专利名称：数字式距离继电器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种数字式距离继电器，在流过负载电流的电力系统中，在故障发生地的电阻发生故障时，提高测量到故障发生地为止的阻抗的距离继电器的测量精度。
在现有的流过负载电流的电力系统中，预先假设在故障发生地的电阻发生故障时所产生的阻抗测量误差，来调整阻抗的方式，在距离继电器方式中被采用。这时，在输电端子处呈现出伴随着前述故障发生地的电阻，阻抗的电抗分量变小的所谓延长动作时间(オ—，バ リ—チover reach)的趋势，相反地，在用电端子处，会呈现电抗分量变大的所谓缩短动作时间(ァングリ—チunder reach)的趋势。
但是，距离继电器的设置端子，并不一定固定在输电端或使用端，实际上，通常要考虑在假定的系统的条件下所能发生的前述误差的最大值，来进行阻抗调整。
图2表示作为本发明的对象的数字式距离继电器的设置情况。在该图中，将经过变流器2从输电线1来的负载电流IL与故障电流I的叠加后的电流(I＋IL)、及经过变压器3将电压V变换到规定的电平，导入到数字式距离继电器中。在该图中的电压V为由到故障发生地为止的输电线阻抗(R＋jX)产生的电压降部分以及由通过故障发生地F的故障发生地电阻RA流过的故障电流I/C(C故障电流的分流比)产生的故障发生地电压VF构成。其关系由下面的公式(1)表示。
V＝R·(I＋IL)＋jX·(I＋IL)＋(VF＝)RA·I/C…(1)(这里，j为复数的虚数单位)在(1)式中，故障发生地的电压VF成为距离继电器的阻抗测量误差的主要原因。(1)式可置换成下面的形式。
V/(I＋IL)＝Zry＝R＋jX＋(RA/C)/(1＋IL/I)…(2)∵ZF＝(RA/C)/(1＋IL/I)＝rf＋jxf在(2)式中，下划线部分的阻抗为阻抗测量误差。其情况示于图3。
在图中，FB相当于(2)式的RA/C，FA为继电器所观察到的故障发生地的阻抗，相当于(2)式中的下划线部分。
此外，FA与FB的大小的比例为|IL/I|，FA与FB的相位差δ表示负载电流相对于故障电流I的超前相位部分。同时，该相位差δ一定、大小|IL/I|变化时继电器所观察到的阻抗Zry的轨迹为图中的圆。它是以线段FB＝(RA/C)为弦，圆周角(π－δ)＝∠FAB为恒定的圆。
图中的继电器所观察到的阻抗测量误差的电阻分量rf、电抗分量xf由下式表示。
Re[V·(I＋IL)*]＝R·|I＋L|^2＋Re[VF·(I＋IL)*]Re[Zry]＝R＋Re[VF·(I＋IL)*]/|I＋IL|^2…(3)Im[V·(I＋IL)*]＝X·|I＋IL|^2＋Im[VF·(I＋IL)*]Im[Zry]＝X＋Im[VF·(I＋IL)*]/|I＋IL|^2…(4)上式的下划线部分为阻抗测量误差(rf＋jxf)。这里，在一般的两个向量A，B之间，在数学上下述关系式成立[A·B*]＝|A|·|B|·exp(j(θ＝θA－θB))Im[A·B*]|A|·|B|·sin(θ)，Re[A·B*]＝|A|·|B|·cos(θ)(这里，*号共轭复数，θ向量A相对于向量B的超前相位)。考虑(3)式、(4)式的数学意义，当相对于用于测量继电器的阻抗的电流，故障发生地电压VF滞后时，xf为负，继电器测量的电抗Xry比到实际故障发生地为止的线路的电抗X小，呈延长动作的形式。反之，当故障发生地电压VF超前时，xf为正，测量值大于线路的电抗，呈现缩短动作的形式。
从以上的说明中可以看出，在负载电流流过的状态下发生伴随有故障发生地的电阻的故障时，测量到故障发生地点为止的阻抗的数字式距离继电器的测量误差，因负载电流的方向及大小，其状况有很大的变化。但实际情况是，从系统的运用状态及假定故障发生地的电阻的大小计算出该测量误差的最大值，通过数字式距离继电器进行调整。
鉴于上述情况，本发明的目的是提供一种数字式距离继电器，在故障发生地的电压相位与流过故障发生地的的故障电流相位基本上相同的条件下，检测出测量距离继电器阻抗的电流与和前述故障发生地电流的相位具有大致相同相位关系的电流的相位差，通过与该相位差连动、逐次决定距离继电器的动作特性，防止距离继电器的延长动作时间和缩短动作时间。
