CN106033881B - 保护装置 - Google Patents

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Abstract

在多端子电力网保护领域中，保护装置包括测量装置，还包括控制单元，被编程为处理所测量到的端子电流以得到第一总和值和第二总和值，并且将所述第一总和值的相位与所述第二总和值的相位进行比较以确定所述多端子网络中的故障在所述多端子网络内部还是外部并且其后当确定为内部故障时产生内部故障输出信号。

Description

保护装置
技术领域
本发明涉及一种保护装置，用于保护包括多个电互连端子的多端子电力网。
背景技术
在发生故障时，激活网络保护设备(诸如电路断路器和继电器)以保护电力网。
可靠地激活(即触发)这种保护设备是非常必要的，因为在发生这种故障时激活失败可能具有非常有害的结果，诸如人身伤害、电力系统停电以及对附近的电网设备带来相当大的损坏。
类似地，这种设备的不正确激活会引起网络内电力供应的不必要中断，可能给网络运营商带来财务损失。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供一种保护装置，用于保护多端子电力网，包括：
测量装置，用以测量包括多个电互连端子的多端子网络中每个端子处流动的相应端子电流；以及
控制单元，被编程为处理所测量到的端子电流以得到第一总和值和第二总和值，所述第一总和值是给定时刻处在相对于相应端子的第一方向上流动的所述或每个端子电流的总和，所述第二总和值是相同给定时刻处在与相对于所述相应端子的所述第一方向相反的第二方向上流动的所述或每个端子电流的总和，并且
所述控制单元还被编程为将所述第一总和值的相位与所述第二总和值的相位进行比较以确定所述多端子网络中的故障在所述多端子网络内部还是外部并且其后当确定为内部故障时产生内部故障输出信号。
内部故障输出信号的产生允许触发网络保护设备(诸如电路断路器或继电器)，以在网络内出现故障(即内部故障)的情况下保护电网。
包括能够得到第一总和值和第二总和值的控制单元意味着本发明的保护装置能够保护具有任何数量端子的电力网，即，根据本发明的保护装置可以处理的端子没有上限。
另外，基于在相对于每个端子的第一方向上流动的电流的第一总和值和在相对于每个端子的第二、相反方向上流动的电流的第二总和值，即凭借电流的相对方向，提供了表示是否已经出现内部或外部故障的值，但是该值独立于电流的幅值。独立于电流幅值的指示值为本发明的保护装置提供了对端子电流测量误差(例如，诸如当测量装置的一个或多个元件饱和时，可能出现的误差)一定程度的免疫力。
因此，测量装置仅仅需要确定电流的正确相对方向，而不是电流幅值的精确测量值，以便本发明的控制单元能够进行是否已经发生内部或外部故障的所需确定。因此，本发明的测量装置和控制单元，以及因此保护装置对测量装置内的一个或多个测量元件(诸如电流变压器)的饱和展示了高度的免疫力。
因此，本发明的保护装置无需检查和建立测量装置的状态，例如，保护装置的一个或多个元件是否已经饱和，导致错误的电流测量出现。
由上可知，本发明的保护装置比例如要求精确测量端子电流幅值的传统保护装置操作更可靠。
实质上，测量装置仅仅需要精确地建立电流的相对方向还意味着测量装置的性能要求可以低于传统保护装置的性能要求，并且因此测量装置(并且尤其其单个元件)可以更小且更便宜。
另外，通过相对简单的计算方式，可以进行第一总和值和第二总和值的相应相位与另一个的后续比较，并且这可以在诸如可编程微控制器等相对简单和便宜的集成电子设备中实现。
在本发明的优选实施例中，所述控制单元被编程为将所述第一总和值的相位与所述第二总和值的相位进行比较包括所述控制单元考虑相位之间的差值是否为180°或90°中的一个。
控制单元的这种考虑是有利的，因为180°的相位差表示已经发生外部故障并且90°的相位差表示已经发生内部故障。
可选地，考虑所述相位之间的所述差值是否为180°或90°中的一个包括所述控制单元被编程为实施下述之一：
(a)相关算法；
(b)基于傅里叶算法；以及
(c)幅值比较算法。
使控制单元如此编程允许在诸如可编程微控制器的集成电子设备中以直截了当地实施方式来进行第一总和值和第二总和值的相应相位的直接评估。
