专利名称：电路保护系统的制作方法
技术领域：
本发明主要涉及配电系统，尤其涉及一种用于电路保护系统的方法和装置，为整个系统提供动态区域保护。
背景技术：
在配电系统中，电力分配给不同的负载并且一般分成支路，从而给规定负载提供电力。支路也能与其他配电设备相连。
我们都知道，当考虑系统的异常电力情况，也就是故障时，采用电路保护装置或电力开关装置，例如，电路断路器，来保护电路。电路断路器设法防止和减小损害并且通常能自动操作。电路断路器也设法减小了在故障情况下停电的范围和持续时间。
我们也知道，打开和关闭这些电路断路器是基于配电系统结构内的静态定义的保护区。当前的保护系统采用基于这些静态定义区的电气特性的算法，通过运用布置在保护的静态定义区的电路断路器来清除故障。
这种当前的系统没有考虑到配电系统的状态的改变、拓扑或结构，例如电路断路器的打开或闭合而导致的潮流的变化。保护系统对配电系统状态的动态变化的不适应将导致不正确算法的应用和电力控制设备的不必要的功能，这些都是基于保护区域内的错误的静态的状态。这样就增加了对系统产生破坏的危险性，比如，不能及时切除故障。这也降低了系统的效率，比如，通过不适时的电路断路器的打开和多余的跳闸，并增加了在故障情况下的停电的范围和持续时间。
相应地，需要将电路保护系统引入配电系统当中，这样可以降低配电系统的故障损坏危险性和增加配电系统的效率。对于保护系统而言，有更进一步的要求，这就是能够在配电系统发生变化时改变保护的区域并考虑区域内变化的状态。对保护系统来说还有一个要求，即提供最优的保护而不牺牲选择性。
发明内容
一方面，提供了一种保护电路的方法。这种方法包括监视电路保护的区域以决定最初的拓扑，至少部分基于最初的拓扑变化而调整保护区域的区域保护功能，以及在保护区域执行区域保护功能。
另一方面，提供了一种保护电路的方法，这种方法包括监视电路以决定最初的拓扑，并至少部分基于最初的拓扑变化来为至少部分电路定义保护区域。
再一方面，提供了耦合到具有电路断路器的电路的保护系统。所述系统包括一种通过通信方式与电路耦合的控制处理单元。所述控制处理单元监视电路的拓扑。所述控制处理单元至少部分基于拓扑来为至少部分电路定义保护区域。所述控制处理单元至少部分基于拓扑变化来重新定义保护区域。
还一方面，提供了一种与具有保护区域和电路断路器的电路相耦合的保护系统。所述保护系统包括一种通过通信方式与电路耦合的控制处理单元。所述控制处理单元监视保护区域的拓扑。所述控制处理单元至少部分基于拓扑来为保护区域调整区域保护功能。所述控制处理单元执行区域保护功能以检测保护区域中的故障。
又一方面，提供了一种配电系统，所述配电系统包括电路和控制处理单元。所述电路具有电路断路器、电源和负载。所述控制处理单元与电路通过通信方式耦合。所述控制处理单元决定线路的拓扑。所述控制处理单元至少部分基于拓扑来为至少部分电路定义保护区域。所述控制处理单元至少部分基于拓扑变化来重新定义保护区域。
又一方面，提供了一种配电系统，所述配电系统包括电路和控制处理单元。所述电路具有保护区域、电路断路器、电源和负载。所述控制处理单元与电路通过通信方式耦合。所述控制处理单元监视保护区域的拓扑。所述控制处理单元至少部分基于拓扑来为保护区域调整区域保护功能。所述控制处理单元执行区域保护功能以检测保护区域中的故障。
从下述详细的说明、附图和所附的权利要求，本领域的技术人员将会知道和理解本发明的上述和其他的特征及优点。
图1是配电系统的示意图。
图2是图1的配电系统一个模块的示意图。
图3是图1的保护系统的响应时间。
图4是多个电源配电系统的示意图。
图5是具有发生在馈线1电路断路器下游的故障的图4所示系统的一部分的示意图。
图6是具有发生在主线1电路断路器下游的故障的图4所示系统的一部分的示意图。
图7是具有打开或者跳闸状态的连络线电路断路器的图4所示系统的一部分的示意图。
图8是具有打开或者跳闸状态的主线电路断路器2的图7所示系统的一部分的示意图。
图9是具有第一保护区域的图4所示系统的一部分的示意图。
图10是具有第二保护区域的图9所示系统的一部分的示意图。
图11是具有第一保护区域和不同拓扑的图9所示系统的一部分的示意图。
具体实施例方式
现在参考附图尤其是图1，配电系统的具体的实施例通常如附图标记10所示。系统10通过许多或多个电力开关设备或电路断路器14，从至少一个电力母线12向支路16分配电力。
电力母线12是通过具体实施例进行说明，该三相电力系统具有第一相18、第二相20和第三相22。电力母线12也包括一个中性相(未示出)。系统10的说明是为了澄清从电力母线12通过四个断路器14向四个电路16分配电力。当然，通过本发明可以想到，电力母线12有任意所需数量的相和/或系统10有任意所需数量的电路断路器14和电路断路器的任意拓扑，例如，串联、或并联、或其他组合。
每一个电路断路器14有一组可以分离的触头24(示意说明)。触头24选择性地将电力母线12与至少电路16的一个负载(也示意说明)相连。负载可以包括设备，比如，但不限于，电动机、电焊机、计算机、加热器、照明设备，和/或其他电气设备。
