SE430552B

SE430552B - Method and arrangement for detecting a fault in electrical power systems

Info

Publication number: SE430552B
Application number: SE7906510A
Authority: SE
Inventors: R Kondow; E Okamoto
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co; Tokyo Electric Power Co
Priority date: 1979-08-01
Filing date: 1979-08-01
Publication date: 1983-11-21
Also published as: SE7906510L

Abstract

Method and arrangement for detecting a current <IMAGE> and a voltage <IMAGE> in an electrical power system and determining that there is a fault if the expression <IMAGE> is fulfilled, where ko corresponds to a constant and <IMAGE> to an electrical size, that is achieved by displacing the current <IMAGE> by a predetermined angle φ. In a modified embodiment, the expression <IMAGE> is used, where X corresponds to the least of the expressions <IMAGE> and Z (a predetermined lead impedance). <IMAGE>

Description

7906510-8 10 l5 20 25 30 35 2 vissa intervaller och matas till digitaloperationsorganet, vilket gör det svårt att noggrant bestämma det maximala ögonblicksvärdet för den elektriska storheten. 7906510-8 10 l5 20 25 30 35 2 and is fed to the digital operating means, which makes it difficult to accurately determine the maximum instantaneous value of the electrical quantity.

Ett ändamål med föreliggande uppfinning är att åstad- komma ett sätt och en anordning för underspänningsdetekte- ring av strömkompenseringstyp, där ett maximalt ögonblicke- värde för den elektriska storheten i ett elkraftssystem inte användes utan istället elektriska storheter, som ut- tryckes i vektorform.An object of the present invention is to provide a method and a device for undervoltage detection of current compensation type, where a maximum instantaneous value for the electrical quantity in an electric power system is not used but instead electrical quantities, which are expressed in vector form.

Ovanstående ändamål uppnås enligt föreliggande upp- finning med ett sätt och en anordning, vilkas särdrag framgår av efterföljande -patentkrav 1-3 respektive 4-6.The above objects are achieved according to the present invention with a method and a device, the features of which appear from the following patent claims 1-3 and 4-6, respectively.

Uppfinningen kommer att beskrivas närmare nedan med hjälp av utföringsexempel under hänvisning till medföl- jande ritningar. Fig l visar ett diagram, som åskådlig- gör funktionen hos en konventionell underspänningsdetek- teringsanordning av strömkompenseringstyp. Fig 2 visar ett blockschema över en utföringsform av en feldetekte-i ringsanordning enligt föreliggande uppfinning. Fig 3 visar ett diagram, som åskådliggör funktionen hos utföringsfor- men enligt fig 2. Fig 4 visar ett blockschema över en andra utföringsform enligt uppfinningen. Fig 5 visar ett diagram, som åskådliggör funktionen hos utföringsformen i fig 4. Fig 6 visar ett blockschema över en tredje ut- föringsform av uppfinningen. Fig 7 visar ett flödes- schema, som åskådliggör funktionen hos utföringsformen i fig 6. o Fig 2 visar en första utföringsform av uppfinningen.The invention will be described in more detail below with the aid of exemplary embodiments with reference to the accompanying drawings. Fig. 1 shows a diagram illustrating the operation of a conventional undervoltage detection device of the current compensation type. Fig. 2 shows a block diagram of an embodiment of an error detection device according to the present invention. Fig. 3 shows a diagram illustrating the function of the embodiment according to Fig. 2. Fig. 4 shows a block diagram of a second embodiment according to the invention. Fig. 5 is a diagram illustrating the operation of the embodiment of Fig. 4. Fig. 6 is a block diagram of a third embodiment of the invention. Fig. 7 shows a flow chart illustrating the operation of the embodiment of Fig. 6. Fig. 2 shows a first embodiment of the invention.