优选地，所述控制单元被编程为实施幅值比较算法包括所述控制单元将所述第一总和值和第二总和值的总和与所述第一总和值和第二总和值之间的差值进行比较。
这种比较有利地表示了在第一总和值和第二总和值的相位之间存在180°还是90°的相位差，并且最终表示已经出现内部还是外部故障。
所述控制单元被编程为实施幅值比较算法可以包括所述控制单元将所述第一总和值和第二总和值的总和的范数与所述第一总和值和第二总和值之间差值的范数进行比较。
因为在例如布置本发明的保护装置来保护的电力网的基频处的操作周期上平均化范数值，所以范数值较不易受单个第一总和值和第二总和值中扰动的影响，并且因此有利于进一步改善本发明的保护装置的可靠性。
在本发明的又一优选实施例中，所述控制单元被编程为实施幅值比较算法包括基于所述第一总和值和第二总和值的总和以及所述第一总和值和第二总和值之间的差值来使所述控制单元被编程为建立区别比并且将所述区别比与阈值进行比较。
可以在例如集成电子设备内容易地实施建立区别比、以及所述比与阈值的后续比较，同时继续可靠地将内部和外部故障区别开。
在考虑相位之间的差值是否为180°或90°中的一个之前，所述控制单元可以被编程为归一化所述第一总和值和第二总和值中的每个。
第一总和值和第二总和值的这种归一化可以有利于改善本发明的保护装置对故障检测的敏感性，例如在测量装置的一个或多个元件已经饱和的情况下。
优选地，所述测量装置包括一个或多个滤波器以去除所测量到的端子电流中的失真。
这种滤波器或多个滤波器有效地去除例如当测量装置的一个或多个元件已经饱和时可能出现的失真。
可选地，所述保护装置还包括故障严重性确定单元以确定故障的严重性。
包括这种故障严重性确定单元允许当触发网络保护设备时有更大的控制度。例如，如果故障严重性确定单元确定故障是轻微的(可能因为测量装置内的元件无饱和发生)，那么可以禁止本发明的控制单元触发网络保护设备(不管本发明的控制单元是否已经确定已经发生内部故障)，使得仅仅在一些其他例如二次保护装置确定需要触发时才启动网络保护设备的触发。
这种功能是有利的，因为其可以被用于阻止当故障仅仅是轻微的时在本发明的保护装置激活下操作网络保护设备，以及在这种轻微的故障条件下由例如更敏感的二次保护装置控制来激活网络保护设备。
所述保护装置还可以包括二次保护装置输入端以接收来自二次保护装置的跳闸信号，并且所述保护装置可以被配置为依赖于所述二次保护装置输入端接收到跳闸信号，将主跳闸信号发送至网络保护设备。
例如，在严重的故障条件下，这种布置通过将网络保护设备的触发(即，以便保护电网)限制为当本发明的保护装置确定已经发生内部故障并且一些二次保护装置(例如差动保护装置)额外地考虑这种保护是必需的情况，来降低由整体保护方案提供的保护的敏感性。
附图说明
现在将参照以下附图，通过非限制示例来简单描述本发明的优选实施例，附图中：
图1示出根据本发明第一实施例的保护装置的示意图；
图2示出布置图1所示的保护装置来保护的多端子网络的示意图；
图3(a)示出在外部故障的情况下单个测量到的端子电流；
图3(b)示出在外部故障的情况下相应的第一总和值波形和第二总和值波形；
图4(a)示出在内部故障的情况下单个测量到的端子电流；以及
图4(b)示在内部故障的情况下相应的第一总和值波形和第二总和值波形。
具体实施方式
概括性地由附图标记10来指代根据本发明的第一实施例的保护装置，并且在图1中以示意形式示出。
所示的保护装置10保护多端子电力网12，其包括多个电互连端子，并且尤其包括彼此电互连的本地端子L和五个远程端子R1、R2、R3、R4、R5，如图2所示。
然而，保护装置的其他实施例可以保护具有任意数量电互连端子的多端子电力网。
保护装置10包括测量装置14，在所示的实施例中，所述测量装置14包括六个电流变压器16，其每个可操作地与相应端子L、R1、R2、R3、R4、R5相关联以测量在每个端子L、R1、R2、R3、R4、R5处流动的相应端子电流IL、IR1、IR2、IR3、IR4、IR5。
在本发明的上下文中，如果端子电流IL、IR1、IR2、IR3、IR4、IR5在特定时刻处在相对于相应端子L、R1、R2、R3、R4、R5的第一方向D1上流动，那么认为所述端子电流是正的，并且如果端子电流IL、IR1、IR2、IR3、IR4、IR5在相同特定时刻处在相对于相应端子L、R1、R2、R3、R4、R5、与第一方向相反的第二方向D2上流动，那么认为所述端子电流是负的。