图1说明配电系统10，具有一个中央控制的和完全集成的保护、监视和控制的系统26的具体的实施例(后面称“系统”)。系统26是配置来通过一个中央控制处理单元28(后面称“CCPU”)控制和监视配电系统10。CCPU 28与许多或多个数据采样和传输模块30(以后称“模块”)通过一个数据网络32进行通信。网络32对从所有模块30来的所有的信息实际上同时传递给CCPU 28。
这样，系统26能够包括保护和控制方案，所述方案考虑在一个或者全部电路断路器14处的电气信号的值，比如电流的幅值和相位。更进一步，系统26将配电系统10中的单个断路器14的保护、控制和监视功能集成于一个单独的、中央化的控制处理器(比如CCPU28)。系统26通过在网络32上与模块30和电路断路器14的数字通信，将可利用的所有同步的信息集合传递给CCPU28，并基于所述完整的数据集合为CCPU提供操作这些设备的能力。
尤其是，CCPU28为配电系统10执行所有的主要配电功能。即，CCPU28可能执行一些或者全部的瞬时过电流保护(IOC)、短时过电流保护、长时过电流保护、继电保护和逻辑控制，也可以是系统26的数字信号处理功能。这样，系统26可以改变设定，并可以将数据记录在一个单独的、中央位置，也就是CCPU28。在这里CCPU28是用一个中央处理单元的方式来描述的。当然，通过本发明可以考虑CCPU28包括任意的可编程电路，比如，但不限于，计算机、处理器、微控制器、微型计算机、可编程逻辑控制器，专用集成电路，和其他可编程电路。
如图1所示，每一个模块30与电路断路器14当中的一个进行通信。每一个模块30也至少与一个传感器34通信，所述每一个传感器检测母线12上/或电路16上的每一相上(比如，第一相18，第二相20，第三相22，和中线)的电力的状况或电气参数。传感器34可以包括电流互感器(CT)、电压互感器(PT)、和它们的任意组合。传感器34监视电路16的输入功率的状况或电气参数，并提供代表功率状况的第一或者参数信号36给模块30。例如，传感器34可以是电流互感器，电流互感器产生正比于电路16电流的二次侧电流，使得第一信号36就是二次侧电流。
模块30发送一个或多个第二信号38给电路断路器14和/或从电路断路器14接收一个或多个第二信号38。第二信号38可以代表断路器14的一个或多个状况，比如，但不限于，可分离触头24的一个位置或者状态、一个触发加载开关状态、一个闭锁状态或情况、以及其他。另外，模块30被配置成通过向断路器发出一个或多个第三信号40来操作或动作电路断路器14，以此来按需要打开/关闭可分离触头24，比如开/关命令或信号。在第一个实施例中，电路断路器14不能打开触头24，除非由系统26指示可以这么做。
系统26利用数据网络32来从模块30进行数据获取和与模块进行数据通信。相应地，网络32被配置得能在CCPU28和模块30之间提供所需水平的通信容量和业务管理。在具体实施例中，网络32可以被配置成不能在模块30之间进行通信(也就是，没有模块与模块之间的通信)。
另外，系统26可以配置成能够提供一个一致的故障响应时间。在这里的使用中，系统26的故障响应时间定义为当故障状况发生的时间与模块30向相关的断路器14发出跳闸命令的时间之间的差。在具体实施例中，系统26的故障响应时间小于60Hz波形的一个周期。例如，系统26可以具有大约3毫秒的最大故障响应时间。
网络32的结构和操作协议配置成可以提供前面所述通信容量和响应时间。例如，网络32可以是具有图1所示的星型拓扑的以太网。在具体实施例中，网络32是一个全双工的网络，具有通常由除去和/或禁止的以太网使用的冲突检测多路存取(CSMA/CD)协议。再者，网络32是一个为避免冲突的可切换的以太网。
在所述结构中，网络32提供了至少是大约100Mbps(兆位每秒)的数据传输速率。例如，数据传输速率可以是大约1Gbps(吉位每秒)。另外，CCPU28与模块30之间通过网络32的通信可以进行管理以优化网络32的使用。例如，网络32可以通过调整一个或者多个消息的大小、消息的频率、消息的内容和/或网络速度来进行优化。
再者，网络32提供的响应时间包括计划的通信、固定的消息长度、全双工操作方式、和避免冲突的交换机，以至于所有消息都在下一组消息计划到达以前被移到CCPU28中的存储器中。这样，系统26可以在一个中央位置和以集中的方式执行所需的控制、监视、和保护功能。
需要认识到的是上述的数据网络32是通过具有特殊结构、拓扑、和数据传输协议的以太网为例子进行描述的。当然，本发明考虑了任何能够保证所需传输容量和一致的故障响应时间以满足执行所需功能的数据传输网络的使用。具体实施例在CCPU28和模块30之间获得了子周期传输的时间和全部采样数据，以便用与传统设备相关的精度和速度，为多模块执行所有配电功能。
