CN112394296B - 对高阻抗接地电力系统中的接地故障的处理 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及对高阻抗接地电力系统中的接地故障的处理，并提供了用于确定高阻抗接地电力系统的馈线中的EF的方向的机制。方法由IED执行。所述方法包括：获得从馈线的剩余电压和电流导出的一阶谐波有功电流分量的测量量，该测量量对于在馈线中发生EF时有效。所述方法包括获得从馈线的剩余电压和电流导出的高于一阶谐波无功电流分量的测量量，该测量量对于在馈线中发生EF时有效。所述方法包括基于一阶谐波有功电流分量和高于一阶谐波无功电流分量的组合来确定馈线中的EF的方向。

Description

对高阻抗接地电力系统中的接地故障的处理
技术领域
本文提出的实施例涉及用于确定高阻抗接地电力系统的馈线中的接地故障(EF)的方向的方法、智能电子设备(IED)、计算机程序和计算机程序产品。
背景技术
一般来说，高阻抗接地电力系统的特征在于电力系统中性点经由相对较高的阻抗连接到地。一个示例是孤立的电力系统，在该孤立的电力系统中，该阻抗在实践中是无限的。然而，在任何电力系统中，无论中性点接地如何，总是存在独立的相导体与地之间的固有分布式电容。
一般来说，EF是带电导体和地之间的无意故障。当发生EF时，使得诸如高阻抗接地电力系统的电气系统短路，并且短路电流流过系统。
接下来将公开高阻抗接地系统及其与EF的关系的示例。
第一示例是接地阻抗在实践中是无限大时的孤立的电力系统。在这种电力系统中的EF期间，EF电流幅值和瞬态将仅由独立的相导体对地的固有电容确定。取决于电力系统的地理尺寸和使用的线路类型(架空线路(OHL)或电缆)，电容性EF电流可以在几十安培或者甚至几百安培的量级。整个互联网络的总电容性EF电流通过故障点。这种类型的接地通常用于较低的电压水平(例如配电)。通过使用对剩余电流基本频率分量Io*sin(φ)灵敏的继电器，即基于测量的剩余电流中的基本频率无功电流分量的定向EF继电器，可以检测故障馈线。电容性故障电流将一直流过故障点。
第二示例是电抗器用作接地阻抗时的消弧线圈(Petersen coil)接地系统(即谐振接地或补偿接地)。在这种系统中，为了使故障点处的EF电流最小化(即为了抵消故障点处的电容性故障电流)，将电抗器的电感调谐到额定频率(例如50Hz)下的总固有电力系统电容。
原则上，在单个消弧线圈的情况下，电感线圈电流叠加在电容性EF电流上。这两种电流将在故障点具有不同的极性，在理想情况下彼此抵消。如接下来举例说明的，在实践中存在消弧线圈接地的若干种变体。当对整个网络只使用一个具有调节设施的消弧线圈时，称为集中补偿。当对整个网络使用具有调节可能性的若干相对较大的线圈(例如9个线圈)时，称为半集中补偿。当除了一个大的集中放置的线圈外还有许多小线圈在几乎所有馈线中遍及整个网络分布时，称为分布式补偿。在较低的电压水平(配电)上，通常还使用与消弧线圈并联连接的永久性或仅临时性(即在EF期间)电阻器。这样做是为了通过使用灵敏的Io*cos(φ)继电器(即基于故障馈线的测量的剩余电流中连续存在的基本频率有功电流分量的定向EF继电器)来简化对故障馈线的检测。这些继电器执行连续测量，并且具有设定的适合的定时延迟，以避免可能的误操作。
第三个示例是使用高欧姆电阻器作为接地阻抗的高电阻接地。
然而，仍然需要改进对高阻抗接地电力系统中的EF的处理。
发明内容
本文的实施例的一个目的是提供对高阻抗接地电力系统中的EF的有效处理。
在一些方面，通过确定高阻抗接地电力系统的馈线中的EF的方向来实现目的。
根据第一方面，提出了一种用于确定高阻抗接地电力系统的馈线中的EF的方向的方法。该方法由IED执行。该方法包括：获得从馈线的剩余电压和电流导出的一阶谐波有功电流分量的测量量，该测量量对于在馈线中发生EF时有效。该方法包括获得从馈线的剩余电压和电流导出的高于一阶谐波无功电流分量的测量量，该测量量对于在馈线中发生EF时有效。该方法包括基于一阶谐波有功电流分量和高于一阶谐波无功电流分量的组合来确定馈线中的EF的方向。
根据第二方面，提出了一种用于确定高阻抗接地电力系统的馈线中的EF的方向的IED。IED包括处理电路。该处理电路被配置为使得IED获得从馈线的剩余电压和电流导出的一阶谐波有功电流分量的测量量，该测量量对于在馈线中发生EF时有效。该处理电路被配置为使得IED获得从馈线的剩余电压和电流导出的高于一阶谐波无功电流分量的测量量，该测量量对于在馈线中发生EF时有效。该处理电路被配置为使得IED基于一阶谐波有功电流分量和高于一阶谐波无功电流分量的组合来确定馈线中的EF的方向。
