CN113228216A - 用于受控开关应用的用于监测开关设备操作的方法和设备 - Google Patents

用于受控开关应用的用于监测开关设备操作的方法和设备 Download PDF

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Abstract

本发明涉及监测电力系统中开关设备106的操作，其中负载104通过开关设备106连接到电源102。负载具有绕组，绕组的两个或更多个相和负载104的两个或更多个绕组中的至少一者之间存在耦合。该方法包括在电源侧和负载侧中的一者或更多者处获得电压和电流中的至少一者的测量值。此外，该方法确定与一个或更多个极的电气开关相关的电气参数。每个极的参数基于电源侧和负载侧的电压的测量值以及与至少一个绕组相关的线路测量值中的至少一者来确定。电气参数值被监测以确定极的开关时刻，用于确定机械操作时间偏差以估计未来的开关时刻。

Description

用于受控开关应用的用于监测开关设备操作的方法和设备
技术领域
本发明涉及电力系统中的受控开关应用。更具体地，本发明涉及用于此类电力系统中的受控开关应用的对开关设备的监测。
背景技术
受控开关技术在电力系统中的应用是被熟知的。例如，这种应用可以是限制电压或电流浪涌、保护装置等。诸如断路器、隔离开关等的开关设备用于执行受控开关功能。监测断路器的开关是重要的。目前的技术依赖于使用精确的机械反馈、负载电流和负载电压进行监测，以实现断路器监测的期望准确性，从而协助受控开关。
在耦合负载的情况下，对断路器电流的监测依赖于机械开关时刻或电气开关时刻的确定。例如，这可以基于对电压或辅助触头的监测(例如，机械开关)，因为对电流进行监测可能不合适。另外，这也可以基于对断路器电流的监测(例如，电气开关)。
根据断路器电流开始和中断的时刻，可以准确检测断路器的通电和断电。然而，在负载电压的情况下，由于负载的影响，这种监测可能是不准确的。连接的负载可以是电耦合或磁耦合的，这会改变负载电压的行为。不像断路器电流只有在相应的断路器极通电时才会出现，负载电压甚至会在断路器极没有通电的情况下出现。这是由于负载的各相之间或负载的各绕组之间的耦合。
因此，仅根据负载电压很难检测后相的闭合通电时刻，或初相的断开断电时刻。在这种情况下，负载电压的监测和随后的断路器监测以及相关的操作时间修正以协助受控开关将是不正确的。
发明内容
本发明的一个方面涉及一种用于监测电力系统中的开关设备操作的方法。在电力系统中，负载通过开关设备连接到电源。根据各种实施例，负载具有一个或更多个绕组。这里，负载是耦合负载。因此，负载绕组的两个或更多个相之间可能存在耦合。替代地或附加地，负载的两个或更多个绕组之间可以存在耦合。
该方法包括从一个或更多个测量装置获得电压和电流中的至少一者的测量值。这里，测量值在电源侧和负载侧中的一者或更多者处获得。
该方法还包括确定与开关设备的一个或更多个极的电气开关相关的电气参数值。一个或更多个极的每个极的电气参数值基于电源侧和负载侧的电压的测量值以及与负载的一个或更多个绕组中的至少一个绕组相关的线路测量值中的至少一者来确定。线路测量值可以是负载的初级侧或次级侧处的。此外，线路测量值可以是线对地测量值或线对线测量值。
根据一实施例，电气参数是差额电压(gap voltage)。这里，极的差额电压的值基于与极相关的相的电源侧和负载侧的电压的测量值之差来确定。
根据另一实施例，电气参数是线对线电压。这里，电气参数值基于负载侧电压的线路测量值来确定。线路测量值可以提供负载侧的线对线电压。替代地，线对线电压基于负载侧的线路测量值的差以及线路测量值的转换中的一者或更多者来估计，以获得线对线电压。这里，转换可包括将次级侧的线路测量值转换为初级侧的线对线电压的一个或更多个步骤。转换的目的是根据获得的测量值确定(星形/三角形连接绕组的)线圈电压，其中转换可以具有一个或更多个步骤。
