CN104577945B - 一种方向性电流保护方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种方向性电流保护方法，属于智能电网技术领域。本发明根据当前周波的相电压有效值以及与上一周波相电压有效值之间的变化情况判断是否当前故障是否为近区故障，如果判断出不是近区故障，则按照现有方法根据当前周波的电流、电压判断故障方向并采取相应的保护动作，如果判断出是近区故障，则不采用当前周波的电压，而是根据前一周波的电压和当前周波的电流判断故障方向并采取相应的保护动作。本发明还公开了一种方向性电流保护装置。相比现有技术，本发明在出现近区故障时仍可实现可靠的方向性保护，且不需要额外增加硬件，实现成本低廉。

Description

一种方向性电流保护方法及装置

技术领域

本发明涉及一种方向性电流保护方法及装置，属于智能电网技术领域。

背景技术

近年来，随着智能电网的发展，低压断路器越来越多的被应用于新能源与分布式电源场合。分布式电源单元既可以将电流馈送到电网，也可以消耗来自电网的电力。这就意味着在这种场合下，故障方向可以随着时间而改变，而当电流故障发生时，判定故障电流的方向成为断路器进行相应保护的前提条件。传统的判断故障方向的方法是通过功率方向继电器，这也是目前大多数时候采用的方法。功率方向继电器通常包括方向元件和动作元件：方向元件根据相电流和相电压，利用相位比较或幅值比较判断出故障方向(通常通过硬件实现)，动作元件根据方向元件判断出的故障方向进行相应的保护动作。但如果故障发生在靠近设备侧或电源侧，三相电压将瞬时下降趋于零，也就是所谓的近区故障，方向元件此时无法根据相电流和相电压准确地判定故障方向，这将导致方向继电器失去判别依据而拒动，给系统带来极大的隐患。要解决这个弊端，目前可知的方法包括在前端加入电压极化电路，使三相短路时电压缓慢下降，但该技术还不成熟，而且包含很大的硬件成本。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有方向性电流保护技术的不足，提供一种方向性电流保护方法及装置，在出现近区故障时仍可实现可靠的方向性保护，且不需要额外增加硬件，实现成本低廉。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种方向性电流保护方法，包括根据相电压和相电流判定故障方向的步骤，以及根据所判定的故障方向进行电流保护的步骤，所述根据相电压和相电流判定故障方向，具体如下：

当检测到有某一相电流有效值大于系统预设的整定值的故障时，判断以下条件是否得到满足：当前周波每一相的相电压有效值比上一周波相电压有效值的下降幅度均大于预设的电压差阈值，且当前周波每一相的相电压有效值均小于预设的电压阈值；如是，则选择前一周波的电压和当前周波的电流；如否，则选择当前周波的电压和电流；

根据所选择的电压和电流判断故障方向。

优选地，所述根据所选择的电压和电流判定故障方向，具体如下：利用所选择的电压和电流计算无功功率；无功功率大于0，则故障方向为负向，无功功率小于0，则故障方向为正向。

优选地，所述电压差阈值大于或等于所保护电路额定电压的50％，所述电压阈值小于或等于所保护电路额定电压的10％。

优选地，所述根据所判定的故障方向进行电流保护，具体如下：分别为正向故障和负向故障预设相应的最大故障持续时间；根据所判断出的故障方向选定相应的最大故障持续时间，并判断所述故障的持续时间是否达到所选定的最大故障持续时间，如是，则断开所保护电路。

根据相同的发明思路还可以得到本发明方向性电流保护装置的技术方案：

一种方向性电流保护装置，包括故障方向判断部件及保护部件，

所述故障方向判断部件包括：

电压电流监测单元，用于对每个周波三相电压、电流进行监测，并记录监测数据，同时计算出每一相的相电流有效值；

电流比较单元，用于判断监测到的相电流有效值是否大于系统预设的整定值；

监测数据选择单元，用于在电流比较单元检测到有某一相电流有效值大于系统预设的整定值的故障时，根据以下条件是否得到满足来选择监测数据：当前周波每一相的相电压有效值比上一周波相电压有效值的下降幅度均大于预设的电压差阈值，且当前周波每一相的相电压有效值均小于预设的电压阈值；如是，则选择前一周波的电压和当前周波的电流；如否，则选择当前周波的电压和电流；

判断单元，用于根据监测数据选择单元所选择的监测数据判断故障方向；

所述保护部件包括保护单元，用于根据故障方向从预设的两个分别与正向故障和负向故障相对应的最大故障持续时间中选定相应的最大故障持续时间，并判断所述故障的持续时间是否达到所选定的最大故障持续时间，如是，则发出断开所保护电路的指令。

