用于检测多相电网中的故障相的设备和方法

摘要

本发明针对一种用于向输送三相电力的电力系统提供保护控制的保护继电器。该保护继电器执行故障相检测方法，其中接收和处理代表由电力系统输送的电力的电特性的信号值以分别产生处理的信号。处理的信号将信号值中频率与电力系统的标称操作频率相同的分量去除。将处理的信号值相加以产生求和，该求和然后除以预定数以产生商。确定该商是否落在多个预定范围之一内。这一确定用来确定电力系统是否具有单相故障、两相故障或三相故障。

说明书

技术领域

本发明涉及保护继电器并且具体地涉及基于微处理器的保护继电器。

背景技术

有许多不同类型的保护继电器。一般而言，主要的保护继电器类型包括方向保护继电器、差动保护继电器和距离保护继电器。

方向保护继电器利用方向保护方案来确定是在前向方向上(即在受保护区的方向上)还是在反向方向上(即在非保护区的方向上)已经出现故障。方向保护方案一般包括操作元件和方向元件或者极化元件。操作元件比较传入电流(或者电压)与预定义电流(或者电压)设置。在过电流方向保护方案中，操作元件一般基于电流是否超过预定义电流容差来进行脱扣判决。极化元件确定故障的方向。极化元件可以使用转矩方程来确定故障方向；前向故障造成正转矩而反向故障造成负转矩。转矩方程可以将零序电压或者电流或者负序电压用于极化。取而代之，极化元件可以使用负序阻抗。仅当操作元件表明故障状况并且极化元件表明故障状况在受保护区中时才出现脱扣。在Alexander等人的美国专利第4,825,327号和Wilkinson的美国专利第4,453,191号中公开了方向保护方案的例子，这两个专利均通过引用而结合于此。

差动保护继电器常用于保护发电机、变压器和电站母线。差动保护继电器基于平衡或者比较位于受保护设备的输入端子和输出端子处的电流互感器的次级电流这一原理来操作。差动保护继电器设置于电流互感器之间，从而在正常状况之下没有差动电流流过保护继电器，因为经过电流互感器的次级电流被平衡。当出现外部故障时，在受保护设备的输入端子和输出端子处电流流动增加，但是这些电流之间的平衡被维持。因此，保护继电器针对外部故障状况没有操作。当在受保护设备中出现故障时，在受保护设备的一侧上的电流流动方向反向，因此扰乱在保护继电器处的正常电流平衡。不平衡状况使差动电流流过保护继电器，并且保护继电器中的差动保护方案操作以使适当断路器脱扣。在Ebisaka的美国专利第4,502,086号中公开了差动保护继电器的例子，该专利均通过引用而结合于此。

距离保护继电器利用电线具有的阻抗与线路的长度成比例这一原理。距离保护继电器测量线路的阻抗并且比较该阻抗和与线路的全长成比例的预定义阻抗设置。如果阻抗少于预定义阻抗，则确定已经出现故障。阻抗或者RX图常用来描述距离继电器的特征。RX图是R(横坐标)对X(纵坐标)的曲线图并且按照电压与电流之比和它们之间的角度来示出继电器的特征曲线。在RX图中，将电压与电流之比的数值表示为半径矢量的长度，并且电压与电流之间的相角确定矢量的位置。以这一方式，在RX图上将继电器的操作特征曲线表示为圆，其中在该圆内出现继电器的脱扣。

有可以供距离保护继电器利用的许多不同类型的距离保护方案。这些方案包括阻抗、电抗、姆欧、偏移姆欧和四边形方案。阻抗方案未考虑向它施加的电压与电流之间的相角。出于这一原因，阻抗方案的操作特征曲线当在RX图中表示时是圆心在原点的圆。电抗方案仅测量阻抗的无功分量。姆欧方案或者起动单元实质上是具有方向元件的阻抗方案。姆欧方案的操作特征曲线当在RX图中表示时是穿过原点的圆。偏移姆欧方案的操作曲线当在RX图中表示时是被移位并且包括原点的圆，因此提供针对近故障(close-infault)的更好保护。四边形方案将方向特征曲线和电抗特征曲线与两个电阻范围(resistive reach)控制特征曲线组合。