CCPU28可以相互依赖地执行支路保护、区域保护和继电器保护，因为所有的系统信息在一个中心位置，即CCPU。另外，CCPU28能对中心位置的系统信息执行一个或多个监视功能。因此，系统26提供了一个现有系统没有考虑的相关并且集成的保护、控制和监视方法。例如，系统26以低成本和系统易安装的方式来集成并协调负载管理、馈线管理、系统监视和其他系统保护功能。
模块30的一个具体实施例如图2所示。模块30包括微处理器42、数据总线44、网络接口46、电源48和一个或多个存储设备50。
电源48配置成从第一电源52和/或第二电源54接收功率。第一电源52可以是一个或多个不间断电源(未示出)、多个电池(未示出)、电力母线(未示出)和其他电源。在图示的实施例中，第二电源54是从传感器34获得的二次电流。
电源48配置成从第一和第二电源52、54提供功率56至模块30。例如，电源48可以提供功率56至微处理器42、数据总线42、网络接口44和存储设备50。电源48也配置成提供第四信号58至微处理器42。第四信号58示出哪个电源提供功率至电源48。例如，第四信号58可以指出电源48是接受来自第一电源52、第二电源54、还是来自第一第二电源两者的功率。
网络接口46和存储设备50通过数据总线44与微处理器42进行通信。网络接口46能够与网络32连接，这样微处理器42能与CCPU28进行通信。
微处理器42接收第一信号36和第二信号38的数字显示。第一信号36是由传感器34采集的连续的模拟数据，而第二信号38是来自断路器14的离散模拟数据。因此，从模块30传至CCPU28的数据是实际电压、电流和设备状态的数字显示。例如，第一信号36可以是电路16中指示电流和/或电压的模拟信号。
相应地，系统26通过网络32向CCPU28提供实际的原始参数或离散的电气数据(例如，第一信号36)和设备物理状态(例如，第二信号38)，而不是由比如跳闸单元、仪表或继电器的设备所采样、产生和存储的处理的累计信息。所以，CCPU28具有用以做决定的完整的、原始的全系统范围的数据，并且因此可以在网络32上基于信息操作任何一个或全部断路器14，所述信息来自于和常驻在CCPU28的控制及保护算法的所需一样多的模块30。
模块30包括信号调节器60和模拟-数字转换器62。第一信号36由信号调节器60调节，并通过A/D转换器62转换成数字信号64。因此，模块30采集第一信号36，并提供代表第一信号原始数据的数字信号64至微处理器42。例如，信号调节器60可以包括改善第一信号36信噪比的滤波电路(未示出)、放大第一信号的增益电路(未示出)、移位第一信号至一个预定的范围的水平调整电路(未示出)、易于将第一信号传递至A/D转换器62的阻抗匹配电路(未示出)以及有关的任何组合。进一步，A/D转换器62可以是具有来自微处理器42或由微处理器42控制的时钟电路68以便于易于数字信号64的同步的外部转换起动信号66的采样保持转换器。
希望来自于系统26中所有模块30的数字信号64实质上同时被采集。尤其希望来于系统26中所有模块30的数字信号64实质上代表配电系统10中同时刻的瞬时功率。
模块30的采样数字信号64至少部分基于如图1所示的同步信号或指令70。同步指令70可以由CCPU28中的内部或外部同步时钟72产生。同步指令70通过网络32同时从CCPU28至模块30进行通信。同步时钟72在正则区间发送同步指令70至CCPU28，所述CCPU28在网络32中发送指令至所有模块30。
模块30使用同步指令70修正常驻的采样协议。例如，每一个模块30可以在微处理器42中有一个常驻的同步算法。微处理器42中的常驻同步算法可以是软件锁相环算法。软件锁相环算法部分基于来自CCPU28的同步指令70来调整模块30的采样周期。因此，CCPU28和模块30在系统26中一起工作，以确保来自系统中的所有模块的采样(例如，数字信号64)是同步的。
相应地，系统26配置成部分基于同步指令70从模块30采集数字信号64，以使数字信号代表同时刻的情况，比如彼此在预定的时间窗口内。这样，CCPU28可以在配电系统10中有一组代表每个监视位置(如，模块30)状态的精确数据。预定的时间窗口可以少于大约10微秒。例如，预定的时间窗口可以是大约5微秒。
系统26的预定的时间窗口可以被网络32的端口到端口可变性所影响。在具体实施例中，网络32有大约24纳秒至大约720纳秒范围的端口到端口的可变性。在另一个实施例中，网络32最大有大约2微秒的端口到端口的可变性。
已经确定，通过系统26控制所有模决30至所述预定的时间窗口使得在通过模块、带有坐标数据的系统波形捕获、正确的事件记录和其他特征时的测量和矢量函数获得理想的精度水平。在具体实施例中，理想的精度水平等于传统设备的精度和速度。例如，大约10微秒的预定时间窗口为测量和矢量函数提供了大约为99％的精度。
从每一个电路断路器14至每一个模块30的第二信号38示出了电路断路器的一种或多种情况。第二信号38提供给模块30的离散I/O电路74。电路74与电路断路器14和微处理器42进行通信。电路74配置成确保来于电路断路器14的第二信号38以理想电压并且没有跳动而提供至微处理器42。例如，电路74可以包括去反弹电路和多个比较器。
