CN109494689B - 用于配电系统中的接地故障检测的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及用于配电系统中的接地故障检测的方法和系统。公开一种操作具有经耦合中线导线的直接接地多源多相配电系统的实例方法。所述配电系统包含总线、耦合到所述总线的多个电源保护装置，以及耦合到所述总线的多个馈线保护装置。所述方法包含针对所述多个电源保护装置中的每一电源保护装置，接收指示与所述电源保护装置相关联的经检测电源相电流的数据。针对所述多个馈线保护装置中的每一馈线保护装置，接收指示与所述馈线保护装置相关联的经检测馈线中线电流和经检测馈线相电流的数据。基于所述接收到的指示电源相电流的数据以及所述接收到的指示馈线中线电流和馈线相电流的数据，确定与所述多个电源保护装置相关联的净电源接地故障电流。

Description

用于配电系统中的接地故障检测的方法和系统

技术领域

本申请大体上涉及配电系统，并且更具体地说，涉及用于配电系统中的接地故障检测的方法和系统。

背景技术

现代的配电系统通常含有集成于一个系统内的多个电源。准确无误地确定具有多个并联电源或具有互连中线的系统中的接地故障很复杂。存在至少一些已知的系统利用添加外部传感器和电路来辨别负载和故障电流与循环电流从而确定接地故障，所述循环电流不是故障或负载状况的直接指示符，但是在相同导线中流动。

发明内容

一个方面是一种操作具有经耦合中线导线的直接接地多电源多相配电系统的方法。配电系统包含总线、耦合到总线的多个电源保护装置，以及耦合到总线的多个馈线保护装置。方法包含针对多个电源保护装置中的每一电源保护装置，接收指示与电源保护装置相关联的经检测电源相电流的数据。针对多个馈线保护装置中的每一馈线保护装置，接收指示与馈线保护装置相关联的经检测馈线中线电流和经检测馈线相电流的数据。基于接收到的指示电源相电流的数据以及接收到的指示馈线中线电流和馈线相电流的数据，确定与多个电源保护装置相关联的净电源接地故障电流。

另一方面是具有经耦合中线导线的直接接地多相配电系统。系统包含总线、多个电源、耦合在至少一个电源和总线之间的电源保护装置、耦合到总线的多个馈线保护装置，以及包含处理器和存储器的控制器。电源保护装置包含多个传感器，所述多个传感器经配置以检测与电源保护装置相关联的多个电源相电流。每一馈线保护装置包含多个传感器，所述多个传感器经配置以检测与馈线保护装置相关联的多个馈线相电流和馈线中线电流。存储器存储非暂时性指令，所述非暂时性指令配置处理器以进行以下操作：从电源保护装置接收指示经检测的多个电源相电流的数据；从每一馈线保护装置接收指示经检测的多个馈线相电流和经检测馈线中线电流的数据；以及基于接收到的指示电源相电流的数据、接收到的指示馈线相电流的数据和接收到的指示馈线中线电流的数据，确定与电源保护装置相关联的净电源接地故障电流。

又一方面是具有经耦合中线导线的直接接地多相配电系统。配电系统包含总线、多个电源、耦合在多个电源中的至少一个电源和总线之间的电源保护装置、耦合到总线的多个馈线保护装置，以及包含处理器和存储器的控制器。电源保护装置包含多个传感器，所述多个传感器经配置以检测与电源保护装置相关联的多个电源相电流。每一馈线保护装置包含处理器、存储器和多个传感器，所述多个传感器经配置以检测与馈线保护装置相关联的多个馈线相电流和馈线中线电流。每一馈线保护装置的存储器存储非暂时性指令，所述非暂时性指令配置处理器以对由多个传感器检测到的多个馈线相电流和馈线中线电流进行向量和运算，以确定通过馈线保护装置的接地故障电流，并在所确定的接地故障电流超过阈值的情况下输出闭锁信号。控制器的存储器存储非暂时性指令，所述非暂时性指令配置处理器以进行以下操作：从电源保护装置接收经检测的多个电源相电流，从每一馈线保护装置接收经检测馈线中线电流，确定是否有任何馈线保护装置输出闭锁信号，以及基于接收到的电源相电流、接收到的馈线中线电流和对是否有任何馈线保护装置正在输出闭锁信号的确定，确定是否使用电源保护装置的接地故障保护逻辑。

附图说明

图1是示例性多相配电系统的示意性框图。

图2是操作多相配电系统的实例方法的流程图。

图3是图2中所示的方法的一部分的流程图。

图4是操作多相配电系统的另一实例方法的流程图。

图5是图4中所示的方法的一部分的流程图。

图6是图4中所示的方法的一部分的流程图。

图7是操作多相配电系统的另一实例方法的流程图。

图8是操作多相配电系统的另一实例方法的流程图。

具体实施方式

在以下说明书和权利要求书中，将引用若干用语，所述用语应定义为具有以下含义。

除非上下文明确地另外指明，否则单数形式“一”和“所述”包括复数指代物。

“任选”或“任选地”意指随后描述的事件或情形可能发生也可能不发生，且所述描述包括事件发生的情况和事件不发生的情况。

如本文在整个说明书及权利要求书中所使用的近似语言可以应用于修饰可以许可方式变化而不会导致其相关的基本功能改变的任何定量表示。因此，由“约”、“大约”和“基本上”等一或多个术语修饰的值不限于指定的精确值。在至少一些情况下，近似语言可对应于用于测量所述值的仪器的精度。此处以及在整个说明书和权利要求书中，范围限制可以是组合和/或互换的，除非上下文或语言另外指示，否则此类范围得以确定并且包含其中所含的所有子范围。

