CN103311905A - 适应性修改三相电网中的接地故障保护设置的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种适应性修改三相电网中的接地故障保护设置的方法和设备，所述设备（10）包括：用于在三相电网中已检测到接地故障之后确定三相电网中的测量点处的方向相量量的值的装置；用于将所确定的方向相量量的值与复平面上的预定边界进行比较的装置；用于基于该比较来确定电网的中性点接地状态的装置；以及用于基于所确定的电网的中性点接地状态来对一个或更多个接地故障保护设置进行适应性修改的装置。

Description

适应性修改三相电网中的接地故障保护设置的方法和设备

技术领域

本发明涉及对三相电网中的接地故障保护设置进行适应性修改。

背景技术

一般地，方向性接地故障保护可以基于同时监测方向量的两个条件：

·方向

·幅度

当上述两个条件同时满足，即方向与设置的操作方向匹配并且监测量的幅度超过设置的操作阈值时，方向性接地故障保护的操作条件被满足。可能存在其幅度被监测并且必须超过设置的阈值限的一个或若干个监测量。

当残余电压的基频分量的幅度超过设置的阈值水平时，用于高阻接地网络中的方向性接地故障保护的典型布置为使得获得一般故障指示。该水平应当被设置成在任何操作条件下处于健康状态期间的系统中所碰到的最高残余电压

水平之上。应当注意，“Uo设置”限定该保护的基本灵敏度，并且该值取决于所采用的中性点接地方法，即，其对于例如未接地网络和补偿网络可以是不同的。

在一般故障检测之后，对故障的方向性进行评估（即，确定故障是在被保护的馈线（feeder）之内还是之外）。为此，可以使用方向特性，可以在具有实轴和虚轴的复平面上呈现该方向特性。定义方向性的电气量（例如功率、电流或导纳）在图中呈现为从原点（0，0）指向特定方向的具有实部和虚部（或等同地具有幅度和相位角）的相量（在本文中被表示为

）。该相量与例如图1中所示的操作扇区边界线进行比较。当方向条件和幅度条件两者同时被满足时，实现操作。

上述方法存在的问题是：如果系统的中性点接地方法改变，例如当网络中的消弧（Petersen）线圈或中性点接地电阻器被导通或切断时，必须立即改变方向特性以及可应用的设置。例如，在网络中性点通过消弧线圈接地并且“Iocosphi准则”被用于方向性接地故障检测的情况下，如果消弧线圈变为被切断，则操作条件应当从Iocos改变到Iosin。同时，应当优选地改变影响接地故障保护的所有其他相关设置。

传统上，仅有接地故障保护设置的自动化（不是自动的）改变已成为可能。自动化改变基于对消弧线圈或接地电阻器开关的状态进行监测，并且自动化改变要求该信息被发送至继电器。自动化改变的缺点在于：它通过例如需要辅助布线增加了系统的复杂性，从而涉及额外的成本。在一些情况下，由于通信路径的物理距离以及不可用性，这样的自动化系统甚至是不可能的。

文献EP0963025描述了如下解决方案：方向性接地故障保护功能的操作扇区被优选地设置为大于180°。这样的特性在配电网中的下述可替选的中性点处理方法中的两种中是有效的：网络与地隔离、网络经由中性点处的电阻接地、网络设置有接地故障电流的消弧线圈，或两个先前项的组合。所述解决方案具有如下优点：即使改变中性点的接地方法，也不需要继电器的方向角设置。所提出的解决方案的可能的缺点是：其仅提供了用于自动适应性修改的部分解决方案：当中性点接地处理改变时，仅方向条件被适应性地修改，但是缺乏可能需要改变的其他可能的保护设置的自动适应性修改。

发明内容

本发明的目的是提供一种方法和一种用于实施该方法的设备，以克服上述问题或至少缓解上述问题。通过以独立权利要求中所描述的来表征的方法、计算机程序产品以及设备来实现本发明的目的。在从属权利要求中公开了本发明的优选实施方式。