在Novosel等人的美国专利第5,956,220号和Schweitzer III的美国专利第5,140,492号中示出了距离保护方案的例子，这两个专利均通过引用而结合于此。

除了前述主要保护继电器类别，还有利用增量(delta)滤波器来检测电力电路中的故障的保护继电器。在这样的继电器中，增量滤波器从电力电路接收电压时变波形或电流时变波形并且从当前时间波形减去在当前时间之前的所选时间间隔出现的波形。这一操作通常使用滤波器的延迟功能来实现。所选时间间隔等于时变电压/电流波形时间段的所选整数倍。常规上，延迟是一个电力电路循环。在正常状况之下，当无扰动或者无故障事件时，增量滤波器的输出将为零。然后，当电力电路中的事件或者故障出现时，将出现电流或者电压波形的改变，并且增量滤波器将具有非零输出。该改变的量值表明电力电路中如电压和/或电流值代表的实际改变的显著性。

利用增量滤波器的保护继电器的例子包括Brandt等人的美国专利第4,409,636号、Yang的美国专利第5,783,946号和Benmouyai等人的美国专利第6,417,791号，这些专利均通过引用而结合于此。在Brandt等人的专利中，如果一相的信号具有比相信号的最大幅度的某一百分比(比如40-60％)更大的幅度，则确定该相具有故障。这样确定相故障的方法相当刚性并且不允许针对一相、两相和三相故障的不同故障确定标准。

因此将希望提供一种具有增量滤波器的如下保护继电器，该保护继电器具有更灵活的故障确定，该故障确定允许针对一相、两相和三相故障的不同故障确定标准。本发明涉及这样的保护继电器。

发明内容

根据本发明提供一种用于向输送三相电力的电力系统提供保护控制的保护继电器。该保护继电器包括处理器和至少一个计算机可读介质。程序指令存储于至少一个计算机可读介质上，并且可由处理器执行以执行故障相检测方法。根据该方法，接收代表由电力系统输送的电力的电特性的信号值。处理信号值以分别产生处理的信号。处理的信号将信号值中频率与电力系统的标称操作频率相同的分量去除。将处理的信号相加以产生求和，将该求和除以预定数以产生商。确定商是否落在多个预定范围之一内。使用对商是否落在预定范围之一内的确定来确定电力系统是否具有单相故障、两相故障或三相故障。

也根据本发明提供一种用于向输送三相电力的电力系统提供保护控制的方法。根据该方法，接收代表由电力系统输送的电力的电特性的信号值。处理信号值以分别产生处理的信号。处理的信号将信号值中频率与电力系统的标称操作频率相同的分量去除。将处理的信号相加以产生求和，将该求和除以预定数以产生商。确定商是否落在多个预定范围之一内。使用对商是否落在预定范围之一内的确定来确定电力系统是否具有单相故障、两相故障或者三相故障。

附图说明

参照下文描述、所附权利要求和以下附图将更好地理解本发明的特点、方面和优点：

图1是根据本发明实现的保护继电器的正视图；

图2是保护继电器的数值模块的示意图；

图3是存储于保护继电器中并且由保护继电器中的处理器执行的控制逻辑的图示；

图4是控制逻辑的第一部分的图示；

图5是控制逻辑的第二部分的图示；

图6是控制逻辑的第三部分的图示；

图7是控制逻辑的第四和第五逻辑部分的图示；并且

图8是控制逻辑的第六逻辑部分的图示。

具体实施方式

应当注意，在后文具体描述中相同部件无论是否在本发明的不同实施例中示出它们都具有相同标号。也应当注意为了清楚和简洁地公开本发明，附图可能未必按比例绘制并且可以用有些示意的形式示出本发明的某些特点。