本发明是通过以下技术方案来实现的本发明的数字式距离继电器，在规定的周期内对电力系统的输电线的电压、电流进行取样、根据由电阻，电抗等构成的输电线的线路方程式测量到故障发生地的阻抗，检测是否处于规定的区域内，其特征为，该数字式距离继电器由以下部分构成计算正相序电阻分量Rcal，正相序电抗分量Xcal的第一机构；存储检测出故障的规定时间之前的负载电流的第二机构；提取与流过故障发生地的故障电流的相位具有相等相位关系的电流的第三机构；检测前述第三机构所获得的电流的相位相对于直接计算前述正相序电阻分量、正相序电抗分量的电流的相位滞后还是超前的第四机构；使用在前述第四机构获得的相位关系中与所述两个电流的相位差成比例的值，判断前述距离继电器的动作的第五机构；第六机构，当检测前述第二机构存储的负载电流的流动方向为输送电的方向时，将前述正相序阻抗以规定的电阻分量、电抗分量为基准，判断是否处于规定的区域内的动作特性、和前述第五机构的动作特性的共同的区域作为动作区域；当检测前述第二机构存储的负载电流的流动方向为接受电的方向时，将前述正相序阻抗以规定的电阻分量、电抗分量为基准点，判断是否处于规定的区域内的动作特性与前述第五机构的动作特性中的任何一个的动作区域作为动作区域。
根据本发明，在测量从继电器设置点到故障发生地点的输电线的阻抗，判断其是否处于动作区域内的方法中，在流过负载电流、发生伴有故障发生地点的电阻的故障时，即使产生阻抗测量误差，通过逐次地修正继电器的动作特性修正该测量误差。也能够使继电器正常地进行动作。
本发明的数字式距离继电器，其特征为，前述第三机构的结构为，在发生短路故障时，提取出从发生故障的电流中减去前述第二机构存储的负载电流后的电流；在发生接地故障时，提取出零相序电流。
根据本发明，提取出的电流为与故障发生地点的故障电流相位基本上相同的电流。在短路时将从继电器输入电流中删除负载电流的电流作为与故障电流相当的电流；在发生接地故障时，将零相序电流作为相当于故障电流的电流。
本发明的数字式距离继电器，其特征为，前述第三机构的结构为，在发生短路故障时，将发生故障时的电流与规定的基准电学量的内积值IVpc、外积值IVps除以前述基准电学量的大小|Vp|后所得到的值，分别对内积值、外积值减去将把前述第二机构存储的负载电流与同一时刻M的前述基准电学量的内积值(ILVpc)M及外积值(ILVps)M除以该时刻的前述基准电学量的大小|VpM|以后所得到的值，进行提取，即将电学量{(IVpc)/|Vp|－(ILVpc)M/|VpM|}，{(IVps)/|Vp|－(ILVps)M/|VpM|)提取出来。
根据本发明，在发生短路故障时，将故障发生前的负载电流以故障电流发生前后相位未发生大的变化的正相序电压为基准分成同相分量(内积值)与正交分量(外积值)进行存储，对于发生故障时与负载电流叠加的电流，也以正相序电压为基准计算同相分量与正交分量，对于各个分量从发生故障时的电流中扣除在故障发生前所存储的负载电流分量，将故障发生地点的电流分成与正相序电压同相序的分量和正交的分量提取出来。
本发明的数字式距离继电器，其特征为，前述第四机构的结构为，在发生短路故障时，根据所述的发生故障时的电流与规定的基准电学量的内积值Ivpc、外积值Ivps及电学量{(IVpc)/|Vp|－(ILVpc)M/|VpM|}、{(IVps)/|Vp|－(ILVps)M/|VpM|}，计算出Ipc＝{(IVps)/|Vp|－(ILVps)M/|VpM|}·(IVpc)/|Vp|－{(IVpc)/|Vp|－(ILVpc)M/|VpMI}·(IVps)/|Vp|Ips＝{(IVpc)/|Vp|－(ILVpc)M/|VpM|}·(IVpc)/|Vp|＋{(IVps)/|Vp|-(ILVps)M/|VpM|}·(IVps)/|Vp|通过将电学量Ipc与Ips相对比，检测出前述发生故障时的电流的相位相对于与流过所述的第三机构的故障发生地点的故障电流的相位具有相等的相位关系的电流的相位是滞后还是超前，其中，下划线部分表示发生故障前的负载电流相对于基准电压的同相分量、正交分量。
根据本发明，如果检测出发生短路故障，从测量发生故障时的阻抗的继电器的电流中如下面的公式所示扣除故障发生前的负载电流，计算出与发生故障的地点的电流相当的电流与继电器电流的内积值，外积值，求出如图3所示的FA与FB之间的相位角θ的正切值(tan(θ))。
<内积值>与故障电流相当的电流与继电器测量阻抗时使用的电流(与负载电流的叠加)Ipc＝IF·cos(θ＝θF－θi)＝{IVps)/|Vp|－(ILVps)M/|VpM|}·(IVpc)/|Vp|－{(IVpc)/|Vp|－(ILVpc)M/|VpM|}·(IVps)/|Vp|…(7)<外积值>与故障电流相当的电流与继电器测量阻抗时使用的电流(与负载电流的叠加)Ips＝IF·sin(θ＝θF－θi)＝{(IVpc)/|Vp|－(ILVpc)M/|VpM|)·(IVpc)/|Vp|＋{(IVps)/|Vp|－(ILVps)M/|VpM|}·(IVps)/|Vp|(8)tan(θ)＝Ipc/Ips …(9)通过知道上述关系，可以检测出在发生故障时的电流相对于与流过故障发生地点的故障电流相当的电流的相位是超前还是滞后。
