CN1331288C - 用来从可配置源点导出电力系统数据的方法和设备 - Google Patents
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Abstract
一种导出和处理来自多个用户可配置数据源点的电力系统数据的保护继电器。来自多个源点的数据能在继电器中组合，作为执行各种各样的监视和保护任务有用的单个数据源。多个数字信号处理模块能用来提供另外的处理源，包括在单个装置中提供保护和收入级计量的能力。
Description
技术领域
本发明涉及用来分配电力的系统。更具体地说，本发明涉及用来监视、保护及控制配电网的方法和系统。
背景技术
重要的是监视、提供保护、及控制分配电力的系统，并且多种技术已经用来提供这些功能。
现在参照图1，表示应用于布置在断路器和一半(abreaker-and-a-half)系统配置中的一个电力变压器和两个断路器的一组常规保护功能。该保护方案包括电流互感器14、16、和18及电压互感器20。应该理解，图1是三相系统的单线表示。图1的方案因而提供如下适用交流电流(AC)值：三相电流(来自电流互感器14、16、和18的每一组)、和三相电压(来自电压互感器20)。图1进一步包括希望保护和计量的指示，包括用于在点24和26处的断路器的50BF(瞬时过流)断路器故障保护、跨过主变压器22的87T(电流差动)变压器保护(表示为28)、在点30处的50P(瞬时相过流)变压器保护、及在点32处的瓦特测量。图2表示用来实现图1的希望保护和计量目的的常规继电器应用。继电器应用包括第一和第二50BF保护继电器34和36，保护继电器34和36分别从电流互感器14和16接收输入，并且把输出提供到一个求和装置38。50BF保护继电器提供希望的断路器故障保护。也提供有一个故障变压器保护继电器40，继电器40从外部求和装置38、电流互感器18、及一个电压源20接收输入。外部求和装置38输出从变压器14和16导出的交流电流值的求和。
变压器差动继电器40从电压互感器20经电压传感器42接收电压数据，从外部求和装置38经电流传感器44接收求和电流值，及从电流互感器18经电流传感器46接收电流值。如图2中所示，变压器差动继电器40通过用来自外部求和装置38的求和电流值处理在电压传感器42处接收的电压提供希望的功率计量。而且，变压器保护继电器根据来自外部求和装置38的求和电流值提供希望的相瞬时相过流保护，并且根据经电流传感器44来自外部求和装置38以及经电流传感器46来自电流互感器18的两个求和电流值提供希望的变压器差动保护。变压器保护继电器40典型地包括一个单数字信号处理器以进行必需的计算，并且提供保护控制功能。应该注意，通过在外部求和装置中求和电力系统数据，继电器不能够确定求和数据值的各个分量。
美国专利5,224,011公开了一种使用一个执行信号处理算法的第一数字信号处理器(DSP)、和使用一个用来输入/输出数据处理的分离数字信号处理器实现双处理构造的故障保护继电器系统。一个双端口随机存取存储器(RAM)用来允许分离的DSP彼此通信。保护继电器选择性地释放和闭合在发电机或工业废热发电机场合、或在把它连接到电力系统上的场合处的一个断路器。
美国专利5,828,576公开了一种借助于面向目标的结构的电力监视设备和方法。使用单独的监视装置，其每一个接收一个电信号，并且产生一个代表电信号的数字信号。在每个装置内的物体包括功能模块和包含用于模块的输入、输出及安装信息的寄存器。能改变每个单独监视装置的功能和配置。在装置内的至少一个模块接收作为一个输入的数字信号和把信号用来产生测量参数，并且辅助模块能从测量参数产生另外的参数。
