SE518196C2 - Metod och anordning för att skydda en zon i ett kraftsystem samt användning, datorprogramprodukt och metod för att garantera tillförsel av elkraft - Google Patents

Description

25 30 518 196 2 utlösas. I fallet med ett internt fel d v s ett fel inom skyddszonen, skall differentialreläet utlösa brytarna.

Om dock differentialreläet utlöser alla kretsbrytarna under ett externt fel, eller felfungerar under normala driftsförhållanden, kommer detta att förorsaka allvarliga tekniska och ekonomiska konsekvenser för kraftsystemet.

En lösning på detta är att ha en distribuerad, eller decentraliserad, algoritmprocessprincip. Denna princip presenteras i pappret ”Implementation of a distributed digital bus protection system”, av He Jaili et al., IEEE Transaction on Power Delivery, Vol. 12, Nr. 4, oktober 1997. Här är hela skenskyddssystemet uppdelat i ett antal skyddsenheter, där varje är installerad till en krets hos skenan, d v s inkommande och utgående transmissionsledning eller transformatorn. Alla skyddsenheterna är anslutna med ett datakommunikationsnåtverk. Varje enhet samplar och jämför omedelbara värden hos differential- och stabiliseringsströmmarna och tar ett beslut huruvida den skall utlösa sin egen kretsbrytare eller inte.

Den lågímpedanskyddsalgoritmen som används mycket i digitala skyddssystem kan uttryckas enligt följande. Om vi exempelvis antar en samlingsskena som ansluter N linjer, uttrycks differentialströmmen Id och If stabiliseringsströmmen enligt N Id= E1- (1) |=l N 1f=Z|1-| (2) i=| Id-kI,> D (3) 10 15 20 25 30 518 196 3 I fallet med ett internt fel, kan Id = If och ekvation (3) bekräftas om lämpliga värden på k (k< 1) och D väljs. Ekvation (3) är även känd som procentuellt differentialskydd då den introducerar stabiliseringsströmmen för att göra skyddet stabilare för externa fel.

I fallet med normala laster eller externa fel skall Id vara noll för att ekvation (3) skall uppfyllas och ingen utlösningssignal kommer att avges.

Dock, för externa fel kommer Id att vara större än noll under mättningsperioden hos ST, vilket förorsakar en feldrift under denna tidsperiod. Mättning sker som ett resultat av oförutsägbart höga felströmmar, under vilka ST mättas och producerar felaktiga oproportionerliga värden för den verkliga strömmen. Det huvudsakliga tekniska problemet för differentialskyddsalgoritmen är således feldrift på grund av externa fel huvudsakligen på grund av att mättningen av ST i den felaktiga ledningen kommer att producera en bild liknande ett internt fel i mätkretsen, d v s, dífferentialströmmen Id kommer att vara densamma som stabiliseringsströmmen Ir under mättnadsperioden hos ST när ett externt fel inträffar.

Ett annat problem med det ovan nämnda systemet är att det, på grund av de ovan nämnda problemen med mättning av transformatorer, kräver en stabiliserad stabiliseringsströmsignal för att hålla stabiliteten i fallet med ett externt fel. Som en konsekvens ökar utlösningstiden till över 20 millisekunder. För många system krävs dock att ha snabbare utlösningssignaler, företrädesvis under 15 millisekunder på grund av systemstabilitet och säkerhetskrav.

Dokumentet US 5809045 beskriver en metod för avkännande av fel i kraftledningssystem utgående från en metod med ”phaselets” där den reella delen och den imaginära delen av varje fassignal, partiella 10 15 20 25 30 518196 4 summor av kvadrater av varje fasströmssampling kontinuerligt beräknas med ett glidande datasamplinngsfönster med varierbar storlek, att man använder summorna av de reella och de imaginära ”phaselets”, de reella och imaginära faskomponenterna och summan av de partiella summorna av kvadraterna för att beräkna en summa av kvadrater av fel mellan fasströinssamplíngarna och en sinuskurva representativ för de reella och imaginära faskomponenterna, att använda summan av kvadrater av fel för att beräkna en variansmatris som definierar ett elliptiskt osäkerhetsområde, att bestämma om ett fel har uppstått och om så är fallet, betsämma om en summa av strömfaser från varje terminal i systemet faller utanför området för varje fas.

