CN106257294A - 用于检测电网中的故障的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于检测其中流动交流电流的电网(1)中的故障的方法，该方法包括步骤：获取表示电网(1)中流动的电流的正弦信号(S)的三个样本(S1、S2、S3)，每个样本的获取由固定的采样时间(T)隔开；计算信号(S)的幅度(A)，所述幅度(A)的计算仅取决于三个所获取的样本(S1、S2、S3)并且与采样时间(T)无关；如果所计算的幅度(A)高于第一预定阈值(M+)或者如果所计算的幅度(A)低于第二预定阈值(M－)，则确定故障。

Description

用于检测电网中的故障的方法和装置

技术领域

本发明涉及用于例如在中低压电网中快速检测故障、接地故障或各相之间的故障的方法。电网可以是架空或地下的。该方法基于对表示电网中流动的电流的信号的幅度分析。本发明还涉及能够实现该方法的检测装置。

背景技术

三相电网中的故障检测装置允许触发负载保护和/或帮助定位该故障。例如，图1示出了包括三相变压器2的中压配电网络1的图，该三相变压器2的次级可以包括通常通过阻抗3接地的常见中性导体，例如消弧线圈型(在电网具有绝缘中性线的情况下，电网的中性点和地面之间没有物理连接)。该次级另外被连接到向引出线4、4'供应功率的主配电线，其中的一些引出线可以在头端包括保护它们的断路器或其它开关器件5。

由架空线和/或地下电缆组成的引出线4、4'可能会遭受各种故障，并且重要的是检测并定位它们，以便缓解所引发的问题：停电、绝缘材料的耐受强度的劣化等。例如，安装在引出线4'或线段4上的故障检测装置6i、6'可以用于通过点亮指示灯7来指示故障的发生。另外，装置6可以与保护继电器8组合或集成在保护继电器8中，该保护继电器8能够控制断路器5的触点的断开。

在这些故障中，最常见的是位于源变电站之外的短路型的单相故障(其中一相与地面接触)，或者是架空电缆断裂，特别是在恶劣天气的情况下。此外，故障有时也是非永久性或间歇性的，特别是在架空电网中：一些故障在保护功能起作用之前自然消失，其它故障通过或多或少的缓慢重启循环除去。

为了采取潜在必要的预防措施或实现适于表征和定位故障的装置，故障检测必须快速，在几毫秒(或在瞬时故障的情况下更少)的量级下，而且当然要可靠。

在中压(MV)和低压(LV)配电网络的管理中，网络、设备或工业过程的状态通常经由诸如电压和强度(根据上下文，其可为单相或三相)的电量的测量来进行监测。这种监测允许确定网络的状态、以及操作模式状况(正常功能或故障例如与电流过载、短路或电源欠压等相链接)。

在实践中，区分进行这种监测的两种可能情况：

-监测硬件：经由专用的(电压、电流)传感器，通过比较器型的设置，电子测量系统允许表示监测量的电子信号与预定阈值进行比较。这一原理的优点是在处理测量中的高度快速性：几乎实时获得比较结果。缺点是比较阈值是通过物质“设置”的，且不允许用户调整的可能性，除非电子实现规定与可想到的阈值一样多的比较器电路，或除非电子电路包括可变组件(压敏电阻、自恢复保险丝(polyswitch)等)，这通常笨重且昂贵。此外，这样的解决方案无法实现分析、历史或复杂的算法。

-监测软件：在输入级(电压或电流传感器)之后，对测量进行采样、滤波、数字化，随后通过微处理器进行信号处理。表示所监测的电量的电子信号的特性(诸如，幅度、频率、角相位)由常规方法来确定。因此，计算幅度将可能通过确定信号的RMS值(例如，这可以在一个或多个网络周期的获取窗口上完成，该窗口可被固定或滑动)或者通过使用数学变换(例如，通过使用福蒂斯丘(Fortescue)矩阵获得三相对称分量，从而计算直流分量)或者甚至通过相量来进行。这种方法的优点尤其在于由用户进行的比较阈值的选择的灵活性，这是因为该处理纯粹基于软件。该方法的缺点在于它的“延迟”结果：具体而言，计算方法通常要求在能够被执行之前的至少一个网络周期上获取样本。然而，这种基于软件的方法必须依赖于微处理器的规格以及所使用的采样频率：减小采样数量能够节省处理时间，损害结果的精度；增加采样数量有利于精确结果的确定，在响应度方面有损害。