尽管一般希望在配电系统中实现计量，但常规保护继电器不能适当地完成这种功能。对于在0至20-50倍额定电流输入(一般为1A或5A)下的保护的动态要求导致来自在0至1.5-2倍额定电流输入下的正常测量范围中的仪器变压器的精度降低。宽的动态范围也导致对于测量装置子系统(例如微处理器、模/数转换器、及有关模拟调节电路)的精度和分辨率的降低。尽管一些保护继电器装置通过电流互感器输入能提供较精确的测量，但在实际中，这些输入一般连接到中继级电流互感器上以保证继电器提供适当的保护。中继级电流互感器一般具有约5-10％的精度。
由以上可见，希望能够从在单个继电器的配电系统上的多点导出电力系统数据，并且进一步希望从其能导出电力系统数据的诸点是否可由用户配置。而且，希望能够在一个保护继电器中提供收入级计量，以简化设施和系统集成、及向保护继电器用户提供容易进行收入级计量以确认公用公司费用的准确性的能力。常规保护继电器不能适当地提供这些能力。
发明内容
本发明克服了以上提及的缺陷，并且通过在示范实施例中提供一种带有多个经用户接口接收配置命令的数字信号处理器的保护继电器装置实现另外的优点。配置命令定义在配电系统中从其能导出电气参数的源点。导出数据能在继电器内结合，考虑在单个装置内的各种各样的测量参数和保护能力。而且，多个数字信号处理器的使用通过实施不同的动态范围，允许保护继电器进行除保护功能之外的收入级计量。
根据本发明的一种示范方法，通过如下步骤能从配电系统导出数据：配置一个保护继电器，经一个保护继电器接口从多个源点接收系统参数；检测在源点处的系统参数；及根据检测的系统参数在保护继电器内进行网络监视和控制，其中配置步骤包括定义至少一个源点和与所述至少一个源点有关的参数的步骤。数据能在保护继电器内结合，以提供各种各样的保护控制选择。而且，可以修改用于给定源点的动态测量范围，允许保护继电器完成除来自另一个源的保护功能之外的来自一个源的收入级计量。
根据本发明，提供了一种保护继电器，包括：至少一个中央处理单元，该中央处理单元连接成接收来自用户的输入、和向电力系统提供保护控制输出；至少两个数字信号处理单元，由数据总线连接到中央处理单元，每个数字信号处理单元从多个用户定义的源点接收电力系统数据、并组合来自多个用户定义的源点的电力系统数据，其中至少一个中央处理单元根据组合的电力系统数据提供保护控制输出。
根据本发明，提供了一种用来监视配电网的保护继电器，包括：一个接口，被连接以从用户接收配置命令，所述配置命令定义在配电网上的多个源点；在保护继电器内的多个数字信号处理单元，所述数字信号处理单元布置成从所述接口接收配置命令和执行配置命令以监视在多个源点处的网络参数。
根据本发明，提供了一种用来在与电力系统相关联的保护继电器中处理电力系统数据的方法，包括步骤：从电力系统上的多个用户定义的源点接收电力系统数据；在保护继电器中组合来自多个用户定义的源点的电力系统数据；及根据组合的电力系统数据提供保护控制。
附图说明
在结合附图阅读如下详细描述时将更充分地理解本发明，在附图中相同的标号指示相同的元件，并且其中：
图1是常规电力系统保护方案；
图2是对于图1的方案提供希望保护的一种实施；
图3是根据本发明一个实施例的电力系统保护方案；
图4表示根据本发明的继电器如何能提供图3的保护方案；
图5表示适于与本发明一起使用的示范类型的数字信号处理模块；
图6是根据本发明一个方面用来定义一个可配置源点的示范方法的原理图；及
图7是原理图，表示一个可配置源点的其他方面的定义。
具体实施方式
在保护继电器对于电力系统的各种元件(例如变压器、线路、馈电线、发电机等)的应用中，常常必须求和来自不同电流互感器的几个电流信号，以得到流入要保护的元件的净交流电流信号。根据本发明的一个方面，某些电流信号的和能由用户定义为一个源。在该上下文中，源是指一种电流和/或电压信号的逻辑分组，从而一个源包含定义在电力系统上的具体点处的负载或故障所需要的所有信号。因而，一个源可能包含如下类型信号的一个或多个：三相电流、单相接地电流、三相电压、及辅助电压。根据本发明的一个方面，组成一个源的所有信号能提供到一个单继电器，该继电器根据由用户提供的配置参数在内部进行适当的分组、比率校正、求和、及其他处理。通过使用源信号数据的内部结合和处理，而不是外部求和，各个信号仍然适用于继电器。各个信号的适用性允许继电器进行辅助计算(如计算限制电流)，或者实现基于各个电流的辅助保护特征。
