CN1078758C - 一种继电器设备 - Google Patents

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Abstract

至少两个不同的时间常数被用来产生依次被用于输电线路的保护继电器中的极化记忆参考电压。对于大多数情况，使用1.75周期的相对较小的时间常数，但在其他自动确定的特定工况下，使用较长的15.75周期的时间常数。

Description

一种继电器设备
本发明总体涉及用于输电线路的保护继电器设备，它们采用极化记忆电压作为参考电压，更具体地涉及在产生和更新极化记忆电压时使用的时间常数。
本发明侧重于极化记忆电压回路的记忆滤波器部分使用的时间常数。极化记忆电压被输电线路的保护继电器，具体说是距离继电器用作参考电压，用来与代表输电线电压的电压量进行比较以确定线路上的可能故障。
由本发明受让人拥有的第5,140,492号美国专利涉及用于产生和利用极化记忆电压的保护继电器设备；此处将其内容纳入作为参考。正如在’492号专利中所述，正序电压被用来产生正序极化记忆电压。正序电压指的是复合向量线电压VA，VB和VC，均沿正序旋转。正序电压的确定是众所周知的。输电线上三个不同相的电压VA，VB和VC被采样然后通过正序滤波器被滤波以产生正序电压VA1。这一点在’492号专利中有更详细介绍。
正序滤波器的输出然后被加至记忆滤波器以产生所需的极化记忆电压，可替代地被称为VA1M或VAP。在’492号专利中提出的特定记忆滤波器布置中，记忆滤波器的输出具有约为4个周期的时间常数，而正序极化记忆电压的持续时间约为20个周期。以VA1做输入时的记忆滤波器输出被直接用作A相电压元件的极化记忆电压。采用类似的布置以产生用于B相和C相元件的极化记忆电压VB1M(VBP)和VC1M(VCP)。记忆滤波器的运行在其输入和输出之间产生一延时，使得输出缓慢上升到输入电压值然后当输入消失时又缓慢地下降。
例如，当一非零输入被加至原来是静态、零输入的记忆滤波器时，在滤波器的时间常数内输出(它是极化记忆电压的基础)将上升至输入的63％，而随着输入从最大降为零在滤波器时间常数内输出将下降至最大输入的37％。时间常数越长，正序极化记忆电压持续的时间也越长。如上面简要表明的，以及在’492号专利中介绍的，所产生的正序极化记忆电压然后被继电器中的距离元件利用以确定输电线路的低阻抗状态(故障)的存在。
典型地，与现有记忆滤波器相关联的时间常数相对较短，在1-1/2至4个功率信号周期的范围内。尽管短时间常数在大多数情况下是有利的，包括继电器距离元件在特定电压范围的非额定频率响应这样的特定情况，短时间常数允许用于距离元件的极化记忆电压更密切地跟随电力线系统的实际工况，但在一定情况下较长的时间常数确实要好于通常较短的时间常数。
例如，当发生近距离(0电压)、反向、持续时间长的三相故障时较长的时间常数就是理想的。如果这种故障持续长于极化记忆电压的持续时间，当极化电压幅值降至电压阈值时反向延伸相距离元件就会动作(dropsout)。
长时间常数是理想的另一种情况与电气距离短的线路的正相延伸距离元件有关。对于这种特殊情况，继电器测量到的远方故障的三相电压可以是非常低，从而导致在延时距离元件记时器到时之前极化记忆电压就消失了。尤其是对于三相故障而言，所有三相电压幅值都非常小，到正序记忆滤波器的电压几乎为零。极化记忆电压在继电器跳闸所需的整个时间期间内都必须稳定、可靠和可用。典型地，当到正序记忆滤波器的电压如此之低以至极化记忆电压的幅值降至1伏时，距离元件就被闭锁了，因为极化记忆电压不能再可靠地被用作参考量了。
在长时间常数是理想的的另一例子中，如果最新的正序电压确定值的幅值大于极化记忆电压幅值的1.05倍，继电器的安全性就会增加。这种特定的幅值关系在可能发生电压反相的串联补偿线路应用中很重要。电压反相指的是故障相电压与源电压相差90°或更大的情况。尽管正序记忆电压允许继电器在这种与继电器相关的情形下最初能够确定正确的方向，但这种电压反相最终将超过极化记忆电压因而可能得出不正确的方向判断。极化记忆电压的时间常数越长，极化记忆电压可被用来提供正确的方向信息的时间也越长。
