CN105103395B - 用于检测故障的方法及其电流差动保护系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了用于检测故障的方法及其电流差动保护系统。用于检测故障的方法包括：计算故障分量电流；计算所有终端的动作电流和制动电流；并且通过根据故障分量自适应地调节制动特性来调节动作水平。该方法具有对外部故障的非常小的动作区域，这使其甚至在伴有严重CT饱和的情况下也非常可靠。同时具有对内部故障的非常大的动作区域，这使其对内部故障甚至是重负荷且高电阻故障情况下都非常灵敏。

Description

用于检测故障的方法及其电流差动保护系统
技术领域
本发明涉及电流差动保护技术领域，尤其涉及用于检测故障的方法及其电流差动保护系统。
背景技术
电流差动保护具有良好的性能，并被广泛用于电力系统的主保护。下面示出了一种经典的电流差动保护算法：
经典的电流差动保护基于全量电流。在本发明中，全量电流也称为总电流。这里，全量电流是原始电流测量值，它由负荷电流和故障分量电流组成。并且故障分量电流是仅由故障引起的电流。负荷电流不包括在故障分量电流内。
上述经典的电流差动保护具有一些问题，例如：
1.重负荷状态或高电阻故障的情况下，灵敏度低且动作速度慢；
2.需要额外的功能来阻止由于伴有CT饱和的外部故障导致的可能的误动；
3.在一定程度上要平衡灵敏度、速度和可靠性相对困难。如果使用低设定值/阈值来获得良好的灵敏度和速度，那么将导致相对差的可靠性。如果使用高设定值/阈值以获得良好的可靠性，那么将导致相对差的灵敏度和速度。
为了解决这些问题，业界提出了仅基于故障分量电流的故障分量差动保护。下面示出了典型的故障分量差动保护的算法。
由于从计算中除去了负荷电流，该故障分量差动保护在重负荷和高阻故障的条件下，比经典的全分量电流差动保护具有更好的灵敏度和速度。
但是现有的故障分量差动保护只在一定程度上提高了灵敏度和速度。它并没有解决CT饱和导致的可靠性问题，并且它对于保护的灵敏度和可靠性之间的平衡问题，没有提供更好的解决方案。
和经典的基于全分量的差动保护相似，如果没有额外的CT饱和闭锁功能协助，前面方程(2)中所描述的故障分量差动保护在CT饱和期间也可能会误动。
并且除此之外，该故障分量差动保护也难于实现灵敏度、速度和可靠性之间的良好平衡。如果针对内部故障提高灵敏度和速度，那么对外部故障的可靠性将降低。另一方面，如果提高对外部故障的可靠性，那么对内部故障的灵敏度和速度将降低。
为了解决上述问题，在2012年6月提交的在先申请PCT/CN2012/076525(A Methodfor Identifying the Fault by Current Differential Protection and a DeviceThereof(电流差动保护识别故障的方法及其设备))，申请公开了额外的相位角信息和故障分量被用来同时提高差动保护的灵敏度和可靠性。此外，在没有任何额外的闭锁功能的情况下，新的差动保护自身不受CT饱和的影响。
下面示出了现有申请中的典型的保护判据。
由于基于相位角信息和故障分量的调节系数F(θL,θR)，判据(3)具有自适应特性并且具有非常好的灵敏度和可靠性。
在一些特定的例子中，例如，重合闸或电力系统振荡，故障分量电流的计算可能是困难的或具有相对较大的计算误差。因此，这个在先申请也覆盖了基于全量电流的另一判据，如下所示：
和经典的电流差动保护相似，方程(4)中的判据基于全分量。方程(4)中的判据将满足更喜欢经典的基于全分量保护的一些用户。并且同时，归因于调节系数F(θL,θR)，方程(4)中的判据还具有自适应制动特性。和方程(3)中的判据相似，方程(4)中的判据也不受CT饱和的影响。
但是方程(4)中的判据的灵敏度通常比方程(3)中的判据低；主要原因是全量电流包括负荷电流，因此其灵敏度将受到负荷电流的显著影响，尤其是在重负荷和高电阻故障的情况下。
另一方面，现有申请只涉及基于纯故障分量电流或纯全量电流的自适应差动保护。然而通过将故障分量和全量电流的混合故障信息代替纯故障分量或纯全量电流，也能够实现现有申请中提到的自适应特性。
通过这种方式，基于混合故障信息的新的保护算法既具有全分量的优点又具有故障分量的优点，并且能够实现可靠性和灵敏度之间的良好的平衡。
发明内容
为了克服上述问题，本发明提出了一种用于检测故障的方法及其被保护电路。
