CN106165230A - 差分保护方法和差分保护装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于产生故障信号的差分保护方法，所述故障信号指示在能量供给网络的电气部件(11)的区域中发生的故障，其中，在所述部件的至少两个不同的测量位置(12a,12b)处分别测量电流测量值，并且利用电流测量值形成差分电流值和稳定值，并且当在触发范围测试的范围内确定由差分电流值中的一个和相应地相关联的稳定值形成的测量值对处于预先给定的触发范围内时，产生故障信号。为了设计这样的差分保护方法，使得在复杂度相对低的情况下，能够保证仅在电气部件的区域中实际存在故障时可靠地产生故障信号，提出了，将处于预先给定的观察时间段内的稳定电流值与相应地相关联的差分电流值进行比较，并且根据比较形成故障指示，所述故障指示给出差分电流值部分还是稳定电流值部分占优势；并且当故障指示给出稳定电流值部分占优势时，阻止故障信号的产生。本发明还涉及对应的差分保护装置。

Description

差分保护方法和差分保护装置

技术领域

本发明涉及一种用于产生故障信号的差分保护方法，所述故障信号指示在能量供给网络的电气部件的区域中发生的故障，其中，在所述部件的至少两个不同的测量位置处分别测量电流测量值，并且利用电流测量值形成差分电流值和稳定值，并且当在触发范围测试的范围内确定由差分电流值中的一个和相应地相关联的稳定值形成的测量值对处于预先给定的触发范围内时，产生故障信号。本发明还涉及一种差分保护装置，具有测量值采集装置，用于采集在能量供给网络的电气部件的不同位置处确定的电流测量值，并且具有分析装置，其被配置用于由电流测量值形成差分电流值和稳定值，并且用于当在触发范围测试的范围内确定由差分电流值中的一个和相应地相关联的稳定值形成的测量值对处于预先给定的触发范围内时，产生故障信号。

背景技术

这样的差分保护方法和这样的差分保护设备例如从差分保护设备SIPROTEC7UT6x的产品手册“SIPROTEC-Differential Protection 7UT6x,V4.6,Siemens AG 2013,Bestellnummer C53000-1176-C230-3”中已知。在已知的差分保护设备中，在电气部件的两个测量位置处，例如在变压器的高压侧和低压侧，采集电流测量值，并且由此确定差分电流值和稳定电流值。根据由差分电流值和相关联的稳定电流值形成的测量值对在图表中的位置，推断故障、例如短路的存在，并且产生对应的故障信号。在存在故障信号的情况下，最终触发开关，以打开其开关触点，以便将发生故障的部件从能量供给网络断开。

另外，在对变压器进行差分保护时，已知为了提高关于在电气部件的区域中存在故障的判断的可靠性，通过其它的附加算法来稳定所描述的差分保护功能。这些附加算法用于采集能量供给网络的特定运行状态，并且在识别出这样的运行状态时，阻止故障信号的产生。由此实现仅在实际存在故障时可靠地产生故障信号。能量供给网络的前述运行状态例如可以包括能量供给网络中的接通过程、关于能量供给网络中的电流和/或电压的特定谐波振荡的发生、特别是高电流强度的外部故障(即位于所监视的部件的范围外部、但是部分地表明与内部故障类似的特性的故障)的存在或者变压器饱和的出现。例如，从WO2010/034635A1中已知一种方法，利用该方法，根据相电流曲线中的特定特征模式识别能量供给网络中的接通过程(所谓的“浪涌采集”)，并且在存在接通过程时阻止故障信号的产生。例如，从IEEE出版物“A new method to identify inrush current based on errorestimation”，He B.,Zhang X.,Bo Z.,IEEE Transactions on Power Delivery,Band 21,Nr.3,Juli 2006,Seiten 1163-1168中，已知用于识别存在的接通过程的另一种方法。此外，从IEEE出版物“Aself-organizing fuzzy logic based protective relay-anapplication to power transformer protection”，Kasztenny,B.,Rosolowski,E,Saha,M.M.,Hillstrom,B.,IEEE Transactions on Power Delivery,Band 12,Nr.3,Juli 1997,Seiten 119-1127中，已知基于模糊逻辑的使用的用于识别不同的系统状态的方法。

