CN108475913A

CN108475913A - 用于电流差动保护的方法和控制设备

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Publication number: CN108475913A
Application number: CN201680078254.2A
Authority: CN
Inventors: S·福斯曼; I·布尔恩齐奇; 施展鹏
Original assignee: ABB Technology AG
Current assignee: Hitachi Energy Co ltd
Priority date: 2016-01-27
Filing date: 2016-01-27
Publication date: 2018-08-31
Anticipated expiration: 2036-01-27
Also published as: US10243351B2; CN108475913B; WO2017129233A1; EP3408910B1; EP3408910A1; US20180358802A1

Abstract

公开了一种在控制设备(2)中执行的电流差动保护的方法(20)，其中控制设备(2)具有带有差动特性拾取设置I_D的第一操作抑制特性。方法(20)包括：确定(21)受保护对象(3)的所有端子的电流；基于所确定的电流来确定(22)差动电流；确定(23)相应的所确定的电流中的直流DC分量(I_DC)；检测(24)故障；以及针对检测到的外部故障，通过将经调节的差动特性拾取设置I_{D_adj}设置为等于差动特性拾取设置I_D和所确定的DC分量(I_DC)的总和来调节(25)操作抑制特性，以提供经调整的操作抑制特性。还公开了对应的控制设备(2)、计算机程序和计算机程序产品。

Description

用于电流差动保护的方法和控制设备

技术领域

本文中公开的技术总体上涉及电力系统保护领域，并且特别地涉及用于电流差动保护的方法和控制设备。

背景技术

电流差动保护是电力系统中可靠和广泛使用的用于保护的方法。它基于测量受保护区域两侧或受保护对象两侧上的电流并且计算它们之间的差值从而给出差动电流的这一想法。电流通常借助于电流互感器(CT)而被测量。受保护对象或区域可以是电力系统的任何部分，例如传输线路、变压器、发电机或母线。

图1是示出通常的电流差动保护的操作抑制特性的图。即使在没有内部故障时，例如由于电流互感器误差，差动电流I_DIFF(y轴)也可能不同于(预期的)零。通常情况下，在大多数实现中，当差动信号高于设置的拾取值时，会给出操作信号(跳闸命令)，设置的拾取值是用于解决引起错误差动电流的误差的差动特性拾取设置。也就是说，设置的拾取值被用于防止错误差动电流，从而不会不必要地抑制所保护对象。

也被表示为操作电流、操作水平或操作点的差动电流I_D(y轴)是偏置电流I_BIAS(x轴)(也被表示为抑制电流)的函数。抑制特性是实现电流差动保护的保护继电器将用于抑制受保护对象的电流量的度量。电流量是基于在相应的CT位置处测量的电流。基本上，只要差动电流低于差动特性拾取值(即，位于图1中表示为抑制区的区域中)，则电力系统是可操作的，并且如果差动电流高于差动特性拾取值(即，位于图1中表示为操作区的区域中)，则断路器应当被跳闸(被断开)以避免损坏由电流差动保护所保护的对象。

操作抑制特性意图是在具有非常高的故障电流的外部故障期间确保电流差动保护的操作。

在这样的外部故障期间，极高的故障电流可能会给所测量的电流值带来很大的误差，并且还可能使主CT发生饱和，进而这可能导致差动保护的误操作。为了防止因CT饱和引起的误操作，当在外部故障期间CT饱和时，可以采用附加逻辑来阻断差动保护功能。基于负/零序电流的谐波阻断、内部/外部故障鉴别器是这种功能的示例。但是，这些功能(或方法)并不能总是防止电流差动保护的误操作。

发明内容

一个问题在于，直流(DC)分量不能被CT和受保护对象(例如，电力变压器)正确地转换。在这种情况下，如图2所示，错误的差动电流以非常高的DC分量出现。

图2图示了示出在外部故障期间的三相差动电流(上图)和DC分量(下图)的图。外部故障会导致非常高的故障电流：在图中，电流中的总的DC分量被示出为接近3000A(y轴)。通常的情况是，这种错误的差动电流的二次谐波可能暂时很低，并且因此当使用谐波阻断方法时，短的不需要的跳闸命令是可能的。