Ett elkraftsystem innefattar en samlingsskena B, från vilken en avgreningsledning L, som ska skyddas, är av- grenad. vid avgreningspunkten är en effektbrytare CB installerad.An electric power system comprises a busbar B, from which a branch line L, which is to be protected, is branched. at the branch point, a circuit breaker CB is installed.

En potentialtransformator PD transformerar ned spän- ningen på avgreningsledningen L till en spänning Ü (ut- tryckt i en vektor). med en föreskriven spänningsnivå.A potential transformer PD transforms the voltage on the branch line L into a voltage Ü (expressed in a vector). with a prescribed voltage level.

På motsvarande sätt transformerar en strömtransformator CT den ström, som flyter genom avgreningsledningen L, till en motsvarande ström É (uttryckt i en vektor) med 10 15 20 25 30 35 7906510-8 3 en föreskriven strömnivå. En första absolutvärdesberäk- ningskrets l beräknar absolutvärdet ill för ström- men l. En andra absolutvärdesberäkningskrets 2 beräk- nar absolutvärdet IÛI för spänningen Ü. En fasskifts- krets 3 mottager strömmen l och skiftar strömmens fas med en vinkel m för alstring av signalen iaj$. En divi- deringskrets 4 mottager utsignalerna från absolutvärdes- beräkningskretsarna l och 2 och alstrar kvoten [Öl/]l].Correspondingly, a current transformer CT transforms the current flowing through the branch line L into a corresponding current É (expressed in a vector) with a prescribed current level. A first absolute value calculation circuit 1 calculates the absolute value ill for the current l. A second absolute value calculation circuit 2 calculates the absolute value IÛI for the voltage Ü. A phase shift circuit 3 receives the current l and shifts the phase of the current by an angle m to generate the signal iaj $ . A dividing circuit 4 receives the output signals from the absolute value calculation circuits 1 and 2 and generates the ratio [Beer /] 1].

En multipliceringskrets 5 mottager utsignalerna från fas- skiftskretsen 3 och divideringskretsen 4 och åstadkom- mer en multiplicering för alstring av signalen lej$]Û|/{l|.A multiplying circuit 5 receives the output signals from the phase shift circuit 3 and the dividing circuit 4 and provides a multiplication for generating the signal lej $] Û | / {l |.

En subtraheringskrets 6 mottager utsignalerna från mul- tipliceringskretsen 5 och potentialtransformatorn PD och åstadkommer en subtrahering för alstring av signalen Ü - lsjélål/Il|. En tredje absolutvärdesberäkningskrets 7 är anordnad att beräkna absolutvärdet IÛ - íejélül/Ill] av utsignalen från subtraheringskretsen 6. En bedömnings- krets 8 jämför utsignalen från den tredje absolutvärdes- beräkningskretsen 7 och ett förbestämt referensvärde ko och bedömer att det finns ett fel i den skyddade avgre- ningsledningen L, om utsignalen från kretsen 7 är mindre än k , dvs om följande uttryck är satisfierat: |v-í@jq”{v|/|í|| < ko ......<1) Vänstra sidan av uttrycket (1) är ekvivalent med: [v - v@j(°"°)| ...._..(1a> där 6 motsvarar en fasskillnad mellan Ü och l. Uttryc- ket (la) kan modifieras till: z-ivsinïlšﬁ ......(1b) Följaktligen kan uttrycket (1) omskrivas på följande sätt: _ _ k ]vsin%í | < -g . . . . "(2) Kurvan för uttrycket (2) åskådliggöres i fig 3.A subtraction circuit 6 receives the output signals from the multiplication circuit 5 and the potential transformer PD and provides a subtraction for generating the signal Ü - lsjélål / Il |. A third absolute value calculation circuit 7 is arranged to calculate the absolute value IÛ - íejélül / Ill] of the output signal from the subtraction circuit 6. An evaluation circuit 8 compares the output signal from the third absolute value calculation circuit 7 and a predetermined reference value ko and judges that there is an error in the protected the branch line L, if the output signal from the circuit 7 is less than k, ie if the following expression is satisfied: | v-í @ jq ”{v | / | í || <ko ...... <1) The left side of the expression (1) is equivalent to: [v - v @ j (° "°) | ...._ .. (1a> where 6 corresponds to a phase difference between Ü and l. The expression (la) can be modified to: z-ivsinïlš ﬁ ...... (1b) Consequently, the expression (1) can be rewritten as follows: _ _ k] vsin% í | <-g. . "(2) The curve for the expression (2) is illustrated in Fig. 3.

