CN111801583A - 电力系统装备的过励磁保护 - Google Patents

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CN111801583A CN201980016507.7A CN201980016507A CN111801583A CN 111801583 A CN111801583 A CN 111801583A CN 201980016507 A CN201980016507 A CN 201980016507A CN 111801583 A CN111801583 A CN 111801583A
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Abstract

公开了用于确定包括磁化铁芯的电力输送系统装备上的过励磁状况的系统和方法。即使在次同步谐振、铁磁谐振和其他复杂事件期间，也会确定过励磁状况。对电力系统电压进行积分和归一化，以确定磁化铁芯上的磁通量。将磁通量与保护模型进行比较，以确定磁化铁芯上的过励磁状况。一旦检测到过励磁状况，可以采取保护性动作来从受影响的电力输送系统装备移除电力。

Description

电力系统装备的过励磁保护
技术领域
本公开涉及用于检测在电力系统中的装备上的过励磁状况(overexcitationcondition)的系统和方法。本公开还涉及在检测到电力系统装备上的过励磁状况时，在电力输送系统中实现保护性动作。
附图简述
描述了本公开的非限制性和非详尽的实施例，包括参考附图的本公开的各个实施例，在附图中：
图1图示了符合本公开的实施例的电力输送系统的简化的单线图。
图2图示了在三个电力系统周期的时间段上过励磁变压器中电流的曲线图。
图3A图示了在电力系统事件之前和期间变压器中的电压随时间变化的曲线图。
图3B图示了图3A中的曲线图的细节部分。
图4图示了根据本文几个实施例的用于确定磁通量的简化逻辑图。
图5A图示了根据本文几个实施例的使用磁通量的保护性函数的简化逻辑图。
图5B图示了用于三件受监测装备的使用磁通量的过励磁特性的曲线图。
图6图示了根据本文几个实施例的用于检测过励磁的方法的流程图。
图7图示了用于为电力输送系统的包括旋转机械的部分提供保护性操作的系统的框图。
图8图示了用于为电力输送系统的包括变压器的部分提供保护性操作的系统的框图。
详细描述
电力输送系统包括用于维持发电、输电和配电的可靠性的各种装备。某些装备可以依靠磁化电流和感应来发电或将电力从一种状态变换到另一种状态。例如，发电机通常包括用于使定子附近的转子旋转的原动机(prime mover)，使得通过转子的旋转在定子的绕组中感应出电压。在另一个示例中，变压器可以包括磁芯，以能够将电压电平从一个绕组变换到另一个绕组。
施加到磁芯(诸如发电机的变压器铁芯或定子铁芯)的绕组的电力可能导致铁芯的饱和。变压器典型地在接近它们的额定磁通量(rated flux)的情况下操作。由于电力转移减少，铁芯饱和导致过热，并可能导致故障或缩短装备的使用寿命。铁芯饱和可以由涌流(inrush)或过励磁状况引起。
铁芯中的磁通量与施加到铁芯绕组的电力的电压成正比；并且与施加到铁芯的绕组的电力的频率成反比。事实上，过压状况和欠频状况可以单独或协同产生使铁芯饱和的磁通量水平，从而导致过励磁。
如上所述，过励磁可以导致过热、绝缘恶化、励磁电流增加、噪音和振动。应采取保护性动作，以移除供应给过励磁铁芯的电力。例如，保护性动作可能能够移除供应给铁芯的电力。也可以采取控制动作，诸如降低供应给铁芯的电力的电压、提高供应给铁芯的电力的频率等。
相应地，需要一种用于检测电力系统装备的磁芯的过励磁状况并在检测到过励磁状况时采取保护性动作的系统。
符合本公开的系统和方法可以监测与电力系统装备相关联的电气参数，该系统和方法使用磁化铁芯和感应来识别潜在的过励磁状况。这种系统和方法可以实现各种策略以在过励磁状况下保护装备。在一个实施例中，电力的电压可用于计算与装备铁芯相关联的磁通量。所计算的磁通量可用于确定装备的过励磁状况，然后可使用确定的过励磁状况来实现保护性动作。
通过参考附图将最好地理解本公开的实施例。将容易理解的是，如在本文中的附图中一般性地描述和图示的，所公开的实施例的部件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，本公开的系统和方法的实施例的以下详细的描述不旨在限制本公开所要求保护的范围，而是仅代表本公开的可能实施例。另外，除非另有说明，方法的步骤不一定需要按照任何特定的顺序或甚至依次序地被执行，步骤也不需要仅被执行一次。
在一些情况下，众所周知的特征、结构或操作没有被详细示出或描述。此外，所描述的特征、结构或操作可以以任何合适的方式组合在一个或更多个实施例中。在整篇说明书中，对于“一个实施例”、“实施例(an embodiment)”、或“实施例(the embodiment)”的任何的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构、或特性被包括在至少一个实施例中。因此，贯穿本说明书叙述的所引用的短语或其变型不一定都指向相同的实施例。