在所示实施例中，相对于每个端子L、R1、R2、R3、R4、R5的第一方向D1为朝向每个其他端子L、R1、R2、R3、R4、R5，并且相对于每个端子L、R1、R2、R3、R4、R5的第二方向D2为远离每个其他L、R1、R2、R3、R4、R5。然而，在本发明的其他实施例中，可以反转第一方向D1和第二方向D2的相对定向。
在本发明的其他实施例中，测量装置可以包括不同于所示实施例电流变压器的电流测量装置。
返回所示实施例，测量装置14额外地包括平均低通滤波器(average low passfilter)18，每个测量到的端子电流IL、IR1、IR2、IR3、IR4、IR5穿过所述平均低通滤波器18以从这些测量值中去除当相应电流变压器16饱和时可能出现的任何失真，即，由给定电流变压器16测量到的电流将变压器内的磁通被驱动至变压器响应特性的非线性区域，使得可能随后出现测量误差。
低通滤波器18可以应用的示例滤波效应是：
其中，
x(n)是输入信号，即相应测量到的端子电流IL、IR1、IR2、IR3、IR4、IR5；
y(n)是输出信号，即滤波后的端子电流测量值；以及
NsmpDiff是正被保护的电力网12的每基频周期的样本的数量。
然而，还可以应用其他滤波效果。
保护装置10还包括被布置为与每个电流变压器16通信的控制单元20。在所示实施例中，控制单元20是以可编程微控制器形式的单个集中式电子设备，尽管也可以为其他类型的控制单元。
在本发明的其他实施例中(未示出)，控制单元可以由多个单独的控制单元部构成，每个控制单元部由布置在一个或多个端子L、R1、R2、R3、R4、R5处或邻近上述端子的单独的电子设备来限定。
在任何情况下，控制单元20被编程为处理从每个电流变压器16接收到的测量到的端子电流IL、IR1、IR2、IR3、IR4、IR5以得到第一总和值IPOS(n)和第二总和值INEG(n)。
尤其，控制单元20包括电流合并单元22，其得到第一总和值IPOS(n)，第一总和值IPOS(n)为在给定时刻n处在相对于相应端子L、R1、R2、R3、R4、R5的第一方向D1上流动的所述或每个端子电流IL、IR1、IR2、IR3、IR4、IR5的总和(即，在给定时刻n处在各个端子L、R1、R2、R3、R4、R5处所述或每个正端子电流IL、IR1、IR2、IR3、IR4、IR5的总和)的，由下式给出：
其中，
k为端子L、R1、R2、R3、R4、R5的数量；以及
Pos为端子L、R1、R2、R3、R4、R5的集合，其每个端子具有在该端子处流动的正端子电流，即，在相对于该端子的第一方向D1上流动的端子电流。
电流合并单元22还得到第二总和值INEG(n)，其为在相同给定时刻n处在相对于相应端子L、R1、R2、R3、R4、R5的第二方向D2上流动的所述或每个端子电流IL、IR1、IR2、IR3、IR4、IR5的总和，即，在相同给定时刻n处在各个端子L、R1、R2、R3、R4、R5处的所述或每个负端子电流IL、IR1、IR2、IR3、IR4、IR5的总和，由下式给出：
其中，
k为端子L、R1、R2、R3、R4、R5的数量；以及
Neg为端子L、R1、R2、R3、R4、R5的集合，其每个端子具有在该端子处流动的负端子电流，即，在相对于该端子的第二方向D2上流动的端子电流。
所述控制单元20还被编程为将所述第一总和值IPOS(n)的相位与所述第二总和值INEG(n)的相位进行比较，以确定所述多端子网络12中的故障在所述多端子网络12内部还是外部，并且其后当确定为内部故障时产生内部故障输出信号24。
控制单元20包括实施上述相位比较的相位比较单元26。
尤其，相位比较单元26考虑相位之间的差值是180°还是90°。
相位比较单元26通过考虑相位之间的差值大于还是小于临界角度(其可以为135°但还可以为更大或更小的角度)来进行上述操作。
例如，如果相位差值大于135°，那么相位比较单元26确定相位之间的差值是180°，其表示外部故障，并且如果相位差值小于135°，那么相位比较单元确定相位之间的差值是90°，其表示内部故障。
尤其，在所示实施例中，相位比较单元26通过实施幅值比较算法来实现如上所述，尽管还可以通过实施诸如相关算法(correlation algorithm)或基于傅里叶算法的一些其他形式的算法来实现。
