故障相选择和故障类型确定的方法
本发明涉及一种用于电力线中的故障相选择和故障类型确定的方法,该方法适用于串联补偿和无补偿电力线,适合在电力行业中用于架空和架空电缆输电线或配电线中使用。
电力线中的故障的快速可靠的故障类型确定对于处理电能分配的电力公司以及对于电能的最终用户均极为重要。快速准确的故障类型选择影响电力***保护的质量。用于故障相选择和故障类型确定的部件通常是位于发电站或变电站中的数字保护继电器的一部分。取决于故障类型,在保护继电器中区分和处理不同的电流和电压故障环路。因此,正确的故障类型选择影响保护继电器的最终操作,并且故障类型识别的错误可导致保护继电器的误操作。在美国专利No.4409636中描述了利用故障相选择的保护继电器的一个示例。在这种解决方案中,基于增量的相选择器已知为不会可靠地检测三相故障。它计算最大故障值的百分比,并且然后将其从这些相中减去。如果结果为正值,则该相被检测为出故障。如果为负值,则该相没有出故障。在三相故障中,出故障相之一常常没有达到这个级别,并且该相仍未被检测到。在美国专利No.5390067中描述了用于高阻抗接地故障的单相跳闸的相选择的方法和装置的另一个示例。美国专利No.5390067局限于单接地故障的选择。该方法的应用局限于具有接地中性点的网络。
所述缺点通过分别如权利要求1、2和3所述的方法、装置和计算机程序来克服。
从日本专利申请JP 201192428(公开No.JP2003009381)已知一种用于多端***中的故障相选择的方法。在这种方法中,使用相选择器,其中包括用于计算各输电线的各相的差动电流的第一操作部件、用于基于从第一操作部件所得到的各相的差动电流和故障线路信息来计算故障线路的线路差动电流的第二操作部件、用于确定从第二操作部件所得到的最小值与最大值的比率的第三操作部件、用于在从第三部件所得到的比率小于指定值时判定单相故障已经发生的第四操作部件、用于确定没有构成对较小差动电流的最大值的相中的差动电流相对于构成线路差动电流的最大值的两相的差动电流的比率的第五操作部件、用于在从第五操作部件所得到的比率小于指定值时判定两相故障已经发生的第六操作部件,以及用于在从第五操作部件所得到的比率不小于指定值时判定三相故障已经发生的第七操作部件。一般来说,对于三相故障的选择存在有问题,因为出故障相之一没有达到设定级别。此外,该方法的应用局限于具有接地中性点的网络。
从专利描述US 5783946已知一种用于识别由保护继电器所检测的故障的类型的过程。这个过程包括测量测量输电线的A相、B相和C相导体上的电流波形的故障前和故障后样本。随后计算增量电流DELIA1、DELIB1和DELIC1,其中
DELLIA1=(Iar-Iapr)2-(Iai-Iapi)2
DELLIA1=(Ibr-Ibpr)2-(Ibi-Ibpi)2
DELLIA1=(Icr-Icpr)2-(Ici-Icpi)2
增量电流则用于识别两相-接地故障(two-phase to ground fault)。在计算增量电流中,Iar表示A相电流的实部的故障后值,Iapr表示A相电流的实部的故障前值,Iai表示A相电流的虚部的故障后值,以及Iapri表示A相电流的实部的故障前值。相应地表示B相和C相的值。故障类型通过使用明确逻辑运算符-大于、小于-来估计。
按照本发明,一种在电力线中的故障相选择和故障类型确定的方法利用具有用于故障检测的部件以及用于信号和数据处理的计算机部件的保护继电器,使用故障初始检测和故障相电流信号、故障前电流信号和零序电流的估计,以便接收增量电流信号IAB、IBC、ICA及其最大值Imax的绝对值,由此确定相-相故障的实值指标SA、SB和SC、3相故障的实值指标S3A、S3B和S3C以及接地故障的实值指标SG,该方法还包括下列步骤:
-按照下式来计算所有故障类型指标Fflt的值的最大数:
Fmax=max({Fflt})
其中,下标flt是从1至10的整数,并且表示所有类型故障的一种特定类型,
-确定作为具有最大值的指标Fflt之一的故障类型,这同时以下标flt表示故障的类型为基础来确定故障类型,其中,如果:
flt=1,则存在A相-接地G故障,
flt=2,则存在B相-接地G故障,
flt=3,则存在C相-接地G故障,
flt=4,则存在A相-B相故障,
flt=5,则存在B相-C相故障,
flt=6,则存在C相-A相故障,
flt=7,则存在A相-B相以及-接地G故障,