本文所公开实施例的几个方面可作为软件模块或部件来实施。如本文所使用的，软件模块或部件可以包括位于存储器设备内的任何类型的计算机指令或计算机可执行代码，其结合合适的硬件可操作，以执行编程的指令。例如，软件模块或部件可包括计算机指令的一个或更多个物理块或逻辑块，其可被组织为执行一个或更多个任务或实现特定的抽象数据类型的例程、程序、对象、部件、数据结构等。
在某些实施例中，特定的软件模块或部件可包括被存储在存储器设备的不同位置中的不同指令，其共同实现模块的所描述的功能。事实上，模块或部件可包括单一指令或许多指令，并且可以分布在几个不同的代码段上、分布在不同的程序之间以及跨几个存储器设备分布。一些实施例可在分布式计算环境中实践，其中任务由通过通信网络链接的远程处理设备执行。在分布式计算环境中，软件模块或部件可位于本地存储器存储设备和/或远程存储器存储设备中。另外，在数据库记录中绑定或呈现在一起的数据可驻留在相同的存储器设备中或跨几个存储器设备驻留，并且可以跨网络在数据库中的记录字段中链接在一起。
实施例可以作为计算机程序产品被提供，该计算机程序产品包括具有在其上存储的指令的非暂时性机器可读介质，该指令可以用于对计算机或其他电子设备编程以执行本文所描述的过程。非暂时性机器可读介质可以包括，但不限于，硬盘、软盘、光盘、CD-ROM、DVD-ROM、ROM、RAM、EPROM、EEPROM、磁卡或光卡、固态存储器设备、或用于存储电子指令的其他类型的介质/机器可读介质。在一些实施例中，计算机或其他电子设备可以包括处理设备，诸如微处理器、微控制器、逻辑电路等。处理设备还可以包括一个或更多个专用处理设备，如专用接口电路(ASIC)、PAL、PLA、PLD、现场可编程门阵列(FPGA)或任何其他可定制或可编程设备。
发电和电力输送系统被设计成生成、传输电能，并将电能分配给负载。发电和电力输送系统可以包括诸如发电机、电动机、电力变压器、输电和配电线路、电路断路器、开关、总线、传输线路、电压调节器、电容器组等的装备。可以使用IED来监测、控制、自动操作和/或保护这样的装备，IED从装备接收电力系统信息，基于信息做出决策，并且向装备提供监测、控制、保护和/或自动操作输出。
在一些实施例中，IED可以包括例如远程终端单元、差动继电器(differentialrelay)、距离继电器、方向继电器、馈电继电器、过流继电器、电压调节器控件、电压继电器、断路器故障继电器、发电机继电器、电动机继电器、自动化控制器、间隔控制器(baycontroller)、计量器、自动开关控件(recloser control)、通信处理器、计算平台、可编程逻辑控制器(PLC)、可编程自动化控制器、输入和输出模块、调速器(governor)、激励器、静止同步补偿器控制器(statcom controllers)、静态VAR补偿器(SVC)控制器、有载分接开关(OLTC)控制器等。此外，在一些实施例中，IED可以经由网络被通信地连接，该网络包括例如，多路复用器、路由器、集线器、网关、防火墙和/或开关(其中的每一个也可以用作IED)，以促进网络上的通信。联网和通信设备也可以被集成到IED中和/或与IED通信。如本文所使用的，IED可以包括单个离散IED或者多个IED一起操作的系统。
图1图示了符合本公开的实施例的电力传输和配电系统100的简化的单线图，该电力传输和配电系统100被配置成利用一个或更多个次级时间源来验证初级时间源的精确性。电力输送系统100可以被配置成生成、传输电能，并将电能分配给负载。电力输送系统可以包括诸如发电机(例如，发电机110、112、114和116)、电力变压器(例如，变压器117、120、122、130、142、144和150)、电力传输和输送线(例如，线124、134、136和158)、电路断路器(例如，断路器152、160)、总线(例如，总线118、126、132和148)、负载(例如，负载140和138)等的装备。诸如电压调节器、电容器组等的各种其他类型的装备也可以被包括在电力输送系统100中。
变电站(substation)119可以包括发电机114，该发电机114可以通过升压变压器(step-up transformer)117连接到总线126。总线126可以经由降压变压器(step-downtransformer)130连接到配电总线132。各种配电线136和134可以连接到配电总线132。配电线136可通向变电站141，其中使用IED 106来监测和/或控制该线，该IED 106可选择性地断开和闭合断路器152。负载140可从配电线136馈电。此外，经由配电线136与配电总线132进行通信的降压变压器144可以用于降低由负载140消耗的电压。
配电线134可通向变电站151，并向总线148输送电力。总线148也可经由变压器150接收来自分布式发电机116的电力。配电线158可将电力从总线148输送到负载138，并且还可包括降压变压器142。电路断路器160可用于选择性地将总线148连接到配电线134。IED108可用于监测和/或控制电路断路器160以及配电线158。
