CN111033922B - 数字保护继电器及数字保护继电器的阈值学习方法 - Google Patents

Abstract

本发明的数字保护继电器(1)包括：以一定间隔对输入的交流电流进行采样的A/D转换部(12)；根据采样得到的数字值来进行频率分析的运算处理部(13)；以及当由运算处理部(13)提取出的高次谐波的比例为基于励磁冲击电流中包含的高次谐波的比例来规定的阈值以上时阻止切断动作的控制部(14)；在产生流过变压器的励磁冲击电流时，根据产生的励磁冲击电流中包含的高次谐波含量率，计算阈值的更新值的阈值学习部(15)。

Description

数字保护继电器及数字保护继电器的阈值学习方法

技术领域

本发明涉及一种电力系统的例如用于变压器保护的数字保护继电器、以及数字保护继电器的阈值学习方法。

背景技术

现有的数字保护继电器为了区分将变压器等连接至系统时流过的励磁冲击电流与系统故障时的故障电流，检测包含在输入信号中的二次谐波分量，在该二次谐波分量相对于基波分量的比率超过阈值的情况下，判定为励磁冲击电流，并且不进行对应故障电流时的继电器的过电流保护动作(例如参照专利文献1)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特开昭58-154320号公报

发明内容

发明所要解决的技术问题

然而，对于每个变压器，包含于励磁冲击电流中的高次谐波分量不同，因此即使唯一地确定阈值，也可能在连接变压器时进行误动作。

此外，由用户来实施二次谐波含量率的阈值设定，但对于每个变压器来说二次谐波含量率都不同而且难以计算二次谐波含量率，因此事实上是根据过去的经验值来设定。这样的设定方法的设定值难以确保妥当，且阈值的余地较小的情况下，存在如下问题：由于变压器的历时变化、负载条件、环境条件(尤其是温度变化)的偏差，导致在接通变压器时过电流保护功能进行误动作。

本发明是为了解决上述的问题而完成的，因此其目的是获得一种具有对连接变压器时的励磁冲击电流进行学习来设定阈值的学习功能，并且不发生误动作的可靠性较高的数字保护继电器。

解决技术问题所采用的技术方案

本发明所涉及的数字保护继电器输入流过变压器的交流电流，在检测到过电流时，进行与变压器连接的断路器的切断动作，其特征在于，包括：A/D转换部，该A/D转换部以一定间隔对所输入的交流电流进行采样；运算处理部，该运算处理部根据由A/D转换部采样得到的数字值来进行基于快速傅里叶变换的频率分析；控制部，该控制部在由运算处理部提取出的高次谐波的比例为基于励磁冲击电流中包含的高次谐波的比例来规定的阈值以上时，阻止断路器的切断动作；阈值学习部，该阈值学习部根据来自外部的指令，中断控制部的动作，进行用于更新阈值的学习流程，与学习流程的学习动作开始联动地接通断路器，对连接变压器时产生的励磁冲击电流的至少3个波中在预先设定的电流值以上的波进行频率分析，基于进行了频率分析的高次谐波来更新阈值，并在学习动作结束后重新开始控制部的动作。

发明效果

根据本发明的数字保护继电器，利用阈值学习部根据在连接变压器时产生的励磁冲击电流来更新高次谐波的阈值，因此能可靠地防止由于每个变压器的不同励磁冲击电流导致的误动作。

附图说明

图1是将本发明的实施方式1中的数字保护继电器应用于电力变压器的电路结构图。

图2是本发明的实施方式1中的数字保护继电器的功能框图。

图3是本发明的实施方式1中的数字保护继电器的硬件结构图。

图4是表示本发明的实施方式1中的数字保护继电器的阈值学习步骤的流程图。

图5是本发明的实施方式1中的数字保护继电器中流过的励磁冲击电流的波形图。

图6是本发明的实施方式1中的数字保护继电器的显示操作部的示意图。

图7是表示本发明的实施方式2中的数字保护继电器的阈值学习步骤的流程图。

具体实施方式

实施方式1﹒

图1是将本发明的实施方式1中的数字保护继电器1应用于电力变压器3(以下称为变压器)时的电路结构图。作为保护对象的变压器3经由断路器2(CB：Circuit Breaker)连接至电力系统电源(未图示)。另外，设置有用于提取每一相的交流电流的主电流互感器4(CT:Circuit Transformer)。变压器3的低压侧通过无熔丝断路器(MCCB：Molded CaseCircuit Breaker，塑壳断路器)5a，5b连接到负载(未示出)。由主电流互感器4提取出的交流电流被导入数字保护继电器1，并且为了保护其免受系统故障等产生的过电流(故障电流)的影响，通过执行断路器2的切断动作，从而保护变压器3。

