CN102636729A - 用于检测接地故障的方法和设备 - Google Patents

Abstract

一种用于检测三相电线上的接地故障的方法和设备，该设备包括：用于基于残余电流和残余电压确定中性点导纳的装置(40)；用于将所确定的中性点导纳与预定工作特性相比较以检测三相电线(30)上的接地故障的装置(40)；以及用于确定残余电流的一个或更多谐波分量和残余电压的一个或更多谐波分量的装置(40)，该谐波分量具有频率n＊fn，使得n≥2且fn是基频；其中，用于确定中性点导纳的装置被适配为使用所确定的残余电流的一个或更多谐波分量的至少之一和所确定的残余电压的一个或更多谐波分量的至少之一来确定中性点导纳。

Description

用于检测接地故障的方法和设备

技术领域

本发明涉及检测电网的三相电线的接地故障。

背景技术

在一些国家中，中性点导纳保护已经变成普通的接地故障保护功能。据报告：与在未接地且补偿的分布网络中的传统的基于残余电流的接地故障保护相比，其提供接地故障检测的提高的效率。J.Lorenc等人的文献Admittance criteria for earth fault detection in substation automationsystem in Polish distribution power networks，CIRED 97，Birmingham，June 1997公开了基于中性点导纳的接地故障保护的实现的实例。

基于导纳的接地故障保护可以基于估计残余电流和残余电压

的基频相矢量之间的商：

${\stackrel{\‾}{Y}}_o={\stackrel{\‾}{I}}_o/-{\stackrel{\‾}{U}}_o$

可选择地，可以通过利用所谓德尔塔量，即由于接地故障产生的残余量的改变来进行导纳计算：

${\stackrel{\‾}{Y}}_o=({\stackrel{\‾}{I}}_{o\_\mathrm{fault}}-{\stackrel{\‾}{I}}_{o\_\mathrm{prefault}})/-({\stackrel{\‾}{U}}_{o\_\mathrm{fault}}-{\stackrel{\‾}{U}}_{o\_\mathrm{prefault}})$

其中，“故障(fault)”表示故障期间的时间，且“故障前(prefault)”表示故障前的时间。

然后，可以将结果与导纳平面上的工作边界相比较。相似于其它接地故障保护功能，导纳保护可以使用U_o过电压条件作为初始故障检测的公共标准。U_o开始的设定值优选应该被设定在网络的最大健康U_o水平之上，从而避免故障开始。

导纳保护可以提供很多有吸引力的特征，诸如对故障电阻的固有免疫性、一般通用适用性、良好的灵敏度和简单的设置原理。然而，在某些情况下，导纳保护的灵敏度可能不是足够好。

在Jozef Lorenc，Kazimierz Musierowicz，Andrzej Kwapisz的文献Detection of the Intermittent Earth Faults in Compensated MV Network，2003IEEE Bologna Power Tech Conference中，提到了利用小波的导纳标准。该方案的缺点在于其专注于间歇的接地故障，因而不适于永久的接地故障。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于实现克服上面的问题或至少缓解该问题的方法的方法和设备。本发明的目的由其特征在于独立权利要求中所记载内容的方法、计算机程序产品和设备实现。在从属权利要求中公开了本发明的优选实施例。

本发明基于这样的思想：或者与基于基频的导纳确定无关地、或者作为基于基频的导纳确定的补充，在中性点导纳确定中使用残余电流的一个或更多谐波分量以及残余电压的一个或更多谐波分量。

本发明的优点在于：相比于谐波存在于电网中时基于基频分量的中性点导纳标准，其可以提供附加的灵敏度。

附图说明

下面，将参考附图以优选实施例的方式对发明进行更详细的描述，在附图中：

图1是例示电网的实例的简化图；

图2是根据实施例的工作特性的实例；

图3是根据实施例的工作特性的实例；以及

图4是根据实施例的工作特性的实例。

具体实施方式

本发明的应用不限于任何特定***，其可以被用于各种三相电***，以检测电网的三相电线上的相接地故障。电线例如可以是馈电线，其可以是高架线或线缆或二者的结合。实现本发明的电力***可以例如是电传输或分布式网络或其部件，且可以包括若干馈电线或零件。此外，发明的使用不限于采用50Hz或60Hz基频的***，或不限于任何特定电压水平。