此外，文献EP0297418描述了一种用于在电网中检测频率故障的方法。在该方法中，待分析的信号的多个测量样本被用来计算估计的频率。然而，该方法是递归的且闭环的，即，在瞬时t的估计频率的计算也考虑到先前瞬时t-1的估计频率，且也将被用于计算随后的瞬时t+1的估计频率。因此，这种方法实现起来可能是复杂的，因为它必须知道先前的估计频率，以便计算新的估计频率。此外，由于这种方法是递归的且闭环的，朝向计算的幅度的确切值收敛所用的时间是不可忽略的，由此同样延迟了准确结果的获取。更重要的是，例如，与打开网络相链接的该过程的任何中断延迟了当网络被重新通电时的系统的“联机(on the fly)”恢复：必须再次经过这个收敛阶段，这生成了迟滞(inertia)。同样的是：例如，如果存在电磁型扰动，则特定样本的测量会有偏斜。

文献EP0322518描述了用于检测电网中的保护继电器的故障的方法，其基于：在接近标称频率的四倍的采样频率上，获取在电网中流动的正弦电流的三个样本。然而，电流幅度的计算取决于采样频率值，其取决于当前的实际频率值。因此它提供了更复杂的计算，且不提供预期结果，尤其是对于检测短暂故障。

然而，在配电网络中，特别是在中压网络中，故障的检测必须能够非常快速地完成，以便为设备和人员采取必要的预防措施。在防止和检测短路型的故障(各相之间或相-地之间)的设备的情况下尤其如此，其必须在几毫秒内进行反应，以便能够以非常高的响应度来管理这些故障，或甚至能够抢先处理。这种检测一般是通过超过(高于或低于)表示电流的变量的阈值来完成的。因此，特定类型的保护将监测过流、过压或欠压、有功/无功功率超标等。

取决于网络的中性体制(regime)类型，从过流(直接中性、电阻中性)或从过压(绝缘中性)或两者混合(补偿中性)中，更容易看到故障。除了故障的类型之外，故障的性质也存在差异：永久性故障(通过网络的重启循环无法消除)、或非永久性故障(在这个重启循环结束前消除)。

在该文件的其余部分，术语“幅度A”表示类型为Z＝A.sin(xt+y)的正弦信号Z的峰值幅度的绝对值。

发明内容

本发明的目的之一是提出一种快速且简单的方法，其通过分析表示电网中流动的电流的信号(电压或电流)的幅度，允许在电网中检测故障。

本发明的目的在于克服现有故障检测装置和方法的一些缺点，并且优化故障检测。凭借本发明，能够在故障实际发生前足够快速地抢先处理故障。

为此，本发明描述了一种用于检测其中流动交流电流的电网中的故障的方法。该方法包括步骤：获取表示在电网中流动的电流的正弦信号的三个样本，每个样本的获取由固定的采样时间隔开，采样时间对应于大于或等于三倍标称频率的采样频率。然后该方法包括步骤：计算信号的幅度，该幅度的计算仅取决于三个所获取的样本并且与采样时间无关；然后包括步骤：如果所计算的幅度高于第一预定阈值或者如果所计算的幅度低于第二预定阈值，则确定故障。

本发明还涉及一种用于检测故障的装置，其能够实现用于检测故障的方法。检测装置包括：获取模块，其能够获取表示在电网中流动的电流的正弦信号的三个样本，每个样本的获取由固定的采样时间隔开；计算模块，其能够计算信号的幅度，该幅度的计算仅取决于由获取模块所获取的三个样本并且与采样时间无关；故障确定模块，其能够在由计算模块所计算的幅度高于第一预定阈值或者在所计算的幅度低于第二预定阈值时，确定故障。