根据第三方面，提出了一种用于确定高阻抗接地电力系统的馈线中的EF的方向的IED。IED包括被配置为获得从馈线的剩余电压和电流导出的一阶谐波有功电流分量的测量量的获得模块，该测量量对于在馈线中发生EF时有效。IED包括被配置为获得从馈线的剩余电压和电流导出的高于一阶谐波无功电流分量的测量量的获得模块，该测量量对于在馈线中发生EF时有效。IED包括被配置为基于一阶谐波有功电流分量和高于一阶谐波无功电流分量的组合来确定馈线中的EF的方向的确定模块。
根据第四方面，提出了一种用于确定高阻抗接地电力系统的馈线中的EF的方向的计算机程序，该计算机程序包括当在IED上运行时使得IED执行根据第一方面的方法的计算机程序代码。
根据第五方面，提出了一种计算机程序产品，该计算机程序产品包括根据第四方面的计算机程序和计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有计算机程序。计算机可读存储介质可以是非暂时性计算机可读存储介质。
有利地，这提供了对高阻抗接地电力系统中的EF的有效处理。
有利地，由于确定EF的方向是基于两个独立的操作原理(由一阶谐波有功电流分量和高于一阶谐波无功电流分量定义)的组合的，因此，确定机制同时是鲁棒的、安全的和可靠的。
进一步有利地，本文公开的机制由于仅基于剩余电流相量的基本频率分量的有功部分和剩余电流相量的高次谐波频率分量的无功部分而允许简单的实施。
进一步有利地，本文公开的机制可以使用基于用于基本频率分量的Io*cos(φ)和用于高阶谐波分量的Io*sin(φ)的保护原理。
进一步有利地，本文公开的机制独立于补偿度、所使用的线圈的数量及其在受保护网络中的物理定位(由于消弧线圈不消耗有功功率)。
进一步有利地，本文公开的机制允许连续地执行积分(实施为平均)，从而减少启动/停止该计算过程的任何需要。
进一步有利地，根据本文公开的机制，除了分别在EF的瞬态周期期间发生的电容器的瞬态充电过程期间之外，在IED的所有操作条件期间，量Io*cos(φ)和量∑(Ioh*sin(φh))都将近似等于零。因此，确定这些量何时出现相对简单。作为额外的安全措施，还可以检查确认这与剩余电压Uo的幅值的跳变一致。
进一步有利地，本文公开的机制只需要相对较低的采样率，因为在计算期间只需要考虑剩余电压Uo和剩余电流Io的一阶谐波相量以及来自输入信号波形的一些高于一阶谐波相量(诸如高达并包括第五谐波)。因此，每个基本电力系统循环20个样本的采样率对于本文公开的机制的正确的操作是完全足够的。
进一步有利地，本文公开的机制不需要使用剩余电压和电流的原始样本，这简化了用于确定EF的方向的机制的总体设计。
进一步有利地，本文公开的机制不取决于任何基于角度的准则，并且因此不存在与角度准确性有关的问题。
进一步有利地，本文所公开的机制允许使用各自的操作水平分别用于确定EF处于正方向以及用于确定EF处于反方向。
从以下详细公开、从所附从属权利要求以及从附图，附上的实施例的其它目的、特征和优点将是显而易见的。
通常，除非本文另外明确定义，否则在权利要求中使用的所有术语将根据它们在技术领域中的普通含义来进行解释。除非另有明确说明，否则对“一/一个/该元件、装置、组件、部件、模块、步骤等”的所有指代应公开解释为指代元件、装置、组件、部件、模块、步骤等的至少一个实例。除非明确说明，否则本文所公开的任何方法的步骤不必以所公开的确切顺序执行。
附图说明
现在参考附图通过示例的方式来描述本发明构思，其中：
图1是示出了根据实施例的高阻抗接地电力系统的零序等效电路100的示意图；
图2和图4是示出了根据实施例的IED的示意图；
图3是根据实施例的方法的流程图；
图5、图6、图7和图8示出了根据实施例的用于健康馈线的信号的示例；
图9、图10、图11和图12示出了根据实施例的用于故障馈线的信号的示例；
图13是示出了根据实施例的IED的功能单元的示意图；
图14是示出了根据实施例的IED的功能模块的示意图；并且
图15示出了根据实施例的包括计算机可读存储介质的计算机程序产品的一个示例。
具体实施方式
