电网保护的制作方法

电网保护的制作方法
【专利摘要】一种用于保护电网的保护继电器，包括测量（706）网络中的电信号。保护继电器包括：将测量信号转换（706）成测量信号的频域表示；基于频域表示生成（706）测量相量（622E），测量相量的相位旋转与存在于测量电信号中的一个或多个频率分量相关；将测量相量与参考相量（620E）进行比较（714），参考相量的相位旋转基于电网的标称频率或测量频率；以及，如果测量相量和参考相量的比较满足预定标准，则开动（716）保护。
【专利说明】电网保护
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于保护电网、尤其是检测电源损失情况(a loss of mainssituation)的一种方法和一种设备。
【背景技术】
[0002]当将分布式发电装置(DG)连接至电力系统网络并且如果主供电网断开则不允许DG发电机保持连接至网络时，通常需要电源损失(LOM)保护。该情况也称作不期望的孤立运行。
[0003]在正常运行中，当将分布式发电的发电机连接至电力系统网络时,在发电机的端子电压和电磁力之间存在相位差。这在图1中示出，其中电力系统网络/馈电网用附图标记100表示并且分布式发电机系统/网络用附图标记102表示。Em是电磁力，Xd是电抗并且Is?是分布式发电的发电机的电流。Z是网络中的负载阻抗，并且Vm是发电机的端子电压。En^PVm之间的电压降AV可以如(I)计算:
[0004](1) Δ V=Xd * I 发电机
[0005]右侧的矢量表示电压降Λ V如何与Vni和Eni相关。
[0006]图2示出故障情况，其中例如，通过打开变电站开关设备处的断路器来断开供电网(100)，并且DG发电机(102)保持连接至孤立网络。如通过右侧的相量表示所示出的那样，作为增加的电流I 的结果是，电压降获得新的数值。当发生这种情况时，DG发电机102的端子电压Vm突然转变成新的数值。
[0007]在常规的方法中，对端子电压Vm的变化的检测已经通过对所测量的正弦电压信号的连续的半周期的时间间隔进行测量来进行，这在图3中示出。在该方法中，对半周期π间隔的计算从过零检测开始并且以过零检测结束。在图3中，在第三个半周期中出现网络中的故障，由此在π+ΔΘ时刻、而不是在主要时刻π出现信号的过零。
[0008]信号谐波和其他的测量干扰可以容易地引起对测量的误操作。另外的问题是过零处附近的振荡，这在实际中已经要求对信号进行迟滞处理。甚至可以通过存在于信号中的直流分量来防止过零检测。
[0009]在W02011/038756 中公开另一现有技术，这涉及 “Novel protection methodsfor active distribution networks with high penetrations of distributedgeneration, Year II report authored by A.Dyskoj G.Burt and R.Bugdal，June2006，，。其公开基于“方法I”的具有局部延迟电压角信号的频域。在该方法中，将最近且任意延迟第一谐波的过往的fft相量角相减，并且如果差值超过阈值，那么应用保护功能。在W02011/038756中公开的方法具有下述缺点，对电网中的故障情况的指示是缓慢的。这为对网络变化做出反应留下更少的时间，这例如可以导致材料损坏或引起安全危险。
[0010]因此，存在对电网中的改进的电源损失检测的需要。

【发明内容】
[0011]因此，本发明的目的是提供一种保护继电器和一种方法以便减轻上述缺点。本发明的目的通过在独立权利要求中限定的保护继电器和方法来实现。本发明的一些优选的实施方式在从属权利要求中公开。
【专利附图】

【附图说明】
[0012]下面，借助于优选的实施方式参考附上的附图来更加详细地描述本发明，其中
[0013]图1示出在包含供电网和分布式发电机的网络中的已经公开的正常情况；
[0014]图2示出在包含供电网和分布式发电机的网络中的已经公开的故障情况；
[0015]图3示出从在分布式发电机处测量的信号中检测故障情况的已经公开的现有技术的方法；
[0016]图4示出根据本发明的方法的实施方式；