微处理器42采样通过CCPU28同步的第一和第二信号36、38。然后，转换器62将第一和第二信号36、38转换成数字信号64，所述数字信号64通过微处理器42打包至具有理想结构的第一消息76。第一消息76可以包括指示符，所述指示符指示第一信息响应哪个同步信号70。这样，第一信息响应的所述同步信号70的指示器返回到CCPU28以识别采样时间。
CCPU28通过网络32从每一个模块30接收第一消息76，并且对送到所有第一信息的数据执行一个或多个保护和/或监视算法。基于来自一个或多个模块30的第一消息76，CCPU28可以控制一个或多个电路断路器14的操作。例如，当CCPU28检测到来自一个或多个第一消息76的故障时，CCPU通过网络32发送一个第二消息78至一个或多个模块30，比如打开或关闭命令或信号、或电路断路器动作或不动作的命令或信号。
响应第二消息78，微处理器42产生第三信号40操作或动作(例如，打开触头24)电路断路器14。电路断路器14可以包括不止一个操作或动作机构。例如，电路断路器14可以包括并联跳闸装置80和磁保持螺线管82。微处理器42配置成发送第一输出84以操作并联跳闸装置80和/或第二输出86以操作螺线管82。第一输出84指示功率控制模块88提供第三信号40(例如，功率)至并联跳闸装置80，所述并联跳闸装置能分离触头24。第二输出86指示门电路90提供第三信号40至螺线管82(例如，磁通换向器)以分离触头24。要指出的是，并联跳闸装置80需要提供第一电源52，而螺线管82能在只提供电源54时操作。通过这种方式，微处理器42能够在响应特定条件下，比如，例如，检测到的过电流，而不论第一和第二电源52、54的状态如何时，操作电路断路器14。相应地，可以提供一个闭锁设备，所述闭锁设备可操作地连接于电路断路器14。
除操作电路断路器14之外，模块30可以与一个或多个本地输入和/或输出设备94通信。例如，本地输出设备94可以是模块状态指示器，比如可视或可听指示器。在一个实施例中，设备94是光射二极管(LED)，配置成与模块30的一个状态通信。在另一个实施例中，本地输入设备94可以是手动操作一个或多个模块30部分的状态修正按钮。在又一个实施例中，本地输入设备94是与模块30本地通信的模块界面。
相应地，模块30通过CCPU同步适应采样来自传感器34的第一信号36。模块30然后按照需要将第一和第二信号36、38的数字表示(例如，数字信号64)，以及其他信息打包到第一消息76中。来自所有模块30的第一消息76通过网络32发送到CCPU28。CCPU28处理第一消息76并产生并将控制每一个电路断路器14的操作的指令存储到第二消息78中。CCPU28发送第二消息78至所有的模块30。在具体实施例中，CCPU28响应同步指令70发送第二消息78至所有的模块30。
相应地，系统26能基于从单独断路器来的信息、或结合从系统26的一个或者多个其他断路器的信息控制每一个电路断路器14。在正常的操作条件下，系统26在CCPU28执行所有的监视、保护和控制决定。
由于系统26的保护和监视算法常驻在CCPU28内，这些算法能够实现而不需要电路断路器14或模块30的硬件或软件改变。例如，系统26可以包括一个数据入口设备92，比如人机界面(HMI)，与CCPU28通信。在所述实施例中，常驻在CCPU28内的保护和监视算法的一个或多个属性和函数能够很容易地从数据入口设备92得到修正。这样，电路断路器14和模块30能够较可能带有电路断路器/跳闸单元的现有系统更标准化。例如，需要超过一百个独立电路断路器/跳闸单元以提供配电系统保护通常所需的全范围尺寸。然而，由系统26能够实现的电路断路器14和模块30的一般性质能减少这个数字超过60％。因而，系统26能够解决现有配电系统的库存问题、更新能力问题、设计延迟问题、安装延迟问题以及成本问题。
应该认识到，系统26如上所述具有一个CCPU28通过单一的网络32与模块30通信。然而，本发明所公开的系统26考虑采用冗余的CCPU26和网络32，如图1的剖视图所示。例如，如图2所示的模块30具有两个网络接口46。每个界面46配置成通过一个独立的数据网络32有效地连接模块30至一个独立的CCPU28。通过这种方式，系统26即使在假设一个冗余系统故障时仍会保持其操作性。
模块30可以进一步包括一个或多个备用系统用以控制断路器14独立于CCPU28。例如，系统26可能无法保护电路16假设第一电源52电力中断、当CCPU28最初启动时、假设网络32故障、以及其他的原因。在这些故障条件下，每一个模块30包括一个或多个备用系统以确保至少一些保护提供给电路断路器14。备用系统可以包括一个或多个由第二电源54驱动的模拟电路、由第二电源54驱动的一个独立的微处理器、以及其他。
