CN1715938A - 用于识别故障相的方法与系统 - Google Patents

Abstract

在有故障的情形下，用于识别三相电系统故障相的方法与系统，该方法包括：基于以下比来为所述三相中的每一个确定(201)第一指示器值：所怀疑的相的相电流与负序电流分量的比，以及所有相的相对地回路阻抗的最大值与所怀疑的相的相对地回路阻抗的比；基于以下比来为所述三相中的每一个确定(202)第二指示器值：所有相的相电流的最大值与所怀疑的相的相电流的比，以及所有相的第一指示器值的最大值与所怀疑的相的第一指示器的比；如果所怀疑的相的第二指示器值低于预先确定的阈值，识别相为(203)有故障。

Description

用于识别故障相的方法与系统

技术领域

本发明涉及在有故障的情形下，用于识别三相电系统故障相的方法与系统。

背景技术

所有保护系统的主要任务之一是快速隔离故障部分与电力系统的其余部分，以维持电力系统的稳定。例如传输线或分支传输线的总断路总是危及一个或多个电力系统的稳定。这是因为传输线在电力系统的生产与消费部分之间传输电能，并因为它们的断开在断开部分总是引起生产的能量与消费的能量上的不平衡。

例如，架空线的大多数线路故障是单相对地瞬时故障，电力供应的短暂中断之后上述故障就消失了。因为这个原因，将单刀自动重合闸引入电力系统，且如果故障相只断开很短的时间，可将电力系统失去稳定性的风险减小到最低可能的水平。与例如距离保护功能相联系的、提供故障相识别的可靠的相选择功能因为这个原因起着十分重要的作用，并且对保护继电器组的故障位置确定器功能和距离保护功能的恰当运行是不可少的。在故障相识别上的失败很可能导致在两个功能上的错误。

最简单的相选择器功能是仅仅基于相电流。它们的灵敏性代表性地受负荷和故障电阻的限制。如果使用对称分量电流或与阻抗准则结合运行，可获得改进的灵敏性。在远距继电器中代表性地使用这种相选择器。

基于电流和基于阻抗的相选择器的缺点之一是它们常常需要几次调节。因此，供用户调节它们会是困难的。恰当调节的计算会需要很多对具体系统的经验和知识。这适用于特别是如果相选择器既使用电流准则也使用阻抗准则供运行用时。

在US5783946中公开了用于识别故障相的方法的一个例子。所公开的方案涉及的缺点是它需要故障前的数据供运行。

发明内容

本发明的目的因而是提供一种方法和用于实现该方法的装置，以便克服上面的问题或者至少减轻它们。由其特征在独立权利要求1和8中陈述的方法和装置实现本发明的目的。在从属权利要求中公开了本发明的优选的实施方式。

本发明基于使用电流和阻抗准则的思想，采用电流和阻抗值的比用于识别故障相。

本发明的方法和系统的优点是它们需要仅仅最少的调节次数，即使为改进灵敏性使用电流和阻抗运行准则。例如，本发明的方法和系统还很大程度上不受负荷和系统接地变化以及衰减直流分量的影响，要不然导致功能的误操作或很大地延迟操作。

附图说明

在下面，使用关于附图的优选的实施例更详细地描述本发明，其中：

图1是说明依照本发明实施例的系统的框图；以及

图2是说明依照本发明实施例的方法的流程图。

具体实施方式

本发明的方法和系统的用途不限于任何具体的系统，但是它们可关于各种三相电系统来使用，在有故障的情形下识别故障相。例如，这些系统包括输电和配电网络或它的部件以及电力系统与设备。而且，本发明的用途不限于采用50Hz和60Hz基本频率的系统。