本发明的数字式距离继电器，其特征为，前述第四机构的结构为，在发生短路故障时，通过将直接计算电阻分量、电抗分量的电流和与该电流相位相同的规定时间前的电流的差分电流的外积值与内积值相对比，检测前述发生故障时的电流的相位相对于与流过所述的第三机构的故障发生地点的故障电流的相位具有相同相位关系的电流的相位是滞后还是超前。
根据本发明，当检测出短路故障时，计算出直接计算电阻分量、电抗分量的电流I与规定时间前的电流(相当于负载电流IL)之间的差分电流ΔI＝I—IL(瞬时值)和电流I的内积值、外积值，求出图3所示的FA与FB之间的相位角θ的正切值(tan(θ))。
(ΔI·I)c＝|ΔI·I|·cos(θ)(ΔI·I)s＝|ΔI·I|·sin(θ)tan(θ)＝(ΔI·I)s/(ΔI·I)c…(10)通过知道上述关系，可以检测出发生故障时的电流和与流过故障发生地点的故障电流相当的电流的相位是超前还是滞后。
本发明的数字式距离继电器，其特征为，前述第四机构的结构为，在发生接地故障时，在接地相序的电流ia上加上将零相序电流iO乘以与输电线阻抗的零相序电阻分量和正相序电阻分量之比成比例的值kr所得到的电阻分量零相序补偿电流(kr－1)·iO，得到电流Ir＝(ia＋(kr－1)·iO)进而得到与零相序电流的外积值(IO·Ir)s；在接地相序电流ia上加上将零相序电流iO乘以与输电线阻抗的零相序电抗分量和正相序电抗分量的比值成比例的值kx所得到的电抗分量零相序补偿电流(kx－1)·iO，得到电流Ix＝(ia＋(kx－1)·iO)，进而得到与零相序电流的内积值(IO·Ix)c，将外积值(IO·Ir)s和内积值(IO·Ix)c进行对比，检测前述发生故障时电流的相位相对于和流过所述的第3结构的故障发生地点的故障电流的相位具有相同相位关系的电流的相位是滞后还是超前。
根据本发明，如果检测出接地故障，作为计算出电阻分量、电抗分量的电流，采用在接地相电流ia上加上于零相序电流iO上乘以输电线阻抗的零相序电阻分量与正相序电阻分量之比的比例值kr所得到的电阻分量零相序补偿电流(kr－1)·iO的电流值Ir＝(iO＋(kr－1)·iO)，计算出与零相序电流的外积值(IO·Ir)s，进而，计算出在接地相电流ia上加上零相序电流iO乘以与输电线阻抗的零相序电抗分量与正相序电抗分量之比成比例的值kx所得到的电抗分量零相序补偿电流(kr－1)·iO，计算电流Ix＝(ia＋(kr－1)·iO)与零相序电流的内积值(IO·Ix)c，将前述外积值(IO·Ir)s与内积值(IO·Ix)c相对比，求出图3所示的FA与FB之间的相位角θ的正切(tan(θ))值。
(IO·Ix)c＝|IO·Ix|·cosθ(IO·Ix)s＝|IO·Ix|·sinθtan(θ)＝(IO·Ix)s/(IO·Ix)c…(11)
通过知道上述关系，可以检测出测量到达故障发生地点为止的电阻分量与电抗分量的故障电流Ir，Ix比流过故障发生地点的故障电流iO的相位是超前还是滞后。
本发明的数字式距离继电器，其特征为，前述第五机构的结构为，在发生短路故障时，根据预先设定的电阻分量Rs、电抗分量Xs和所述的第1机构直接计算出的电阻分量Rcal、电抗分量Xcal及所述的电学量Ipc及Ips，判断电抗分量(Xcal－Xs)与电阻分量(Rcal－Rs)之比和前述电学量Ips与电学量Tpc的比值(Tps/Ipc)乘以预先设定的常数所得到的值的大小，在比较的结果为小时进行动作，在比较的结果为大时不动作。
根据本发明，如果检测出短路故障，借助该短路相之间的电学量，分别计算出到达故障地点为止的电阻分量Rcal，电抗分量Xcal，由预先设定的电阻分量Rs，电抗分量Xs与电学量Ips，Ipc，根据下式，对继电器动作进行判断，当满足下式时判断为继电器动作。
Xcal－Xs＜＝{Ips/Ipc}·k·(Rcal－Rs)…(12)(k预先设定的常数)此外，当然也可以用下式替代上式(12)Ipc·(Xcal－Xs)＜＝k·Ipc·(Rcal－Rs) …(13)这里，常数k＝1.0＋ε，其中，当设定为大于图4中所示的θ的计算值时，ε位于＋侧，而当设定为小于θ的计算值时，ε位于一侧。其情况式于图4。
在图4中，FA表示θ的计算值，k＞1.0的实线表示有测量值延长动作的倾向，k＜1.0的实线表示将其设定为有比测量值延长动作时间的倾向。
通过从上述与故障发生地点电流相当的电流及测量继电器的阻抗的电流，计算出它们之间的电流相位角的关系，实时地修正距离继电器的阻抗测量误差。