电力输送系统100可使用智能电子设备(IED)(诸如IED 104、106、108、115和170)以及中央监测系统172来监测、控制、自动操作和/或保护。通常，电力的生成和传输系统中的IED可用于在系统中的装备的保护、控制、自动操作和/或监测。例如，IED可用于监测许多类型的装备，包括输电线、配电线、电流互感器、总线、开关、电路断路器、自动重合闸、变压器、自耦变压器、分接开关、电压调节器、电容器组、发电机、电动机、泵、压缩机、阀以及各种其他类型的受监测的装备。
如本文中所使用的，IED(诸如IED 104、106、108、115和170)可指监测、控制、自动操作和/或保护系统100内的受监测的装备的任何基于微处理器的设备。例如，这样的设备可包括远程终端单元、差动继电器、距离继电器、方向继电器、馈电继电器、过电流继电器、电压调节器控件、电压继电器、断路器故障继电器、发电机继电器、电动机继电器、自动化控制器、间隔控制器、计量器、自动重合闸控件、通信处理器、计算平台、可编程逻辑控制器(PLC)、可编程自动化控制器、输入和输出模块等等。术语IED可用于描述单个IED或包括多个IED的系统。
中央监测系统172可以包括一个或更多个多种类型的系统。例如，中央监测系统172可包括监控与数据采集(SCADA)系统和/或广域控制与态势感知(WACSA)系统。中央IED170可与IED 104、106、108和115进行通信。IED 104、106、108和115可远离中央IED 170，并且可通过各种介质进行通信(诸如来自IED 106的直接通信)或通过广域通信网络162进行通信。根据各个实施例，某些IED可与其他IED直接进行通信(例如，IED 104与中央IED 170进行直接通信)，或可经由通信网络162进行通信(例如，IED 108经由通信网络162与中央IED 170进行通信)。
在各个实施例中，IED 104可以被配置成监测与发电机110和/或变压器120相关联的参数。这些参数可以包括监测发电机110的电流、电压、频率和/或其他电气状况。IED 104可被配置成监测与发电机110相关联的物理参数，诸如转速、角位置等。这些参数也可用于计算由发电机110连接到系统100的其余部分所引起的扭矩(torque)。更进一步地，根据本文的几个实施例，可以监测电气参数以确定发电机110上是否存在过励磁状况。
IED 104还可以被配置成监测变压器120的电气参数。这些参数可以包括变压器120的电流、电压和/或其他电气状况。根据本文的几个实施例，可以分析电气参数以确定变压器120上是否存在过励磁状况。
网络162可以用于在系统100中的各种部件(包括IED 108、115、170和中央监测系统172)之间传输信息。与系统100中的旋转机械相关联的电气和机械参数相关的信息可以使用网络162传输。IED 104、106、108、115和170中的一个或更多个可以被配置成实现本文所包含的用于系统100中的一件或更多件旋转机械的系统和方法。
公共时间信号168可以用于时间对准测量以进行比较和/或同步系统100上的动作。利用公共或通用的时间源可确保IED具有可用于生成时间同步数据(诸如同步相量)的同步时间信号。在各个实施例中，公共时间源可以包括来自全球导航卫星系统(“GNSS”)190的时间信号。IED 106可以包括接收器192，该接收器192被配置成从GNSS系统190接收时间信号。在各个实施例中，IED 106可以被配置成将时间信号分配给系统100中的其他部件，诸如IED 104、108、115和170。
图2图示了在处于过励磁状况下的变压器中的初级电流202的曲线图200。初级电流202进入一个绕组，并且不离开另一个绕组，而是在变压器铁芯和其他部件中耗散，如果该状况持续存在，会导致发热和损坏。在这种状况下，过励磁保护可以使用伏特每赫兹(V/Hz)函数来提供。也就是说，IED可以测量电压并导出频率，以使用这些测量结果来确定过励磁状况。对于导致磁芯过流的相对简单的事件而言，V/Hz计算对确定过励磁状况可以是有用的。例如，甩负荷(load rejection)后的过压事件可以导致磁芯中的过励磁状况，这可以使用V/Hz函数来检测。然而，对于更复杂的事件，V/Hz函数可能不足以检测过励磁状况。变压器差动保护通常用于检测内部故障，并且在进入一个绕组的电流不离开其他绕组的过励磁状况(类似于内部故障期间发生的状况)下可能会误操作。特别令人感兴趣的是电流信号的失真形状，富含五次谐波。在这种情况下，检查五次谐波存在的信号被用于防止变压器差动元件在过励磁状况下的误操作。
电力输送系统上可能经历的复杂事件，以及可能导致过励磁状况(其可能无法被V/Hz函数检测到)的事件，包括，例如次同步谐振、铁磁谐振以及系统接近基于电力电子设备的源，这些源的电压中可能含有谐波成分。基于电力电子设备的源包括例如太阳能发电机、电池、风力发电、旋转大容量存储装置等等，它们使用逆变器或其他电力电子设备连接到电力系统。
在一个示例中，系统电压可以由不同频率的多个电压分量构成。由于V/Hz函数典型地只使用单个计算频率，因此可能无法检测到过励磁状况。
在另一个示例中，如果信号中存在次谐波频率，过零点(zero-crossing)可以移动，从而导致错误的频率计算。显然，如果频率计算包含误差，依赖于这些频率的V/Hz函数也将包含误差。