鉴于上述情况，显然，希望提供对电流差动保护的改进。

本发明的目的是提供改进的电流差动保护方法，该方法能够对不同类型的故障做出适当的反应，从而避免诸如误操作和不需要的断路器的跳闸。

在一个方面，目的通过在控制设备中执行的电流差动保护的方法来实现，其中控制设备具有带有差动特性拾取设置的第一操作抑制特性。方法包括确定受保护对象的所有端子的电流；基于所确定的电流来确定差动电流；确定相应的所确定的电流中的直流分量；检测故障；以及针对检测到的外部故障，通过将经调节的差动特性拾取设置设置为等于差动特性拾取设置与所确定的DC分量的总和来调节操作抑制特性，以提供经调节的操作抑制特性。

方法带来了几个优点和改进。方法使差动保护的操作抑制特性适应用于不同类型的故障。此外，方法使得特性能够保持针对内部故障的高灵敏度。此外，特性对于所有外部故障都是稳定的，特别是对于电流中具有长时间常数的DC分量的情况。

在一个方面，目的通过用于电流差动保护的控制设备中的计算机程序来实现。计算机程序包括计算机程序代码，当计算机程序代码在控制设备上的至少一个处理器上执行时，计算机程序代码使得控制设备执行如上所述的方法。

在一个方面，目的通过包括如上所述的计算机程序和计算机可读装置的计算机程序产品来实现，计算机程序被存储在计算机可读装置上。

在一个方面，目的通过被布置为通过电流差动保护来保护电力系统的对象的控制设备来实现。控制设备具有带有差动特性拾取设置的第一操作抑制特性。控制设备被配置成：确定受保护对象的所有端子的电流；基于所确定的电流来确定差动电流；确定相应的所确定的电流中的直流DC分量；检测故障；以及针对检测到的外部故障，通过将经调节的差动特性拾取设置设置为等于差动特性拾取设置I_D和所确定的DC分量的总和来调节操作抑制特性，以提供经调节的操作抑制特性。

通过阅读以下描述和附图，本发明的其它特征和优点将变得清楚。

附图说明

图1是示出通常的电流差动保护的操作抑制特性的图。

图2图示了示出在外部故障期间的错误的差动电流和DC分量的图。

图3a和3b示意性地示出其中可以实现本发明的实施例的电力系统。

图4示出自适应电流差动保护的通常操作特性。

图5示出已知的变压器差动保护的测试结果。

图6示出根据本发明的自适应电流差动保护的测试结果。

图7示出根据本发明的控制器中的方法的步骤的流程图。

图8示意性地示出用于实现本发明的实施例的控制设备和装置。

具体实施方式

在下面的描述中，出于解释而非限制的目的，阐述了诸如特定架构、接口、技术等具体细节以便提供透彻理解。在其它实例中，省略了对公知的设备、电路和方法的详细描述，以免不必要的细节混淆描述。整个说明书中相同的附图标记指代相同或相似的元件。

图3a示意性示出了其中可以实现本发明的实施例的电力系统1(在下文中表示为电力系统1)。要保护的对象3被示意性地示出，并且可以是例如发电机、电力线路(或其一部分)、电力变压器或母线等。对象3由控制设备2保护，控制设备2例如可以包括保护继电器或差动继电器。

电力系统1包括电流感测装置，例如电流互感器4a、4b，电流感测装置被布置在受保护对象3的相应侧上，以将电流转换降至可以测量的水平。控制设备2经由电流互感器4a、4b连接至受保护对象3。电流互感器4a、4b被布置为感测在对象3的相应侧上的电流。电流互感器4a、4b可以分别被布置为提供与流入受保护对象3的电流和从受保护对象3流出的电流成比例的信号。

