CN1231936C - 用于断开/闭合电气操作元件的监控设备的操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于断开/闭合电气操作元件的传动装置的监控设备的操作方法，包括：接收表示被测的一系列未来时刻的信号；重复计算被测的一系列未来时刻的周期；执行电流和/或电压假定为所述期望值的一系列未来时刻的预算；计算断开/闭合所述电气操作元件的时窗；向所述传动装置发送命令；对于正常网络操作条件，所述处理单元对一个或多个电气相执行计算所述被测的周期并且直接从所述周期得到电流和/或电压假定为所述期望值的一系列未来时刻的预算的第一算法；对于网络的非正常操作，所述处理单元仅在如果所述第一算法提供的周期值低于给定阈值时对一个或多个电气相执行预算电流和/或电压假定为所述期望值的一系列未来时刻的第二算法。

Description

用于断开/闭合电气操作元件的监控设备的操作方法

技术领域

本发明涉及一种在电力分配和/或传输网络中断开/闭合如断路器、切断开关或类似装置的电气操作装置的监控设备的操作方法。本发明尤其涉及一种能从已知的一系列采样时刻开始及时预算一个或多个电气相(phases)的电流或电压达到期望值的时刻。这使得它能在最佳时刻执行电气操作装置的断开/闭合操作，使得由于瞬态或电弧现象对系统产生的负面影响最小。

背景技术

从现有技术状态可知，如断路器、切断开关或类似装置的操作装置通常是响应监控面板发出的命令而自动或手动操作。这意味着以“随机”方式进行操作，即常常以相对于网络参数异步的方式，从而可能产生极具破坏力的电瞬态和/或电弧现象。

为了使这种破坏性的瞬态效应最小，有必要以相对于网络参数“同步”的方式进行电气操作。这意味着，对于负载类型和后者连接到网络的模式具有固定的最佳操作时刻，实际实现的操作时刻落在包含最佳时刻的同步时窗内，在最佳时刻内，充分限制了前述破坏性的瞬态效应。

例如，在对电容性负载进行闭合操作的情况下，最佳时刻出现在零电压时。所以，同步时窗由零电压附近的时间段确定。

确定包含操作时刻的时窗预先假定预算各个电气相(phase)内电压和电流趋势，尤其是初步确定零电流或零电压时刻。

通过测量后来被认为是常数的相位角提取参考电压和确定参考电流来完成预算，这些解决方案在美国专利US5,119,260和US5,361,184中有描述。确定参考电流(通常是零时刻的)这种方法对失真电压是无效的，即当存在瞬态分量更一般地说是非对称分量时，因此完全不适用故障状况。

在美国专利US5,566,041中描述了另一已知方案，该方案限于断开操作且仅用于单相系统，基于对零电流时刻的测量执行预算，假定网络频率为常数且电流对称。因此，通过将电流周期的固定宽度加到测得的电流周期宽度上来预测后来的过零。

正如前述情况那样，该方案仅在稳定状态条件下是有效的，而不能处理故障状况，或者更一般地说，不能处理出现瞬态的状况。实际上，这些状况的特征是存在包含非周期性或非对称电流的单向电流分量。而且，前述方案不面对在闭合操作期间作何类型的控制，它是利用非同步命令来执行的。

发明内容

本发明的首要任务是提供一种断开/闭合电气操作元件的监控设备的操作方法，电气操作元件例如是断路器、切断开关或类似物，它们能实现一个或多个电气相(phase)的电流或电压达到期望值、尤其是过零和/或最大值时刻的预算。

作为本任务的一部分，本发明的一个目的是提供一种监控设备的操作方法，所述监控设备能执行稳态条件下的预算算法，只要仅仅当前的电压和电流是周期性的，不管在稳定状态下电压失真和电流失真是怎样的。

本发明的另一目的是提供一种监控设备的操作方法，所述监控设备能执行瞬态或故障条件下的预算算法。

本发明的再一目的是提供一种监控设备的操作方法，所述监控设备能执行易于实施和需要相对较少的执行步骤的预算算法。

本发明的再一目的但非最后一个目的是提供一种易于以低成本实现的监控设备的操作方法。

通过一种用于传动装置以断开/闭合操作元件的监控设备的操作方法，本发明任务以及下文更为清晰可见的这些以及其他目的得以实现。本发明提供了一种一种用于传动装置以断开/闭合电气操作元件的监控设备的操作方法，所述监控设备具有可移动触点和固定触点，并且包括测量一个或多个电气相的电流和电压的测量装置以及一个处理单元，所述方法包括如下步骤：

