CN1078760C - 具有自动保护断路器的电力配电系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的电力配电系统，包括分布在不同级别上的多个自动保护断路器(10，11，…；20，21，…)，每个保护断路器包括一断开保护断路器的电子保护单元(15)。还设有使保护断路器互连以交换有关它们断开或闭合状态信息的装置(17，18，19；27，28，29)。保护断路器的断开取决于保护断路器中所流电流值(i(t))及其导数(di(t)/dt)。对相互联锁的保护断路器(10，11，…；20，21，…)控制的方法要求，当某一保护断路器检测出故障状况时，便将此情况通报给高一级保护断路器(假定有的话)，阻断其断开动作。
Description
本发明涉及一种电力配电系统，具体来说，涉及包括自动保护断路器在内的那些中、低电压系统。
更为具体的来说，本发明涉及一种包含在各种级别上分布的自动保护断路器的电力配电系统。本发明还包括一种控制自动保护断路器介入顺序的方法，使这些自动保护断路器相互联锁，有选择地介入切断系统故障部分。
目前利用自动保护断路器对这些电力配电系统加以保护，其中，利用基于故障电流电动效应的典型机电设备对电流值接近闸断能力的短路故障提供保护，这些机电设备具有毫秒级的响应时间。
配电网路具有多个所述保护断路器，它们分级分布，以便有选择地将停电事故限于故障所影响的电网部分或地域。
目前，通过利用不同电流值和保护设备不同的介入时间值及由其大小(故也由断开机件质量)所决定的不同机械惯量，来实现各种保护断路器之间这种选择性。
换言之，与系统中向相等数量的负载或分部供电的几个其他保护断路器均相连的保护断路器对保护设备具有较高设定值，比供电的保护断路器大，具有更大的惯量，因而它对供电的较小保护断路器的下游故障是不介入的。对于故障电流可能波及的所有较高级别当然也有这种情形发生。
保护断路器大小进而成为保护断路器标定电流的函数，因而通过必须保证选择性需要，系统中大小的分配不仅基于各节点出现的工作电流值，而且基于选择性需要，这些选择性需要通常要求系统短路电流持续时间比中断故障电流实际所需时间要长。
而要使故障能量即损失降为最小，则需要尽可能快的介入，从保护断路器当中选择出实际上必须介入的那个保护断路器这种需要减慢了保护性介入。因而，现有技术中的常规系统不允许象对待保护断路器那样对电力配电系统的大小分配进行优化。
美国专利US-5,181,155揭示了一种开关的控制电路，具体来说是适合随过电流状况打开开关的电路。但该专利并非涉及一种所具有的多个联动开关每一个都具有控制单元的系统。
本发明目的在于，克服现有技术缺点，具体来说，提供一种具有优化的保护断路器大小分配，保证迅速介入和确实的选择性这两项特性的电力配电系统。
通过本发明来实现上述目的，本发明包括至少分两级分布的多个自动保护断路器，其特征在于，每一保护断路器包括一电子保护单元，根据保护断路器中流过的电流值(i(t))及其导数(di(t)/dt)断开保护断路器，设有使保护断路器互连的装置，以便除了交换其状态外还交换故障状况信息。
本发明还包括对电力配电系统中自动保护断路器的介入顺序进行控制的方法，这些自动保护断路器相互联锁，至少分两级分布，其特征在于，保护断路器检测出故障状况时，所述保护断路器向高一级保护断路器通报此状况，阻断其断开动作，高一级保护断路器若是检测出相同故障状况，有上游保护断路器的话，就向该上游保护断路器通报相应信息，阻断其断开动作；所述通报进程当达到结构最高一级时或不再有某个保护断路器检测出故障状况时便停止。
最好是，故障检测基于环路电流瞬时值及其导数两者进行。
本发明其他特征和优点在从属权利要求中叙述。
现参照涉及本发明两例较佳、但非限定性实施例的附图说明本发明。其中：
图1是本发明电力配电系统的局部示意图；
图2是本发明所用的保护断路器具有的获取电流值(i(t))，对所述电流值进行数字处理，启动断开活动系统的结构图；
图3绘制一例可接受工作状况组合；
图4是单个保护断路器联锁结构(分成两部分)的示意图；
图5是通过短连接联锁的保护断路器的配置图；以及
图6是通过长连接联锁的保护断路器的配置图。
各个图中，相同标号用于标注相同或基本上等效的部件。
图1示意性地图示本发明电力配电系统的局部，它包括一包含保护断路器10和与该第一保护断路器级联连接的四个保护断路器11、12、13和14在内的配电板I，所述四个保护断路器11-14中的每一个向相应负载供电。系统可以用于三相配电(用三路或四路线)、两相配电和相线-中性线配电，但为了方便图示起见，图1中用单路线示出。
而且，图1仅仅示出由配电板II组成的负载，该配电板也包含与四个保护断路器21、22、23和24级联连接的保护断路器20，所述四个保护断路器中的每一个再与后面的负载(未图示)连接。
图1中除了示出允许电力流过的保护断路器之间的连线(粗线示出)，还示出信息在其上传送的连线17、18、19、27、28和29；所述信息在各个保护断路器之间单向或双向交换。
图1清楚地示出保护断路器分布在各个级别上(图中示意的是四个级别)，与“主”保护断路器10和20还可以并联相同级别的其他保护断路器。最后要说明的是，图1中示范示出的系统星形配置是非限定性的。
