Ij（j ≤ k）表示故障之前的故障前电流，并且电流Ij（j >k）表示故障后电流。这里，故障的时间通常取为发出“起动”命令所在的时间，但也可以使用故障时间的不同指示符，例如从测量电流（如在图6中可见的）中的一些模式得到的指示符。
故障方向指示器装置应该在跳闸命令时输出方向信息，该跳闸命令通常在跳闸间隔84之后发出。即，在“起动”命令或故障事件之后的几个循环（比如说，n个循环，其中n ≥ 1或甚至n ≥ 2）发出“跳闸”命令。在图6的示例中，要在检测的故障事件后或“起动”命令后的n=2个循环后发出“跳闸”命令。“起动”和“跳闸”命令之间的时间允许测量单元12测量多个（即，n*N）故障后电流样本并且将它们传输到故障方向指示器装置30。
从而，当发出跳闸命令时或预期发出跳闸命令前不久，故障方向指示器装置具有多个可用的故障后电流值，即在故障后取得的取样的电流测量的复数值。这些故障后电流值也称为Ipost(i)=Ik+i，其中1<i ≤ n*N，N是取样速率。
决策逻辑段然后从故障后电流值确定多个相位差值，即第i故障后电流值Ipost(i)与相应的第i故障前电流值Ipre(i)之间的相位差值
Figure 63086DEST_PATH_IMAGE005
((Ipost(i), Ipre(i))。这里，第i故障前电流值Ipre(i)限定为在对应的第i故障后电流值Ipost(i)之前的整数m个循环取得的样本。从而，如果Ipost(i)=Ik+i，则Ipre(i)= Ik+i-m*N。这里，参数m指示有多少个循环位于第i故障前和故障后电流之间，并且原则上可以随意地以m ≥ n地选择m。典型地，选择m=n。在图6的示例中，m=n=2，因此故障前电流值Ipre(i)是对应故障后电流值Ipost(i)之前的两个循环取的电流样本。两个复数a和b之间的复相位差
Figure 13725DEST_PATH_IMAGE005
(a, b)计算为
Figure 207815DEST_PATH_IMAGE005
(a, b)=arctan(Im(a/b)/Re(a/b))。另外，相位差值
Figure 560299DEST_PATH_IMAGE005
(Ipost(i), Ipre(i))可以通过例如使用傅里叶分析或其他方法而计算。
在已经获得多个相位差值
Figure 502847DEST_PATH_IMAGE007
(Ipost(i), Ipre(i))之后，决策逻辑段然后使它们累积成累积的相位差参数△Φ。典型地，这通过根据式
Figure 940781DEST_PATH_IMAGE008
对相位差值求和而进行。而且，累积的相位差参数可以获得作为加权和，其中各种参数例如通过它们的相对可靠性而加权。
然后，决策逻辑段通过将累积的相位差参数与阈值比较而确定故障方向参数。例如，如果△Φ>0，则将确定反向故障，并且如果△Φ<0则将确定前向故障。实际上，小的阈值数ε用作阈值，并且如果△Φ>ε则将确定反向故障，并且如果△Φ<-ε则将确定前向故障。如果
Figure 423715DEST_PATH_IMAGE009
则将发出中性故障（其指示未知故障方向）。这样，对于其中△Φ接近零使得无法可靠地确定它的符号的情形，避免潜在不可靠的信号的产生。然后输出确定的故障方向（前向、后向或中性）。
关于△Φ的符号，注意到尽管符号指示故障方向，但是对特定故障方向（前向或反向）的特定符号（正或负）的指派取决于线路参数的数量，以及符号规约，因此还可以存在其中如果△Φ<0则预期反向故障并且如果△Φ>0则预期前向故障的情形。
图7通过对具有各种故障角（-1度至-90度）的反向故障以及每循环N=20个样本的取样速率示出作为i的函数的一些确定的相位差值
Figure 896285DEST_PATH_IMAGE005
(Ipost(i), Ipre(i))而图示上文的算法。根据上文描述的模型，预期正的相位差。实际上，至少对于高于5°的角（绝对值），可以看到尽管存在正和负符号两者的单独相位差值，但是存在比负的相位差值更多且更大的正的相位差值。因此，相位差值的和将是正的。因此，该和是比单独相位差值可靠得多的故障方向的指示符。具体来说，对于5°及更多的故障角，该和是非常稳定且可靠的故障方向的指示符。
图7表明改进角灵敏度使得可以区分低至5°的故障角。从而，角灵敏度增加至5°而不是大约360°/N=18°的取样极限。对应地，作为一示例，阈值量ε可设置成对应于5°故障角的值。