如本文中所使用，术语“处理器”和“计算机”及相关术语(例如，“处理装置”、“计算装置”和“控制器”)不仅仅限于在本领域中被称为计算机的那些集成电路，而是广义地指代微控制器、微计算机、可编程逻辑控制器(PLC)、专用集成电路(ASIC)以及其它可编程电路，且这些术语在本文中可互换使用。在本文中所描述的实施例中，存储器可包含但不限于例如随机存取存储器(RAM)的计算机可读媒体和例如快闪存储器的计算机可读非易失性媒体。可替代地，还可使用只读光盘(CD-ROM)、磁光盘(MOD)和/或数字多功能光盘(DVD)。另外，在本文中所描述的实施例中，额外输入通道可以是但不限于与例如鼠标和键盘等操作者接口相关联的计算机外围设备。可替代地，也可使用其它计算机外围设备，其可包含(例如)但不限于扫描仪。此外，在示例性实施例中，额外输出通道可包含但不限于操作者接口监测器。

此外，如本文中所使用，术语“软件”和“固件”是可互换的，且包含存储在存储器中以供个人计算机、工作站、客户端和服务器执行的任何计算机程序。

如本文中所使用，术语“非暂时性计算机可读媒体”旨在表示在任何方法或技术中实施的任何有形的基于计算机的装置，以用于例如计算机可读指令、数据结构、程序模块和子模块或在任何装置中的其它数据的信息的短期和长期存储。因此，本文中所描述的方法可被编码为在包含但不限于存储装置和/或存储器装置的有形非暂时性计算机可读媒体中体现的可执行指令。此类指令在由处理器执行时致使处理器执行本文中所描述的方法的至少一部分。此外，如本文中所使用，术语“非暂时性计算机可读媒体”包含所有有形的计算机可读媒体，包含但不限于非暂时性计算机存储装置，包含但不限于易失性和非易失性媒体以及抽取式和不可抽取式的媒体，例如固件、物理和虚拟存储装置、CD-ROM、DVD和例如网络或因特网的任何其它数字源，以及尚待开发的数字化手段，唯一的例外是暂时性传播的信号。

本文中描述配电系统和操作配电系统以检测接地故障的方法的示例性实施例。示例性配电系统经配置以检测接地故障，而不需要测量与电源保护装置相关联的中线电流。

图1是示例性多相配电系统100的一部分的示意性框图，所述多相配电系统100包含通过电路保护装置106向负载104提供电力的电源102。系统100包含以通信方式耦合到电路保护装置106的中央控制器105。其它实施例不包含中央控制器105。在一些实施例中，电路保护装置106中的一个用作中央控制器105。

在实例实施例中，系统100是双端变电站，且电源102是直接接地、星形连接的变换器。直接接地系统是一个连接到地面(例如，通过附接到被放到地下的金属电极上的电线)且没有有意地向接地连接添加任何额外电阻的系统。在其它实施例中，系统100是具有N个电源和N个总线的环形总线配置。在其它实施例中，电源102可包含例如产生器、电网或向负载104提供电流(和所得电力)的其它装置。通过第一分配总线108和第二分配总线109将电流传输到负载104。通常，第一分配总线108和第二分配总线109连接在一起以充当并联连接电源102的单总线。第一分配总线108和第二分配总线109可选择性地分离(通过打开它们之间的连线保护装置118)成单独的总线，所述单独的总线各自连接到其自身的电源102，但是保持有连接中线导线。负载104可包含但不限于仅包含机器、电机、照明系统、其它配电系统和/或制造或发电或配电设施的其它电气和机械设备。尽管图1中示出两个电源102，但是系统100可包含连接到任何合适数目个总线的任何合适数目个电源102。

系统100是使用用于电流的每一相位的单独相导线107以及单独中线导线111的三相系统。相导线107穿过电路保护装置106，并且可通过使它们所穿过的电路保护装置106跳闸而中断。中线导线111耦合在一起，并且不穿过电路保护装置106。因此，当电路保护装置106处于断开(不导电)状态时，穿过电路保护装置106的相导线107上的电流中断，但是相关联的中线导线111仍然导电耦合到另一中线导线111。在其它实施例中，电路保护装置106是4极断路器，相导线107和中线导线111穿过所述4极断路器。在此类实施例中，当特定电路保护装置106断开时，穿过特定电路保护装置106的中线导线111并不保持导电耦合到其它中线导线。在其它实施例中，系统100可以是任何其它合适的多相系统。

在所说明的实施例中，电路保护装置106布置成电气层次结构，其包含第一层110和第二层112以向配电系统100提供不同程度的保护和监测。第二层112在第一层110电气下游。一般来说，每一行110或112包含与电源102之间的电气距离相同的电路保护装置106。第一层110中的电路保护装置106被称为电源保护装置114，且耦合在电源102中的一个和第一总线108与第二总线109中的一个之间。电源保护装置114从电源102接收电力，并向总线108和109提供电力，并且为总线108和109及总线108和109下游的装置提供保护。位于第二层112中的电路保护装置106有时被称为馈线保护装置116，且耦合在负载104中的一个和第一总线108与第二总线109中的一个之间。一般来说，“馈线”是分配系统中直接从总线108或109接收电力的部分。馈线保护装置116从总线108和109接收电力、向负载104提供电力，并且为连接到下游负载104的装置提供保护。如本文中所使用，术语“下游”是指从电源102朝向负载104的方向。术语“上游”是指与下游方向相反的方向，例如，从负载104朝向电源102的方向。尽管图1示出电路保护装置106布置成两个层110和112，但是应认识到，任何合适数目个电路保护装置106可布置成任何合适数目个层，以使得配电系统100能够如本文中所描述地那样运行。例如，应认识到，在一些实施例中，一或多个额外层和/或电路保护装置106可安置在电源102和第一层110之间。另外地或可替代地，在一些实施例中，一或多个额外层和/或电路保护装置106可安置在负载104和第二层112的电路保护装置106之间。本文中所描述的实例方法和操作可以与本文中针对双层系统所描述的相同的方式应用于此类具有超过两个层的系统。具体地说，本文中所描述的方法和操作仅需要应用于具有多个带连接中线的电源的紧接在分配总线(例如总线108和109)上游或下游连接的系统的各部分。