在又一个示例中，IED可以被配置成在相对窄的范围内跟踪频率。相应地，当实际系统频率超出该范围时，V/Hz函数将包含误差，并且无法可靠地确定磁芯中的过励磁状况。
此外，由于不适当的频率跟踪，电压幅度可能被严重高估或低估，因此是错误的。这显然会导致所计算的电压中的误差，进而导致V/Hz函数的误差。同样，在这种状况下，过励磁状况可能无法被检测到。
除上述情况之外，使用电压元件(诸如基波和均方根(RMS)过压)的IED可能无法提供足够的电压来使用V/Hz函数检测过励磁状况。这些元件典型地包括不能很好地表示系统电压的各种分量的滤波器(例如，RMS滤波器对于间谐波(inter-harmonic)没有单位增益)。此外，电压幅度和电力系统元件的损坏曲线之间没有直接关联。
图3A图示了事件之前和故障清除之后来自三相电力系统的每个相的电压信号310随时间312变化的曲线图300。电压信号VA 306、VB 302和VC 304按单位示出。应当注意，就在时间150之前，B相上的故障被清除，从而导致电压信号VB 302下降到接近0。然而，观察到的不是故障清除和系统恢复正常操作，而是风电场发电机和串联补偿线路之间的合成共振相互作用，从而导致大的电压幅度和低频率，该大的电压幅度和低频率然后被施加到受监测的变压器上。
图3B图示了图3A的曲线图的一部分，以更好地图示在故障清除后的电压信号的一部分。图示出了从大约时间440到大约时间620的三相电压。可以清楚地看到，这些信号示出了接近20Hz的次同步频率，以及按单位大于2的电压。这种过压和欠频可能导致变压器的过励磁状况。
由于上面所说明的几个原因，单独在V/Hz函数上操作以检测过励磁状况的IED将不会检测到过励磁状况。
根据本文的几个实施例，可以通过使用电压信号计算磁通量来检测磁化铁芯上的过励磁状况。磁通量可以通过计算随时间变化的电压信号的和，或者通过相对于时间对电压信号进行积分来确定。
在一个实施例中，瞬时磁通量计算可以产生不依赖于电力信号频率的磁通量。相对于时间对电压进行积分来计算磁通量保留了系统电压的所有不同频率分量的影响，而V/Hz函数仅对正弦系统电压有效。此外，磁通量计算保留了对应于事件的初始状况。例如，发生在不同波上点(point-on-wave)的相同事件可以对应于通过变压器铁芯的不同支路的不同磁通量。
除上述情况之外，使用磁通量来确定磁化铁芯的过励磁状况的另一个优点是在过励磁状况期间改进了差动保护元件的阻挡(或抑制)。在各个实施例中，可以使用磁化铁芯上的差动保护来检测内部故障。例如，可以根据提供给变压器的初级绕组的电流和来自变压器的次级绕组的电流计算差动电流，并用该差动电流来检测变压器中的内部故障。然而，在过励磁状况下，即使不存在内部故障，差动电流也可能超过阈值。当不存在内部故障时，必须使用阻挡或抑制技术来阻挡或抑制差动元件在过励磁状况下使变压器跳闸。传统上，五次谐波用于阻挡差动元件。然而，挑战传统伏特/Hz计算有效性的相同事件也对五次谐波阻挡方案的有效性产生负面影响。这可能导致差动误操作。然而，对于当前公开的使用磁通量的过励磁检测，对于使用差动元件精确地确定内部故障不需要五次谐波差动阻挡。也就是说，当超过某个阈值时，磁通量可用于阻挡或抑制差动元件，并且不需要计算五次谐波电流来阻挡或抑制差动元件。已经观察到的是，使用五次谐波电流的问题类似于前面提到的问题。也就是说，只有当基频被正确地跟踪时，谐波才能被正确地计算，这还适用于仅包含信号频率的信号。
磁通量的计算可用于确定各种类型的电力系统装备上的过励磁状况，该电力系统装备包括诸如发电机、变压器、移相变压器、电压调节器、电抗器、电动机、电流互感器等的磁化铁芯。本文描述的几个实施例是根据确定变压器上的过励磁状况来描述的。然而，应当注意，本文描述的实施例可以等同地应用于其他电力系统装备。
典型地使用诸如图1中所图示的变压器的电压互感器(potential transformer)结合IED 104从变压器120的每一侧获得电压信号，或者结合IED 115从发电机114获得电压信号来获得电压信号。当测量与变压器相对应的电压时，PT可以连接到Y形绕组(wyewinding)或三角形绕组(delta winding)。如果PT连接到三角形绕组，则可以使用相间电压(phase-to-phase voltages)(Vpp)来计算与每个支路相关联的磁通量。如果PT连接到变压器或发电机或其他装备的Y形绕组，则可使用相电压(Vp)来计算磁通量。在任一配置中，磁通量可以根据方程式1A计算：
Figure BDA0002660364990000101
其中：
φ是计算的磁通量；
N是变压器的匝数比；
v是对应于绕组的电压(三角形配置中的相间电压Vpp或Y形配置中的相电压Vp)；并且
φ0是初始磁通量。
在各个实施例中，在磁通量值的计算中，N的值可以是未知的或不可用的。在随后的各个实施例中，应当注意，磁链(flux linkage)可用于确定过励磁状况，类似于使用来自方程式1A的磁通量来确定过励磁状况。在这样的实施例中，可以根据方程式1B计算磁链：
λ＝∫v dt+λ0 方程式1B
其中：
λ是计算的磁链；
v是对应于绕组的电压(三角形配置中的相间电压Vpp或Y形配置中的相电压Vp)；并且
λ0是初始磁链(initial flux linkage)。