flt=8,则存在B相-C相以及-接地G故障,
flt=9,则存在C相-A相以及-接地G故障,
flt=10,则存在A相-B相-C相故障,
-在保护继电器(2)或者在连接到保护继电器的部件中呈现实故障类型指标Fmax。
优选地,故障类型指标Fflt的计算按照如下方式实现为实值指标SA、SB、SC、S3A、S3B、S3C、SG的最小值:
按照下式,对于相-接地故障来计算实值指标的组合(SA,SG)、(SB,SG)、(SC,SG)、(S3B,S3C)、(S3C,S3A)、(S3A,S3B)的最小值和实值指标S3A、S3B、S3C之和:
对于A相-接地G故障,F1=min(SA,SG)+min(S3B,S3C)-S3A,
对于B相-接地G故障,F2=min(SB,SG)+min(S3C,S3A)-S3B,
对于C相-接地G故障,F3=min(SC,SG)+min(S3A,S3B)-S3C,
这给出第一组指标F1、F2、F3;
按照下式,对于相-相故障来计算实值指标的组合(SA,SB)、(SB,SC)、(SC,SA)的最小值:
对于A相-B相故障,F4=min(SA,SB),
对于B相-C相故障,F5=min(SB,SC),
对于C相-A相故障,F6=min(SC,SA),
这给出第二组指标F4、F5、F6;
按照下式,将对于相-相-接地故障的先前计算的指标F1-F6之和计算为先前计算的故障类型指标之和:
对于A相-B相以及-接地G故障,F7=F1+F2+F4,
对于B相-C相以及-接地G故障,F8=F2+F3+F5,
对于C相-A相-接地G故障,F9=F3+F1+F6,
这给出第三组指标F7、F8、F9;
按照下式来计算实值指标S3A、S3B、S3C的最小值:
对于A相-B相-C相故障,F10=min(S3A,S3B,S3C),
这给出指标F10。
用于实现如权利要求1-2所述的电力线中的故障相选择和故障类型确定的方法的装置包括:嵌入保护继电器的故障相选择和故障类型确定模块的前置滤波块中的用于电流信号滤波、故障初始时间识别、故障前和故障电流信号确定、增量电流计算以及增量电流信号计算的最大值的部件,还包含:
-在保护继电器中嵌入保护继电器的故障相选择和故障类型确定模块的数据分析块中的用于计算实值指标SA、SB、SC、S3A、S3B、S3C的部件,其中这些指标指示相-相故障和3相故障的数据的组合的最小值并且指示相-接地故障SG的数据的最大值。
-嵌入保护继电器的故障相选择和故障类型确定模块的选择器块中的用于计算作为实值指标的最小值的故障类型指标F1-F10的部件,
-嵌入保护继电器的故障相选择和故障类型确定模块的故障类型判定块中的用于选择故障相以及用于通过计算所有故障类型指标F1-F10的最大值来确定故障类型的部件,
-在保护继电器的信息模块中或者在连接到保护继电器的部件中呈现数据的部件。
计算机程序产品包括计算机程序代码,代码在运行于计算装置时执行如权利要求1-2所述的方法的步骤。
本发明的方法在具有用于故障相选择和故障类型确定的模块的保护继电器中使用。来自电流变压器并且在A/D转换器中转换的实时数字电流信号或者与IEC 61850标准兼容的数字信号通过IEC6185509-2协议或者任何其它通信协议来传送。在这个上下文以及通过优选地与IEC 61850标准兼容的站通信协议的互连中借助于电流仪表变压器CT来转换模拟信号、即测量的相电流信号iA、iB、iC以得到取样离散时间值应当被看作常规技术,并且因此而省略。
本发明涉及一种仅基于电流信号测量的故障相选择和故障类型确定的方法。由于本发明方式,实现故障相的识别的高可靠性。所开发的方法较快,并且甚至对于高阻抗故障也准许以优良可靠性来识别任何类型的故障。通过使用例如最小、最大等软运算符代替明确逻辑运算符大于、小于,来估计故障类型。通过计算实值指标索引,对连续样本来确定判定。所有这些索引是连续实值-而不是逻辑的。所提出方法的主要特征在于用于进行最终判定的新方式。故障类型选择的判定按照较大值指明更可能的选择的方式来调度。
附图示出故障相选择的方法,其中,图1示出相选择的示意***,图2是保护继电器中的相选择的***的本发明部分,图3是用于实现本发明方法的一组步骤。