相位比较单元26通过比较第一总和值IPOS(n)与第二总和值INEG(n)的总和的范数，例如由下式给出的总和的均方根，
||IPos(n)+INeg(n)||
与第一总和值IPOS(n)和第二总和值INEG(n)之间差值的范数，例如，由下式给出的差值的均方根，来实施所述幅值比较算法：
||IPos(n)-INeg(n)||
在本发明的其他实施例中，替代地，相位比较单元26可以通过将第一总和值IPOS(n)和第二总和值INEG(n)总和的绝对平均或其他级范数与第一总和值IPOS(n)和第二总和值INEG(n)差值的绝对平均或其他级范数进行比较来实施幅值比较算法。
在上述实施例中，相位比较单元26建立区别比(discriminative ratio)RINT，区别比RINT是基于第一总和值IPOS(n)和第二总和值INEG(n)总和与第一总和值IPOS(n)和第二总和值INEG(n)差值，并且然后将所述区别比RINT与阈值RTHR进行比较。
在所示实施例中，相位比较单元26建立如下形式的区别比RINT：
并且将上述值与0.6的阈值RTHR进行比较。
如果区别比RINT大于或等于阈值RTHR，那么控制单元20产生表示已经发生内部故障的内部故障输出信号24。
在本发明的其他实施例中，可以在0.4至0.9的范围内来选择阈值RTHR。
在相位比较单元26实施上述幅值比较算法之前，优选地归一化第一总和值IPOS(n)和第二总和值INEG(n)中的每个以增大保护装置10处理故障的敏感性。
一种示例方式，其中通过应用下式可以来归一化所述第一总和值IPOS(n)和第二总和值INEG(n)：
y(n)＝x(n)/||x(n)||
其中，
x(n)是输入信号，即相应的第一总和值IPOS(n)和第二总和值INEG(n)；
y(n)是输出信号，即归一化的第一总和值或第二总和值；以及||x(n)||是由下式给出的均方根算子RMS[x(n)]
或者由下式给出的绝对平均算子AM[x(n)]
并且其中，
NsmpDiff是正被保护的电力网12的每基频周期的样本的数量。
除了上述，保护装置10还包括故障严重性确定单元28以确定故障的严重性。
故障严重性确定单元28通过将偏置电流Ibias与电流阈值Ibias-threshold进行比较来实施所述确定，并且当偏置电流Ibias保持低于电流阈值Ibias-threshold时，以输出信号为1的方式表示故障是轻微的，即当测量装置14内的电流变压器16没有发生饱和的情况。
相反地，当偏置电流Ibias超过Ibias-threshold时，故障严重性确定单元28通过输出信号为0的方式来表示故障是严重的。
就这一点而言，偏置电流Ibias由下式给出：
其中，
M是端子的数量；
iTk是第k个端子处电流的样本；以及
"||||"是均方根算子或绝对平均算子。
图2所示的保护装置还包括二次保护装置输入端30(诸如差动保护装置)(未示出)，其被布置为接收来自二次保护装置的跳闸信号32。
另外，保护装置10被配置为依赖于二次保护装置输入端30接收到跳闸信号32，将主跳闸信号34发送至网络保护设备，然后因此引起网络保护设备的激活。
在使用中，上述保护装置10操作如下。
在存在外部故障的情况下，例如电网延伸到第四远程端子R4之外，在第四远程端子R4处的端子电流IR4在相反方向上流动，即在与其余端子L、R1、R2、R3、R5处的端子电流IL、IR1、IR2、IR3、IR5的相反方向上，如图3(a)所示。
换言之，在给定的时刻，当第四远程端子R4处的端子电流IR4在相对于第四远程端子R4的第一方向D1上流动时，每个其余端子电流IL、IR1、IR2、IR3、IR5将在相对于相应其余端子L、R1、R2、R3、R5的第二方向D2上流动。
控制单元20，并且尤其是其电流合并单元22，得到(即，计算)图3(b)所示的相应时变波形的第一总和值IPOS(n)和第二总和值INEG(n)。
从图3(b)中可以看出，第一总和值波形IPOS(n)和第二总和值波形INEG(n)的相位彼此相反，即所述相位之间的相位差值是180°。
结果是，由下式得到的区别比RINT
位于0.6的阈值RTHR之下，并且因此控制单元20不产生内部故障输出信号24。