US 5809045 utgår från en helt annan beräkningsmetod än föreliggande uppfinning och behandlar inte problemet med mättning av strömtransformatorer.

KORT REDOGÖRELSE FÖR UPPFINNINGEN Ett ändamål med föreliggande uppfinning är att tillhandahålla en snabb utlösningsalgoritm för kraftsystem som avhjälper de ovan nämnda problemen som påträffas med känd teknik.

Ett ytterligare ändamål med föreliggande uppfinning är att tillhandahålla ett sätt att garantera tillförsel av elektrisk kraft genom en skyddad zon i det fall när felet är utanför den skyddade zonen.

Dessa ändamål uppnås med metoderna enligt krav 1 och 15, och en anordning för att utföra metoderna. Ytterligare aspekter på föreliggande uppfinning täcks av de beroende kraven.

Föreliggande uppfinning uppvisar ett antal fördelar över känd teknik.

Eftersom de integrerade värdena av de inkommande, utgående och 10 15 20 25 30 518 1596 differentialströmmarna används för att bestämma när ett fel har skett, erhålles mycket stabilare vården. Detta betyder att utvärderingen kommer att bli mycket tillförlitligare och riktigare och att externa fel inte felaktigt kommer att utlösa skyddsanordningen.

På grund av föråndringsgradsvärden, baserade på de inkommande, utgående och differentialströmmarna, uppvisar mycket karakteristiskt uppträdande beroende på om huruvida felet är inuti eller utanför skyddszonen, reduceras väsentligen risken för att felaktigt utlösa systemet.

Vidare kommer skyddsanordningen inte att påverkas av mättning av strömtransformatorer med föreliggande uppfinning. Med den presenterade algoritmen kan en mycket snabb utlösningssignal erhållas som fungerar antingen betydligt under felströmsnivåerna eller betydligt under driftstiden för konventionella skyddsanordningar.

En annan fördel med en utföringsforrn av föreliggande uppfinning är att metoden kan användas för att garantera kraftöverföring genom ett skyddat område i det fall när felet är utanför det skyddade området.

En sådan garanti av tillförsäkrad tillförsel med mycket reducerad risk för strömavbrott, bränningar etc på grund av felaktig utlösning i ett skyddat område är av stor ekonomisk fördel, i synnerhet för en leverantör av elkraft. En sådan garanti underlättar undvikandet av onödig förlust av leveranser vilket leder till oerhört dyra konsekvenser i termer av förlorad produktion, kasserad produktion, stillestånd i dyra anläggningar och så vidare.

Dessa och andra aspekter på och fördelar med föreliggande uppfinning kommer att framgå av den detaljerade beskrivningen och från de bifogade ritningsñgurerna. 10 15 20 25 30 5186196 KORT FIGURBESKRIVNING I den detaljerade beskrivningen av uppfinningen kommer hänvisning att göras till de bifogade ritningsfigurerna, varvid Fig. l visar schematiskt principen med en skyddszon enligt uppfinningen, Fig. 2 visar ett flödesdiagram för en snabbutlösningslogik, Fig. 3 visar ett exempel på ett testresultat för ett internt fel när metoden enligt uppfinningen används, Fig. 4 metoden enligt uppfinningen används, och visar ett exempel på ett testresultat för ett externt fel när Fig. 5 visar schematiskt en anordning för att utföra metoden enligt uppfinningen.

DETALJERAD BESKRIVNING AV UPPFINNINGEN Föreliggande uppfinning avser skydd för kraftsystem och i synnerhet områden i kraftsystem som inte har några källor eller laster inuti dessa områden. Dessa områden kommer härefter att benämnas skyddszoner SZ. Inom dessa zoner är ett antal matningsledningar anslutna till externa källor såväl som ett antal matningsledningar anslutna till externa laster. Extern i detta sammanhang betyder utanför skyddszonen. Skyddszonen innehåller inte några källor eller laster och kan ses som en passiv del av ett kraftsystem.

