CN1230690A - 用于产生表征三相输电线路上出现三极短路信号的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于产生表征在三相输电线路上出现三极短路的信号(S)的方法,其中对相电流和相电压进行取样,形成相电流取样值和相电压取样值(Ir、Is、It、Ur、Us、Ut)并由它们产生信号。为了采用此方法时甚至在波动时也可以特别可靠地检定三极短路,按照本发明由取样值产生一个与输电线路顺相序系统有功功率的瞬时值成比例的顺相序系统有功功率测量值(P),接着由该测量值(P)通过数字滤波确定出电网频率分量测量值(P² ₅₀)和波动分量测量值(C)。由它们再产生信号(S)。

Description

用于产生表征三相输电线路上 出现三极短路信号的方法

本发明涉及一种用于产生表征三相输电线路上出现三极短路信号的方法，其中对相电流和相电压进行取样并形成相电流-和相电压取样值，且根据相电流-和相电压取样值形成信号。

在采用这种方法(西门子股份公司“保护设备7SA513 V3.1操作手册”，第68页)时，对相电流和相电压进行取样并产生相电流-和相电压取样值。由这些取样值形成阻抗矢量，对在综合R-X-阻抗平面上的其变化速度进行分析；当在R-X-阻抗平面上的阻抗矢量的变化速度过高时，则产生一表征三极短路的信号。

本发明的任务在于，提出一种方法，采用此方法可以特别可靠地检测出现波动时的三极短路。

按照本发明采用本说明书引言部分中所述的方法，该任务的解决方案如下，由相电流-和相电压取样值产生一个与输电线路的顺相序系统有功功率的瞬时值成比例的顺相序系统有功功率的测量值，该顺相序系统有功功率测量值被输送给数字滤波器，在该数字滤波器中求出顺相序系统有功功率测量值的成时间指数衰变的、随电网频率振荡的测量值分量，所述顺相序系统有功功率测量值被输送给第二数字滤波器，在该数字滤波器中求出顺相序系统有功功率测量值的成时间指数衰变的、随电网频率振荡的并与所述测量值分量正交的另一测量值分量，该顺相序系统有功功率测量值被输送给第三个数字滤波器，在该数字滤波器中测定顺相序系统有功功率测量值时间上随波动频率振荡的波动分量测量值，分别对测量值分量和另一个测量值分量平方并接着相加形成顺相序系统有功功率测量值的电网频率分量测量值并用波动分量测量值和电网频率分量测量值形成信号。

本发明方法的优点在于，甚至在功率波动时也可以可靠地识别出三极短路，这是因为由于采用了数字滤波器因而可将顺相序系统有功功率测量值中的波动分量和短路分量分隔开，故可以特别可靠地识别出输电线路上的三极短路。

采用本发明的方法时，根据波动分量测量值和电网频率分量测量值确定出表征三极短路的信号；当波动分量测量值自乘，由电网频率分量测量值和波动分量测量值的平方求出商，并且当该商超过一预定的阈值时，产生信号时，则可以特别简单地并因此有益地实现此点。

如果对相电流-和相电压取样值进行αβ-变换(克拉克-变换)，产生变换的取样值并由变换的取样值产生顺相序系统有功功率测量值，则可以特别迅速并因而有益地形成顺相序系统有功功率测量值。

例如非递归滤波器是尤其易于实现的数字滤波器，故如果第一、第二和/或第三滤波器都是非递归滤波器(FIR-滤波器)，则是特别有益的。

为测定三极短路，按照本发明由顺相序系统有功功率测量值形成一随电网频率振荡的、成时间指数衰变的测量值分量和另一随电网频率振荡的、成时间指数衰变的测量值分量，其中第一个测量值分量与第二个测量值分量相互正交；如果第一个测量值分量为正弦波并且第二个测量值分量为余弦波，则实施此方法步骤尤为简单。

为避免在顺相序系统有功功率测量值中低频干扰信号对在测定两个测量值分量时的测量精确度造成不利的影响，如果在输送给第一和第二滤波器前对顺相序系统有功功率测量值进行高通滤波，则是特别有益的。

如果通过采用一个为滤出信号分量A·exp(-t/τ)·sin(ωt)所设计的最佳滤波器作为第一滤波器(其中A表示振幅，τ为常数和ω表示电网回路频率)并采用为滤出信号分量B·exp(-t/τ)·cos(ωt)所设计的最佳滤波器作为第二滤波器(其中B表示另一个振幅)来测定第一和第二测量值分量时，则采用本发明方法可以实现特别高的测量精度。