图1是例示发明可以应用于的电网的简化图。该图仅示出理解发明所必要的部件。示例网络可以是经由包括变压器10和汇流线20的变电站馈电的中压(例如，20kV)配电网。示例网络还包括电线引出线(outlet)，即馈电线，单独地示出其中一个30。除了线30之外，其它可能的馈电线以及其它网络部分被称为“背景网络”。图中还示出位于电线30开始处的保护性继电器(relay)单元40。保护性继电器单元40可以位于变电站内部。请注意：在电网中可能具有任何数量的馈电线或其它网络元件。也可能存在若干馈电变电站。此外，发明可以例如在不具有变压器10的情况下与交换站一起使用。尽管为了清楚起见图中未示出各个相，但网络是三相网络。在图1的示例性***中，发明的功能可以例如位于继电器单元40中。例如，也可以只在继电器单元40的位置处执行一些测量，然后将结果发送到另一位置中的一个或多个其它单元(图中未示出)，以进行进一步处理。换句话说，继电器单元40可以仅仅是测量单元，而本发明的功能、或功能的一部分可以位于一个或多个其它单元中。

可以通过包括例如电流和电压传感器(图中未示出)的适当的测量布置来获得下面实施例中所需的电流和电压值。在大多数现有保护***中，这种值容易得到，从而，各实施例的实现不需要任何附加的测量布置。例如，可以根据相电压确定电网的残余电压，或者通过根据由变压器形成的开放三角形绕组对其进行测量来确定电网的残余电压。可以用合适的电流测量布置在诸如继电器单元40的测量点处确定电线30的残余电流。如何获得这些值与本发明的基本思想无关，而是取决于特定的电学***。

根据实施例，监视三相电线30上的残余电流I_o和电网中的残余电压U_o。此外，根据监视的残余电流和残余电压确定残余电流的一个或更多谐波分量

以及残余电压的一个或更多谐波分量

谐波分量具有频率n＊fn，使得n≥2且fn是基频(对于n＝1，通常例如50Hz或60Hz)。术语“谐波分量”通常指电流或电压信号的、信号的基频fn的整数倍的分量频率。可以从n＝2直到n＝((采样频率)/2)/fn确定谐波分量，其中，采样频率是监视的电流或电压信号的采样频率。可以通过利用离散傅立叶变换(DFT、FFT)来执行谐波分量的确定。

此外，根据实施例，在电网中检测接地故障。可以例如通过与电网相关联的保护性继电器40检测出现在电网中的接地故障，且该检测例如可以基于电网的残余电压U_o的值。然而，检测接地故障的特定方式与本发明的基本思想无关。

在电网中检测到接地故障之后，确定中性点导纳或指示其的量。根据实施例，通过使用残余电流的所确定的一个或更多谐波分量的至少之一以及残余电压的所确定的一个或更多谐波分量的至少之一，来执行中性点导纳或指示其的量的确定。根据实施例，根据一个或更多预定标准来选择用于确定中性点导纳或指示其的量的残余电流的所确定的一个或更多谐波分量的所述至少之一以及残余电压的所确定的一个或更多谐波分量的所述至少之一。从而，可以只选择所确定的残余电流的一个或更多谐波分量

和残余电压的一个或更多谐波分量中的一些来用于中性点导纳的确定。可以基于一个或更多预定标准来执行这种选择。这种预定标准可以相互替代，或它们可以相互补充。下面给出可以单独使用或者作为两个或更多标准的组合使用的可能的标准：

根据实施例，一个或更多预定标准可以包括残余电流的谐波分量和残余电压的谐波分量的最小值。换句话说，可以选择超过预定最小值的残余电流和残余电压的谐波分量。从而，可以选择具有足够振幅的谐波分量。