在实例系统100中，分配总线108和109通过被称为连线或连线保护装置118的电路保护装置106耦合在一起。连线保护装置118允许电力在第一总线108和第二总线109之间流动，并为下游装置及总线108和109提供保护。当关闭(即，导电)时，连线保护装置118可被视为总线108和109的电源保护装置。

电路保护装置106是断路器。可替代地，电路保护装置106可以是任何其它使得配电系统100能够如本文中所描述地那样运行的装置。在示例性实施例中，每一电路保护装置106包含集成跳闸单元。出于清楚起见，示出一个电路保护装置106的实例集成跳闸单元的细节，而省略了其它电路保护装置106。每一电路保护装置106包含可操作地耦合到电流传感器134的跳闸单元132和跳闸机构136。在示例性实施例中，跳闸单元132是电子跳闸单元(ETU)，其包含耦合到存储器140、输入装置142、显示装置144和网络接口的处理器138。在一些实施例中，跳闸单元132不包含输入装置142和/或显示装置144。跳闸单元132可包含或可被视为计算装置。在其它实施例中，跳闸单元132可以是任何其它合适类型的跳闸单元。在一些实施例中，电路保护装置106中的一或多个包含不同类型的跳闸单元132和/或是与电路保护装置106中的至少一个其它电路保护装置不同类型的电路保护装置。

传感器134是电流传感器，例如电流变换器、罗可夫斯基线圈(Rogowski coil)、霍尔效应传感器(Hall-effect sensor)、光纤电流传感器，和/或测量流动通过与它们耦合的相导线107和中线导线111的电流的分流器。可替代地，传感器134可包含任何其它使得配电系统100能够如本文中所描述地那样运行的传感器。此外，传感器134可集成在电路保护装置106中，或可与相关联的电路保护装置106分开。不同传感器134可用于系统100的不同部分。例如，第一层110中的传感器134可不同于第二层112中的传感器134。每一传感器134产生表示流动通过相关联的导线107或111的经测量或经检测电流的信号(下文称为“电流信号”)。此外，每一传感器134向与跳闸机构136相关联或耦合到跳闸机构136的处理器138传输电流信号。每一处理器138经编程以在电流信号和/或由电流信号表示的电流超过电流阈值的情况下，启动跳闸机构136，以使提供到负载104或配电线路或总线108或109的电流中断。此外，在一些实施例中，处理器138将电流信号转换成由电流信号表示的电流的量(即，量值)。因此，电路保护装置106可向其它装置(例如，其它电路保护装置106、远程计算装置、中央控制器等等)发送包含经检测电流量而不是电流信号的值的通信信号。

在实例实施例中，跳闸机构136是电路断路器。电信号被提供到跳闸机构136，以使得电路断路器使通过跳闸机构136的电流流动断开和中断。在其它实施例中，跳闸机构136包含例如一或多个其它电路断路器装置和/或电弧抑制装置。示例性电路断路器装置包含例如电路开关、接触臂，和/或中断通过电路断路器装置流动到耦合到电路断路器装置的负载104的电流的电路断流器。示例性电弧抑制装置包含例如抑制组合件、多个电极、等离子体枪以及触发电路，所述触发电路使等离子体枪将烧蚀等离子体发射到电极之间的空隙中，以便将能量从在电路上检测到的电弧或其它电气故障转移到抑制组合件中。

每一处理器138控制电路保护装置106的操作，并从与耦合到处理器138的跳闸机构136相关联的传感器134收集经测量操作条件数据，例如表示电流测量结果的数据(在本文中也被称为“电流数据”)。处理器138在耦合到处理器138的存储器140中存储电流数据。应理解，术语“处理器”一般是指任何包含系统和微控制器的可编程系统、精简指令集电路(RISC)、专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑电路和能够执行本文中所描述的功能的任何其它电路或处理器。上述实例仅是示例性的，且因此并不意图以任何方式限制术语“处理器”的定义和/或含义。在本文中所描述的实例实施例中，处理器138还控制通过它的电路保护装置进行的网络通信。在其它实施例中，处理器138处理保护操作，且单独的处理器(未示出)处理网络通信。

存储器140存储程序代码和指令，所述程序代码和指令可由处理器138执行以控制电路保护装置106。存储器140可包含但不限于仅包含非易失性RAM(NVRAM)、磁性RAM(MRAM)、铁电RAM(FeRAM)、只读存储器(ROM)、快闪存储器和/或电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)。任何其它合适的磁性、光学和/或半导体存储器可以自身或与其它形式的存储器组合包含在存储器140中。存储器140还可以是或包含拆卸式或抽取式存储器，包含但不限于合适的盒带、盘、CD ROM、DVD或USB存储器。

输入装置142从例如用户接收输入。输入装置142可包含例如键盘、读卡器(例如，智能卡读取器)、指标装置、鼠标、触笔、触敏式面板(例如，触摸板或触摸屏)、陀螺仪、加速度计、位置检测器、小键盘、通信端口、一或多个按钮和/或音频输入接口。例如触摸屏的单个组件可同时用作显示装置144和输入装置142。尽管示出单个输入装置142，但是跳闸单元132可包含超过一个输入装置142或不包含输入装置142。

显示装置144在视觉上地呈现关于电路保护装置106和/或跳闸机构136的信息。显示装置144可包含真空荧光显示器(VFD)、一或多个发光二极管(LED)、液晶显示器(LCD)、阴极射线管(CRT)、等离子显示器和/或任何能够在视觉上地向用户传达信息的合适的视觉输出装置。例如，处理器138可启动显示装置144的一或多个组件以指示：电路保护装置106和/或跳闸机构136在作用中和/或正常运行、接收闭锁信号、传输闭锁信号；已发生故障；和/或跳闸机构136和/或电路保护装置106的任何其它状态。在一些实施例中，显示装置144向用户呈现图形用户接口(GUI)以用于用户和电路保护装置106之间的交互。GUI准许用户(例如)控制电路保护装置106、监测电路保护装置106的操作/状态、测试电路保护装置106的操作，和/或调节电路保护装置106的操作参数。