根据本发明的一方面，提出了用于检测被保护电路的故障的方法。所述方法包括步骤：计算所有终端的故障分量电流和全量电流；基于全量电流计算动作电流和制动电流；并且根据故障分量电流通过自适应调节制动特性来调节动作水平。
根据本发明的优选的实施方案，所述故障分量电流包括幅值和相位角。
根据本发明的优选的实施方案，通过所述故障分量电流的相位角计算不同终端的故障分量电流之间的相位角差值；并且根据所述相位角差值自适应地调节制动特性。
根据本发明的优选的实施方案，调节步骤包括提高对内部故障的灵敏度，以及提高对外部故障的可靠性。
根据本发明的优选的实施方案，调节制动特性包括根据相位角差值确定内部故障或外部故障的步骤。
根据本发明的优选的实施方案，内部故障或外部故障由接近0度或180度的相位角差值确定。
根据本发明的另一方面，提出了一种用于检测故障的系统。所述系统包括：计算模块，其被配置成计算所有终端的故障分量电流和全量电流；以及基于全量电流计算动作电流和制动电流；和调节模块，其被配置成根据故障分量电流通过自适应调节制动特性来调节动作水平。
根据本发明的优选的实施方案，故障分量电流包括幅值和相位角。
根据本发明的优选的实施方案，所述计算模块还被配置成通过所述故障分量电流的相位角计算不同终端的故障分量电流之间的相位角差值；并且所述调节模块还被配置成根据所述相位角差值自适应地调节制动特性。
根据本发明的优选的实施方案，调节模块还被配置成提高对内部故障的灵敏度并且提高对外部故障的可靠性。
根据本发明的优选的实施方案，调节模块还配置成根据相位角差值确定内部故障或外部故障。
根据本发明的优选的实施方案，调节模块还被配置成通由接近0度或180度的相位角差值确定内部故障或外部故障。
提出的新方法提供了一种新的差动保护原理，其使用全量电流和故障分量电流的混合信息。通过使用故障分量来进行相位角比较，并据此调节制动特性，避免了负荷电流对灵敏度的不良影响。并且判据的差动电流和制动电流的计算使用全量电流。
附图说明
参照图中示出的优选的示例性实施方案，在下面的描述中将更详细地讲解本发明的主题，图中：
图1示出具有内部故障的典型的双端系统(图1a)以及相应的故障分量网络(图1b)；
图2示出根据本发明的实施方案的用于检测故障的方法的流程图；
图3a和3b分别示出针对外部故障和内部故障的差动继电器的制动特性；
图4a和4b分别示出外部故障和内部故障情况下的故障分量电流的矢量图；
图5示出根据本发明的用于将多终端系统转换成虚拟的双端系统的矢量图；以及
图6示出根据本发明的实施方案的用于检测故障的系统的示意图。
具体实施方式
下文中，结合附图描述了本发明的示例性实施方案。为了清楚简洁起见，本说明书中并没有描述实际实施方案中的全部特征。
提出的发明用于电流差动保护，电流差动保护基于以下事实：来自本地和远端的故障分量电流的相位角差值，在内部故障和外部故障时具有明显的不同。如果两个终端的电流参考方向都为从母线到线路，则内部故障情况下的相位差几乎为0度，外部故障情况下的相位差几乎为180度。否则，如果一个终端的电流参考方向为从母线到线路，另一终端的电流参考方向为从线路到母线，则外部故障情况下的相位差几乎为0度，内部故障情况下的相位差几乎为180度。在本发明中，本说明基于两个终端的电流参考方向都是从母线到线路。本领域技术人员容易理解一个终端的电流参考方向为从母线到线路，另一终端的电流参考方向为从线路到母线的情况。
可以利用这种明显的差别来加权差动保护判据中的制动电流(也称作偏置电流)或动作电流(也称作差动电流)以使动作-制动特性自适应。顺便一提，制动特性中的动作范围将根据故障状态而变化。外部故障情况下的动作范围非常小，内部故障情况下的动作范围非常大。由此，可以同时获得对内部故障的较好的灵敏度和对外部故障的较好的可靠性。
图1a示出具有内部故障的典型的双端系统，图1b示出图1a的故障分量网络。
如图1a所示，和是由差动保护在两个终端(在本发明中，所有的终端都是指被保护的电路的端部)L和R处测量的电流的矢量。和是两个终端的相应的故障分量电流。
下面示出了所提出算法的一般方程。
此处，Iset1和Iset2是用于控制动作特性中的斜率起点的电流设定值。在本发明的实施方案中，两个设定值可以设定如下：Iset1≥0，Iset2≤0。应当注意到本领域技术人员可以根据实际实施将Iset1和Iset2预先设定成任意值。