现在参照图1和图2，本发明涉及用于检测电力电路中的故障并且响应于故障使断路器脱扣的保护继电器10。保护继电器10可以是方向保护继电器、差动保护继电器或者距离保护继电器。保护继电器10具有模块化构造并且包括电源模块、组合式底板模块、互感器输入模块、模数(A/D)转换模块、通用底板模块和数值模块12(在图2中示意地示出)，这些模块全部通过底板来相互连接。保护继电器10也包括人机接口(HMI)14(在图1中示出)，该人机接口14具有显示屏16和可以用来向保护继电器10输入信息的多个输入键18。组合式底板模块在保护继电器10中的模块之间输送所有内部信号。互感器输入模块从连接到受保护电力电路的电压和电流传感器接收电压和电流信号，并且变换这些信号而且将这些信号与保护继电器10的其余电路的信号中电分离。通用底板模块形成底板的部分并且将互感器输入模块连接到A/D转换模块。通用底板模块也连接到数值模块12。来自电流和电压传感器的模拟信号由A/D转换模块中的A/D转换器转换成数字信号。现在参照图2，数值模块12包括中央处理单元(CPU)22、闪存28和动态随机存取存储器(DRAM)32。软件控制逻辑40存储于使用闪存文件系统的闪存中。在保护继电器10的启动期间，控制逻辑40被传送到DRAM 32。CPU22访问DRAM 32中的控制逻辑40并且执行它。控制逻辑40包括通用控制逻辑42以及增量滤波器控制逻辑44，如图3中所示增量滤波器控制逻辑44具有第一、第二、第三、第四、第五和第六逻辑部分46、48、50、52、54和56。

可以通过利用功能块的图形编程语言来编写控制逻辑40。功能块执行具体功能并且通常具有至少一个输入变量、至少一个输出变量、一个或者多个中间变量和内部行为描述。功能块也可以具有贯穿变量(through variable)。内部行为可以由连续或者离散时间驱动或者可以被事件驱动。功能块与其它功能块结合(经由称为链路的通信)操作以实施控制策略或者方案。功能块通常执行以下功能其中之一：输入功能(比如与发送器、传感器或者其它变量测量设备关联的输入功能)、逻辑或者变量操控功能(比如相加、相减、相乘等)或者实现控制或者指示功能的输出功能中的一种功能。在以下描述中，按照使用功能块(简称为“块”)的图形编程语言进行编写来描述增量滤波器控制逻辑44。

通用控制逻辑42可操作用以一般性地检测电力电路的任何一相或者多相的故障并且生成脱扣信号58。增量滤波器控制逻辑44与通用控制逻辑42交互以特别地检测电力电路中的哪些相有故障。根据保护继电器10的具体类型，通用控制逻辑42可以利用如上所述方向保护方案、差动保护方案或者距离保护方案。如果通用控制逻辑42检测到故障，则脱扣信号58具有布尔值一。在本发明的一个具体实施例中，通用控制逻辑42是如果测量的阻抗点在RX图中的阻抗圆内停留持续超过预定义时间段则确定已经出现故障的姆欧方案。

现在参照图3和图4，示出了保护继电器10连接到具有三相(表示为A、B和C)的电网60。各相包括电流互感器62。对于各相，电阻器54跨接于电流互感器62以提供于在该相中流动的电流成比例的电压信号。电压信号馈送到保护继电器10的A/D转换模块18并且转换成数字信号，该数字信号被提供给在CPU 22中运行的控制逻辑40。在控制逻辑40中，各数字化电压信号(代表相的电流)馈送到包括带除滤波器和放大器的检测器块66。带除滤波器去除信号中频率与电网40的标称操作频率相同的分量。滤波的信号在放大器中放大、然后供应到确定放大信号绝对值的绝对值块68。在正常状况(即电网60中无故障)之下，这一绝对值信号为零，或许由于电网60中的噪声以及测量和滤波缺陷约为零。当电网60出现改变(故障)时，绝对值信号将有尖峰。如果该改变持续，则绝对值信号将回落至零或者零附近。因此，将两次检测到典型故障：第一次是当它开始时；然后是当故障自行或者在断路器打开而清除时。

