背景技术
公知的电力分配系统包括多个开关装置阵列,这些开关装置阵列包括各耦合到一个或多个负载的断路器。这些断路器典型地包含基于流经断路器的感测电流来控制断路器的脱扣单元。更确切地来说,该脱扣单元在电流位于可接受条件之外的情况下促使流经断路器的电流中断。
一些公知的断路器利用识别断路器的非期望电流电平的一个或多个电流阈值(也称为“检取”阈值)进行编程。例如,如果故障导致电流超出一个或多个电流阈值持续预定时间量,则脱扣单元典型地激活关联的断路器以停止电流流经该断路器。但是,在包含多个断路器的功率分配系统中,典型的配置使用分层结构的断路器。将大断路器(即,具有高额定电流的断路器)放置得比较低电流馈线断路器更靠近功率源,并向较低电流馈线断路器馈电。每个馈线断路器可以向连接到负载或其他分配装置的多个其他断路器馈电。
故障可能出现在断路器分层结构中任何位置。当故障出现时,具有流经其中的相同故障电流的每个断路器可能由于有所不同的传感器灵敏度和/或容限而检测到不同的故障电流量。当故障出现时,较靠近故障的断路器应该操作以停止电流流经该断路器。如果在分层结构中较高的断路器脱扣,则多个电路或负载可能非必要地丢失服务。
为了适应有所不同的容限和确保多个断路器不会基于相同的故障电流而非必要地脱扣,至少一些公知的断路器的电流阈值是彼此嵌套的,以避免叠加故障电流阈值。在其他一些公知的系统中,较低层中的断路器在检测到故障电流时向较高层断路器发送协调或阻断信号。响应阻断信号将较上层断路器的操作与较低层断路器的操作协调。
在某些系统拓扑中,称为连结的断路器,其将系统同层中的分配母线与对多个母线供电的多个源连接,无法检测故障电流方向。该连结中的脱扣单元不知道电流是从左到右还是从右到左流经该连结。当发生故障时,该连结必须向所有连接的源上的上层装置发送阻断信号。这导致当另外期望这些源装置中至少一个不应被阻断时所有这些源装置都被阻断的非期望操作。
有时具体地在中压和高压系统中实现一种称为母线差分保护的保护方案,以便改进具有一个或多个中间母线的分层系统的保护和选择性能力。在采用母线差分保护方案的系统中,来自所有源和负载的电流信号必须在单个电流保护装置处是可获得的。接收到所有这些电流信号的电路保护装置能够识别差分区内是否有故障。此方案典型地需要在系统的每个断路器处设有专用传感器。这些传感器全部耦合到提供该差分保护的保护装置。专用传感器一般需要相对较高精确度和感测质量,从而导致它们相对较大。由于成本、高电流故障期间的性能问题、电流互感器饱和问题和附加传感器的尺寸,母线差分保护难以在低压系统中实现。
一些中压系统中使用的另一种保护方案称为局部差分保护。局部差分保护系统仅监视可能贡献故障电流的源电路和连结,但是不监视可以接收故障电流的负载电路。测量流经源与受保护母线之间连接的每个断路器的电流,并将其提供到单个电路保护装置。接收到该电流数据的电路保护装置将电流向量求和以确定故障位于其保护区外(即,不同的母线上)还是位于其保护区中(即,其分配母线上或下)。局部差分保护方案所需的电流传感器比完全母线差分保护方案少,因为它们不监视流经负载/馈线断路器的电流。较之完全母线差分保护,局部差分保护一般成本较低且更易于实现。不同于完全母线差分保护方案,局部差分方案无法识别故障在其保护区内的具体位置(例如,故障是位于母线上还是位于下游连接到母线的一个或多个负载)。但是,局部差分保护方案能够识别故障位于其保护区外时,包括位于母线本身上和连接的母线负载上。
具体实施方式
本文描述功率分配系统和操作功率分配系统的方法的示范性实施例。该示范性功率分配系统包括源电路保护装置和向分配母线提供功率的连结,以及将功率从分配母线输送到负载的馈线电路保护装置。这些系统包括控制器,该控制器使用增强型局部差分保护方案来保护包括分配母线和具有馈线电路保护装置的下游分支的保护区。该增强型局部差分保护方案对流经源电路保护装置和连结的电流求和以确定保护区中是否有过电流状况。当确定过电流状况位于保护区中时,该控制器基于馈线电路保护装置输出的区域选择性连锁(ZSI)信号的存在与不存在来确定过电流状况的可能位置以及要如何操作。这些示范性系统提供较之复杂的完全差分系统成本更低且物理上更小的保护系统,并且可以避免在低压系统中应用完全差分方案时产生的一些电流互感器饱和问题。