本发明的数字式距离继电器，其特征为，前述第五机构的结构为，在发生接地故障时，根据预先设定的电阻分量Rs，电抗分量Xs和所述的第1机构直接计算的电阻分量Rcal、电抗分量Xcal以及内积值(IO·Ix)c及外积值(IO·Ir)s，判断电抗分量(Xcal－Xs)与电阻分量(Rcal－Rs)之比和前述内积值(IO·Ix)c与外积值(IO·Ir)s之比((IO·Ir)s/(IO·Ix)c)乘以预先设定的常数所得到的值之间的大小，在比较的结果为小时进行动作，在比较的结果为大时不动作。
根据本发明，在检测出发生接地故障时，借助零相序补偿的电流，分别计算出直到故障发生地点的电阻分量Rcal，电抗分量Xcal，由预先设定的电阻分量Rs，电抗分量Xs以及电学量(IO·Ix)c及(IO·Ir)s根据下式判断继电器的动作，当满足下式时，判断为继电器动作。
Xcal－Xs＝{(IO·Ir)s/(IO·Ix)c}·k·(Rcal－Rs)(15)这里，和常数K＝1.0＋ε一样，设定为比图4所示的θ的计算值大时，ε位于＋侧，当设定为小于θ的计算值时，ε位于一侧。其情况如图4所示。
通过由上述与故障发生地点的电流相当的电流及测量阻抗的电流，计算出它们之间的电流的相位关系，可实时地修正距离继电器的阻抗测量误差。
本发明的数字式距离继电器，其特征为，前述第六机构的结构为，在检测出第二机构存储的负载电流的流动方向为输送电的方向时，根据预先设定的电阻分量Rs、电抗分量Xs及第1机构直接计算出的电阻分量Rcal，电抗分量Xcal，通过电抗分量(Xcal－Xs)与电阻分量(Rcal－Rs)之比与预先设定的常数的大小的比较进行动作判断的结果，及在第五机构进行的判断结果，都为动作时，判定为动作；当检测出第二机构存储的负载电流的流动方向为接受电的方向时，根据预先设定的电阻分量Rs、电抗分量Xs及第1机构直接计算出来的电阻分量Rcal、电抗分量Xcal，通过电抗分量(Xcal－Xs)与电阻分量(Rcal－Rs)之比与预先设定的常数的大小的比较进行动作判断的结果，及在第五机构进行的动作判断结果，在其中的任何一个结果判断为动作时，判断为动作。
根据本发明，在第六机构中，其结构为，在检测出第二机构中存储的负载电流的流动方向为输送电的方向时，如图5所示，把预先设定的电阻分量Rs，电抗分量Xs与数字式距离继电器直接计算出来的电阻分量Rcal，电抗分量Xcal，用电抗分量(Xcal－Xs)，与电阻分量(Rcal－Rs)之比用预先设定的常数α进行动作判断的结果的动作区域，即，图5直线NF的下部区域和第五机构的动作判断结果的动作区，即，图5中直线FM下部区域的共同区域，判定为动作区域，或者，当检测出在第二机构中存储的负载电流的流动方向为用电方向时，由图6所示的预先设定的电阻分量Rs，电抗分量Xs与数字式距离继电器直接计算出来的电阻分量Rcal，电抗分量Xcal，用电抗分量(Xcal－Xs)与电阻分量(Rcal－Rs)之比用预先设定的常数α的大小进行动作判断的结果的动作区域，即，图6中的直线NF的下部区域，以及在第五机构的动作判定结果的动作区域，即，图6的直线FL的下部的区域的两个区域被判定为动作区域，在故障前的负载电流的流动方向，切换动作特性。
本发明的数字式距离继电器，其特征为，前述第六机构的结构为，根据预先设定的电阻分量Rs、电抗分量Xs与第1机构直接计算出来的电阻分量Rcal、电抗分量Xcal，在计算出的电阻分量Rcal小于前述设定值Rs时，通过电抗分量(Xcal－Xs)与电阻分量(Rcal－Rs)的比值与预先设定的常数的大小比较进行动作判断，在前述算出的Rcal大于或等于前述设定值Rs时，采用第五机构的动作判断结果。
以下结合附图详细说明本发明的实施例。
图1、为表示本发明的实施形式的结构图。
图2、表示本发明的数字式距离继电器的设置情况。
图3、为表示作为本发明的对象的阻抗测量的矢量关系的图示。
图4、为将作为本发明的对象的特性表示在R—X平面上的图示。
图5、为将作为本发明的对象的特性表示在R—X平面上的图示。
图6、为将作为本发明的对象的特性表示在R—X平面上的图示。
图7、为本发明的数字式距离继电器的结构图。
图8、为用于说明本发明的第二机构的矢量图。
图9、为用于说明本发明的第三机构的矢量图。
图10、表示用于说明本发明的第三机构的结构图。
图11、为用于说明本发明的第三机构在发生短路故障上的结构的图示。
图12、为用于说明本发明的第四机构在发生短路故障上的结构的图示。
图13、为说明本发明的第四机构的相位关系的矢量图。
图14、为用于说明本发明的第四机构在发生短路故障上的结构的图示。
图15、为说明构成本发明的第三机构的其它实施例的效果的图示。
图16、为说明构成本发明的第三机构其它实施例的构成方法的图示。
图17、一条线接地时的对称分量等效回路。
图18、用于说明本发明的效果的图示。