Iset3主要用于充电电流。Ilim用来确保电流相位角的计算精确度。Ires是制动电流，它能通过任何合理的方法计算，例如， 或其它方法。此处，F(θL,θR)是故障分量电流相位的一般函数，它应该增加内部故障情况下的保护灵敏度以加速动作；并且增加外部故障情况下的可靠性以阻止可能的误动。F(θL,θR)的设计基于以下事实：内部故障情况下的相位角差值(θR-θL)几乎为0°，外部故障情况下的相位角差值(θR-θL)几乎为180°。下面示出了相应的矢量图。
图2示出了根据本发明的用于由电流差动保护识别故障的方法的流程图：
如图2所示，用于由电流差动保护识别故障的方法200包括：
步骤202，计算故障分量电流。详细地，故障分量电流被用来计算幅值和相应的相位角。故障分量电流的相位角用来计算不同终端的电流之间的角度差值。在优选的实施方案中，故障分量电流的角度差值用来自适应地调节动作水平或动作-制动特性。
步骤204，计算动作电流和制动电流。
步骤206，根据故障分量电流自适应地调节动作水平或制动特性。此外，调节步骤还使用动作电流和/或制动电流，这实现了对内部故障的灵敏度的提高，以及对外部故障的可靠性的提高。
图3a和3b分别示出了对外部故障和内部故障的差动继电器的制动特性。
如图3a和3b所示，F(θL,θR)的一个简单实施可以是
K1-K2·cos(θR-θL) (6)
这只是一个可能的示例；理论上可以使用任何满足F(θL,θR)的上述要求的任何实施方案。
使用方程(6)替换一般函数F(θL,θR)，方程(5)可以按以下重写：
为了简化这个算法，Iset2的设定值可以为零。Iset1和Iset3可以具有相同的值。并且此外，K1可以设定成和K2一样。由此，下面示出了方程(7)的简化的版本：
此处，K是一个正值(例如，K＝1.5)。下面示出了提出的差动保护的简化的、并且典型的动作特性图。
图4a和4b分别示出了外部故障和内部故障情况下的故障分量电流的矢量图。
如上所述，制动(也称作动作-限制)特性中的斜率比由F(θL,θR)(例如(K1-K2·cos(θL-θR)))控制。内部故障情况下的动作特性中的斜率应当小，外部故障情况下的动作特性中的斜率应当大；因此内部故障情况下的动作范围大，外部故障情况下的动作范围小。甚至在由严重CT饱和导致的外部故障期间，如果K有一个恰当的设定，则斜率比(K-K·cos(θL-θR))是大的正值，这使得对CT饱和的算法足够可靠。通常，在图4b示出的内部故障的情况下的(θL-θR)几乎为0°，在图4a示出的外部故障的情况下的(θL-θR)几乎为180°。
图5示出了根据本发明的用于将多终端系统转换成虚拟的双端系统的矢量图。
如图5所示，为了将多终端系统转换成虚拟的双端系统，首先，测量多终端线路系统的全部终端的全量电流，并计算相应的故障分量电流矢量。从计算的故障分量电流中选择最大的故障分量电流，计算除了最大故障分量电流之外的其余所有计算的故障分量电流的总和；然后将最大电流和所述电流总和视为虚拟双端系统的电流。
在多终端系统被转换成虚拟双端系统之后，可以应用图1中提到的方法以便通过电流差动保护识别故障。
根据一个优选的实施方案，如果至少一个电流幅值太小而不能测量相位角，例如，和/或固定控制系数K可以用来替换自适应系数F(θL,θR)。
详细地，所述方法包括：测量双端线路系统的两个终端的全量电流，即，和通过计算全量电流矢量的总和的绝对值和第一预设值Iset1之间的第一差值获得动作值通过把第二差值乘以控制系数F(θL,θR)获得制动值(也称作限制值)，其中第二差值是通过全量电流的绝对值中的最大值和第二预设值Iset2之间的差值计算得出；以及通过比较动作值和制动值识别故障是外部故障还是内部故障。也就是说，判据重写如下：
图6示出了根据本发明的实施方案的用于检测故障的系统。
如图6所示，用于检测故障的系统600主要包括：计算模块602和调节模块604。
计算模块602被配置成计算故障分量电流、动作电流和制动电流。故障分量电流被用来计算幅值和相应的角度。故障分量电流的角度被用来计算不同终端的电流之间的角度差。
调节模块604被配置成根据故障分量电流自适应地调节动作水平或制动特性。在一个优选的实施方案中，故障分量电流的角度差被用来自适应地调节动作水平或制动特性，并且调节模块还使用动作电流和/或制动电流来提高对内部故障的灵敏度和对外部故障的可靠性。
