CN105144526A - 具有提升性能的模块的自供保护继电器 - Google Patents

Abstract

本发明具体涉及保护继电器，其在故障条件下生成跳闸信号来操作断路器。保护继电器由第一模块（505）组成，第一模块用于测量并且分析连接受保护功率设备的功率线的功率参数，保护通过生成用于操作功率线中连接的断路器的第一跳闸信号（540）而提供。保护继电器还由一个或多个第二模块组成，第二模块用于提升保护继电器的性能。存在第二模块，其进行功率参数（503）的测量和分析来生成用于操作功率线中连接的断路器的第二跳闸信号（530）。来自保护继电器的第一跳闸信号（540）和第二跳闸信号（530）逻辑组合（550）来生成操作断路器的跳闸信号（560）。

Description

具有提升性能的模块的自供保护继电器

技术领域

本发明涉及电力分配的领域。本发明具体涉及生成跳闸信号以在故障条件情况下操作断路器的保护继电器。

背景技术

保护继电器（也称为智能电子装置（IED））是基于微控制器的智能电子装置，其具有通过在异常情形下使断路器跳闸并且中断功率线来保护电气设备的基本功能。对于断路器的跳闸线圈或其他致动器的跳闸信号典型地由保护继电器在特定参数（例如，线路或相电流）持续预定义时段地超过标称或预设值时生成。

自供（自供电）保护继电器利用来自电流感测互感器的能量以供应给继电器电子电路以及操作跳闸线圈所需要的能量。自供继电器的设计具有与之关联的若干约束来确保测量是准确且灵敏的，以避免任何误操作。还需要特殊规定以使得它的电路高效且对于功耗优化。通过受控充电生成功率供应来操作自供电继电器的这些约束和方法中的一些在WIPO发布WO2009101463和WO2012056277中公开。

自供电继电器需要最小时间和相电流来通电。因此，测量和保护功能性可以仅在自供电继电器从牵涉受保护电气设备的电路中的能量通电后进行。在需要继电器在故障条件（即，因为故障而可能存在高电流）下接通的条件下，自供电继电器尽可能快地接通并且还最早进行故障条件的检测以使由于故障引起的任何损坏可能性最小化，这是可取的。继电器的接通和检测故障或正常条件来决定跳闸所贡献的延迟反映为接通到故障（SOTF）时间，其是评估保护系统速度的重要参数。

在作为示例具有75MHZ操作频率的微控制器上工作的现有技术的保护继电器对于主要牵涉功率稳定（使用线路电流加电）、通电复位延迟（初始化）和非易失性存储器读操作的活动可能消耗约50毫秒。控制器电子器件（基本模块）仅在从即时装置通电约50毫秒后开始执行保护算法。该持续时间是SOTF时间的关键期。

预期具有较低SOTF时间的保护系统更快且更安全地操作。在自供电继电器中使用的处理装置（例如，微控制器）的起动时间是对SOTF时间的主要贡献因子。起动包括初始化（引导）的时间和执行为了计算正常/异常条件而使用的保护算法的时间。可靠且不太复杂的算法当然优先具有在可接受极限内的SOTF时间和可靠性。

此外，来自自供电继电器的跳闸信号借助于跳闸电容器（其提供驱动线圈所需要的功率）而提供。因此，在自供电继电器中，需要快速跳闸电容器充电电路具有较快SOTF并且考虑到自供电装置中的挑战而需要发展充电方法。

从而，在自供电继电器中，使SOTF时间最小化需要进一步考虑并且这是本发明的重要目标。

发明内容

本发明的目标是使接通到故障（SOTF）的时间最小化。在本发明的一个方面中，提供保护继电器。该保护继电器具有：基本模块（也称为第一模块），其由用于操作继电器所需要的所有功能性组成；和额外的一个或多个专门模块（称为额外模块），用于提升性能。为了自供电保护继电器中的SOTF提高（即，为了使特别自供电保护继电器中的SOTF的时间减少），额外模块（称为SOTF核或第二模块）包括功率且时间高效的电路，用于高效执行测量和保护相关任务。