优选地，所述判断单元包括：

无功功率计算模块，用于根据监测数据选择单元所选择的监测数据计算无功功率；故障方向判断模块，用于根据无功功率计算模块输出的无功功率判断故障方向，无功功率大于0，则故障方向为负向，无功功率小于0，则故障方向为正向。

优选地，所述电压差阈值大于或等于所保护电路额定电压的50％，所述电压阈值小于或等于所保护电路额定电压的10％。

相比现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明可有效解决近区故障情况下的方向性保护问题，在三相短路时不存在动作死区，具有更高的可靠性；

本发明不需要增加电压极化电路等复杂昂贵的硬件设备，仅需要对现有设备进行简单的软件调整即可实现，实现成本低廉，适用范围更宽。

附图说明

图1为本发明方向性电流保护装置的工作流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

针对现有方向性保护设备在近区故障发生时难以有效确定故障方向，进而影响方向性保护的问题，本发明的思路是根据当前周波的相电压有效值以及与上一周波相电压有效值之间的变化情况判断是否当前故障是否为近区故障，如果判断出不是近区故障，则按照现有方法根据当前周波的电流、电压判断故障方向并采取相应的保护动作，如果判断出是近区故障，则不采用当前周波的电压，而是根据前一周波的电压和当前周波的电流判断故障方向并采取相应的保护动作。

本发明具体采用以下方法判断近区故障：如果当前周波每一相的相电压有效值比上一周波相电压有效值的下降幅度均大于预设的电压差阈值，且当前周波每一相的相电压有效值均小于预设的电压阈值，则认为当前故障是近区故障，选择前一周波的电压和当前周波的电流进行故障方向判定并进行相应保护；否则，认为当前故障不是近区故障，根据当前周波的电流、电压判断故障方向并采取相应的保护动作。

在发生近区故障时，三相电压会瞬时下降趋于零，因此根据经验，所述电压差阈值可取所保护电路额定电压的50％或以上，所述电压阈值可取所保护电路额定电压的10％或更小。

本发明的方向性电流保护装置，包括故障方向判断部件及保护部件，

所述故障方向判断部件包括：

电压电流监测单元，用于对每个周波三相电压、电流进行监测，并记录监测数据，同时计算出每一相的相电流有效值；

电流比较单元，用于判断监测到的相电流有效值是否大于系统预设的整定值；

监测数据选择单元，用于在电流比较单元检测到有某一相电流有效值大于系统预设的整定值的故障时，根据以下条件是否得到满足来选择监测数据：当前周波每一相的相电压有效值比上一周波相电压有效值的下降幅度均大于预设的电压差阈值，且当前周波每一相的相电压有效值均小于预设的电压阈值；如是，则选择前一周波的电压和当前周波的电流；如否，则选择当前周波的电压和电流；

判断单元，用于根据监测数据选择单元所选择的监测数据判断故障方向；

所述保护部件包括保护单元，用于根据故障方向从预设的两个分别与正向故障和负向故障相对应的最大故障持续时间中选定相应的最大故障持续时间，并判断所述故障的持续时间是否达到所选定的最大故障持续时间，如是，则发出断开所保护电路的指令。

该装置的工作过程如图1所示，具体如下：

步骤1、系统初始化。

步骤2、电压电流监测单元对所保护电路中每个周波的三相电流、电压进行采样，并存储所采样到的采样数据，同时计算出每一相的相电流有效值。

步骤3、当电流比较单元检测到有某一相电流有效值大于系统预设的整定值Id时，即认为这一相为故障相，三相中的另两相为非故障相，监测数据选择单元根据以下条件是否得到满足来选择监测数据并将所选择的监测数据发送给判断单元进行故障方向的判断：当前周波每一相的相电压有效值比上一周波相电压有效值的下降幅度均大于预设的电压差阈值S，且当前周波每一相的相电压有效值均小于预设的电压阈值U；如是，则选择前一周波的电压和当前周波的电流；如否，则选择当前周波的电压和电流。其中的相电压有效值可以由监测数据选择单元计算，也可以由电压电流监测单元预先计算得到。

步骤4、判断单元根据所选择的监测数据判断故障方向：

具体的故障方向判断方法可采用各种现有方法，本实施例中采用基于无功功率的故障方向确定方法。具体的，所述判断单元包括：无功功率计算模块和故障方向判断模块。无功功率计算模块首先根据监测数据选择单元所选择的电压、电流数据，计算一个周波内的无功功率，具体计算公式如下：

式中各字母含义具体如下：

Q—无功功率；

I—故障相相电流的有效值；

U—非故障相之间的线电压的有效值；

——非故障相之间的线电压移相-45度后与故障相的相电流之间的相角；

故障方向判断模块根据无功功率Q的正负来确定故障方向：Q>0时，判断故障方向为负向；Q<0时，判断故障方向为正向。

在具体实现中，每周波同时分别对电压U和电流信号I采样N点(通常N取2的整数幂，且大于2)，则可以将上式离散化，等效于其中u_K为电压U第K个采样值，为电流I第个采样值。这样，根据电压电流的采样值就可以方便的对Q进行计算。