该方法还包括监测电气参数值并且根据对电气参数值的监测来确定开关设备的相应极的电气开关时刻。因此，该方法包括确定每个极的电气开关时刻。
根据对电气参数的监测所确定的电气开关时刻被用于确定各个极的机械操作时间偏差。电气开关时刻以及开关设备的机械和介电特性(包括但不限于机械和介电耗散)被用于确定机械操作时间偏差。
每个极的机械操作时间偏差被用于估计用于在期望的电气开关时刻操作开关设备的相应极的输出命令的释放时刻。
该方法可以用电力系统的设备来实现，该设备具有用一个或更多个测量设备获得的测量值。根据一实施例，该设备是继电器。此外，测量装置可以是电压互感器，而继电器接收来自电压互感器的电压测量值。
根据一方面，该设备包括输入接口、计算器、监测器和输出接口，其执行该方法的一个或更多个步骤或者该方法的部分。该设备可用于监测开关设备，其中负载为耦合负载。
负载可以是电感性的、电容性的和/或电阻性的或其组合，且具有不同的设计和/或连接配置。根据一实施例，负载是电容器并且电气参数是差额电压。根据另一实施例，负载是变压器并且电气参数是变压器的星形侧和三角形侧中的一者处的线对线电压。
附图说明
本发明的主题将在下文中参照示例性实施例进行更详细地解释，这些实施例在附图中示出，其中：
图1示出了根据本发明的各种实施例的电力系统的单线图；
图2示出了根据本发明的一实施例的电力系统的单线图；
图3示出了根据本发明的另一实施例的电力系统的单线图；
图4示出了根据本发明的一实施例的对电源电压和负载电压的测量；
图5示出了根据本发明的另一实施例的对电源电压和负载电压的测量；
图6示出了三柱式磁耦合电抗器；
图7是根据本发明的一实施例的用于监测开关设备操作的方法的流程图；
图8示出了根据本发明的一实施例的在变压器的三角形侧的测量；
图9示出了根据本发明的一实施例的在变压器的星形侧的测量；
图10是根据本发明的一实施例的用于监测开关设备操作的设备的简化图；以及
图11-图15示出了与方法的实施有关的各种图表结果。
具体实施方式
本发明涉及电力系统，如输电系统或配电系统，其中存在电力系统应用(比如，受控开关)所涉及的开关设备。众所周知，受控开关用于通过对诸如电容器、电抗器、电力变压器或其他具有组合的电容和电感特性的电力系统装置等负载进行有计划的开关，来消除或尽量减少有害的电瞬变。在这种应用中，诸如断路器等开关设备通常用于连接电源和负载。控制器、继电器或智能电子设备(IED)可用于控制断路器的操作和负载的开关。
在诸如断路器等开关设备的受控开关应用中，监测功能对于在开关中实施随后的适应和修正而言是相当重要的。例如，每个极的闭合可以被监测，以便在随后的时刻控制极在波上的点处的断开或闭合，以实现负载的最佳开关。
监测功能基本上依赖于来自断路器或负载的机械和/或电气反馈。例如，在适当的位置可以有测量装置、比如电流或电压互感器，用于测量断路器电流或负载电压。通常，断路器电流和负载电压被监测以便进行受控开关。对于诸如变压器、电容器、电抗器或具有组合的电感和电容特性的装置等负载，负载电压可以是具有三角形连接的次级或三级绕组的电压。另一面，由于变压器或电抗器的磁路，也可能存在着耦合。因此，绕组的不同相之间，或不同绕组之间可能存在耦合。这导致难以准确识别随后相的通电或断电(或开关)时刻，从而影响受控开关的随后操作。
本发明提供了对连接有负载的不同相中的任何一者通电或断电后不同相的开关时刻的准确确定。本发明将以图1中所示的电力系统100为例进行描述。
图1所示的电力系统，包括电源(102)，用于向负载(104)供电。电源用于对负载进行通电或充电。电源可以是一个三相交流电源，而负载是耦合负载。这里，负载可以是磁耦合的和/或电耦合的。例如，负载可以是电感性的、电容性的、电阻性的或其组合，具有不同设计和/或连接配置。例如，电源可以是交流电网，而负载可以包括电容器组、并联电抗器、电力变压器、三柱式电抗器或其组合，例如连接到变压器的电缆。