图1是示范性功率分配系统100的一部分的示意框图,示范性功率分配系统100包括经由电路保护装置106向负载104提供功率的源102。电功率源102可以包括,例如一个或多个发电机或向负载104提供电流(以及由此提供电功率)的其他装置。可以通过分配母线108将电流传输到负载104。负载104可以包括且不限于仅包括机械、电动机、照明和/或制造或发电或功率分配设施的其他电气和机械装置。功率分配系统100是额定在最高约600伏特(V)的交流电(AC)电压下操作的低压功率分配系统。在其他实施例中,功率分配系统100是额定在约600V与约38千伏(kV)之间的AC电压下操作的中压系统。作为备选,系统100额定为在任何适合的电压或电压范围下操作。
在图示的实施例中,电路保护装置106以包括第一层110和第二层112的分层结构设置,以便对功率分配系统100提供不同的保护和监视级别。例如,第一电路保护装置114(有时称为源电路保护装置)设在第一层110中以从第一电功率源116接收电流并将电流提供到第一母线118。第二电路保护装置120(有时称为馈线电路保护装置)设在第一电流保护装置114下游的第二层112且被连接以从第一母线118接收电流。第二电路保护装置118向第一负载122提供电流。正如本文使用的,术语“下游”是指从电功率源102向负载104的方向。术语“上游”是指与下游方向相反的方向,例如,从负载104向电功率源102的方向。虽然图1图示按二层110和112设置的电路保护装置106,但是应该认识到,可以按任何适合数量的层来设置任何适合数量的电路保护装置106,以使功率分配系统100能够按本文描述的实现功能。例如,应该认识到在一些实施例中,可以将一个或多个附加层和/或电路保护装置106布置在功率源102和第一层110之间。作为附加或备选,在一些实施例中,可以将一个或多个附加层和/或电路保护装置106布置在负载104与第二层112之间。
示例系统100包括通过称为连结的两个电路保护装置106耦合在一起的三个分配母线108。第一分配母线118通过第一连结126(也称为第一连结电路保护装置)连接到第二分配母线124。第二连结128(也称为第二连结电路保护装置)将第一分配母线118连接到第三分配母线130。虽然图1示出三个母线,但是供电系统100可以包括任何适合数量的母线,包括多于三个或少于三个的母线。第一层126和第二层128在本文有时称为连接在源102(经由分配母线124或130)与第一分配母线118之间的源电路保护装置。
在该示范实施例中,电路保护装置106是断路器。作为备选,电路保护装置106可以是使得功率分配系统100能够如本文描述的实现功能的任何其他装置。在示范性实施例中,第二层112中的每个电路保护装置106包括集成的脱扣单元。对于第二电路保护装置120,示出示例集成的脱扣单元的细节,并且为了简明,其他电路保护装置106中省略了这些集成的脱扣单元的细节。第二电路保护装置120包括可操作地耦合到传感器134和脱扣机构136的脱扣单元132。在一个示范实施例中,脱扣单元132是电子脱扣单元(ETU),其包括耦合到存储器140的处理器138、输入装置142和显示装置144。脱扣单元132可以包括或可以视为计算装置。在其他一些实施例中,脱扣单元132可以是任何其他适合类型的脱扣单元。在一些实施例中,电路保护装置106的其中一个或多个包含不同类型的脱扣单元132和/或是与电路保护装置106的至少其中一个彼此不同的类型的电路保护装置。