在一个实施例中，对于断路器的跳闸信号基于来自第一模块的跳闸信号和来自额外模块的跳闸信号而生成。在实施例中来自第一模块的跳闸信号和来自额外模块的跳闸信号可与“或”逻辑逻辑地组合以从保护继电器产生对于断路器的跳闸信号。从减少SOTF的角度看，来自额外模块的跳闸信号使用现场可编程门阵列（FPGA）模块作为示例以高效处理而产生以具有功率且时间高效手段来实施处理。额外模块（第二模块）执行与用于比第一模块快得多地生成跳闸信号的决定有关的任务。用于生成跳闸信号的决定在将测量电流的幅度和至少一个特定频率中谐波含量的幅度与继电器中基于它的设置的预先配置值比较的基础上做出。跳闸信号也可以由用于确定跳闸条件的其他算法产生。

在再另一个实施例中，额外模块可以由例如微控制器或基于微处理器的电路或专用集成电路（ASIC）或可编程逻辑装置（PLD）等可编程装置组成。

在再另一个实施例中，额外模块可以由模拟电路组成，该模拟电路由模拟滤波器和比较器组成。

在再另一个实施例中，额外模块可以由数字电路组成。

在再另一个实施例中，为了具有更快SOTF值而配置的额外模块仅在保护继电器的通电期间使用。额外模块可以在保护继电器通电后在第一模块完全功能性和操作后被电隔离。

在再另一个实施例中，使用一个或多个额外模块连同第一模块并且该一个或多个额外模块以编程方式隔离或连接以与第一模块一起工作来实施与功率参数（电流、电压、频率等）的测量和分析有关的任何功能或实施与配置、诊断或人机接口（HMI）功能有关的功能。

在本发明的另一个方面中，保护继电器包括功率管理单元，其配置成通过从保护继电器正测量的电流对总线电容器的受控充电而向保护继电器的各种模块提供功率，这些模块包括第一模块和第二模块。功率管理单元在电流测量期间还进行总线电容器的电隔离使得测量是准确的。

在另一个实施例中，保护继电器包括功率管理单元，其进行从总线电容器对跳闸电容器的受控充电。跳闸电容器的受控充电还包括在跳闸信号生成以操作在线路中连接的断路器期间跳闸电容器与总线电容器的电隔离。

在再另一个实施例中，进行跳闸电容器的受控充电使得通过快速充电可获得足够能量以在生成跳闸信号来操作断路器之前操作断路器。从而确保SOTF时间不只是通过具有高效计算手段而且还通过使对负责在跳闸操作期间提供能量的跳闸电容器充电的时间最小化而最小化。

附图说明

其他特征和优势在结合附图阅读优选示范性实施例的描述时将对于本领域内技术人员变得明显，其中：

图1是具有保护继电器的保护系统的框图；

图2是具有带SOTF核的保护继电器的保护系统的框图；

图3是具有带基于FPGA的SOTF核的保护继电器的保护系统的框图；

图4图示对于具有SOTF核的自供电继电器的加电和任务执行中的各种阶段；

图5是具有FPGASOTF核的自供电继电器的框图；

图6图示随自供电继电器的操作而序列化的总线电容器和跳闸电容器的受控充电；

图7图示自供电继电器中的功率提取和管理；以及

图8是用于对自供电继电器中的跳闸电容器充电和放电的示范性方案。

具体实施方式

图1示出具有连接以用于保护的保护继电器的保护系统的基本框图。自供电继电器使用控制器电子器件110来执行测量和保护算法。控制器电子器件110（也称为基本模块）使用电流传感器（电流互感器）120感测电流、对电流信号125采样并且使用模数转换器（ADC）130使其数字化并且利用测量和保护部件140对采样的数字数据进行计算来决定是否为断路器160供应跳闸命令150。电流信号125还用于在自供电保护继电器的情况下对继电器（未在图1中示出）生成功率。此外，图使用电流作为测量的电参数的示例来描述，但可以注意继电器（IED）可以用于牵涉多个电参数（电流、电压、频率等）的测量和分析的测量或/和保护目的。