I 1 visas schematískt principen för skyddszonen SZ. Den totala strömmen från alla källor som kommer in till zonen hänvisas till som Im och den totala strömmen ut från alla laster från SZ hänvisas till som Im. Strömmarna mäts konventionellt av strömtransformatorer ST. För en given SZ är det ganska klart att alla ingående strömmarna 10 15 20 25 518 7196 måste vara lika med de utgående strömmarna i normala lastfall, då SZ definieras som ovan, dvs Im = Iut eller lut/Im = 1. Detta år alltså sant om ett externt fel inträffar.

Om en fas betraktas i en SZ och om vi antar att N matningsledningar är närvarande i en viss SZ, kan den inkommande strömmen Im och utgående strömmen lut erhållas genom ekvationerna (1) och (2): M 1m= 21: (1) i=l N 1u,= 21: (2) i=M+| Här motsvarar index ifrån l till M motsvarar de inkommande strömmarna till SZ och ifrån M+1 till N motsvarar de utgående strömmarna från skyddszonen.

De ögonblickliga värdena på differentialströmmen Id och stabiliseringsströrnmen If kan beskrivas av Im och Im som Id = Iin ' Iut Ir = Iin + Iut För att ha stabila värden hos den inkommande strömmen Im och den utgående strömmen Im för den viss skyddszon kan integrerade värden av dessa strömmar samt Id erhållas genom integrering över varje fundamental frekvenscykel T som (mr) 11N= jmf (s) :I 10 15 20 25 5188196 (Ile-T) 1UT= [rm (e) t] (tl+T) 1D = jmf (7) ll De integrerade värdena som erhållits från ekvationerna (5)-(7) kommer att användas för att forma en algoritm genom vilken fel inuti skyddszonen detekteras mycket snabbt och med hjälp av vilken en mycket snabb utlösningssignal kan genereras, vilket kopplar bort zonen från kraftsystemet.

För de flesta kraftsystem, i fall med allvarliga fel, måste utlösning göras mycket snabbt på grund av stabiliteten hos systemet men även för att förhindra allvarliga skador. Företrädesvis skall en utlösningssignal framställas inom 5 ms efter interna fel.

Detta kan uppnås med föreliggande uppfinning genom att använda ändringsgraden hos de integrerade kontinuerliga värdena hos Im, Im och ID. Det faktum att alla dessa integrationsvärden är en variabel funktion i tidsdomänen om en kontinuerlig integration utförs används. Detta betyder att integrationsvärden kommer att ändras beroende pä när integrationen utförs. Om vi antar att k1(t) = d(lo(t)) / dt k2(f) = d(11N(t)) / dt k3(t) = ¿l(lur(t)) / dt (8) 10 5189196 där k1, kg, kg föråndringsgradsvärden. Om ett diskret tidsdomänssystem används kan förändringsgradsvärdena uttryckas SOITl k1(i) = ID(i) - IDfi-l) 1<2(i) = IINÜ) - I1N(i-1) k3(i) = IUTÜ) - IUTÜ-l) Här motsvarar index i samplingstíllfället i den diskreta tídsdomänen och i-1 motsvarar den föregående samplingstiden.

Det har visat sig att det föreligger skillnader för faktorerna k1(i), k2(i) och k3(í) för olika fall såsom normal last, externa fel och interna fel.

Detta visas i tabell 1 nedan. 10 15 20 518 196 10 Normalt lastfall Externa felfall Interna felfall k1(i) = O k1(i) ökar efter k1(i) ökar mättning av strömtransformator k2(i) = k2(i) Ökar kgfi) Ökar k3(i) = k3(i) ökar före k3(i) ökar mättning av strömtransformator Genom kontinuerlig övervakning av förändringsgradsvärdena k1, kg och kg kan en logik skapas för att framställa en snabb utlösningssignal.

Logiken för utlösning när ett internt fel inträffar kan byggas upp såsom visas i Fig. 2.

Faktorerna k1, k; och kg jämförs var och en mot satta tröskelvärden, s1, S2 respektive S3, i tre separata komparatorer. Såsom synes från tabell 1 ovan är logiken utformad att arbeta enligt följande. Då k1(i) ökar under ett internt fel, kontrolleras det om det når över det satta värdet si, då k2(i) även ökar under ett internt fel, kontrolleras om det når över det satta värdet S2 och då k3(i) minskar under ett internt fel, kontrolleras det om det når under det satta värdet S3.