以下将参照附图更充分地描述本发明构思，在附图中示出了本发明构思的某些实施例。然而，本发明构思可以以许多不同的形式体现，并且不应被解释为限于本文所阐述的实施例；反而，这些实施例以示例的方式提供，使得本公开将是彻底的和完整的，并且将向本领域技术人员充分传达本发明构思的范围。在整个说明书中，相似的附图标记指代相似的元件。用虚线示出的任何步骤或特征应视为是任选的。
如上所述，仍然需要改进对高阻抗接地电力系统中的EF的处理。
图1是示出了其中可以应用本文提出的实施例的高阻抗接地电力系统的零序等效电路100的示意图。图1中示出了一个变压器间隔(即进线间隔)和三个馈线间隔(以下简称馈线)。每个馈线由对地电容表示。用于馈线3的对地电导(即1/R)用虚线示出，但在实践中这些电阻极大并且可以忽略不计。
在零序等效电路100中，假设在表示为“馈线1”的馈线中发生EF。因此，EF位置在馈线1中，并且该馈线被称为故障馈线，而其余馈线被称为健康馈线。因此，馈线1的电容被分成两个部分。
图1中还示出了限定电流测量的位置和方向的所有电流变压器(CT)和电压变压器(VT)的定位。最后，图1中还示出了到每个馈线中的瞬态定向EF继电器(例如，用于馈线1的67N-F1)的连接。CT和VT确定每条馈线中对剩余电压Uo和各自的剩余电流Io的测量点。
消弧线圈和(任选的)并联电阻器被设置在变压器中性点。在实践中，即使电阻器没有与消弧线圈并联地物理连接，也可以以这种方式来表示消弧线圈中的功率损耗。用于馈线3的对地电感用虚线示出，这在实践中可以表示沿该馈线的分布式线圈。消弧线圈的电抗被调谐为系统的总电容在额定频率fr下的电抗，即：
根据叠加定理，等效零序系统中的唯一电压源位于故障点处。该电压源的幅值等于就在EF之前的故障相位相对地电压。然而，该电压源的相位角被调谐180度。假设故障电阻Rf约为零(即EF为固态故障)，则剩余电压Uo将等于该源电压。对于整个系统中所有IED来说，剩余电压Uo将是相同的。在实践中，这意味着当发生EF时健康馈线和故障馈线之间的差异是各条馈线中所测量的剩余电流Io。
这种系统中的瞬态过程类似于孤立系统。唯一的差异在于，在稳态条件期间，故障馈线中的无功功率流动将不同。
一般来说，在任何电力系统中的电容器通电期间，总是发生瞬态过程。但是，对于瞬态EF保护，类似的物理过程发生在零序系统中。因此，在当发生EF的时刻(即，当图1中的开关闭合时)，必须首先从位于故障点的电压源向所有分布式电容器供给瞬态有功能量，以便将所有分布式电容器充电到剩余电压Uo的水平。只有一旦充电，这些电容器才会开始与电压源和一个或多个消弧线圈交换无功能量。因此，如果可以由IED测量或者至少检测该瞬态，则该短的有功能量浪涌也可以用于检测故障馈线。原因在于，通过故障馈线中的CT和健康馈线中的CT的该能量的流动将是不同的(即以相反的方向)。在简单的情况下，该能量在故障馈线中为负(即处于与参考电流测量方向相反的方向)，并且在健康馈线中为正(即处于与参考电流测量方向相同的方向)。
本文公开的实施例涉及用于确定高阻抗接地电力系统的馈线中的EF的方向的机制。为了获得这种机制，提供了IED 200、由IED 200执行的方法、包括代码(例如以计算机程序的形式)的计算机程序产品，该代码当在IED 200上运行时使得IED 200执行该方法。
现在将公开用于确定高阻抗接地电力系统的馈线中的EF的方向的方法。
图2示出了根据实施例的IED 200。IED 200被配置为获得剩余电压Uo和剩余电流Io的测量量。因此，提供剩余电压Uo和剩余电流Io作为IED 200的输入的块不是IED 200的部分。IED 200包括一阶谐波电流分量处理块240。IED 200包括高阶(即，高于一阶)谐波电流分量处理块250。IED 200包括(可选的)剩余电压Uo和剩余电流Io分量处理块260。IED200包括判定逻辑块270。将并行参考图3来公开块240-270的操作。
图3是示出了用于确定高阻抗接地电力系统的馈线中的EF的方向的方法的实施例的流程图。该方法由IED 200执行。有利地，该方法作为计算机程序1520提供。
一般来说，基于一阶谐波(即基本频率)有功电流分量和高于一阶谐波(即高次谐波)无功电流分量来确定EF的方向。