现在参照图3，表示一种根据本发明一个实施例的用来从可配置源点导出电力系统数据的布置。该布置，即希望的保护和计量，类似于图1-2中表示的布置；然而，根据本发明的一个方面，多个可配置点由系统用户定义。如上所述，每个可配置源点能定义为电力系统上的一个点，从该点希望导出某些电力系统数据，如电流值、电压值、功率数据、频率值、谐波、总谐波失真、或用来监视电力系统或提供其中的保护控制有用的任何其他数据。在图3中表示的例子中，用户可配置源点50基于电流互感器14和电压互感器20，用户可配置源点52基于电流互感器16和电压互感器20，用户可配置源点54基于电流互感器14和16、以及电压互感器20，及用户可配置源点56基于电流互感器18。下面更详细地解释其中能由用户定义的用户可配置源点的方式。
图4表示根据本发明的一个方面用来提供在图3的布置中希望的保护和计量的一个保护继电器的应用。在继电器60中，有一个用来从电压互感器20接收电压值的电压传感器62及三个用来分别从电流互感器14、16、和18接收电流值的电流传感器64、66、和68。继电器60包括适于进行来自电流互感器14和16的电流数据的内部求和以产生用于用户可配置源点54的处理电路，并且该数据与来自电压互感器20的电压值相结合以进行希望的功率计量。用于用户可配置源点54的求和电流数据也用来进行希望的50P保护，并且与来自电流互感器68(用户可配置源点56)的电流数据相结合以进行希望的87T变压器保护。来自电流互感器14和16(分别为用户可配置源点50和52)的电流数据由继电器60的处理源用来提供希望的50BF断路器故障保护。应该理解，图4中表示的本发明的实施实现优于图2的常规实施的多个优点。例如，在图4中表示的实施中，单个装置(继电器60)进行变压器和断路器故障保护。而且，图4的实施避免电流数据的外部求和，因而允许继电器60使用各个系统数据值、以及其组合。更进一步，电力系统上的任何点能配置为在计量和保护中使用的数据源，如将要更详细描述的那样。
根据本发明的一个实施例，继电器60包括至少两个数字信号处理器模块，其每一个由于对封装和处理源的限制一般限制到八个输入。每个数字信号处理器模块包括一个通道库，每个库包括四个连续通道(例如1-4或5-8)。在该实施例中，每个库用来处理来自电流互感器、电压互感器的数据，或者保留为空。根据本发明的一个实施例，多个数字信号处理模块由一根专用对等通信总线连接，并且每个DSP进一步与继电器60的一个中央处理单元(CPU)通信，后者向用户提供一个接口。根据本发明的另一个实施例，不同继电器在通信网络上相互通信，允许本发明的好处应用于一个保护继电器网络。
现在参照图5，表示各种DSP模块配置70、72、74、76、及78的原理图。在模块70中，通道1-4分配给电流互感器数据，而通道5-8分配给电压互感器数据。在图4的例子中，通道1-3能用于来自电流互感器14(用户可配置数据源点50)的电流互感器数据的三相，而通道4能用作接地或用于辅助电流互感器数据的辅助通道。对于在模块70中的四个电压互感器通道、和对于在其他模块中的每个DSP通道库，能实施一种类似的通道使用方案。模块72把所有通道分配为电流互感器通道，模块74把所有通道分配为电压互感器模块，及模块76和78每个仅具有一个使用模块的库，模块76把其四个通道用作电流互感器通道，及模块78把其四个通道用作电压互感器模块。在图5的示范配置中，能容纳实际任何可能的硬件配置，以实际实现用户可配置源的任何希望组合。例如，三个DSP模块，模块72、模块70、及模块78的每一个，能用于三绕组变压器，或用于其中绕组之一带有一个断路器和一半布置的两绕组变压器。应该理解，多种用途可能需要少于或多于三个的DSP模块。