从而，在图7的示例中，可以看到故障角灵敏度增加到取样角以下：故障角灵敏度是大约5°而取样角是大约18°。如果通过简单地使用更高的取样速率尝试相同的结果，将需要对应于5°取样角的取样频率，其比在图7的示例中实际使用的取样频率高大约3.6倍。这将需要更高端的硬件和取样电路，因此成本将增加。而且，利用更高的取样频率，样本将在更小的时间间隔到来。对于保护功能，需要在下一个样本到来之前计算所有算法。当算法的耗时保持固定时，这将需要具有更高时钟速率的微处理器，从而甚至使成本进一步增加。
循环后角监测是通用技术，其除了方向估计外还可在其他保护功能中使用，以便使角灵敏度增加而不增加取样频率。
故障方向确定程序：三相位计算
在上文的讨论中，仅描述了单线路系统。事实上，大部分配电系统具有三个电流相位。对于这样的三相位系统，可以对全部三个电流相位中的电流使用单个表示。从而，根据一实施例，来自全部三个电流相位I1、I2、I3的电流信号组合成组合的电流信号。作为单个表示，可以使用正的序列分量或正的相位序列（PPS）电流信号IPPS=I1+eiωT/3·I2+ e2iωT/3·I3。然后，如上文描述的，可以通过基于组合的电流信号计算相位差值而评价组合的电流信号。从而，可以执行如上文提到的对于单线路情况的相同分析，并且可以应用上文描述的方法，其中电流信号是正的序列分量或一些其他组合的电流信号。
然而，实际上该方法并不总是稳定的并且可导致故障方向的错误确定。尤其当使用正的相位序列分量时，相位角例如受到频偏、三相位线路输入中的内在不平衡和测量噪声的影响。因此，PPS电流信号的角度比可期望的更不稳定。
因此，根据另一实施例，如上文描述的，对于每个电流相位单独计算相位差值，而不是对于组合的电流信号来计算。因此，对于单独电流相位的相位差值比组合的电流信号更稳定。因此，对于每个样本指数i，计算三个相位差值
Figure 9735DEST_PATH_IMAGE010
，对于每个电流相位p一个。然后，取得三个相位差值的最大值并且使用该最大值，如上文描述的，获得累积的相位差参数△Φ。例如，累积的相位差参数△Φ可以如以下而获得：
Figure 934965DEST_PATH_IMAGE011
这样，我们确保单个量（三个相位的三个角的最大值）俘获事件（对于任何类型的故障）。存在用于组合相位差的其他方法，例如通过取得相位差角的几何平均数。
根据一备选实施例，计算三个单独电流累积的相位差参数△Φp，对于每个电流相位p一个。然后，取得参数△Φp的最大值。
电流阈值
上文的方法依靠故障前电流作为极化量，而不是例如电压。因此，为了判断方向，继电器必须持续某一持续时间地将有效故障前电流视为基线信息。如果不存在具有足够稳定的相位振荡的有效故障前电流，结果将是不可靠的。因此，将输入信号（电流）的基本分量的幅度与电流阈值比较。如果电流持续最后两个循环地不高于电流阈值，不输出方向信息。相反，输出指示不确定的方向信息的“中性的”信号。标称电流值的10%可选为阈值。然后，电流的基本分量的幅度必须对于至少两个循环而高于标称电流值的10%，否则输出“中性的”信号。这几种情况可在例如在故障期间条件下转变装置时（即，在将接通转换到故障状态的情况下）发生。
故障方向确定程序
图5示出根据上文的算法的决策逻辑段36的故障方向确定程序的信号处理序列。首先，从输入段接收包括复数故障前和故障后电流值的电流信号（箭头33）。然后，相位角提取模块41确定相应电流值的相位角。可以例如通过傅里叶分析或其他方法计算相位值。具体来说，如果如上文描述的使用反正切函数，该函数可通过表查找而实现以便加速计算。相位角存储在相位角存储装置42中。在故障情况下，N*n个故障前角可用并且N*n个故障后角可用或将稍后可用。然后，相位角减法器43从第i故障前角减去第i故障后角并且从而确定第i相位差值
Figure 972322DEST_PATH_IMAGE005
(Ip post(i), Ip pre(i))，对于i=1…n*N。然后，最大值-选择段44对每个电流相位选择相位差值的最大值，并且最大值相位角差存储在存储装置段中。
甚至在没有故障的情况下，可连续执行上文的步骤或上文的步骤中的一些。而且，故障-时间指示器段48可使用最大值相位差用于在发出起动命令的情况下例如通过将每个样本i的最大值相位差与阈值比较或通过获得最大值相位差来确定故障时间。