-所述处理单元接收从所述测量装置输出的表示被测的一系列未来时刻的信号，在所述时刻，电压和/或电流假定为期望值；

-重复计算被测的一系列未来时刻的周期；

-执行电流和/或电压假定为所述期望值的一系列未来时刻的预算；

-在操作命令之后计算断开/闭合所述电气操作元件的时窗；

-基于所确定的时窗和所述电气操作元件的操作时间向所述传动装置发送断开/闭合电气操作元件的命令；

-对于正常网络操作条件，所述处理单元对一个或多个电气相执行计算所述被测的一系列未来时刻的周期并且直接从所述周期得到电流和/或电压假定为所述期望值的一系列未来时刻的预算的第一算法；

-对于网络的非正常操作，所述处理单元对一个或多个电气相执行预算电流和/或电压假定为所述期望值的一系列未来时刻的第二算法，其中仅在如果所述第一算法提供的周期值低于给定阈值时考虑所述第二算法。

所述第一算法用于确定被测的、计算向量绝对自相关最大值的所述一系列未来时刻的周期，所述向量的元素为电流或电压假定为所述期望值的时刻。

所述第二算法用于预算电压和电流假定为期望值的一系列未来时刻，计算所述被测时刻之间的时间间隔且算法本身以测得的或电网的额定周期为基础。

所述第一算法包括以下步骤：i)创建2N维的第一向量，将所述被测时刻作为其元素，N是非零自然数；ii)创建2N维的第一二进制向量，其元素表示所述测量装置测量的电流或电压通过所述期望值的瞬态；iii)将所述2N维的第一向量分为N维的第二向量和N维的第三向量，所述第二向量保存对应于位置从1到N的元素，所述第三向量保存对应于位置从N+1到2N的元素；iv)将所述2N维的第一二进制向量分为N维的第二二进制向量和N维的第三二进制向量，所述第二二进制向量保存对应于位置从1到N的元素，所述第三二进制向量保存对应于位置从N+1到2N的元素；v)创建N维差向量，其元素为被测时刻的所述第二向量和所述第三向量之差；vi)校验所述差向量的元素和所述第二二进制向量与第三二进制向量之差是相同的；vii)如果步骤vi)中校验结果为负，反复地重复步骤iii)，iv)，v)和vi)，将保存在所述测得时刻的第二向量中的元素和保存在所述第二二进制向量中的元素平移一个位置。

所述第二算法包括以下步骤：i)估计所述测量装置测量的最后两个时刻T₁和T₂的时间差Δt＝T₂-T₁，T₂＞T₁，其中电压和电流假定为所述期望值；ii)所述第二算法本身基于电网的额定或测得周期以及所述时间差计算平移间隔T’＝T/2-Δt，其中T是电网的额定或测得的周期；iii)算法本身基于所述测得时刻、电网的额定或测得周期以及所述平移间隔计算一系列未来时刻，即：计算值T”＝T+R₁T’和T＝T-R₂T”，其中R₁和R₂为小于1的常数；通过得到T₃，T₄...T_k预示一系列未来值，其中，T₄＝T₂+T和T₃＝T₁+T”，以及：如果k为偶数，T_k＝T₂+(k/2-1)×T+R_kT’；如果k为奇数，则T_k＝T₁+((k-1)/2)×T-R_kT’。

所述期望值为电流零值。或者，所述期望值为最大电压值。

本发明的其他特征和优点从下对本发明监控设备的最佳实施例但非唯一实施例的描述中会更加明显，附图仅是示例性的而非限制性的。

附图说明

图1是本发明监控设备的最佳而非限制性实施例的框图；

图2是本发明监控设备执行的一系列未来时刻的预算阶段的框图；

图3是由包含在本发明监控设备中的处理单元所执行的第一算法阶段的框图；

图4是由包含在本发明监控设备中的处理单元所执行的随后第二算法阶段的框图。

具体实施方式

参考图1，以图解形式示出了本发明所述监控设备的最佳实施例。

本发明中的监控设备(虚线和图1所示)包括处理单元10和测量装置2和3，例如包括电流和电压互感器。所述测量装置2和3测量相(phase)5的电流和电压。

测量装置2和3发送表示被测时刻的测量信号7和8，在被测量刻处假定相(phase)5的电流和/或电压为期望值，例如象零电流值这样的值。

处理单元10接收输入信号7和8并保存该一系列的被测时刻。利用下文所述的第一算法，处理单元10总是定期计算一系列被测时刻的周期，其中假定电流和/或电压为期望值。

知道了一系列被测时刻的周期，并考虑到测得周期或电网的额定周期。处理单元10预算一系列未来时刻，其中假定电流和/或电压为所述期望值。

如果周期值高于给定的预定阈值，则通过将周期值与一常数简单相乘来完成一系列未来时刻的预算。

如果周期值低于给定阈值，则通过下文所述的第二算法完成一系列未来时刻的预算。在外部操作命令102之后并考虑到一系列未来时刻的预算，处理单元10计算电气操作元件(在图1中通过断路器6以图解形式示出)断开或闭合的时窗。