控制设备2(例如，保护继电器)被布置为感测故障并且在检测到任何故障时启动切断命令(也被称为启动跳闸命令)。为了检测故障，控制设备2接收来自电流互感器4a、4b的信号，如所提及的，这些信号通常与流入受保护对象3的电流和从受保护对象3流出的电流成比例。

电力系统1还包括被布置为基于从控制设备2接收的命令来断开或闭合电力系统1的多个断路器5a、5b。电力系统1可以包括传统上在电力系统中使用的另外的装置(未示出)。例如，可以提供用于感测电力线路上的电压的装置，诸如用于将电力系统1的高电压降压到用于控制设备2进行处理的便利水平的电压互感器。

作为示例，图3b示出了其中要保护的对象3是电力变压器3并且控制设备2是差动继电器的情况。电力变压器3的初级(基准)侧上的电流与电力变压器的次级侧上的电流(被称为参考侧)相比较，其中电流由相应的电流互感器4a、4b测量(与图3a相比，在图3b中更详细地示出了相应的电流互感器4a、4b)。当存在差异时，则假定存在故障并且断路器5a、5b被断开以保护电力变压器。在正常情况下，当使用相同的基准并且相反时，初级侧上的电流和次级侧上的电流相等，使得通过差动继电器2的合成电流为零。

要注意的是，图3a、3b的双端子系统纯粹作为示例提供，并且本发明也可以在多端子系统中实现。在这种多端子系统中，控制设备2将通过组合受保护设备3的所有端子处的电流来形成差动信号。

控制设备2还可以包括用于确定故障是内部还是外部故障的控制电路，并且相应地向断路器5a、5b发出命令。

本文中省略了关于电流互感器4a、4b本身或其它电流检测装置以及断路器的细节，以便不会使该描述变得模糊，并且要注意的是，可以使用现有的电流互感器和断路器。

为了对不同类型的故障做出适当的反应，本发明提供了自适应电流差动保护方法。该方法消除了在故障期间具有长时间常数的电流中的DC分量的影响。该方法例如对于变压器差动保护(如关于图3b所述)是有利的。

自适应电流差动保护方法可以在具有长时间常数的DC分量的外部故障期间自动调节操作抑制特性。当检测到外部故障时，该方法可以开始监测DC分量的过程，并且调节针对由电流中的DC分量引起的可能的CT饱和状态的操作抑制特性。

图4示出了根据本发明的自适应电流差动保护的简化的操作抑制特性。I_D是操作抑制特性的差动特性拾取设置，并且I_DC是在与故障电流相对应的差动电流中的计算出的DC分量值。

例如，假定在双端子系统中由电流差动保护测量的电流是I_L和I_R。测量这些电流I_L、I_R中的DC分量I_{L_DC}和I_{R_DC}。DC分量I_DC根据下式来确定：

在根据本发明的算法中，I_DC是来自所有端子(在这个示例中是两个)的DC分量，并且在检测到外部故障时与初始差动特性拾取设置I_D相加。操作抑制特性因此减小了针对外部故障的灵敏度并且保持了针对内部故障的原始灵敏度。

仍然参考图4，这些图示出了如何在以下情况之间调整差动特性拾取设置I_D(最下面的图)：在检测到故障之前，在检测到外部故障时(I_D被调整为I_D+I_DC)，以及在故障之后。在故障检测之前，差动特性拾取设置I_D是根据初始设置(参见下面且最左边的图)，即根据由实现该方法的保护设备的制造商给出的具体特性。当检测到外部故障时，根据上述等式改变操作抑制特性(参见最中间的下面的图)。特别地，通过增大操作水平来降低差动特性拾取灵敏度。最后，在故障之后，操作抑制特性回到其正常差动特性拾取设置I_D。