S102：IED200获得从馈线的剩余电压和电流导出的一阶谐波有功电流分量的测量量。可以以固定的时间间隔重复获得一阶谐波有功电流分量的测量量，并且因此，假定在发生EF时获得至少一个这种测量量。因此，该测量量对于在馈线中发生EF时是有效的。因此，这意味着不需要故障初始检测。以下将公开如何从馈线的剩余电压和电流导出一阶谐波有功电流分量的测量量的方面。S102的操作可以在块240中实施。
S104：IED200获得从馈线的剩余电压和电流导出的高于一阶谐波无功电流分量的测量量。可以以固定的时间间隔重复获得高于一阶谐波无功电流分量的测量量，并且因此，假定在发生EF时获得至少一个这种测量量。因此，该测量量对于在馈线中发生EF时是有效的。因此，这意味着不需要故障初始检测。以下将公开如何从馈线的剩余电压和电流导出高于一阶谐波无功电流分量的测量量的方面。S104的操作可以在块250中实施。
S106：IED200基于一阶谐波有功电流分量和高于一阶谐波无功电流分量的组合来确定馈线中的EF的方向。以下将公开该确定的进一步的方面。S106的操作可以在块270中实施。
因此，IED 200被配置为确定EF相对于安装IED 200的网络中的点是处于正方向还是反方向。IED 200被配置为对上述任何类型的高阻抗接地网络进行操作。
在一些方面，基于基本频率(即一阶谐波)下的有功瞬态能量的分布来确定EF的方向，该基本频率下的有功瞬态能量从故障点供给，以在EF初始时刻对零序系统中的所有对地电容进行初始充电。对于高阻抗故障，将改用稳态有功电流分量。该第一原理反映在上述步骤S102中。
在一些方面，基于在EF初始时刻针对高次谐波(即高于一阶谐波)分量的无功瞬态能量的分布来确定EF的方向。该第一原理反映在上述步骤S104中。
这两个基本的物理原理将适用于高阻抗接地网络中的任何类型的EF，包括低欧姆、高欧姆、间歇性和再触发(restriking)EF(即，重复自身的EF)。因此，本文所公开的IED200能够对任何类型的EF中的全部进行操作。
使用与有功和无功能量成比例的剩余电流分量(即，用于基本频率(即一阶谐波)的Io*cos(φ)和用于高阶谐波(即高于一阶谐波)分量的Io*sin(φ))，以缓解正确地测量EF电流并且从整体电流信号提取有关信号(即有用分量)的问题。
对于一阶谐波电流分量，只有Io*cos(φ)分量，即有功分量，具有有用的物理意义，而Io*sin(φ)分量，即无功分量，表示可能在IED 200中导致混乱并导致错误操作的干扰部分。对于所有高于一阶谐波无功电流分量，情况正好相反，其中，只有Io*sin(φ)分量，即无功分量，是具有物理意义的有用分量，而Io*cos(φ)分量，即有功分量，表示可能在IED200中导致混乱并导致错误操作的干扰部分。
可以在一个单个的IED 200中实施本文所公开的方法的若干实例。因此，可以使用单个IED 200来保护若干馈线。
现在将公开与由IED 200执行的确定高阻抗接地电力系统的馈线中的EF的方向的进一步细节有关的实施例。
当在S106中确定EF的方向时，可以使用不同的条件。根据第一示例，当随时间平均的一阶谐波有功电流分量的测量量和随时间平均的高于一阶谐波无功电流分量的测量量中的至少一个高于预设的正阈值时，将EF的方向确定为正方向。根据第二示例，当随时间平均的一阶谐波有功电流分量的测量量和随时间平均的高于一阶谐波无功电流分量的测量量中的至少一个低于预设的负阈值时，将EF的方向确定为反方向。另外一些条件可以与在这两个示例中使用的条件结合使用，或者作为在这两个示例中使用的条件的替代条件使用。
在一些方面，并且如下面将进一步公开的，在由判定逻辑块270处理之前，对高阶无功电流分量的至少两个贡献求和。具体而言，根据实施例，高于一阶谐波无功电流分量的测量量表示2阶到N阶的N≥2谐波无功电流分量的和。
在一些方面，并且如下面将进一步公开的，对一阶谐波有功电流分量的测量量随时间进行积分或平均，并且对高于一阶谐波无功电流分量的测量量随时间进行积分或平均。具体而言，根据实施例，EF的方向是基于随时间平均的一阶谐波有功电流分量的测量量和随时间平均的高于一阶谐波无功电流分量的测量量的。
在一些方面，并且如下面将进一步公开的，将一阶谐波有功电流分量的测量量和高于一阶谐波无功电流分量的测量量与各自的阈值进行比较。具体而言，根据实施例，当在S106中确定EF的方向时，将一阶谐波有功电流分量与由用于正方向的正值和用于反方向的不同负值限定的第一对电流阈值进行比较，并将高于一阶谐波无功电流分量与第二对阈值进行比较。因此，在一些方面，总共使用四个阈值。