根据实施例，一个或更多预定标准可以包括对残余电流的谐波分量和/或残余电压的谐波分量和/或残余电流的谐波分量和残余电压的谐波分量之间的比(即，中性点导纳)的稳定性要求。换句话说，可以选择满足预定稳定性要求的谐波分量。稳定性要求可以要求残余电流的谐波分量和/或残余电压的谐波分量和/或残余电流的谐波分量和残余电压的谐波分量之间的比(即，中性点导纳)在预定时间段期间稳定，即，要求预定标准的连续采样或预定标准的预定义采样之间的幅值差和/或相位角差和/或导数差在预定限制内。

根据实施例，一个或更多预定标准可以包括选择具有最高幅值的残余电流的一个或更多谐波分量和/或残余电压的谐波分量的标准。

在上述选择处理中，优选以具有相同阶数的对(例如n＝5)选择残余电流的谐波分量和残余电压的谐波分量，以使得能够确定中性点导纳。从而，如果预定标准只关注残余电流的谐波分量，且如果根据选择标准选择了残余电流的第n个谐波分量，则优选也选择对应的残余电压的第n个谐波分量。且反之亦然，如果预定标准只关注残余电压的谐波分量，且如果根据选择标准选择了残余电压的第n个谐波分量，则优选也选择对应的残余电流的第n个谐波分量。

根据实施例，针对所选择的、残余电流的所确定的一个或更多谐波分量的至少之一和残余电压的所确定的一个或更多谐波分量的至少之一，确定谐波分量n的对应的中性点导纳

可以在可能的选择之前或之后执行谐波分量n的中性点导纳

的确定。从而，即使对所确定的残余电流的一个或更多谐波分量

和残余电压的一个或更多谐波分量

中的每一个，也可以初始地确定谐波分量n的中性点导纳

然后，在可能只选择谐波分量中的一些之后，只利用这些谐波分量n的对应中性点导纳。根据实施例，可以根据下面的等式根据残余电流的谐波分量和残余电压的谐波分量来确定谐波分量n的中性点导纳

${\stackrel{\‾}{Y}}_o^n=\frac{{\stackrel{\‾}{I}}_{o\_\mathrm{fault}}^n}{-{\stackrel{\‾}{U}}_{o\_\mathrm{fault}}^n},$

或者

${\stackrel{\‾}{Y}}_o^n=\frac{{\stackrel{\‾}{I}}_{o\_d}^n}{-{\stackrel{\‾}{U}}_{o\_d}^n},$

其中，

${\stackrel{\‾}{I}}_{o\_d}^n={\stackrel{\‾}{I}}_{o\_\mathrm{fault}}^n-{\stackrel{\‾}{I}}_{o\_\mathrm{pre}-\mathrm{fault}}^n$

${\stackrel{\‾}{U}}_{o\_d}^n={\stackrel{\‾}{U}}_{o\_\mathrm{fault}}^n-{\stackrel{\‾}{U}}_{o\_\mathrm{pre}-\mathrm{fault}}^n$

＝接地故障期间残余电流的第n个谐波分量

＝接地故障之前残余电流的第n个谐波分量

＝接地故障期间残余电压的第n个谐波分量

＝接地故障之前残余电压的第n个谐波分量

可以由***的操作者进行上面两个可替选的用于确定谐波分量n的中性点导纳

的等式之间的选择，或者可以基于一些预定义的标准来进行该选择。

根据实施例，当只选择了残余电流的一个谐波分量和残余电压的一个谐波分量时，将中性点导纳确定为等于根据所选择的残余电流的谐波分量和所选择的残余电压的谐波分量获得的谐波分量n的中性点导纳

即， ${\stackrel{\‾}{Y}}_o={\stackrel{\‾}{Y}}_o^n.$

根据实施例，当选择了残余电流的多于一个谐波分量和残余电压的多于一个谐波分量时，将中性点导纳

确定为等于根据所选择的残余电流的谐波分量和所选择的残余电压的谐波分量获得的谐波分量n的各个中性点导纳

的向量和，即，

例如，如果选择了n＝5和n＝7阶的谐波，则中性点导纳

被确定为等于

根据实施例，当选择了一个或更多残余电流的谐波分量和残余电压的谐波分量时，将中性点导纳确定为等于基频中性点导纳与根据所选择的一个或更多残余电流的谐波分量和残余电压的谐波分量获得的谐波分量n的中性点导纳的和之和，即，