现在参考图3，示出了一个系统26的响应时间95在系统稳定操作时的具体实施例(例如，不是操作在启动方式)。所示响应时间95从T0开始至T1结束。响应时间95是采样时间96、接收/生效时间97、处理时间98、传输时间99和解码/执行时间100的总和。
在这个实施例中，系统26包括24个模块30，每一个模块连接至不同的电路断路器14。每一个模块30通过锁相环算法和同步指令70规定进程，按照前述的每周期128的采样速率以采样其第一信号36。采样时间96包括四个每个大约0.13ms的采样间隔101。这样，用于数据采样和包装成第一消息76的采样时间96大约为0.27ms。
接收/生效时间97最好在接收同步指令70后一个固定的时间延迟启动。在具体实施例中，接收/生效时间97是一个固定时间，体现在，例如，由数据网络32的反应时间决定的接收所有第一消息76所需的时间。例如，当每一个第一消息76的大小为大约1000位、系统26包括24个模块30(例如24,000位)以及网络32以大约100Mbps操作时，接收/生效时间97可以是大约0.25ms。相应地，CCPU28管理通信并在接收/生效时间97期间移动第一消息76至CCPU。
不管第一消息76的接收如何，保护处理(例如，处理时间98)在固定的接收/生效时间97的尾端开始。如果任何模块30没有送出第一消息76，CCPU28标记这个错误并且执行所有具有有效数据的功能。由于系统26对保护和控制多个模块30负责，CCPU28配置成当由于从一个单一模块30来的数据丢失(例如，第一消息76)时不停止整个系统。在具体实施例中，处理时间98大约为0.52ms。
CCPU28在处理时间98期间产生第二消息78。第二消息78可以是24秒消息(例如，每个模块30为1秒)，每一个具有每模块大约64位大小。可替代地，本发明考虑第二消息78为一个单一的、多点播或广播信息。在该实施例中，第二消息78包括对每一个模块30的指令并具有大约1600位的大小。
传输时间99是在网络32中传输第二消息78的必需时间。在所述实施例中，当网络32操作在大约100Mbps、第二消息78大约1600位时，传输时间99大约是0.016ms。
同样考虑了第二消息78包括一部分同步指令70。例如，CCPU28能配置成从时钟72接收下一个同步指令70时发送第二消息78。在所述实施例中，连续的第二消息76间的间隔能通过模块30测量，并且第二消息中的同步信息，如果有，能被常驻在微处理器42内的同步算法使用。
一旦模块30接收第二消息78，每一个模块，如果有，于解码/执行时间100，解码该消息并执行其指令(例如，发送第三信号40)。例如，解码/执行时间100可以是大约0.05ms。
在所述实施例中，响应时间95大约为1.11ms。当然，应该认识到，系统响应时间95可以基于系统26的需要加速或减速。例如，系统响应时间95能通过改变一个或多个采样周期、每一传输中的采样数、模块30的数量、信息的大小、消息频率、信息的内容和/或网络的速度来调整。
本发明的公开考虑系统26具有响应时间95最大到大约3ms。这样，系统26配置成从时间传感器34检测超出设定参数的情形到打开任何一个电路断路器能在大约3ms内。
参考图4，示出了通常提及的多电源、多层配电系统如附图标记105所示的具体实施例，其特征与图1中用同样附图标记提及的特征相似。系统105的作用如上述图1至3关于具体实施例所述，并除了为多电源、多层的结构外包括同样的特征。系统105通过配电母线150从至少一个功率馈线112，在所述实施例中为第一和第二功率馈线，分配功率至许多或多个电路断路器14，并至许多或多个负载130。CCPU28可以包括一个数据传输设备140，比如，例如，CD-ROM驱动器或软盘驱动器，用于从媒介145，比如，例如，CD-ROM或软盘，读取数据或指令。
电路断路器14被设置为分层的、多层或多等级的结构，并具有电路断路器的第一层110和电路断路器的第二层120。当然，任何层数或结构的电路断路器14都能被使用于系统105。电路断路器14的层结构为电路断路器提供的第一层结构110是第二层结构120中电路断路器的上游。一旦系统105出现功率异常情况，例如，故障，保护系统26试图通过故障上游最近的电路断路器14尝试清除故障以调整系统。离故障最近的电路断路器上游的电路断路器14仍保持关闭，除非所述下游电路断路器不能清除故障。保护系统26能对系统105功率的任何异常情况或参数都能执行，比如，例如，长时、短时或瞬时过电流或者对地过电流。
为了在上游电路断路器打开之前，给离故障最近的电路断路器14提供足够的时间来尝试清除故障，上游电路断路器在调整或动态延迟时间时提供一个打开命令。上游电路断路器14在该电路断路器打开之前流逝的修正的动态延迟时间时提供一个打开命令。在具体实施例中，用于打开上游电路断路器14的修正的动态延迟时间是基于系统105故障的位置。最好是，用于打开上游电路断路器14的修正的动态延迟时间是基于与电路断路器和/或其他设备和系统105的拓扑有关的故障位置。