在图4-图8中，以分开的方式示出了增量滤波器控制逻辑44的第一至第六逻辑部分48、50、52、54和56。示出了使用输入和输出连接泡(connect bubble)将在这些部分之间传输的信号连接在一起。各输入连接泡包含功能块的标号或者作为信号来源的其它部件的标号。

现在参照图5，示出了控制逻辑40的第二部分48。对于各相，最大值块70的第一输入连接到绝对值块68的输出，而最大值块70的第二输入连接到存储器块74的输出。最大值块70可操作用以输出它的第一输入和第二输入中的较大输入。用于三相A、B和C的最大值块70的输出连接到开关76的假输入。零值块连接到开关76的真输入。复位信号78被提供到开关76的控制输入。该控制输入(并且因此复位信号78)控制开关76的操作。当复位信号78为真(布尔一)时，开关76的输出设置成真输入(即零)，而当复位信号为假(布尔零)时，开关76的输出设置成假输入、即最大值块70a、70b、70c的输出。开关76的输出分别连接到乘法器块80a、80b、80c的第一输入。乘法器块80a、80b、80c的第二输入连接到用户可以通过HMI 14来设置和修改的衰减信号82。衰减信号82具有范围从约0.5到约0.99的值。通常，衰减信号82具有约为0.97的值。因此，来自开关76的输出信号被减少范围从约1％到约50％的百分比并且特别是减少约为3％的百分比。这些减少的输出信号在下文中称为相衰减信号。

相衰减信号分别输入到存储器块74a、74b、74c。在各相中，存储器块74将衰减信号86延迟一个循环。存储器块74保证捕获来自绝对值块68的绝对值信号中的任何瞬态尖峰。当复位信号78为真时，复位信号78分别复位存储器块74a、74b、74c。复位信号78可以由用户通过HMI 14瞬间地设置成布尔一。

除了被输入到第二逻辑部分48中的存储器块74a、74b、74c之外，相衰减信号还被发送到第三逻辑部分50和第四逻辑部分52。

现在参照图6中所示的第三逻辑部分50。在第三逻辑部分50中，各相衰减信号连接到最大值块88的输入和求和块90的输入。最大值块88可操作用以输出它的输入中的最大输入(即相衰减信号中的最大相衰减信号)，而求和块90可操作用以输出它的输入之和(即相衰减信号之和)。求和块90的输出连接到除法器块92的第一输入。除法器块92的第二输入连接到最大值块88的输出。除法器块92可操作用以将它的第一输入除以它的第二输入(即将相衰减信号之和除以最大相衰减信号)并且输出称为“故障类型”的所得商。故障类型具有在约1.0与约3.0之间的值。当故障类型为1.0时存在一相故障；当故障类型为2.0时存在两相故障；而当故障类型为3.0时存在三相故障或者存在正常状况。由于一个或者多个无故障相中的感应谐波，所以添加容差以更好地区分故障类型。经验上已经确定约1到约1.6的范围将足够捕获单相故障，约1.6到约2.5的范围将捕获两相故障，而约2.5到约3.0的范围将代表三相故障或者正常线路状况。分别使用范围块96、98来实施针对单相故障和三相故障的容差范围。范围块96可操作用以如果故障类型具有范围在0.99到1.6的值则输出布尔一，而范围块98可操作用以如果故障类型具有范围为2.5到3.01的值则输出布尔一。输入97确定范围块96中的容差范围，而输入99确定范围块98中的容差范围。输入97、99可以由用户通过HMI 14来设置和修改。范围块96、98的输出输入到OR块100，该OR块的输出继而连接到NOT块102。以这一方式，如果既无单相故障(来自范围块96的布尔零)也无潜在三相故障(来自范围块98的布尔零)，则确定存在两相故障(即从NOT块102输出布尔一)。