可以通过使用上面可替换的用于确定谐波分量n的中性点导纳

的等式的任一个并设置n＝1来确定基频中性点导纳

根据实施例，一旦如上所述确定了中性点导纳

或指示其的量，将其与预定工作特性相比较以检测三相电线30上的接地故障。根据实施例，当呈现在导纳平面上时，预定工作特性限定工作区域和非工作区域。根据实施例，将所确定的中性点导纳

或指示其的量与预定工作特性相比较以检测三相电线30上的接地故障包括：确定所确定的中性点导纳

或指示其的量是在由预定工作特性在导纳平面上限定的工作区域内部还是外部，以及在确定中性点导纳或指示其的量位于所述工作区域内部时检测到三相电线30上的接地故障。换句话说，如果确定的中性点导纳

或指示其的量在工作区域内，则检测到接地故障在三相电线30上。另一方面，如果所确定的中性点导纳

或指示其的量是在工作区域外部，即在非工作区域内，则未在三相电线30上检测到接地故障。

要使用的预定工作特性取决于使用发明的***。其可以由***的操作者选择。或者，可以例如根据预定标准自适应地自动选择。

根据实施例，当仅通过使用谐波分量n的中性点导纳

来确定中性点导纳

时，即或可以使用图2中所示的工作特性。图2中所示的工作特性包括电纳B的阈值水平，而电导G没有限制。工作区域在电纳B的设定阈值水平之上。

根据实施例，当通过使用基频中性点导纳与谐波分量n的中性点导纳的和之和，即

来确定中性点导纳

时，在未接地网络的情况下，可以使用图2的工作特性。

根据实施例，在补偿网络中，通过使用基频中性点导纳与谐波分量n的中性点导纳的和之和，即来确定中性点导纳

时，可以使用图3或图4的工作特性。图3的工作特性包括电纳B和电导G二者的阈值水平。在图4的工作特性中，电导G具有两个阈值水平以及由角α和β定义的两个斜坡。可以例如基于补偿线圈的并联电阻器的电导和代表背景网络的损失的电导来确定电导G的较高阈值水平。电导G的较低阈值水平可以例如是基于IED(Intelligent Electronic Device，智能电子器件)的最小可测量电导。由角α和β定义的斜坡被用来在测量的电纳具有低值时将工作区域最大化，然后在测量到较高幅度的电纳时增加非工作区域。这种特性提供保护的安全性和灵敏度之间的最优折衷。电纳B的设定阈值水平可以是基于IED的最小可测量电纳。在存在位于电线30上的分布的线圈的情况下，可以基于在电线30具有其最小配置且分布的线圈被连接时出现的最大可能过补偿情况进行该设定。请注意：图2、3和4中所示的工作特性只是可能的工作特性的实例。可以代替使用其它种类的工作特性。

根据上述实施例中任一个或它们的结合的设备可以作为配置为实现各种实施例的功能的单个单元或两个或更多单元来实现。这里，术语“单元”一般地指物理或逻辑实体，诸如物理装置或其一部分或软件例程。一个或更多个这些单元可以例如驻留在保护性继电器单元40中。

根据实施例中任一个的设备可以通过例如与适当软件一起提供的计算机或相应数字信号处理设备来实现。这种计算机或数字信号处理设备优选至少包括：提供用于算术运算的存储区域的工作存储器(RAM)和中央处理单元(CPU)，诸如通用数字信号处理器。CPU可以包括一组寄存器、算术逻辑单元和控制单元。控制单元由从RAM传送到CPU的程序指令序列控制。控制单元可以包含许多基本操作的微指令。微指令的实现可以依据CPU设计而变化。可以通过编程语言对程序指令进行编码，编程语言可以是诸如C、Java等的高级编程语言，或诸如机器语言或汇编程序的低级编程语言。计算机还可以具有可以对用程序指令写的计算机程序提供***服务的操作***。实现本发明的计算机或其它设备还优选包括：合适的输入装置，用于接收例如测量和/或控制数据，该输入装置从而使得能够进行例如电流和电压量的监视；以及输出装置，用于输出例如故障警报和/或控制数据，例如用于控制诸如开关、断开装置和电路断路器的保护设备。还可以使用用于实现根据实施例中任一个的功能的一个或多个特定的集成电路和/或离散部件和器件。