在一些方面，并且如下面将进一步公开的，在S106中确定EF的方向是基于与较低的设定电流极限值的额外的比较而进行的。具体而言，根据实施例，EF的方向进一步取决于一阶谐波有功电流分量是高于还是低于低电流极限值。
在一些方面，并且如下面将进一步公开的，连续地监测剩余电压Uo和剩余电流Io。具体而言，根据实施例，EF的方向进一步基于对于当发生EF时有效的、馈线的相对地电压(即，剩余电压Uo)的均方根(RMS)值和馈线的绝对整流电流(即剩余电流Io)的RMS值。计算这些RMS值的操作可以在块260中实施。
在一些方面，并且如下面将进一步公开的，S106中的确定是基于二进制值的输入信号的。具体而言，根据实施例，EF的方向是基于一阶谐波有功电流分量的二进制值和高于一阶谐波无功电流分量的二进制值的组合的。
在一些方面，并且如下面将进一步公开的，S106中的确定导致由IED 200执行的动作。具体而言，根据实施例，IED 200被配置为执行(可选的)步骤S108：
S108：IED执行动作。要执行哪个动作可能取决于确定了哪个方向。
动作的非限制性示例有：如果方向是正方向，则发出警告；如果确定的方向是正方向，则发起正方向上的保护操作；以及如果确定的方向是反方向，则发起反方向上的保护操作。
S108的操作可以在块270中实现。
现在将参照图4的IED 200公开用于由IED 200执行的确定高阻抗接地电力系统的馈线中的EF的方向的一个实施例，图4公开了根据一个实施例的图2的IED 200的操作。
输入VT连接至剩余电压Uo，并且输入CT连接至剩余电流Io。
将剩余电压Uo信号相移180度(即，翻转或旋转180度)。
通过使用全循环离散傅立叶变换(DFT)滤波器，分别导出一阶谐波(即基本频率)相量(和/>)和各个高于一阶谐波(即高阶谐波)相量(例如三阶谐波/>和/>)。
分别对一阶谐波相量和高于一阶谐波相量导出有功和无功电流分量。结果，导出各自的电流分量Io*cos(φ)和Io*sin(φ)。
将所有高于一阶谐波无功电流Io*sin(φ)求和，以产生与谐波无功功率成比例的总信号。
对一阶谐波有功电流分量(即|Io1|*cos(φ1))进行积分。一般来说，这是通过连续积分来实施的。在一些示例中，积分周期对应于一个半基本电力系统循环。积分用于当在EF初始时刻对分布式电容进行充电时安全地捕捉瞬态有功能量。然而，如果该能量具有连续的性质(例如，对于高阻抗故障情况)，积分仍将产生正确的电流幅值，但具有小的时间延迟。相应地，由于前面已经描述的类似原因，对求和的无功电流分量也进行积分。在数字式继电器中的实施中，积分对应于平均值计算。可以将设定的积分水平直接作为等效电流水平输入。为了实现稳定并且可靠的信号，仅对有用的分量(即根据上述需要的有功分量和无功分量)及时积分，这使得这些积分值与各自的能量成比例。然而，这些积分值可以通过使用移动平均按比例缩减到测量的电流幅值。只有对EF有效的计算的积分的符号(即正或负)被IED 200用于确定，以确定EF的方向。然而，出于安全原因，并且也为了避免继电器硬件准确性方面的任何可能的问题，可以超过积分信号的某个最小幅值水平(可设定)。
由于Io*cos(φ)的瞬时值将在发生EF的瞬态周期期间变化，因此，可以使用Io*cos(φ)的积分(即平均)值。该平均值将对应于存储于分布式电容中的实际能量。在EF所在的馈线中(即在故障馈线中)，该平均值将始终为正(由于发明了相量(即，使用相量/>))，而在看到EF的反方向的所有馈线(即健康馈线)中，该平均值将始终为负。因此，设定两个简单的电流阈值水平(一个正，并且一个负)是实现准确确定EF的方向的一种方式。
将这两个积分量与两个预设的电流水平(表示为IMinForward和IMinReverese)连续进行比较。对两个积分电流分量单独地执行比较。相反水平是采用负号的。结果，形成相对应的二进制信号，指示积分电流分量是高于还低于设定的水平。
执行与用于积分一阶谐波有功电流分量的较低的设定电流极限值的比较。为了实现对正方向上高欧姆故障的检测，可以执行该比较。
连续监测剩余电压Uo和剩余电流Io的平均值。
在判定逻辑中对二进制信号进行比较，以安全、正确地确定EF方向。判定逻辑实施在采取适当的动作之前应经过的充足的(即，由最终用户设定)开始时间延迟和跳闸时间延迟。
作为判定逻辑中的比较的结果，如以下所列出的，取决于实际的故障位置，给出各种二进制信号作为输出。
