CN114142432B - 一种三相供电系统的保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三相供电系统的保护方法，包括设置在三相线路上电能流入的若干入口开关和电能流出的若干出口开关，将入口开关和出口开关的两相或三相上通过的电流值分别经压频转换电路转换成具有对应关系的脉冲，并将各相脉冲求和后得到和脉冲再传给比较模块，或者先对电流进行模拟加和再转换成脉冲，然后传给比较模块，通过比较模块计算所有入口和脉冲累积量与所有出口和脉冲累积量的差值，当所述差值超过预设值时切断各所述入口开关。该方法在线路发生故障时不仅响应快，而且相对更节省光芯资源，更便于推广使用，增强了对光纤等通信资源紧张的三相供电系统的适用性。

Description

一种三相供电系统的保护方法

技术领域

本发明涉及电力线路保护领域，具体涉及一种三相供电系统的保护方法。

背景技术

差动保护是一种线路保护方法，对主干线路和分支线路之间常采用差动保护的方式。现有的差动保护是分别通过电流互感器（CT）获取线路两端电流、电压等参数，并变成报文发送给计算机，由计算机进行报文解读，并由此对线路上游位点的电流和下游位点的电流进行比较，看上点电流是否与下点电流相等，如果不相等则判断发生故障，并切断线路的开关，以此来切除故障线路。但是，报文的编写和制造、传输、接收、解释等过程涉及诸多环节，不仅涉及器件多，计算量大，而且算法复杂，整体耗时长，装置可靠性设计难度大。为了提升差动保护的响应速度，发明专利申请CN111463758 A公开了一种电力线路的保护方法，将入口开关和出口开关上的电流量转换成具有对应关系的脉冲，并将各脉冲点对点直接传输给比较模块，然后通过入口与出口脉冲的差值来判断相应的电流量的差值，从而做出响应。这样做的好处是避免了报文编制等环节、减少了器件使用，极大提升了响应速度，该方法与传统保护方法相比，差动保护的响应时间由26~40毫秒缩短至不足5毫秒。但是，因为该方法是将转换得到的脉冲直接点对点传输给比较模块，即每一相电流转换成脉冲后都需要单独传输，每相的传输都需要单独配置光纤，比较耗费通信线路资源。例如，如果传输两相的脉冲，则需要占用光缆中的两个光芯，传输三相脉冲则需要三个光芯。在现有三相电力系统中，光缆一般是伴随三相电力系统建立时同时铺设好的，一根光缆有多根光芯，每根光芯均可以用来传输各种信息，以满足三相电力系统的各种通信需求。鉴于光缆铺设时受路线、地理环境、施工难度等多种影响，光芯资源就显得非常宝贵。尤其对于已有三相电力系统，用该方法进行差动保护改造时，如果现有未被使用的光芯所剩较少，甚至只有两根光芯或一根光芯时，该方法就不能被用于传输三相或两相的脉冲，从而无法利用现有通信资源实现该差动保护方法，而另行铺设光缆从成本等方面考虑实际上并不现实，这就限制了该方法的推广使用。

发明内容

本发明的目的是提供一种三相供电系统的保护方法，该方法在线路发生故障时不仅响应快，而且相对更节省光芯资源，更便于推广使用，增强了对光纤等通信资源紧张的三相供电系统的适用性。

为了实现上述目的，本发明采取如下技术方案：

一种三相供电系统的保护方法，包括设置在三相线路上电能流入的若干入口开关和电能流出的若干出口开关，包括如下步骤：

S11：将所述入口开关的两相或三相上通过的电流值分别经压频转换电路转换成具有对应关系的脉冲从而得到入口单相脉冲；将所述出口开关的相应两相或三相上通过的电流值分别经压频转换电路转换成具有对应关系的脉冲从而得到出口单相脉冲；

S21：通过入口数字加和模块对所述入口开关的入口单相脉冲进行加和得到该入口开关的入口和脉冲，通过出口数字加和模块对所述出口开关的出口单相脉冲进行加和得到该出口开关的出口和脉冲；

