CN114142433A - 一种电力系统的保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电力系统的保护方法，包括设置在电力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，将所述入口开关和出口开关上通过的电流值经压频转换电路转换成具有对应关系的脉冲，然后对脉冲预先进行加和或取差，最后通过比较模块计算所有入口脉冲累积量与所有出口脉冲累积量的差值，当差值超过预设值时比较模块控制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，不需要“点对点”直接架设通讯小路，便于利用原有通讯线路实现快速差动保护，便于推广。

Description

一种电力系统的保护方法

技术领域

本发明涉及电力线路保护领域，具体涉及一种电力系统的保护方法。

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CN 111463758 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，为了实现这一要去，往往要重新施工铺设光纤等通讯线路，所涉施工量大，从而极大降低该方法的经济实用性，不便于推广。如何利用现有的光纤管路来实现上述快速响应的差动保护方法，是需要解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种电力系统的保护方法，该方法在线路发生故障时不仅响应快，不需要“点对点”直接架设通讯小路，便于利用原有通讯线路实现快速差动保护，便于推广。

为了实现上述目的，本发明采取如下技术方案：

一种电力系统的保护方法，包括设置在电力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：

S1：将所述入口开关上通过的电流值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脉冲；将所述出口开关上通过的电流值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脉冲；

S2：对所述入口脉冲或/和所述出口脉冲进行预处理得到中间脉冲，所述预处理至少包括如下之一：

（a）将一部分或全部的出口脉冲通过加和模块加和；

（b）将一部分或全部的入口脉冲通过加和模块加和；

（c）将一部分或全部的入口脉冲与一部分出口脉冲通过减法模块取差或者将一部分入口脉冲与一部分或全部的出口脉冲通过减法模块取差；

S3：将所述中间脉冲和未进行所述预处理的所述入口脉冲、所述出口脉冲传给比较模块，通过比较模块计算出结果，所述结果对应所有入口脉冲累积量与所有出口脉冲累积量的差值，当所述结果超过预设值时比较模块控制切断各所述入口开关。

优选的，所述入口开关只有一个，步骤S2中所述预处理至少包括如下之一：

（a）将一部分或全部的出口脉冲通过加和模块加和；

（b）将入口脉冲与一部分出口脉冲通过减法模块取差。

优选的，步骤S1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；步骤S3中，所述比较模块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。

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，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，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。

优选的，设置N个比较模块分别对所述中间脉冲和未进行所述预处理的所述入口脉冲、所述出口脉冲并行计算，且每隔固定周期T对各个所述比较模块的输出清零，且对不同转换计算单元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阈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）将各电能出口开关的电流值转换成相应脉冲后，并不将脉冲直接点对点传输给比较模块，而是可以将至少两个出口开关或/和入口开关的脉冲进行加和，得到和脉冲，然后再将和脉冲传给下一个出口开关继续加和或直接传送给比较模块，这样针对新建供电系统就可以根据施工便利度更好选择通讯光纤等线路的铺设，而不必非要进行“点对点”线路铺设，这就可以有效绕开施工困难地段，给施工带来方便。或者针对现有供电系统进行改造时，可以利用原有线路进行边加和边传送脉冲的模式，无须为了“点对点”线路进行重新施工。因此，本方法实施成本更低，具有更好的经济可行性，非常便于推广使用。

附图说明

图1是本发明器件和线路设置示意图。

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，在电力系统的电力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、出口开关4、出口开关41和出口开关42流出供负载。将入口开关1、2上的电流通过一次电流互感器和二次电流互感器（一次电流互感器和二次第二互感器可设置在开关柜内）转换成弱电信号，然后分别送入压频转换电路（VFC）5和压频转换电路6转换成与电流值呈正比例关系的脉冲，即入口脉冲。将比较模块13设置在入口开关1附近，则入口开关1的入口脉冲可以经电路板（比较模块与VFC 5整合在一块电路板上）或通信电缆直接送入比较模块13。若入口开关2经光纤等通信线路直接与入口开关1处相连，则入口开关2的入口脉冲可经光纤直接传给比较模块13。

在出口开关3、出口开关4、出口开关41和出口开关42上通过一次电流互感器和二次电流互感器将电流转换成弱电信号，然后分别送入VFC 7、VFC 8、VFC 81和VFC 82，分别转换成脉冲从而得到出口脉冲。根据线路实际分布情况，如果出口开关3、出口开关4、出口开关5彼此临近且有通讯线路相连，则将出口开关3的出口脉冲经光纤送到出口开关4的加和模块（VFC8和加和模块在一个线路板）处与出口开关4的出口脉冲加和得到第一次加和后的总脉冲，然后将第一次的总脉冲再送到出口开关41的加和模块处并与出口开关41的出口脉冲加和得到第二次的总脉冲（根据就近的便利原则，如果出口开关3和出口开关4都距离出口开关41较近并均有通信线路相连，则可以将出口开关3和出口开关4的出口脉冲都直接传给出口开关41处的加和模块进行总加和，直接得到上述的第二次的总脉冲）。如果出口开关41和出口开关42之间没有通信线路相连，而出口开关42和入口开关1之间有通信线路相连，则出口开关42的出口脉冲直接经光纤等通信线路传送给比较模块13，第二次的总脉冲也直接经光纤传给比较模块13。根据现有电力系统，通讯线路遍历各个开关，所以按照上述的就近原则进行加和，总能够将出口脉冲传到入口，而不需重新铺设通讯线路。