本发明基于如下构思：基于将所确定的方向相量量的值与复平面上的预定边界进行比较来确定电网的中性点接地状态，并基于所确定的电网的中性点接地状态来对一个或更多个接地故障保护设置进行适应性修改。

本发明的优点是：可以根据电网的中性点接地状态来自动地调节电网的方向性接地故障保护的设置。此外，本发明不一定需要例如任何辅助布线。

附图说明

在下文中，将参照附图借助于优选实施方式来更加详细地描述本发明，在附图中：

图1是根据一种实施方式的操作特性的示例；

图2是电网的示例；

图3是示出了根据一种实施方式的复平面上的预定边界的图；以及

图4是示出了根据一种实施方式的复平面上的预定边界的图。

具体实施方式

本发明的应用不限于任何特定系统，而是可以与各种三相电力系统结合使用，以对接地故障保护设置进行适应性修改。

与本发明相结合进行实施的电力系统可以是例如输电网或配电网或它们的部件，并且可以包括若干馈线或部件（section）。此外，本发明的使用不限于采用50Hz或60Hz基频的系统或任何特定的电压电平。

图2是示出了本发明可以结合使用的电网的示例的简化图。为了简单起见，该图仅示出了对于理解本发明所必要的部件。该网络可以是例如中压（例如20kV）配电网。图2示出了位于电力线20处的保护方向性继电器单元（R）10。应当注意，在电网中可以存在任意数目的继电器单元、电力线或其他网络元件。此外，这样的继电器单元在电网中的位置可以改变。该网络是三相网络，尽管为了清楚起见，在图中未示出各相。在图2的示例性网络中，本发明的功能可以位于继电器单元10中。也可以例如仅在继电器单元10的位置处执行一些测量，然后将结果传送到另外的位置中的一些其他的一个或更多个单元（图2中未示出），以进行进一步处理。换言之，继电器单元10可以仅是测量单元，而本发明的功能或部分功能可以位于一些其他的一个或更多个单元中。可以例如通过保护继电器10或通过与电网相关联的其他保护设备来检测发生在电网中的接地故障。网络中的接地故障的检测可以基于例如传统的残余过电压条件，但是可替代地，该检测可以基于更灵敏的方法。这样的更灵敏的方法的示例可以基于不对残余电压Uo的绝对值进行监测而是对残余电压Uo的改变（幅度和/或角度）进行监测。可替代地，如例如在文献WO98/20356中所提出的，接地故障检测可以基于例如对系统的估计故障阻抗（或导纳）（或其改变）进行监测。也可以采用用于检测接地故障的其他装置。通常，所述故障检测然后启动方向确定以判断故障是位于反向方向还是正向方向。图2a）示出了将继电器10设置成针对正向方向上的故障（F_fwd）进行操作的情况。在反向方向上的故障（F_rev）不导致操作，但是可以发出信号，以例如用于闭锁目的。图2b）示出了将继电器10设置成针对反向方向上的故障（F_rev）进行操作的情况。操作可以是跳闸动作或闭锁动作。在该情况下在正向方向上的故障（F_fwd）不导致操作。实际中，操作中可能同时存在许多方向保护功能的实例，它们中的一些提供跳闸，一些提供闭锁。

在不同的实施方式中可能需要的电流值和电压值可以通过包括例如电流和电压转换器的合适的测量装置（图中未单独示出）来获得。在大多数现有保护系统中，这样的值可容易得到，因此各种实施方式的实施不必一定需要任何另外的测量装置。

根据一种实施方式，在电网中已检测到接地故障之后，在三相电网中的测量点10处确定方向相量量的值。方向相量量

可以基于例如任何以下电相量量（通常在基频处计算）：

·阻抗 $\stackrel{\‾}{Z}=R+j*X;$

·导纳 $\stackrel{\‾}{Y}=G+j*B;$

·功率 $\stackrel{\‾}{S}=P+j*Q;$

·电流 $\stackrel{\‾}{I}=I\cos \left(\mathrm{phi}\right)+j*I\sin \left(\mathrm{phi}\right).$