或者：

S12：将所述入口开关的两相或三相上通过的电流值通过入口模拟加和模块加和得到该入口开关的入口和电流值；将所述出口开关的相应两相或三相上通过的电流值通过出口模拟加和模块加和得到该出口开关的出口和电流值；

S22：通过压频转换电路将所述入口和电流值转换成具有对应关系的脉冲从而得到入口和脉冲；通过压频转换电路将所述出口和电流值转换成具有对应关系的出口和脉冲；

然后：

S3：通过比较模块计算所有入口和脉冲累积量与所有出口和脉冲累积量的差值，当所述差值超过预设值时切断各所述入口开关。

优选的，所述比较模块包括计数器和加法器/减法器，通过计数器将所述脉冲转换成代表脉冲个数的数字量，通过加法器/减法器对所述数字量进行计算。

优选的，分别通过一次电流互感器和二次电流互感器将所述入口开关、出口开关的电流值转换为弱电信号后再输入到所述压频转换电路。

或者优选的，步骤S21中，分别通过一次电流互感器和二次电流互感器将所述入口开关、出口开关的电流值转换为弱电信号并经基准电压抬高电路抬高后再输入到模拟加和模块。

优选的，所述弱电信号经基准电压抬高电路抬高后再输入到所述压频转换电路。

优选的，每隔固定周期对所述比较模块的输出清零。

优选的，通过电压互感器引入所述三相线路的电压量，将所述电压量经过波形整形电路转化成与过零点同相位方波，在电压值不低于预设值时由方波上升沿或下降沿修正所述固定周期。

优选的，设置N个比较模块分别对所述入口和脉冲累积量、所述出口和脉冲累积量并行计算，且每隔固定周期T对各个所述比较模块的输出清零，且对不同比较模块开始清零的时刻依次相隔T/N，当至少有一个比较模块的计算结果超过所述预设值时则切断所述入口开关，所述N为大于1的正整数。

本发明有益效果在于，通过压频转化电路（VFC）将各电能入口开关、出口开关的两相或三相电流转换成相应脉冲后，先通过加和模块加和得到一路和脉冲，然后再传输给比较模块进行差值运算，这样相对于点对点直接传输而言，传输两相脉冲时可以节省一根光芯，传输三相脉冲则可以节省两根光芯，所以本方法通过设置加和模块增加电路开销的方式，达到了节省光纤开销的目的，而电路开销可以随时设置，不像增加光纤开销会涉及铺设等较大量的土工施工，从而极大增强了方法的适用性，尤其增强了对光纤等通信资源紧张的三相供电系统的适用性。或者，将入口开关和出口开关的各项电流值先通过模拟加和模块加和得到入口和电流值和出口和电流值，再通过压频转换电路转换成脉冲，这样通过增加模拟加和模块而节省压频转换电路的方式也可以实现光芯的节省。

附图说明

图1是本发明一实施例相关结构示意图（先将电流值经过VFC转换脉冲，再对脉冲加和）；

图2是本发明另一实施例相关结构示意图（先将电流值经加和模块加和，再将和电流值经过VFC转换成脉冲）。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实施例对本发明做进一步说明：

如图1所示，在三相供电系统的三相线路上设有两个电能流入的入口开关1、入口开关2，电能从出口开关3和出口开关4流出供负载。在入口开关1的三相上经一次电流互感器和二次电流互感器将每一相电流值转变成弱电信号，然后送入压频转换电路（VFC）5转换成具有正比例关系的脉冲，即脉冲个数与电流值成正比例关系，这样每一相均得到入口单相脉冲。同样，在入口开关2的三相上经一次电流互感器和二次电流互感器将每一相电流值转变成弱电信号，然后送入压频转换电路6转换成具有正比例关系的脉冲，每一相均得到对应的单相入口脉冲。如果还有其他入口开关，也做同样处理。