通过不断增加其中要阻止产生故障信号的其它运行状态和对应的附加算法，用于执行对应的算法的差分保护装置的复杂度以及这样的差分保护装置的操作者要设置的参数的数量必然增加。故障和/或不正确设置的概率也随着复杂度和参数的数量的增加而增加，由此差分保护装置的功能整体上受损。

在对发电机进行差分保护时，迄今为止通常不使用附加算法，用于针对接通过程进行稳定。虽然使用附加的稳定来识别外部故障，但是短路电流经常如此小，使得在特定情形下，例如在所谓的“近发电机故障”的情况下，可能存在判断不正确的风险。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题是，提供一种差分保护方法，利用其能够在复杂度相对低的情况下，保证仅在电气部件的区域中实际存在故障时，可靠地产生故障信号。本发明要解决的技术问题还在于，提供对应地构造的差分保护装置。

关于差分保护方法，上述技术问题通过开头给出的类型的差分保护方法来解决，其中，将处于预先给定的观察时间段内的稳定电流值与相应地相关联的差分电流值进行比较，并且根据比较形成故障指示，所述故障指示给出差分电流值部分还是稳定电流值部分占优势，并且当故障指示给出稳定电流值部分占优势时，阻止故障信号的产生。

根据本发明的方法的特别的优点在于，通过观察单个标准，能够可靠地识别电能供给网络的这样的运行状态，其中，应当阻止故障信号的产生，因为其不指示实际存在的故障。通过基于不是逐点地使用单个测量值对形成的故障指示做出判断，而是相反因为所使用的观察时间段而在一定程度上包含当前测量值对的时间上的“经历”，能够对实际处于部件的区域中的故障(“内部故障”)和不需要产生故障信号的其它运行状态进行非常可靠的区分。在形成故障指示时，类似地分析在观察时间段内差分电流值部分、还是稳定电流值部分占优势。前者指向存在内部故障，而后者能够推断出存在其中应当阻止故障信号的产生的其它运行状态。

根据本发明的差分保护方法例如可以用于监视变压器。此外，其也可以有利地用于监视电机(发电机)。在此，特别是在具有相对小的故障电流和长的直流分量的时间常数的所谓的“近发电机的外部故障”的情况下证明本方法是可靠的。

根据本发明的方法还使得能够在变压器保护中，像也在发电机保护中那样，在一方面具有发生的转换器饱和或者接通过程的外部故障和另一方面内部故障之间进行可靠的区分。

根据本发明的方法的一个有利扩展设置为，为了形成故障指示，由使用差分电流值和稳定电流值形成的差确定积分平均值。

按照根据本发明的方法的该实施方式，首先，使用差分电流值和相应地相关联的稳定电流值来求差，该差使得能够得到关于占优势的部分的结论。该求差在整个观察时间段上执行，并且形成所有差的积分平均值，以确定故障指示。

按照根据本发明的方法的另一个有利实施方式，还可以设置为，使用变压器或者发电机作为电气部件。

在这种关联下，还可以设置为，依据电气部件的类型不同地确定故障指示。

例如，对于不同类型的电气设备，在形成故障指示时，可以对于差分电流值和稳定电流值使用不同的加权因数。

通过将故障指示与预先给定的阈值进行比较，并且当故障指示低于所述阈值时，阻止故障信号的产生，可以特别简单地做出关于阻止故障信号的产生的判断。

在这种关联下，按照根据本发明的方法的另一个有利实施方式，可以设置为，依据电气部件的类型不同地确定阈值。

按照根据本发明的方法的另一个有利实施方式，还可以设置为，直接使用差分电流值或者使用由差分电流值得到的值确定故障指示。

在直接使用差分电流值时，例如通过求差将其直接与相关联的稳定电流值进行比较。在使用由差分电流值得到的值时，例如可以首先使用相应地与电流测量值的曲线的角频率ω相乘的差分电流值的一阶导数，以与稳定电流值进行比较。