图2是本发明的实施方式1中的数字保护继电器1的功能框图。在图2中，由主电流互感器4提取出的交流电流Iw被电流测量部11转换为适当的大小。A/D转换部12以一定时间间隔对由电流测量部11转换得到的交流电流进行采样(通常在额定频率50kHz下以4.8kHz进行高速采样)，并转换为数字数据。将数字数据输入到运算处理部13，通过FFT(FastFourier Transform：快速傅里叶变换)或数字加减运算处理等数字运算来执行频率分析。在控制部14中，频率分析的结果是电流的二次谐波相对于基波分量的比例为阈值以上时，判定为励磁冲击电流，并锁定断路器2的切断动作。在阈值学习部15进行从产生励磁冲击电流到阈值运算为止的一系列用于学习的步骤。

图3是本发明的实施方式1中的数字保护继电器1的硬件的一个示例的结构图。电流测量部由模拟电路形成，A/D转换部12、运算处理部13和控制部14至少由处理器100和存储装置101构成，尽管未示出，但是存储装置101包括随机存取存储器等的易失性存储装置以及闪存等的非易失性辅助存储装置。此外，也可具备硬盘这样的辅助存储装置以代替闪存。处理器100执行从存储装置101输入的程序，并执行采样、通过FFT进行的频率分析等。该情况下，从辅助存储装置经由易失性存储装置向处理器100输入程序。另外，处理器100可以将运算结果等数据输出至储存装置101的易失性储存装置，也可以经由易失性储存装置将数据保存至辅助储存装置。后述的阈值学习功能也可以作为程序存储在存储装置101中，并可以由处理器100执行。根据电路结构，可以构成为处理器中组合了一部分ASIC。

接下来，对由本发明的实施方式1中的数字保护继电器的阈值学习部15执行的用于更新二次谐波含量率的阈值的学习功能进行说明。在设置数字保护继电器1时，将根据过去的经验而通常使用的二次谐波含量率为15％的阈值作为初始值预先存储在控制部14中。为了使由此作为初始值存储的阈值与变压器3的特性、所连接的负载的条件或温度等环境条件相匹配，以图4的流程图所示的步骤，由阈值学习部15执行用于更新阈值的学习功能，并更新阈值(下面，称为学习动作)。

首先，将用于开始学习动作的信号从外部输入到阈值学习部15(步骤S1)。接着，指示控制部14向断路器2输出断路器接通信号，接通断路器2，并使变压器连接到系统(下面，称为接通变压器。步骤S2)。由此，如图5所示，励磁冲击电流Ir在数字保护继电器1中流过。由A/D转换部12对励磁冲击电流Ir进行数字转换(步骤S3)，并从大于过电流设定值Z的电流输入时刻t1(步骤S4)起，开始计算二次谐波含量率(步骤S5、S6)。由电流测量部11或运算处理部13执行电流输入时刻t1的检测。标准的做法是提取第一波至第三波(在图5中称为第一波A、第二波B和第三波C)作为用于更新阈值的数据。然而，在励磁冲击电流变小，例如第二波B和第三波C为过电流设定值Z以下时，这些波不包括在用于更新阈值的数据中。通过运算处理部13对提取出的第一波A、第二波B和第三波C的数字数据进行频率分析，根据各个波计算二次谐波含量率。将由此算出的各个波的二次谐波含量率之和乘以0.5而得到的值作为第一次学习的阈值来更新初始值(步骤S7)。励磁冲击电流会随着所连接的负载数量或气温而变化，因此，可以考虑大约±5％的余地。当第三波的分析结束(步骤S12)，学习动作结束后，如上所述，作为发生故障电流时进行切断动作的继电器进行工作。