[0017]图5示出频域信号的实例；
[0018]图6不出矢量/相量比较的实施方式；和
[0019]图7示出根据本发明的设备的实施方式。
【具体实施方式】
[0020]图4示出方法的实施方式。该方法应用在包括供电网和连接至供电网的分布式发电机网络的电网中。因此，供电网在此涉及主馈电网，并且分布式发电机网络涉及可以为主网络提供附加电力的子网络。该实施方式涉及下述情况:主网络由于一些原因断开，并且建立网络保护功能，使得分布式发电机网络在主网络的故障情况下同样断开。
[0021]在保护功能方法的步骤400中，测量主网络的电压信号。保护功能的物理位置使得该功能可以测量主网络的电压并且控制子网络的电力馈送。因此，该功能可以是分布式发电机网络功能的一部分，或可以相对于其独立，但是操作地耦联至分布式发电机网络。
[0022]在402中，将电信号采样成采样的连续序列。采样间隔例如可以是每个频率周期32个采样，但没有将实施方式限制于采样的示例性的数量。标称频率周期在此涉及下述时间阶段，电压波完成频域中的完整的相位旋转，这就是说，50Hz信号每秒完成50个频率周期，或每20ms —个周期。
[0023]实值时域信号相应于频域中的复值相量。在404中，从采样序列中连续地生成相量矢量。时间频率转换可以通过应用离散傅里叶变换(DFT)来形成。对于实际原因，DFT可以作为FFT (快速傅里叶变换)执行。通过为采样值使用FFT计算，可能的是，为每个采样建立连续的复矢量值。变换可以在具有例如16个先前采样的移动窗口中执行。这涉及用于标称频率的半周期DFT。替选地，一些其他长度的DFT或频率适配的DFT或其他的时域频域转换(例如，小波转换)可以用于复矢量/相量计算。将时域信号移动至频域相应于对信号的过滤，由此期望有效地移除存在于时域信号中的信号谐波量。
[0024]在406中，基于网络标称频率或测量频率生成旋转参考矢量/相量。在另一个实施方式中，将参考值事先存储在继电器的存储器中并且在要用于比较的执行期间从此读取。当频率是标称的时(50Hz )，例如，可以将参考相量说明成在一秒钟中以恒定速度围绕单位圆旋转50次的矢量。参考相量因此连续地旋转并且同时在计算间隔期间、即基本上在周期或采样间隔期间与测量相量处于一定节拍中。如果参考相量适配于实际网络信号，适配间隔优选长于测量相量的旋转间隔。如果例如测量相量在每作业时间旋转，与参考相量旋转速度相关联的反馈很少更新。通过实例，更新间隔例如可以是一秒钟、一分钟，主要取决于频率测量算法稳定性。
[0025]参考相量适配于所测量的网络频率允许另外的避免相位旋转不准确的可能性。适配间隔可以根据实施方案来选择。在实施方式中，每次采样间隔都测量网络频率，并且相应地调整参考相量。
[0026]在408中，将代表信号谐波的一个或多个相量从频域表示中挑出，所述频域表示具有基波分量(典型地具有最高幅值)和在基波分量周围的一个或多个谐波分量。在实施方式中，仅考虑基波相量用于测量相量和参考相量的相位比较。
[0027]在410中，检查是否在两个相量旋转之间存在失配。预定的标准可以设定成检查失配的量值。标准例如可以是在这两者之间存在10度的相位差值。如果相位差值大于10度，那么可以启动保护措施。
[0028]保护措施可以根据实施方案变化。提及示例性的实施方式，可以在412中实施保护，使得如果10度的差值维持三次连续的测量(采样)，那么触发/跳闸条件才考虑成已经发生。为了将普通的继电器术语应用于该情况，相位差值中第一次10度的超量启动保护功能，并且第三次连续的超量引起操作继电器。如果两次连续的比较指示没有相位差值或很小的相位差值，那么在第一次超量之后可以重置继电器。
[0029]也可以实施对相位差值的迟滞限制。如果例如对于两次连续的测量，差值已经超过10度，那么要求的是，角度差值需要小于8度，使得在其后的第三次采样之后不发生跳闸
/操作。
[0030]在另一个重置实施方式中，当继电器的启动已经发生时，可以观察网络的故障消除。在故障消除观察中，在相位位移指示之后，可以考虑一个或多个谐波分量。例如，如果基波频率是50Hz，那么在150Hz处的三次谐波的幅值可以比作阈值。假设在网络中出现故障时，也在信号中存在强的三次谐波分量。然而，当网络中的故障消失时，三次谐波基本上也从测量信号中消失。