在初始磁通量φ0(或初始磁链λ0)未知的情况下，方程式1A或1B中的任一个可以在电压波形的峰值处被初始化在稳态，在该峰值点处，磁通量(例如，方程式1A的φ0)为零。
在各个其他实施例中，方程式1可以使用其他方法来初始化，以实现相同的目标。例如，在一个实施例中，误差消除算法被用于经由低通滤波器或类似部件来消除恒定直流(DC)分量。误差消除算法随着时间的推移消除初始状况φ0，并且也可以校正恒定测量误差。这种可替代实施方式或这种实施方式的组合虽然在本文没有单独讨论，但是实现了相同的目标，并且被本公开的范围所覆盖。
图4图示了简化的逻辑图400，逻辑图400用于为PT以三角形配置进行连接的系统计算相间单位瞬时磁通量，以用于确定磁化铁芯上的过励磁状况。根据所图示的实施例，瞬时相间电压Vpp(t)信号402使用例如连接到变压器的三角形绕组的PT被提供给IED。积分器416由“与(AND)”门430使能。如上所述，当铁芯磁通量为零时，积分器被初始化，这发生在电压信号的峰值处。相应地，“与”门430的一个输入是峰值检测器408的检测结果。此外，当已经检测到扰动时，积分器416的积分不被启动。因此，只有当电压扰动检测器信号404和电流扰动检测器信号406两者都不存在时，反转的“或(OR)”门426才会向“与”门430提供信号。定时器428可用于通过要求“或”门426的输出在稳态信号将被提供给“与”门430之前持续预定时间(如所图示的10秒)来确保稳态。
根据稳态信号和峰值检测器信号，“与”门430将向积分器416提供运行信号422，以运行所提供的瞬时电压Vpp(t)402的积分。积分器416对瞬时电压信号Vpp(t)402进行积分，以提供可用于确定过励磁状况的原始磁链值420。
在各个实施例中，原始磁链值420可以被归一化，以提供瞬时单位相间磁通量信号φPP(t)450。这种归一化可以消除将积分电压除以变压器匝数比(方程1中的N)的需要。如所图示的，归一化424可以通过用方程式2划分原始磁链420来执行：
Figure BDA0002660364990000121
其中：
NFREQ是受监测系统的基频；并且
VNOM是受监测系统的标称电压。
根据各个实施例，当绕组两端不再提供电压时，可以重置积分416。这可以通过在比较器412中将瞬时电压信号Vpp(t)402的绝对值432与阈值(诸如系统标称电压VNOM的倍数)410进行比较来实现。当电压信号的绝对值下降到低于阈值一预定时间(定时器414)时，则重置信号418被提供给积分器416，且磁通量计算被重置。
应当注意，结合图4描述的实施例是针对PT连接到变压器三角形绕组的实施例描述的，从而导致电压信号是相间电压(Vpp(t))信号，并且计算的磁通量值是相间单位瞬时磁通量φPP(t)450。对于PT连接到变压器、发电机或其他装备的Y形绕组的实施例，可以进行类似的计算，其中感兴趣的信号是相电压(Vp(t))和计算的瞬时单位磁通量φP(t)。在任何实施例中，所提供的电压信号通常被称为电压信号，并且所得到的计算磁通量被称为磁通量。
单位瞬时磁通量450可用于确定受监测装备的过励磁状况，并用于实现保护性动作以改进受监测装备和整个电力输送系统的功能。图5A图示了根据本文几个实施例的用于使用计算的单位瞬时磁通量450来确定受监测装备的过励磁状况的简化框图。均方根(RMS)块502根据计算的瞬时磁通量450计算RMS磁通量值504。块502的RMS窗口应该长到足以捕获感兴趣的次谐波频率，例如，50ms或更大。该窗口应短到足以确保元件对于严重的过励磁事件是可靠的，例如，1s或更小。RMS磁通量值504可应用于保护模型506，以确定是否存在过励磁状况，以及是否应该由于过励磁状况508而采取保护性动作。在一个实施例中，磁通量曲线可用在保护模型506中，以确定过励磁状况和要采取的动作。
图5B图示了用于三件受监测装备的使用RMS磁通量(按单位)的三种过励磁特性552、554和556的曲线图550。保护特性被示为用于在RMS磁通量的水平持续预定时间时提供保护性动作(如跳闸或断开断路器)的阈值。例如，当受监测装备对应于由曲线552表示的装备时，保护模型506可以使用曲线552。在该示例中，如果由曲线552所表示的装备上的RMS磁通量高于正常值20％(1.2单位)达1.0分钟，则保护模型506的输出将是过励磁跳闸信号，以实现从受监测装备移除电力的保护性动作。保护模型506可以使用对应于受监测装备的过励磁特性。
尽管上述实施例描述了使用与图5B相关联的保护模型和曲线来检测过励磁状况，但是根据本文描述的各个实施例，任何适当的保护模型都可以用于使用所计算的RMS磁通量来检测过励磁状况。在几个实施例中，保护模型可以由IED预先确定和存储，并且可由用户选择。在一个特定实施例中，可以使用对应于时间相对于(vs.)百分比V/Hz阈值的保护模型。阈值可以使用描述模型片段的设定点来产生。设定点可由装备制造商提供。设定点可以按V/Hz的单位提供，并直接与本发明的单位RMS磁通量一起使用。
在另一个实施例中，保护模型可以是用户定义的曲线。可以提示用户输入由保护模型用来确定过励磁状况的曲线或设定点，以及在确定过励磁状况时采取的保护性动作。