保护系统26的CCPU28依赖于在潮流层检测故障的位置在修正的动态延迟时间提供打开命令，用于整个配电系统105的上游电路断路器14，并且用于打开每一个这些电路断路器的修正的动态延迟时间能遍及一个无限大的范围。保护系统26减少了清除故障的时间，因为CCPU28为上游电路断路器14在修正的动态延迟时间(其是基于故障位置的最优时间周期)时提供打开命令。与采用现有的系统相比较，采用保护系统26可发现在故障的清除时间上减少了大约50％。
参考图5，示出了配电系统105的保护区域595的具体实施例。区域595具有一个带有馈线1CB420和馈线2CB425上游的主线1电路断路器(CB)的两层电路，所述馈线相互平行。潮流是从变压器412通过主线1CB415、馈线1CB420和馈线2CB425至负载431、432。一旦故障X在馈线1CB420和负载431之间发生，故障的存在和故障的位置如前所述的方式由CCPU28决定，并且如图中附图标记450所表示。故障X上游最近的电路断路器，例如，馈线1CB420，被CCPU28置于“始动方式”并且在被打开前等待预定的延迟时间。打开主线1CB415(在故障X上游的下一个最近的电路断路器)的修正的动态延迟时间由区域选择互锁(ZSI)程序426所决定。在具体实施例中，ZSI程序426是一种算法，或类似物，由CCPU28基于从配电系统10采样的数据执行。CCPU28决定打开任何数量的上游电路断路器14的动态延迟时间，并提供在动态延迟时间打开电路断路器的打开或动作命令。
在具体实施例中，主线1CB415的修正的动态延迟时间由预定义的延迟时间和馈线1CB420的清除时间的总和决定。预定义的延迟时间被设定成最好地为负载431工作。电路断路器，如馈线1CB420的清除时间，依赖于电路断路器的类型。打开主线1CB415的延迟时间基于由CCPU 28决定的值来修正，如图中附图标记475所表示。这允许在主线1CB415打开之前馈线1CB420有最优时间使馈线1CB420清除故障X。由ZSI程序426决定的修正的动态延迟时间降低了对系统105的潜在危害。修正的动态延迟时间也增加了系统105的效率，这是通过延迟主线1CB415的打开最优的时间段，为下游电路断路器，馈线1CB420提供有充分的机会清除故障X，这样其他负载，如负载432，仍能接收功率。
参考图6，示出了在主线1CB415和馈线1CB420或馈线2CB425之间发生故障X的配电系统105的区域595。在以上所描述的方式中，决定了故障的存在和位置，如图中附图标记480所示意表示。由于只有主线1CB415能清除故障X，ZSI程序426不修正打开主线1CB的动态延迟时间，主线1CB将以预定的延迟打开，所述预定的延迟通常远远短于前述两实施例的动态时间延迟。
CCPU28通过促使离故障最近的电路断路器14清除故障来调整保护系统26。保护系统26可变地调整打开上游电路断路器14的动态延迟时间来为下游离故障最近的电路断路器提供后备保护。一旦下游离故障最近的电路断路器14不能清除故障，下一个上游电路断路器将试图用基于其修正的动态延迟时间的最小的附加延迟来清除故障。如图6所示，当故障发生在主电路断路器和馈线电路断路器之间，例如，主线1CB415和馈线1CB420之间，主线1CB打开的最小延迟减少了通过的能量。这减少了系统的压力、危害和操作和服务人员潜在的弧能暴露，同时还可以保持选择性。在具体实施例中，保护系统26和CCPU28允许ZSI程序的执行去修改打开系统105中的任何电路断路器14的动态延迟时间，而不需要每一个电路断路器与其他每一个之间的附加线路耦合。CCPU28向上游电路断路器14提供打开命令，以使其在与ZSI程序决定的动态延迟时间打开。
在具体实施例中，ZSI程序426在CCPU28中执行，并与每一个模块30的独立的保护功能进行相互作用，这也在CCPU中决定。ZSI程序426也可以为电路断路器14使用预先设定的清除时间，或者电路断路器的清除时间由CCPU28在实际硬件的基础上决定，这些是CCPU知道的。CCPU28有效地知道配电系统105的拓扑，这就允许CCPU在无限的时间范围内打开电路断路器14。
参考图7，示出了由连络CB700耦合的配电系统105具有第一两层电路分支490和第二两层电路分支790的部分。在这个电路中，CCPU28在电路分支490和电路分支790分别定义第一和第二保护区域895、896。一旦发生故障，保护系统26独立地对每个电路分支490、790执行ZSI程序426，如上关于图5和图6的两层电路分支所述。
参考图8，随着主线2CB715打开和连络线CB700关闭，配电系统105的拓扑改变发生。CCPU28基于这个拓扑的改变重定义保护区域。CCPU28建立一个第三保护区域995。区域995是在电路断路器的第三等级或第三层具有馈线3CB720和馈线4CB725三层电路。所有电路断路器的状态，包括主线2CB715和连络线CB700，是CCPU28所知道的，如图附图标记450所示意表示。一旦在馈线1CB420或馈线2CB425的下游的第一电路分支490发生故障(未示出)，ZSI程序426会修正打开主线1CB415的动态延迟时间，如上关于图5所述。
