CN104052021A - 用于电力电路开关的控制电路 - Google Patents

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Abstract

一种用于电力电路开关的控制电路，其包括：采样/保持电路部分，其被配置为采样一个周期的电力系统的电流的检测信号并提供所采样的信号；离散傅里叶变换（简称为DFT）电路部分，其对一个周期的采样信号执行DFT以提供电力系统的电流的频率成分的幅值和相位；微分器，其被配置为对检测信号求微分以提供电流随时间的变化率；以及控制器，其基于电流的变化率和基准变化率根据来自DFT电路部分的电流的频率成分的幅值或根据来自微分器的变化率来确定是否执行跳闸控制。

Description

用于电力电路开关的控制电路
技术领域
本公开涉及一种用于电力电路开关的控制电路，并且更具体地，涉及一种用于电力电路开关的能够响应于在电力电路中流动的电流的检测而降低开关的控制速度的控制电路。
背景技术
一种产生并且消耗电力的电力系统，包括电力输送网络、变电站以及在发电厂和用户之间的电力分配网络。
发生故障电流时，各种设备被应用于电力系统的相应部件以保护系统，并且在所述设备中，保护继电器感测超过正常范围的过载电流或短路电流从而驱动断路器以将故障部分与电力系统分离。
当短路等发生时，在发电机或总线中形成了与故障点的线路阻抗一样小的非常小的阻抗，因而，非常大的短路电流在电力系统（下文中称为“系统”）中流动，其结果是系统遭遇诸如电压下降、频率降低、电力设备的热应力和机械应力等的各种问题，并且变得不稳定。所以，就稳定性而言，故障部分需要快速地与电力系统分离。
在数字保护继电器中，普遍使用离散傅里叶变换（下文中简称为DFT）来确定在系统的电流中的故障（例如，在系统电路中产生的诸如短路的故障电流）。
在此方法中，在系统中流动的采样电流信号经过离散傅里叶变换以提取系统的电流的仅频率成分的幅值和相位来确定故障是否已经发生。
也就是，如果发生了故障电流，则从所产生的具有大的幅值的电流信号中仅提取频率成分的幅值，并且基于相应的信号波形可以确定电流是否为故障电流或它是否具有简单的浪涌波形。
此方法的优点在于其实施简单且抗噪声，但如果是具有诸如正弦波的形式的交流（AC）信号，则需要一个周期的输入数据，所以需要等于或大于一个周期的检测时间。因而，在产生了非常大的故障电流的情况下，负载设备和电力系统暴露于故障电流一段不必要的长的时间，从而造成很大的损坏。
发明内容
因此，本公开的一个方案是为了提供一种用于电力电路开关的控制电路，其能够在不需要快速地（或高速地）确定故障电流是否已经发生的电流区域中通过使用DFT来确定故障电流是否已经发生，并且能够在大电流区域中通过使用电力系统的电流的变化率（微分值）来快速确定故障电流是否已经发生，从而断开电力电路。
通过提供用于电力电路开关的控制电路能够实现本公开的方案，所述控制电路包括：
采样/保持电路部分，其被配置为采样一个周期的电力系统的电流的检测信号并提供所采样的信号；
离散傅里叶变换电路部分，其连接至采样/保持电路部分并且对由采样/保持电路部分提供的电力系统的电流的一个周期的采样信号执行离散傅里叶变换，从而提供电力系统的电流的频率成分的幅值和相位；
微分器，其被配置为对电力系统的电流的检测信号求微分以提供电力系统的电流随时间的变化率；以及
控制器，其连接至离散傅里叶变换电路部分和微分器，且被配置为基于电力系统的电流的变化率和基准变化率，根据来自离散傅里叶变换电路部分的电力系统的电流的频率成分的幅值或根据来自微分器的变化率来确定是否执行跳闸控制。
根据本公开优选的另一个方案，当根据电力系统的电流的检测信号，电力系统的电流的值超过额定电流值时，控制器被配置为将来自微分器的变化率与预定的基准变化率进行比较，且当所述变化率小于基准变化率时，控制器基于从离散傅里叶变换电路部分提供的电力系统的电流的频率成分的幅值来确定是否执行跳闸控制，并且
当所述变化率等于或大于基准变化率时，控制器基于来自微分器的变化率来确定是否执行跳闸控制。