具体地，按照根据本发明的方法的另一个有利实施方式，可以设置为，如下形成故障指示：

$J\left(t\right)=\frac{1}{T_1}\·\underset{t-T_1}{\overset{t}{\∫}}(i_{op}-K\·i_r)dt$

其中，

J(t)：故障指示；

t：时间；

T₁：预先给定的观察时间段的长度；

i_op：由差分电流值形成的触发电流；

K：用于匹配于电气部件的类型的匹配因数；

i_r：稳定电流。

可以容易地看到，积分内部的项描述了通过求差进行的在基于差分电流值的触发电流和相应的、经由与部件有关的匹配因数加权的稳定电流值之间的比较。观察时间段T₁例如可以选择为20ms(周期持续时间)。匹配因数K例如可以在变压器作为部件的情况下取值0.3，并且在发电机作为部件的情况下取值0.7。

在多相(例如3相)电气部件的情况下，还视为有利的是，对于多相电气部件的每一相确定故障指示，并且仅当故障指示对于所有相低于预先给定的阈值时，阻止故障信号的产生。

由此能够确保仅当通过故障指示，对于所有相都能够排除错误的状态时，阻止故障信号的产生。

上述技术问题还通过开头给出的类型的差分保护装置来解决，其中，分析装置还被配置用于，将处于预先给定的观察时间段内的稳定电流值与相应地相关联的差分电流值进行比较，并且根据比较形成故障指示，所述故障指示给出差分电流值部分还是稳定电流值部分占优势，并且当故障指示给出稳定电流值部分占优势时，阻止故障信号的产生。

在与差分保护装置关联时，还可以设置为，分析装置还被配置用于，为了形成故障指示，由使用差分电流值和稳定电流值形成的差确定积分平均值。

此外，按照根据本发明的差分保护装置的另一个有利实施方式，可以设置为，分析装置还被配置用于，将故障指示与预先给定的阈值进行比较，并且当故障指示低于所述阈值时，阻止故障信号的产生。

对于根据本发明的差分保护装置，适用上面和下面关于根据本发明的差分保护方法进行的所有描述，反之亦然，特别是，根据本发明的差分保护装置被配置用于执行根据本发明的差分保护方法的任意实施方式或者任意实施方式的组合。对于根据本发明的差分保护装置的优点，也参考关于根据本发明的差分保护方法描述的优点。

下面，根据实施例详细描述本发明。实施例的具体设计决不应当理解为对根据本发明的差分保护方法和根据本发明的差分保护装置的一般设计进行限制；相反，实施例的各个设计特征可以以任意方式自由地与彼此以及与上面描述的特征组合。

附图说明

图1示出了利用差分保护装置监视的电能供应网络的部件的示意图；

图2示出了用于说明差分保护方法的实施例的流程图；

图3至4示出了用于说明利用差分保护方法对电流测量值的分析的第一实施例的曲线图；

图5至6示出了用于说明利用差分保护方法对电流测量值的分析的第二实施例的曲线图；

图7至8示出了用于说明利用差分保护方法对电流测量值的分析的第三实施例的曲线图；以及

图9至10示出了用于说明利用差分保护方法对电流测量值的分析的第四实施例的曲线图。

具体实施方式

在图1中可以看到未进一步示出的能量供给网络的片段10。该片段10具有电气部件11，其例如可以是变压器或者发电机。借助下面要详细描述的差分保护方法针对故障、例如短路监视部件11。

为此，对于各个相导体R,S,T，在第一测量位置12a处采集相电流的模拟瞬时值i_{R1_a},i_{S1_a},i_{T1_a}，并且在第二测量位置12b处采集相电流i_{R2_a},i_{S2_a},i_{T2_a}，并且馈送到差分保护装置13。该差分保护装置具有(在图1中未示出的)测量值采集装置，利用其采集相电流并且通过采样转换为对应的电流测量值i_R1,i_S1,i_T1或者i_R2,i_S2,i_T2。与根据图1的图示不同，采样在此也可以借助用于采集电流的电流转换器或者连接在其下游的采样装置来进行；在这种情况下，已经直接向差分保护装置13传输了所采样的电流测量值i_R1,i_S1,i_T1或者i_R2,i_S2,i_T2。