通过使用自适应解决方案，电流差动保护消除了由DC分量引起的CT饱和的影响，并且在外部故障期间保持稳定操作。

该方法的处理步骤可以总结为：

1.对于任何电流差动保护，确定所有端子的电流。例如，这可以通过测量、通过计算或通过获取(诸如接收或询问)来自CT 4a、4b的值来进行。作为示例，这给出了瞬时电流值i₁、i₂、...、i_n。

2.根据电流差动保护的操作抑制特性来确定(例如，计算)抑制电流和操作值。这可以以不同的方式来进行，并且可以根据例如要保护的对象而不同。作为示例，抑制电流例如可以被确定为

I_bias＝k((|i₁|+|i₂|+...+|i_n|)

其中k是常数。

3.确定(例如，计算)差动电流。差动电流也可以以不同的方式确定，但是通常基于所有端子处的电流的组合，例如i_diff＝(i₁+i₂+...+i_n)。

4.基于以上所确定的差动电流来确定故障类型(内部故障还是外部故障)。该确定例如可以基于序分量(负序电流或零序电流)或增量分量(纯故障电流)或某种其它方法。

5.确定在步骤1中确定的瞬时电流中的DC分量。

6.根据以下说明来调节差动特性拾取设置I_D：如果存在内部故障，则I_D等于原始I_D(I_D＝I_D+0)，并且如果存在外部故障，则I_D等于原始I_D值和DC分量的总和(I_D＝I_D+I_DC)。

7.比较来自步骤3和步骤6的结果。如果差动电流高于操作值，则检测到故障并且发出跳闸信号。否则，电流差动保护保持稳定。

图5示出了针对外部故障的已知的变压器差动保护的测试结果。最上面的图示出了瞬时差动电流，其下面的图示出了这些电流中的总的DC分量。如图5中的测试结果所示，典型的差动保护由于错误的差动电流而误操作。这导致已知的差动保护在错误的差动电流超过操作值时发出断路器的不需要的跳闸。

图6示出了根据本发明的自适应电流差动保护的测试结果。以与图5中针对已知的差动保护而示出的测试结果相对应的方式，示出了针对外部故障的测试结果。与已知方法(图5)不同，借助于本发明避免了断路器的不需要的跳闸。仿真结果表明，当使用根据本发明的方法时，自适应差动保护在具有高DC分量的外部故障期间保持稳定。当检测到外部故障时，使操作抑制特性不敏感并且DC分量被添加到操作值。差动保护没有发出跳闸信号，从而与已知的差动保护相比，该方法提供了改进。

已经描述的特征和实施例可以以不同的方式组合，下面给出其示例。

图7示出了根据本发明的控制器中的方法的步骤的流程图。

提供了电流差动保护的方法20。方法20可以在控制设备2中被执行，控制设备2具有带有差动特性拾取设置I_D的第一操作抑制特性。该差动特性拾取设置I_D对于所讨论的保护设备可以是特定的，这例如取决于实现，并且可以已经由保护设备的制造商设置。带有差动特性拾取设置I_D的第一操作抑制特性例如可以包括图4的最下面的左侧图中所示的图。

方法20包括确定21受保护对象3的所有端子的电流。去往和来自受保护对象3的电流可以通过电流互感器4a、4b来测量，并且测量信号可以提供给控制设备2。要注意的是，取决于受保护对象3，可能需要对信号进行一些预处理。例如，如果受保护对象3包括三相变压器，则可以根据绕组连接的类型引入初级电流与次级电流之间的角位移，并且在任何比较之前可能需要通过信号预处理来调节这种角位移。

方法20包括基于所确定的电流来确定22差动电流。差动电流的确定22可以包括计算端子的所确定的电流之间的差值作为所有端子上的电流的组合，例如，线性组合。差动电流在负载下(理想情况下)为零，并且在内部故障期间等于故障电流。