在有例如影响保护断路器24的故障(保护断路器24下游电路中有短路或接地故障电流)发生时，本发明系统提供一种不仅保证保护断路器24迅速断开，而且保证较高级别的保护断路器20、14和10仍然闭合的联锁状态。
再参见图4，系统的基本元件由单个保护断路器10构成，它又分为分别标注为“父”部10A和“子”部10B两部分。
每一保护断路器能够与两者属于同一配电板和不同配电板的上游及下游保护断路器通信。按照本发明，对于每一保护断路器定义分别以“上行连接”和“下行连接”术语命名的两种连接。
“上行连接”标识与保护断路器所谓“子”部10B的连接，而“下行连接”则标识与保护断路器所谓“父”部10A的连接。因而，保护断路器对于下一低级别的保护断路器而言为父，而对于与之相连的上游保护断路器而言又同时为子。
保护断路器检测出故障状况时，便将此情况通报给高一级别的保护断路器的“父”部，从而阻止其断开动作。若接收信息的保护断路器又是上游保护断路器之“子”，也检测出相同故障状况的话，便将此状况通报给其“父”保护断路器，依次类推。通信进程在以下两种情形之一时停止，即，当达到该结构的最高一级时，或是该通信网中的保护断路器未检测出故障时，通信进程便停止。应注意，多个“子”可以同时通报。
图2更为详细地图示本发明所用的获取和处理保护断路器电流值(i(t))部分其组成元件的结构。
所述结构包括一主电流传感器1，能够检测与保护断路器连接的电力导线中循环的电流。传感器1与电子保护部15连接，该保护部以相互串联配置方式包括变换器2、A/D变换器3和滤波器4。滤波器4输出直接与处理单元6相连，也通过一能够计算输入信号导数的模块5与处理单元6相连。
处理单元6具有存储器7，其输出与启动一活动系统9以断开保护断路器的保护断路器跳闸线圈8连接。
上述保护断路器的动作如下所述。传感器1对主电路中循环的电流进行检测，并由变换器2将所生成的模拟信号变换为电压信号。接着由模数变换器3将电压信号变换为数字形式(以便于数字处理)，再由滤波器4滤波，滤波器4属于反峰值型，引入的延迟最小。
滤波器4最好是三阶椭圆数字滤波器，具有1KHz截止频率。故障检测基于电流瞬时值(变换为电压)及其导数，滤波具有防止具有相对较低电流值(因而不可以描述为短路)却具有较高一阶导数值的信号危及总体保护性能的作用。
模块5计算代表循环电流的信号(i(t))导数di(t)/dt的瞬时值。模块5最好采用导通带宽为5KHz的二阶导数(数字)滤波器，它足以精确地检测短路故障电流的导数。
处理单元6便由输入端接收代表该电流的信号和代表其导数的信号，这两个数值定义如图3所示i(t)-di(t)/dt平面上一点或向量。
图3图示出可接受的作用区A，即定义了正常工作状态下各点的轨迹，包括那些过载但并非短路的点。区域A以外的点则表明异常工作状况或总是需要保护性介入的状况。
在此平面中，时间可变电流在图中定义一条诸如由T1和T2标注的路径。只要所述路径例如T2仍位于区域A(或非短路区)内，此情形视为“正常”。
若图中路径T1离开此区域，此情形便视为短路。模块6中就这样时时在主电路得出的成对变量i(t)及di(t)/dt与非短路区域得出的成对变量之间执行比较。
当通报故障状况时，器件便向螺线线圈8发送跳闸信号，通过对其活动系统作用断开保护断路器。
按照本发明，为了保证必要的选择性，在位于系统不同节点上可能会同时检测出故障的保护断路器之间确保信息交换。
通信特别迅速，以便确保在某一时刻确保保护断路器之间交换信息，在此时刻，一方面保证直接有关的保护断路器在电流达到过高值之前介入，另一方面允许阻断其他的上游故障保护断路器。典型地来说，在100毫秒以内实现与下一级的通信。
通过复制各个保护断路器间交换的消息，利用对实现传输的传输介质及电路元件的效率和纠错功能所进行的自监控(由电子保护自身执行)，来达到通信系统的可靠性。
如上所述，本系统目的在于，当位于下游的保护断路器已经认定故障时避免高一级保护闸断开。系统处理短路和接地两种故障。
通信系统能够通报几种故障状况。具体考虑由代码E、G、和SOS标注的消息相关的故障。E消息表明下游检测出的EFDP(早期故障检测预防，即短路故障)型。G消息表明接地故障，SOS消息表明因下游机械故障而产生的断开命令。
表1示出这种联锁通信模式或组合。
(表1)
消息
010EEGGSS
其中信号电平可以假定为低值(0)或高值(1)。消息前3位构成一固定的同步信号，而余下的消息则含有数据。前3位总具有010组合，这允许对任何同步的丧失进行弥补。下面表2列出所有可能的消息组合，可以看出“010”组合总是出现在同一位置，即同步组合开始的位置。
(表2)
| E E G G S S | E E | ||||||||||||
| 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 1 | 1 |
| 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 1 |
| 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 1 | 1 |
| 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 1 |