图19、用于说明本发明的效果的图示。
图20、用于说明本发明的效果的图示。
图21、用于说明本发明的效果的图示。
图22、用于说明本发明的效果的图示。
图23、用于说明本发明的效果的图示。
图7为用于说明本发明的输电线用数字式距离继电器的实施形式的硬件的结构图。在图中，1为作为保护对象的输电线，2为变流器，3为变压器，4为将变流器2的电流输出与变压器3的电压输出进行输入并变换成适当电平的输入变换器。5为分别对从输入变换器4输出的电流、电压输出分别进行取样。并保持取样的保持回路，6为把从取样保持回路5输出的模拟数据的电流、电压输出变换成数字数据的模拟—数字变换回路，7为存储故障前后的数据的存储回路，8为用前述电流、电压数据在规定的周期内进行运算处理，并进行数字式距离继电器动作判断以及进行发送出断路跳闸指令判断的运算回路(CPU)，9为输出作为数字式距离继电器的动作判断结果的I/O接口回路。
图1是表示图7中所示的由运算回路8进行数字式距离继电器10的动作判断的内容的图示。第一机构11利用输电线的线路方程式测量到达故障发生地点的电阻分量Rcal，电抗分量Xcal，其具体的算法的详细例子在文献IEEE Transaction of PowerDelivery，Vol.4，No.4，October 1989 p2025-2031中进行了描述。此外，第二机构12存储故障发生前的电流即故障发生前流过的负载电流。作为该负载电流的大小及相位的存储方法，是将该相的负载电流与该相的基准的正相序电压的内积值和外积值除以正相序电压的大小，其存储方法如下面的公式(16)，(17)所示。
内积值为{|IL|·|Vp|·cos(θL)}/|Vp|＝{(iL/dt)m·vpn－(iL/dt)n·vpm}|Vp|…(16)外积值为{|IL|·|Vp|·sin(θL)}/|Vp|＝{iLn·vpm－iLm·vpn}/|Vp|…(17)θL正相序电压Vp基准的电流超前相位角负载电流IL的瞬时值(时刻tm)iLm，IL的差分值(iL/dt)m
正相序电压Vp的瞬时值，以a相基准为例Vpm＝(vam－vOm)＋j(vbm－vcm)/√3vam，vbm，vcm，voma才目，b才目，c相，零相j与90度超前相位相当的处理。
其关系示于图8。与正相序基准电压同相的分量OA为负荷电流OC(IL)的内积值，正交分量OB为外积值。
第三机构13用于提取与故障发生地点电流相当的电流，是用于提取与图2的故障发生地电流I/C相当的电流的机构。
进而，第四个机构14为检测在第三机构13中提取的与故障发生地点的电流相当的电流及测量数字式距离继电器10的阻抗的电流之间的相位关系的机构。图9表示将测量数字式距离继电器的阻抗的电流Iry作为OA，将与故障发生地点的电流相当的电流工F作为OF时，它们与各个负荷电流IL的关系。由该图的Iry和IF检测出它们之间的相位角θ。
第五机构15是以数字式距离继电器的预先设定的Rs、Xs为基准点，实现以和前述相位θ成比例的倾斜的直线作为动作界限的动作特性的机构。
进而，第六机构为，根据第二机构计算出的内积值判定负载电流为输送电或接受电，在输送电时，通过预先设定的Rs、Xs，将以预先设定的倾斜的直线作为动作界限的动作特性区域和用前述第五机构决定的动作特性区的共同的动作区域作为动作区域，在接受电时，通过预先设定Rs、Xs，以预先设定的倾斜的直线作为动作界限的动作特性区域以及由前述第五机构15决定的动作特性区域的两个区域之和的区域作为动作区域的机构。
图10是对本发明的提取与故障发生地点的电流量相当的电流量的第三机构13的说明图。其结构为，在发生短路故障时，从用于测量数字式距离继电器的阻抗的电流中删除与负载电流相当的故障发生前存储的电流，在发生接地故障时，提取出零相序电流。
图11为在图10所示的短路故障时，以正相序电压为基准，求出故障发生前后的电流的同相分量及正交分量，从发生故障时的电流中的同相分量及正交成分中，分别删除发生故障前的电流的相同成分。这里，以正相序电压为基准，是由于利用了在故障发生前后，正相序电压的相位不发生大的变化的性质。此外，对于这种正相序的性质，在特开平8—19169号公报中已有记载。
图12是用于说明本发明的检测和故障发生地点的电流相当的电流与测量数字式距离继电器的阻抗的电流之间的相位关系的机构的图示。在发生短路故障时，和发生故障的地点的电流相当的电流的正相序电压基准同相的分量IFc、正交分量IFs用下式表示。
IFc＝|IF|·cos(θF)＝{(IVpc)/|Vp|－(ILVpc)M/|VpM|}IFs＝|IF|·sin(θF)＝{(IVps)/|Vp|－(ILVps)M/|VpM|} …(18)(θFIF比正相序电压Vp基准超前的相位)此外，测量数字式距离继电器的阻抗的电流与正相序电压基准同相的分量Iryc、正交分量Irys用下式表示。