下面借助附图对本发明作进一步的详细说明，附图中：

图1为实施本发明方法的一装置的实施例，

图2为图1所示本发明装置中高通滤波器的脉冲应答；

图3为图1所示本发明装置中的数字滤波器的振幅特性和相位特性。

图1示出形成空间矢量的装置3，该装置的输入端以未示出的方式通过换流器和电压转换器接在三相供电线路的三个相上。该装置3的输出端接在用于形成顺相序系统有功功率测量值的装置5上，在装置5的输出端后置有一个高通滤波器7。该高通滤波器7的输出端接在一数字滤波器9和第二数字滤波器11上。在两个滤波器9和11后分别后置有一个平方器，其中平方器13与数字滤波器9连接并且另一平方器15与第二滤波器11连接。两个平方器13和15的输出端接在一加法器17上，除法器19的一个输入端E19A后置于此加法器上。第三平方器21前置于该除法器19的另一输入端E19B，所述第三平方器的输入端接在第三数字滤波器23的输出端。该第三数字滤波器23同样与用于形成顺相序系统有功功率的测量值装置5的输出端连接。除法器19的输出端接在一阈值比较装置25上。在三相输电线路上出现三极短路时由阈值比较装置25的输出端输出一相应的信号S。

采用图1所示装置产生信号S的过程如下：首先在用于形成空间矢量的装置3中对图中未示出的三相输电线路上的相电流Ir、Is、It和相电压Ur、Us、Ut进行取样，同时得出相电流取样值和相电压取样值Ur、Us、Ut、Ir、Is和It。对这些取样值进行Oαβ-变换(克拉克变换)，从而确定出经变换的电流取样值Iα、Iβ、以及经变换的电压取样值Uα和Uβ(参见：“用于处理多相系统的坐标变换”，H.H.雅恩和R.卡斯佩尔，电子技术文献集，56(1974)，第105-111页)： $\left(1\right)\mathrm{I\α}=\sqrt{2/3}\·(\mathrm{Ir}-0.5(\mathrm{Is}+\mathrm{It}\left)\right)$ $\left(2\right)\mathrm{I\α}=\sqrt{1/2}\·(\mathrm{Is}-\mathrm{It})$ $\left(3\right)\mathrm{I\α}=\sqrt{2/3}\·(\mathrm{Ur}-0.50\·(\mathrm{Us}+\mathrm{Ut}))$ $\left(4\right)\mathrm{I\α}=\sqrt{1/2}\·(\mathrm{Us}-\mathrm{Ut}))$

根据下述公式在用于形成顺相序系统有功功率的测量值的装置5中，由上述经变换的取样值求出与顺相序系统有功功率的瞬时值成比例的顺相序系统有功功率测量值P：

(5)P=1/2·(Uα·Iα+Uβ·Iβ)

另外的依据是，在短路或电网波动时顺相序系统有功功率的测量值P具有一个时间变化过程，表述该时间变化过程的信号模型如下：

(6)P=P1·exp(-t/τ)·sin(ωt)+P2·exp(-t/τ)·cos(ωt)+C式中，第一项P1·exp(-t/τ)·sin(ωt)表示成时间指数衰变的、随电网频率振荡的顺相序系统有功功率测量值P的正弦波信号分量，第二项P2·exp(-t/τ)·cos(ωt)表示另一成时间指数衰变的、随电网频率振荡的顺相序系统有功功率测量值P的信号分量，其中上述第一信号分量与这另一信号分量正交，这是因为这另一信号分量为余弦波形。C表示顺相序系统有功功率测量值P的随波动频率振荡的波动分量测量值，其中波动分量测量值C与时间有关并因而表示瞬时值。

按照公式(6)的信号模型的依据是，在出现三极短路时实际上不再有有功率功率并因而不再有顺相序系统有功功率被转换，从而在这种短路时顺相序系统有功功率测量值P必定会降到接近零的非常小的值；在式(6)中通过前两项考虑到了顺相序系统有功功率测量值P的该降低。在式(6)的信号模型还含有功率波动，确切地说用第三项或波动分量测量值C加以表示；利用该波动分量测量值C考虑到了在顺相序系统有功功率测量值P中那些低于电网频率并因而标示电网波动的频率分量。将结合对第三数字滤波器23的说明对求得波动分量测量值C的进一步细节加以说明。