学习动作可以是一次，然而若执行多次，则能提高励磁冲击电流的判定精度。因此，可以在设置时的动作测试期间，多次接通变压器3以产生多个励磁冲击电流来计算阈值。在负载的停止期间已经很长等的情况下，为了将负载从电力系统断开而切断断路器2，在停止期间结束之后，再次接通变压器3。此时，进行学习动作，能与变压器的历时变化相对应地根据励磁冲击电流计算阈值。在实施多次学习动作时，计算多个二次谐波含量率的平均值μ和标准偏差σ，将涵盖99.7％偏差的平均值μ±3σ的下限侧的值作为阈值进行更新，或者为了进一步防止误动作，将平均值μ±4σ的下限侧的值作为阈值进行更新。但是，在由于所连接的负载的影响导致励磁冲击电流为过电流设定值以上，但该电流值较小且二次谐波含量率也较小的情况下，例如为10％以下等情况下，如果将平均值μ±3σ或平均值μ±4σ设为阈值，则可能对过电流时的切断动作造成障碍，因此可以将平均值μ±2σ的下限侧的值设定为阈值。另外，在存在多个变压器的情况下，可以使每个变压器执行学习动作，并且能将各个阈值设定给数字保护继电器。

图6是本发明的实施方式1中的数字保护继电器4的显示操作部1a的示意图。显示灯6通过点亮或闪烁灯来分别表示动作状态，当断路器2接通时，使断路器接通灯6a点亮。当断路器2断开时，使断路器断开灯6b点亮。当产生故障电流时由于保护动作而使断路器2断开时，过电流保护功能动作灯6c进行闪烁。当数字保护继电器1中发生异常时，系统异常灯6d点亮。在用于更新阈值的学习动作期间，使学习动作灯6e闪烁。开关7是用于打开/关闭设备动作的开关，开关7a用于执行断路器2的接通动作。开关7b用于进行断路器的断开动作。开关7c是用于进行远程操作的远程开关。开关7d是用于对数字保护继电器的异常状态进行复位时的复位开关。开关7e是用于开始阈值学习动作的学习动作开始开关。

通过接通开关7e或通过远程操作使开关7e成为接通状态，开始图3中说明的阈值学习动作。此时，学习动作灯6e闪烁，因此操作者能容易地看出学习动作的开始。在学习动作开始的过程中，手动接通开关7a或者与学习动作的开始联动地自动接通断路器2时，断路器接通灯6a点亮。学习动作完成时，学习动作灯6e熄灭，但是断路器接通灯6a仍然点亮，从而能够看出已开始作为继电器进行工作。学习动作完成后，在液晶显示部8上显示学习动作次数和更新后的阈值。

如上所述，本发明的实施方式1的数字保护继电器通过阈值学习部的学习动作，在变压器接通时更新励磁冲击电流的二次谐波的阈值，因此，能根据每个变压器不同的励磁冲击电流来改变阈值，并且可以跟随由于变压器的历时变化、所连接的负载条件、环境条件等引起的励磁冲击电流的变化来更新阈值，从而能可靠地防止由于励磁冲击电流引起的误操作。

实施方式2﹒

在实施方式1的数字保护继电器中，从励磁冲击电流Ir的二次谐波含量率算出阈值，但由于在运算处理部13中使用了FFT，因此不仅仅是二次谐波，更高次的谐波也容易提取出来计算含量率。图7是用于包含比二次谐波更高次的谐波来更新阈值的由阈值学习部15执行的第一次学习动作的流程图。图中，与图4相同的标号表示相同或相应的动作，因此省略其说明。通过运算处理部13的频率分析，提取三次谐波和四次谐波(步骤S5)，与二次谐波一样，计算第一波A、第二波B和第三波C(见图5)相对于电流的基波分量的三次谐波含量率和第四次谐波含量率(步骤S8、S9)，将各自的和乘以0.5倍后得到的值设定为第一次学习的阈值(步骤S10、S11)。不设定三次谐波含量率和四次谐波含量率的阈值的初始值，在第一次学习动作前的阶段，仅用二次谐波含量率的初始值来判定励磁冲击电流。多次执行学习动作，更新阈值的步骤与实施方式1中说明的步骤相同。