故障之后，累积器47例如通过对相位差求和对n个故障后循环（例如2个故障后循环）累积最大值相位差，以获得累积的相位差参数△Φ。然后，通过将△Φ与阈值比较，确定段49如上文描述的确定故障方向。
故障方向确定程序：两个程序
在一可选实施例中，除上文描述的（第一）故障方向确定程序外，决策逻辑36还可包括第二故障方向确定程序。该第二故障方向确定程序另外从传输线数据确定故障方向，但根据不同的算法。然后，该第二故障方向确定程序输出第二故障方向指示符。第一故障方向确定程序和第二故障方向确定程序可在相同硬件上（例如，并行）或不同的硬件块上运行。
此外，根据可选实施例，决策逻辑36包括决策结合程序，用于从第一故障方向指示符和从第二故障方向指示符确定故障方向。然后，所得的确定的故障方向由决策结合程序输出作为第三故障方向指示符。
在故障方向指示符在故障方向上互相不一致的情况下，或通过决策加权（即通过使不同的权重归属于第一和第二故障方向指示符）和通过取得具有较高权重的结果，决策结合程序可确定故障方向为中性的。这些权重可独立于它们的输入数据由相应的故障方向确定程序和它们自身而确定。而且，在互相不一致（并且可能具有与不一致侧中的每个关联的相似权重）的情况下，决策结合程序可发出中性输出，其然后可在断路器配置中可能导致断路器禁止网络的更大部分。
上文的决策结合可以推广到三个或更多的故障方向确定程序。决策结合程序可包括（可能加权的）投票例程。
多于一个故障方向确定程序的使用具体来说在使用不同类型的故障方向确定程序时有用。因此，例如，可以根据基于机器学习的算法或基于规则的算法对第二故障方向确定程序编程。然后，在不同的方法之间互相一致的情况下，错误的风险降低并且稳定性增加。而且，可以更容易地检测错误，因为即使一个故障方向确定程序发出不正确的结果，该错误可被检测和忽略，或仅将至少导致中性输出，而不是有更多问题的不正确输出。
继电器/断路器
尽管故障方向指示器装置30本身是有用的，它在集成到监测系统或断路器系统（继电器）时特别有用。由于该目的，故障方向指示器装置30的可选通信段允许它将确定的故障方向（即，指示例如前向或后向故障的故障方向指示符）传输到配电网络的另一个单元，例如到断路器，到控制单元，或到监管单元以用于监管传输线10。
图8示出其中配电系统1包括断路器50（例如，来自ABB的REF断路器）的配置。该断路器50可能经由中央控制单元（未示出）操作地耦合到故障方向指示器装置30。由此，断路器可以从故障方向指示器装置30接收第一、第二和第三故障方向指示符中的至少一个，或由此获得的一些其他故障方向信息，例如可能性信息或中性输出。该输出然后可触发断路器50或中央控制单元以采取适当的动作，例如切断适当的段，而不是整个线路10。在“不确定信息”输出的情况下，例如整个线路10的更大的部分可被切断。
电力流方向
在一些实施例中，决策逻辑段36（例如参见图1）还包括电力流确定程序，用于从传输线数据确定电力流方向。电力流的监测可以独立于故障以常规间隔或持久地执行。
来自电力流方向确定程序的另外的电力流信息还可用于控制在图8中示出的断路器50。从电网4到源2的电力流是不希望的，因为能量由此被浪费。从而，如果检测到不希望的电力流（可能在预定的时间间隔上），断路器50可被激活以使适当的段断路以便限制能量浪费。
因此，在该情况下，装置30可以描述为电路耦合（hook-up）电力流方向装置以检测是否存在不希望的电力流。该装置对于像风/太阳能系统的分布式发电单元尤其有用。这些单元可能停止生产，并且在该情况下，电力将在相反的方向上（从电网4到发电机2）开始流动。从牵涉的电流的角度来看，该情形与上游故障条件（如上文描述的）相似，只是没有实际故障。因此，定向装置可以用本文描述的算法检测该类情形，并且激活断路器50或发出警告。
智能电网：
在现今的网络中，能量递送发生经由HV变压器通过传输电网（HV）到配电网并且通过配电变压器到LV和最终用户。这还可以描述为从主电厂经由各种传输网络到墙中的电力插头的“顶部-向下”电力流。相应地进行对电厂和网络的保护方案。然而，随着更多的分布式发电的引入（主要通过替代能源），电力流的方向可以在某些环境条件下改变。例如，分布式单元可在一些时间充当将电力馈送到电网的电源，并且在其他时间消耗来自电网的电力。