Iryc＝|Iry|·cos(θry)＝(IVpc)/|Vp|Irys＝|Iry|·sin(θry)＝(IVps)/|Vp|…(19)(θryIry比正相序电压Vp基准超前的相位)从而，与故障电流相当的电流IF及测量数字式距离继电器的阻抗的电流Try之间的相位差θ＝θF－θry由下面的公式(20)求出。
Ips＝|IF|·|Iry|sin(θF－θry)＝|IF|sin(θF)·|Iry|cos(θry)－|IF|cos(θF)·|Iry|sin(θry)＝{(IVps)/|Vp|－(ILVps)M/|VpM|}·(IVpc)/|Vp|－{((IVpc)/|Vp|－(ILVpc)M/|VpM|}·(IVps)/|Vp|Ipc＝|IF|·|Iry|cos(θF－θry)＝|IF|cos(θF)·|Iry|cos(θry)＋|IF|sin(θF)·|Iry|sin(θry)
＝{(IVpc)/|Vp|－(ILVpc)M/|VpM|}·(IVpc)/|Vp|＋{((IVps)/|Vp|－(ILVps)M/|VpM|}·(IVps)/|Vp|…(20)图13表示上式中θ＝θF－θry与IF及Iry的关系。
图14为用于说明检测测量本发明的数字式距离继电器的阻抗的电流I与相同相序的规定时间前的电流IL的差分电流ΔI的相位关系的机构。此外，电流I与规定时间前的电流IL的瞬时值的关系示于图15。图15的(a)表示，测量数字式距离继电器阻抗的电流的瞬时值I是与故障电流相当的瞬时值iF与负载电流iL的叠加量i＝iF＋11，在故障发生前，其负载电流为iL。图15(b)表示从电流i中扣除故障发生前的负载电流iL的电流。即，与故障发生地点的电流相当的电流。
图16为在发生接地故障时，用于检测作为本发明的数字式距离继电器的阻抗的电流、电阻分量零相序补偿电流Ir与电抗分量零相序补偿电流Ix，及与故障发生地点的电流相当的零相序电流的相位关系的第四机构14的说明图。发生接地故障时的电压V经由输电线的电阻R，电抗X及故障发生地点的电阻RF用下式表示。
V＝R·Ir＋jX·Ix＋RF·IF…(21)这里，IF作为流过故障发生地点的电流，在发生一条线接地的故障时，如图17所示，正相序、反相序、零相序对称分量电流相等。进而，在正相序回路中，负载电流叠加在设置数字式距离继电器的端子的电流上，而零相序回路，则不受负载电流的影响，所以从零相序回路的故障发生地点观察时，两个端子的阻抗角大致相等。因此，流过故障发生地点的零相序电流与输入到数字式距离继电器的零相序电流的相位基本上相等。在这种假设条件下，从上式中可以导出如下的关系成立。Im[V·Ir*]＝X·Im[jIx·Ir*]＋RF·Im[IF·Ir*]Xry＝Im[V·Ir*]/Im[jIx·Ir*]＝X＋RF·Im[IF·Ir*]/Im[jIx·Ir*]Xf＝RF·Im[IF·Ir*]/Im[jIx·Ir*] …(22)Re[V·Ix*]＝R·Re[Ir·Ix*]＋RF·Re[IF·Ix*]Rry＝Re[V·Ix*]/Re[Ir·Ix*]＝R＋RF·Re[IF·Ix*]/Re[Ir·Ix*]rF＝RF·Re[IF·Ix*]/Re[Ir·Ir*] …(23)在上式中，作为相当于故障发生地点的电流IF的电流，采用输入到数字式距离继电器中的零相序电流IO。
推断故障发生地点电阻的阻抗相位角，由下面的公式定义，在R，X平面表示时，其关系如图18所示。tan(θ)＝xF/rF{Im[IF·Ix*]/Im[jIx·Ir*]}/{Re[IF·Ix*]/Re[Ir·Ix*]}＝|Ir/Ix|·sin(θF－θr)/cos(θF－θx)＝(IO/CO·Ir)s/(IO/CO·Ix)c…(24)∵|IF·Ir|·sin(θF－θr)＝Im[IF·Ir*]＝(IO/CO·Ir)s|IF·Ix|·cos(θF－θx)＝Re[IF·Ix*]＝(IO/CO·Ix)c(CO流过零相序电流的继电器设置端子的分流比，假设基本上为实数)这里，如果采用零相序电流IO作为相当于故障发生地点的电流IF，可检测出上述的相位θ。
图19表示使用本发明的电学量Ipc与电学量Ips，对第一机构算出的电阻Rcal、电抗Xcal以及由预先设定的常数Rs、Xs所确定的规定的动作特性进行修正，实现所需的特性的机构的说明图。动作判别式如下式所示，为直线特性。
Xcal－Xs＜k·tan(θ)·(Rcal－Rs)…(25)∵tan(θ)＝Ips/Ipck为预先设定的常数，k＜1的特性为该图中FA所示的直线，k＞1的特性为FB所示的直线特性。