WRNFW表示对正方向上的可能的EF的警告。只要捕获到正方向上的瞬态信号，就激活该信号。该信号可用于高阻抗接地电缆网络，以警告用户关于可能的电缆绝缘劣化。
STFW表示正方向上的保护操作的开始(在设定的时间延迟之后)。
STRV表示反方向上的保护操作的开始(在设定的时间延迟之后)。
TRIP表示对用于正方向上的故障的功能的跳闸操作(在设定的时间延迟之后)。
STUN表示当基本频率剩余电压Uo1的幅值超过预设水平时的EF保护功能的开始。
现在将公开由IED 200执行的确定高阻抗接地电力系统的馈线中的EF的方向的更进一步的细节。
在EF时刻的有功能量的这种流动将不受消弧线圈的精确调谐的影响。例如，对于补偿过度的系统，这样的故障馈线中的无功电流和一条或多条健康馈线中的电容性电流可以沿同一方向流动。因此，考虑一阶谐波无功电流分量Io*sin(φ)的值的定向继电器可能无法正确执行。然而，本文所公开的基于瞬态有功功率/能量的原理将在故障馈线和健康馈线两者中正确操作。因此，该原理对于补偿不足的系统或补偿过度的系统同样适用。因此，该原理既不取决于物理定位，也不取决于在受保护的电力网络中使用的消弧线圈的数量。
在星形点中存在电阻器(例如，与消弧线圈并联)将增加仅在故障馈线中并且在正确的方向上(即提供积分的额外的正值)的有功剩余电流分量(即Io*cos(φ))，从而使得能够仅在故障馈线中在正方向上对本文所公开的实施例的方法进行简单操作。
类似地，在EF具有较高的故障电阻值(即Rf>0Ω)的情况下，由于故障电阻上的有功功率损耗，稳态有功剩余电流分量(即Io*cos(φ))也将增加故障馈线中并且同样在正确的方向上(即提供额外的正值)的积分的值。这也将使得本文所公开的实施例的方法即使在高阻抗故障期间也能够在正方向上操作。
对于非常高的阻抗故障，本文所公开的实施例的方法的灵敏度将仅由待测量的可用的电流幅值限制。使用图1中的符号，对于高阻抗故障情况，可用的有功一次故障电流幅值Ioactive可以近似如下：
对于所有高于一阶谐波，消弧线圈的阻抗将是相对应的电容性电抗的h2倍，其中h≥2是谐波数。因此，已对于二次谐波分量(即h＝2)，消弧线圈的阻抗将是分布式电容的4倍。结果，可以从用于所有高于一阶谐波的零序等效电路简单地省略所有消弧线圈。针对图1中的孤立系统所示的等效电路可用于所有高于一阶谐波，即使对于消弧线圈接地系统也是如此。随后，用于孤立系统的基于基本频率的Io*sin(φ)原理现在可以应用于消弧线圈接地系统或者甚至任何高阻抗接地系统中的所有高于一阶谐波分量。由于所有高于一阶谐波将大多出现于EF的瞬态部分期间，因此，这些谐波分量将以类似于针对一阶谐波有功电流分量Io*cos(φ)已经解释的瞬态方式表现。因此，可以使用同样的积分原理以捕获电容器与故障点处的谐波电压源之间的瞬态谐波无功能量交换。
为了简化计算，首先形成以下的和：
这里，K是可以由继电器测量的谐波h的最大阶(即在实践中由继电器的采样率限制)。对于实际的电力系统，如果K≥5(即使用至少第2谐波到第5谐波以形成该和)一般就足够了。该求和的值与EF期间由IED看到的总谐波无功功率成比例。
该求和的值的积分(即平均)可以以与前面针对一阶谐波有功电流分量Io*cos(φ)所描述的相同方式进行配置。因为所有的东西都是按比例缩减到电流的，因此，甚至可以使用相同的用于正方向和反方向的设定水平。
图5、图6、图7和图8示出了用于健康馈线的信号的示例。图5和图6示出了与一阶谐波有功电流分量有关的有功功率信号的波形，并且图7和图8示出了与高于一阶谐波无功电流分量有关的无功功率信号的波形。图9、图10、图11和图12示出了用于故障馈线的信号的示例。图9和图10示出了与一阶谐波有功电流分量有关的有功功率信号的波形，并且图11和图12示出了与高于一阶谐波无功电流分量有关的无功功率信号的波形。由于对于故障馈线，Io*cos(φ)分量的平均值在瞬态之后不降到零，但是如图6所示，对于健康馈线，Io*cos(φ)分量的平均值降到零，因此，在图10中可以清楚地看到接地电阻器的存在。
图13以数个功能单元示意性地示出了根据实施例的IED 200的组件。使用适合的中央处理单元(CPU)、多处理器、微控制器、数字信号处理器(DSP)等中的一个或多个的任何组合来提供处理电路210，该处理电路210能够执行存储在计算机程序产品1510(如图15中)(例如以存储介质230的形式)中的软件指令。处理电路210可进一步作为至少一个专用集成电路(ASIC)或现场可编程门阵列(FPGA)来提供。