已知的定向过电流功能（参考电压相位）在电力流（或在给出的电压相位角的电流）由于分布式发电单元产生比在要保护的电网中消耗的更多的能量而改变方向时无法适应或区分。已知的定向过电流功能不能适应于改变的情形，因为当电压相位不改变时未考虑改变的故障前条件（逆电力流）。
根据本发明的一实施例，通过利用故障前电流作为对方向信息的参考，保护功能在故障状况下被启用以适应于改变的情形，即改变的故障前电力流。因此，在专利申请中描述的功能将总是通过在前向方向上跳闸而通过“关断”电源来保护网络，因为前向方向从当前电源的角度看总是限定为朝着故障的方向。
例如，考虑其中电力在正常方向上从中央电源流到分布式单元的第一情况。然后，在故障情况下，假设继电器在前向条件下跳闸并且在后向条件下闭锁，继电器将使主电源与故障位置隔离：在前向方向上到故障的继电器跳闸，而在后向方向上继电器闭锁。由于故障仍存在，可能的是一些电力通过先前闭锁的继电器从定位在故障后面的分布式单元仍使得馈送到故障。在该情况下，电流流动将改变，因为分布式单元正对故障馈电。如果电流再次超越设置点，即触发跳闸命令，先前闭锁的继电器现在将跳闸，因为故障现在在自该继电器的前向方向上。这是对电流的保护系统如何可以适应于改变的条件并且保护源免受故障影响以及使源与故障隔离的一个示例。
在第二情况下，分布式单元将能量馈送到分布式网络。在故障的情况下，继电器在前向方向上跳闸并且在后向方向上闭锁。由此，分布式单元因为故障前电流在HV电网连接的方向上（如从电网来看，朝着中央电源）而使得与故障断开。而且，在该示例中，如果在分布式单元断开后故障仍存在，电力方向逆转并且HV电网正对故障馈电。因此，闭锁继电器现在经历改变的故障前电流：现在该继电器将还经历前向电流流动并且将立即跳闸使得故障变成完全被隔离。
本发明的一般方面
在下面，将描述本发明的一些一般方面。根据另一方面，不是故障方向参数的另一个故障参数也可采用相似的方式获得。
根据一方面，提供用于指示配电系统的传输线上的故障相对于该传输线的测量位置的方向的故障方向指示器装置。该故障方向指示器装置包括输入段，其适应于接收传输线数据，该传输线数据包括由测量单元在测量位置处测量的局部故障方向指示数据，其中该传输线数据仅包括来自该局部故障方向指示数据的电流信号；和决策逻辑段，其操作地连接到输入段，该决策逻辑段包括第一故障方向确定程序，用于从传输线数据确定故障方向并且用于输出确定的故障方向作为第一故障方向指示符。根据另一方面，根据机器学习算法对该第一故障方向确定程序编程。根据另一方面，决策逻辑还包括例如根据基于规则的算法编程的程序的第二故障方向确定程序，用于从传输线数据确定故障方向并且用于输出确定的故障方向作为第二故障方向指示符；和决策结合程序，用于从该第一故障方向指示符和从该第二故障方向指示符确定故障方向，并且用于输出所得的确定的故障方向作为第三故障方向指示符。根据另一方面，根据从由最小-最大算法、比较器算法、符号算法、频率分析算法、黑盒子算法、基于数学模型的算法和模糊逻辑算法组成的组选择的至少一个相应算法对第一故障方向确定程序和第二故障方向确定程序（如存在）编程。根据另一方面，电流信号包括故障前电流信号（Ipre）和故障电流信号（I1, I2）；并且对第一故障方向确定程序编程以确定故障电流信号（I1, I2）与故障前电流信号（Ipre）之间的关系，并且从该确定的关系来确定故障方向。根据一方面，在传输线数据中不包括电压信号或混合的电流-电压信号：传输线数据没有由电压测量产生的数据。
根据另一方面，提供根据权利要求1的方法。根据另一方面，阈值对应于相位角，其小于取样速率相位角。
根据另一方面，多个故障前电流值包括n个故障前电流值，并且多个故障后电流值包括n个故障后电流值，并且多个相位差值包括n个相位差值，n至少是1，例如大于1和/或不大于3。根据另一方面，对于（每个）1≤ i≤ n，故障前电流值中的第i个对应于相应的第i故障前时间，并且故障后电流中的第i个对应于相应的第i故障后时间，即在相应的时间测量故障前/后电流，并且相位差值中的（每个）第i个分别指示第i故障前电流与第i故障后电流之间的相位差。根据另一方面，第i故障前时间与相应的第i故障后时间由整数数量的AC周期来分离。根据另一方面，相位差值在长于一个AC周期（例如，至少两个AC周期）的时间间隔上累积。根据另一方面，相位差值涉及故障后电流值，其跨越长于一个AC周期并且在故障后的时间间隔。根据另一方面，故障前时间和/或故障后时间跨越长于一个AC周期（例如，两个AC周期）的时间间隔；相位差值。