[0031]三次谐波的使用在故障情况中是有利的，因为通过所述方式，能够将信号中的典型地以衰减dc形式的可能存在的直流分量的影响减小。直流分量的频率是OHz并且例如与对于连续的IOOHz或150Hz分量相比对于相邻的50Hz分量产生更大影响。
[0032]检测故障消除的另外的实例是一些其他的谐波相量，例如二次谐波、负相序电压/电流或剩余电压/电流。
[0033]在上述实施方式中，仅讨论电信号中的一个信号分量。然而，作为实际上的系统信号的是三相信号，可以为每个相位分量执行类似的考虑。
[0034]下面的附图更详细示出了步骤的中间结果。
[0035]参考步骤402，在图3中示出发生突然的相位位移的时域(时间对电压)信号的实例。
[0036]参考步骤404，在图5中示出频域信号的实例，其示出具有50Hz基础频率和1600Hz采样率的32点DFT。可以观察到，在信号中存在三个主要分量，即50Hz基波频率和分别在150Hz和250Hz处的三次谐波分量和五次谐波分量。
[0037]图6涉及图4中的步骤408，即将测量相量与参考相量进行比较。前八个参考相量在图6中示出，其中连续实线绘制的相量之间的相互旋转具有360° /32=11.25°的相位位移。如果测量网络频率并且可以检测为是50.5Hz，那么适配于该频率的参考相量可以是相同的，但是相量的旋转速度可以被调整至每秒钟50.5周期旋转。
[0038]在图6中，通过实线箭头620A (看作为参考起始矢量的第一矢量)、620D (第四矢量)、620E (第五矢量)和620G (第七矢量)表示参考相量的不同的位置。在此，假设采样间隔是每周期32次采样，对于50Hz的标称频率指的是1600Hz或对于60Hz的标称频率指的是1920Hz。测量相量通过由时间频率转换产生的连续虚线绘制的相量表示。
[0039]要注意的是，测量信号的幅值的影响在图6中忽略。信号的幅值可以影响虚线的长度，但是幅值在当前的分析中是不重要的，仅对相位位移进行分析。关于幅值的标准主要是幅值必须超过最小限制，以便可靠地确保相位值计算。
[0040]在图6中的前四个采样间隔中，测量相量和参考相量信号一致。只要没有观察到相位位移，测量相量和参考相量就同步地旋转。在图6中，相量同步地旋转直至相位620E,在相位620E处，相量彼此分离。要注意的是，仅在理想情况下，这两个相量代表相同的绝对相位值，但是在一些起始相位的情况下，总是可能移动相量以在单位圆中一致。
[0041]此外，如果标称频率用于参考相量建立，但是实际网络频率不同于标称频率，那么在相量之间存在持续增大的相位位移并且这要在矢量位移指示中进行考虑。这就是说，理想地，测量信号与参考信号620A叠加并且该情况在下面三个参考间隔中是相同的。
[0042]然而，测量相量622E偏差于参考相量620E。该偏差相应于在图3中不出的相位位移，其中对于所给出的正弦信号，起始矢量相位已经为90°。相应的余弦信号起始相位可以为O。。偏差仅为大约4度(并且，因此这在图3中轻微地放大)。在第六测量间隔中，在测量相量和参考相量(相量在附图中没有编号)之间已经存在大约8度的偏差。在下一个间隔中，参考相量620G和相应的测量相量622G之间的差值已经为大约15度。
[0043]如果将相位变化偏差用作为矢量位移指示，要注意的是，第五和第六间隔之间的偏差是4度(8度减4度)并且第六和第七间隔之间的偏差是7度(15度减8度)。
[0044]如果假设启动/跳闸条件可以是绝对偏差不可超过10度，那么测量622G可以启动保护继电器，并且根据操作标准，如果在超过规定的操作时间之前故障没有消失，那么保护继电器将在该时间结束之后操作(跳闸)以及停止将电力从分布式发电机馈送到馈电网。
[0045]存在可以如何构建启动条件的多个替选方案。在另一个实施方式中，启动条件可以基于连续相位的偏差，这就是说，偏差例如不可以超过5度。因此，第七间隔可以引起启动，因为偏差值7超过阈值设定5度。在又一个实施方式中，实际跳闸条件基于操作计数器。操作计数器可以使得如果已经将操作时间设定成三个采样间隔，那么在三个连续测量(采样)间隔期间，偏差不可以超过规定的限制。在图6中，操作计数器因此可以在第七间隔中启动，并且如果偏差在接下来的两次测量中超过规定的限制5度，那么才发生跳闸。类似已经说明的那样，在功能启动之后，也可以存在可用于跳闸的多种跳闸条件。