例如能使用辅助通道，以在电力变压器中线对地连接中从电流互感器收集数据。这种信息能用来提供对于接地故障事件的保护。一个辅助电压输入通道能用来提供用在同步检查方案中的电压。参照图6现在将解释一种定义用户可配置源的方法。通过经在继电器60本身中的一个用户接口、或经与继电器60通信的计算机的一个用户接口选择各种设置，能对电流和电压输入编程。在该例子中，分配给包含通道编号1-8的每个DSP模块一个槽指示器(例如“ F”)。八个通道然后分组成然后定义为F1、F4、F5和F8的四组。组F1包括通道1、2和3。组F4包括通道4。组F5包括通道5、6和7。组F8包括通道8。如图6中所示，每个通道组(例如F1、F4、F5、F8)能具有分别在各种范围内的参数(例如，初级和次级电流值、连接类型、电压值、比率等)。表示在图6中的参数和范围仅是示范性的。
现在参照图7，通过分配一个名(例如源1)、一个相电流互感器输入(例如F1)、一个接地电流互感器输入(例如F4)、一个相电压互感器输入(例如F5)、及一个辅助输入(例如F8)能配置一个源。将会理解，也有可能把一个源定义为电流互感器任何组合之和。
应该进一步理解，经继电器或与继电器有关的通信网络能选择或显示不同的值。例如，能用相位复数矢量显示与实际电流输入有关的计算量。而且，也能显示与每个配置源有关的计算量，包括与源有关的所有量(如相电流和电压、中线电流、序分量、功率、能量、频率、谐波电流)。对于各种元件，如相位时间过流元件、低频率元件、同步检查元件、变压器差动等，所需要的配置认为在熟悉本专业的技术人员的知识范围内，并因此这里不叙述。
根据本发明的另一个方面，在单个保护继电器中包括多个DSP能实现另外的显著优点，包括在保护继电器中实现收入级计量。特别是，除用来连接到用于保护的保护级电流互感器上的输入之外，继电器60能装有连接到用于计量的收入级电流互感器上的专用输入。因而，单个保护继电器能用于所有三相用途(馈电线、线路、变压器、电动机、发电机等)，并且能提供在单个装置中的精确计量和适当保护。由于电压互感器动态范围对于计量和保护是相同的，所以对于两者能使用一组输入。
为了在保护继电器中提供收入级计量，继电器60中的多个DSP模块之一能提供有具有适于计量(例如约0到1.5-2倍的额定输入)的动态范围的一组三个电流互感器输入子模块。例如使用较高负荷，或者通过使用一个适当的插入电流互感器，能实现适当的动态范围。辅助电路对于继电器60基本保持相同。继电器60的用户可配置源点然后能用来选择用于收入级计量的减小动态范围输入、和用于保护用途的标准较宽范围输入。以这种方式，收入级计量和保护能提供在单个装置中。
图8表示图4的布置的模块实施的一个例子。在图8中，一个继电器60包括多个模块，包括一个电源模块82、一个中央处理单元(CPU)84、数字信号处理(DSP)模块86和88、数字输入/输出(I/O)模块92、及一个通信模块94。CPU 84是用于继电器的主处理器，DSP86和88提供适于实现保护方案的信号处理，I/O模块92交换与状态和控制信息有关的输入和输出，及通信模块94支持使用诸如以太网、HDLC和UART之类的通信格式的通信。在该例子中，每个模块可操作地与一个提供在模块之间的通信的高速数据总线96连接。在图8的实施中，电压互感器20(见图4)和电流互感器14与DSP模块86相联，电流互感器16和18与DSP模块88相联。图8的模块实施因而适于在单个继电器中支持图4的保护方案。