在一个示范性实施例中,传感器134是电流传感器(如电流互感器)、罗氏线圈、霍尔效益传感器、光纤电流传感器和/或测量流经脱扣机构136和/或电路保护装置106的电流的分流器。作为备选,传感器134可以包括使得功率分配系统100能够如本文描述的实现功能的任何其他传感器。而且,传感器134可以集成在电路保护装置106中或可以与关联的电路保护装置106分开可以对系统100的不同部分使用不同的传感器134。例如,第一层110中的传感器134可以不同于第二层112中的传感器134。每个传感器134生成表示所测得或检测到流经关联的脱扣机构136和/或电路保护装置106的电流(下文称为“电流信号”)的信号。此外,每个传感器134将电流信号传送到与脱扣机构136关联或与之耦合的处理器138。每个处理器138编程为在电流信号和/或电流信号表示的电流超过电流阈值的情况下激活脱扣机构136以中断提供到负载104或功率分配线路或总线108的电流。在传感器134检测到的电流量超过为关联的脱扣机构136定义的阻断阈值(未示出)时每个脱扣单元132生成阻断信号146。阻断信号146可以用作区域选择性连锁方案的一部分来向上游保护装置106告知发出阻断信号146的保护装置检测到故障。
在该示例实施例中,脱扣机构136是断路器。向脱扣机构136提供电信号以使断路器脱扣并中断电流流经脱扣机构136。在其他一些实施例中,脱扣机构136包括例如一个或多个其他断路器装置和/或电弧抑制装置。示范性断路器装置包括,例如电路开关、触点臂和/或中断流经断路器装置到耦合到该断路器装置的负载104的电路中断器。示范性电弧抑制装置包括,例如,抑制组装件、多个电极、等离子枪和使得等离子枪将烧蚀等离子体发射到电极之间的间隙中以便将能量从电弧或电路上检测到的其他电故障转移到抑制组装件中的触发器电路。
每个处理器138控制电路保护装置106的操作,并从与耦合到处理器138的脱扣机构136关联的传感器134收集测得的操作条件数据,如表示电流测量(本文也称为“电流数据”)的数据。处理器138将电流数据存储在耦合到处理器138的存储器140中。应该理解,术语“处理器”一般是指任何可编程系统,包括系统和微控制器、精简指令集电路(RISC)、专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑电路和能够执行本文描述的功能的任何其他电路或处理器。上文示例仅是示范性的,并且因此无意以任何方式限制术语“处理器”的定义和/或含义。
存储器140存储可由处理器138执行以便控制电路保护装置106的程序代码和指令。存储器140可以包括但不限于仅包括,非易失性RAM(NVRAM)、磁体RAM(MRAM)、铁电体RAM(FeRAM)、只读存储器(ROM)、闪存存储器和/或电可擦写可编程只读存储器(EEPROM)。任何其他适合的磁、光和/或半导体存储器本身或其与其他形式的存储器的组合均可以包含在存储器140中。存储器140还可以是或包括可拆或移动存储器,包括但不限于,适合的磁带盒、磁盘、CDROM、DVD或USB存储器。
输入装置142从例如用户、另一个脱扣单元132、远程计算装置等接收输入。输入装置142可以包括例如,键盘、读卡器(例如,智能卡读卡器)、指向装置、鼠标、触控笔、触敏屏(例如,触摸板或触摸屏)、陀螺仪、加速仪、位置检测器、小键盘、通信端口、一个或多个按钮和/或音频输入接口。如触摸屏的单个组件可以兼用作显示装置144和输入装置142。在一些实施例中,输入装置142可以包括通信接口,用于从远程计算装置(包括从另一个脱扣单元132)接收输入。虽然示出的是单个输入装置,但是脱扣单元110可以包含多于一个输入装置142或没有输入装置142。
显示装置144可视地呈示有关电路保护装置106和/或脱扣机构136的信息。显示装置144可以包括真空荧光显示器(VFD)、一个或多个发光二极管(LED)、液晶显示器(LCD)、阴极射线管(CRT)和/或能够以可视方式向用户传达信息的任何适合的可视输出装置。例如,处理器138可以激活显示装置144的一个或多个组件以指示电路保护装置106和/或脱扣机构136处于活动状态和/或正常操作中、正在接收阻断信号、正在传送阻断信号、发生故障或失效和/或脱扣机构136和/或电路保护装置106的任何其他状态。在一些实施例中,显示装置144向用户呈示图形用户接口(GUI)以用于用户与电路保护装置106之间的交互。该GUI允许用户例如控制电路保护装置106、监视电路保护装置106的操作/状态、测试电路保护装置106的操作和/或修改电路保护装置106的操作参数。