图20为表示使用本发明的电学量(IO·Ir)s及电学量(IO·Ix)c，对由数字式距离继电器直接算出的电阻分量Rcal及电抗Xcal以及预先设定的常数Rs、Xs所确定的规定的动作特性进行修正，实现所需的特性的机构的说明。动作判别式如下式所示，为直线特性。
Xcal－Xs＜k·tan(θ)·(Rcal－Rs)…(26)∵tan(θ)＝(IO·Ir)s/(IO·Ix)ck为预先设定的常数，k＜1的特性为该图中FA所示的直线，k＞1的特性为FB所示的直线特性。
图21为表示本发明的故障发生前流过的负载电流为输送电的方向时，实现动作特性的机构。此外，图22为表示故障发生前流过的负载电流为接受电的方向时，实现动作特性的机构。
图23表示这样一种机构，当第一机构算出的电阻分量Rcal、电抗分量Xcal中的Rcal小于预先设定的Rs时，将所需的动作特性作为下式所表示的图中的C区域，C区域Xcal－Xs＜α·(Rcal－Rs)如果Rcal大于Rs时，所需的动作特性作为下式表示的D区域，来实现动作特性。
D区域Xcal－Xs＜k·tan(θ)·(Rcal－Rs)如上面所说明的，根据本发明，对于把发生故障时流过的负载电流及故障发生地点的阻抗所造成的距离继电器的阻抗电流测量误差，通过逐次根据该误差的大小来修正距离继电器的动作特性，可以实现抑制延长动作时间、缩短动作时间等造成的不正确的动作的数字式距离继电器。
权利要求
1.数字式距离继电器，在规定的周期内对电力系统的输电线的电压、电流进行取样、根据由电阻，电抗等构成的输电线的线路方程式测量到故障发生地的阻抗，检测是否处于规定的区域内，其特征为，该数字式距离继电器由以下部分构成计算正相序电阻分量Rcal，正相序电抗分量Xcal的第一机构；存储检测出故障的规定时间之前的负载电流的第二机构；提取与流过故障发生地的故障电流的相位具有相等相位关系的电流的第三机构；检测前述第三机构所获得的电流的相位相对于直接计算前述正相序电阻分量、正相序电抗分量的电流的相位滞后还是超前的第四机构；使用在前述第四机构获得的相位关系中与所述两个电流的相位差成比例的值，判断前述距离继电器的动作的第五机构；第六机构，当检测前述第二机构存储的负载电流的流动方向为输送电的方向时，将前述正相序阻抗以规定的电阻分量、电抗分量为基准，判断是否处于规定的区域内的动作特性、和前述第五机构的动作特性的共同的区域作为动作区域；当检测前述第二机构存储的负载电流的流动方向为接受电的方向时，将前述正相序阻抗以规定的电阻分量、电抗分量为基准点，判断是否处于规定的区域内的动作特性与前述第五机构的动作特性中的任何一个的动作区域作为动作区域。
2.如权利要求1所述的数字式距离继电器，其特征为，前述第三机构的结构为，在发生短路故障时，提取出从发生故障的电流中减去前述第二机构存储的负载电流后的电流；在发生接地故障时，提取出零相序电流。
3.如权利要求2所述的数字式距离继电器，其特征为，前述第三机构的结构为，在发生短路故障时，将发生故障时的电流与规定的基准电学量的内积值IVpc、外积值IVps除以前述基准电学量的大小|Vp|后所得到的值，分别对内积值、外积值减去将把前述权利要求2所述的第二机构存储的负载电流与同一时刻M的前述基准电学量的内积值(ILVpc)M及外积值(ILVps)M除以该时刻的前述基准电学量的大小|VpM|以后所得到的值，进行提取，即将电学量{(IVpc)/|Vp|-(ILVpc)M/|VpM|}，{(IVps)/|Vp|－(ILVps)M/|VpM|}提取出来。
4.如权利要求1所述的数字式距离继电器，其特征为，前述第四机构的结构为，在发生短路故障时，根据从权利要求3中所述的发生故障时的电流与规定的基准电学量的内积值Ivpc、外积值Ivps及电学量{(IVpc)/|Vp|－(ILVpc)M/|VpM|}、{(IVps)/|Vp|－(ILVps)M/|VpM|}，计算出Ipc＝{(IVps)/|Vp|－(ILVps)M/|=VpM|}·(IVpc)/|Vp|－{(IVpc)/|Vp|－(ILVpc)M/|VpM|}·(IVps)/|Vp|Ips＝{(IVpc)/|Vp|－(ILVpc)M/|VpM|}·(IVpc)/|Vp|＋{(IVps)/|Vp|－(ILVps)M/|VpM|}·(IVps)/|Vp|通过将电学量Ipc与Ips相对比，检测出前述发生故障时的电流的相位相对于与流过前述权利要求1所述的第三机构的故障发生地点的故障电流的相位具有相等的相位关系的电流的相位是滞后还是超前，其中，下划线部分表示发生故障前的负载电流相对于基准电压的同相分量、正交分量。