具体地，处理电路210被配置为使得IED 200执行如上所公开的操作集或步骤集。例如，存储介质230可以存储操作集，并且处理电路210可以被配置为从存储介质230检索操作集以使得IED 200执行操作集。操作集可以作为可执行指令集来提供。
因此，处理电路210由此被配置为执行如本文所公开的方法。存储介质230还可以包括永久存储装置，该永久存储装置例如可以是磁存储器、光存储器、固态存储器或者甚至远程安装存储器的任何单个一个或组合。IED 200可以进一步包括至少被配置为用于与高阻抗接地电力系统100的馈线进行通信的通信接口220。因此，通信接口220可以包括包括模拟组件和数字组件的一个或多个发射机和接收机。处理电路210例如通过向通信接口220和存储介质230发送数据和控制信号、通过从通信接口220接收数据和报告以及通过从存储介质230检索数据和指令来控制IED 200的一般操作。为了不混淆本文所提出的构思，IED 200的其它组件以及有关的功能性被省略。
图14以数个功能模块示意性地示出了根据实施例的IED 200的组件。图14的IED200包括数个功能模块：被配置为执行步骤S102的获得模块210a、被配置为执行步骤S104的获得模块210b和被配置为执行步骤S106的确定模块210c。图14的IED 200可以进一步包括数个任选的功能模块，诸如被配置为执行步骤S108的动作模块210d。
参考图2，模块210a可以实施块240的功能性，模块210b可以实施块250的功能性，模块210c和210d可以实施块270的功能性。一般而言，各功能模块210a-210d可以在一个实施例中仅在硬件中实施并在另一实施例中借助软件实施，即后一实施例具有存储在存储介质230上的计算机程序指令，该计算机程序指令当在处理电路上运行时使得IED 200执行以上结合图14提及的相对应的步骤。还应提及的是，即使模块对应于计算机程序的部分，该模块也不必是其中的单独的模块，但该模块在软件中的实施方式取决于所使用的编程语言。优选地，一个或多个或所有功能模块210a-210d可以由处理电路210实施，处理电路210可能与通信接口220和/或存储介质230协作。因此，处理电路210可以被配置为从存储介质230取得由功能模块210a-210d提供的指令并执行指令，从而执行如本文所公开的任何步骤。
IED 200可以作为独立式设备或作为至少一个另外的设备的一部分来提供。可以在第一设备中执行由IED 200执行的指令的第一部分，并且可以在第二设备中执行由IED200执行的指令的第二部分；本文所公开的实施例不限于可以在其上执行由IED 200执行的指令的任何特定数量的设备。因此，根据本文所公开的实施例的方法适合于由驻留在云计算环境中的IED 200执行。因此，尽管在图13中示出了单个处理电路210，但是处理电路210可以分布在多个设备或节点之间。这同样适用于图14的功能模块210a-210d和图15的计算机程序1520。
图15示出了包括计算机可读存储介质1530的计算机程序产品1510的一个示例。在该计算机可读存储介质1530上，可以存储计算机程序1520，该计算机程序1520可以使得处理电路210以及与处理电路210可操作地耦接的实体和设备(诸如通信接口220和存储介质230)执行根据本文所描述的实施例的方法。因此，计算机程序1520和/或计算机程序产品1510可以提供用于执行本文所公开的任何步骤的部件。
在图15的示例中，计算机程序产品1510被示为光盘，诸如CD(紧凑式光盘)或DVD(数字通用光盘)或蓝光光盘。计算机程序产品1510还可以体现为存储器，诸如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)或电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)，并且更具体地作为外部存储器(诸如USB(通用串行总线)存储器或闪速存储器(诸如紧凑式闪速存储器))中的设备的非易失性存储介质。因此，尽管计算机程序1520在此被示意性地示为所描绘的光盘上的轨道，但是，计算机程序1520可以以适合于计算机程序产品1510的任何方式存储。