由自供电继电器中的基本模块的SOTF时间贡献可关于自供电继电器内为自身达到稳定功率的自供电活动而可视化。测量的电流信号发生电压上升并且在从使继电器通电达到特定电压水平（触发电压水平）时，执行功率管理和系统关键任务，其包括自供电继电器中电子器件的初始化。在电压进一步上升并且达到加电阶段（其中对系统装置可获得足够稳定的电压）时，通电复位信号提供给基本模块。随后，基本模块被初始化并且执行读取循环，其牵涉外部非易失性存储器。在成功初始化时，基本模块执行任务以在SOTF时间检测故障并且供应跳闸命令。

如果存在使计算装置初始化（引导）并且执行为了在加电阶段立即计算正常/异常条件而使用的保护算法的高效方式，SOTF时间可被最小化。这通过提供并联专门电路用于保护算法的快速引导和高效执行来使SOTF时间最小化而对自供电继电器实现。并联的专门电路需要对于功耗也是高效的。此外，并联的专门电路可设计成仅专用于执行关键任务（在这里，在该情况下是SOTF任务）并且将没有许多自供电继电器中的基本模块需要实施的任何通用或系统活动的负担。

图2示出图示本发明的工作的框图。用于保护算法的并行执行的专门电路210（在下文称为SOTF核或额外模块或第二模块）连接到控制器电子器件（基本模块或第一模块）220。SOTF核210与可在SOTF核和控制器电子器件（基本模块）两者外部或可以是SOTF核的集成部分的ADC接口连接。在实施例中，在图2中示出的ADC230示出为在两者的外部。SOTF核进行数字化电流信号（采样电流）240的处理并且还与控制器电子器件（基本模块）共享信息（数字化电流信号和处理信息）250。架构具有从控制器电子器件（基本模块）220到SOTF核210的计算负担的卸载部分的益处。SOTF核另外处理数字化模拟值来做出跳闸决定。SOFT核可处理至少两个全功率循环（50/60Hz）来做出跳闸决定。到断路器160的跳闸信号260通过由布尔“或”函数使来自SOTF核210的跳闸信号和来自控制器电子器件（基本模块）220的跳闸信号组合而提供。SOTF核可处理两个功率循环数据用于可靠检测故障条件。

在SOTF核是专门电路时，由SOTF核的处理可甚至在控制器电子器件（基本模块）开始执行保护算法之前结束。如果跳闸命令未由SOTF核供应，基本模块使SOTF核使用的功率循环数据为进一步与保护保护算法一起工作做准备，这对于由基本模块的快速和高效处理可是有利的。

图3图示本发明的另一个实施例，其中由ADC核FPGA320组成的SOTF核310用于测量和故障检测。此外，存在一旦微控制器运行起来则利用开关330使SOTF核电隔离的规定。在该实施例中，为了测量和处理算法的快速并行执行而利用FPGA320以具有明显的SOTF时间减少。可进行数字化电流信号的处理来估计电流幅度连同它的谐波的值。这些值与预先配置的阈值比较来确定故障条件的存在。尽管在实施例中对单相示出，电流信号的测量也能对多相测量配置。

在其他实施例中，SOTF核（额外模块）可基于通用可编程装置（微控制器）或定制可编程装置（例如专用集成电路（ASIC）或可编程逻辑装置（PLD））来实现。

在另一个实施例中，SOTF核可在没有基于电流信号的电子（模拟/数字）操纵的任何可编程装置（微控制器、FPGA、ASIC等）的情况下使用模拟电路或数字或混合（模拟和数字）电路实现来确定信号量值（其包括在选择频率的谐波的量值）并且使用比较器检测对于跳闸的故障条件。