差分保护装置13配备有(在图1中同样未示出的)分析装置，向其馈送各个电流测量值i_R1,i_S1,i_T1或者i_R2,i_S2,i_T2。分析装置利用差分保护方法对电流采样值i_R1,i_S1,i_T1或者i_R2,i_S2,i_T2进行分析，并且当确定内部故障、即部件11的区域中的故障时，产生故障信号F。故障信号F例如可以用于产生用于开关装置、例如功率开关的触发信号，利用所述开关装置将发生故障的部件从能量供给网络的其余部分断开。

为了提高故障识别的可靠性，差分保护装置13的分析装置还检查是否存在电能供给网络的特定运行状态、例如接通过程，其可能影响差分保护方法的执行，使得当在部件11的区域中实际上不存在故障时，也产生故障信号F。如果识别出能量供给网络的这样的运行状态，则阻止故障信号F的产生，以避免错误地触发差分保护装置13。

在图2中示例性地示出了流程图，其示出了根据图1的差分保护装置13的工作方式的实施例。流程图在此以框图的形式示出，然而所描述的差分保护方法的实现不仅可以以软件的形式，还可以以硬件的形式，而且还可以以两者的组合的形式来实现。

首先，向第一分析步骤21馈送电流测量值i_R1,i_S1,i_T1和i_R2,i_S2,i_T2。如果电气部件11是变压器，则必须在之前的步骤中使变压器的两个电压侧的电流测量值彼此匹配。为此，以本领域技术人员已知的方式进行电压水平匹配、开关组匹配以及需要时零电流校正或消除。在下面的等式中，所有值相对于部件的标称电流(单位：p.u.)并且在连续的采样时间点n计算。

在第一分析步骤21中，如下面要描述的，由电流测量值形成差分电流值i_d和稳定电流值i_r。该形成又按相进行；然而，为了简单起见，仅针对一相示出了下面的实施例。

根据等式(1)计算每一相R,S,T的差分电流值i_d：

i_d＝i₁-i₂. (1)

在此，对于按相的计算，替代i₁和i₂，如已经提及的，使用相应的与相相关的电流测量值i_R1,i_S1,i_T1和i_R2,i_S2,i_T2。

根据等式(2)如下确定稳定电流值i_r：

i_r＝max[|i_r1|；|i_r2|]. (2)

在此，i_r1和i_r2代表各个测量位置12a和12b处的稳定电流。其例如按照下面的等式(3a)和(3b)被确定：

$i_{r1}=\max \[\left|i_1\right|;\frac{1}{\mathrm{\ω}}\left|i_1^{\′}\right|\],---\left(3a\right)$

$i_{r2}=\max \[\left|i_2\right|;\frac{1}{\mathrm{\ω}}\left|i_2^{\′}\right|\].---\left(3b\right)$

在此，又对于按相的计算，替代i₁和i₂，使用各个与相相关的电流测量值i_R1,i_S1,i_T1和i_R2,i_S2,i_T2。此外，i₁'和i₂'代表电流测量值的相应的一阶导数，并且ω代表电流的角频率。一阶导数例如可以使用差分商来确定(这里对于i₁'示例性地示出：

$i_1^{\′}=\frac{1}{T_S}\left(i_1\right(n)-i_1(n-1\left)\right).---\left(4\right)$

在此，T_s代表采样周期。在接下来的分析步骤22中，分别由差分电流值和相关联的、即由同时确定的电流测量值形成的稳定电流值形成值对，并且检查其在触发曲线图中的位置。如果值对位于触发范围内部，则将这评估为内部故障的指示，并且向之后的分析步骤23传输对应的指示信号S_F。之后的分析步骤23用于在存在指示信号S_F时，产生故障信号。