Komparatorerna är anslutna till en AN D-funktion och om AND- funktionen erhåller signaler från alla komparatorerna överförs en signal till en andra AND-funktion.

Det integrerade värdet ID(i) kontrolleras även mot ett satt tröskelvärde i en separat komparator. I fallet med interna fel skall ID(i) vara över ett satt upptagningsvärde. Om så är fallet, kommer en signal att sändas till den andra AN D-funktionen och tillsammans med signalen 10 15 20 25 30 5181196 från den första AND-funktionen kommer en utlösningssignal att sändas.

Under test av den snabba utlösningsalgoritmen och logiken hos föreliggande uppfinning har det visat sig att tröskelvärdena sl, S2 och s3 bör vara i området 5-50% av det integrerade värdet av den inkommande strömmen, och företrädesvis 5-25%.

Figur 3 visar som ett exempel ett diagram över ett test av föreliggande uppfinning för ett internt fel. Såsom synes från diagrammet har förändringsgradsvärdena k1(i), k2(i) och k3(i) alla distinkta toppar just vid inträffandet av ett internt fel där kiü) och k2(i) ökar medan k3(i) minskar.

Figur 4 visar ett annat testexempel för ett externt fel. I detta fall ökar k2(i) och k3(i) snabbt just vid inträffandet av ett externt fel, medan k1(i) förblir oförändrad tills ST mättas och k1(i) ökar snabbt.

Såsom framgår av exemplen är det mycket distinkta skillnader mellan interna och externa fel. Vidare kan med metoden enligt uppfinningen en mycket snabb utlösningssignal erhållas.

Figur 5 visar schematiskt hur metoden enligt uppfinningen kan implementeras i ett kraftsystem. En samlingsskena 10 är ansluten till ett antal transmissionsledningar 12, där en del är inkommande ledningar anslutna till kraftkällor och en del är utgående ledningar anslutna till laster. Anslutningen av transmissionsledningarna till samlingsskenan anses vara skyddszonen SZ.

Varje transmissionsledning är anordnad med en strömtransformator ST. Varje transmissionsledning är vidare anordnad med en brytare 13 i stånd att bryta anslutningen. ST'erna är anslutna till en snabb 10 15 20 25 30 5181396 utlösningsanordning 14 via ledningar 16. ST'erna är utformade att ge strömmar som är proportionella till strömmarna i transmissionsledningarna. Den snabba utlösníngsanordningen innefattar organ för att utföra stegen att mäta strömmarna, beräkna differentialströmmen, integrera strömmarna, differentiera de integrerade värdena för att erhålla förändringsgradsvärdena, jämföra förändringsgradsvärdena med tröskelvärdena och framställa en utlösningssignal. Utlösningssignalen överförs till alla brytarna anordnade till transmissionsledningarna via ledningen 18. Den snabba utlösningsanordningen kan innefatta filter för filtrering av signalerna, konverterare för sampling av signalerna och en eller flera mikrodatorer. Míkroprocessorn (eller processorerna) innefattar en central processorenhet CPU som utför stegen hos metoden enligt uppfinningen. Detta utförs med hjälp av ett dedicerat datorprogram som lagras i programminnet. Det skall förstås att dataprogrammet även kan köras på en industridator för allmänna ändamål istället för en speciellt anpassad dator.

Mjukvaran inkluderar datorprogramkodelement eller mjukvarukoddelar som gör att datorn utför metoden genom att använda ekvationer, algoritmer, data och beräkningar som beskrivits tidigare. En del av programmet kan vara lagrat i en processor enligt ovan, men även i ett ROM-, RAM-, PROM-, EPROM-chip eller liknande. Programmet kan även delvis eller helt vara lagrat i eller på andra lämpliga för datorn låsbara medier såsom en magnetisk disk, CD-ROM- eller DVD-skivor, hårddisk, magneto-optiska minneslagringsorgan, i flyktiga minnen i flashminnen, som fast programvara, eller lagrad på. en dataserver.