本发明使得在有故障的情形下识别三相电系统的故障相成为可能。在下面，要监控的三相电系统的三相称为L1、L2和L3。本发明分别利用在有故障的情形期间出现的相L1、L2和L3的相电流I_L1、I_L2和I_L3的值及相电压U_L1、U_L2和U_L3的值。最好用适当的测量装置(包括例如与要检查的电系统的相连接的电流和电压传感器)得到这些值。在大多数现存的保护系统中，容易获得这些值，因而本发明的实现不需要单独的测量装置。如何得到这些值与本发明的基本思想没有关系，且依赖于要监控的具体的电系统。通过例如与电系统相联系的保护继电器，可以检测要监控的电系统的故障情形。

图1示出说明依照本发明的实施例的系统的简化框图。应当注意本发明绝不限于图1所示的示例性的系统。依靠数字信号处理设备，例如其中带有适当的软件的通用数字信号处理器(DSP)，能实现本发明的功能性。使用专用集成电路或相应的装置也是可能的。用现有的系统元件，例如各种保护继电器，或者通过使用分开的元件或装置能实现本发明。系统10接收要监控的电系统(没有示出)的相L1、L2和L3的电流值I_L1、I_L2和I_L3及电压值U_L1、U_L2和U_L3。另外，系统10优选地接收故障指示信号F，其指示电系统的故障情形并激活故障相指示。或者，系统10独立地检测故障情形。这可以实现，以便如果随后要更详细描述的任何第二指示器值A_L1、A_L2和A_L3低于某个阈值，优选的是0.6，则注意到故障情形并且激活故障相指示。识别故障相之后，如下面更详细描述的，通过输出OUT，相应的数据可输送给其他系统或设备，例如保护继电器。

以下参照图2的流程图来描述依照本发明的在故障情形下故障相的识别。基于以下比来确定(201)三相中每一个的第一指示器的值：怀疑的相的相电流与负序电流分量的比、以及所有相的相对地回路阻抗的最大值与怀疑的相的相对地回路阻抗的比。在那之后，基于以下比来确定(202)三相中每一个的第二指示器的值：所有相的相电流的最大值与怀疑的相的相电流的比、以及所有相的第一指示器值的最大值与怀疑的相的第一指示器的比。最后，如果怀疑的相的第二指示器值低于预先确定的阈值T，将相识别(203)为有故障。

依照下面的公式优选地确定相Ln(n＝1，2，3)的相对地回路阻抗相量 Z _Ln：

                Z _Ln＝ U _Ln/ I _Ln，其中

U _LN＝相Ln的相电压相量，n＝1，2，3；以及

I _Ln＝相Ln的相电流相量，n＝1，2，3。

依照本发明的实施例，按照下面的公式分别确定三个相L1、L2和L3的第一指示器值W_L1、W_L2和W_L3：

$W_{L1}=\left|\frac{{\underset{\‾}{I}}_{L1}}{{\underset{\‾}{I}}_2}\right|\·\left|\frac{{\underset{\‾}{Z}}_{\max \mathrm{PE}}}{{\underset{\‾}{Z}}_{L1}}\right|,$

$W_{L2}=\left|\frac{{\underset{\‾}{I}}_{L2}}{{\underset{\‾}{I}}_2}\right|\·\left|\frac{{\underset{\‾}{Z}}_{\max \mathrm{PE}}}{{\underset{\‾}{Z}}_{L2}}\right|,$

$W_{L3}=\left|\frac{{\underset{\‾}{I}}_{L3}}{{\underset{\‾}{I}}_2}\right|\·\left|\frac{{\underset{\‾}{Z}}_{\max \mathrm{PE}}}{{\underset{\‾}{Z}}_{L3}}\right|,$ 其中：

Z _maxPE＝max( Z _L1， Z _L2， Z _L3)；( Z _L1， Z _L2和 Z _L3中的最大相量)，

I ₂＝负序电流分量相量＝ I _L1+ a ² I _L2+ aI _L3，其中

算子 a＝1∠120°和 a ²＝1∠240°

依照本发明的实施例，按照下面的公式分别确定三个相L1、L2和L3的第二指示器值A_L1、A_L2和A_L3：

$A_{L1}=\left|\frac{{\underset{\‾}{I}}_{L\max }}{{\underset{\‾}{I}}_{L1}}\right|\·\frac{W_{L\min }}{W_{L1}},$