在具体实施例中，在CCPU28中执行的保护功能，包括ZSI程序426，都是以电路断路器14的状态信息或状态以及电流为基础的。通过使用保护系统26，状态信息为CCPU28所知。状态信息与配电系统105的电流和电压同步。CCPU28有效地知道配电系统105的拓扑，并利用状态信息来跟踪系统的拓扑变化。CCPU28和ZSI程序426利用配电系统105的拓扑信息来优化供电和保护。
当然，本发明考虑配电系统105有任意数量的分层或级，和任意的分支电路结构。打开故障上游任意数量的电路断路器14的动态延迟时间可以象上面描述的一样，根据故障位于潮流分层结构中的位置进行修正。另外，保护的区域和动态延迟时间在配电系统105改变的时候可以变化。在另一个实施例中，ZSI程序426可以在其他因素的基础上利用不同的算法修正打开上游电路断路器14的动态延迟时间。保护系统26允许在任何数量的因素的基础上，包括故障位置，打开整个配电系统105中电路断路器14的延迟时间的动态改变。保护系统26也允许上游电路断路器14进入始动模式，该模式是下游电路断路器14的故障电流和始动设定的函数，并与其自身的电流和始动设定相反。
图1到图8的实施例描述了ZSI程序426在CCPU28中的执行。但是本发明考虑打开电路断路器14的动态延迟时间的使用和/或ZSI程序426的使用可以采用另外的方式执行，比如，例如，在CCPU28管理的分布控制系统或者有对等通信的分布控制系统。在这种分布控制系统中，打开上游电路断路器14的延迟时间将可以修正为动态延迟时间，和/或至少部分基于故障在潮流分层结构中的位置。上游电路断路器14的动态延迟时间也可以决定并传递给上游电路断路器和/或与断路器相联的可运转的电路断路器执行器。
保护系统26通过网络32从配电系统10的多个点向中央控制处理单元28提供同步的、实时的每个采样数据。系统26可以通过应用在采样数据上的算法为配电系统10执行区域保护。如果确定是必要的话，可以产生一个命令，通过网络32传递来引起电路保护设备的动作，比如，例如，电路断路器14、开关、或其他潮流控制设备。系统26也提供功率设备的实时的状态，比如，例如，打开或关闭的状态、完好性以及执行功能的有效性。这些信息对于实时监视配电系统10和这里的保护区域的状态或拓扑是重要的。功率开关设备的打开或关闭状态有效地定义了配电系统10的潮流状态或拓扑。
在具体实施例中，保护系统26可以为配电系统105的保护区域执行动态区域保护功能。系统26的动态运行以及其调整区域保护功能的能力，包括，但不限于，算法和/或与算法有关的系数，考虑保护区域和整个电路中的拓扑改变。
参考图9，示出了配电系统105的一部分，具有第一两层电路分支1090和第二两层电路分支1091，两者通过连络线CB 1070相连。连络线CB 1070处于打开位置。第一保护区域1095基于配电系统105的状态、拓扑或结构由CCPU 28定义。状态或拓扑是指配电系统105中的各种电力设备的结构，例如，电力开关设备，比如，例如，电路断路器14，它根据它们的实际状态，如开或关，控制潮流。区域1095包括主线1CB 1015、馈线1CB 1020、馈线2CB 1025和连络线CB 1070。主线2CB 1016、馈线3CB 1021和馈线4CB 1026由CCPU28定义为不是区域1095的成员，但可以是另一个区域的成员(未示出)。在图9所示的区域1095的状态中，该状态作为采样数据的结果被CCPU28所认识，主线1CB 1015是功率源，馈线1CB1020是功率接收器，馈线2CB 1025是功率接收器。连络线CB 1070既不是功率源，也不是功率接收器，因为它处于打开位置。
区域1095的区域保护功能可以通过上面所述的与保护系统26和CCPU28相联实现。这样的区域保护功能的例子是母线差动保护。在下面叙述的母线差动保护的应用中，本发明考虑所有种类的区域保护功能的应用，比如，例如，变压器差动、接地故障或区域选择性互锁。这里所描述的母线保护功能仅仅是系统26的动态运行以及其在保护区域内适应拓扑改变和适应整个配电系统105的拓扑改变的一个例子。
母线差动保护通过判断是否在区域1095具有不能穿越区域的残余电流来监视故障。这个判断可以通过将从功率源进入区域1095的功率与从功率接收器流出的功率相加来判断。残余电流的存在可以指示区域内的故障，比如，例如，一相对地的故障，一相对中性点的故障或者相对相的故障，而且可以保证通过区域1095的电流的中断以限制配电系统105内的损害。
以一相为基础，母线差动函数可以由式(1)定义ir＝□i功率源-□i功率接收器(1)这里ir是残余电流。CCPU28基于ir超过门槛值来判断故障的存在。将式(1)用于图9中的区域1095，可得到式(2)定义的母线差动函数ir＝imain-1(ifeeder-1+ifeeder-2) (2)其中，imain-1为主线1CB1015的电流，ifeeder-1为馈线1CB1020的电流，ifeeder-2为馈线2CB1025的电流。如果ir达到或超过门槛值，那么CCPU28可以应用电路断路器算法，比如，例如，瞬时、固定延时或反时、或其他保护算法，来确定电路断路器的跳闸时间，并最好是也触发跳闸。