电源通过开关设备(106)与负载相连。开关设备可以是断路器、隔离开关或其组合，如隔离断路器或其他基于电力电子技术的类似开关设备。
开关设备有一个或更多个极，每个极被操作(即连接或断开)以用于使连接有负载的相应相通电或断电。
根据不同的实施例，负载是耦合负载。换言之，负载有一个或更多个绕组，绕组上的不同相之间存在耦合。附加地，或替代地，不同的绕组之间也存在耦合。考虑图2或图3所示的示例，其中负载是电力变压器。在这些示例中，电力变压器具有星形-三角形连接或三角形-星形连接。因此，绕组之间或相之间会存在耦合。例如，当负载连接在三角形侧(如202)时，初级侧的绕组之间存在耦合。再例如，当负载连接在星形侧(如302)时，次级侧的相之间通过三角形连接进行耦合。在另一个示例中，负载104可以是三柱式电抗器，如图6所示，由于磁路而存在耦合。
电压和/或电流的测量可以在电源侧和/或负载侧执行。测量是通过测量装置进行的，测量装置设置成用于在不同线路位置进行测量。例如，测量装置可以包括电流互感器、电压互感器、基于传感器的测量装置(例如Rogowski线圈、非常规的互感器等)和/或类似装置，测量装置提供从线路上感测的与电压或电流相对应的信号。例如，电压互感器提供单/多相电压信号。负载侧的线路测量可以在初级侧或次级侧进行。此外地，线路测量可以是线对线测量或线对地测量。
考虑如图4和图5所示的具有两个电压互感器(404、406)的实施例。一电压互感器(如第一电压互感器(404))在电源侧测量电压，而另一电压互感器(如第二电压互感器(406))在负载侧测量电压。这里，负载侧的测量可以在初级侧(见图4)或次级侧(图5)进行。应当注意的是，可以为每条线路/相设置测量装置，用于执行与相应的线路/相相关的测量。因此，针对在负载侧提供电力的三个线路将会有三个电压互感器。此外，应当注意的是，即使在图4和图5中只示出了电压互感器，可以使用电流互感器(或其他合适的装置)来替代电压互感器或者作为电压互感器的补充，以便进行电流测量或者进行电压测量和电流测量两者。对于多绕组负载，负载侧电压测量的位置也可以在任何绕组上。作为示例，对于双绕组变压器，如图4和图5所示，负载侧电压测量设备406可以置于初级绕组或次级绕组上。
用测量装置获得的测量值被提供给设备(402)。例如，继电器或智能电子设备(IED)接收来自测量装置的信号，并获得来自测量装置的测量值。替代地，测量装置通过总线(如过程总线)发布测量值，而IED(如订阅以接收来自总线的数据)接收测量值。需要注意的是，继电器可以内部处理用测量装置获得的测量值，或者测量值可以在提供给继电器之前被处理。例如，可以有电力电子电路或专门的测量单元以获得线路测量值。
对诸如开关设备106的开关设备操作的监测，可以使用诸如设备402的设备来执行，该设备进行电源侧和负载端的测量。现在转到图7，图7是根据本发明的一实施例的用于监测开关设备操作的方法的流程图。
在502，从一个或更多个测量装置获得电压和电流中至少一者的测量值。这里，测量值是在电源侧和负载侧中的一者或更多者处获得的。在图4和图5的实施例中，从电压互感器(404、406)获得电源侧和负载侧的电压测量值。在另一实施例中(未显示)，仅获得负载侧的电压测量值。负载侧的测量值可以是线对线的测量值或者线对地的测量值。
在504，确定一个或更多个极中的每个极的电气参数值。电气参数值基于电源侧和负载侧的电压的测量值以及与一个或更多个绕组中的至少一个绕组相关的线路测量值中的至少一者而确定。
根据一实施例，电气参数是差额电压。这里，每个极的差额电压的值均被确定。极的值根据相应极的电源侧和负载侧的电压的测量值之差来确定。因此，对于与该极相关的相，电源侧和负载侧电压之差被视为差额电压的值。在数学上，它可以表示为：
差额电压＝电源电压-负载电压。