网络接口146允许电路保护装置106与彼此、中央控制器和/或作为有线或无线通信网络的一部分的远程装置和系统通信。无线网络接口可包含射频(RF)收发器、

适配器、Wi-Fi收发器、

收发器、近场通信(NFC)收发器、红外(IR)收发器和/或任何其它用于无线通信的装置和通信协议。(Bluetooth是华盛顿柯克兰的蓝牙技术联盟的注册商标；ZigBee是加利福尼亚圣拉蒙市的ZigBee联盟的注册商标。)有线网络接口可使用任何合适的有线通信协议来进行直接通信，包含但不限于USB、RS232、I2C、SPI、模拟和专用I/O协议。此外，在一些实施例中，有线网络接口包含有线网络适配器，其允许计算装置耦合到网络，例如因特网、局域网(LAN)、广域网(WAN)、网状网络和/或任何其它网络，以通过所述网络与远程装置和系统通信。电路保护装置106使用根据适当的网络通信协议格式化的消息通过通信网络传输和接收通信。在一些实施例中，网络通信协议是以太网通信协议或基于电气电子工程师学会(IEEE)802.11的通信协议。

中央控制器105经配置以与电路保护装置106通信并监测分配系统100。中央控制器105包含处理器138、耦合到处理器138的存储器140、输入装置142、显示装置144和网络接口146。在实例实施例中，中央控制器105直接控制电路保护装置106的操作或指示电路保护装置106如何进行操作。在其它实施例中，中央控制器105向电路保护装置106提供数据(例如全系统状况、通过中央控制器105确定的数据等等)，以允许电路保护装置106根据它们自己的设置进行操作。在一些实施例中，归于中央控制器105的功能由充当中央控制器的电路保护装置中的一或多个执行。此外，中央控制器105的位置可接近电路保护装置106或远离电路保护装置106。

除了向系统100提供过电流和过电压保护之外，中央控制器105和电路保护装置106还提供接地故障检测和保护。由于有可能在电源102和总线108与109之间的中线导线111上以及总线108和109的中线导线111上循环中线电流，所以已知的确定是否存在接地故障状况的方法通常难以识别与第一层110(包含总线108和109)相关联的接地故障电流。系统100通过不依赖于对与电源保护装置114和连线保护装置118相关联的中线导线111中的中线电流的测量来检测与电源保护装置114或连线保护装置118相关联的接地故障电流避免了这一难题。

在系统100中，每一馈线保护装置116使用传感器134测量它相关联的相电流和中线电流。通过对相电流进行向量和运算，可确定每一馈线保护装置的负载104的相位不平衡量。如果不平衡量基本上匹配与负载104相关联的经测量中线电流，那么不存在接地故障状况。如果中线电流与所确定的不平衡量相差超过阈值量，那么存在接地故障状况，且系统100可采取适当行动，例如使适当的一或多个电路保护装置106跳闸。也被称作保护阈值的阈值是(例如)基于传感器134的准确度、在总线109上流动的电流量、馈线保护装置134的数目和/或系统100的任何其它合适的特性的值。阈值通常被设置成低到足以被所有实际接地故障电流超过，且高到足以减小由测量误差或其它非故障因素造成的误跳闸(nuisancetrip)的可能性。在实例实施例中，阈值是固定值，而在其它实施例中，阈值可依据系统100的一或多个操作条件而变化。在实例实施例中，所有电路保护装置106利用同一阈值，不管是固定的还是可变的。在其它实施例中，不同电路保护装置106使用不同阈值。此外，在一些实施例中，至少一个电路保护装置106使用固定阈值，且至少一个其它电路保护装置使用可变阈值。在一些实施例中，在检测接地故障电流或潜在的接地故障电流后，检测到潜在的接地故障电流的馈线保护装置116向中央控制器105和/或所有上游电路保护装置106输出闭锁信号117。闭锁信号117是从馈线保护装置116输出到中央控制器105和/或所有上游电路保护装置106的通信信号。闭锁信号117可以是任何合适的通信信号。在一些实施例中，产生闭锁信号117作为二元系统的部分，在所述二元系统中，闭锁信号117是逻辑高信号(例如，+5伏)，且不存在闭锁信号117是逻辑低信号(例如，0伏)，或反过来。在其它实施例中，闭锁信号117是变化信号，例如正弦波、方波、脉冲等等。在又其它实施例中，闭锁信号117是根据任何合适的通信协议的通信消息。此类通信消息可包含传输消息的特定馈线保护装置116的标识、关于检测到的特定故障的信息、对经检测故障的目标响应和/或任何其它合适的信息。不管闭锁信号117使用什么格式，闭锁信号117都用于向接收方告知馈线保护装置116已经识别出问题且正在试图处理所述问题。如果馈线保护装置116没有足够快速地处理掉接地故障状况，那么即使存在闭锁信号117，一或多个上游电路保护装置106也会跳闸。

将参考图2描述系统100对与第一层110相关联的接地故障状态的检测和处理。图2是操作多相配电系统(例如系统100)的方法200的流程图。在实例实施例中，方法200由中央控制器105执行。在其它实施例中，电路保护装置106中的一个充当中央控制器并执行方法200。出于描述的简单性起见，将相对于包含总线109的系统100的部分150描述第一层110中的接地故障状况的检测和处理。系统100针对系统100中的每一额外总线执行相同程序。在一些实施例中，系统100同时针对所有总线执行程序，当连线保护装置关闭时，总线108和109被视为单总线。方法200假设在总线108或109上不存在没有流动通过馈线保护装置116中的一个的显著中线负载。没有流动通过馈线保护装置116中的一个的较小(相对于总线上的总电流)中线负载可被忽略。