其中，

R=电阻，X=电抗，

G=电导，B=电纳，

视在功率，P=有功功率，Q=无功功率，Icos(phi)=电流的实部，Isin(phi)=电流的虚部，phi=电压与电流之间的相角差或参考电流与电流之间的相角差。

此外，为了得出方向相量量，可以采用相位量（phase quantity）（相电流、相对地电压、相间电压）或对称分量（正序、负序或零序分量）。

为了计算相量，优选地需要：用于计算的值超过最小阈值，即可以可靠地测量

的角度。最小阈值可以是例如标称值的0.5%或其他合适的阈值。导纳值具有如下优点：其受故障电阻的影响最小。此外，方向相量量

可以基于离散值或基于累积值。累积值具有如下优点：其在例如间歇性接地故障中在扰动以及非正弦信号期间提供更稳定的故障方向指示。

的累积值可以被形成为所讨论的电相量量的至少两个离散值的累积相量和。

在方向相量量

的值已经被确定之后，将所确定的方向相量量的值与复平面上的预定边界进行比较。

根据一种实施方式，在具有实轴和虚轴的复平面上所呈现的方向性接地故障功能的方向平面包括两个或更多个预定边界。预定边界在复平面上优选地限定至少两个扇区，其中每个扇区优选地对应于电网的特定中性点接地状态。在图3中示出了该情况的示例，图3示出了三个边界α、β和γ，α、β以及γ将复平面分成三个扇区（1至3）。在图3的示例中，方向相量量位于扇区1中。此外，在图3的示例中，扇区1基于在补偿系统或电阻接地系统中的内部故障期间的方向相量量

的位置。扇区2基于在未接地系统（即，未接地系统或者当线圈或接地电阻器被切断时）中的内部故障期间的方向相量量

的位置。扇区3基于在外部故障期间的方向相量量

的位置。该故障方向（=反向）通常仅用于指示目的，但是在一些情况中也用于闭锁目的。作为数值示例，可以在图3的三个扇区的示例中应用以下扇区和设置：

·扇区1：例如从+70°至－85°。该扇区表示在补偿系统或电阻接地系统的情况下的内部故障。

·扇区2：例如从+70°至＋95°。该扇区表示在未接地系统的情况下的内部故障。

·扇区3：例如从+95°至－85°。该扇区表示不考虑系统中性点接地的外部故障。

根据一种实施方式，基于比较来确定电网的中性点接地状态，并且基于所确定的电网的中性点接地状态来对一个或更多个接地故障保护设置进行适应性修改。换言之，当确定了系统的中性点接地状态时，系统的接地故障保护的设置可以被适应性地修改以对应于所确定的中性点接地状态。被适应性地修改的接地故障保护设置可以包括例如以下中的一个或更多个：

如果方向性接地故障保护功能是方向性接地故障保护功能DEF×PDEF：

*操作模式：IoSin（操作基于对Io的电抗部分进行监测，适用于未接地网络）或IoCos（操作基于对Io的电阻部分进行监测，适用于补偿网络）

*残余电流起始值（残余电流（Io的电阻部分或电抗部分）的起始值）

*操作时间延时（可设置的操作延时）

*残余电压起始值

如果方向性接地故障保护功能是方向性接地故障保护功能DEF×PDEF：

*操作模式：相位角

*特性角：-90°或0°

*残余电流起始值（Io的幅度）

*操作时间延时

*残余电压起始值

如果方向性接地故障保护功能是基于导纳的接地故障保护功能EFPADM：

*操作模式：Bo（操作基于对Yo=Bo（电纳）的电抗部分进行监测，适用于未接地网络）或Go（操作基于对Yo=Go（电导）的电阻部分进行监测，适用于补偿网络）；

*导纳Clc模式：常规或增量（Delta）（术语“常规”指的是通过用故障期间的Io相量除以Uo相量来计算导纳的导纳计算方法。术语“增量”指的是通过采用“增量”量（即，表示由于故障而引起的变化的相量）并然后用“增量Io”相量除以“增量Uo”相量来计算导纳的导纳计算方法）