[0046]通过本发明提供的相位位移的快速指示给予对所发现的相位位移做出反应的时间。没有任何其他检查的立即操作可以是有风险的，从而在操作时间或重置阶段期间可以进行附加的检查。
[0047]尽管该实施方式示出作业周期相量，相量替选地例如可以在采样间隔中、或者通过每个另外的采样来更新。在任何情况下，执行旋转，使得相量在一个周期期间得到多个值。
[0048]图7示出根据本发明的设备的实施方式。设备可以是智能电子装置(IED)，例如保护继电器700。
[0049]保护继电器具有输入单元702，该输入单元将分布式发电机的电压/电流当作为输入。可以为输入信号的三个相位中的每一个执行测量，并且故障发生检测可以触发保护功能。继电器还包括采样单元704，该采样单元对输入信号进行采样。采样间隔可以是每频率周期32次采样或一些其他的适合的采样间隔。
[0050]继电器还包括相量计算单元706，该相量计算单元将采样的时域信号转换成旋转频率相量。例如，频域转换可以借助DFT执行。
[0051]继电器也包括参考信号生成器710，该参考信号生成器可以通过使用网络的例如为60Hz的主要频率来生成旋转参考信号。参考信号的生成在此包括计算参考信号和从装置的存储器中读取参考信号的预定的相位值这两者。
[0052]替选地，参考信号生成器可以根据在继电器中使用的频率测量算法来反馈耦合至采样模块704或计算模块706，并且测量分布式发电机网络信号的频率，并且相应地调整参考相量的旋转速度。调整间隔可以根据实施方案来选择。间隔可以用于每次采样或者更少。
[0053]继电器也包括比较器714，该比较器用于将在单元710中形成的同时旋转参考相量与在计算单元706中确定的测量相量进行比较。直观地，计算可以通过如在图6中示出的单位圆中的矢量/相量比较来说明。实际上，计算可以是数值的。
[0054]比较器可以基于一个或多个比较标准来执行比较并且决定继电器的启动条件是否出现。标准例如可以包括两次连续采样之间的两个矢量之间的偏差的偏差和/或两个矢量之间的绝对偏差。比较可以基于为标准所形成的阈值标准。此外，计时器可以应用于确保满足标准，这就是说，例如可以要求在预定的时间期间出现偏差。
[0055]可以执行迟滞处理。迟滞处理引入低于阈值的裕度。例如，如果角度/相位差值的阈值为10度，那么例如迟滞水平可以设定成8度。通常，当相位值低于阈值10时，可以重置操作控制。然而，借助迟滞处理，9度的值不可以重置控制，但是控制可以采用下一个采样并且考虑控制可以采用何种方式，即开始跳闸或开始重置。
[0056]继电器也包括输出单元716，该输出单元当需要时提供输出信号。典型地，存在保护启动输出端。此外，当满足保护继电器的操作条件时，跳闸/操作输出信号引起分布式发电机网络从馈电网关断。
[0057]继电器也可以包括故障消除检测功能。该功能的目的是检测网络中的故障是否已经消失以及是否可以重置启动(分拣)并且继续/重新开始从子网络中馈电至主网络。故障消除功能可以使用频域表示的一些其他的谐波分量，例如二次谐波或三次谐波。如果这些分量消失或不存在于频域表示中，那么故障被考虑为已经消失。
[0058]根据示例性的实施方式，保护继电器可以包括处理器，该处理器可以是通用处理器，该通用处理器配置成:执行实际记录在永久计算机可读记录介质，例如ROM、硬盘驱动器、光学存储器或闪速存储器上的计算机程序。在该情况下，通用处理器可以配置成:通过执行记录在永久计算机可读记录介质上的计算机程序来执行在此描述的操作功能。根据示例性的实施方式，处理器可以是特定用途处理器，该特定用途处理器特定地配置成:执行在此描述的操作功能。永久计算机可读记录介质可以是保护继电器中的存储驻留和/或以通信的方式连接至保护继电器。要理解的是，图7的方框图中的这些部件分别对应于根据在此描述的本公开的示例性的实施方式的多个“装置”部件。
[0059]对于本领域技术人员显而易见的是，作为技术进步，本发明的观念可以以多种方式实施。本发明和其实施方式不限制于在上面描述的实例，但是可以在权利要求的范围内变化。