Om vinkeln Q väljs så, att den är lika med impedans- vinkeln för avgreningsledningen, skulle fasen för Û vara i huvudsak lika med fasen för icjé, när ett fel förelig- ger i avgreningsledningen, varigenom V faller inom det områ- de, som indikeras med AA. Om det inte finns något fel på 7906530-8 10 15 20 25 30 35 4 avgreningsledningen och lasten, faller Û inom det med LA indikerade lastområdet. Det är därigenom möjligt att skil- ja mellan en felsituation, i vilken det finns ett fel i avgreningsledningen, och en situation utan fel. Om uttryc- ket (l) satisfieras eller om operationstillståndet upp- fylles, verksamgöres den anslutna reläanordningen och kretsbrytaren CB utlöses.If the angle Q is chosen to be equal to the impedance angle of the branch line, the phase of Û would be substantially equal to the phase of icjé, when there is an error in the branch line, whereby V falls within the range indicated with AA. If there is no fault on the branch line and the load, the Û falls within the load range indicated by LA. It is thereby possible to distinguish between a fault situation, in which there is a fault in the branch line, and a situation without fault. If the expression (l) is satisfied or if the operating condition is met, the connected relay device is activated and the circuit breaker CB is tripped.

Fig 4 visar den andra utföringsformen enligt uppfin- ningen, som motsvarar utföringsformen i fig 2 förutom det att en jämförelsekrets 9 och en väljarkrets 10 är införda mellan divideringskretsen 4 och multipliceringskretsen 5.Fig. 4 shows the second embodiment according to the invention, which corresponds to the embodiment in Fig. 2 except that a comparison circuit 9 and a selector circuit 10 are inserted between the dividing circuit 4 and the multiplying circuit 5.

Jämförelsekretsen 9 jämför utsignalen IÛI/Il] med en före- bestämd konstant Z. Väljarkretsen 10 reagerar för resul- tatet av jämförelsen vid jämförelsekretsen 9 och väljer den minsta av 1Û|/|í] och Z. Det valda värdet X (IÛI/|í] eller Z) matas till multipliceringskretsen 5 och utsättes för en liknande behandling som den enligt utföringsformen i fig 2. ' I detta fall gör bedömningskretsen 8 en bedömning om följande uttryck är satisfierat eller inte: ]Û - íejÖX] < ko där X är det minsta uttrycket av [Öl/lí och Z. Detta be- tyder att anordningen gör en bedömning, om följande ut- tryck eller ekvationer är uppfyllda.The comparison circuit 9 compares the output signal IÛI / Il] with a predetermined constant Z. The selector circuit 10 reacts to the result of the comparison at the comparison circuit 9 and selects the smallest of 1Û | / | í] and Z. The selected value X (IÛI / | í] or Z) is fed to the multiplication circuit 5 and subjected to a similar treatment as that according to the embodiment in Fig. 2. In this case, the evaluation circuit 8 makes an assessment of whether the following expression is satisfied or not:] Û - íejÖX] <ko where X is the smallest expression of [Öl / lí and Z. This means that the device makes an assessment, if the following expressions or equations are fulfilled.