根据另一方面，根据式
Figure 33819DEST_PATH_IMAGE012
获得累积的相位差参数。这里，n是正数，尤其是整数和/或大于1；N是AC循环内的样本数量；
Figure 318170DEST_PATH_IMAGE005
(a, b)是例如通过傅里叶分析或其他方法计算的两个复数a和b之间的相位差；并且Ipost(i)、Ipre(i)分别是第i故障后和第i故障前复数电流。根据另一方面，Ipost(i)=Ik+i；Ipre(i)=Ik+i-m*N，其中Ii是第i取样的电流值，i是离散时间指数，k是对应于接近故障事件（例如就在故障前）的时间的指数，并且m是正整数，其中，优选地，n是2或更多，并且其中优选地m=n。
根据另一方面，传输线包括多个相位，尤其是三个相位，并且方法包括：测量相位中的每个处的电流；以及对于多个相位中的每个独立地确定相应的相位差值。根据另一方面，多个相位差值通过从三个相位选择要累积的最大相位差值或最大累积的相位差参数而累积。这里，最大值指绝对值。根据另一方面，将电流值的幅度与阈值比较。在电流值中的相应一个的幅度低于阈值的情况下，相位差值中的至少一些被丢弃和/或发出“中性的”命令。
根据另一方面，测量包括测量传输线的电流但不测量电压。根据另一方面，基于累积的相位差参数的符号获得作为“前向故障”或“后向故障”的故障方向参数。根据另一方面，如果累积的相位差参数的绝对值小于阈值，则获得作为“中性的”故障方向参数。
根据另一方面，提供根据权利要求12的故障方向指示器装置。
根据另一方面，故障方向指示器装置包括测量单元，该测量单元包括电流传感器，用于测量传输线的测量位置处的电流而没有电压传感器，其中该测量单元操作地耦合到输入段以用于将从电流测量获得的电流信号传输到输入段。
根据另一方面，提供定向过电流继电器，其包括如本文描述的故障方向指示器装置。该继电器还包括断路器，其操作地耦合到故障方向指示器装置以用于从故障方向指示器装置接收故障方向参数（可能采用处理的形式），即参数包括来自故障方向参数的信息。
根据另一方面，本文描述的装置中的任何装置在户外和/或智能电网配电网络（即具有分布式单元的配电网络）中使用，调整电网使得这些分布式单元可在正常操作期间将电馈送到电网中。
根据另一方面，电流值可作为复数或复数数组而被处理。根据另一方面，相位角值可通过查找表（例如反正切函数或相似函数的值的表）而获得。根据另一方面，累积可包括形成值的和或值的加权和。根据另一方面，相应的相位差在相应的故障前电流与相应的故障后电流之间，该相应的故障后电流按整数数量的传输线的AC循环与该相应的故障前电流在时间上分离。根据另一方面，装置包括用于累积的相位角的存储装置段。根据另一方面，在故障事件后的多于一个AC（例如，故障事件后的至少2个AC循环）输出故障参数。对应地，相位差值在故障事件后的多于一个AC（例如，至少2个AC循环）上累积。
尽管前面针对实施例，可设计其他和另外的实施例而不脱离由权利要求确定的基本范围。

Claims (15)

1.一种相对于传输线（10）的测量位置（12）确定配电系统（1）的AC传输线（10）上的故障的故障参数的方法，所述故障参数尤其是故障方向参数，所述方法包括
－在所述测量位置（12）处测量所述传输线（10）的时间-依赖的电流；
－将指示测量的电流的电流信号传输到决策逻辑段（36），所述电流信号包括多个故障前电流值和多个故障后电流值；
－由所述决策逻辑段（36）确定多个相位差值，其指示所述故障前电流值中相应的一些与所述故障后电流值中相应的一些之间相应的相位差；
－使所述多个相位差值累积成累积的相位差参数；
－通过将所述累积的相位差参数与阈值比较来获得所述故障参数；以及
－输出确定的故障参数。
2.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述多个故障前电流值包括n个故障前电流值，并且所述多个故障后电流值包括n个故障后电流值，并且所述多个相位差值包括n个相位差值，n至少是1，例如大于1和/或不大于3，其中对于1≤ i≤ n，所述故障前电流值中的第i个对应于相应的第i故障前时间，并且所述故障后电流中的第i个对应于相应的第i故障后时间，并且其中