在计算时窗和断路器6操作时间的基础上，处理单元10向传动装置100发送操作断路器6所需的控制信号9(箭头101)。

参考图2，包含在本发明监控设备中的处理单元10所执行的预算程序的结构以图解形式示出。

处理单元10执行第一算法，由方框号11表示，涉及系统的正常操作条件。算法11处理来自信号7和8的值(指示出假定电流和/或电压为期望值的时刻)并在执行过程的结尾提供收敛值16。随后对所述收敛值进行校核(方框12)。

方框12把收敛值16作为网络状态指示器。

收敛值16超过给定阈值表示系统处于正常工作状况：电网处于稳态(有或没有谐波失真)且没有网络瞬变状态或故障。

在这种情况下，收敛值16是假定电流或电压为期望值的时刻序列的周期。由此，通过算单乘法，很容易用外推法求出电流或电压假定为相同期望值的一系列未来时刻(由箭头17指示)。

处理单元10是基于向量自相关的绝对值最大值的计算，向量元素为电流或电压假定为期望值的被测时刻。处理单元10连续执行算法11。

如果收敛值16小于给定阈值，则表示算法不收敛或者存在高瞬变状态或故障。这种情况也可能发生在系统启动的过程中，例如就在执行完操作之后。在这些情况下，网络显示非正常运行。

处理单元10继续执行第二算法15，第二算法15计算假定电流和/或电压为所述期望值的一系列未来时刻(箭头18)，估计测量装置2和3测得的时刻之间的时间间隔，将本身基于网络的测得或额定周期。处理单元10利用预测的一系列未来时刻计算为操作部件发送断开/闭合命令所必须的时窗。

参考图3，示出了形成算法11的步骤(由虚线表示)。

将电流或电压假定为期望值的时刻保存在2N维向量30中，N表示除零以外的自然数。

同时建立2N个元素的二进制向量50，指示通过期望值的电流或电压瞬态。

向量30的元素不T₁...T_2N，向量30的头N个元素保存在N维的向量31中。向量31的元素是关于位置k...k+N的向量30的元素，其中k＝1。

向量30的最后N个元素保存在N维向量32中。

以同样的方式，向量50的头N个元素保存在N维的向量51中，向量50的最后N个元素保存在N个元素的向量52中。

然后得到向量33，其元素为位于相应位置的向量31和向量32的元素之差。向量33的元素表示为D₁...D_N。

如果向量33的元素彼此都相同，也就是说如果D₁＝D₂＝......D_N且如果二进制向量51和52重合(方框34)，则每个元素D_J(j＝1...N)的值构成图2中算法11的收敛值16。

如果向量33的元素彼此不同或者向量51和52不重合，则重复程序(箭头37)。在这种情况下，关于位置k...k+N的向量30的元素形成向量31，其中k＝2。以同样的方式再次建立向量51。

重复迭代(箭头37所示)直至达到收敛值16，逐渐增加k的值直到最大值N。

以这种方式，在所有分布情况下能通过每周期包含直到N个瞬态的一相或多相中电流或电压通过期望值的时刻序列的周期。

如果算法在N次迭代后不收敛，则收敛值16设为零并转为考虑图2中的算法15。

上述程序对应于计算向量30的绝对最大自相关值。

参考图4，以图解形式示出了图2中形成算法15结构的步骤。

考虑到被测一系列未来时刻的T₁和T₂(T₂＞T₁)的最后值，他们能从信号7和8获得。步骤40涉及时间差Δt＝T₂-T₁的计算。在步骤41中计算量T’＝T/2-Δt，其中T是电网的额定或测得的周期。此后(箭头42)，计算值T”＝T+R₁T’和T＝T-R₂T”，其中R₁和R₂为小于1的常数。通过得到T₃，T₄...T_k预示一系列未来值，在步骤45中：T₄＝T₂+T和T₃＝T₁+T”，以及：

如果k为偶数，T_k＝T₂+(k/2-1)×T+R_kT’。

如果k为奇数，则T_k＝T₁+((k-1)/2)×T-R_kT’。

处理单元10利用一系列未来时刻T_k(箭头18)计算发送操作命令所需的时窗。

从以上描述显然能理解，由于众所周知在电气相(phase)之间存在时间相在，在一个或多个电气相(phase)执行两种算法11、15。这意味着，一旦计算出电力系统一相(phase)的时窗，就可自动计算出与其他相(phase)有关的时窗。