*操作时间延时

*残余电压起始值

如果方向性接地故障保护功能是瓦特测量（Wattmetric）/无功伏安测量（Varmetric）接地故障保护功能WPWDE：

*特性角：-90°（无功伏安测量模式）或0°（瓦特测量模式）

*残余功率起始值（残余功率（So（残余功率）的电阻部分或电抗部分）的起始值）

*残余电流起始值

*操作时间延时

*残余电压起始值

一般而言，应当优选地对方向性接地故障保护功能的操作阈值进行适应性修改，以使得：在所确定的中性点接地状态是未接地网络的情况下，操作阈值应当与操作量（例如电流、功率或导纳）的虚部比如Iosin、Qo或Bo相关。在所确定的中性点接地状态是补偿网络的情况下，操作阈值应当与操作量（例如电流、功率或导纳）的实部比如Iocos、Po或Go相关。

图4示出了根据一种实施方式的复平面上的预定边界的图的另一个示例。在图4的示例中，方向性平面被分成八个扇区。扇区1A、1B和1C分别代表在欠补偿、已调谐以及过补偿网络中的内部故障。扇区2代表在未接地系统（即，未接地系统或者在线圈或接地电阻器被切断时）和仅在馈线中具有分布式补偿的系统（不使用中央线圈或中央线圈被切断）中的内部故障。在系统采用分布式补偿的情况下，扇区3A、3B和3C分别代表在过补偿、已调谐以及欠补偿的馈线中的外部故障。扇区3D代表在分布式补偿线圈被断开或未使用的情况下的外部故障。

作为数值示例，可以应用以下扇区和设置：

·扇区1A：从+70°至+10°代表在欠补偿系统中的内部故障；

·扇区1B：从+10°至-10°代表在已调谐系统中的内部故障；

·扇区1C：从-10°至-85°代表在过补偿系统中的内部故障；

·扇区2：从+70°至+95°，该扇区代表在未接地系统中的内部故障；

·扇区3A：从+95°至+170°代表在局部过补偿的馈线中的外部故障；

·扇区3B：从+170°至-170°代表在局部已调谐的馈线中的外部故障；

·扇区3C：从-100°至-170°代表在局部欠补偿的馈线中的外部故障；

·扇区3D：从-85°至-100°代表在分布式补偿线圈被断开或未使用的情况下的外部故障。

扇区的数量、扇区宽度和角度可以根据下文中所描述的高阻抗接地网络中的接地故障的基本理论来获得。需要最少两个扇区，以便识别不同的中性点接地条件并相应地对接地故障保护设置进行适应性修改。以下提供了可以如何选择扇区（即图3中的角α、β和γ）的基本准则。这基于利用导纳理论的高阻抗接地网络中的接地故障的基本理论。在不同故障情况下，角α、β和γ可以基于关于

的角度的理论值。

当故障位于被保护的馈线之外时，导纳计算的结果为：

其中，

G_Fdtot是馈线的总的相对地电导；

G_{cDST_Fd}是位于馈线处的分布式线圈的总的相对地电导；

B_Fdtot是馈线的总的相对地电纳；

B_{cDST_Fd}是位于馈线处的分布式线圈的总的相对地电纳。

当故障位于被保护的馈线之内时，导纳计算的结果为：

${\stackrel{\‾}{Y}}_o=\left(\right[G_{\mathrm{Bgtot}}+G_{\mathrm{cCC}}+G_{\mathrm{cDST}\_\mathrm{Bg}}]+j\·[(B_{\mathrm{Network}}\·(1-k)-B_{\mathrm{Fdtot}}-B_{\mathrm{cDST}\_\mathrm{Bg}}]),$