$A_{L2}=\left|\frac{{\underset{\‾}{I}}_{L\max }}{{\underset{\‾}{I}}_{L2}}\right|\·\frac{W_{L\min }}{W_{L2}},$

$A_{L3}=\left|\frac{{\underset{\‾}{I}}_{L\max }}{{\underset{\‾}{I}}_{L3}}\right|\·\frac{W_{L\min }}{W_{L3}},$ 其中：

I _Lmax＝max( I _L1， I _L2， I _L3)；( I _L1， I _L2和 I _L3中的最大相量)，以及

W_Lmin＝min(W_L1，W_L2，W_L3)

依照本发明的实施例，预先确定的阈值T有低于1的值。预先确定的阈值T的值优选地约为0.6。优选的值0.6是基于由申请人完成的电路分析和许多次的计算机模拟。阈值T的值决定检测的灵敏性。如果选择阈值T的值更接近于1，它增加了将健康相错误地确定为故障的可能性。因而，应当按照由使用本发明的具体的电系统设置的灵敏性和其他必要条件来选择阈值T的值。依照本发明的实施例，如果A_L1、A_L2和/或A_L3的下面的比较是真实的，相应的相L1、L2和/或L3是故障的：

A_L1＜T，

A_L2＜T，

A_L3＜T。

依照本发明的实施例，在以下情况下识别三相故障：

|( Z _maxPE· Z _maxPE)·( Z _maxPE/ Z _minPE)|＜K_maxload，其中：

K_maxload是预先确定的参数，

Z _maxPE＝max( Z _L1， Z _L2， Z _L3)；( Z _L1， Z _L2和 Z _L3中的最大相量)，以及

Z _minPE＝min( Z _L1， Z _L2， Z _L3)；( Z _L1， Z _L2和 Z _L3中的最小相量)。

三相故障的以上条件优选地超越了接地故障和短路指示。参数K_maxload是设置，它基于最大负荷来优选地选择。依照下面的公式优选地确定K_maxload：

             K_maxload＝(q·Z_maxload)²，其中

             q＜1且优选的是0.8，以及

             Z_maxload＝U_line ²/S_max，其中

             U_line＝相间电压[kv]，

             S_max＝监控的电系统的最大负荷[MVA]

参数q的值确定准则的灵敏性。如果选择参数q的值接近于1，它增加了将正常负荷情形被错误地确定为故障情形的可能性。因而，应当按照由使用本发明的具体的电系统设置的灵敏性和其他需要来选择参数q的值。选择的操作变量提供十分灵敏、稳定和安全的操作。依照由申请人完成的许多计算机模拟，该算法十分稳定且安全。它能代表性地检测恰当的故障相，在接地故障的情况下至少一直到100欧姆(在20kv系统中)故障电阻，以及在短路故障的情况下10欧姆(在20kv系统中)故障电阻。另外，它只基于相量大小，并且不需要相角信息。

随着技术的进步，可以用各种方式实现本发明构思，这对本领域的技术人员是明显的。本发明及其实施例不限于上面描述的例子，而是可在权利要求的范围内变化。

Claims (14)

1.一种用于在故障情形下识别三相电系统的故障相的方法，其特征在于所述方法包括：

a)基于以下比来为所述三相中的每一个确定(201)第一指示器值：所怀疑的相的相电流与负序电流分量的比，以及所有相的相对地回路阻抗的最大值与所怀疑的相的相对地回路阻抗的比；

b)基于以下比来为所述三相中的每一个确定(202)第二指示器值：所有相的相电流的最大值与所怀疑的相的相电流的比，以及所有相的第一指示器值的最大值与所怀疑的相的第一指示器的比；

c)如果所怀疑的相的第二指示器值低于预先确定的阈值，识别相为(203)有故障。

2.依据权利要求1所述的方法，其特征在于：按照下面的公式分别确定(201)所述三相L1、L2和L3的第一指示器值W_L1、W_L2和W_L3：

$W_{L1}=\left|\frac{{\underset{\‾}{I}}_{L1}}{{\underset{\‾}{I}}_2}\right|\·\left|\frac{{\underset{\‾}{Z}}_{\max \mathrm{PE}}}{{\underset{\‾}{Z}}_{L1}}\right|,$