| 0 | 1 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 1 | 1 |
| 0 | 1 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 1 |
| 0 | 1 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 1 | 1 |
| 0 | 1 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 1 |
后6位则用于三种可能的“单纯”状态信息E、G和S，状态信息重复2位(EE、GG、SS)是为了提高对噪声的抗干扰性。这些位的电平1表明有相应故障出现，而电平0则表明没有故障。
通信期间有一还包括同步在内的启动步骤。
根据保护断路器(在相同配电板或不同配电板内)的分布，规定两种不同的连接。保护断路器属于同一配电板时，提供的是“短”连接，因而通信路径不超过10米。在这种情形下，有一父保护断路器与多个子保护断路器连接，通过示范如图5所示，其中图示了具有短连线18的联锁保护断路器的典型组合。为方便起见，图中仅仅示出信息传送连线。
保护断路器属于不同配电板，通信路径长度长达1km时，便提供“长”连接。在这种情形下，父保护断路器与单个子保护断路器之间的连接为单根连线。
对于长连接，由于通信路径的长度比以前的要长得多，因而通常提供电气绝缘，以及对单端至平衡或差分的通信线进行阻抗匹配，并滤除对传输线造成干扰的噪声。长连接还提供给具有相应替代硬件(改变适配器和传输介质)的光纤应用。在某些具体配置中，可以省略阻抗匹配(具有隔离变压器和光纤两者)。
图6示出通过长连接联锁的保护断路器的典型配置，其中在线34和联锁通信模块30及31之间插入一外部模块(图中分别为32及33)。如图所示，所述模块32、33每一个包括一具有同线34相平衡绕组和噪声滤除模块的隔离变压器。实践中，要求用“短”或“长”连接不仅取决于所述连接的“长度”，还取决于是否需要一个以上子保护断路器，或在特定结构中是否需要单向连接。因而，连接以及有关的硬件及算法均可以根据各种可能的需要来提供。
Claims (12)
1.一种电力配电系统，包括多个至少分两级分布的自动保护断路器(10，11；20，21)，每一保护断路器包括一电子保护单元(15)，根据保护断路器中流过的电流值(i(t))及其导数(di(t)/dt)断开保护断路器，其特征在于，设有使保护断路器互连的装置(17，18，19；27，28，29)，以便除了交换其状态外还交换故障状况信息。
2.如权利要求1所述的电力配电系统，其特征在于，每一保护断路器分成两部分，分别为“父”部分(10A，11A)和“子”部分(10B，11B)，连接装置使同一级保护断路器(11，12…21，22)的“子”部分(11B，12B，21B，22B)互连(18，28)，并将它们与高一级保护断路器(10)的“父”部分(10A，20A)连接，将保护断路器(14)的“父”部分(14A)与低一级保护断路器(20)的“子”部分(20B)连接(19)。
3.如权利要求2所述的电力配电系统，其特征在于，系统至少具有一个主保护断路器(10；20)和多个相对于该主保护断路器(10；20)级联连接的保护断路器(11，12，13，14；21，22，23，24)。
4.如权利要求3所述的电力配电系统，其特征在于，当保护断路器属于同一级时，它们通过双向连接或“短”连接来连接。
5.如权利要求3所述的电力配电系统，其特征在于，当保护断路器属于不同级时，它们通过单向连接或“长”连接来连接。
6.如权利要求5所述的电力配电系统，其特征在于，“长”连接可以采用外部模块(32，33)，每一个模块包括一具有平衡绕组和噪声滤除模块的隔离变压器。
7.如权利要求1所述的电力配电系统，其特征在于，电子保护单元(15)包括一与A/D变换器(3)和滤波器(4)串联连接的变换器(2)，滤波器(4)的输出直接和通过一能够计算输入信号导数的模块(5)与一处理单元(6)连接，有一存储器(7)与该处理单元(6)连接。
8.如权利要求7所述的电力配电系统，其特征在于，处理单元(6)的输出与使保护断路器跳闸的设备(8)连接。
9.如权利要求8所述的电力配电系统，其特征在于，具有与电子保护单元(15)连接的主电流传感器(1)。
10.如权利要求1所述的电力配电系统，其特征在于，该电力配电系统为中、低电压系统。
11.一种电力配电系统中对自动保护断路器(10，11；20，21)的介入顺序进行控制的方法，所述保护断路器相互联锁，至少分两级分布，其特征在于，保护断路器检测出故障状况时，便向高一级保护断路器通报此状况，阻断其断开动作，高一级保护断路器通过检测出相同故障状况，向上游保护断路器通报相应信息，若出现这种情形，便阻断其断开动作；所述通信进程当达到结构最高一级时或不再有某个保护断路器检测出故障状况时便停止。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，故障状况是基于保护断路器中所流电流值(i(t))及其导数(di(t)/dt)判定的。
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