本发明还提供了一种电流差动保护系统，其中包括：至少一个电流传感器，其被配置成测量不同终端处的电流；至少一个故障检测单元，其被配置成计算故障分量电流，计算动作电流和制动电流；并且根据故障分量电流自适应地调节动作水平或制动特性，检测内部故障或外部故障，并且释放跳闸信号。此外，系统还包括至少一个通信单元，其被配置成交换终端之间的测量值和信号。
凭借本发明提出的方案的教导，本领域技术人员可以设计或制造出比现有产品具有更好可靠性、灵敏度和更快速度的差动电流保护。
应该注意的是，本发明提出的用于通过电流差动保护识别故障的方法及其设备可以用在但不限于主要设备的线路差动保护或差动保护，例如，发电机保护、母线保护、电容保护、变压器保护、电抗器保护、发动机保护或基于电流差动算法的其它保护等。
基于本发明的教导，本领域技术人员应理解下面的技术优势和效果：
1.根据本发明，用于检测故障的方法及其系统具有针对外部故障的非常小的动作范围，这使得它甚至在伴有严重CT饱和的情况下也非常可靠。同时本方法和系统具有对内部故障的非常大的动作范围，这使得它在内部故障甚至在重负荷和高电阻故障的情况下非常灵敏。
2.和现有差动保护比较，因其具有对内部故障更好的灵敏度，和对外部故障更好的可靠性，用于检测故障的方法及其系统比以前更快。
3.此外，差动电流和制动电流基于全分量而不是故障分量，这减小了计算误差对保护的影响。
虽然基于一些优选的实施方案描述了本发明，但是本领域技术人员应该理解这些实施方案绝不应限制本发明的范围。在不背离本发明的精神和范围的情况下，对实施方案的任何变体和修改应该在具有本领域常识和技术的人员的理解范围内，并因此落入本发明的由所附权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种用于检测被保护电路的故障的方法，其中所述方法包括：
计算所有终端的故障分量电流和全量电流；
基于所述全量电流计算动作电流和制动电流；
通过根据所述故障分量电流适应性调节制动特性来调节动作水平；
其中，所述故障分量电流包括幅值和相位角；
通过所述故障分量电流的相位角计算不同终端的故障分量电流之间的相位角差值；并且根据所述相位角差值适应性地调节所述制动特性。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，调节步骤包括提高针对内部故障的灵敏度，以及提高针对外部故障的可靠性。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，调节所述制动特性包括根据所述相位角差值确定内部故障或外部故障的步骤。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，通过接近0度或180度的所述相位角差值来确定内部故障或外部故障。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，通过减小保护动作所需的阈值提高针对内部故障的灵敏度。
6.根据权利要求4所述的方法，其中，通过增加保护动作所需的阈值提高针对外部故障的可靠性，从而避免不希望的动作。
7.一种用于检测被保护电路的故障的系统，其中，所述系统包括：
计算模块，其被配置成计算所有终端的故障分量电流和全量电流；以及基于所述全量电流计算动作电流和制动电流；以及
调节模块，其被配置成通过根据所述故障分量电流适应性调节制动特性来调节动作水平；
其中，所述故障分量电流包括幅值和相位角；
所述计算模块还被配置成通过所述故障分量电流的相位角计算不同终端的故障分量电流之间的相位角差值；并且所述调节模块还被配置成根据所述相位角差值适应性地调节制动特性。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述调节模块还被配置成提高针对内部故障的灵敏度，以及提高针对外部故障的可靠性。
9.根据权利要求7或8所述的系统，其中，所述调节模块还被配置成根据所述相位角差值确定内部故障或外部故障。
10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述调节模块还被配置成通过接近0度或180度的所述相位角差值确定故障是内部故障或是外部故障。
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