【权利要求】
1.一种用于保护电网的保护继电器，包括: 用于测量网络中的电信号的装置(706)； 用于将测量信号转换成所述测量信号的频域表示的装置(706)，其特征在于，所述保护继电器包括: 用于基于所述频域表示旋转测量相量(622E)的装置(706)，所述测量相量的相位旋转与存在于测量电信号中的一个或多个频率分量相关； 用于生成旋转的参考相量的装置，所述参考相量以所述电网的标称频率或测量频率旋转; 用于将旋转的所述测量相量的相位旋转与所生成的旋转的所述参考相量(620E)的相位旋转进行比较的装置(714 )，和 用于如果所述测量相量和所述参考相量的比较满足预定标准则开动保护的装置(716)。
2.根据权利要求1所述的保护继电器，其特征在于，所述预定标准是所述测量相量和所述参考相量之间的偏差的量值，或者是相量之间的两次或更多次连续比较的偏差。
3.根据上述权利要求中的任一项所述的保护继电器，其特征在于，所述保护继电器包括: 用于当满足开动保护的所述预定标准时启动保护功能的装置(716); 用于当满足第二标准时跳闸的装置(716 )。
4.根据权利要求1所述的保护继电器，其特征在于，所述测量相量和所述参考相量基本上在作业间隔或采样间隔中旋转。
5.根据上述权利要求中的任一项所述的保护继电器，其特征在于，所述继电器包括: 用于将一个或多个信号谐波的所述参考相量的相位旋转和所述测量相量的相位旋转进行比较的装置(714)。
6.根据上述权利要求中的任一项所述的保护继电器，其特征在于，所述保护继电器包括: 用于连续地对所述测量信号进行采样并且为每次采样执行至频域的转换的装置(704)。
7.根据上述权利要求中的任一项所述的保护继电器，其特征在于，所述保护继电器包括: 用于通过使用傅里叶变换或小波变换中的一个将所述测量信号转换至频域的装置(706)。
8.一种保护电网的方法，包括: 测量(400)网络中的电信号，其特征在于，具有以下步骤: 将测量信号转换(404)成所述测量信号的频域表示； 基于所述频域表示旋转(404)测量相量,所述测量相量的相位旋转与存在于测量电信号中的一个或多个频率分量相关； 生成旋转的参考相量，所述参考相量以所述电网的标称频率或测量频率旋转； 将所述测量相量的相位旋转与所述参考相量的相位旋转进行比较(408)，以及 如果所述测量相量和所述参考相量的比较满足预定标准，则开动(412)保护。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述预定标准是所述测量相量和所述参考相量之间的偏差的量值，或者是相量之间的两次或更多次连续比较的偏差。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于， 当满足开动保护的所述预定标准时，启动(410,412)保护功能； 当满足第二标准时，进行操作(412)。
11.根据权利要求8至10中的任一项所述的方法，其特征在于，所述测量相量和所述参考相量基本上在采样间隔或作业间隔中旋转。
12.根据权利要求8至11中的任一项所述的方法，其特征在于，将一个或多个信号谐波的所述参考相量的相位旋转和所述测量相量的相位旋转进行比较(408)。
13.根据权利要求8至12中的任一项所述的方法，其特征在于，连续地对所述测量信号进行采样(402)并且为每次采样执行至频域的转换。
14.根据权利要求8至13中的任一项所述的方法，其特征在于，通过使用傅里叶变换或小波变换中的一个将所述测量信号转换(404)至频域。
15.一种计算机程序，其特征在于，所述计算机程序包括计算机程序代码装置，所述计算机程序代码装置配置成:当在计算机中运行所述程序时，执行在权利要求8至14中限定的方法中的任一个的全部步骤。`
【文档编号】H02J3/38GK103636095SQ201280030990
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2012年6月20日 优先权日:2011年6月23日
【发明者】卡里·万哈拉, 彼得里·科伊武拉 申请人:Abb技术有限公司