根据本公开的另一个优选的方案，根据本公开的控制电路进一步包括电流互感器，其被配置为提供电力系统的电流的检测信号并连接至采样/保持电路部分、微分器和控制器。
通过下面给出的详细描述，本申请进一步的适用范围将变得更加显而易见。然而，应该可以理解的是，由于在本发明的精神和范围内的各种变化和修改通过详细描述对本领域的技术人员来说将变得显而易见，所以仅仅通过说明的方式给出详细描述和具体示例，而详细描述和具体示例表示本发明的优选实施例。
附图说明
所包括的附图提供了对本发明的进一步理解，其包含在本公开中且构成本公开的一部分，附图图示了示例性实施例，并且与说明书一起用于解释本发明的原理。
在附图中：
图1是示出根据本发明优选实施例的用于电力电路开关的控制电路的结构的原理框图；
图2是示出电力系统的两种电流在波形和变化率方面的区别的波形图；以及
图3是示出根据本发明优选实施例的用来控制用于电力电路开关的控制电路的方法的流程图。
具体实施方式
现在将参照附图给出示例性实施例的详细说明。为了简化参照附图的说明，相同或等同的部件将设置有相同的附图标记，并且将不再重复其说明。
参照作为示出根据本发明优选实施例的用于电力电路开关的控制电路的结构的原理框图的图1，根据本发明优选实施例的用于电力电路开关的控制电路10包括采样/保持电路部分（换言之，采样和保持电路部分，能够被简称为S/H）10a、离散傅里叶变换（下文中简称为DFT）电路部分10b、微分器10c以及控制器10d。
采样/保持电路部分10a采样一个周期的电力系统的电流（下文中简称为电流）的检测信号并且提供所采样的检测信号。这里，通过图1的电流互感器1可以检测并提供电力系统的电流的检测信号。
DFT电路部分10b是连接至采样/保持电路部分10a的输出端且对由采样/保持电路部分10a提供的一个周期的电力系统的电流的检测信号的采样信号进行DFT以提供电力系统的电流的频率成分的幅值和相位的电路部分。
微分器10c对电力系统的电流的检测信号求微分以提供电力系统的电流随时间的变化率。
控制器10d连接至DFT电路部分10b和微分器10c。基于电力系统的电流的变化率和基准变化率，控制器10d根据来自DFT电路部分10b的电力系统的电流的频率成分的幅值或来自微分器10c的变化率来确定跳闸（TRIP）控制。这里，跳闸控制可以指的是控制诸如断路器的开关设备作为待由根据本发明优选实施例的用于电力电路开关的控制电路10控制的控制目标以移动至电力系统电路被断开的位置。从控制器10d输出用于跳闸控制的控制器10d的跳闸控制信号，作为用于磁化磁性线圈的磁化控制信号，该磁性线圈，即跳闸线圈，形成断路器的电磁跳闸机构的主要部分（未示出）。
特别地，当根据电力系统的电流的检测信号，电力系统的电流的值超过了额定电流值（参考图2中的波形S4的电流值）时，控制器10d将来自微分器10c的变化率与预定的基准变化率进行比较。当来自微分器10c的变化率小于基准变化率时，控制器10d基于从DFT电路部分10b提供的电力系统的电流的频率成分的幅值来确定是否执行跳闸控制。当来自微分器10c的变化率等于或大于基准变化率时，控制器10d基于来自微分器10c的变化率来确定是否执行跳闸控制。
根据本发明优选实施例的用于电力电路开关的控制电路10可以进一步包括电流互感器1，其连接至采样/保持电路部分10a、微分器10c以及控制器10d以提供电力系统的电流的检测信号。
将参照图1至图3描述如上所述的根据本发明优选实施例的用于电力电路开关的控制电路10的操作。
参照图2，“S1”表示几倍至几十倍于额定电流S4的大小的如短路电流一样的故障电流的波形，“S2”表示相对几倍于额定电流S4的大小的故障电流的波形，“S3”表示在额定电流S4的几倍内且具有小的变化率的故障电流的波形，“S4”表示代表额定电流S4的值的波形，并且“ilimit”表示上限基准电流值。
控制器10d、采样/保持电路部分10a以及微分器10c从电流互感器1接收电力系统的电流的检测信号。