在另一个实施例中，诸如热模型的保护模型可以被用作保护模型，该热模型可以被或可以不被诸如电阻温度检测器(RTD)的换能器输入偏置。
图6图示了符合本公开的实施例的用于在电力系统中检测使用磁化铁芯的受监测装备上的过励磁状况的方法600的流程图。在602，可以接收与电力系统中的磁化铁芯装备(例如，变压器、发电机等等)相关联的电气测量结果。在一个实施例中，电气测量结果可以包括受监测装备的终端电压。在604，方法600可以在执行确定过励磁状况所需的计算之前确定电力系统是否处于稳态。可以使用各种方法来识别系统是否处于稳态，包括检测在602接收的电气参数的改变。在各种实施例中，电流或电压中一个或更多个中的改变提供了电力系统不处于稳态的指示，因此，方法600可以返回到602并等待，直到电气参数符合稳态状况。在各个实施例中，电压和电流扰动检测器可用于确定系统是否处于稳态，类似于结合图4所图示和所描述的系统。如果系统不处于稳态，则该方法返回到602。在各个实施例中，在系统在604被确定处于稳态之前，稳态状况必须持续预定的时间。此外，方法可以确定是否检测到电压峰值606，使得当磁通量接近零时可以开始积分。如果没有检测到电压峰值，则方法返回到602。如果系统处于稳态604，并且一旦在606检测到电压峰值，则该方法继续对电压信号进行积分以产生原始磁链值608。原始磁链值可以被归一化以产生单位瞬时磁通量610。执行单位瞬时磁通量的RMS计算，以获得单位RMS磁通量量值611。单位RMS磁通量可应用于保护模型612。如果存在过励磁状况614，则方法可以在返回到602之前实现保护性动作616。
应当注意，各个实施例可能不需要确定是否检测到电压峰值。例如，一个实施例可以包括低通滤波器，以消除原始磁链值、瞬时磁通量值、RMS磁通量等的DC分量，因此不需要在电压峰值处开始积分，如在所图示的实施例中所描述的。
图7图示了符合本公开的实施例的包括IED 780的系统700的框图，该IED 780被配置成检测与旋转机械748相关联的过励磁状况。在各种实施例中，IED 780可包括电动机继电器、发电机继电器、变压器继电器或者被配置成监测和/或保护旋转机械748的其他设备。旋转机械748可以被实施为发电机、同步电动机、异步电动机或者使用磁化铁芯的任何其他类型的旋转机械。旋转机械748可以使用断路器742选择性地连接到馈电线744。馈电线744可以与电力系统电通信，并且旋转机械可以经由馈电线744从电力系统获取电力或者向电力系统提供电力。
包括例如装备754和756的附加电力系统装备也可以分别使用断路器750和752选择性地连接到馈电线744。如上文已经描述的，与装备748、754和756中的任何一个相关联的切换事件或其他电力系统事件可产生电压增加和/或频率降低，从而导致旋转机械748的磁化铁芯上的过励磁。
本公开为使用IED 780检测旋转机械748的磁化铁芯上的过励磁状况的技术问题提供了技术解决方案，从而改进电力系统的操作。特别地，通过当前公开的过励磁状况检测，改进了IED 702的功能。
为此，IED 780可以包括被配置成与通信网络进行通信的通信接口702。IED 780可以与其他IED或其他设备或系统(例如，SCADA系统、广域态势感知系统等)通信。通信接口702可以被实施为网络接口、光学接口、串行接口或各种其他类型的通信接口。IED 780也可以包括时间输入端704，该时间输入端704可以用于从导航卫星系统(GNSS)或其他系统(诸如WWVB系统)接收时间信号。在某些实施例中，公共时间参考可经由网络接口702来接收，因此，单独的时间输入端704和/或全局时间输入端(Global time input)706将不是必要的。一个这样的实施例可采用IEEE 1588协议。
受监测的装备接口708可以被配置成从一件受监测装备(诸如断路器742)接收装备状态信息，并向该受监测装备发出控制指令。在某些实施例中，可以通过通信接口502传送装备状态信息和/或控制指令。
计算机可读存储介质710可以是被配置成实现本文中所描述的过程中的任一个的一个或更多个模块和/或可执行指令的储存库。数据总线712可以将受监测的装备接口708、时间输入端704、通信接口702以及计算机可读存储介质710链接到处理器714。
处理器714可被配置成对经由通信接口702、时间输入端704和/或受监测的装备接口708接收的通信进行处理。处理器714可以使用任何数量的处理速率和架构来操作。处理器714可被配置成利用存储在计算机可读存储介质710上的计算机可执行指令来执行本文中所描述的各种算法和计算。处理器714可被实施为通用集成电路、专用集成电路、现场可编程门阵列、和/或其他可编程逻辑设备。
在某些实施例中，IED 780可包括传感器部件716。在所示的实施例中，传感器部件716被配置成使用电压变压器718和/或电流互感器720收集来自导体746的数据。电压变压器718可以被配置成将导体746上的电压(V)逐步降低至可以被IED 780容易地监测并测量的幅度。如上文更详细描述的，电力系统可以是图7的单线图中所示的三相电力系统。相应地，线路746可以是具有三个导体的三相线，每个导体与不同的相位相关联。PT 718可以是三角形或Y形配置，以从线路746获得电压测量结果。类似地，电流互感器720可以被配置成将流经导体746的电流成比例地逐步降低至可以被IED 780容易地监测并测量的幅度。可以使用各种其它仪器来从电力输送系统获得信号，该其它仪器包括例如Rogowski线圈、光学互感器等等。