本发明可以在诸如各种保护性继电器或相似装置的现有***元件中来实现，或者通过集中式或分布式地使用分离的专用元件或装置来实现。诸如保护性继电器的电气***的当前保护性装置通常包括可以在根据本发明实施例的功能中利用的处理器和存储器。因此，例如在现有保护性装置中实现本发明实施例所需的所有变型和配置可以作为软件例程来执行，该软件例程可以被实现为增加的或更新的软件例程。如果通过软件来实现本发明的功能，则可以作为包括计算机程序代码的计算机程序产品提供该软件，当在计算机上运行该计算机程序代码时，使得计算机或相应布置执行上述根据本发明的功能。这种计算机程序代码可以被存储或通常被包含在诸如适当的存储器装置的计算机可读介质上，例如闪速存储器或盘存储器，程序代码被从其加载到执行该程序代码的一个或多个单元。另外，这种实现发明的计算机程序代码可以例如经由合适的数据网络加载到执行该计算机程序代码的一个或多个单元，且其可以替代或更新可能现有的程序代码。

本领域技术人员将会了解，随着技术进步，可以以各种方式实现本发明的概念。本发明及其实施例不限于上述实例，而可以在权利要求书的范围内变化。

Claims (18)

1.一种用于检测电网的三相电线上的接地故障的方法，所述方法包括：

监视所述三相电线(30)上的残余电流和所述电网中的残余电压；

检测所述电网中的接地故障；

基于所述残余电流和所述残余电压确定中性点导纳或指示其的量；以及

将所确定的中性点导纳或指示其的量与预定工作特性相比较，以检测所述三相电线(30)上的接地故障，其特征在于，所述方法包括：

确定所述残余电流的一个或更多谐波分量和所述残余电压的一个或更多谐波分量，该谐波分量具有频率n＊fn，使得n≥2且fn是基频；

其中，使用所确定的所述残余电流的一个或更多谐波分量的至少之一和所确定的所述残余电压的一个或更多谐波分量的至少之一来执行所述中性点导纳或指示其的量的所述确定。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

将所确定的中性点导纳或指示其的量与预定工作特性相比较以检测所述三相电线(30)上的接地故障包括：

确定所述中性点导纳或指示其的量是在由所述预定工作特性在导纳平面上限定的工作区域内部还是外部；以及

在所述中性点导纳或指示其的量被确定为在所述工作区域内部时，检测到所述三相电线上的接地故障。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，根据一个或更多预定标准来选择用于确定所述中性点导纳或指示其的量的、所确定的所述残余电流的一个或更多谐波分量的至少之一和所确定的所述残余电压的一个或更多谐波分量的至少之一。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述一个或更多预定标准包括：针对所述残余电流的谐波分量和所述残余电压的谐波分量的最小值。

5.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于，所述一个或更多预定标准包括：对所述残余电流的谐波分量和/或所述残余电压的谐波分量和/或所述残余电流的谐波分量和所述残余电压的谐波分量之间的比的稳定性要求。

6.根据权利要求3、4或5所述的方法，其特征在于，当选择所述残余电流的一个谐波分量和所述残余电压的一个谐波分量时，所述中性点导纳被确定为等于根据所选择的所述残余电流的谐波分量和所选择的所述残余电压的谐波分量获得的谐波分量n的中性点导纳。

7.根据权利要求3到6中任一个所述的方法，其特征在于，当选择所述残余电流的多于一个谐波分量和所述残余电压的多于一个谐波分量时，所述中性点导纳被确定为等于根据所选择的所述残余电流的谐波分量和所选择的所述残余电压的谐波分量获得的谐波分量n的各中性点导纳之和。