根据一个特征，所述检测装置包括用于存储三个样本的部件。存储部件还可以存储与所检测的故障相关的信息。

本发明还涉及一种用于监测电网的目的的保护继电器或者连接到电网的任何电气开关单元，该保护继电器和电气开关单元包括用于检测电网中的故障的装置。

附图说明

在下面对附图所示的本发明的特定实施例的描述中，其它特征和优点将变得更清楚，附图中：

图1(上面已描述过)示出了可以使用故障检测装置的电网；

图2示出了表示在电网中流动的电流的信号的示例采样；

图3以简化方式示出了根据本发明的一个优选实施例的检测方法；

图4a至4d通过四个图说明了一个例子，这四个图示出了根据本发明的方法和其它方法的信号S和故障检测测量；

图5a至5d说明了比较本发明的方法和其它方法的另一个例子。

具体实施方式

图1示出了包括三相变压器2的中压配电网络1的图，该三相变压器2的次级可以包括通常通过阻抗3接地的常见中性导体。该次级另外被连接到向引出线4、4'供应功率的主配电线，其中的一些引出线可以在头端包括保护它们的断路器或其它开关器件5。

由架空线和/或地下电缆组成的引出线4、4'可能会遭受各种故障，并且重要的是检测并定位它们，以便缓解所引发的问题：停电、绝缘材料的耐受强度的劣化等。安装在引出线4'或线段4上的故障检测装置6、6i、6'用于检测故障。一旦已检测到故障，检测装置6就可以包括：故障信号表达部件，诸如警告指示器7；用于贮存例如与故障的存在、故障的类型和故障的持续时间相关的信息的部件。检测装置6还可以包括用于将贮存的故障信息传送到用于监测/控制电网1的控制站或装置的部件。

这样的装置6还可以被集成在用于监测电网1的全部或部分4、4'的单元中，尤其是集成在保护继电器8中，该保护继电器8能够控制断路器5的触点的断开，或者可以被直接嵌入断路器中，以便能够在故障发生时快速断开电网1的线路4。

在这些故障中，最常见的是位于源变电站之外的短路型的单相故障(其中一个相与地面接触)，或者是架空电缆断裂，特别是在恶劣天气的情况下。然而，例如在线导体4和地面之间可能产生高电容值9，该高电容值在接地故障10的情况下导致大单极(homopolar)电流I₀流动。

单极电流I₀在无故障时为零。术语“单极电流”I₀(或“零序电流”)被理解为：对于接近三的潜在因子，各相电流的矢量和，或者甚至与相电流的瞬时合量相对应的电流(有时被称为剩余电流)，其潜在地对应于接地故障电流或漏电电流。应当注意，有可能避开这种情况，特别是在非零单极电流/电压的情况下，并且该网络可以包括其它数量的相；另外，不一定要补偿中性体制。

为了检测电网中故障的发生，已知有这样的实践：使用传感器来测量至少一个信号S，该信号S表示在待测试的网络的部分中流动的电流。这个表示性信号S例如可以是相之一与地面之间的电压、两相之间的电压、在相之一中流动的电流或者一组相的电流。在没有故障时，信号S是标称频率f₀和标称幅度A₀的正弦信号，对应于在电网中流动的电流的标称频率，例如50Hz或60Hz。

在本实施例中，为了检测线路4中的故障10，检测装置6包括获取模块，该获取模块包括传感器，该传感器允许获取表示在线路4中流动的电流的模拟信号S，该传感器诸如例如电流传感器14或电压传感器12。

获取模块被配置为获得表示性信号S的至少三个样本S1、S2、S3，每个信号的获取由固定采样时间T隔开。也就是说，如图2所示，如果在时间t1处测量第一样本S1，则将在时间t2＝t1+T处测量第二样本，并且将在时间t3＝t2+T＝t1+2T处测量第三样本。

对于本发明的需求，采样时间T必须对应于采样频率F，该采样频率F大于或等于信号S的标称频率f₀的三倍，由此对于电网1的标称频率50Hz而得到采样时间T<＝6.66ms。