尽管上述，在故障严重性确定单元28继续表示故障是轻微的示例中，也就是说，一个或多个各种电流变压器16没有发生饱和的可能性，即在接收(经由二次保护装置输入端30)来自诸如差动保护装置的二次保护装置的跳闸信号32的情况下，通过产生1的输出信号，保护装置10仍能够将主跳闸信号34发送至网络保护设备(例如电路断路器或继电器)。这种差动保护装置比本发明的保护装置对故障更敏感，但是通常仅仅当提供端子电流测量值的电流变压器16没有饱和时才能够提供可靠的故障指示，即只有此时才是精确的。
在邻近例如本地端子L的内部故障的情况下，所有的端子电流IL、IR1、IR2、IR3、IR4、IR5继续在相同的方向上流动，即，继续具有相同的指向，如图4(a)所示。
换言之，在给定时刻，所有的端子电流IL、IR1、IR2、IR3、IR4、IR5将在相对于每个相应端子L、R1、R2、R3、R4、R5的相同第一方向D1或第二方向D2上流动。
控制单元20，并且尤其是其电流合并单元22，再次得到(即，计算)图4(b)所示的相应时变波形的第一总和值IPOS(n)和第二总和值INEG(n)。
从图4(b)可以看出，第一总和值波形IPOS(n)和第二总和值波形INEG(n)的相位相对于彼此移动90°，即所述相位之间的相位差值是90°。
结果是，由下式得到的区别比RINT
大于0.6的阈值RTHR，并且因此控制单元20产生内部故障输出信号24并且因此表示已经发生内部故障。
其后，如果故障严重性确定单元28表示故障是严重的(即有可能发生一个或多个各种电流变压器16的饱和)，即也是在接收来自二次保护装置的跳闸信号32(经由其二次保护装置输入端30)，确认这种保护动作是必需的的情况下，通过产生0的输出信号，保护装置10能够将主跳闸信号34发送至网络保护设备。

Claims (10)

1.一种保护装置，用于保护多端子电力网，包括：
测量装置，用以测量包括多个电互连端子的多端子网络中每个端子处流动的相应端子电流；以及
控制单元，被编程为处理所测量到的端子电流以得到第一总和值和第二总和值，所述第一总和值是给定时刻处在相对于相应端子的第一方向上流动的每个端子电流的总和，所述第二总和值是相同给定时刻处在与相对于所述相应端子的与所述第一方向相反的第二方向上流动的每个端子电流的总和，其中所述第一总和值和所述第二总和值分别是随时间变化的波形；并且
所述控制单元还被编程为实施下述之一：
(a)相关算法；
(b)基于傅里叶算法；以及
(c)幅值比较算法，以确定所述多端子网络中的故障在所述多端子网络内部还是外部并且其后当确定为内部故障时产生内部故障输出信号。
2.根据权利要求1所述的保护装置，其中使所述控制单元被编程为确定所述多端子网络中的故障在所述多端子网络内部还是外部包括所述控制单元考虑所述第一总和值与所述第二总和值的相位之间的差值是否为180°或90°中的一个。
3.根据权利要求2所述的保护装置，其中考虑相位之间的差值是否为180°或90°中的一个包括：所述控制单元被编程为实施下述之一：
(a)相关算法；
(b)基于傅里叶算法；以及
(c)幅值比较算法。
4.根据权利要求3所述的保护装置，其中所述控制单元被编程为实施幅值比较算法包括：所述控制单元将所述第一总和值和第二总和值的总和与所述第一总和值和第二总和值之间的差值进行比较。
5.根据权利要求3所述的保护装置，其中所述控制单元被编程为实施幅值比较算法包括：所述控制单元将所述第一总和值和第二总和值的总和的范数与所述第一总和值和第二总和值之间差值的范数进行比较。
6.根据权利要求3至5中任意一项所述的保护装置，其中所述控制单元被编程为实施幅值比较算法包括：基于所述第一总和值和第二总和值的总和以及所述第一总和值和第二总和值之间的差值，所述控制单元被编程为建立区别比并且将所述区别比与阈值进行比较。
7.根据权利要求3至5中任意一项所述的保护装置，其中在考虑相位之间的差值是否为180°或90°中的一个之前，所述控制单元被编程为归一化所述第一总和值和第二总和值中的每个。
8.根据权利要求1所述的保护装置，其中所述测量装置包括一个或多个滤波器以去除所测量到的端子电流中的失真。
9.根据权利要求1所述的保护装置，还包括故障严重性确定单元以确定故障的严重性。
10.根据权利要求1所述的保护装置，还包括二次保护装置输入端，以接收来自二次保护装置的跳闸信号，并且所述保护装置被配置为依赖于所述二次保护装置输入端接收到跳闸信号，将主跳闸信号发送至网络保护设备。
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