应该进一步理解，尽管相对于断路器和一半变压器保护方案已经描述了以上示范实施例，但本发明不限于这样一种保护方案。的确，本发明的益处能适用于实现线路保护、母线保护、或其他类型的电力系统监视和控制。为了实现诸如线路保护之类的某些类型的保护，可能希望使特别是来自远程源的电力系统数据同步。这种同步能使用已知的技术实现。一种这样的技术在Mills的“因特网时间同步：网络时间协议(Internet Time Synchronization：The NetworkTime Protocol)”，IEEE Transactions on Communications，vol.39，no.10，1991年10月，第1482-93页中描述(一种使用往返时间标记消息以使计算通信延迟的时钟同步的所谓“乒乓”技术。另一种技术在授予Adamiak等、标题为“数字电流差动系统(Digital CurrentDifferential System)”的美国专利5,809,045中描述，该技术使用来自两根或三根传输线的测量电流中的信息、和数字通信。
现在将描述本发明的另外实施。图9表示一种包括一个三绕组变压器23的断路器和一半方案，变压器23代替图1-4的变压器22。而且，三绕组变压器23向两根分离线馈电，一根用于电流互感器18而另一根用于电流互感器19。在其他方面，图9的方案基本上类似于图1-4中表示的方案。
图10表示一种在单个继电器中实施图9的方案中的保护的模块构造方案。在图10的继电器60中，一个辅助DSP模块90已经代替图8的数字I/O模块92之一。在该实施中，电流互感器19与辅助DSP90相联，并且来自变压器19的电流数据用作一个辅助输入，以提供对三绕组变压器23的变压器保护。
图11表示用来在母线的6馈线部分中提供母线保护的示范实施。在图11中表示的实施中，母线100的一部分表示成带有六根馈线101-106。每根馈线与一个电流互感器107-112相联。母线100的该部分进一步表示成带有一个电压互感器114。在图11中表示的实施中，电流互感器107-112配置成源点，并且提供对于一个继电器60的电流测量。而且，电压互感器114配置成一个源点，并且提供对继电器60的电压测量。这些电压和电流测量由继电器60使用以实施保护控制，包括瞬时过流断路器故障保护(50BF)、差动总线保护(87B)、及欠电压保护(27G)。
图12表示实施图11的母线保护方案的一种模块构造解决方案。在图12中，配置继电器60，基本上类似于图10中所示的，但在图12中的继电器在一个第一DSP模块中接收来自源114和107的输入，在一个第二DSP模块中接收来自源108和109的输入，在一个第三DSP模块中接收来自源110和1111的输入，及在一个第四DSP模块中接收来自源112的输入。继电器60拥有表示的信息，并且根据用来提供对电流互感器107-112的断路器故障保护50BF的数据，进行总线差动保护87B。
图13表示一种根据本发明一个方面用来提供12馈线母线保护的模块分配构造。在该实施中，第一和第二继电器60基本上按图12中所示连接，并且第一和第二继电器在一个通信链路130上通信，通信链路130能是在继电器60的通信模块之间的10兆位每秒(Mbps)以太网连接。当然，会理解能使用其他适当的连接。而且，在图13的实施中，继电器60的每一个在通信链路134上与远程继电器132通信，通信链路134能是115千位每秒(Kbps)RS485连接、或其他适当的连接。
从以上描述显而易见的是，对于到继电器或其他智能电子装置(IED)的输入，本发明允许源由用户配置，并由此能提供大大增强的保护方案。一旦配置一个源，继电器的计量、保护、或控制特征(一般硬编码在继电器中)就能把一个源用作一个输入量。因而，包括三相电压和三相电流的任何源将自动能够对该源提供功率计量。一个保护元件可能带有能用来保护电力系统上的六个点的六个时间过流元件(TOC)、或能分配保护电力系统上的两个点的三个TOC元件、或能分配保护电力系统上的三个点的两个TOC元件，否则能适当分配诸TOC元件。而且，示波器也能配置成测量原始数据或来自一个给定源的导出数据。本发明允许实现这些和其他优点。