优选地，为了加速故障的检测并且能够检测极短的瞬时故障，选取等于1800Hz的采样频率F，即，采样时间T为0.556ms。

获取模块还包括：用于对传感器12或14所进行的测量进行滤波的部件，诸如模拟滤波器；以及采样部件，其允许在期望的采样时间获得所采样的信号S。

接下来，检测装置包括计算模块，其接收源自获取模块的连续样本。计算模块包括存储部件，用于贮存各种所接收的信号S的样本。这些存储部件允许贮存至少三个样本S₁、S₂、S₃，或者允许以滑动方式存储信号S的样本以达到较长持续时间。

根据本发明，计算模块仅仅基于值S₁、S₂、S₃来确定信号S的幅度A。正弦信号S的形式如下：

其中，A表示幅度，f表示频率，表示角相位。因此，三个连续的测量S1、S2、S3由T隔开，可以表示为：

给定：

$A=\sqrt{S_2^2+{\left(\frac{S_3-S_1}{2\&CenterDot;sin(2\&CenterDot;\mathrm{\&pi;}\&CenterDot;f\&CenterDot;T)}\right)}^2}$

通过改变原点，以进行角相位的提取和角频率ω＝2·π·f的引入，得到：

S₁＝A×cos(ω·t₂-2·π·f·T)

S₂＝A×cos(ω·t₂)

S₃＝A×cos(ω·t₂+2·π·f·T)

正弦函数的三角属性允许得到以下等式：S₁+S₃＝2·S₂·cos(2·π·f·T)，其中，

因此得到：

其中，

由此示出：幅度A的计算仅取决于三个连续测量值S1、S2、S3，而不涉及信号S的频率或采样时间T，不需要知道先前计算的在先幅度值，也不需要对系统进行数学建模。因此，有利地，根据本发明的计算方法是非递归和非迭代的。与采样时间T无关，这在很大程度上简化了幅度A的计算。此外，当该采样时间取决于信号的真实频率时，必须根据该真实频率重新计算采样时间以获得幅度。

因而，通过假设检测装置在等于t2+2T的时间t4处测量第四样本S4，那么计算模块将仅基于样本S2、S3、S4直接地重新计算新的幅度值A，而不使用样本S1或先前计算的幅度值。

因此，该方法的关注点之一是能够仅利用三个样本来非常迅速地确定信号S的幅度，这与通常需要至少一个网络周期来估计这种幅度的方法形成对比，也与需要不可忽略的时间来朝向确切值收敛并改进幅度的计算的迭代方法形成对比。因而，例如，在网络中断后重启电网之后，只要测量了三个样本，就能快速实现“联机”的过程恢复，而不需要通过产生迟滞的收敛阶段。

为了更快速而且简单地基于上述公式从信号S确定幅度A，计算模块可以赞成基于正弦和反余弦三角函数的有限展开或甚至平方根函数的方法，从而避免需要过大的计算部件。取决于期望的精度、所选择的采样频率以及集成在计算模块中的微处理器的规格，在有限展开中所使用的多项式将为第一至第四阶。例如，对于1800Hz的采样频率，使用二阶有限展开。

接下来，检测装置6包括故障确定模块，该故障确定模块能够进行以下：如果由计算模块计算的幅度A高于第一预定阈值M+，其被称为上限阈值(例如，对应于过流)，或者如果计算的幅度(A)低于第二预定阈值M－，其被称为下限阈值(例如，对应于欠压或闪烁型效应等)，则触发故障。优选地，阈值以网络的标称幅度A₀为中心。

可以在标称幅度A₀的基础上设置上限阈值，即，对标称幅度A₀添加标称幅度A₀的第一余量(margin)或第一百分比，并且可以在标称幅度A₀的基础上设置下限阈值，即，从标称幅度A₀减去标称幅度A₀的第二余量或第二百分比。例如，标准NF EN50-160考虑MV(中压)电压在其标称值的-10％/+10％处正常工作，LV(低压)电压在其标称值的-15％/+10％处正常工作，在这些可允许范围(band)之外就是故障。