在出口开关3的三相上经一次电流互感器和二次电流互感器将每一相电流值转变成弱电信号，然后送入压频转换电路7转换成具有正比例关系的脉冲，得到出口单相脉冲。同理，对出口开关4上三相上每一相电流也利用三个压频转换电路8做相同转换，得到出口单相脉冲。

将入口开关1的三个入口单相脉冲通过加和模块9加和，得到跟入口开关1对应的入口和脉冲，即入口和脉冲的脉冲数是三个入口单相脉冲的脉冲数之和。同理，通过加和模块10得到入口开关2三个入口单相脉冲的入口和脉冲。通过加和模块11得到出口开关3三个出口单相脉冲的出口和脉冲，通过加和模块12得到出口开关4三个出口单相脉冲的出口和脉冲。加和模块对脉冲的加和通过搭建逻辑电路或采用单片机实现，为本领域现有技术。

然后把入口开关1的入口和脉冲、入口开关2的入口和脉冲、出口开关3的出口和脉冲、出口开关4的出口和脉冲经过光纤、通讯电缆等通讯介质通道传输给比较模块，利用比较模块13计算出所有入口和脉冲单位时间内的累积量与所有出口和脉冲单位时间内的累积量的差值，并且在比较模块内预设阈值，当差值超出阈值时，说明入口电流之和与出口电流之和不再相等，表示发生了故障，比较模块控制入口开关1和入口开关2切断线路以对线路进行保护。这些入口和脉冲和出口和脉冲既可以直接传给比较模块，也可以经过预先处理再传给比较模块（如两个入口和脉冲预先加和，或者几个出口和脉冲预先加和，也可以是入口和脉冲与出口和脉冲预先取差值等，即预先得到中间脉冲，再将中间脉冲传给比较模块，使比较模块13计算的最终结果对应于所有入口和脉冲累积量与所有出口和脉冲累积量的差值）。

上述实施例是三相中的每一相都经过VFC转换，也可以只选取其中两相进行转换，选取两相时，入口开关的两相（如选AC两相）要和出口开关的两相对应（即出口开关也应先AC两相）。实施例中，出口开关要和入口开关相匹配，即针对某一线路区域，所有电能入口开关要选全，不能有遗漏，同样，电能出口开关也要选全，不能有遗漏。

在另一个优选实施例中，可以先把入口开关、出口开关三相或两相的电流值通过入口模拟加和模块、出口模拟加和模块进行加和，得到入口和电流值、出口和电流值，然后分别通过VFC转换成具有正比例关系的脉冲，从而得到各个入口和脉冲、出口和脉冲，然后再送入比较模块进行上述比较，如图2所示。需要指出的是，因三相电流的矢量和为零，即使发生相间短路后三相电流的矢量和仍然为零，则通过差动的方法不能发现故障。因此分别通过一次电流互感器和二次电流互感器将所述入口开关、出口开关的三相电流转换为弱电信号后先经基准电压抬高电路抬高后再输入到模拟加和模块，使三相电流加和不为零，这样当发生相间短路等故障时，通过差动保护即能发现故障。

在一个具体实施例中，比较模块13将脉冲先转换成代表脉冲个数的数字量后再计算所述差值。例如，所述比较模块包括计数器和加法器/减法器，通过计数器将所述脉冲转换成代表脉冲个数的数字量，通过加法器/减法器对所述数字量进行计算。