正如可以看出的，虽然在几种特定情况下长时间常数是理想地，但是当采用长时间常数时短时间常数的更多的一般的优点却被牺牲了。
因此，本发明的目的是提供一种继电器设备，其极化记忆电压具有一种具有更常规的短时间常数的优点，但也能够在长时间常数是理想的那些情况下提供好的结果。
为此，本发明提供一种保护继电器设备，包括多个继电器元件，该继电器元件利用由极化电压产生装置产生的极化记忆电压作为参考电压，与输电线上的电压值相比较以确定输电线上选定的故障工况，其中极化记忆电压根据正序电压而产生，并随正序电压的变化而变化，其中还包括：在极化记忆电压产生装置中的用于在该设备运行期间按照预先选定的准则在用于所述极化记忆电压的至少两个不同的时间常数之间自动改变的装置。
本发明还提供一种用于保护输电线的继电器设备，包括：用于根据正序电压产生极化记忆电压的装置，该极化记忆电压被继电器元件用作参考电压，与输电线上的电压值比较，以确定输电线上的选定的故障工况，其中极化记忆电压根据正序电压而产生，并随正序电压的变化而变化，该发生装置包括一个利用极化记忆电压的时间常数的记忆滤波器；以及在该设备运行期间，用于按照预先选定的准则在记忆滤波器中的至少两个不同的时间常数之间自动改变的装置。
附图是表示用于本发明的极化记忆回路的记忆滤波器和相关逻辑回路的回路图。
图中表示的本发明是一种在产生正序极化记忆电压(A相、B相和C相)时使用可变时间常数(至少两种不同的时间常数)的回路，时间常数的长度取决于极化记忆电压值与产生记忆电压更新值时所用的正序电压的当前值的相对百分比。在本发明中，有两个特定的时间常数，一个时间常数相对较短，它是通常采用的，除非当几种预先确定的特定工况中的一种被满足，这时时间常数就变为相对较长的时间常数。在本案例中，短时间常数为输电线路功率信号的1.75周期，而长时间常数为输电线功率信号的15.75周期。采用短的时间常数时，正序电压的最新值对于新的记忆电压值有较大的影响。采用长的时间常数，正序电压的改变将需更长的时间才完全对记忆电压产生影响。在所示实施例中，正序极化记忆电压是利用正序电压的每一采样计算出来的，每一功率信号周期内采样8次。这也可以改变。应当理解根据具体的应用可以采用不同的时间常数，而且更进一步，根据特定的情形和回路的特定设计，还可以采用多于两个，即多个时间常数。
两个或多个不同时间常数的采用使得继电器设备总体上对于继电器所保护的输电线上故障的确定更加可靠、用途广泛和安全。尤其是，相对较长时间常数的使用使继电器在几种短时间常数可能会提供不可靠结果的特定场合有好的表现。
现在具体参考附图，图中表示用来产生保护继电器中距离元件所用的极化记忆电压的总体回路，图中表示出记忆滤波器12，它响应于连续的正序电压采样VA1K以产生记忆电压VAPK。正序电压采样是通过其它回路得到的，如上面解释的，如通过正序滤波器得到。下标”K”表示当前(最新)采样和/或确定值。
最新正序电压采样VA1K被加到记忆滤波器12的双极开关13上，开关13通常处于位置A。在位置A，四分之一的新的(即最近的)正序电压被加到累加回路14。在时间上返回1/2周期(4个采样)的极化记忆电压值的四分之三，它已被存在顺序寄存器16中，也加到累加回路14上，以产生电压VAPK，新的记忆电压值。
在所示的实施例中，如上解释的，正序电压VA1的采样是每功率信号周期进行8次，因此正序极化电压VAP的确定也是每周期进行8次。VAP的每一值被加到寄存器16，寄存器中临时存放由累加器14确定的4个连续的VAP值。当前面确定的VAP的值可以被累加回路使用时，4个采样期间(1/2周期)已经过去了。寄存器16中存放的VAP值因而覆盖了被保护输电线路上电压的二分之一个周期。
当开关12位于A位置时，累加器14的输出，VAPK，即最新VAP值是相对较短的时间常数，即1.75周期，的结果。当极化记忆电压的新值的相应的构成是四分之一来自正序电压VA1K的最新值和四分之三来自退回1/2周期(4个采样)(以前)时刻的极化记忆电压VAP的值时，就产生这一“短”时间常数。
累加器14的输出被作为输入通过开关17加至三相相位旋转回路18，20和22。以1表示的相位旋转回路18在其输出线24上对输入信号不产生相位旋转。加在以a2表示的相位旋转装置20上的信号在其输出线26上具有240°相位旋转。以a表示的相位旋转回路22在其输出线28上对输入信号产生120°相位旋转。