有利地，故障确定模块也可以贮存故障的类型和持续时间，这尤其能够在永久性故障(通过网络的重启循环无法消除)和瞬时故障(在重启循环结束之前消除)之间进行区分。

图3给出了本发明中描述的方法的简化流程图。当开始检测序列时，或者当将保护装置通电时，还没有样本S被贮存，并且例如将索引k初始化为值1。随后，保护方法规定进行信号S的测量S_k，该测量被滤波并且数字化。

当索引k小于3时，意味着还要获取三个连续样本，该检测方法还不能检测故障，因此使计算的幅度A为例如信号S的标称值A₀。反之，只要k大于或等于3，则根据上述算法，以最新三个连续样本S_k-2、S_k-1，S_k的函数来计算幅度A_k。

接着，该检测方法将样本S_k的值贮存在检测装置的存储部件中，并且在执行具有新样本S_k的测量和幅度A_k的新计算的新循环之前，在每个采样时间T时递增索引k。因此，在每个采样时间T时定期地更新幅度的计算。

然后，为了确定故障的存在，该检测方法经历确定步骤，在该步骤中检测计算的幅度A_k是否大于第一预定阈值M+，或者计算的幅度A_k是否小于第二预定阈值M－，以便确定幅度A_k是否在可允许范围内。

可选地，由于使用中间(median)样本(即S_k-1，如果是三个样本S_k-2、S_k-1、S_k，或者是S₂，如果样本是S₁、S₂、S₃)的值作为所提出的公式中的分母，因此为了避免除以过于接近零的数字(这可能导致计算误差)，检测方法规定对所述中间样本的值进行测试。因此，如果中间样本S_k-1的绝对值低于或等于最小阈值ε，则不计算幅度A_k，其仍保持等于先前计算的值A_k-1。例如，最小阈值ε为信号S的标称值A₀的0.2％的数量级。

图4a的图示出了：对于300ms(以秒为单位的横坐标x轴的尺度)的持续时间，随时间的变化而监测正弦信号S的第一例子以及上限固定阈值M+和下限固定阈值M－的表示。在此图中，信号S的标称幅度A₀等于50，其中在该例子中，M+等于80，M－等于40。在图的开始处，可以看出，信号S的幅度基本上等于A₀，即信号S在－50和+50之间振荡。然后，在图的中间处，信号S的幅度减小到向下穿过下限阈值M－的值，在图的结束处，信号S的幅度增加到向上穿过上限阈值M+的值。

图4b至4d比较在等于1800Hz的同一采样频率下、一起进行的同一信号S的幅度A的三个示例计算。图4b的图示出了根据本发明的检测方法的幅度的计算结果，其使用三角函数的二阶有限展开。图4c的图示出了使用基于固定窗口RMS(均方根)计算的方法的结果，图4d的图示出了使用基于滑动窗口RMS计算的方法的结果。

图4b清楚地示出，对于检测跨过下限阈值M－和检测跨过上限阈值M+两者而言，本发明的方法均给出了比图4c至4d的其它方法更迅速的结果。

图5a至5d的图详细示出了第二例子，其更精确地说明了根据本发明的方法在某些情况下(特别是在信号的幅度从标称正弦曲线偏离的瞬间之后)，即使在实际发生阈值超出之前，也能够检测信号S的幅度超出。因此，该方法允许预测故障的发生，从而提供多种优势。具体而言，预测幅度超出的这种信息被一系列设备(例如，在引出线的头端的保护继电器、断路器，等等)使用。它也可以作为优先级被发送到监测系统(在IEC61850中的GOOSE类型消息)。因此可以设想：预防性地断开有问题的引出线电路，从而最小化物质损失和人员风险；例如，如果变压器的次级的中性接地是动态从动(slaved)消弧线圈，则限制即将到来的故障电流；通过准备好在隔离具有故障的部分之后重新配置网络，使故障后中断的持续时间最短。

图5详细示出了：对于100ms的持续时间，待监测的正弦信号S以及等于80的上限固定阈值M+。对于图4b至4d，图5b至5d比较图5a的在等于1800Hz的同一采样频率下、一起进行的信号S的幅度A的三个示例计算。图5b示出了根据本发明的检测方法的幅度计算的结果，其使用三角函数的二阶有限展开。图5c示出了使用基于固定窗口RMS计算的方法的结果，并且图5d示出了使用基于滑动窗口RMS计算的方法的结果。