方法20包括确定23在相应的所确定的电流中的直流DC分量，其表示为I_DC。

方法20包括检测24故障。该检测24可以以任何已知的方式执行，例如(并且如前所述)，可以使用负序电流或零序方法或增量电流方法。

方法20包括针对检测到的外部故障，通过将经调节的差动特性拾取设置I_{D_adj}设置为等于差动特性拾取设置I_D和所确定的DC分量的电流I_DC的总和来调节25的操作抑制特性，以提供经调整的操作抑制特性。具有经调节的差动特性拾取设置I_{D_adj}的经调整的操作抑制特性例如可以包括图4的最底部中间图中所示的图。经调节的差动特性拾取设置I_{D_adj}继而等于I_D+I_DC。

方法20提供了各种优点。差动保护的操作抑制特性变得适应于不同类型的故障，特别是外部故障与内部故障。对于内部故障，操作抑制特性保持高灵敏度，而对于外部故障，灵敏度(I_D)被减小。操作抑制特性对于所有外部故障是稳定的，特别是在电流中具有长时间常数的DC分量的情况下。

在实施例中，方法20包括当所确定的差动电流在经调整的操作抑制特性的操作区域内时发出用于断开一个或多个断路器5a、5b的跳闸信号。

在实施例中，方法包括，对于内部检测到的故障，当所确定的差动电流在第一操作抑制特性的操作区域内时发出用于断开一个或多个断路器5a、5b的跳闸信号。

在实施例中，对象3包括变压器。方法20特别地适用于保护例如变压器以及受保护对象靠近时间常数长(例如，超过100毫秒)的发电机的情况。

在不同的实施例中，检测24故障包括使用负序电流方法、零序电流方法或增量电流方法。

图8示意性地示出了用于实现本发明的实施例的控制设备和装置。控制设备2包括处理器30，处理器30包括能够执行存储在存储器31(其因此可以是计算机程序产品)中的软件指令(例如，计算机程序32)的中央处理单元(CPU)、多处理器、微控制器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路等中的一个或多个的任意组合。处理器30可以被配置成执行例如如关于图7所描述的方法20的各种实施例中的任何实施例。

存储器31可以是读写存储器(RAM)和只读存储器(ROM)、闪存、磁带、光盘(CD)-ROM、数字多功能盘(DVD)、蓝光盘等的任何组合。存储器31还可以包括永久存储器，永久存储器例如可以是磁存储器、光学存储器、固态存储器或甚至远程安装的存储器中的任何单个或组合。

控制设备2包括用于与其它设备通信的输入/输出设备33(在图中表示为I/O)。输入/输出设备33例如可以包括用于接收来自CT 4a、4b的信号并且向CB 5a、5b发送信号的接口、协议栈等。控制设备2也可以包括其它接口，例如，使得操作员能够远程地访问它。

控制设备2可以包括用于实现根据本发明的各种实施例的用附图标记34示意性地表示的附加的处理电路。

提供了被布置为通过电流差动保护来保护电力系统1的对象3的控制设备2。例如，控制设备2可以被布置用于如参考图3a和图3b所描述的这样的保护功能。控制设备2具有带有差动特性拾取设置I_D的第一操作抑制特性。控制设备2被配置成：

-确定受保护对象3的所有端子的电流，

-基于所确定的电流来确定差动电流，

-确定在相应的所确定的电流中的直流DC分量I_DC，

-检测故障，以及

-针对检测到的外部故障，通过将经调节的差动特性拾取设置I_{D_adj}设置为等于差动特性拾取设置I_D和所确定的DC分量IDC的总和来调节操作抑制特性，以提供经调整的操作抑制特性。

控制设备2可以被配置成例如通过包括一个或多个处理器30和存储器31来执行上述步骤，存储器31包含能够由处理器30执行的指令，由此控制设备2可操作以执行这些步骤。

在实施例中，控制设备2被配置成当所确定的差动电流在经调整的操作抑制特性的操作区域内时发出用于断开一个或多个断路器5a、5b的跳闸信号。

在实施例中，控制设备2被配置成针对内部检测到的故障，当所确定的差动电流在第一操作抑制特性的操作区域内时发出用于断开一个或多个断路器5a、5b的跳闸信号。也就是说，对于内部检测到的故障，使用第一操作抑制特性。