由控制部14使用二次谐波含量率、三次谐波含量率和四次谐波含量率的各个阈值来判断励磁冲击电流，并且当各个高次谐波含量率为阈值以上时，可以判断为励磁冲击电流，也可以对各个阈值附加优先顺序来判断，也可以加权判断。作为优选顺序判断的示例，有在导入到数字保护继电器1中的交流电流未满足二次谐波含量率的阈值但在-5％的余地内的情况下，在三次谐波含量率和四次谐波含量率分别为阈值以上时，判断为励磁冲击电流等。此外，作为加权判断的示例，有将二次谐波含量率的阈值设为平均值μ±4σ的下限，扩大励磁冲击电流的判断范围大致地进行判断，将三次谐波含量率的阈值和四次谐波含量率的阈值设为平均值±3σ，提高阈值细致地进行判断，满足上述全部阈值条件时，判断为励磁冲击电流等。另外，与二次谐波组合的高次谐波不限于三次谐波和四次谐波，还可以与更高次的谐波组合或者可以与直流分量组合。在使用这些组合判断励磁冲击电流时，对该组合附加优先顺序或加权，以提高判断精度。

如上所述，本发明的实施方式2的数字保护继电器中，除了二次谐波含量率的阈值之外，还对其他高次谐波或直流分量设定阈值，将它们组合来进行判断，从而能根据各个变压器的励磁冲击电流的特征来进行判断，能进一步提高判断精度，并能防止误动作。

在本发明的实施方式1和实施方式2中，将阈值学习部15和控制部14分开地进行说明，然而也可以将阈值学习部15设置在控制部14内。另外，A/D转换部12、运算处理部13、控制部14和阈值学习部可以作为程序由处理器执行。

另外，本发明在其发明的范围内可以对各实施方式进行自由组合，也能对各实施方式适当地进行变形、省略。

标号说明

1 数字保护继电器

2 断路器

3 变压器

11 电流测量部

12 A/D转换部

13 运算处理部

14 控制部

15 阈值学习部。

Claims (7)

1.一种数字保护继电器，输入流过变压器的交流电流，在检测到过电流时，进行与所述变压器连接的断路器的切断动作，其特征在于，包括：

A/D转换部，该A/D转换部以一定间隔对所输入的交流电流进行采样；

运算处理部，该运算处理部根据由所述A/D转换部采样得到的数字值来进行基于快速傅里叶变换的频率分析；

控制部，该控制部在由所述运算处理部提取出的高次谐波的比例为基于励磁冲击电流中包含的高次谐波的比例来规定的阈值以上时，阻止所述断路器的切断动作；以及

阈值学习部，该阈值学习部根据来自外部的指令，中断所述控制部的动作，进行用于更新阈值的学习流程，

与所述学习流程的学习动作开始联动地接通所述断路器，对连接所述变压器时产生的励磁冲击电流的至少3个波中在预先设定的电流值以上的波进行频率分析，基于进行了频率分析的高次谐波含量率来更新阈值，并在学习动作结束后重新开始所述控制部的动作。

2.如权利要求1所述的数字保护继电器，其特征在于，

在所述学习流程中多次接通所述断路器，基于所提取的多个高次谐波含量率的平均值和标准偏差来更新阈值。

3.如权利要求2所述的数字保护继电器，其特征在于，

在所述学习动作开始时，使学习动作灯闪烁，在所述断路器接通时，点亮断路器动作灯，在学习动作结束时，仅熄灭学习动作灯，从而能够看出重新开始所述控制部的动作。

4.如权利要求1所述的数字保护继电器，其特征在于，

在所述学习动作开始时，使学习动作灯闪烁，在所述断路器接通时，点亮断路器动作灯，在学习动作结束时，仅熄灭学习动作灯，从而能够看出重新开始所述控制部的动作。

5.如权利要求1至4的任一项所述的数字保护继电器，其特征在于，

用于计算所述阈值的更新值的高次谐波含量率是二次谐波的含量率。

6.如权利要求1至4的任一项所述的数字保护继电器，其特征在于，

用于计算所述阈值的更新值的高次谐波含量率是二次谐波、三谐波和四次谐波的含量率。

7.一种数字保护继电器的阈值学习方法，其特征在于，

在更新阈值时，根据来自外部的指令进行学习动作；

对于励磁冲击电流的至少3个波中在预先设定的电流以上的波进行基于快速傅里叶变换的频率分析，并根据基于该频率分析算出的二次谐波、三次谐波以及四次谐波的含量率来设定各个阈值；

在判断励磁冲击电流时，通过对所设定的所述二次谐波、所述三次谐波以及所述四次谐波的各个阈值附加优先顺序，或者对每个阈值加权，从而进行励磁冲击电流的判断。

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