在估计差额电压之前，各个极的负载电压也可以进行内部后处理，例如被加或减以获得正确的电气参数估计。这也可以包括对线路测量值进行转换以获得线对线电压。该转换可以包括将次级侧的线路测量值转化为初级侧的线对线电压的一个或更多个步骤。转换的目的是从获得的测量值确定(星形/三角形连接的绕组的)线圈电压，其中转换可以有一个或更多个步骤。
根据另一实施例，电气参数是线对线电压。这里，电气参数值基于负载侧的电压的线路测量值来确定。替代地，电气参数值可以从线路测量中获得的绕组电压(线圈电压)得出。考虑图2所示的实施例。这里，负载(即电力变压器)连接在三角形侧。因此，电压互感器已经提供了线对线电压。
考虑图8所示的实施例。这里，Va可以看作是星形侧的Vl和V2之差(参考图9)，Vb可以看作是V2和V3之差，Vc可以看作是V3和V1之差。因此，当在三角形侧线路的线路/相处执行测量(线路测量)时，该测量提供线对线电压。
如果在星形侧执行测量，如图3所示的实施例，线路测量提供各个线路/相的值。这些可以是线对地或者线对线，依赖于绕组是星形接地还是星形不接地。因此，需要两个线路测量值之差(例如V1-V2，V2-V3，V3-V1)来得出负载的线对线电压。
在506，监测与一个或更多个极的电气开关相关的电气参数值。这可以是一种持续监测，以检测特定极的值何时在期望值附近(例如，小于阈值)。
这些阈值可以预先基于由外部或内部参数引起的噪音来确定，并且用于确定开关时刻。例如，当差额电压变为零(或接近零)的时刻可以解释为极被电气断开。再例如，当线对线电压越过某个值(接近零)的时刻可以解释为极被电气闭合。
在508，根据对电气参数值的监测来确定开关设备的相应极的电气开关时刻。因此，例如，当电气参数值变成小于或大于阈值时，检测到开关的时刻。
在510，使用根据对电气参数的监测所确定的电气开关时刻来确定各个极的机械操作时间偏差。使用电气开关时刻以及开关设备的机械和介电特性(包括但不限于机械和介电耗散)来确定机械操作时间偏差。基于电气开关时刻来确定机械操作时间是公知的，因此这里不再进一步详细描述。
每个极的机械操作时间偏差均用于估计用于在期望的电气开关时刻操作开关设备的相应极的输出命令的释放时刻。因此，基于机械操作时间偏差，继电器或其他设备可以估计输出断路器极开关命令的释放时刻。
在不同极的断开和/或闭合操作期间输出命令的时刻可以作为输出被提供。例如，开关时刻/偏差可以提供于显示器上或用于随后的开关。因此，可选地，该方法也可以用于随后开关操作的电气开关时刻信息。
该方法可以用诸如设备402的电力系统的设备来实现，设备具有用一个或更多个测量装置获得的测量值。根据一实施例，设备是继电器。此外，测量装置可以是电流互感器和/或电压互感器，并且继电器接收来自电流互感器和/或电压互感器的电流测量值和/或电压测量值。
根据一实施例，设备包括用于执行该方法或其步骤的多个部件。设备的部件或模块可以用处理器来实现。例如，该设备可以具有可配置为接收电压信号的I/O端口，并且计算器可以处理这些信号以确定电气参数值。
在图10所示的实施例中，该设备包括输入接口(802)、计算器(804)、监测器(806)和输出接口(808)。输入接口被配置为从测量装置获得测量值。计算器被配置为确定电气参数值。监测器被配置为监测这些值以确定开关时刻，从而确定在断开和/或闭合操作期间开关设备的输出命令时刻。输出接口被配置为将这些值作为输出(例如输出命令)提供给开关设备，或在显示器上提供信息，或利用信息用于随后开关。可选的存储器810可以存储先前操作的所需信息和执行不同步骤所需的信息。例如，存储器可以存储阈值或开关时刻的信息等。
因此，根据一些实施例，本发明依赖于电气开关的概念，即每当有电流流过开关时，鉴于触头的电阻非常低，开关触头的两端电压最小。同样的概念被扩展到其中每个极在导通(包括电弧)期间具有最小电阻而在断开状态下几乎具有无限电阻的开关设备。在仅使用负载电压测量值的一些实施例中，在断开或闭合状态期间，线对线电压将是最小的。