在各种实施例中，对象3包括变压器。控制设备2特别地适用于保护变压器以及受保护对象靠近时间常数长(例如，超过100毫秒)的发电机的情况。

在不同的实施例中，控制设备2被配置成通过使用负序电流方法、零序电流方法或增量电流方法来检测故障。

本文中主要参考几个实施例来描述本发明。然而，如本领域技术人员所理解的，除了本文中公开的特定实施例以外的其它实施例同样可能在由所附专利权利要求限定的本发明的范围内。

Claims

1.一种在控制设备(2)中执行的电流差动保护的方法(20)，所述控制设备(2)具有带有差动特性拾取设置I_D的第一操作抑制特性，所述方法(20)包括：

-确定(21)受保护对象(3)的所有端子的电流，

-基于所确定的电流来确定(22)差动电流，

-确定(23)相应的所确定的电流中的直流DC分量I_DC，

-检测(24)故障，以及

-针对检测到的外部故障，通过将经调节的差动特性拾取设置I_{D_adj}设置为等于所述差动特性拾取设置I_D和所确定的DC分量I_DC的总和，来调节(25)所述操作抑制特性，以提供经调节的操作抑制特性。

2.根据权利要求1所述的方法(20)，包括：当所确定的差动电流在所述经调节的操作抑制特性的操作区域内时，发出用于断开一个或多个断路器(5a，5b)的跳闸信号。

3.根据权利要求1或2所述的方法(20)，包括：针对内部检测到的故障，当所确定的差动电流在所述第一操作抑制特性的操作区域内时，发出用于断开一个或多个断路器(5a，5b)的跳闸信号。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法(20)，其中所述对象(3)包括变压器。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法(20)，其中检测(24)所述故障包括：使用负序电流方法、零序电流方法或增量电流方法。

6.一种用于电流差动保护的控制设备(2)的计算机程序(32)，所述计算机程序(32)包括计算机程序代码，当所述计算机程序代码在所述控制设备(2)上的至少一个处理器上被执行时，所述计算机程序代码使得所述控制设备(2)执行根据权利要求1至5中任一项所述的方法(20)。

7.一种计算机程序产品(31)，包括根据权利要求6所述的计算机程序(32)和计算机可读装置，所述计算机程序(32)被存储在所述计算机可读装置上。

8.一种控制设备(2)，被布置为通过电流差动保护来保护电力系统(1)的对象(3)，所述控制设备(2)具有带有差动特性拾取设置I_D的第一操作抑制特性，所述控制设备(2)被配置成：

-确定受保护对象(3)的所有端子的电流，

-基于所确定的电流来确定差动电流，

-确定相应的所确定的电流中的直流DC分量(I_DC)，

-检测故障，以及

-针对检测到的外部故障，通过将经调节的差动特性拾取设置I_{D_adj}设置为等于所述差动特性拾取设置I_D和所确定的DC分量I_DC的总和，来调节所述操作抑制特性，以提供经调节的操作抑制特性。

9.根据权利要求8所述的控制设备(2)，被配置成：当所确定的差动电流在第二操作抑制特性的操作区域内时，发出用于断开一个或多个断路器(5a，5b)的跳闸信号。

10.根据权利要求8或9所述的控制设备(2)，被配置成：针对内部检测到的故障，当所确定的差动电流在所述第一操作抑制特性的操作区域内时，发出用于断开一个或多个断路器(4a，4b)的跳闸信号。

11.根据权利要求8至10中任一项所述的控制设备(2)，其中所述对象(3)包括变压器。

12.根据权利要求8至11中任一项所述的控制设备(2)，被配置成：通过使用负序电流方法、零序电流方法或增量电流方法，来检测所述故障。