在图3中图示的实施例中，当SOTF核能够自身电隔离时，在通电后没有任何另外的计算负担的卸载。基本模块将必须实行所有其与测量和保护有关的功能性。电隔离的益处可以是使正常操作期间的功耗减少，因为SOTF核在SOTF时间持续后不必被供电并且节省的功率可在自供电继电器的正常运作期间的用于其他功能/外设。

在另一个实施例中，SOTF核可可选地被隔离或可选地与基本模块连接（即在任何时间），当可需要额外并行计算例如以利用不同算法处理信号来提高关于测量或故障确定的置信度时，SOTF核可可选地连接并且相应地被发起来帮助基本模块并行处理。

在具有SOTF核的自供电继电器的加电和任务执行中的各种阶段在图4中图示。以SOTF核的SOTF时间贡献在SOTF核可在达到充分稳定电压时开始它的处理（数字或模拟）时被最小化（410）。设计为特殊电路的SOTF核恰好具有以最小系统负担的故障检测的主要任务，其与对于由控制器电子器件（基本模块）通电时的故障检测的任务完成（430）的时间相比更早被完成（420）。如果达成任何跳闸决定，在420处比在430处利用控制器电子器件（基本模块）早得多地发出跳闸信号。从而，SOTF核的提供提供了明显的SOTF时间减少。

图5示出具有FPGASOTF核503连同控制器电子器件（基本模块）505的自供电继电器的架构。控制器电子器件（基本模块）在图中描绘为微控制器。SOTF核利用数据和控制信号接口510而与ADC507接口连接。FPGASOTF核还具有数据和控制信号接口520，其具有基于微控制器的控制器电子器件（基本模块）。FPGASOTF核为了更快跳闸决定进行测量和处理。来自FPGASOTF核的跳闸信号530（称为瞬时跳闸信号）使用布尔或（550）与从控制器电子器件（基本模块）505生成的跳闸信号540组合以具有对于跳闸线圈570的组合跳闸信号560。SOFT执行最小关联任务以在控制器另外执行像人机接口（HMI）接口、监管等的任务时使SOTF时间最小化。

作为另一个实施例，本发明可利用两个或以上专门电路（额外模块）连同基本模块实现来实施与继电器可执行的任何功能有关的专门活动，例如与测量或保护或配置或诊断或HMI有关的功能。基本模块或任何其他电路（例如继电器中的功率管理电路）可相应地使专门电路初始化。专门电路可在单个模块内（例如，在FPGASOTF核内）托管或组织或可具有与基本模块接口连接的额外模块。可注意自供电继电器可设计为被组织并且管理来提高功率管理的性能以用于自供电继电器有效操作的专门电路的组合。

为了在最小SOTF条件期间实现成功且快速跳闸，一旦电流开始流过感测电流互感器（CT），应尽可能快地可获得足够能量。该能量存储在电容器（称为跳闸电容器）中。跳闸电容器的快速充电应不影响保护继电器的其他电路的运作，因为保护继电器从电流完全自供电使得供电不影响微控制器的工作、电流测量或故障条件检测的准确性。因此，需要对于充电速率并且还对于关于由继电器实施的供电或测量/分析功能调度该充电所采用的方式来控制充电。从而，在自供电继电器中，硬件设计为了性能和功耗而对于起动时间优化，这需要利用功率管理方案在硬件/软件功能性之间的紧密耦合。

在自供电保护装置中实现跳闸电容器的快速充电需要考虑起动电流（即，用于使自供电装置通电），需要该起动电流是最小的，需要控制对于使跳闸电容器快速充电的能量需求使得它在可获得的最小能量预算内。跳闸电容器在跳闸期间需要与总线电压（主电压）隔离来防止保护装置在跳闸期间的任何重新引导并且电路设计需要满足耐热要求（20kA持续3秒，25kA持续1秒，62.5kA持续半个功率循环）。