系统100包括用于监管保护区150的控制器148。更具体地来说,控制器148使用增强型局部差分保护方案来控制第一电路保护装置114、第一连结126和第二连结128的操作。控制器148包括处理器138、存储器140、输入装置142和显示装置144。在示范实施例中,控制器148是保护继电器。在一些实施例中,控制器148是远程计算装置。在其他一些实施例中,控制器148是适于按本文描述的执行的任何模拟和/或数字控制器。控制器148可以直接连接到保护区中的一个或多个组件和/或可以经由包括因特网的网络耦合到一个或多个组件。通信耦合可以是使用适合有线和/或无线通信协议的有线连接或无线连接。
控制器148根据增强型局部差分保护方案来控制第一电路保护装置114、第一连结126和第二连结128的操作。根据增强型局部差分保护方案,控制器148基于局部差分保护方案,确定其保护区150中是否正在发生过电流状况。正如下文更详细解释的,控制器148监视流经第一电路保护装置114、第一连结126和第二连结128的电流。控制器148将监视的电流(确切地来说为电流向量)求和以确定故障是位于保护区150内还是保护区150外。作为增强型局部差分保护方案的一部分,如果确定过电流状况是在保护区150中,则控制器148基于保护区150内的电路保护装置106(有时也称为馈线电路保护装置)输出的ZSI阻断信号的存在或不存在来确定过电流状况的可能位置以及要如何操作。
确切地来说,控制器148通过如存储在存储器140中的编程配置成,基于流经第一电路保护装置114、第一连结126、第二连结128的电流以及阻断信号146的存在或不存在来保护区域150。更具体地来说,将来自与第一电路保护装置114、第一连结126和第二连结128关联的传感器134的电流信号152耦合到控制器148。控制器148将电流信号152表示的电流(以及更具体地来说为电流向量)求和以根据局部差分保护方案确定其保护区150中还是其保护区150外有过电流状况(表示潜在故障)。如果潜在故障位于保护区150外,则电流求和将为约0。如果潜在故障位于保护区150内,则电流的和将是大于0的大数值。相应地,将求和的电流与阈值比较。如果求和的电流超过阈值,则确定过电流状况位于保护区中。该阈值选为足够大,系统100的正常(即,非故障)操作将不会产生大于阈值的和。
作为增强型局部差分保护方案的一部分,当控制器148确定求和的电流指示保护区150中的过电流状况(指示潜在故障)时,控制器148基于是否存在来自耦合到第一母线118的电路保护装置106中任一个的阻断信号146来确定潜在故障是位于第一母线118(例如,第一位置154处)还是位于第一母线118下方(例如,第二位置156处)。如果控制器148在其接收到指示保护区150中潜在故障的电流信号152的大致同时,从保护区150中的电路保护装置106的其中之一接收到阻断信号,控制器148确定故障在第一母线118下方。控制器148指令第一电路保护装置114、第一连结126和/或第二连结128不脱扣和/或以较低/受限操作模式操作。控制器148可以通过向第一电路保护装置114、第一连结126和第二连结128提供阻断信号来提供该指令。在其他一些实施例中,控制器148直接地控制第一电路保护装置114、第一连结126和第二连结128,并通过不向第一电路保护装置114、第一连结126或第二连结128发送脱扣信号来指令它们不脱扣和/或以受限操作模式操作。如果控制器148在检测到指示保护区150中的潜在故障的大致同时未检测到来自保护区150中的任何电路保护装置106的阻断信号,则控制器148指令第一电路保护装置114、第一连结126和第二连结128脱扣和/或以未受限或加速操作模式操作。相应地,控制器148能够提供与完全母线差分保护方案相似的保护,而无需从第一母线118接收每个馈线分支的单独电流信号。
图2是脱扣电流曲线(TCC)曲线图200,其图示功率分配系统,如系统100(如图1所示)中ZSI阻断信号146和控制器148发出的信号的要求定时。曲线202是第二电路保护装置120的示例曲线。曲线204是第二电路保护装置120的示例阻断信号。曲线206是控制器148的瞬时局部差分算法检取曲线。控制器148的故障感测提交曲线是曲线208。曲线210是内部逻辑阻断窗口之后的提交(commit),以及第二电路保护装置120的清除曲线是曲线212。曲线214是输出接触曲线。曲线216和218分别是主曲线和从曲线。