输出线24，26和28上的值然后同时加至四分之一周期延时回路30以及定标器(scaler)32上。定标器32将加在其上的值按预定量减小。
定标器32的输出对每相是一对电压，一个电压为定标的极化记忆电压，例如A相的VA1memp，而另一电压是延迟90°的垂直信号，例如VA1memq。VB1值是相位旋转240°值而VC1是相位旋转120°值。从定标器32来的各对电压然后被加至减法单元34，在此从VA1中减去极化记忆电压VB1。类似地从VB1中减去VC1，从VC1中减去VA1。因而减法单元34的输出是VABmemp，VBCmemp和VCAmemp和它们的正交量。这些极化记忆电压然后被加至继电器的距离元件上用来与输电线上三相电信号的采样电压值进行相-相比较，例如在’492号专利中指出的。
以下解释侧重于本实施例表示的几种特定工况，在这些特定工况下记忆滤波器12使用15.75周期的长时间常数。当出现这样的情况时，开关13将从位置A移动至位置B，在此位置下正序电压VA1K的最新采样向新的极化记忆电压提供1/32，而1/2周期以前的极化记忆电压提供新值的31/32。如上所述，如果开关13没有象由于特定工况的出现而确定的那样处于长时间常数位置(位置B)，开关13保留在位置A，结果就采用短时间常数，即：在未出现特定工况时开关的缺省有效工作位置是位置A。
需采用长时间常数的某些工况要求知道极化记忆电压是否足够大以保持有效。因而，记忆滤波器12(A相)的输出VAPK被加至一绝对幅值确定回路38，该回路使用VAPK的正交值来确定绝对幅值。该极化记忆电压的绝对值然后由比较器36与1伏的阈值进行比较。如果该绝对值大于1伏，极化记忆电压就被认为是有效的，比较器36的输出线37上就出现一比特(bit)。但是，如果极化记忆电压小于1伏，这被认为是不充分的，继电器中的许多距离元件就被闭锁。
除了通过开关12加至记忆滤波器13以外，正序电压的最新确定值还被加到绝对值确定回路40，它使用正交信号确定绝对幅值。该值被与值1.05×VAPK(如上所述，它是极化记忆电压的最新值，即累加回路14的最新输出)进行比较。比较器42的“真”或者“高”的输出表示电压反相，这是长时间常数会有帮助的工况之一。比较器42的输出被作为输入加到与门44，还加到3周期记时器46。当比较器42的输出为真(高)时，记时器46的输出在等于3个功率信号周期内保持为低(0)。记时器46的低输出在与门44的非输入45产生高信号。因而，在比较器42产生高输出以后的3个周期内，从比较器42和记时器46向与门44的输入都是“高”。最后，如果既没有识别出失步(OSB)闭锁工况也没有识别出OSTI(失步跳闸)工况(从1/8周期时间以前)(OSB和OSTI为保护继电器中确定的通用的、众所周知的信号，本领域专业人员对其有清楚的理解)，从或门48的输出为低，因而在与门44的非输入47也产生高信号。
对上述工况而言与门44的所有输入因而都为高(在总共3个周期内)，所以与门44的输出在该时间期间内将为高，并输出到或门50，因而结果在端出端51产生“高”电平。从或门50的“高”或“1”的逻辑输出然后被加至记忆滤波器的开关13，使其改变到B位置，使得记忆电压值采用15.75周期的长时间常数。
当3周(24个采样)记时器46记时时间到了以后，与门44的输出将又回到低(0)，或门50的输出也为低(0)，开关13然后回到位置A，又采用1.75周期的短时间常数。3个周期通常对于消除电压反相的影响是足够的。但应该看到，失步闭锁工况或失步跳闸工况的产生将阻止与门44的输出变为高，因而比较器42进行的电压比较将不起作用(时间常数为短的)。
或门50产生高输出从而使得记忆滤波器采用长时间常数的另一种工况涉及最新正序电压值(其绝对值)与5伏的比较。如果正序电压小于5伏，比较器52的输出为低，在或门50的非输入端产生高信号，又使得或门50产生高输出，从而使开关13改变为位置B(长时间常数)。