图6示出关于总线电容器（总线电压）和跳闸电容器的充电的硬件/软件功能性的序列化并且功率管理方案在图7中图示。保护继电器由功率管理单元组成，功率管理单元用于管理对于各种模块的功率，其包括与总线电容器和跳闸电容器有关的操作。在图中，总线电压（610）通过采用对总线电压的受控方式通过一个或多个电流传感器（710）对总线电容器（610a）充电而建立。在图7中，开关720代表总线电容器充电的控制。在自供电继电器中对于各种供电需要通过在图7中由730表示的调节器来调节总线电压。总线电容器一有足够的功率可用于通过受控充电维持总线电压就发起微控制器和FPGA加电。如早先论述的，FPGASOTF核准备处理电流并且在微控制器之前很大程度上确定故障条件。跳闸电容器也通过总线电容器充电、通过在图7中图示的跳闸电容器充电和隔离电路740（通过充电曲线620a）受控以在620b处稳定以如果在继电器起动期间检测到跳闸则为跳闸产生可用能量。在故障情况下，FPGASOFT在由630图示的实例处生成跳闸信号并且来自跳闸电容器电压的能量被放电620c利用。实施功率管理以在没有继电器重起动/重新引导或没有对自供电继电器的性能的任何其他效应的情况下通过对跳闸电容器快速充电而具有约40msSOTF。

图8提供在使自供电继电器通电后对跳闸电容器充电的方案。附图利用通用开关符号示出所有开关SW1-SW5。在示范性实施例中，SW1-SW3可以用PNP晶体管实现，SW4可以是NPN晶体管并且SW5可以是MOSFET。方案的运作通过提及如在图8中引用的电子部件来解释。

在该方案中，跳闸电容器的充电在Vbus超过D3的击穿电压时开始。跳闸电容器C1的充电电流受到限流电阻器R4的限制并且充电时间将由时间常数R4&C1决定。在该方案中，呈指数地对电容器充电。在跳闸条件期间，跳闸电容器C1通过开关SW1&SW2而与Vbus隔离。

跳闸电容器的充电：

当用CT输入对继电器供能时，能量存储在总线电容器（Vbus）中来对继电器供应功率。

-跳闸电容器的充电在Vbus超过齐纳二极管D3的击穿电压时开始。现在，SW2的偏置电流开始流过路径Vbus→R1→R2→D1→D3→R10→接地。因此，打开SW2。

-一旦打开SW2，SW1将获得偏置电流（其是SW2的DC增益乘以SW2的偏置电流）并且它将被打开并且通过Vbus→SW1→R4→D2→C1→接地开始跳闸电容器C1的充电。使串联电阻器R4保持限制充电电流。使二极管D2在串联路径中保持以避免通过充电电路使跳闸电容器放放电。

跳闸电容器的放电：

当继电器检测到故障时，跳闸是由控制器发出的命令。

-跳闸命令将打开SW4。当打开SW4时，开关SW3将通过路径Vbus→R3→R5→SW4→接地变得偏置并且它将被打开。

-一旦打开SW3，齐纳二极管D3将通过路径Vbus→SW3→D5→D3而正向偏置。现在，SW2将未获得偏置电流并且停止传导，这进而将停止SW1的偏置。因此，关闭SW1并且跳闸电容器从Vbus断开。

-同时，SW5将通过Vbus→SW3→D4（齐纳二极管）→R9→接地变得偏置。并且跳闸电容器通过路径C1→跳闸输出→SW5→接地而放电。

用于对跳闸电容器充电的其他手段是可能的，例如在没有串联限流电阻器R4的情况下通过调整SW1&SW2的偏置。这将引起线性充电的效应。用于对跳闸电容器充电的另一个示范性手段可以SW1限流电阻器R1也通过调整SW1&SW2的偏置。这将引起线性充电至某一电压并且然后对跳闸电容器指数充电的效应。