在202处，中央控制器105从耦合到总线109的每一电源保护装置接收经检测电源相电流。与电源保护装置相关联的电源相电流是在穿过电源保护装置114的每一相导线107中的使用传感器134检测到的电流的值。连线保护装置118被视为总线109的电源保护装置。如果连线保护装置118断开(即，跳闸或移除)，那么连线保护装置118可能完全没有被包含进确定操作中，或可被视为它的所有具有零值的相电流。类似地，如果电源保护装置114跳闸或移除，那么它的值可设置成零，或者它在方法200中可不再被考虑作为电源保护装置。

在204处，中央控制器105接收与耦合到总线109的每一馈线保护装置116相关联的经检测馈线中线电流和经检测馈线相电流。经检测电流是呈现经检测电流的幅度和相位的相量或向量。与馈线保护装置116相关联的馈线相电流是在穿过馈线保护装置116的每一相导线107中的使用传感器134检测到的电流的值。类似地，馈线中线电流是与馈线保护装置116相关联的中线电流的利用馈线保护装置116的传感器134中的一个检测到的经检测值。

经检测馈线中线电流、经检测馈线相电流和经检测电源相电流是同步检测以对应于基本上相同的时间。同步化可通过任何合适的同步化方法来进行。例如，中央控制器105可输出同步信号，以允许所有电路保护装置106同时检测它们的相电流和(适用时)中线电流。另一同步化方法向经检测相电流和中线电流添加时戳。经时戳电流数据可供中央控制器105使用以针对对所有电路保护装置106来说相同且同步的时间确定相电流和中线电流，而不需要在同步时间检测电流。

在206处，中央控制器105在不检测电源保护装置中的任一个的中线电流的情况下，基于接收到的电源相电流以及接收到的馈线中线电流和馈线相电流，确定与多个电源保护装置106相关联的净电源接地故障电流。净电源接地故障电流表示与不朝向馈线保护装置116的总线109相关联的接地故障电流的量。净电源接地故障电流还可被称作净电源接地故障。

在一些实施例中，通过基于接收到的电源相电流以及接收到的馈线中线电流和馈线相电流进行一系列计算来确定净电源接地故障电流。图3是根据一些实施例的(图2中所示的)步骤206的流程图。通过对接收到的电源相电流进行求和来确定300也被称作净零序电流的净系统不平衡向量。在实例实施例中，使用向量和运算加上和减去(视需要)电流。在其它实施例中，不依赖于向量和运算来加上和减去电流。净系统不平衡向量表示系统100的部分150中的负载不平衡和接地故障电流的量。

在302处，对接收到的馈线中线电流进行向量和运算，以产生表示系统的总中线负载的净馈线中线电流向量。在304处，中央控制器105从净系统不平衡向量中减去净馈线中线电流向量，以产生净系统接地故障向量。净系统接地故障向量指示系统100的部分150中的接地故障电流的量，但是不区分总线109上的接地故障和与馈线保护装置116相关联的接地故障。如果净系统接地故障向量是零或极小(例如，在传感器134的组合测量容差内)，那么在部分150中的任何位置都不太可能存在接地故障状况，且中央控制器105确定不存在接地故障状况。如果净系统接地故障向量不等于或不接近零(例如，小于基于传感器134的组合测量容差确定的阈值)，那么在部分150中的某处可能存在接地故障状况。阈值是(例如)基于传感器134的准确度、在总线109上流动的电流量、馈线保护装置134的数目和/或系统100的任何其它合适的特性的预定值。阈值通常被设置成低到足以被所有实际接地故障电流超过，且高到足以减小由测量误差或其它非故障因素造成的误跳闸的可能性。在实例实施例中，阈值是固定值，而在其它实施例中，阈值可依据系统100的一或多个操作条件而变化。

在306处，通过对馈线中线电流和馈线相电流进行求和来确定净馈线接地故障向量。在实例实施例中，馈线中线电流和馈线相电流是一同求和的向量。如果净馈线接地故障向量的量值极小，那么在馈线保护装置116下面不可能存在接地故障。如果净馈线接地故障向量的量值超过馈线处的接地故障状况的阈值，并且没有馈线保护装置116对接地故障作出响应(例如，通过跳闸、准备跳闸、输出经检测接地故障的指示、开始接地故障保护协议等等)，那么电源保护装置114将根据它的接地故障保护方案进行操作并跳闸。此情形可发生在多个较小接地故障电流影响多个馈线保护装置116，且个别接地故障电流过小而不能使它们相关联的馈线保护装置116跳闸时。所述情形还可出现在馈线保护装置116未能及时响应于较大量值接地故障电流而跳闸时。

在其它实施例中，通过对每一馈线保护装置的经检测馈线相电流和馈线中线电流进行向量和运算来确定每一馈线保护装置116的接地故障向量。所得向量的量值是可归于每一馈线保护装置116的接地故障电流的量。如果馈线保护装置116的接地故障向量的量值超过馈线保护装置的保护阈值，那么所述特定馈线保护装置116跳闸。针对个别馈线保护装置116计算的接地故障电流向量进行向量和运算以产生净馈线接地故障向量。

在308处，中央控制器105比较(例如，减去)净馈线接地故障向量与净系统接地故障向量，以确定净电源接地故障。如果净馈线接地故障向量的量等于净系统接地故障向量(或它们之间的差是零)，那么中央控制器105知道部分150中的所有接地故障电流可归于馈线保护装置116的保护区域(即，系统中在特定保护装置下游且电连接到所述特定保护装置的部分)，且在总线109上不可能存在接地故障电流。如果净馈线接地故障向量不等于净系统接地故障向量，那么中央控制器105确定在总线109上可能存在接地故障电流，且通过取由馈线保护装置116检测到的接地故障电流矢量和净系统接地故障向量之间的差产生净电源接地故障向量来确定它的量值。