测量到的电源电压和负载电压的差是断路器触头两端的电压或差额电压。差额电压是断路器电流的相反镜反射。因此，只要断路器电流不存在时，差额电压就很高，反之亦然。此外，只要差额电压消失但电源电压或负载电压仍然存在，就可以推断出断路器正在导通，反之亦然。
在根据负载电压测量值确定开关时刻的情况下，由于相间/绕组间的耦合，未操作的极的负载电压在在对一个或更多个其他极执行接通操作期间将变为非零，并且在对一个或更多个其他极执行断开操作期间将变为零。通过采用本文所公开的方法，负载电压可以被进一步处理，使得各相电压在仅对相应极执行接通操作期间变为非零，并且在仅对相应极执行切断操作期间将变为零。因此，相间/绕组间的耦合影响可以通过基于负载电压来监测接通或断开而消除。
以下描述提供了针对不同负载及其配置的方法的实施结果。
电容器星形不接地或三角形连接(电耦合)：
当以星形不接地或三角形连接的电容器为例时，在图11的上部曲线图中显示了负载电压(例如904)和断路器电流(例如902)。图11的下部曲线图描绘了差额电压(例如906)和断路器电流(例如908)。可以看出，断路器电流准确定义了断路器的通电和断电时刻。然而负载电压并未反映负载通电和断电的精确时刻。相反，差额电压(见906)可以如电流那样用于反映准确时刻。从图11中可以看出，随着电流开始流动，差额电压变为零或最小值，并且一旦电流变为零，断路器触头两端会有相当大的差额电压。
电感器星形不接地或三角形(电耦合)
如图12所示，对于星形不接地或具有三角形配置的电感器的特性，其行为类似于作为耦合负载的电容器的行为。如图12所示，作为耦合负载的电抗器在差额电压方面也表现出类似的行为。
三柱式电感器(磁耦合)
即使在三柱式芯电感器的情况下，使用差额电压来确定电气开关时刻也很有效。即使一个相中的电流在其他相中感应出电压，如图13的负载电压波形所示，差额电压波形反映了电流开始流经断路器的每一相时的实际时刻(见1102、1104)。
变压器
在变压器的情况下，通过知晓线圈和所连接的测量装置(如(C)VT)的连接方式，可以将次级或三级绕组处的电压转换为线圈电压。例如，如果三角形连接绕组接收来自星形VT的测量电压，线圈电压可以通过使相电压相减来推导。通过将匝数比乘以线圈电压，可以估计初级线圈电压。在对初级电压(或负载电压)估计后，差额电压可以根据以下得出：
差额电压＝电源电压-负载电压
如图14所示，像任何其他负载那样，该差额电压可以用于监测通电和断电时刻。
在已经估计差额电压后，可以实施阈值以检测差额电压的开始和中断。可以对差额电压的幅度或差额电压的斜率使用阈值，以通过在调整与各个极有关的阈值时补偿与个各极有关的外部噪音来准确检测通电和断电的时刻。
以上示例涉及使用差额电压作为用于确定电气开关时刻的电气参数。以下描述提供了使用电压转换或线对线电压来确定电气开关时刻的实施结果。
这种方法可以考虑用于耦合电抗器或变压器。如上所述，在耦合负载中，各个相的开关会影响对其他相的负载电压测量。通过负载电压的适当表示，可以消除耦合效应。
为了说明该效果，提供了三柱式变压器开关的示例。如图15所示，最上部的波形(见VS1、VS2、VS3)示出了三柱式变压器中变压器的电源电压。随着R相中负载电压的开始，其他两相中出现了相反的半电压。这是由于相绕组的耦合效应。但可以通过将该电压转化为线对线电压来消除耦合效应。如图15底部的波形所示(见VL1和VL3)，通过得出线对线电压，可以显著检测通电时刻。基于与各个极有关的阈值的检测可以应用于线对线电压，以补偿实施例的外部或内部噪音；从而估计开关设备的各个极的通电或断电的正确时刻。
因此，本发明利用负载电压以及电源电压作为用于监测诸如断路器等的开关设备的适当信号。本发明的估计输出可用于各种受控开关应用。这些应用的示例包括但不限于：估计与单个极有关的机械操作时间偏差、输出断路器的命令释放时刻和电气操作时刻、确定断路器的状态、使断路器适应于随后时刻的下一开关操作等等。