现在参照图7，第四逻辑部分52确定相衰减信号中的最大相衰减信号。大于块104、106和AND块108确定针对相A的相衰减信号是否最大；大于块110、112和AND块114确定针对相B的相衰减信号是否最大；而大于块118、120和AND块122确定针对相C的相衰减信号是否最大。AND块108、114、122产生真/假大于信号，该真/假大于信号是通过开关126的真输入来传播的。开关126的假输入连接到假值(布尔零)。开关126的控制输入连接到范围块96的输出，该输出表明是否已经出现单相故障。如果确定已经出现单相故障，则范围块96的输出为布尔一，而开关126的输出将传播三相中的最大相。

除了被提供到开关126之外，大于信号还被提供到也在图7中示出的第五逻辑部分54的AND块130、132、134、136、138、140。第五逻辑部分54确定相衰减信号中的两个最大相衰减信号。如果针对相A和B的相衰减信号最大，则AND块130则输出布尔一；如果针对相A和C的相衰减信号最大，则AND块132输出布尔一；如果针对相B和A的相衰减信号最大，则AND块134输出布尔一；如果针对相B和C的相衰减信号最大，则AND块136输出布尔一；如果针对相C和A的相衰减信号最大，则AND块138输出布尔一；而如果针对相C和B的相衰减信号最大，则AND块140输出布尔一。来自AND块130-140的输出连接到OR块144、146、148，从而如果针对相A的相衰减信号是两个最大相衰减信号之一，则OR块144将输出布尔一，如果针对相B的相衰减信号是两个最大相衰减信号之一，则OR块146将输出布尔一，而如果针对相C的相衰减信号是两个最大相衰减信号之一，则OR块148将输出布尔一。OR块144、146、148的输出连接到开关150的真输入。开关150的假输入连接到假值(布尔零)。开关150的控制输入连接到NOT块102的输出，该输出表明是否已经出现两相故障。如果确定已经出现两相故障，则NOT块102的输出为布尔一，而开关150的输出分别为OR块144、146、148的输出。

现在参照图8，示出了第六逻辑部分56。第六逻辑部分56组合一相、两相和三相结果。第六逻辑部分56包括OR块154、156、158。OR块154、156、158中的各OR块具有连接到范围块98的输出(表明是有三相故障还是状况正常)的输入、连接到开关126的对应输出(表明对应相在单相故障期间是否处于故障)的输入和连接到开关150的对应输出(表明对应相在两相故障期间是否处于故障)的输入。因此，对于OR块154、156、158中的各OR块，在任何输入的布尔一将在输出产生布尔一，这表明对应相中有故障(或者所有相中状况正常)。

如上所述，如果有三相故障或者正常状况，则范围块98的输出将为布尔一。因此，正常状况将使OR块154、156、158的输出成为布尔一以便区分三相故障与正常状况，OR块154、156和158的输出分别连接到AND块162、164、166的第一输入。AND块162、164、166的第二输入连接到来自通用控制逻辑42的脱扣信号58，该脱扣信号表明通用控制逻辑42是否已经检测到故障。当通用控制逻辑42检测到故障时，脱扣信号58为布尔一。以这一方式，除非通用控制逻辑42也确定已经出现故障，增量滤波器控制逻辑44才会确定已经出现三相故障。

AND块162、164、166的输出可以分别连接到用于相A、B和C的断路器。在AND块162的输出处的布尔一将使得用于相A的断路器脱扣，在AND块164的输出处的布尔一将使得用于相B的断路器脱扣，而在AND块166的输出处的布尔一将使得用于相C的断路器脱扣。

将理解对前述一个或者多个示例实施例的描述仅仅是为了说明而不是穷举本发明。普通技术人员将能够对公开的主题内容的一个或者多个实施例进行某些添加、删除和/或修改而不脱离如由所附权利要求书限定的本发明的实质或者其范围。