从而，实现跳闸电容器在功率预算内的快速充电以在自供电继电器的基本模块的初始化期间检测到故障时支持跳闸操作。

尽管本文仅说明和描述本发明的某些特征，本领域内技术人员将想到许多修改和改变。利用与自供电继电器有关的特定示范性条件进行本发明中的各种说明并且这些条件可同样能适用于具有专用电源的保护继电器。此外，对于利用电流测量的过电流保护的示例也能适用于利用线路电压测量或继电器或IED可用于的其他功率参数的过电压保护。因此，理解附上的权利要求意在涵盖所有这样的修改和改变，它们落入本发明的真正精神内。

Claims (14)

1.一种保护继电器，其配置成利用在功率线中连接的至少一个电流传感器来测量所述功率线中的电流，并且分析测量的电流用于通过生成跳闸信号（560）来操作所述功率线中连接的断路器而提供电气保护，所述保护继电器包括：

第一模块（505），用于分析所述功率线中的测量电流并且用于通过由所述第一模块基于分析的测量电流生成第一跳闸信号（540）来提供电气保护；

第二模块（503），用于分析所述功率线中的测量电流并且用于通过由所述第二模块基于分析的测量电流生成第二跳闸信号（530）来提供电气保护；以及

其中，操作在所述功率线中连接的断路器的跳闸信号（560）由来自所述第一模块（505）的第一跳闸信号（540）和来自所述第二模块（503）的第二跳闸信号（530）的逻辑组合生成。

2.如权利要求1所述的保护继电器，其中所述保护继电器包括功率管理单元，所述功率管理单元配置成通过从所述电流对总线电容器（750）的受控充电来向所述第一模块和所述第二模块提供功率。

3.如权利要求2所述的保护继电器，其中所述总线电容器的受控充电包括在使用所述至少一个电流传感器测量电流期间使所述总线电容器与所述总线电容器的受控充电隔离。

4.如权利要求1所述的保护继电器，其中所述保护继电器包括功率管理单元，所述功率管理单元进行从总线电容器（750）对跳闸电容器（760）的受控充电。

5.如权利要求4所述的保护继电器，其中所述跳闸电容器的受控充电包括在所述断路器的操作期间使所述跳闸电容器与所述总线电容器隔离。

6.如权利要求4所述的保护继电器，其中在生成所述跳闸信号（560）来操作所述断路器之前完成所述跳闸电容器到足以能够操作所述断路器的能量容量的受控充电。

7.如权利要求1所述的保护继电器，其中所述第二模块用于分析所述测量电流包括基于所述测量电流的幅度和所述测量电流中的至少一个谐波频率的幅度与预先配置值的比较的分析。

8.如权利要求1所述的保护继电器，其中用于分析所述测量电流的所述第二模块用现场可编程门阵列（FPGA）模块实现。

9.如权利要求1所述的保护继电器，其中用于分析所述测量电流的所述第二模块用包括微控制器或基于微处理器的电路的可编程装置来实现。

10.如权利要求1所述的保护继电器，其中用于分析所述测量电流的所述第二模块用由模拟滤波器和模拟比较器组成的模拟电路实现。

11.如权利要求1所述的保护继电器，由所述第二模块分析所述功率线中的测量电流以用于通过生成所述第二跳闸信号来提供电气保护比由所述第一模块分析所述功率线中的测量电流以用于通过生成所述第一跳闸信号来提供电气保护更快地进行。

12.如权利要求1所述的保护继电器，其中用于分析所述功率线中的测量电流并且用于通过生成所述第二跳闸信号来提供电气保护的所述第二模块在所述保护继电器的通电期间使用。

13.如权利要求1所述的保护继电器，其中用于分析所述功率线中的测量电流并且用于通过生成所述第二跳闸信号来提供电气保护的所述第二模块仅在所述保护继电器的通电期间使用并且在所述保护继电器通电后在所述第一模块功能上完全操作后被电隔离。

14.如权利要求1所述的保护继电器，其中所述第二模块以编程方式隔离或连接以与所述第一模块一起工作来测量或分析所述功率线中的功率参数或执行配置、诊断或人机接口（HMI）功能。