Claims (7)

1.一种用于监测电力系统中开关设备操作的方法，其中，负载通过所述开关设备连接到电源，并且其中所述负载包括一个或更多个绕组，并且其中所述负载的绕组的两个或更多个相和所述负载的两个或更多个绕组中的至少一者之间存在耦合，所述方法包括：
从一个或更多个测量装置获得(502)电压和电流中的至少一者的测量值，其中所述测量值在电源侧和负载侧中的一者或更多者处获得；
确定(504)与所述开关设备的一个或更多个极的电气开关相关的电气参数，其中所述一个或更多个极中的每个极的所述电气参数均基于以下至少一项确定：
所述电源侧和所述负载侧的电压的测量值，以及
与所述负载的所述一个或更多个绕组中的至少一个绕组相关的线路测量值；
监测(506)针对每个极所确定的所述电气参数的值；
基于所述监测来确定(508)每个极的电气开关时刻；以及
基于所述电气开关时刻来确定(510)各个极的机械操作时间偏差，其中所述机械操作时间偏差被用于估计用于在期望的电气开关时刻操作所述开关设备的相应极的输出命令的释放时刻。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述电气参数是差额电压，并且所述极的所述差额电压的值基于与所述极相关的相的所述电源侧和所述负载侧的电压的测量值之差来确定。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述电气参数是线对线电压，并且所述电气参数的值基于所述负载侧的电压的线路测量值来确定。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述线路测量值提供所述负载侧的线对线电压和线对地电压中的至少一者，并且其中所述负载侧的所述线路测量值是所述负载的初级侧和次级侧中的一者处的，并且其中所述初级侧和所述次级侧中的至少一者包括星形不接地绕组和三角形连接绕组中的至少一者。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述线对线电压基于所述负载侧的所述线路测量值之差和所述线路测量值的转换中的至少一者来估计，其中所述线路测量值的转换被用于确定绕组电压。
6.一种用于监测电力系统中开关设备操作的设备(402)，其中负载通过所述开关设备连接到电源，并且其中所述负载包括一个或更多个绕组，并且其中所述负载的绕组的两个或更多个相和所述负载的两个或更多个绕组中的至少一者之间存在耦合，所述设备包括：
输入接口(802)，所述输入接口用于从一个或更多个测量装置获得电压和电流中的至少一者的测量值，其中所述测量值在电源侧和负载侧中的一者或更多者处获得；
计算器(804)，所述计算器用于确定与所述开关设备的一个或更多个极的电气开关相关的电气参数的值，其中所述一个或更多个极中的每个极的所述电气参数的值均是基于以下至少一项确定：
所述电源侧和所述负载侧的电压的测量值，以及
与所述负载的所述一个或更多个绕组中的至少一个绕组相关的线路测量值；
监测器(806)，所述监测器用于监测所述电气参数的值以：
确定所述开关设备的各个极的电气开关时刻，以及
基于所述电气开关时刻来确定各个极的机械操作时间偏差，其中所述机械操作时间偏差被用于估计用于在期望的电气开关时刻操作所述开关设备的相应极的输出命令的释放时刻；以及
输出接口(808)，所述输出接口用于提供用于操作所述开关设备的一个或更多个极的输出命令。
7.根据权利要求6所述的设备，其中，所述设备是继电器，并且其中每个测量装置均是电压互感器(406)，并且其中所述继电器接收来自所述电压互感器的电压测量值。
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