如果净电源接地故障向量超过保护阈值，那么中央控制器操作耦合到总线109的所有电源保护装置。在本实例中，如果连线保护装置118关闭且导电，那么总线109上的接地故障电流存在两个电源：电源保护装置114和连线保护装置118。响应于检测到接地故障电流超过保护阈值，中央控制器105使电源保护装置114和连线保护装置118两者均跳闸。

在其它实施例中，中央控制器105在耦合到总线109的所有电源保护装置之间分配总线接地故障电流。此类实施例的实例在图4中示出为方法400。除了本文中另外描述的，方法400与方法200相同。在方法400中，所确定的净电源接地故障电流在多个电源保护装置之间分配402。分配402可根据任何合适的分配方法执行。图5和6示出可用于步骤402的两个不同的分配。在图5中，所确定的净电源接地故障电流至少部分地基于每一电源保护装置的可操作特性而在多个电源保护装置当中分配500。在实例实施例中，可操作特性是每一装置所提供的总电流在部分150中的比例。根据每个提供的所确定的总电流的比例，将净电源接地故障电流分配给电源保护装置114和连线保护装置118。在其它实施例中，分配是基于电源保护装置114和连线保护装置118的任何其它合适的参数或可操作特性，例如阻抗。在图6中，在耦合到总线109所有电源当中均匀地分配600净电源接地故障电流。再次参考图4，在404处，在分配所确定的净电源接地故障电流之后，多个电源保护装置中净电源接地故障电流的所分配部分超过接地故障保护阈值的任何电源保护装置跳闸。

图7中示出了实例方法700。除了本文中另外描述的，方法700与方法400相同。在方法700中，在分配所确定的净电源接地故障电流之后，中央控制器105向多个电源保护装置中的每一电源保护装置提供702分配指示。接着，电源保护装置114和连线保护装置118根据它们的接地故障算法，基于它们被分配到的接地故障电流的部分进行操作。

在其它实施例中，方法200的一或多个部分由个别电路保护装置106执行，而其它部分由中央控制器105执行。例如，在一些实施例中，每一馈线保护装置116可基于它的经检测相电流和中线电流而确定它自身的接地故障电流。每一馈线保护装置116基于所确定的接地故障电流而操作其自身的接地故障保护方案。在一些实施例中，所确定的接地故障电流被传输到中央控制器105以供如本文中另外描述地那样使用，而在其它实施例中，原始相电流和中线电流被传输到中央控制器105。

图8是操作多相配电系统(例如系统100)的另一方法800的流程图。除了另外指示的，方法800与方法200(图2中所示)相同。方法800包含当所确定的净电源接地故障电流超过接地故障保护阈值时，使多个电源保护装置中的至少一个电源保护装置跳闸802。在实例实施例中，当所确定的净电源接地故障电流超过接地故障保护阈值时，使所有电源保护装置跳闸。在其它实施例中，使不到全部的电源保护装置跳闸。

还将相对包含总线109的系统100的部分150描述操作例如系统100的多相配电系统的替代方法。系统100针对系统100中的每一额外总线执行相同程序。在一些实施例中，系统100同时针对所有总线执行程序，当连线保护装置关闭时，总线108和109被视为单总线。替代方法类似于方法200，但是电路保护装置106在方法的执行方面更有用。除了本文中另外描述的，替代方法与方法200相同。在替代方法中，某些步骤由中央控制器105执行。在其它实施例中，电路保护装置106中的一个充当中央控制器105并执行本文中所描述的步骤。

在替代方法中，中央控制器105从耦合到总线109的每一电源保护装置接收经检测电源相电流。在304处，中央控制器105接收与耦合到总线109的每一馈线保护装置116相关联的经检测馈线中线电流。经检测馈线中线电流和经检测电源相电流是同步检测以对应于基本上相同的时间。

在实例实施例中，每一馈线保护装置116通过对它的经检测相电流和中线电流进行向量和运算来确定在它的保护区域中是否存在接地故障。大于阈值的非零结果指示可能存在接地故障电流。在检测接地故障电流或潜在的接地故障电流后，检测到潜在的接地故障电流的馈线保护装置116向中央控制器105和/或所有上游电路保护装置106输出闭锁信号117，以使接收方知道它已经识别出问题且正在以适当方式处理它。

中央控制器105基于接收到的馈线中线电流、接收到的电源相电流和对馈线保护装置116中的任一个是否正在输出闭锁信号117的确定来确定是否存在系统接地故障状况。中央控制器105在所述确定中不依赖于任何经检测电源中线电流。

通过对接收到的电源相电流进行向量和运算来确定净系统不平衡向量。净系统不平衡向量表示系统100的部分150中的负载不平衡和接地故障电流的量。接收到的馈线中线电流进行向量和运算以产生净馈线中线电流向量。中央控制器105从净系统不平衡向量中减去净馈线中线电流向量以产生净系统接地故障向量。净系统接地故障向量指示系统100的部分150中的接地故障电流的量，但是不区分总线109上的接地故障电流和与馈线保护装置116相关联的接地故障电流。如果净系统接地故障电流小于或等于阈值，那么中央控制器确定在系统中不存在接地故障电流，且不使用电源保护装置114的任何保护逻辑。阈值是基于(例如)传感器134的准确度、在总线109上流动的电流量、馈线保护装置134的数目和/或系统100的任何其它合适的特性的预定值。阈值通常被设置成低到足以被所有实际接地故障电流的量值超过，且高到足以减小由测量误差或其它非故障因素造成的误跳闸的可能性。在实例实施例中，阈值是固定值，而在其它实施例中，阈值可依据系统100的一或多个操作条件而变化。