还向分析步骤24馈送在分析步骤21中形成的差分电流值和稳定电流值，分析步骤24将其用于形成故障指示，利用故障指示可以检查在过去的观察时间段T₁内差分电流值的部分还是稳定电流值的部分占优势。故障指示例如可以如在等式(5)中示出的那样被确定：

$J\left(t\right)=\frac{1}{T_1}\·\underset{t-T_1}{\overset{t}{\∫}}(i_{op}-K\·i_r)dt$

其中，

J(t)：故障指示；

t：时间；

T₁：预先给定的观察时间段的长度；

i_op：由差分电流值形成的触发电流；

K：用于匹配于电气部件的类型的匹配因数；

i_r：稳定电流。

触发电流i_op在该等式中直接或者间接由差分电流值确定，并且例如可以如在等式(6)中给出的那样来形成：

$i_{op}=\max \[\left|i_d\right|;\frac{1}{\mathrm{\ω}}\left|i_d^{\′}\right|\].$

在此，与根据等式(4)的方法类似，可以再次使用差分商来形成一阶导数i_d'。

匹配因数K用于使故障指示J的形成与电气部件的类型匹配，并且例如可以在变压器的情况下取值0.3，而在发电机的情况下取值0.7。其用于对稳定电流值进行加权，以与差分电流值或者由其形成的触发电流进行比较。匹配因数的准确的值例如也可以通过实验或者仿真来确定。

在之后的分析步骤25中，将故障指示J与阈值H进行比较。阈值H也可以依据电气部件的类型来确定；其例如可以在变压器的情况下取值2.0，而在发电机的情况下取值0.0。阈值的准确的值例如也可以通过实验或者仿真来确定。

故障指示J对于每一相单独形成，并且与阈值H进行比较。在分析步骤25中，恰好在全部三相的故障指示低于阈值H时，产生阻止信号B。向分析步骤23馈送阻止信号B。在阻止信号B等待处理时，在分析步骤23中阻止故障信号F的产生。

在之后的附图中，借助于具有差分电流值的示例性曲线和各个对应的故障指示的曲线图，对于不同的场景示出了所描述的差分保护方法的特性。

图3和4涉及第一场景，其中，在电能供给网络中存在接通过程。所监视的部件是变压器。在此，在图3中示出了各个相的差分电流值的曲线，而图4示出了每一相的故障指示的曲线。可以看到，在图3中的曲线图上示出了，在大约700ms之后，由于直流电流分量，电流转换器进入饱和。由于接通过程和转换器饱和而产生的相对大的差分电流在不进一步稳定的情况下将导致故障信号F的产生。相反，通过对故障指示J进行附加分析，可以实现阻止故障信号F的产生，因为故障指示持续处于值为2.0(对于变压器)的阈值H以下。

图5和6涉及第二场景，其中，存在部件11的内部故障。所监视的部件是变压器。在此，在图5中示出了各个相的差分电流值的曲线，而图6示出了每一相的故障指示的曲线。相对大的差分电流结合超过值为2.0的阈值H的故障指示J，导致可靠地产生故障信号F。

图7和8涉及第三场景，其中，存在外部故障(位于部件外部的故障)。所监视的部件是变压器。在此，在图7中示出了各个相的差分电流值的曲线，而图8示出了每一相的故障指示的曲线。可以看到，在图7中的曲线图上示出了，在故障出现之后大约60ms，出现了电流转换器饱和。由于转换器饱和而产生的相对大的差分电流在不进一步稳定的情况下将导致产生故障信号F。相反，通过对故障指示J进行附加分析，可以实现阻止故障信号F的产生，因为故障指示持续处于值为2.0(对于变压器)的阈值H以下。