电流变压器1通过模拟导线链路3或者通过包含边缘单元5的过程通信总线4与保护继电器2连接。具有数据处理单元P的保护继电器2包括A/D转换器6以及功能模块M1、M2、M3、M4的布置,其中模块M1是用于存储从在线测量所传递的数据的缓冲器模块,模块M2是本发明的故障相选择和故障类型确定模块,模块M3是与其它模块连接的计算模块,以及模块M4是用于给出本发明方法的结果的信息模块。在保护继电器2通过通信总线4来连接时,A/D转换器6可放置在边缘单元5中而不是在保护继电器2中。显然,保护继电器包括其它模块,这些模块是保护继电器2的正确操作必不可少的,但在本描述中没有描述且在图1中没有示出。图2所示的故障相选择和故障类型确定模块M2包括前置滤波块B1、数据分析块B2、选择器块B3和故障类型判定块B4。
来自单独相A、B、C的输入数据、即电流信号iA、iB、iC由电流变压器1来测量,并且通过模拟导线链路3来传递给保护继电器2中的A/D转换器6或者传递给边缘单元5中的A/D转换器6,从其中通过通信总线4将数字化电流信号IA、IB、IC传递给保护继电器2。数字电流信号存储在缓冲器模块M1中。在模块M2中由其功能块B1-B4来处理数字电流信号IA、IB、IC,其中使用前置过滤块B1(图2)以已知方式对数据进行滤波,前置滤波块B1的输出与数据分析块B2连接,在数据分析块B2中处理电流信号数据并且计算实值指标。来自前置滤波块B1的电流信号IA、IB、IC由数据分析块B2来获得,其方式是使得没有将它们从这个块中去除,因此它们也可用于保护继电器2的其它模块。B2块的输出与选择器块B3连接,用于故障类型指标确定。最后,在故障类型判定块B4中识别故障类型时,以使得与故障类型有关的信息可用于保护继电器2的其它模块M3和M4的方式将这个信息传送给块B4的输出。
按照本发明的方法按照下列步骤来执行:
步骤1
在第一步骤S1(图3),来自单独相A、B、C的数字电流信号IA、IB、IC,以及附加输入数据,即相-相故障分摊系数CF1、相-接地故障分摊系数CF0以及对被保护线路已知的线路额定电流Ir的RMS值被传递并且存储在保护继电器2的缓冲器模块M1中。
相-接地故障分摊系数CF0描述了预定的系数集合,其值按照实现相-接地故障和相-相-接地故障的良好灵敏度来选择。
一般来说,CF0通过下列关系式来确定:
其中:
3I0w-表示相-接地故障期间的最小检测中性电流信号,
Ir-表示线路RMS额定电流信号,
通常假定CF0>2.0。在本发明的实施例中,将它设置为CF0=2.5。
相-相故障分摊系数CF1描述预定的系数集合,其值按照实现相-相与3相之间以及还与相-相-接地故障之间的良好灵敏度来选择。这些条件确保为下列关系式:
C
F1>3和
在本发明的实施例中,将它设置为C
F1=5.0。
步骤2
随后,在步骤S2,来自单独相的数字电流信号IA、IB、IC使用已知滤波方法之一、例如短窗口傅立叶滤波方法来滤波,以便得到每个单独相A、B、C的数字电流信号的相量值I A、I B、I C。
步骤3
在步骤S3,故障前电流信号IAp、IBp、ICp和故障电流信号I Af、I Bf、I Cf使用内部保护继电器信号-故障初始时间tF来确定。通过一般已知方法,例如基于数值计算电流信号的第一导数的一般已知方法以及将当前电流样本与往回一个周期的电流样本进行比较的循环算法,从数字电流信号的相量值I A、I B、I C的分析来识别故障初始时间tF。
步骤4
在步骤S4,按照下式,对于A、B、C相的每个来确定故障相电流信号的差值ΔI AB、ΔI BC、ΔI CA以及故障前电流信号的差值ΔI ABp、ΔI BCp、ΔI CAp:
ΔI AB=I Af-I Bf
ΔI BC=I Bf-I Cf
ΔI CA=I Cf-I Af
ΔI ABp=I Ap-I Bp
ΔI BCp=I Bp-I Cp
ΔI CAp=I Cp-I Ap
步骤5
在步骤S5,增量电流信号IAB、IBC、ICA的绝对值计算为故障相电流信号的差值ΔI AB、ΔI BC、ΔI CA的绝对值,以及故障前电流信号的差值ΔI ABp、ΔI BCp、ΔI CAp:
IAB=abs(ΔI AB-ΔI ABp)
IBC=abs(ΔI BC-ΔI BCp)
ICA=abs(ΔI CA-ΔI CAp)
随后,增量电流信号的最大值Imx计算为:
Imx=max(IAB,IBC,ICA)
步骤6
随后,在步骤S6,考虑三种类型的数据来确定所有故障类型的实值指标SA、SB、SC、S3A、S3B、S3C、SG:
a)第一类型的数据涉及相-相故障的基于电流的指标,其各相A、B、C的实值指标SA、SB、SC计算为系数x1、x2、x3、xa、xb、xc的最小值:
SA=min(x1,x3,xa)
SB=min(x2,x1,xb)
SC=min(x3,x2,xc)
其中:
x1是计算为x1=CF1xAB-1的系数,
x2是计算为x2=CF1xBC-1的系数,
X3是计算为x3=CF1xCA-1的系数,
xa是计算为xa=1-xBC的系数,
Xb是计算为xb=1-xCA的系数,
Xc是计算为xc=1-xAB的系数,
以及其中:
cF1是在步骤1中传递给缓冲器模块M1的相-相故障分摊系数,
xAB是计算为xAB=IAB/Imx的系数,
XBC是计算为xBC=IBC/Imx的系数,
XCA是计算为xCA=ICA/Imx的系数,
b)第二类型的数据涉及3相故障的基于电流的指标,各3相故障的实值指标S3A、S3B、S3C按照下式计算为系数xBC、xAB、xCA的最小值减去在第一步骤中计算的实值指标SA、SB、SC的结果:
S3A=min(xAB,xCA)-SA
S3B=min(xBC,xAB)-SB
S3C=min(xCA,xBC)-SC
c)第三类型的数据涉及其实值指标SG按照下式来计算的相-接地故障的指标:
SG=max(IG0,(IG1-ΔIm))/Imx
其中:
IG1计算为IG1=CF0abs(3I0),
cF0是在步骤1中传递给缓冲器模块M1的相-接地故障分摊系数,
IG0计算为IG0=IG1-Ir,其中Ir是在步骤1中传递给缓冲器模块M1的线路额定电路RMS值,
ΔIm按照下式计算为故障相电流信号的差值的绝对值的最小值:ΔIm=max(abs(ΔI AB),abs(ΔI BC),abs(ΔI CA))
步骤7
随后,在步骤S7,具有实值指标SA、SB、SC、S3A、S3B、S3C、SG并且使用‘软’运算符作为实值指标的最小值,计算故障类型指标F1-F10以确定故障类型,其方式是:
-按照下式,对于相-接地故障将故障类型指标F1-F3计算为(SA,SG)、(SB,SG)、(SC,SG)、(S3B,S3C)、(S3C,S3A)、(S3A,S3B)的组合的最小值与实值指标S3A、S3B、S3C之和:
对于A相-接地G故障,F1=min(SA,SG)+min(S3B,S3C)-S3A,
对于B相-接地G故障,F2=min(SB,SG)+min(S3C,S3A)-S3B,
对于C相-接地G故障,F3=min(SC,SG)+min(S3A,S3B)-S3C,
-按照下式,对于相-相故障将故障类型指标F4-F6计算为(SA,SB)、(SB,SC)、(SC,SA)的组合的最小值:
对于A相-B相故障,F4=min(SA,SB),
对于B相-C相故障,F5=min(SB,SC),
对于C相-A相故障,F6=min(SC,SA),
-按照下式,对于相-相-接地故障将故障类型指标F7-F9计算为先前计算的故障类型指标之和:
对于A相-B相以及-接地G故障,F7=F1+F2+F4,
对于B相-C相以及-接地G故障,F8=F2+F3+F5,
对于C相-A相以及-接地G故障,F9=F3+F1+F6,
-按照下式,对于3相故障将故障类型指标F10计算为实值指标S3A、S3B、S3C的最小值:
对于A相-B相-C相故障,F10=min(S3A,S3B,S3C)。
步骤8
在下一个步骤S8,故障类型指标F1-F10的所有值的最大值按照下式来计算:
Fmax=max({Fflt})
其中,fit是从1至10的整数值,
以及随后确定具有最大值的故障类型指标(F1-F10),同时以下列项为基础来确定故障类型:
Flt=1用于A相-接地G故障,
flt=2用于B相-接地G故障,
flt=3用于C相-接地G故障,
flt=4用于A相-B相故障,
flt=5用于B相-C相故障,
flt=6用于C相-A相故障,
flt=7用于A相-B相以及-接地G故障,
flt=8用于B相-C相以及-接地G故障,
flt=9用于C相-A相以及-接地G故障,
flt=10用于A相-B相-C相故障。
如果Fmax大于thresF,则表示在故障确定期间或者在故障初始检测中发生错误。
‘thresF’是用于稳定算法并且避免噪声影响的小正阈值。
典型值限制到0<thresF<0.1。
步骤9
在下一个步骤S9中,将模块M1…M4的每个中可用的实故障类型指标Fmax传送给显示器或传送给打印装置,它们与模块之一连接,并且在附图中未示出。将与发生了故障的所选相有关的信息连同与故障类型有关的信息一起呈现给继电器装置2的用户。