En ytterligare utföringsform av föreliggande uppfinning består av en metod att garantera tillförsel av elkraft genom en skyddad zon genom att bestämma om ett avkänt fel är utanför zonen eller inte. Den 10 15 518 196 13 snabba utlösningsmetoden och algoritmen enligt uppfinningen används för att bestämma om ett fel är externt eller inte, och på så sätt garantera att en skyddsanordning i den skyddade zonen inte kommer att utlösa som svar på ett externt fel.

Metoden innefattar att förse ett kraftnätverk med en snabb utlösningsanordning som beskrivits ovan och som fungerar enligt metoden och logiken som beskrivits ovan. Metoden att tillförsäkra leverans är en metod att minska risken för strömavbrott på grund av felaktig utlösning i en skyddad zon, vilket leder till förlust av leverans. Förlust av leverans kan ha extremt dyrbara konsekvenser i termer av förlorad produktion, kasserad produktion, stillestånd i dyra anläggningar och så vidare.

Det skall förstås att utföringsformerna som beskrivits ovan och visats på ritningsñgurerna skall betraktas som icke-begränsande exempel på föreliggande uppfinning och att den definieras av de medföljande patentkraven.

Claims (9)

10 15 20 25 518196 \"\ PATENTKRAV u d--ø

1. Metod för att skydda en zon i ett kraftsystem, vilken zon innefattar ett antal transmissionsledningar anslutna till kraftkällor och ett antal transmissionsledningar anslutna till ett antal laster där kraftkällorna och lastema är anordnade utanför zonen, varvid metoden innefattar stegen att: - kontinuerligt mäta alla inkommande strömmar (Im) till zonen, - kontinuerligt mäta alla utgående strömmar (Im) från zonen, och - kontinuerligt beräkna differentialströmmen (Id) enligt Id = lin '_ Iur, kännetecknad av att kontinuerligt integrera Im, Id: och Id enligt (mr) IX = [rm tl där T är den fundamentala frekvenscykeln, - att kontinuerligt differentiera värdena hos Im, Idt och Id enligt k1(t) = d(ln(t)) / dt k2(t) = d(I1N(t)) / dt 1Q(t) = d(lur(t)) / dt, där k1, kg och k; utgör förändringsgradsvärden, och genom att använda ett diskret tidsdomänsystem, varvid förändringsgradsvärdena uttrycks enligt k1(i) = IDÜ) - IDÜ-l) 1<2(i) = IINÜ) - I1N(i-1) k3(í) = IU'r(i) - Iur(i-1) samt 10 15 20 25 518 196 Ví - att kontinuerligt jämföra förändringsgradsvärdena k1(i), k2(i) och k3(i) med satta tröskelvärden i en logik, och när logiken uppfylls, framställa en utlösningssignal.

2. Metod enligt krav 1, kännetecknad av att vidare kontinuerligt jämföra det integrerade värdet hos ID med ett tröskelvärde i nämnda logik, och när logiken är uppfylld, framställa en utlösningssignal med avseende på ett fel inuti zonen.

3. Anordning för att skydda en zon i ett kraftsystem, vilken zon (SZ) innefattar ett antal transmissionsledningar (12) anslutna till kraftkällor och ett antal transmissionsledningar anslutna till ett antal laster där kraftkällorna och lasterna är anordnade utanför zonen, innefattande organ (ST) för att kontinuerligt mäta alla inkommande strömmar (Im) till zonen, organ (ST) för att kontinuerligt mäta alla utgående strömmar (lut) från zonen, och organ (14) för att kontinuerligt beräkna differentialströmmen (Id) enligt Id = Im ~ Im, kännetecknad av organ för att kontinuerligt integrera Im, lur och L: enligt (:1+T) IX = jmf där T är den fundamentala frekvenscykeln, - organ att kontinuerligt differentiera värdena hos Im, Im och Id enligt k1(t) = d(ID(t)) / dt k2(t) = d(I1N(t)) / dt ka(t) = d(lu'r(t)) / dt, 10 15 20 25 30 518 196 .un lé» där ki, kg och ka utgör förändringsgradsvärden, och genom att använda ett diskret tidsdomänsystem, varvid förändringsgradsvärdena uttrycks enligt k1(i) = ID(i) - In(i-l) kgfi) = I1N(i) - I1N(l-1) k3(i) = IUr(i) - IUT(i-1) samt - organ att kontinuerligt jämföra förändringsgradsvärdena k1(i), k2(i) och k3(i) med satta tröskelvärden i en logik, och när logiken uppfylls, framställa en utlösningssignal.