考虑到比较模块计算时存在的噪声误差以及误差的累积效果，为了不使误差的累积超过所预设的阈值，从而影响判断，需要每隔固定周期对比较模块的输出清零。例如，在一个实施例中，先构建一个周期为10毫秒的固定周期电路，然后在入口开关1处通过电压互感器引入线路的电压量，在电压值不低于预设值的情况下将电压量经过波形整形电路转化成与过零点同相位方波，每两个电压周期抽取过零点方波上升沿或下降沿对10毫秒固定周期的电路进行同步修正，使10毫秒周期和线路电压周期保持同步（也可以不修正），固定周期电路每隔10ms将比较模块的输出清零，这就保证了不会因噪声误差的累积超出阈值造成误判。但是，故障发生具有随机性，假如故障发生时刻位于清零发生后的大于等于0而小于5ms内，并假设从故障发生时起需要累积5ms比较模块的计算结果才会超出所设置的阈值，则自清零发生后需要5~10ms的时间即能判断出故障发生并切断入口开关1和入口开关2。但假如故障发生在清零后大于等于5而小于10ms内，因同样需要5ms的积累，则自清零发生后则需要10ms以上的时间才能累积到超出阈值的结果，而在10ms时会又发生一次清零，这样比较模块的计算结果被清零后需要重新计算和累积，只有又到5ms才会累积达到阈值，这样在故障发生后至再次清零的时间就不会起到累积作用，造成时间浪费形成跳闸迟延，这样切断开关1和开关2的时间就会最长拖延达5ms，从而延迟了故障判断的时间和切断操作。

为了克服这种状况，可以设置多个比较模块，比如设置两个比较模块，与各开关电流对应的脉冲既输入到第一个比较模块，也同时输入到第二个比较模块，两个比较模块同时并行转换成数字量并进行加法或减法计算，二者清零周期都为10ms，但是第二个比较模块的清零开始时刻位于第一个比较模块清零后的10/2=5ms，即给第一个比较模块清零后5ms再对第二个比较模块清零。对两个比较模块的计算结果取“或”，即至少有一个计算结果超出阈值时，则切断开关1、开关2。对于前述情况（故障发生在清零后大于等于5而小于10ms的情况），对第一个比较模块而言，到下一次清零时，故障仍未能累积达到阈值，只能从清零后再累积5ms，这与前述情况相同。但是对于第二个比较模块，其清零操作开始于第一个比较模块清零后5ms，则故障发生时刻对于第二个比较模块而言，相当于在清零后大于等于0而小于等于5ms内发生故障，则在该次清零后大于等于5小于等于10ms就会累积到阈值（即发生在对第二个比较模块清零之前），而不会有时间的浪费。当第二个比较模块计算结果超出阈值时，虽然因第一个比较模块由于重新计算还没有达到阈值，则也会切断开关1、开关2，这样就不会产生迟延。

如果故障发生后至累积达到阈值的时间不是5ms而是3.333ms，假设清零周期仍为10ms，则此时可以设置三个比较模块，清零时间依次相隔10/3=3.333毫秒，即可避免类似问题。采用多个比较模块并行计算并错开清零时间点的处理方式，与采用一个比较模块并单纯缩短清零周期不同，因为清零周期不变保证了对噪声误差的容忍度，也就是保证了动作可靠性，同时交错清零又增强了动作的及时性。

在一个实施例中，如果压频转换电路只能接受正电压，则通过一次电流互感器、二次电流互感器获取入口开关和出口开关的弱电信号后，先经过直流基准电压抬高电路，使弱电电压量均为正，再输入给压频转换电路，但是在计算时，要相应扣除各个基准电压抬高电路所导致的在一个清零周期内的脉冲数目。同理，如果在输入压频转换电路前进行模拟量加和，可以先用基准基准电压抬高电路抬高各单相信号后再进行加和，这些都是现有技术。

对于一个实际的电力系统，尤其是对多入口（多电源）的情况下，一种解决方案是设立一个比较模块，然后把比较结果依靠通讯线路传递到各个入口，驱动各个入口开关做出反应，这时对于单比较模块，固定清零周期电路因为是一个实际电路，其周期总会有一定的误差，当误差大于一定程度时，比较模块就有可能误发信号。电力系统本身是具有50HZ（有的为60HZ）左右的固有周期的，采用这个周期信号对于固定清零周期进行修正，可以减少这个固定周期的误差积累，使得保护方法更可靠。另外在实际应用中也可以按照入口设置多个比较模块，把出口脉冲、入口脉冲、中间脉冲分别送到各比较模块，这时每个比较模块都需要设置固定周期清零电路，这些清零电路本身除了误差积累还有一个同步的问题，也正好利用每个开关处都放便假设PT装置，取得的电压信号，这个电压信号经过信号抽取就是一个很好的同步信号源，正好用它修正各模块的固定清零周期和相位，而修正电路本身是本领域现有技术，见于各种卫星时钟修正电路。所以，可以通过电压互感器引入所述电力线路的电压量，将所述电压量经过波形整形电路转化成与过零点同相位方波，在电压不低于第一预设值（说明线路未出故障，有一定的电压，预设值根据实际情况人为设置）的情况下由方波上升沿或下降沿对所述固定周期误差大于第二预设值（第二预设值人为设定，当误差超过该值即可进行修正）时进行基于电压相位同步修正。