上述实施例中是将入口开关2的脉冲直接传给比较模块13，但如果现有条件下不能简单将入口开关2与比较模块13经通讯线路相连，而是入口开关2经通讯线路与上述出口开关相连（假设与出口开关3相连），则可以将入口开关2的入口脉冲与出口开关3的出口脉冲经减法模块取差值，然后再送入比较模块13或者再去与其他出口脉冲加和后再送入比较模块。在另一个实施例环境下，如果比较模块设置在某一个出口开关处，根据通讯线路就近和便利原则，也可以将入口开关1的入口脉冲与入口开关2的入口脉冲经加和模块加和，然后再传给比较模块。由此可见，本发明方法的核心在于并不是将每个出口脉冲和入口脉冲点对点直接传给比较模块进行最终计算，而是先要进行预处理，包括出口脉冲之间相加和，入口脉冲之间相加和，或者出口脉冲与入口脉冲之间取差脉冲（可以是出口脉冲减去入口脉冲，这样到比较模块要按出口脉冲计算；也可以是入口脉冲减去出口脉冲，这样到比较模块要按入口脉冲计算）。一般而言，所有入口脉冲的总和不会小于所有出口脉冲的总和，但是部分入口脉冲的总和有可能小于部分出口脉冲的总和，为了部分入口脉冲减去部分出口脉冲总为正值，可以将作为被减数的入口脉冲在进行VFC转换之前，先通过基准电压抬高电路抬高一定的数值，从而使得到的入口脉冲一定大于作为被减数的若干出口脉冲，然后在最后比较模块中再减去相应的因基准电压抬高电路增加的脉冲。上述对脉冲进行加和的加和模块或取差值的减法模块通过搭建逻辑电路或采用单片机实现。实现脉冲运算，有两种技术路线，一种是数字加和（取差），就是直接对脉冲的频率进行加和（取差）直接得到一个脉冲，其频率等于两个被加脉冲频率（或者等于两个频率相减的频率差）。还有一种技术路线是模拟量加（取差），就是先把送过来的脉冲依靠F/V电路（或者单片机+D/A）把脉冲转换成对应比例的模拟量，再和本侧经电流变换器转化的和本开关电流对应的电压量，采用运放的加减电路进行模拟量运算，将运算结果再经VFC转化成脉冲送出。在减法过程中，采用数字方法的，需要预先给被减数先加上一个基础频率的脉冲，然后再做减法；采用模拟方法的，需要预先给被减数先加上一个基础电平，然后再在做减法。这些中处理过程中引进的基础脉冲和基础电平折算成频率后都要按照固定清零周期内的脉冲累积量在比较模块计算过程扣除。

上述经过预处理得到的脉冲可称为中间脉冲，将中间脉冲和未经上述预处理的入口脉冲、出口脉冲都传给比较模块，最后利用比较模块13进行计算得到结果，该结果相当于所有入口脉冲之和与所有出口脉冲之和的差值，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。显而易见，因为在输入比较模块前，部分脉冲已经进行了加法或减法，所以此处的“所有入口脉冲之和与所有出口脉冲之和的差值”是指输入比较模块的脉冲中，属于入口脉冲的做被减数，属于出口脉冲的做减数，即最后的计算结果为“所有入口脉冲之和与所有出口脉冲之和的差值”，而不是所有入口脉冲和所有出口脉冲都直接输入比较模块进行运算。

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。

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)

1.一种电力系统的保护方法，包括设置在电力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：

S1：将所述入口开关上通过的电流值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脉冲；将所述出口开关上通过的电流值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脉冲；

S2：对所述入口脉冲或/和所述出口脉冲进行预处理得到中间脉冲，所述预处理至少包括如下之一：

（a）将一部分或全部的出口脉冲通过加和模块加和；

（b）将一部分或全部的入口脉冲通过加和模块加和；

（c）将一部分或全部的入口脉冲与一部分出口脉冲通过减法模块取差或者将一部分入口脉冲与一部分或全部的出口脉冲通过减法模块取差；

S3：将所述中间脉冲和未进行所述预处理的所述入口脉冲、所述出口脉冲传给比较模块，通过比较模块计算出结果，所述结果对应所有入口脉冲累积量与所有出口脉冲累积量的差值，当所述结果超过预设值时比较模块控制切断各所述入口开关。

2.如权利要求1所述的电力系统的保护方法，其特征在于，所述入口开关只有一个，步骤S2中所述预处理至少包括如下之一：

（a）将一部分或全部的出口脉冲通过加和模块加和；

（b）将入口脉冲与一部分出口脉冲通过减法模块取差。

3.如权利要求1所述的电力系统的保护方法，其特征在于，步骤S1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；步骤S3中，所述比较模块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。

4.如权利要求3所述的电力系统的保护方法，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。

5.如权利要求1所述的电力系统的保护方法，其特征在于，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。

6.如权利要求1至5之一所述的电力系统的保护方法，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所述的电力系统的保护方法，其特征在于，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之一所述的电力系统的保护方法，其特征在于，设置N个比较模块分别对所述中间脉冲和未进行所述预处理的所述入口脉冲、所述出口脉冲并行计算，且每隔固定周期T对各个所述比较模块的输出清零，且对不同转换计算单元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阈值时则切断所述入口开关，所述N为大于1的正整数。

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