Wl/lí-'l < Z och _ ......(3) | eller IÜI/ ll '> Z och ......(4) [Ö - íej$z[ < ko Om ekvationerna (3) eller (4) satisfieras göres bedöm- ningen att det finns ett fel i elkraftssystemet. Kur- van visas i fig 5. Det må påpekas att underspänningen vid en punkt, som är åtskild från samlingsskenan B med en sträcka, som motsvarar ledningsimpedansen Z, kan detekte- 10 15 20 25 30 35 7906510-8 5 ras med en noggrannhet av koßoch underspänning inom ett skyddat omrâde, dvs ett fel i elkraftssystemet kan detek- teras. Det må även påpekas att kurvan i fig 5 helt mot- svarar kurvan i fig l.Wl / lí-'l <Z och _ ...... (3) | or IÜI / ll '> Z and ...... (4) [Ö - íej $ z [<ko If equations (3) or (4) are satisfied, the assessment is made that there is a fault in the electric power system. The curve is shown in Fig. 5. It should be noted that the undervoltage at a point which is separated from the busbar B by a distance corresponding to the line impedance Z can be detected with an accuracy of cosine and undervoltage within a protected area, ie a fault in the electric power system can be detected. It may also be pointed out that the curve in Fig. 5 completely corresponds to the curve in Fig. 1.

Det operationstillstånd, som används vid utförings- formen i fig 2, visas i ekvation (1). Det må emellertid påpekas att ekvaktion (1) kan omskrivas eller modifieras på flera sätt. T ex kan ekvation (l) skrivas om enligt följande.The operating state used in the embodiment of Fig. 2 is shown in Equation (1). It should be noted, however, that equation (1) can be rewritten or modified in several ways. For example, equation (l) can be rewritten as follows.

Iliu-i - iv: i@1°s < ko-111 ......(5) Arrangemanget enligt fig 2 kan modifieras för att åstad- komma en bedömning om ekvation (5) är uppfylld eller inte.Iliu-i - iv: i @ 1 ° s <ko-111 ...... (5) The arrangement according to Fig. 2 can be modified to provide an assessment of whether equation (5) is satisfied or not.

Ekvationerna (3) och (4) kan modifieras på liknande sätt och arrangemanget i fig 4 kan modifieras i beroende av detta. T ex kan jämförelsekretsen 9 och väljarkretsen 10 modifieras så, att arrangemanget väljer antingen |Û|/lll eller Z i beroende av om ]Il'Z är större eller mindre än |Ü|. Det må därför påpekas att redogörelsen av bedömning- en enligt uttrycket (l), (3) eller (4) bör utformas så, att den omfattar bedömning enligt ekvivalenta uttryck.Equations (3) and (4) can be modified in a similar manner and the arrangement in Fig. 4 can be modified accordingly. For example, the comparison circuit 9 and the selector circuit 10 can be modified so that the arrangement selects either | Û | / lll or Z depending on whether] Il'Z is larger or smaller than | Ü |. It should therefore be pointed out that the description of the assessment according to the expression (1), (3) or (4) should be designed so that it includes assessment according to equivalent expressions.

Det må även påpekas att utsignalen från anordningen, som indikerar att det finns ett fel, kan behandlas ytter- ligare eller kombineras med andra signaler, som definie- rar tillstånd för upptäckande av ett fel i det område, som skyddas medelst den speciella reläanordningen. T ex kan utsignalen från anordningen i fig 2 kombineras med en utsignal från ett på avstånd liggande relä, som indike- rar att ledningsimpedansen, vilken motsvarar avståndet mellan reläet och felpunkten, är mindre än en förbe- stämd ledningsimpedans, som motsvarar avståndet fràn reläet till gränsen för det skyddade området på sådant sätt, att bedömningen att det finns ett fel i det skyd- dade området göres, om båda signalerna föreligger.It should also be pointed out that the output signal from the device, which indicates that there is a fault, can be further processed or combined with other signals, which define conditions for detecting a fault in the area which is protected by means of the special relay device. For example, the output of the device of Fig. 2 may be combined with an output of a spaced relay indicating that the lead impedance corresponding to the distance between the relay and the fault point is less than a predetermined lead impedance corresponding to the distance from the relay to the boundary of the protected area in such a way that the assessment that there is an error in the protected area is made, if both signals are present.