尽管以上描述包括多个细节和特征，但要理解这些仅为说明目的而提供，并且不打算限制本发明的范围。熟悉本专业的普通技术人员对上述示范实施例能够容易地进行修改，而不脱离由如下权利要求书和其法律等效文件限定的本发明的范围。
Claims (21)
1.一种用来在配电系统中导出数据的方法，包括步骤：
配置一个保护继电器，经一个保护继电器接口从多个源点接收系统参数值；
检测在源点处的系统参数值；及
根据检测的系统参数值在保护继电器内进行网络监视和控制，
其中配置步骤包括定义至少一个源点和与所述至少一个源点有关的参数的步骤。
2.根据权利要求1所述的方法，其中保护继电器包括多个数字信号处理器。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括通过通信网络将系统参数值传送到远程保护继电器装置的步骤。
4.根据权利要求1所述的方法，其中与所述至少一个源点有关的参数之一是动态范围。
5.根据权利要求4所述的方法，其中定义动态范围以提供收入级计量。
6.根据权利要求4所述的方法，其中动态范围小于额定输入的1.5至2.0倍。
7.根据权利要求1所述的方法，其中根据与配电系统相关联的电流互感器和电压互感器的一个或多个定义每个源点。
8.根据权利要求1所述的方法，进一步包括在保护继电器中对多个系统参数值求和的步骤。
9.一种保护继电器，包括：
至少一个中央处理单元，该中央处理单元连接成接收来自用户的输入、和向电力系统提供保护控制输出；
至少两个数字信号处理单元，由数据总线连接到中央处理单元，每个数字信号处理单元从多个用户定义的源点接收电力系统数据、并组合来自多个用户定义的源点的电力系统数据，
其中至少一个中央处理单元根据组合的电力系统数据提供保护控制输出。
10.一种用来监视配电网的保护继电器，包括：
一个接口，被连接以从用户接收配置命令，所述配置命令定义在配电网上的多个源点；
在保护继电器内的多个数字信号处理单元，所述数字信号处理单元布置成从所述接口接收配置命令和执行配置命令以监视在多个源点处的网络参数。
11.根据权利要求10所述的保护继电器，其中多个数字信号处理器将来自所述多个源点中的两个或更多个源点的电力系统数据相结合。
12.根据权利要求10所述的保护继电器，其中保护继电器根据由数字信号处理单元监视的网络参数对配电网中的电力系统元件进行保护。
13.根据权利要求10所述的保护继电器，其中保护继电器根据由数字信号处理单元监视的网络参数监视断路器故障。
14.根据权利要求10所述的保护继电器，其中每个数字信号处理器包括多个通道库，每个通道库存储与配电网中的电流互感器或电压互感器相对应的处理数据。
15.根据权利要求10所述的保护继电器，其中通过中央处理单元接口被设置。
16.根据权利要求10所述的保护继电器，其中多个数字信号处理器的至少一个在一个动态范围内处理来自一个或多个源点的数据以进行收入级计量。
17.根据权利要求16所述的保护继电器，其中动态范围小于额定输入的1.5至2.0倍。
18.根据权利要求10所述的保护继电器，其中多个数字信号处理单元通过专用通信总线彼此通信。
19.根据权利要求18所述的保护继电器，其中多个数字信号处理单元的每一个与一个中央处理单元通信。
20.根据权利要求19所述的保护继电器，其中中央处理单元通过通信网络与远程保护继电器的远程中央处理单元通信。
21.一种用来在与电力系统相关联的保护继电器中处理电力系统数据的方法，包括步骤：
从电力系统上的多个用户定义的源点接收电力系统数据；
在保护继电器中组合来自多个用户定义的源点的电力系统数据；及
根据组合的电力系统数据提供保护控制。
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