其中，

G_Bgtot是背景网络的总的相对地电导；

G_cCC是位于变电站处的补偿线圈的相对地电导；

G_{cDST_Bg}是位于背景网络处的分布式线圈的总的相对地电导；

B_Network=（B_Fdtot+B_Bgtot）是网络的总的相对地电纳；

B_Bgtot是背景网络的总的相对地电纳；

K是位于变电站处的补偿线圈的补偿度，K＝B_cCCB_Network；

当K等于1.0时，该网络被称为完全补偿；在K<1的情况下，该网络被称为欠补偿；另一方面，在K>1的情况下，该网络被称为过补偿；

B_cCC是位于变电站处的补偿线圈的相对地电纳。

角γ：

角γ的值优选地基于两个条件：

1.假定馈线不包括分布式线圈，则故障位于被保护的馈线之外。应当优选地考虑测量链（变压器、变流器、继电器）中的最大实际测量误差，该最大实际测量误差将会逆时针方向地旋转相量。

2.假定最大实际过补偿，则故障位于被保护的馈线之内。

角γ的典型值在-80°至-90°之间。

角β：

角β的值优选地基于两个条件：

在系统不具有分布式补偿的情况下：

1.假定未接地网络，则故障位于被保护的馈线之内。应当考虑测量链（变压器、变流器、继电器）中的最大实际测量误差，该最大实际测量误差将会逆时针方向地旋转相量。

此外，在系统具有分布式补偿的情况下：

2.假定馈线的最大实际过补偿，则故障位于被保护的馈线之外。

角β的典型值在+90°至+100°之间。

角α：

角α的值优选地基于两个条件：

1.假定未接地网络，则故障位于被保护的馈线之内。应当考虑最大实际阻性（分流）损失，该最大实际阻性（分流）损失将会顺时针方向地旋转相量。

2.假定最大实际欠补偿，则故障位于被保护的馈线之内。

角α的典型值在+60°至+80°之间。

根据上述实施方式中的任一种或其组合的设备可以被实施为被配置成实现各种实施方式的功能的单个单元或者两个或更多个单元。此处，术语“单元”一般是指物理或逻辑实体，比如物理设备或其一部分或软件例程。这些单元中的一个或更多个例如可以位于保护继电器单元10中。更一般地，上述实施方式可以实现于电网中的IED（智能电子装置）中。

可以借助于例如设置有合适的软件的计算机或相应数字信号处理设备来实现根据所述实施方式中的任一种的设备。这样的计算机或数字信号处理设备优选地至少包括为算术运算（例如程序指令）提供存储区的工作存储器（RAM）以及中央处理单元（CPU）比如通用数字信号处理器。CPU可以包括寄存器组、算术逻辑单元以及控制单元。控制单元受控于从RAM传送到CPU的程序指令序列。控制单元可以包含用于基本操作的大量微指令。微指令的实施可以根据CPU设计而变化。可以通过编程语言对程序指令进行编码，该编程语言可以是高级编程语言比如C、Java等或低级编程语言比如机器语言或汇编语言。计算机还可以具有操作系统，该操作系统可以向以程序指令编写的计算机程序提供系统服务。实现本发明的计算机或其他设备还优选地包括：用于接收例如测量和/或控制数据的合适的输入装置、以及用于输出例如故障警报和/或例如用于控制保护设备如开关、切断开关以及断路器的控制数据的输出装置。还可以使用一个或多个专用集成电路和/或分立部件和装置来实现根据任一种实施方式的功能。