在图5a中，可以看出，信号S跨过上限阈值M+发生在由T_S表示的瞬间。在图5b中，可以看出，根据本发明的方法计算出的幅度A在由T_A表示的瞬间跨过该上限阈值M+。在这个例子中，实际可以注意，瞬间T_A在瞬间T_S之前约1.5ms来临。

本发明还涵盖包括这种保护装置的电气单元，以这种方式能够在故障的情况下中断电网。具体地，本发明的保护装置可以被嵌入在各种类型的单元中，诸如保护继电器、断路器或开关或远程监测/控制站。

在单元中，还可以以考虑各种装置所得到的整体结果集合来进行决策的方式，潜在地将本发明中所描述的保护装置与例如监测电网中流动的电流的频率的其它装置进行组合。

为了监测多相(例如三相)电网，电气单元优选地包括用于三相中的每个相的保护装置。

Claims (9)

1.一种用于检测标称频率(f₀)的交流电流流动所通过的电网(1)中的故障的方法，所述方法包括：

获取表示电网(1)中流动的电流的正弦信号(S)的三个样本(S₁、S₂、S₃)的步骤，每个样本的获取由固定的采样时间(T)隔开，所述采样时间(T)对应于大于或等于三倍标称频率(f₀)的采样频率；

所述方法的特征在于，其包括：

计算信号(S)的幅度(A)的步骤，所述幅度(A)的计算仅取决于三个所获取的样本(S₁、S₂、S₃)并且与采样时间(T)无关；

如果所计算的幅度(A)高于第一预定阈值(M+)或者如果所计算的幅度(A)低于第二预定阈值(M－)，则确定故障的步骤。

2.如权利要求1所述的用于检测故障的方法，其中，通过对信号(S)的标称幅度(A₀)加上该标称幅度A₀的第一余量或第一百分比，来设置第一阈值，并且通过从信号(S)的标称幅度(A₀)减去该标称幅度A₀的第二余量或第二百分比，来设置第二阈值。

3.如权利要求1所述的用于检测故障的方法，其中，固定的采样时间(T)对应于等于1800Hz的采样频率。

4.如权利要求1所述的用于检测故障的方法，其中，所述幅度(A)的计算使用以下公式：

$A=\sqrt{S_2^2+{\left(\frac{S_3-S_1}{2\&CenterDot;sin\left(Arccos\left(\frac{S_1+S_3}{2\&CenterDot;S_2}\right)\right)}\right)}^2}.$

5.如权利要求4所述的用于检测故障的方法，其中，所述三个样本(S₁、S₂、S₃)包括中间样本(S₂)，其特征在于，当中间样本(S₂)的值小于或等于最小阈值时，在计算步骤期间，信号(S)的幅度(A)保持等于先前所计算的值(A_k-1)。

6.一种用于检测标称频率(f₀)的交流电流流动所通过的电网(1)中的故障的装置(1)，所述装置包括：

获取模块，其能够获得表示电网(1)中流动的电流的正弦信号(S)的三个样本(S₁、S₂、S₃)，每个样本的获取由固定的采样时间(T)隔开，所述采样时间(T)对应于大于或等于三倍标称频率(f₀)的采样频率；

所述检测装置的特征在于，其包括：

计算模块，其能够计算信号(S)的幅度(A)，所述幅度(A)的计算仅取决于三个所获取的样本(S₁、S₂、S₃)并且与采样时间(T)无关；

故障确定模块，如果所计算的幅度(A)高于第一预定阈值(M+)或者如果所计算的幅度(A)低于第二预定阈值(M－)，则所述故障确定模块能够确定故障。

7.如权利要求6所述的用于检测故障的装置，其特征在于，所述计算模块包括用于存储三个样本(S₁、S₂、S₃)的部件。

8.一种用于监测电网(1)的目的的保护继电器，其特征在于，所述保护继电器包括如权利要求6所述的用于检测故障的装置。

9.一种连接到电网(1)的电气开关单元，其特征在于，电气单元包括如权利要求6所述的用于检测故障的装置。