$W_{L2}=\left|\frac{{\underset{\‾}{I}}_{L2}}{{\underset{\‾}{I}}_2}\right|\·\left|\frac{{\underset{\‾}{Z}}_{\max \mathrm{PE}}}{{\underset{\‾}{Z}}_{L2}}\right|,$

$W_{L3}=\left|\frac{{\underset{\‾}{I}}_{L3}}{{\underset{\‾}{I}}_2}\right|\·\left|\frac{{\underset{\‾}{Z}}_{\max \mathrm{PE}}}{{\underset{\‾}{Z}}_{L3}}\right|,$

其中：

I _Ln＝相Ln的相电流，n＝1，2，3，

Z _Ln＝相Ln的相对地回路阻抗，n＝1，2，3，

I ₂＝负序电流分量，以及

Z _maxPE＝max( Z _L1， Z _L2， Z _L3)。

3.依据权利要求2所述的方法，其特征在于：按照下面的公式分别确定(202)所述三相L1、L2和L3的第二指示器值A_L1、A_L2和A_L3：

$A_{L1}=\left|\frac{{\underset{\‾}{I}}_{L\max }}{{\underset{\‾}{I}}_{L1}}\right|\·\frac{W_{L\min }}{W_{L1}},$

$A_{L2}=\left|\frac{{\underset{\‾}{I}}_{L\max }}{{\underset{\‾}{I}}_{L2}}\right|\·\frac{W_{L\min }}{W_{L2}},$

$A_{L3}=\left|\frac{{\underset{\‾}{I}}_{L\max }}{{\underset{\‾}{I}}_{L3}}\right|\·\frac{W_{L\min }}{W_{L3}},$ 其中：

I _Lmax＝max( I _L1， I _L2， I _L3)，以及

W_Lmin＝min(W_L1，W_L2，W_L3)。

4.依据权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于进一步包括：

d)在以下情况下识别(203)三相故障：

|( Z _maxPE· Z _maxPE)·( Z _maxPE/ Z _minPE)|＜K_maxload，其中

K_maxload是预先确定的参数，

Z _maxPE＝max( Z _L1， Z _L2， Z _L3)，以及

Z _minPE＝min( Z _L1， Z _L2， Z _L3)，其中

Z _Ln＝相Ln的相对地回路阻抗，n＝1，2，3。

5.依据权利要求4所述的方法，其特征在于：按照下面的公式确定K_maxload：

K_maxload＝(q·Z_maxload)²，其中

q大约是0.8，以及

Z_maxload＝U_line ²/S_max，其中

U_line＝所述电系统的相间电压，

S_max＝所述电系统的最大负荷。

6.依据权利要求1至5中的任意一项所述的方法，其特征在于：按照下面的公式确定当n＝1、2、3时相Ln的相对地回路的阻抗 Z _Ln：

Z _Ln＝ U _Ln/ I _Ln，其中

U _Ln＝相Ln的相电压，n＝1，2，3，以及

I _Ln＝相Ln的相电流，n＝1，2，3。

7.依据权利要求1至6中的任意一项所述的方法，其特征在于：所述预先确定的阈值有大约0.6的值。

8.一种用于在故障的情形下识别三相电系统的故障相的系统，其特征在于所述系统包括：

第一确定单元(10)，被配置成基于以下比来为所述三相中的每一个确定第一指示器值：所怀疑的相的相电流与负序电流分量的比，以及所有相的相对地回路阻抗的最大值与所怀疑的相的相对地回路阻抗的比；