实际上，已经注意到本发明的监控设备执行其设备的任务。

尤其已经得到证实，它不仅能处理网络的正常操作，而且能处理故障情况和出现瞬变状态的情况。

当然，在使用两种算法时，一种算法预先假定网络正常操作而另一种算法预先假定网络在故障条件下操作，两种算法的这种使用使得它能够完成在电流和电压假定为期望值的一系列未来时刻的预算而不受网络本身状态的影响。这确保监控设备提供相当大的灵活性并保证最佳选择执行操作的时刻。

也应强调，这些算法易于实施，使得能够以低成本获得相对易于制造的监控设备。

在本发明原理的范围内可以对以这种方式构想的本发明的监控设备作出大量修改和变形。

此外，所有具体组成部分可以由技术上等同的部件代替。

Claims (7)

1.一种用于传动装置以断开/闭合电气操作元件的监控设备的操作方法，所述监控设备具有可移动触点和固定触点，并且包括测量一个或多个电气相的电流和电压的测量装置以及一个处理单元，所述方法包括如下步骤：

-所述处理单元接收从所述测量装置输出的表示被测的一系列未来时刻的信号，在所述时刻，电压和/或电流假定为期望值；

-重复计算被测的一系列未来时刻的周期；

-执行电流和/或电压假定为所述期望值的一系列未来时刻的预算；

-在操作命令之后计算断开/闭合所述电气操作元件的时窗；

-基于所确定的时窗和所述电气操作元件的操作时间向所述传动装置发送断开/闭合电气操作元件的命令；

-对于正常网络操作条件，所述处理单元对一个或多个电气相执行计算所述被测的一系列未来时刻的周期并且直接从所述周期得到电流和/或电压假定为所述期望值的一系列未来时刻的预算的第一算法；

-对于网络的非正常操作，所述处理单元对一个或多个电气相执行预算电流和/或电压假定为所述期望值的一系列未来时刻的第二算法，其中仅在如果所述第一算法提供的周期值低于给定阈值时考虑所述第二算法。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一算法确定被测的、计算向量绝对自相关最大值的所述一系列未来时刻的周期，所述向量的元素为电流或电压假定为所述期望值的时刻。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二算法预算电压和电流假定为期望值的一系列未来时刻，计算所述被测时刻之间的时间间隔且算法本身以测得的或电网的额定周期为基础。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一算法包括以下步骤：

i)创建2N维的第一向量，将所述被测时刻作为其元素，N是非零自然数；

ii)创建2N维的第一二进制向量，其元素表示所述测量装置测量的电流或电压通过所述期望值的瞬态；

iii)将所述2N维的第一向量分为N维的第二向量和N维的第三向量，所述第二向量保存对应于位置从1到N的元素，所述第三向量保存对应于位置从N+1到2N的元素；

iv)将所述2N维的第一二进制向量分为N维的第二二进制向量和N维的第三二进制向量，所述第二二进制向量保存对应于位置从1到N的元素，所述第三二进制向量保存对应于位置从N+1到2N的元素；

v)创建N维差向量，其元素为被测时刻的所述第二向量和所述第三向量之差；

vi)校验所述差向量的元素和所述第二二进制向量与第三二进制向量之差是相同的；

vii)如果步骤vi)中校验结果为负，反复地重复步骤iii)，iv)，v)和vi)，将保存在所述测得时刻的第二向量中的元素和保存在所述第二二进制向量中的元素平移一个位置。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二算法包括以下步骤：

i)估计所述测量装置测量的最后两个时刻T₁和T₂的时间差Δt＝T₂-T₁，T₂＞T₁，其中电压和电流假定为所述期望值；

ii)所述第二算法本身基于电网的额定或测得周期以及所述时间差计算平移间隔T’＝T/2-Δt，其中T是电网的额定或测得的周期；

iii)算法本身基于所述测得时刻、电网的额定或测得周期以及所述平移间隔计算一系列未来时刻，即：计算值T”＝T+R₁T’和T＝T-R₂T”，其中R₁和R₂为小于1的常数；通过得到T₃，T₄...T_k预示一系列未来值，其中，T₄＝T₂+T和T₃＝T₁+T”，以及：

如果k为偶数，T_k＝T₂+(k/2-1)×T+R_kT’；

如果k为奇数，则T_k＝T₁+((k-1)/2)×T-R_kT’。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述期望值为电流零值。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述期望值为最大电压值。

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