8.根据权利要求3、4或5所述的方法，其特征在于，当选择所述残余电流的一个或更多谐波分量和所述残余电压的谐波分量时，所述中性点导纳被确定为等于基频中性点导纳与根据所选择的所述残余电流的一个或更多谐波分量和所述残余电压的谐波分量获得的谐波分量n的中性点导纳之和的和。

9.一种包括计算机程序代码的计算机程序产品，其中，所述程序代码在计算机中的执行使所述计算机执行根据权利要求1到8中任一个的方法的步骤。

10.一种用于检测电网的三相电线上的接地故障的设备，所述设备包括：

用于监视所述三相电线(30)上的残余电流和所述电网中的残余电压的装置(40)；

用于检测所述电网中的接地故障的装置(40)；

用于基于所述残余电流和所述残余电压确定中性点导纳或指示其的量的装置(40)；以及

用于将所确定的中性点导纳或指示其的量与预定工作特性相比较、以检测所述三相电线(30)上的接地故障的装置(40)，其特征在于，所述设备包括：

用于确定所述残余电流的一个或更多谐波分量和所述残余电压的一个或更多谐波分量的装置(40)，该谐波分量具有频率n＊fn，使得n≥2且fn是基频；以及

所述用于确定中性点导纳或指示其的量的装置被适配为使用所确定的所述残余电流的一个或更多谐波分量的至少之一和所确定的所述残余电压的一个或更多谐波分量的至少之一来确定中性点导纳或指示其的量。

11.根据权利要求10所述的设备，其特征在于，

所述用于将所确定的中性点导纳或指示其的量与预定工作特性相比较以检测所述三相电线(30)上的接地故障的装置(40)包括：

用于确定所述中性点导纳或指示其的量是在由所述预定工作特性在导纳平面上限定的工作区域内部还是外部的装置；以及

用于在所述中性点导纳或指示其的量被确定为在所述工作区域内部时检测到所述三相电线(30)上的接地故障的装置。

12.根据权利要求10或11所述的设备，其特征在于，所述设备包括：用于根据一个或更多预定标准来选择用于确定所述中性点导纳或指示其的量的、所确定的所述残余电流的一个或更多谐波分量的至少之一和所确定的所述残余电压的一个或更多谐波分量的至少之一的装置(40)。

13.根据权利要求12所述的设备，其特征在于，所述一个或更多预定标准包括：针对所述残余电流的谐波分量和所述残余电压的谐波分量的最小值。

14.根据权利要求12或13所述的设备，其特征在于，所述一个或更多预定标准包括：对所述残余电流的谐波分量和/或所述残余电压的谐波分量和/或所述残余电流的谐波分量和所述残余电压的谐波分量之间的比的稳定性要求。

15.根据权利要求12、13或14所述的设备，其特征在于，当由所述用于选择的装置选择所述残余电流的一个谐波分量和所述残余电压的一个谐波分量时，所述用于确定中性点导纳的装置被适配为将所述中性点导纳确定为等于根据所选择的所述残余电流的谐波分量和所选择的所述残余电压的谐波分量获得的谐波分量n的中性点导纳。

16.根据权利要求12到15中任一个所述的设备，其特征在于，当选择所述残余电流的多于一个谐波分量和所述残余电压的多于一个谐波分量时，所述用于确定中性点导纳的装置被适配为将所述中性点导纳确定为等于根据所选择的所述残余电流的谐波分量和所选择的所述残余电压的谐波分量获得的谐波分量n的各中性点导纳之和。

17.根据权利要求12、13或14所述的设备，其特征在于，当选择所述残余电流的一个或更多谐波分量和所述残余电压的谐波分量时，所述用于确定中性点导纳的装置被适配为将所述中性点导纳确定为等于基频中性点导纳与根据所选择的所述残余电流的一个或更多谐波分量和所述残余电压的谐波分量获得的谐波分量n的中性点导纳之和的和。

18.根据权利要求10到17中任一个所述的设备，其特征在于，所述设备包括保护性继电器(40)。

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