为使系统100如本文描述地实现功能,需要下游电路保护装置的感测和逻辑足够快速且足够灵敏以在控制器148提交脱扣上游第一电路保护装置114和/或连结126和128之一之前提供阻断信号。因此,当实现如本文描述的功率分配系统时,特定的电路保护装置106和控制器148选为使得阻断信号曲线204在提交阻断窗口曲线210的左下方,如图2所示。
图3是操作功率分配系统,如功率分配系统100(如图1所示)的示范性方法300的流程图。该功率分配系统包括耦合在至少一个源与保护区之间的多个源保护装置。该功率分配系统包括保护区,该保护区具有分配母线和耦合在分配母线与多个负载之间的多个馈线电路保护装置。在示范性实施例中,方法200由一个或多个脱扣单元132的监视系统168来执行。更具体地来说,方法300可以由控制器148的处理器138来执行。在示范性实施例中,将多个计算机可执行指令存储在计算机可读介质中,如存储器中。当这些指令被处理器138执行时,促使处理器138执行方法300的步骤和/或按本文描述的实现功能。
方法300包括确定302流经每个源电路保护装置的电流和确定304是否有馈线电路保护装置正在输出区域选择性连锁(ZSI)阻断信号。根据增强型局部差分保护方案来控制306多个源电路保护装置的操作。该增强型局部差分保护方案基于所确定的流经电路保护装置的电流和确定是否有馈线电路保护装置正在输出ZSI阻断信号的组合。
本文描述的方法和系统的技术效果可以包括如下的其中一个或多个:(a)确定流经每个源电路保护装置的电流,以及;(b)确定是否有馈线电路保护装置正在输出ZSI阻断信号;以及(c)根据增强型局部差分保护方案来控制多个源电路保护装置的操作。
上文详细地描述了功率分配系统和操作功率分配系统的方法和/或电路保护装置的示范性实施例。这些系统和方法不限于本文描述的特定实施例,相反,可以彼此独立地且分开地利用本文描述的系统的组件和/或方法的操作。再者,可以在其他系统、方法和/或装置中定义或与之组合来使用所描述的组件和/或操作,所描述的组件和/或操作不限于仅与本文描述的供电系统结合来实施。
除非另行指出,否则本文图示和描述的实施例中的操作的运行或执行的次序并非必需如此的。即,除非另行指定,否则这些操作可以按任何次序来执行,并且本发明的实施例可以包括比本文公开的操作更多或更少的操作。例如,可设想将特定操作在另一个操作之前、与之同时或之后执行落在本发明的多个方面的范围内。
虽然一些附图可能示出而另一些未示出本发明的多种实施例的特定特征,但是这仅是出于方便。根据本发明的原理,附图的任何特征可以与任何其他附图的任何特征组合来引用和/或要求权利。
本文编写的描述使用示例来公开本发明,包括最佳实施例方式,并且还使本领域技术人员能够实施本发明,包括制造和使用任何装置或系统并执行任何并入的方法。本发明的可专利范围由权利要求定义,并且可以包括本领域技术人员设想的其他示例。如果此类其他示例具有并无不同于权利要求的文字语言的结构元素或此类其他示例包含与权利要求的文字语言无实质性差异的等效结构元素,则此类其他示例应在权利要求的范围内。
部件列表
100系统
102源
104负载
106电路保护装置
108分配母线
110第一层
112第二层
114第一电路保护装置
116第一功率源
118第一母线118
120第二电路保护装置
122第一负载
124第二分配母线
126第一连结
128第二连结
130第三分配母线
132脱扣单元
134传感器
136脱扣机构
138处理器
140存储器
142输入装置
144显示装置
146阻断信号
148控制器
150保护区
152电流信号
154第一位置
156第二位置
200脱扣电流曲线图
202曲线
204阻断信号曲线
206瞬时局部差分算法检取曲线
208故障感测提交曲线
210提交阻断窗口曲线
212清除曲线
214输出接触曲线
216主曲线
218从曲线
300方法
302确定
304确定
306控制。