模数转换器726可以采样和/或数字化所测量的电压和/或电流信号，以形成对应的数字化的电流和电压信号。A/D转换器726可通过总线712连接到处理器714，电流信号和电压信号的数字化的表示可通过该总线712被传输到处理器714。如上所述，处理器714可以用于将装备状态、测量结果和导出的值应用于IED模块。在一些实施例中，可以使用单独的设备来代替传感器部件716，用于从导体746向IED 780提供信号。在一些实施例中，单独的设备可以被配置成从电力输送系统获得信号(诸如电压和/或电流信号)，并且创建信号(例如，电流和电压信号)的数字化表示，应用时间戳，和/或向IED 780提供这样的信息。在某些实施例中，已经被描述为从传感器部件716接收的信息改为从通信接口702接收。
受监测的装备接口708可以被配置成接收来自一件受监测装备(诸如断路器742)的状态信息，并向该受监测装备发出控制指令。根据一些实施例，也可以经由通信接口702发出控制指令。例如，经由通信接口702发出的控制指令可以被发送到其他分布式控制器、协调控制器、IED等(未示出)，其继而可以将控制指令发出到一件受监测的装备。可替代地，受监测的装备可以直接经由其自己的通信接口来接收控制指令。
计算机可读存储介质710可以是被配置成实现本文所描述的某些功能和/或方法的一个或更多个模块和/或计算机可执行指令的储存库。例如，计算机可读存储介质710可以包括用于通信730、保护性动作732、计算单位磁通量734的指令、以及电气参数的储存库742。模块和/或可执行指令被配置成实现本文描述的各种功能。在一个具体实施例中，包含在计算机可读存储介质710中的模块可以被配置成实现如图6中所示的方法600。
用于通信730的指令可以包括用于促进从IED 780到电力输送系统中其他控制器和/或其他部件的信息通信的指令。这些指令可以包括根据各种通信协议的通信格式化，以及用于将关于磁通量和过励磁状况的信息传送给其他系统的指令。
电气参数742可以被配置成接收和监测与电力系统相关联的电气参数。在所示的实施例中，电气参数可以从传感器部件716接收。在其他实施例中，电气参数可以经由通信接口702接收。由传感器部件716接收的电气参数可以被电气参数模块分析，以确定其他感兴趣的参数。例如，为了同步旋转机械748，可以分析电流测量结果以确定电能的频率或相位。此外，诸如电压、电流、频率等的标称值可以存储在电气参数742中。诸如由图5A的保护模型506使用的保护模型可以存储在电气参数742中。
单位磁通量734的计算可以根据本文的几个实施例来执行。例如，用于计算磁通量的指令可以包括使用用传感器716获得的电压和/或电流信号来确定系统稳态；使用用传感器716获得的电压信号来检测电压峰值；对电压信号进行积分以获得原始磁链；使用存储在电气参数742中的电气参数来归一化原始磁链。计算的单位磁通量还可以是RMS磁通量，如图5A所示。
用于保护性动作732的指令可被配置成在734中计算的单位磁通量指示超过电气参数742中存储的保护模型的过励磁状况的情况下实现一个或更多个动作。在各个实施例中，保护性动作732可以将磁通量与保护模型进行比较，确定是否应该采取保护性动作，并且实现保护性动作可以向对实现性保护动作有用的装备发送命令。例如，保护性动作可以是断开旋转机械748与电力系统的连接。在这样的实施例中，用于保护性动作732的指令可以格式化并发送断开电路断路器742的命令。由保护性动作指令732实现的动作可以包括断开电路断路器、调整参数以减少过励磁状况、在完成动作之前警告操作者等中的一个或更多个。
类似于图7所示的系统，图8图示了符合本公开的实施例的系统700的简化框图，该系统700包括被配置成检测与变压器848相关联的过励磁状况的IED 780。变压器848可用于在总线744和总线844之间变换电力。IED 780可以被配置成使用本文描述的各种实施例来检测变压器848上的过励磁状况。尽管所示的实施例包括从变压器的一侧获得电压和/或电流，但是电压和/或电流可以从变压器的任一侧或两侧获得，并由IED 780使用以确定过励磁状况并实现保护性动作。此外，保护性动作可以是断开断路器742、断路器842或断路器742和842两者，以将变压器848与电力系统完全隔离。
通过更好地检测电力系统的磁化铁芯中的过励磁状况，并在检测到过励磁状况时在电力系统上实现保护性动作，使用本文公开的内容改进了电力系统的操作。此外，通过更有效地检测电力系统的磁化铁芯中的过励磁状况，并在检测到过励磁状况时在电力系统上实现保护性动作，使用本文公开的内容改进了IED的操作。
特别地，电力系统和IED的操作得到了改进，因为即使在会产生次谐波频率的状况下也能检测到过励磁状况，而在会产生次谐波频率的状况下，过励磁状况是无法用V/Hz方法检测到的。已经发现，对电压信号进行积分以产生磁通量，并且使用该计算的磁通量来确定过励磁状况改进了过励磁状况的检测。
在一个实验中，在以下状况下，将V/Hz方法与本文描述的实施例进行比较：