Uppfinningen har beskrivits med utföringsformer, där de detekterade, elektriska storheterna behandlas i analoga anordningar för att avgöra om operationstillståndet är satisfierat eller inte. Uppfinningen är emellertid även 10 15 7906510-8 6 applicerbar på en anordning, där digitala operationer åstadkommas för behandling av de detekterade, elektriska storheterna.The invention has been described with embodiments in which the detected electrical quantities are processed in analog devices to determine whether the operating condition is satisfied or not. However, the invention is also applicable to a device where digital operations are provided for processing the detected electrical quantities.

Fig 6 visar en tredje utföringsform, vid vilken de de- tekterade, elektriska storheterna utsättes för digital behandling. Strömmen i och spänningen Ü på avgreningsled- ningen L digitaliseras i en analog-digitalomvandlare ADC och matas därefter till en operationstillståndsbedömnings- krets CPU. Operationstillståndsbedömningskretsen CPU kan konstrueras av en digital operationsenhet, t ex en mikro- dator, som i enlighet med programmet behandlar de digi- tilaserade, elektriska storheterna, t ex strömmen och spänningen. ' Fig 7 visar ett flödesschema, som åskådliggör behand- lingen medelst operationstillståndsbeddmningskretsen CPU.Fig. 6 shows a third embodiment, in which the detected electrical quantities are subjected to digital processing. The current and voltage Ü on the branch line L are digitized in an analog-to-digital converter ADC and then fed to an operating condition assessment circuit CPU. The operating condition assessment circuit CPU can be constructed by a digital operating unit, for example a microcomputer, which in accordance with the program processes the digitized, electrical quantities, for example the current and the voltage. Fig. 7 shows a flow chart illustrating the processing by the operation state assessment circuit CPU.

Ste en a- motsvarar de o erationer, som âstadkommes me- _ 9 9 delst kretsarna l-8 i fig 2.Ste en a- corresponds to the o erations obtained by means of circuits 1-8 in Fig. 2.

Claims

10 15 20 25 30 7èb5s1o-s PATENTKRAV

1. l. A method for detecting a fault in an electric power system, in which way the fault is detected by using a current and a voltage in the electric power system, characterized by detecting a current in and a voltage Û in the electric power system and assessment that there is a fault in the electric power system if either the expression: W - iëwdïï I <ko lïl or the expression: IÜ - icjwxl <ko is met, where ko corresponds to a constant, lsjø enelectric quantity, which is achieved by changing the current i with a predetermined angle ef and X are equal to the smaller of IÜI / Ill and a predetermined line impedance Z.

2. A method according to claim 1, characterized in that the assessment comprises partly calculation of an absolute value for the frame É, partly calculation of an absolute value for the voltage Ü, partly phase shifting of the current l with a predetermined angle d for generating igjç, partly dividing the absolute value Öl with the absolute value Lil to obtain [Ü] / IÉI, partly multiplying le ﬂ by IÜI / Ill to obtain lajél ﬁ l / iii, and partly subtracting ie] @ | Ü [/ | l | from the voltage Û for causing a difference Ü-ía] ® | Ü | / ﬁ í |, partly the absolute value for the difference Ü ~ íej $ | Û | / | ï |, dehsjä ﬁ ïelaeav the absolute value | Ü-iaj $ IÜ | / | í || with the predetermined constant cow and partly generating a signal, which indicates that there is a fault in the electric power system, if the absolute value [Û-ís3 @ | Û | / IÉII is less than the predetermined constant cow.