首先，将描述在从电流互感器1提供的电力系统的电流的检测信号具有S3波形的情况下，根据本发明优选实施例的用于电力电路开关的控制电路10的操作。
参照图3，在ST1操作中，控制器10d将从电流互感器1提供的电力系统的电流的检测信号的电流值与先前已经设定和存储的上限基准电流值ilimit进行比较，根据处理程序来检查前者是否大于或等于后者。
根据在操作ST1中的比较结果，当电力系统的电流的检测信号的电流值大于或等于先前已经设定和存储的上限基准电流值ilimit时，控制器10d根据处理程序执行操作ST2，且当电力系统的电流的检测信号的电流值小于先前已经设定和存储的上限基准电流值ilimit时，控制器10d对电力系统的电流的下一个输入检测信号执行操作ST1。
在图3的操作ST2中，控制器10d将从微分器10c提供的变化率与先前已经设定和存储的基准变化率进行比较。
根据在图3的操作ST2中的比较结果，当从微分器10c提供的变化率大于或等于先前已经设定和存储的基准变化率时，执行操作ST4，且当从微分器10c提供的变化率小于先前已经设定和存储的基准变化率时，执行操作ST3。
当电力系统的电流的检测信号具有与波形S3完全相同的波形时，这意味着从微分器10c提供的变化率小于先前已经设定和存储的基准变化率，因而，该过程返回至操作ST3，在操作ST3中，控制器10d将从DFT电路部分10b提供的电力系统的电流的频率成分的幅值与先前设定和存储的跳闸基准值进行比较。
根据在图3的操作ST3中的比较结果，当从DFT电路部分10b提供的电力系统的电流的频率成分的幅值大于或等于先前设定和存储的跳闸基准值时，执行操作ST5，且当从DFT电路部分10b提供的电力系统的电流的频率成分的幅值小于先前设定和存储的跳闸基准值时，过程返回至操作ST1。
当从DFT电路部分10b提供的电力系统的电流的频率成分的幅值大于或等于先前设定和存储的跳闸基准值时，控制器10d产生并输出跳闸控制信号至断路器的跳闸机构的跳闸线圈（未示出）以磁化跳闸线圈，从而允许跳闸机构触发开关机构以将开关设备移动至跳闸位置，由此，可动触点通过开关机构的跳闸弹簧与对应的固定触点分离，从而执行跳闸操作以断开电路，且因为电力系统的电路被断开，所以其被保护以免受故障电流影响。
在下文中，将描述当从电流互感器1提供的电力系统的电流的检测信号具有与波形S2或波形S1完全相同的波形时，根据本发明优选实施例的用于电力电路开关的控制电路的操作。
参照图3，在操作ST1中，控制器10d将从电流互感器1提供的电力系统的电流的检测信号的电流值与先前已经设定和存储的上限基准电流值ilimit进行比较，根据处理程序以检查前者是否大于或等于后者。
根据在操作ST1中的比较结果，当电力系统的电流的检测信号的电流值大于或等于先前已经设定和存储的上限基准电流值ilimit时，控制器10d根据处理程序执行操作ST2，并且当电力系统的电流的检测信号的电流值小于先前已经设定和存储的上限基准电流值ilimit时，控制器10d对电力系统的电流的下一个输入检测信号执行操作ST1。
在图3的操作ST2中，控制器10d将从微分器10c提供的变化率与先前已经设定和存储的基准变化率进行比较。
根据在图3的操作ST2中的比较，当电力系统的电流的检测信号具有波形S3时，这意味着从微分器10c提供的变化率大于先前设定和存储的基准变化率，因而，执行操作ST4。
在操作ST4中，当所计算的变化率大于或等于先前设定和存储的基准变化率时，这意味着电力系统的检测电流是诸如短路电流的大电流，所以，控制器10d产生并输出跳闸控制信号至断路器的跳闸机构的跳闸线圈（未显示）以磁化跳闸线圈，从而允许跳闸机构触发开关机构以移动至跳闸位置，由此，可动触点通过开关机构的跳闸弹簧与对应的固定触点分离，从而执行跳闸操作以断开电路，且因为电力系统的电路被断开，所以其被保护以免受故障电流影响。