顺相序系统有功功率测量值P被传输给高通滤波器7，在该高通滤波器中滤除掉在顺相序系统有功功率测量值P中带有低于电网频率的低频分量并形成经滤波的顺相序系统有功功率测量值P′。该经滤波的顺相序系统有功功率测量值P到达一个数字滤波器9和第二数字滤波器11。在第一数字滤波器9中由经滤波的顺相序系统有功功率测量值P′通过数字滤波求出成时间指数衰变的并随电网频率振荡的测量值分量A，该测量值分量与按照公式(6)的信号模型中的第一项相符。为此数字滤波器9设计成最佳滤波器，用于滤出信号分量P1·exp(-t/τ)·sin(ωt)。有关最佳滤波器的设计，请参见有关的专业文献(例如参见：Thomas P.Krauss、Loren.Shure、John N.Litte,THE MATH WORKS公司“信号处理工具箱-Signal Processing Toolbox”；Helmut.Schwarz，“最佳调节和滤波器-Optimale Regelung und Filterung”,柏林学院出版社，1981，第100至116页；Juergen.Wede和Dietrich.Wemer，“以参数评价方法为基础的实时处理模型-Echtzeitprozeβmodelle auf der Basis von Parameterschaetzverfahren”，柏林技术出版社，1985，第30至35页；Juergen.Wemstedt，“试验的处理分析-Experimentelle Prozeβanalyse”，柏林技术出版社，1989)。在图3中以振幅-和相位特性曲线的形式示出图1中的三个数字滤波器9、11和23的实施例。在第二滤波器11中求出另一个成时间指数衰变的并随电网频率振荡的测量值分量B，该测量值分量B与按照公式(6)的信号模型中的第二项相符；为此，第二滤波器11被设计成最佳滤波器，用于滤出信号分量P2·exp(-t/τ)·cos(ωt)。

测量值分量A到达平方器13并且另一测量值分量13到达另一平方器15；分别加在两个平方器13和15上的测量值分量A和B被平方，形成测量值分量的平方A²和另一测量值分量的平方B²。两个测量值分量的平方A²和B²到达加法器17，在加法器中通过相加形成经滤波的顺相序系统有功功率测量值P′和顺相序系统有功功率测量值P的电网频率分量测量值P² ₅₀。该电网频率分量测量值P² ₅₀到达平方器19。

另外，将顺相序系统有功功率测量值P从形成顺相序系统有功功率测量值的装置5传递给第三数字滤波器23，在该滤波器中形成顺相序系统有功功率测量值P的时间上随波动频率振荡的波动分量测量值C。但由于波动频率事先并不是已知的，故波动分量测量值的具体测定方式如下，波动分量测量值含括所那些其频率低于电网频率的信号分量；即考虑到波动具有明显低于电网频率的频率。第三滤波器13基本上是一个低通滤波器，该滤波器仅允许低的并因而标示电网波动的频率非衰减地通过。有关第三数字滤波器23的设计同样可参见图3。波动分量测量值C被传递给第三平方器21并形成波动分量测量值的平方C²。波动分量测量值的平方C²被加到除法器19的另一输入端E19B。

在除法器19中由电网频率分量测量值P² ₅₀和波动分量测量值的平方C²求出商P² ₅₀/C²，该商被传递给阈值比较器25。在该比较器25中对商P² ₅₀/C²是否超过预定的阈值进行监视。当商P² ₅₀/C²超过阈值例如0.25时，则在阈值比较器25的输出端25产生信号S，该信号如上所述表示在三相输电线路上出现的三极短路。当商P² ₅₀/C²低于阈值时，则波动分量测量值C过大，由此推断出，在输电线路上出现电网波动而且并未三极短路；在此情况时不会产生信号S。

图2以数字脉冲应答的方式示出高通滤波器7的实施例。

加上所述，图3以振幅-和相位特性曲线的方式示出数字滤波器9、第二数字滤波器11和第三数字滤波器23的实施例。三个滤波器9、11和23例如可以设计成FIR-滤波器(非递归滤波器)；该FIR-滤波器的相适应的滤波器系数例如可以采用已知的程序包MATLAB^(The MathWorks Inc,Natick,Mass.美国)用下述MATLAB^-源数据集产生：

％calculate the gamma-vectors and S-matrix for the power

swing estimator(为功率波动计算器计算伽马矢量和S-矩阵)