从时间0到时间0.5秒：标称系统电压和频率；
从时间0.5到时间1.0秒：在所有的三个相上频率从60Hz下降到54Hz，降幅为10％；
从时间1.0到1.5秒：电压和频率恢复到稳态；
从时间1.5到2.0秒：引入频率为30Hz和45Hz的次谐波信号；以及
从时间2.0到3.0秒：电压和频率恢复到稳态。
在上述状况下，发现V/Hz方法和本公开的实施例都检测到从0.5到1.0秒的初始瞬变。然而，V/Hz实施方式没有检测到从时间1.5到2.0秒的瞬变，而本公开的实施例却检测到了这种状况。
此外，已经观察到，在电压增加到按单位大于2的值且具有大的20Hz频率分量的次同步谐振(SSR)状况下，V/Hz方法没有检测到过励磁状况，而本文描述的实施例却检测到过励磁状况。因此，本公开描述了改进电力系统的操作的系统和方法，以及改进用于保护和控制电力系统的IED的操作的系统和方法。
虽然已经示出并描述了本公开的特定实施例和应用，但应理解，本公开不限于本文公开的具体配置和部件。因此，在不脱离本公开的基本原理的情况下，可以对上述实施例的细节做出许多改变。因此，本发明的范围应仅由随附的权利要求限定。

Claims (20)

1.一种用于保护电力输送系统的设备，所述电力输送系统包括具有磁化铁芯的装备，所述设备包括：
传感器部件，其与所述电力输送系统的电压互感器电通信，所述传感器部件包括用于提供与所述电力输送系统的电压相对应的电压信号的电压信号输出端；
处理器；
计算机可读存储介质，其与所述处理器和所述传感器部件通信，包括：
电气系统参数；
保护模式；
磁通量指令，所述磁通量指令在由所述处理器执行时使所述设备：
使用来自所述传感器部件的所述电压信号确定所述电力系统是否在稳态下操作；以及
在确定了稳态时，对所述电压信号进行积分以产生磁通量值；以及
保护性动作指令，所述保护性动作指令在由所述处理器执行时使所述设备：
将所述磁通量值与保护模型进行比较；
基于所述磁通量值与所述保护模型的比较来确定所述磁化铁芯的过励磁状况；以及
在确定了所述过励磁状况时，实现所述电力输送系统的保护性动作。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述磁通量指令还使所述设备使用来自所述传感器部件的所述电压信号来确定电压峰值，并且在检测到稳态并确定了所述电压峰值时，对所述电压信号进行积分以产生磁通量量值。
3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述磁通量指令还使所述设备移除所述磁通量值的恒定直流(DC)分量。
4.根据权利要求1所述的设备，其中，所述保护性动作包括断开所述电力输送系统的一部分，以从所述磁化铁芯移除电力。
5.根据权利要求1所述的设备，其中，所述具有磁化铁芯的装备包括变压器。
6.根据权利要求1所述的设备，其中，所述具有磁化铁芯的装备包括发电机。
7.根据权利要求1所述的设备，其中，所述电力输送系统包括三相系统，并且所述电压互感器以三角形配置连接。
8.根据权利要求7所述的设备，其中，所述电压信号包括相间电压。
9.根据权利要求1所述的设备，其中，所述电力输送系统包括三相系统，并且所述电压互感器以Y形配置连接。
10.根据权利要求9所述的设备，其中，所述电压信号包括相电压。
11.根据权利要求1所述的设备，其中，所述电压信号被积分以产生磁链，并且所述磁链使用存储在所述电气系统参数中的所述电力输送系统的基频和标称电压被归一化，以获得包括单位磁通量的所述磁通量值。
12.根据权利要求1所述的设备，其中，所述磁通量指令还使所述设备在所述电压信号下降到低于预定阈值时重置所述电压信号的积分。
13.根据权利要求1所述的设备，其中，所述保护模型是用户定义的。
14.根据权利要求1所述的设备，其中，所述磁通量指令还使所述设备在确定了所述过励磁状况时阻挡差动保护元件。
15.一种用于保护电力输送系统的方法，所述电力输送系统包括具有磁化铁芯的装备，所述方法包括：
接收与所述电力输送系统的电压成比例的电压信号；
使用所述电压信号确定所述电力系统是否在稳态下操作；
在确定了所述稳态时，对所述电压信号进行积分以产生磁通量值；
将所述磁通量值与保护模型进行比较；
基于所述磁通量值与所述保护模型的比较来确定所述磁化铁芯的过励磁状况；以及
在确定了所述过励磁状况时，实现所述电力输送系统的保护性动作。
16.根据权利要求15所述的方法，还包括使用所述电压信号确定电压峰值，并且在确定了所述稳态和所述电压峰值时，对所述电压信号进行积分以产生所述磁通量值。
17.根据权利要求15所述的方法，还包括移除所述磁通量值的恒定直流(DC)分量。
18.根据权利要求15所述的方法，其中，所述保护性动作包括断开所述电力输送系统的一部分，以从所述磁化铁芯移除电力。
19.根据权利要求15所述的方法，其中，积分步骤包括对所述电压信号进行积分以产生磁链，并且所述方法还包括使用所述电力输送系统的基频和标称电压来归一化所述磁链，以获得包括单位磁通量的所述磁通量值的步骤。
20.根据权利要求15所述的方法，还包括在确定了所述过励磁状况时阻挡差动保护元件的步骤。
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