4. Anordning enligt krav 3, kännetecknad av att transmissionsledningarna är anordnade med kretsbrytare (13) och organ för att framställa en utlösningssignal till alla brytare i nämnda zon för att koppla bort anslutningen hos transmissionsledningarna baserat på indikationerna hos värdena Im, IUT och In.

5. Användning av en anordning enligt krav 3, för att avkänna fel och koppla bort en eller fler transmissionsledningar vid ett internt fel.

6. Datorprogramprodukt innefattande datorkodorgan och/ eller mjukvarukoddelar för att få en dator eller processor att utföra stegen att: - kontinuerligt mäta alla inkommande strömmar (lin) till zonen, - kontinuerligt mäta alla utgående strömmar (lut) från zonen, och - kontinuerligt beräkna differentialströmmen (Id) enligt Ia = Im - lut, kännetecknad av att kontinuerligt integrera lin, Iu: och Id enligt n .n-ø 10 15 20 25 30 518 196 . - . u p» I? (:l+T) IX = jmf tl där T är den fundamentala frekvenscykeln, - att kontinuerligt differentiera värdena hos Im, lut och Id enligt k1(t) = d(ID(t)) / dt k2(t) = d(I1l\z(t)) / dt k3(t) = d(IU'r(t)) / dt, där k1, k2 och k; utgör förändringsgradsvärden, och genom att använda ett diskret tidsdomänsystem, varvid förändringsgradsvärdena uttrycks enligt k1(i) = ID(i) - ID(i-1) k2(i) = Im(i) - I1N(i-1) ka(i) = IUr(i) - IuT(i-l) Samt - att kontinuerligt jämföra förändringsgradsvärdena k1(i), k2(i) och ka(i) med satta tröskelvärden i en logik, och när logiken uppfylls, framställa en utlösningssignal.

7. Datorprogramprodukt enligt krav 6, kännetecknad av att vidare kontinuerligt jämföra det integrerade värdet hos ID med ett tröskelvärde i nämnda logik, och när logiken är uppfylld, framställa en utlösningssignal.

8. Datorprogramprodukt enligt krav 6 anordnad på eller i ett datorläsbart medium.

9. Metod för att garantera tillförsel av elkraft genom en första zon i ett kraftnätverk, vilket kraftnätverk inkluderar andra zoner i vilka ett fel kan inträffa, vilken garanti är tillhandahållen med hjälp av ett 10 15 20 25 30 518 196 |8 skyddsschema för nämnda första zon innefattande en metod implementerad med ett datorprogram varvid skyddsschemat inkluderar stegen att - mäta ström som passerar in och ut ur den första skyddade zonen, - använda ett logiskt test för att bestämma om ett avkänt fel är ett internt fel eller inte, varvid skyddsschemats metod inkluderar åtminstone ett ytterligare steg att kontinuerligt integrera måtta värden för inkommande och utgående ström, att - kontinuerligt mäta alla inkommande strömmar (Im) till zonen, - kontinuerligt mäta alla utgående strömmar (Im) från zonen, och i - kontinuerligt beräkna differentialströmmen (Id) enligt Ia = Im - lur, kännetecknad av att kontinuerligt integrera Im, Int och Id enligt (mr) IX = [Im tl Där T är den fundamentala frekvenscykeln, - att kontinuerligt differentiera värdena hos lin, Im och Id enligt k1(t) = d(ln(t)) / dt k2(t) = d(I1N(t)) / dt ka(t) = d(lu'r(t)) / dt, där ki, k2 och ka utgör förändringsgradsvärden, och genom att använda ett diskret tidsdomänsystem, varvid förändringsgradsvärdena uttrycks enligt n .man u. 518 196 M k1(i) = In(i) - ID(i-1) k2(i) = I1N(i) - IINÜ-l) k3(i) = Iu'r(i) - Iu'r(i-l) samt - att kontinuerligt jämföra förändringsgradsvårdena k1 (i), k2(i) och k3(i) med satta tröskelvärden i en logik, och när logiken uppfylls, framställa en utlösningssignal. - ~ . - .n