5.如权利要求1所述数字式距离继电器，其特征为，前述第四机构的结构为，在发生短路故障时，通过将直接计算电阻分量、电抗分量的电流和与该电流相位相同的规定时间前的电流的差分电流的外积值与内积值相对比，检测前述发生故障时的电流的相位相对于与流过前述权利要求1所述的第三机构的故障发生地点的故障电流的相位具有相同相位关系的电流的相位是滞后还是超前。
6.如权利要求1所述的数字式距离继电器，其特征为，前述第四机构的结构为，在发生接地故障时，在接地相序的电流ia上加上将零相序电流iO乘以与输电线阻抗的零相序电阻分量和正相序电阻分量之比成比例的值kr所得到的电阻分量零相序补偿电流(kr－1)·iO，得到电流Ir＝(ia＋(kr－1)·iO)进而得到与零相序电流的外积值(IO·Ir)s；在接地相序电流ia上加上将零相序电流iO乘以与输电线阻抗的零相序电抗分量和正相序电抗分量的比值成比例的值kx所得到的电抗分量零相序补偿电流(kx－1)·iO，得到电流Ix＝(ia＋(kx－1)·iO)，进而得到与零相序电流的内积值(IO·Ix)c，将外积值(IO·Ir)s和内积值(IO·Ix)c进行对比，检测前述发生故障时电流的相位相对于和流过前述权利要求1所述的第3结构的故障发生地点的故障电流的相位具有相同相位关系的电流的相位是滞后还是超前。
7.如权利要求1所述的数字式距离继电器，其特征为，前述第五机构的结构为，在发生短路故障时，根据预先设定的电阻分量Rs、电抗分量Xs和权利要求1所述的第1机构直接计算出的电阻分量Rcal、电抗分量Xcal及权利要求4所述的电学量Ipc及Ips，判断电抗分量(Xcal－Xs)与电阻分量(Rcal－Rs)之比和前述电学量Ips与电学量Tpc的比值(Tps/Ipc)乘以预先设定的常数所得到的值的大小，在比较的结果为小时进行动作，在比较的结果为大时不动作。
8.根据权利要求1所述数字式距离继电器，其特征为，前述第五机构的结构为，在发生接地故障时，根据预先设定的电阻分量Rs，电抗分量Xs和权利要求1所述的第1机构直接计算的电阻分量Rcal、电抗分量Xcal以及权利要求6所述的内积值(IO·Ix)c及外积值(IO·Ir)s，判断电抗分量(Xcal－Xs)与电阻分量(Rcal－Rs)之比和前述内积值(IO·Ix)c与外积值(IO·Ir)s之比((IO·Ir)s/(IO·Ix)c)乘以预先设定的常数所得到的值之间的大小，在比较的结果为小时进行动作，在比较的结果为大时不动作。
9.如权利要求1所述的数字式距离继电器，其特征为，前述第六机构的结构为，在检测出权利要求1所述的第二机构存储的负载电流的流动方向为输送电的方向时，根据预先设定的电阻分量Rs、电抗分量Xs及权利要求1所述的第1机构直接计算出的电阻分量Rcal，电抗分量Xcal，通过电抗分量(Xcal－Xs)与电阻分量(Rcal－Rs)之比与预先设定的常数的大小的比较进行动作判断的结果，及在权利要求7或权利要求8中所述的权利要求1所述的第五机构进行的判断结果，都为动作时，判定为动作；当检测出权利要求1所述的第二机构存储的负载电流的流动方向为接受电的方向时，根据预先设定的电阻分量Rs、电抗分量Xs及权利要求1所述的第l机构直接计算出来的电阻分量Rcal、电抗分量Xcal，通过电抗分量(Xcal－Xs)与电阻分量(Rcal－Rs)之比与预先设定的常数的大小的比较进行动作判断的结果，及在权利要求7或权利要求8中记载的权利要求1所述的第五机构进行的动作判断结果，在其中的任何一个结果判断为动作时，判断为动作。
10.如权利要求1所述的数字式距离继电器，其特征为，前述第六机构的结构为，根据预先设定的电阻分量Rs、电抗分量Xs与权利要求1所述的第1机构直接计算出来的电阻分量Rcal、电抗分量Xcal，在计算出的电阻分量Rcal小于前述设定值Rs时，通过电抗分量(Xcai－Xs)与电阻分量(Rcal－Rs)的比值与预先设定的常数的大小比较进行动作判断，在前述算出的Rcal大于或等于前述设定值Rs时，采用权利要求7或权利要求8中所述的权利要求1所述的第五机构的动作判断结果。
全文摘要
为了防止距离继电器的延长动作时间、缩短动作时间,须根据系统运转状态及假定的故障发生地点的动作的大小计算测量误差的最大值,对数字式距离继电器进行调整。在发生故障地的电压相位与流过故障发生地的故障电流相位大体相同的条件下,检测出测量距离继电器的阻抗的电流和与故障发生地点的电流的相位基本相同的电流的相位差,与该相位差连动、逐次决定距离继电器的动作特性,可防止距离继电器的延长动作时间、缩短动作时间。
文档编号H02H3/40GK1330439SQ01115780
公开日2002年1月9日 申请日期2001年6月28日 优先权日2000年6月28日
发明者黑泽保广, 松岛哲郎, 天羽秀也, 斋藤浩 申请人:东芝株式会社