如果净系统接地故障向量大于阈值(指示在系统100中存在接地故障电流)且馈线保护装置116中的一个正在输出闭锁信号117，那么针对每一电源保护装置114使用二级保护逻辑。闭锁信号117指示馈线保护装置116已经识别出故障且正在试图处理这种情形。二级保护逻辑有意地慢于初级保护逻辑，以允许下游馈线保护装置116有时间处理潜在的故障(如果可能)。

如果净系统接地故障向量指示在系统100中存在接地故障电流，且没有馈线保护装置116正在输出闭锁信号117，那么针对每一电源保护装置114使用初级(更快)保护逻辑。任何闭锁信号117的缺乏指示没有馈线保护装置116识别出故障。这可指示一或多个故障馈线保护装置116或总线109上的故障。无论哪种情况，可能最好由电源保护装置114处理所述故障。

本文中所描述的实例实施例的技术效果包含允许在可能为其它已知系统带来麻烦的情形中检测到接地故障电流。实例实施例在存在循环中线电流的情况下基于不包含电源保护装置的中线电流测量的测量并通过确定接地故障电流来检测电源接地故障电流。这甚至还允许实例实施例在一或多个电源保护装置断开连接或移除的情况下检测接地故障电流，而不用报告中线电流测量值或不用获得中线电流测量值。实例实施例改进了多电源系统、具有经连接中线导线的系统、其中中线连接通过使保护装置跳闸或移除而不中断的系统以及易受循环中线电流影响的系统的操作。

在上文详细地描述了配电系统和操作配电系统和/或电路保护装置的方法的示例性实施例。系统和方法不限于本文所描述的具体实施例，相反，系统的组件和/或方法的操作可以独立地且与本文所描述的其它组件和/或操作分开使用。另外，所描述的组件和/或操作还可限定在其它系统、方法和/或装置中，或与它们组合使用，并且不限于仅利用如本文中所描述的电源系统实践。

除非另外指明，否则在本文中所示和所述的本发明的实施例中的操作的执行或实行次序并非至关重要的。也就是说，除非另外指定，否则操作可按任何次序执行，且本发明的实施例可包含比本文中所公开的那些更多或更少的操作。例如，预期在另一操作之前、与另一操作同时或在另一操作之后执行特定操作都属于本发明的方面的范围内。

尽管可能在一些附图中示出本发明的各种实施例的具体特征，而在其它附图中未示出，但这仅是为方便起见。根据本发明的原理，可结合任何其它附图的任何特征引用或要求保护附图的任何特征。

此书面说明书使用实例来公开本发明，包含最佳模式，并且还使得所属领域的技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统并且执行任何所并入的方法。本发明的可获专利的范围由权利要求书限定，并且可以包含所属领域的技术人员所想到的其它实例。如果所述其它实例具有并非不同于权利要求书的字面语言的结构要素，或如果其包含与权利要求书的字面语言无实质差异的等效结构要素，那么希望所述其它实例在权利要求书的范围内。

Claims (18)

1.一种操作直接接地多源多相配电系统的方法，所述配电系统具有经耦合中线导线，所述配电系统包含总线、耦合到所述总线的多个电源保护装置以及耦合到所述总线的多个馈线保护装置，所述方法包括：

针对所述多个电源保护装置中的每一电源保护装置，接收指示与所述电源保护装置相关联的经检测电源相电流的数据；

针对所述多个馈线保护装置中的每一馈线保护装置，接收指示与所述馈线保护装置相关联的经检测馈线中线电流和经检测馈线相电流的数据；以及

基于所述接收到的指示电源相电流的数据以及所述接收到的指示馈线中线电流和馈线相电流的数据，确定与所述多个电源保护装置相关联的净电源接地故障电流，

其中确定与所述多个电源保护装置相关联的净电源接地故障电流包括在不检测所述电源保护装置中的任一个的中线电流的情况下确定与所述多个电源保护装置相关联的净电源接地故障电流，及

其中所述净电源接地故障电流表示与不朝向馈线保护装置的总线相关联的接地故障电流的量。

2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括当所述所确定的净电源接地故障电流超过接地故障保护阈值时，使所述多个电源保护装置中的至少一个电源保护装置跳闸。

3.根据权利要求2所述的方法，其中当所述所确定的净电源接地故障电流超过接地故障保护阈值时使所述多个电源保护装置中的至少一个电源保护装置跳闸包括当所述所确定的净电源接地故障电流超过所述接地故障保护阈值时，使所述多个电源保护装置中的所有电源保护装置跳闸。

4.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

在所述多个电源保护装置之间分配所述所确定的净电源接地故障电流；以及

使所述多个电源保护装置中所述净电源接地故障电流的所分配部分超过接地故障保护阈值的任何电源保护装置跳闸。

5.根据权利要求4所述的方法，其中在所述多个电源保护装置之间分配所述所确定的净电源接地故障电流包括向每一电源保护装置分配相等的所述所确定的净电源接地故障电流的部分。

6.根据权利要求4所述的方法，其中在所述多个电源保护装置之间分配所述所确定的净电源接地故障电流包括至少部分地基于每一电源保护装置的可操作特性，在所述多个电源保护装置当中分配所述所确定的净电源接地故障电流。

7.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

在所述多个电源保护装置之间分配所述所确定的净电源接地故障电流；以及

向所述多个电源保护装置中的每一电源保护装置提供所述分配的指示，以允许每一电源保护装置根据它被分配到的所述所确定的净电源接地故障电流的部分和它自身的接地故障保护编程作出响应。