第二确定单元(10)，被配置成基于以下比来为所述三相中的每一个确定第二指示器值：所有相的相电流的最大值与所怀疑的相的相电流的比，以及所有相的第一指示器值的最大值与所怀疑的相的第一指示器的比；以及

识别单元(10)，被配置成在所怀疑的相的第二指示器值低于预先确定的阈值将相识别为故障。

9.依据权利要求8所述的系统，其特征在于：将第一确定单元配置成按照下面的公式分别为所述三个相L1、L2和L3确定第一指示器值W_L1、W_L2和W_L3：

$W_{L1}=\left|\frac{{\underset{\‾}{I}}_{L1}}{{\underset{\‾}{I}}_2}\right|\·\left|\frac{{\underset{\‾}{Z}}_{\max \mathrm{PE}}}{{\underset{\‾}{Z}}_{L1}}\right|,$

$W_{L2}=\left|\frac{{\underset{\‾}{I}}_{L2}}{{\underset{\‾}{I}}_2}\right|\·\left|\frac{{\underset{\‾}{Z}}_{\max \mathrm{PE}}}{{\underset{\‾}{Z}}_{L2}}\right|,$

$W_{L3}=\left|\frac{{\underset{\‾}{I}}_{L3}}{{\underset{\‾}{I}}_2}\right|\·\left|\frac{{\underset{\‾}{Z}}_{\max \mathrm{PE}}}{{\underset{\‾}{Z}}_{L3}}\right|,$ 其中：

I _Ln＝相Ln的相电流，n＝1，2，3，

Z _Ln＝相Ln的相对地回路阻抗，n＝1，2，3，

I ₂＝负序电流分量，以及

Z _maxPE＝max(Z_L1，Z_L2，Z_L3)。

10.依据权利要求9所述的系统，其特征在于：将第二确定单元(10)配置成按照下面的公式分别为所述三个相L1、L2和L3确定第二指示器值A_L1、A_L2和A_L3：

$A_{L1}=\left|\frac{{\underset{\‾}{I}}_{L\max }}{{\underset{\‾}{I}}_{L1}}\right|\·\frac{W_{L\min }}{W_{L1}},$

$A_{L2}=\left|\frac{{\underset{\‾}{I}}_{L\max }}{{\underset{\‾}{I}}_{L2}}\right|\·\frac{W_{L\min }}{W_{L2}},$

$A_{L3}=\left|\frac{{\underset{\‾}{I}}_{L\max }}{{\underset{\‾}{I}}_{L3}}\right|\·\frac{W_{L\min }}{W_{L3}},$ 其中：

I _Lmax＝max( I _L1， I _L2， I _L3)，以及

W_Lmin＝min(W_L1，W_L2，W_L3)。

11.依据权利要求8、9或10所述的系统，其特征在于：所述识别单元(10)被配置成在以下情况下识别三相为故障：

|( Z _maxPE· Z _maxPE)·( Z _maxPE/ Z _minPE)|＜K_maxload，其中

K_maxload是预先确定的参数，

Z _maxPE＝max( Z _L1， Z _L2， Z _L3)，以及

Z _minPE＝min( Z _L1， Z _L2， Z _L3)，其中

Z _Ln＝相Ln的相对地回路阻抗，n＝1，2，3。

12依据权利要求11所述的系统，其特征在于：K_maxload＝(q·Z_maxload)²，其中

q大约是0.8，以及

Z_maxload＝U_line ²/S_max，其中

U_line＝所述电系统的相间电压，

S_max＝所述电系统的最大负荷。

13.依据权利要求8至12中的任意一项所述的系统，其特征在于：按照下面的公式确定当n＝1、2、3时相Ln的相对地回路阻抗 Z _Ln：

Z _Ln＝ U _Ln/ I _Ln，其中

U _Ln＝相Ln的相电压，n＝1，2，3，以及

I _Ln＝相Ln的相电流，n＝1，2，3。

14.依据权利要求8至13中的任意一项所述的系统，其特征在于：所述预先确定的阈值有大约0.6的值。

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