最后，图9和10涉及第四场景，其中，存在具有小导体电流的近发电机的外部故障。所监视的部件是发电机。在此，在图9中示出了各个相的差分电流值的曲线，而图10示出了每一相的故障指示的曲线。由于存在直流分量而再次出现转换器饱和。相对大的差分电流在不进一步稳定的情况下将导致产生故障信号F。相反，通过对故障指示J进行附加分析，可以实现阻止故障信号F的产生，因为在任何时刻不是全部三相的故障指示都处于值为0.0(对于发电机)的阈值H以上。

Claims (12)

1.一种用于产生故障信号的差分保护方法，所述故障信号指示在能量供给网络的电气部件(11)的区域中发生的故障，其中，

-在所述部件的至少两个不同的测量位置(12a,12b)处分别测量电流测量值，并且利用电流测量值形成差分电流值和稳定值，并且

-当在触发范围测试的范围内确定由差分电流值中的一个和相应地相关联的稳定值形成的测量值对处于预先给定的触发范围内时，产生故障信号，

其特征在于，

-将处于预先给定的观察时间段内的稳定电流值与相应地相关联的差分电流值进行比较，并且根据比较形成故障指示，所述故障指示给出是差分电流值部分还是稳定电流值部分占优势；并且

-当故障指示给出稳定电流值部分占优势时，阻止故障信号的产生。

2.根据权利要求1所述的差分保护方法，

其特征在于，

-为了形成故障指示，由使用差分电流值和稳定电流值形成的差确定积分平均值。

3.根据权利要求1或2所述的差分保护方法，

其特征在于，

-使用变压器或者发电机作为电气部件(11)。

4.根据权利要求3所述的差分保护方法，

其特征在于，

-依据电气部件(11)的类型不同地确定故障指示。

5.根据前述权利要求中任一项所述的差分保护方法，

其特征在于，

-将故障指示与预先给定的阈值进行比较；并且

-当故障指示低于所述阈值时，阻止故障信号的产生。

6.根据权利要求5所述的差分保护方法，

其特征在于，

-依据电气部件(11)的类型不同地确定所述阈值。

7.根据前述权利要求中任一项所述的差分保护方法，

其特征在于，

-直接使用差分电流值或者使用由差分电流值得到的值确定故障指示。

8.根据前述权利要求中任一项所述的差分保护方法，

其特征在于，

-如下形成故障指示：

$J\left(t\right)=\frac{1}{T_1}\·\underset{t-T_1}{\overset{t}{\∫}}(i_{op}-K\·i_r)dt$

其中，

J(t)：故障指示；

t：时间；

T₁：预先给定的观察时间段；

i_op：由差分电流值形成的触发电流；

K：用于匹配于电气部件的类型的匹配因数；

i_r：稳定电流。

9.根据前述权利要求中任一项所述的差分保护方法，

其特征在于，

-对于多相电气部件的每一相确定故障指示；以及

-仅当故障指示对于所有相低于预先给定的阈值时，阻止故障信号的产生。

10.一种差分保护装置(13)，具有

-测量值采集装置，用于采集在能量供给网络的电气部件(13)的不同位置处确定的电流测量值，以及

-分析装置，其被配置用于由电流测量值形成差分电流值和稳定值，并且被配置用于当在触发范围测试的范围内确定由差分电流值中的一个和相应地相关联的稳定值形成的测量值对处于预先给定的触发范围内时，产生配置的故障信号；

其特征在于，

-分析装置还被配置用于，将处于预先给定的观察时间段内的稳定电流值与相应地相关联的差分电流值进行比较，并且根据比较形成故障指示，所述故障指示给出是差分电流值部分还是稳定电流值部分占优势，并且当故障指示给出是稳定电流值部分占优势时，阻止故障信号的产生。

11.根据权利要求10所述的差分保护装置(13)，

其特征在于，

-分析装置还被配置用于，为了形成故障指示，由使用差分电流值和稳定电流值形成的差确定积分平均值。

12.根据权利要求10或11所述的差分保护装置(13)，

其特征在于，

-分析装置还被配置用于，将故障指示与预先给定的阈值进行比较；并且

-当故障指示低于所述阈值时，阻止故障信号的产生。