上述实施例只是对本发明构思和实现的若干说明，并非对其进行限制，在本发明构思下，未经实质变换的技术方案仍然在保护范围内。

Claims (8)

1.一种三相供电系统的保护方法，包括设置在三相线路上电能流入的若干入口开关和电能流出的若干出口开关，其特征在于包括如下步骤：

S11：将所述入口开关的两相或三相上通过的电流值分别经压频转换电路转换成具有对应关系的脉冲从而得到入口单相脉冲；将所述出口开关的相应两相或三相上通过的电流值分别经压频转换电路转换成具有对应关系的脉冲从而得到出口单相脉冲；

S21：通过入口数字加和模块对所述入口开关的入口单相脉冲进行加和得到该入口开关的入口和脉冲，通过出口数字加和模块对所述出口开关的出口单相脉冲进行加和得到该出口开关的出口和脉冲；

或者：

S12：将所述入口开关的两相或三相上通过的电流值通过入口模拟加和模块加和得到该入口开关的入口和电流值；将所述出口开关的相应两相或三相上通过的电流值通过出口模拟加和模块加和得到该出口开关的出口和电流值；

S22：通过压频转换电路将所述入口和电流值转换成具有对应关系的脉冲从而得到入口和脉冲；通过压频转换电路将所述出口和电流值转换成具有对应关系的出口和脉冲；

然后：

S3：通过比较模块计算所有入口和脉冲累积量与所有出口和脉冲累积量的差值，当所述差值超过预设值时切断各所述入口开关。

2.如权利要求1所述的三相供电系统的保护方法，其特征在于，步骤S3中，所述比较模块包括计数器和加法器/减法器，通过计数器将所述脉冲转换成代表脉冲个数的数字量，通过加法器/减法器对所述数字量进行计算。

3.如权利要求1所述的三相供电系统的保护方法，其特征在于，步骤S11中，分别通过一次电流互感器和二次电流互感器将所述入口开关、出口开关的电流值转换为弱电信号后再输入到所述压频转换电路。

4.如权利要求1所述的三相供电系统的保护方法，其特征在于，步骤S21中，分别通过一次电流互感器和二次电流互感器将所述入口开关、出口开关的电流值转换为弱电信号并经基准电压抬高电路抬高后再输入到所述模拟加和模块。

5.如权利要求3所述的三相供电系统的保护方法，其特征在于，所述弱电信号经基准电压抬高电路抬高后再输入到所述压频转换电路。

6.如权利要求1至5之一所述的三相供电系统的保护方法，其特征在于，每隔固定周期对所述比较模块的输出清零。

7.如权利要求6所述的三相供电系统的保护方法，其特征在于，通过电压互感器引入所述三相线路的电压量，将所述电压量经过波形整形电路转化成与过零点同相位方波，在电压不低于第一预设值的情况下由方波上升沿或下降沿对所述固定周期误差大于第二预设值时进行基于电压相位同步修正。

8.如权利要求1至5之一所述的三相供电系统的保护方法，其特征在于，设置N个比较模块分别对所述入口和脉冲累积量、所述出口和脉冲累积量并行计算，且每隔固定周期T对各个所述比较模块的输出清零，且对不同比较模块开始清零的时刻依次相隔T/N，当至少有一个比较模块的计算结果超过所述预设值时则切断所述入口开关，所述N为大于1的正整数。