可以用现有系统元件例如各种保护继电器或类似装置来实施本发明，或者通过以集中方式或分布方式使用独立的专用元件或装置来实施本发明。

目前用于电力系统的保护装置（例如保护继电器或一般而言地IED）通常包括可用于根据本发明的实施方式的功能的处理器和存储器。因此，例如在现有的保护装置中实施本发明的实施方式所需的所有修改和配置可以执行为软件例程，所述软件例程可以实施为添加的或更新的软件例程。如果本发明的功能通过软件实现，则这样的软件可以设置成包括如下计算机程序代码的计算机程序产品：当在计算机上运行所述计算机程序代码时，使得计算机或相应的装置执行上述根据本发明的功能。这样的计算机程序代码可以存储于或通常实施在计算机可读介质比如合适的存储装置（如闪存或盘式存储器）上，从这些存储装置可以向执行该程序代码的一个或多个单元加载该程序代码。此外，实施本发明的这样的计算机程序代码可以通过例如合适的数据网络而加载到执行该计算机程序代码的一个或多个单元，并且可以代替或更新可能的现有程序代码。

对于本领域的普通技术人员而言明显的是，随着技术进步，本发明的构思可以以各种方式实现。本发明及其实施方式不限于上述示例，而是可以在所附权利要求的范围内变化。

Claims (13)

1.一种用于对三相电网中的接地故障保护设置进行适应性修改的方法，所述方法包括：

检测所述三相电网中的接地故障；

确定在所述三相电网中的测量点处的方向相量量的值；以及

将所确定的所述方向相量量的值与复平面上的预定边界进行比较，其特征在于，所述方法包括：

基于所述比较来确定所述电网的中性点接地状态；以及

基于所确定的所述电网的中性点接地状态来对一个或更多个接地故障保护设置进行适应性修改。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方向相量量是以下中之一：阻抗、导纳、功率或电流。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述预定边界限定所述复平面上的扇区，其中每个扇区对应于所述电网的特定中性点接地状态。

4.根据权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于，所述三相电网中的所述接地故障的检测基于监测以下中至少之一：所述电网的残余电压的值、所述电网的所述残余电压的值的变化、所估计的故障阻抗或导纳的值、所估计的故障阻抗或导纳的值的变化。

5.根据权利要求1至4中的任一项所述的方法，其特征在于，所述一个或更多个接地故障保护设置包括以下中之一的一个或更多个设置：方向性接地故障保护、基于导纳的接地故障保护、瓦特测量/无功伏安计接地故障保护。

6.一种包含计算机程序代码的计算机程序产品，其中，所述程序代码在计算机中的执行使得所述计算机执行根据权利要求1至5中任一项所述的方法的步骤。

7.一种用于对三相电网中的接地故障保护设置进行适应性修改的设备，所述设备（10）包括：

用于在所述三相电网中已检测到接地故障之后确定在所述三相电网中的测量点处的方向相量量的值的装置；以及

用于将所确定的所述方向相量量的值与复平面上的预定边界进行比较的装置，其特征在于，所述设备（10）包括：

用于基于所述比较来确定所述电网的中性点接地状态的装置；以及

用于基于所确定的所述电网的中性点接地状态来对一个或更多个接地故障保护设置进行适应性修改的装置。

8.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述方向相量量是以下中之一：阻抗、导纳、功率或电流。

9.根据权利要求7或8所述的设备，其特征在于，所述设备包括用于检测所述三相电网中的接地故障的装置。

10.根据权利要求9所述的设备，其特征在于，所述用于检测所述三相电网中的接地故障的装置适于基于监测以下中至少之一来检测所述三相电网中的接地故障：所述电网的残余电压的值、所述电网的所述残余电压的值的变化、所估计的故障阻抗或导纳的值、所估计的故障阻抗或导纳的值的变化。

11.根据权利要求7至10中的任一项所述的设备，其特征在于，所述预定边界限定所述复平面上的扇区，其中每个扇区对应于所述电网的特定中性点接地状态。

12.根据权利要求7至11中的任一项所述的设备，其特征在于，所述一个或更多个接地故障保护设置包括以下中之一的一个或更多个设置：方向性接地故障保护、基于导纳的接地故障保护、瓦特测量/无功伏安测量接地故障保护。

13.根据权利要求7至12中的任一项所述的设备，其特征在于，所述设备包括保护继电器。

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