所述相位差值中的第i个相应地指示第i故障前电流与第i故障后电流之间的相位差。
3.如权利要求2所述的方法，其中所述第i故障前时间和所述相应的第i故障后时间按整数数量的AC周期来分离。
4.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中在涉及跨越长于一个AC周期并且在所述故障后的时间间隔的故障后电流值的实施例中，所述相位差值在长于一个AC周期的时间间隔上累积。
5.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中根据下式获得所述累积的相位差参数：
，其中
n是正数；N是AC循环内的样本数量；
Figure 177593DEST_PATH_IMAGE002
(a, b)是两个复数a和b之间的相位差；并且Ipost(i)、Ipre(i)分别是第i故障后和第i故障前复数电流，
其中，优选地，Ipost(i)=Ik+i；Ipre(i)=Ik+i-m*N，其中Ii是第i取样的电流值，k是对应于接近故障事件的时间的指数，并且m是正整数，其中，优选地，n是2或更多，并且其中优选地m=n。
6.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述传输线包括多个相位，所述方法包括：测量所述相位中的每个处的电流；并且对所述多个相位中的每个独立地确定相应的相位差值。
7.如权利要求6的所述的方法，其中所述多个相位差值通过从三个相位选择要累积的最大相位差值或最大累积的相位差参数而累积。
8.如前述权利要求中任一项所述的方法，还包括将电流值的幅度与阈值比较，并且在所述电流值中的相应一个的幅度低于所述阈值的情况下，丢弃所述相位差值中的至少一些和/或发出“中性的”命令。
9.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述测量包括测量所述传输线（10）的电流但不测量其电压。
10.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述故障参数是故障方向参数，其包括“前向故障”或“后向故障”，例如对应于所述累积的相位差参数的互相相反的符号。
11.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述故障参数是故障方向参数，其包括“中性的”，并且其中如果所述累积的相位差参数的绝对值小于阈值，则所述故障方向参数获得为“中性的”。
12.一种故障参数指示器装置（30），用于相对于传输线（10）的测量位置（12）指示配电系统（1）的AC传输线（10）上的故障的例如故障方向参数的故障参数，所述故障参数指示器装置（30）包括：
－输入段（32），用于接收指示由测量单元（20）在所述测量位置（12）处测量的时间-依赖的电流的电流信号，所述电流信号包括多个故障前电流值和多个故障后电流值；
－决策逻辑段（36），其配置用于基于所述电流信号确定所述故障参数，其中所述决策逻辑段（36）包括
－相位差值确定子段（43），其配置成确定指示所述故障前电流值中相应的一些与所述故障后电流值中相应的一些之间相应的相位差的多个相位差值；
－累积子段（47），其配置成使所述多个相位差值累积成累积的相位差参数；和
－故障参数产生子段（49），其配置成通过将所述累积的相位差参数与阈值比较来产生所述故障参数。
13.如前述装置权利要求中任一项所述的故障参数指示器装置，还包括测量单元（20），所述测量单元（20）包括用于测量所述传输线（10）的所述测量位置（12）处的电流的电流传感器但没有电压传感器，其中所述测量单元（20）操作地耦合到所述输入段（32）以用于将从电流测量获得的所述电流信号传输到所述输入段（32）。
14.一种定向过电流继电器，包括如前述装置权利要求中任一项所述的故障参数指示器装置和断路器（50），所述断路器（50）操作地耦合到所述故障方向指示器装置（30），以用于从所述故障参数指示器装置（30）接收是故障方向参数的所述故障参数。
15.一种在户外和/或智能电网配电网络中如权利要求12到14中任一项所述的装置的使用。
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