比较器52的输出还作为输入加到与门54。其另一输入(为非输入)是比较器36的输出，为极化记忆电压有效的指示信号(VPOLV)。如果极化记忆电压有效，就产生一比特输出，与门54的非输入端变为低，从而与门54的输出也为低。但是，如果极化记忆电压最近(1/8周期前)被确定为无效(即低于1伏)，于是在这段时间内(记忆电压无效的时间)，与门54的非输入端就为高。
同时，如果最新正序电压高于5伏，与门54的输出将为高，其前沿将启动1.25周期记时器56，使其输出为高。记时器56的输出在以后的1.25周期(在所表示的本实施例中为10个连续采样)内将为高。记时器56的高输出将使开关17改变到位置B1，其作用是切断滤波器12。最新的正序电压VA1K将一个采样接着一个采样直接加到相位旋转装置以及循环通过的寄存器16中。这种布置的效果是在总共1.25周期内使记忆滤波器12和寄存器16“快速充电”。在1.25周期结束时，记时器56的输出将变回为低(0)，开关17将返回到A1位置，记忆滤波器12将又按照前面介绍的那样运行。
从以上可以看出，图1的电路包括典型地相对短的时间常数用于极化记忆电压的记忆滤波器，该极化记忆电压是从正序电压得来的。但是，在被电路中的各种其它部分识别出的几种特定的系统工况下，使用相对长的时间常数。此外，在其它工况下会出现某些其它条件，例如为了可靠性和记忆滤波器的快速充电的记忆电压最小值。如前面所述，具有一个以上的记忆电压使得保护继电器更可靠、用途更广泛，而且能克服以往采用单一时间常数的继电器的某些固有缺点。
尽管这里为了进行解释公开了本发明的一最佳实施例，但应当明白只要不背离下面的权利要求中确定的本发明的宗旨，就可在这一实施例上进行各种改变、修正和替换。

Claims (13)

1.一种保护继电器设备，包括多个继电器元件，该继电器元件利用由极化电压产生装置产生的极化记忆电压作为参考电压，与输电线上的电压值相比较以确定输电线上选定的故障工况，其中极化记忆电压根据正序电压而产生，并随正序电压的变化而变化，其中还包括：
在极化记忆电压产生装置中的用于在该设备运行期间按照预先选定的准则在用于所述极化记忆电压的至少两个不同的时间常数之间自动改变的装置。
2.根据权利要求1的继电器设备，其中一个时间常数相对较短而另一个时间常数相对较长。
3.根据权利要求2的继电器设备，其中一个时间常数约为1.75周期而另一时间常数约为15.75周期。
4.根据权利要求1的继电器设备，包括确定极化记忆电压是否具有最小预定幅值的装置和如果极化记忆电压没有达到所述最小幅值时用来闭锁一定的继电器元件的装置。
5.根据权利要求2的继电器设备，其中正序电压被用来产生极化记忆电压并且当正序电压小于大约5伏时，采用较长的时间常数。
6.根据权利要求2的继电器设备，其中当最新的正序电压大于刚刚过去的极化记忆电压的1.05倍时，选用较长的时间常数。
7.根据权利要求6的继电器设备，其中较长的时间常数仅被利用约3个周期。
8.根据权利要求4的继电器设备，其中当上一个极化记忆电压采样无效时，大于5伏的正序电压最新值的出现使得所述正序电压及其连续的值在一选定的时间期间内独自被用来产生新的极化电压值。
9.根据权利要求1的继电器设备，其中极化记忆电压产生装置包括一记忆滤波器，它根据最近的正序电压值和以前的极化记忆电压值产生记忆电压，而且其中所述自动装置包括用来在正序电压和以前的极化记忆电压值的不同比值间进行改变以产生不同的时间常数的装置。
10.根据权利要求9的继电器设备，其中所述预先选定的准则取决于正序电压的幅值和极化记忆电压的幅值。
11.一种用于保护输电线的继电器设备，包括：
用于根据正序电压产生极化记忆电压的装置，该极化记忆电压被继电器元件用作参考电压，与输电线上的电压值比较，以确定输电线上的选定的故障工况，其中极化记忆电压根据正序电压而产生，并随正序电压的变化而变化，该发生装置包括一个利用极化记忆电压的时间常数的记忆滤波器；以及
在该设备运行期间，用于按照预先选定的准则在记忆滤波器中的至少两个不同的时间常数之间自动改变的装置。
12.根据权利要求11的继电器设备，其中一个时间常数相对较短而另一个时间常数相对较长。
13.根据权利要求12的继电器设备，其中一个时间常数约为1.75周期而另一时间常数约为15.75周期。
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