以上主要参考一些实施例描述了本发明构思。然而，如本领域技术人员很容易理解的那样，在由所附的专利权利要求书限定的本发明构思的范围内，以上公开的实施例以外的其它实施例同样是可能的。

Claims (11)

1.一种用于确定高阻抗接地电力系统(100)的馈线中的接地故障EF的方向的方法，所述方法由智能电子设备IED(200)执行，所述方法包括：
获得从所述馈线的剩余电压和电流导出的一阶谐波有功电流分量的测量量，所述测量量对于在所述馈线中发生EF时有效；
获得从所述馈线的剩余电压和电流导出的高于一阶谐波无功电流分量的测量量，所述测量量对于在所述馈线中发生EF时有效；以及
基于所述一阶谐波有功电流分量和所述高于一阶谐波无功电流分量的组合来确定所述馈线中的EF的所述方向，
在确定EF的所述方向时，将所述一阶谐波有功电流分量与由用于正方向的正值和用于反方向的不同的负值定义的第一对电流阈值进行比较，并将所述高于一阶谐波无功电流分量与第二对阈值进行比较。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，EF的所述方向基于随时间平均的所述一阶谐波有功电流分量的测量量以及随时间平均的所述高于一阶谐波无功电流分量的测量量。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述高于一阶谐波无功电流分量的测量量表示2阶到N阶的N≥2谐波无功电流分量的和。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，当随时间平均的所述一阶谐波有功电流分量的测量量和随时间平均的所述高于一阶谐波无功电流分量的测量量中的至少一个高于预设的正阈值时，将EF的所述方向确定为正方向。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其中，当随时间平均的所述一阶谐波有功电流分量的测量量和随时间平均的所述高于一阶谐波无功电流分量的测量量中的至少一个低于预设的负阈值时，将EF的所述方向确定为反方向。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其中，EF的所述方向进一步取决于所述一阶谐波有功电流分量是高于还是低于低电流极限值。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其中，EF的所述方向基于所述一阶谐波有功电流分量的二进制值与所述高于一阶谐波无功电流分量的二进制值的组合。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其中，EF的所述方向进一步基于对于发生EF时有效的、所述馈线的相对地电压的均方根值和所述馈线的绝对整流电流的均方根值。
9.根据权利要求1或2所述的方法，进一步包括：
执行动作，其中，要执行哪个动作取决于确定了哪个方向，所述动作属于以下动作中的至少一个：
如果所述方向是正方向，则发出警告，
如果所确定的方向是正方向，则发起正方向上的保护操作，以及
如果所确定的方向是反方向，则发起反方向上的保护操作。
10.一种用于确定高阻抗接地电力系统(100)的馈线中的接地故障EF的方向的智能电子设备IED(200)，所述IED(200)包括处理电路(210)，所述处理电路被配置为使得所述IED(200)执行根据权利要求1至9中的任一项所述的方法。
11.一种计算机可读存储介质，存储有用于确定高阻抗接地电力系统(100)的馈线中的接地故障EF的方向的计算机程序，所述计算机程序包括计算机代码，所述计算机代码当在智能电子设备IED(200)的处理电路(210)上运行时使得所述IED(200)：
获得从所述馈线的剩余电压和电流导出的一阶谐波有功电流分量的测量量，所述测量量对于在所述馈线中出现EF时有效；
获得从所述馈线的剩余电压和电流导出的高于一阶谐波无功电流分量的测量量，所述测量量对于在所述馈线中发生EF时有效；以及
基于所述一阶谐波有功电流分量和所述高于一阶谐波无功电流分量的组合来确定所述馈线中的EF的所述方向，
在确定EF的所述方向时，将所述一阶谐波有功电流分量与由用于正方向的正值和用于反方向的不同的负值定义的第一对电流阈值进行比较，并将所述高于一阶谐波无功电流分量与第二对阈值进行比较。
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