3. A method according to claim 1, characterized in that the assessment comprises on the one hand a calculation of an absolute value for the current 1 and on the other hand a calculation of an absolute value for the voltage Ü , partly the phase shift of the current É with a predetermined angle ö for the occurrence of ïejà, partly the division of the absolute value Û] with the absolute value | í | for obtaining | Û | / | l |, partly comparing [Ü] / Il] with the predetermined line impedance Z, partly generating a value X, which corresponds to the smallest expression of the terms IÜI / Ii and Z, and partly multiplication of lejè by X to produce lsj $ X, subtraction of iejäx from the voltage Û to produce Ü-iej $ X, calculation of an absolute value [V-lej @ X |, and comparison of the absolute value IÛ-Iej @X | with the predetermined constant cow and on the other hand generating a signal which indicates that there is a fault in the electric power system if the value [Û-iejóxl is less than the predetermined constant cow. d

Device for detecting a fault in an electric power system, which device detects the fault by utilizing a current and a voltage in the electric power system, characterized by a means for detecting a current l and a voltage Û in the electric power system and either a body for assessing the existence of a fault in the electric power system if the expression | Ü-íejølyll <k lil ° is met, or a body for assessing the existence of a fault in the electric power system if the expression: | is fulfilled, where ko corresponds to a constant, ie3 @ an electrical quantity, which is produced by shifting the current i by a predetermined angle d, and X is equal to the smaller of [Ü] / III and a predetermined line impedance Z.

5. Device according to claim 4, characterized in that the assessment means comprises on the one hand a first absolute value calculation means for calculating an absolute value of the current in, and on the other hand a second absolute value calculation means for calculating a the absolute value bias voltage v, partly set phase shift means, which is arranged to receive the current and shift phase pre-current i with the predetermined angle o to provide i; j @, partly a dividing means, which is arranged attnotuxm absolute value | i | .and absolute value | Û | for effecting a dividing operation and generating the signal | Û | / {i |, and on the other hand a multiplying means, which is arranged to receive the output signal lejè and the output signal | Ü {/ Il! for effecting a multiplication operation and generating the signal íejølvl / | i |, partly a subtraction means for subtracting the output signal laj $ | Ü | / lll from the voltage Û for generating a difference signal Û-iajçlvl / | l |, and partly a third absolute value calculation means calculation of an absolute value IÜ-Iej $ IV | / [III for the difference I V-IsJ $ | V | / III, and partly an assessment body, which is arranged to compare the absolute value IÜ-ieJ $ | Û | / | í | | with the predetermined constant cow to generate a signal indicating that there is a fault in the electric power system, if the absolute value lv-iajéfvß ﬂ íli is less than the predetermined constant cow.

6. Device according to claim 4, characterized in that the judging means comprises on the one hand a first absolute value calculation means for calculating an absolute value for the current i, a second absolute value calculation means for calculating an absolute value for the voltage Ü, and on the other hand a phase shift means (3), which is arranged to receive the current in and shift phase of this current at a predetermined angle o to provide a bearing, and a dividing means, which is arranged to receive the absolute value If] and the absolute value lvl for providing a dividing operation and generating the signal | Ü | / | i], partly a comparison means for comparing the output signal IÛI / IÉI with the predetermined line impedance Z, and partly a selecting means, which reacts for the result of the comparison at the comparing means for generating a value X , which is equal to the smallest expression of the expression- 7906510-s 10 10 ken [Ül / | í | and Z, on the one hand a multiplier means responsive to the output signal És3 $ and the output signal X for producing a multiplication operation and generating the signal íej $ X, on the other hand a subtraction means for subtracting the output signal íejèx from the voltage Û for generating Ü -iej $ X, on the one hand a third absolute value calculating means for calculating an absolute value [Û-isj $ X |, and on the other hand an evaluation circuit, which is arranged to compare the absolute value | Ü-iejmxl with the predetermined constant cow for generating a signal, which indicates that there is a fault in the electric power system if the value [Ü-íejèxl is less than the predetermined constant cow.