如上所述，根据本发明优选实施例的用于电力电路开关的控制电路10具有以下优点。也就是，基于电力系统的电流的变化率和基准变化率，当变化率大于或等于基准变化率时，控制电路10确定电力系统的电流是与诸如短路电流的故障电流一样的大电流，并且输出跳闸控制信号至断路器，且当变化率小于基准变化率时，控制电路10基于从DFT电路部分输出的电力系统的电流的频率成分的幅值来确定是否执行跳闸控制。因而，在小故障电流的范围内，控制电路10可以通过需要等于或大于一个周期的时间的DFT确定故障电流已经产生，并且在诸如短路电流的大故障电流的范围内，控制电流10可以在短于一个周期的时间内快速地（或高速地）确定故障电流已经产生，并产生和输出跳闸控制信号至开关。
在用于电力电路开关的控制电路中，当根据电力系统的电流的检测信号，电力系统的电流的值超过额定电流值时，控制器将来自微分器的变化率与预定的基准变化率进行比较。当所述变化率小于基准变化率时，控制器可以基于从DFT电路部分提供的电力系统的电流的频率成分的幅值来确定是否执行跳闸控制，并且当所述变化率等于或大于基准变化率时，控制器基于来自微分器的变化率来确定是否执行跳闸控制。因此，当在电力系统中产生了超过额定电流值的故障电流时，控制器可以根据故障电流的变化率选择响应速度，并且控制开关。
根据本发明优选实施例的用于电力电路开关的控制电路，提供电力系统的电流的检测信号且包括采样/保持电路部分、微分器以及连接到控制器的电流互感器。因而，控制电路能够通过采样/保持电路部分根据电力系统的电流的检测来提供一个周期的数据，通过微分器提供电力系统的电流的变化率，并且根据通过控制器的与预定额定电流值的比较来确定是否产生和输出跳闸控制信号。
前述实施例和优点仅为示例性的而不应当解释为限制本公开。本教导能够易于应用于其他类型的装置。本说明书旨在是示例性的，而不是限制权利要求的范围。许多可选方案、改进和变化率对于本领域技术人员而言将是显而易见的。这里说明的示例性实施例的特征、结构、方法和其他特性可以各种方式被组合以获得另外的和/或可选的示例性实施例。
由于可以在不偏离其特点的情况下以多种形式来实施本特征，还应当理解的是，除非另外指出，否则上述实施例不受前述说明书的任一细节所限制，而是应当在如所附权利要求限定的范围内被宽泛地解释，因此落在权利要求的边界和界限或者这些边界和界限的等同方案内的全部改变和改进因而旨在被所附的权利要求所包含。

Claims (4)

1.一种用于电力电路开关的控制电路，其特征在于所述控制电路包括：
采样/保持电路部分，其被配置为采样一个周期的电力系统的电流的检测信号并提供所采样的信号；
离散傅里叶变换电路部分，其连接至所述采样/保持电路部分并且对从所述采样/保持电路部分提供的电力系统的电流的一个周期的采样信号执行离散傅里叶变换，从而提供电力系统的电流的频率成分的幅值和相位；
微分器，其被配置为对电力系统的电流的检测信号求微分以提供电力系统的电流随时间的变化率；以及
控制器，其连接至所述离散傅里叶变换电路部分和所述微分器，且被配置为基于电力系统的电流的变化率和基准变化率，根据来自所述离散傅里叶变换电路部分的电力系统的电流的频率成分的幅值或根据来自所述微分器的变化率来确定是否执行跳闸控制。
2.根据权利要求1所述的控制电路，其中
当根据电力系统的电流的检测信号，电力系统的电流的值超过额定电流值时，所述控制器被配置为将来自所述微分器的变化率与预定的基准变化率进行比较，并且当所述变化率小于所述基准变化率时，所述控制器基于从所述离散傅里叶变换电路部分提供的电力系统的电流的频率成分的幅值来确定是否执行跳闸控制。
3.根据权利要求1所述的控制电路，其中
当根据电力系统的电流的检测信号，电力系统的电流的值超过额定电流值时，所述控制器被配置为将来自所述微分器的变化率与预定的基准变化率进行比较，并且当所述变化率等于或大于所述基准变化率时，所述控制器基于来自所述微分器的变化率来确定是否执行跳闸控制。
4.根据权利要求1所述的控制电路，进一步包括电流互感器，其被配置为提供电力系统的电流的检测信号并连接至所述采样/保持电路部分、所述微分器和所述控制器。
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