故障方向判别完成后，进入方向性电流保护流程。保护部件根据故障方向及预设的保护程序进行相应的保护动作。下面是一个采用延时保护的例子：

保护部件包括保护单元以及可断开所保护电路的开关，保护单元分别与故障方向判断模块及所述开关信号连接，保护单元中预存有分别对应于正向故障和负向故障的两个最大故障持续时间tFW、tBW。

如判断故障方向为正向时，保护单元内置的计时器开始累积计时，当累积的时间超过tFW时，保护单元向开关发出脱扣指令，使得所保护电路断开。同理，判断故障方向为负向时，计时器开始累积计时，当累积时间超过tBW时，保护单元向开关发出脱扣指令，使得所保护电路断开。当时间累积过程中发生电流<Id时，累积时间清零，回到步骤3，如此循环往复。tBW和tFW可根据实际需要自行设定，两者可以相等也可以不相等。这里tBW和tFW可以取0.1s、0.2s、0.3s、0.4s。

由于现有的方向性保护设备通常都具有相电流、相电压检测部件及控制部件，因此仅需要进行相应的软件编程，即可在现有设备(例如智能断路器)上实现本发明的技术方案，不需要再增加功率方向继电器、电压极化电路等硬件，从而对包括近区故障在内的电路故障实现有效的方向性保护，实现简单，成本低廉，具有良好的应用前景。

Claims (7)

1.一种方向性电流保护方法，包括根据相电压和相电流判定故障方向的步骤，以及根据所判定的故障方向进行电流保护的步骤，其特征在于，所述根据相电压和相电流判定故障方向，具体如下：

当检测到有某一相电流有效值大于系统预设的整定值的故障时，判断以下条件是否得到满足：当前周波每一相的相电压有效值比上一周波相电压有效值的下降幅度均大于预设的电压差阈值，且当前周波每一相的相电压有效值均小于预设的电压阈值；如是，则选择前一周波的电压和当前周波的电流；如否，则选择当前周波的电压和电流；

根据所选择的电压和电流判断故障方向。

2.如权利要求1所述方向性电流保护方法，所述根据所选择的电压和电流判定故障方向，具体如下：利用所选择的电压和电流计算无功功率；无功功率大于0，则故障方向为负向，无功功率小于0，则故障方向为正向。

3.如权利要求1所述方向性电流保护方法，其特征在于，所述电压差阈值大于或等于所保护电路额定电压的50%，所述电压阈值小于或等于所保护电路额定电压的10%。

4.如权利要求1所述方向性电流保护方法，其特征在于，所述根据所判定的故障方向进行电流保护，具体如下：分别为正向故障和负向故障预设相应的最大故障持续时间；根据所判断出的故障方向选定相应的最大故障持续时间，并判断所述故障的持续时间是否达到所选定的最大故障持续时间，如是，则断开所保护电路。

5.一种方向性电流保护装置，包括故障方向判断部件及保护部件，其特征在于，

所述故障方向判断部件包括：

电压电流监测单元，用于对每个周波三相电压、电流进行监测，并记录监测数据，同时计算出每一相的相电流有效值；

电流比较单元，用于判断监测到的相电流有效值是否大于系统预设的整定值；

监测数据选择单元，用于在电流比较单元检测到有某一相电流有效值大于系统预设的整定值的故障时，根据以下条件是否得到满足来选择监测数据：当前周波每一相的相电压有效值比上一周波相电压有效值的下降幅度均大于预设的电压差阈值，且当前周波每一相的相电压有效值均小于预设的电压阈值；如是，则选择前一周波的电压和当前周波的电流；如否，则选择当前周波的电压和电流；

判断单元，用于根据监测数据选择单元所选择的监测数据判断故障方向；

所述保护部件包括保护单元，用于根据故障方向从预设的两个分别与正向故障和负向故障相对应的最大故障持续时间中选定相应的最大故障持续时间，并判断所述故障的持续时间是否达到所选定的最大故障持续时间，如是，则发出断开所保护电路的指令。

6.如权利要求5所述方向性电流保护装置，其特征在于，所述判断单元包括：

无功功率计算模块，用于根据监测数据选择单元所选择的监测数据计算无功功率；

故障方向判断模块，用于根据无功功率计算模块输出的无功功率判断故障方向，无功功率大于0，则故障方向为负向，无功功率小于0，则故障方向为正向。

7.如权利要求5所述方向性电流保护装置，其特征在于，所述电压差阈值大于或等于所保护电路额定电压的50%，所述电压阈值小于或等于所保护电路额定电压的10%。