8.根据权利要求1所述的方法，其中确定与所述多个电源保护装置相关联的净电源接地故障电流包括：

对所述电源相电流进行求和以确定所述多个电源的净零序电流；

对所述馈线中线电流进行求和以确定表示所述系统的总中线负载的经求和馈线中线电流；

从所述净零序电流中减去所述经求和馈线中线电流以确定净系统接地故障电流；对所述馈线中线电流和所述馈线相电流进行求和以确定净馈线接地故障电流；以及

从所述净系统接地故障电流中减去所述净馈线接地故障电流以确定所述净电源接地故障电流。

9.根据权利要求8所述的方法，其中接收指示经检测电源相电流的数据包括接收电源相电流向量，并且其中接收指示经检测馈线中线电流和经检测馈线相电流的数据包括接收馈线中线电流向量和馈线相电流向量。

10.一种具有经耦合中线导线的直接接地多相配电系统，包括：

总线；

多个电源；

电源保护装置，所述电源保护装置耦合在所述多个电源中的至少一个电源和所述总线之间，所述电源保护装置包含多个传感器，所述多个传感器经配置以检测与所述至少一个电源保护装置相关联的多个电源相电流；

耦合到所述总线的多个馈线保护装置，每一馈线保护装置包含多个传感器，所述多个传感器经配置以检测与所述馈线保护装置相关联的多个馈线相电流和馈线中线电流；

包含处理器和存储器的控制器，所述存储器存储非暂时性指令，所述非暂时性指令配置所述处理器以进行以下操作：

从所述电源保护装置接收指示所述经检测的多个电源相电流的数据；

从每一馈线保护装置接收指示所述经检测的多个馈线相电流和所述经检测馈线中线电流的数据；以及

基于所述接收到的指示电源相电流的数据、所述接收到的指示馈线相电流的数据和所述接收到的指示馈线中线电流的数据，确定与所述电源保护装置相关联的净电源接地故障电流，

其中所述非暂时性指令配置所述处理器以在不接收与所述至少一个电源保护装置相关联的经检测中线电流的情况下确定与所述至少一个电源保护装置相关联的所述净电源接地故障电流，及

其中所述净电源接地故障电流表示与不朝向馈线保护装置的总线相关联的接地故障电流的量。

11.根据权利要求10所述的多相配电系统，其中所述非暂时性指令配置所述处理器以在所述所确定的净电源接地故障电流超过接地故障保护阈值时，使所述电源保护装置跳闸。

12.根据权利要求10所述的多相配电系统，其中所述非暂时性指令配置所述处理器以通过以下操作来确定所述净电源接地故障电流：

对所述电源相电流进行求和以确定净零序电流；

对所述馈线中线电流进行求和以确定表示所述系统的总中线负载的经求和馈线中线电流；

从所述净零序电流中减去所述经求和馈线中线电流以确定净系统接地故障电流；

对所述馈线中线电流和所述馈线相电流进行求和以确定净馈线接地故障电流；以及

从所述净系统接地故障电流中减去所述净馈线接地故障电流以确定所述净电源接地故障电流。

13.根据权利要求10所述的多相配电系统，其中所述控制器包含在所述电源保护装置中。

14.根据权利要求10所述的多相配电系统，其中所述控制器包含在所述馈线保护装置中的一个中。

15.根据权利要求10所述的多相配电系统，其中所述控制器是与所述至少一个电源保护装置和所述多个所述馈线保护装置分开的中央控制器。

16.一种具有经耦合中线导线的直接接地多相配电系统，包括：

总线；

多个电源；

电源保护装置，所述电源保护装置耦合在所述多个电源中的至少一个电源和所述总线之间，所述电源保护装置包含多个传感器，所述多个传感器经配置以检测与所述电源保护装置相关联的多个电源相电流；

耦合到所述总线的多个馈线保护装置，每一馈线保护装置包含处理器、存储器和多个传感器，所述多个传感器经配置以检测与所述馈线保护装置相关联的多个馈线相电流和馈线中线电流，所述存储器存储非暂时性指令，所述非暂时性指令配置所述处理器以进行以下操作：

对由所述多个传感器检测到的所述多个馈线相电流和馈线中线电流进行向量和运算，以确定通过所述馈线保护装置的接地故障电流；以及

如果所述所确定的接地故障电流超过阈值，那么输出闭锁信号；

包含处理器和存储器的控制器，所述存储器存储非暂时性指令，所述非暂时性指令配置所述处理器以进行以下操作：

从所述电源保护装置接收所述经检测的多个电源相电流；

从每一馈线保护装置接收所述经检测馈线中线电流；

确定是否有任何馈线保护装置正在输出闭锁信号；以及

基于所述接收到的电源相电流、所述接收到的馈线中线电流和对是否有任何馈线保护装置正在输出闭锁信号的确定，确定是否使用所述电源保护装置的接地故障保护逻辑，

其中确定是否使用所述电源保护装置的接地故障保护逻辑包括在不检测所述电源保护装置中的中线电流的情况下确定是否使用所述电源保护装置的接地故障保护逻辑。

17.根据权利要求16所述的配电系统，其中所述非暂时性指令配置所述处理器以从所述接收到的电源相电流的向量和中减去所述接收到的馈线中线电流的向量和，以确定系统接地故障电流。

18.根据权利要求17所述的配电系统，其中所述非暂时性指令配置所述处理器以基于所述接收到的电源相电流、所述接收到的馈线中线电流和对是否有任何馈线保护装置正在输出闭锁信号的确定，通过以下操作来使用所述电源保护装置的电源接地故障保护逻辑：

当所述所确定的系统接地故障电流等于或超过阈值且没有馈线保护装置正在输出闭锁信号时，确定使用所述电源保护装置的初级接地故障保护逻辑；

当所述所确定的系统接地故障电流等于或超过所述阈值且有任何馈线保护装置正在输出闭锁信号时，确定使用所述电源保护装置的二级接地故障保护逻辑，其中所述二级接地故障逻辑将比所述初级接地故障保护逻辑持续更长时间，以使得所述电源保护装置跳闸；以及

当所述所确定的系统接地故障电流小于所述阈值时，确定不使用所述电源保护装置的任何接地故障保护逻辑。

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