N=4；

TA=5e-3；

T=20e-3；

Tau=150e-3；

it=0:TA:(N-1)^*TA；

g=[sin(2^*pi/T^*it).^*exp(-it/Tau)；cos(2^*pi/T^*it).^*exp(-it/Tau)；o^*it+1]；

gamma=g＇

S=inv(g^*g′)

a=S(1,1)^*g(1,:)+S(1,2)^*g(2,:)+S(1,3)^*g(3,:)；

b=S(2,1)^*g(1,:)+S(2,2)^*g(2,:)+S(2,3)^*g(3,:)；

c=S(3,1)^*g(1,:)+S(3,2)^*g(2,:)+S(3,3)^*g(3,:)；

a=fliplr(a)

b=fliplr(b)

c=fliplr(c)

c_=c-[0,0.5,0.5,0]；

[C_,f]=freqz(c_,1,512,200)；

c_=c_/abs(C_(256))；

a_=conv(c_,a)；

b_=conv(c_,b)；

[C,f]=freqz(c,1,512,200)；

[A_,f]=freqz(a_,1,512,200)；

[B_,f]=freqz(b_,1,512,200)；

subplot(2,1,1)；

plot(f,[abs(C),abs(A_),abs(B_)])

grid

subplot(2,1,2)

plot(f,[angle(C)^*180/pi,angle(A_)^*180/pi,angle(B_)^*180/pi])

grid

delt_phi=(angle(A_(256))-angle(B_(256)))^*180/pi

例如可以在数据处理设备上采用图1所示装置实施用于产生标示三相输电线路上出现的三极短路的信号的方法。

Claims (7)

1．一种用于产生表征三相输电线路上出现三极短路的信号(S)的方法，其中

-对相电流和相电压取样，形成相电流-和相电压取样值(Ir、Is、It、Ur、Us、Ut)并且

-由相电流-和相电压取样值(Ir、Is、It、Ur、Us、Ut)形成信号(S)，其特征在于：

-由相电流-和相电压取样值(Ir、Is、It、Ur、Us、Ut)形成与输电线路的顺相序系统有功功率的瞬时值成比例的顺相序系统有功功率测量值(P)，

-所述顺相序系统有功功率测量值(P,P′)被馈送给一数字滤波器(9)，在该滤波器上求出顺相序系统有功功率测量值(P)的成时间指数衰变的、随电网频率振荡的测量值分量(A)，

-所述顺相序系统有功功率测量值(P,P′)被馈送给一第二数字滤波器(11)，在该滤波器中求出顺相序系统有功功率测量值(P)中成时间指数衰变的、随电网频率振荡的并与所述测量值分量(A)正交的另一测量值分量(B)，

-所述顺相序系统有功功率测量值(P)被馈送给一第三数字滤波器(23)，在该滤波器中确定出在顺相序系统有功功率测量值(P)中时间上随波动频率振荡的波动分量测量值(C)，

-分别将所述第一测量值分量和另一测量值分量(A、B)平方并接着将两者相加，形成顺相序系统有功功率测量值(P)的电网频率分量测量值(P² ₅₀)并且

-用波动分量测量值(C)和电网频率分量测量值(P² ₅₀)形成信号(S)。

2．按照权利要求1所述的方法，其特征在于：

-所述波动分量测量值(C)被平方，

-由电网频率分量测量值(P² ₅₀)和波动分量测量值的平方(C²)求出商(P² ₅₀/C²)并且

-当商(P² ₅₀/C²)超过一预定的阈值时，产生信号(S)。

3．按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于：

-对相电流-和相电压取样值(Ir、Is、It、Ur、Us、Ut)进行αβ-变换，形成经变换的取样值(Iα、Iβ、Uα、Uβ)并且

-由变换的取样值(Iα、Iβ、Uα、Uβ)形成顺相序系统有功功率测量值(P)。

4．按照上述任一项权利要求所述的方法，其特征在于：所述第一滤波器、第二滤波器和/或第三滤波器(9、11、23)系非递归滤波器(FIR-滤波器)。

5．按照上述任一项权利要求所述的方法，其特征在于：

-所述第一个测量值分量(A)是正弦波形并且另一测量值分量(B)是余弦波形。

6．按照上述任一项权利要求所述的方法，其特征在于：

-在将顺相序系统有功功率测量值(P)馈送给第一个滤波器(9)和第二滤波器(11)前对其进行高通滤波。

7．按照上述任一项权利要求所述的方法，其特征在于：

-采用一为滤出信号分量A·exp(-t/τ)·sin(ωt)所设计的最佳滤波器作为第一滤波器(9)，其中A表示振幅，τ表示常数并且ω表示电网回路频率，并且

-采用一为滤出信号分量B·exp(-t/τ)·cos(ωt)所设计的最佳滤波器作为第二滤波器(11)，其中B表示另一振幅。

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