如果配电系统105的结构由于闭合连络线CB1070(图10中画出)而引起变化，那么连络线CB将是区域1095的功率接收器。再将式(1)应用于连络线CB1070现在处于闭合状态的区域1095，可得到式(3)定义的母线差动函数ir＝imain-1(ifeeder-1+ifeeder-2+itie) (3)其中，imain-1为主线1CB1015的电流，ifeeder-1为馈线1CB1020的电流，ifeeder-2为馈线2CB1025的电流，itie为连络线CB1070的电流。CCPU28具有所有能同时为它所用的设备状态的信息，如所有电流信息。基于配电系统105的状态或拓扑，以及尤其是连络线CB 1070闭合时的区域1095内的状态或拓扑，CCPU28可以应用式(3)确定区域内的残余电流。CCPU28的同时具有如电流的状态信息的能力允许CCPU28为母线差动保护功能应用正确的算法，并避免应用错误的式(2)引起区域1095内的错误跳闸。这种保护功能可以连续有效不间断地为区域1095内的新的状态，拓扑或结构提供同样的保护。
参考图9和10，区域1095可以为第一电路分支1090提供保护，但是不能保护第二电路分支1091，并且，尤其是馈线3CB 1021和馈线4CB 1026，它们都通过现在闭合的连络线CB从第一电路获取功率。如图10所示，CCPU28可以如区域1195一样为这部分电路重新定义区域保护。区域1195进一步包括馈线3CB 1021和馈线4CB1026，它们与馈线1CB 1020和馈线2CB 1025是并联的。将式(1)应用于区域1195，得到式(4)的母线差动函数ir＝imain-1-(ifeeder-1+ifeeder-2+ifeeder-3+ifeeder-4)(4)其中，imain-1为主线1CB1015的电流，ifeeder-1为馈线1CB1020的电流，ifeeder-2为馈线2CB1025的电流，ifeeder-3为馈线3CB1021的电流，ifeeder-4为馈线4CB1026的电流。利用可用的设备状态信息和可用的电流，CCPU28可以对区域1195实现式(4)定义的母线差动保护功能。除了应用于保护区域1195的算法的变化，这里有更多的区域成员，由于这种特殊的算法中的求和，引入了额外的误差。CCPU28也能改变始动点，和改变补偿这些额外误差的公差。
参考图11，配电系统105的结构进一步变化，此时主线1CB1015，馈线3CB 1021和馈线4CB 1026都是打开的，且主线2CB1016是闭合的，将会导致潮流的方向的变化。CCPU28识别配电系统105这部分的状态或拓扑的变化，包括潮流的方向，并且能随着带有连络线CB1070的区域1095作为区域功率源而再重新定义保护区域。将式(1)应用于区域1095，得到式(5)定义的母线差动函数ir＝(imain-1+itie)-(ifeeder-1+ifeeder-2)(5)其中，imain-1为主线1CB1015(在此例中为0)的电流，itie为连络线CB1070的电流，ifeeder-1为馈线1CB1020的电流，ifeeder-2为馈线2CB1025的电流。用可以利用的设备状态信息和可利用的电流，CCPU28能够将式(5)正确定义的母线差动保护功能应用于区域1095，而不是由于拓扑改变而不适用的式(4)。
保护系统26基于配电系统的变化的状态、拓扑或者结构为配电系统105提供动态区域保护。保护系统能够在整个配电系统105中调整保护的区域，基于对配电系统结构的改变或调整，或基于其他因素，比如，例如，保护的优先级。保护系统26，包括CCPU28，的同步化的每一个采样数据的保护允许通过采样计算执行采样。因为电流的差是矢量，所以数据的同步是重要的。如果数据没有同步化，数据的相移将导致错误的残余电流。同样，采用一次采样接一次采样的计算可以提供残余电流的真实的均方根值，包括最好是高达采样频率的一半的谐波。
保护系统26的动态运行也允许监视数据采集设备，比如模块30，的完整和状态。这些设备的完整和状态数据最好是与拓扑和其他电气参数比如，例如，电流数据同步。包括内部自修复算法在内的算法，与其他比如电流、电压和/或设备状态的电气参数相关联，能够被用来在数据收集错误的情况下提供特殊保护功能的变化或者暂停。例如，保护系统26可以识别A/D转换由于从没有接收到A/D转换器62的数据准备中断而引起的故障。这个故障状态将会向CCPU28进行报告。如果丢失的数据在保护功能中不考虑，那么计算的残余电流会有很大的错误，会基于数据的缺失而导致配电系统105没有根据或错误地跳闸。
保护系统26提供的动态区域保护是部分基于从多电路点的电流和/或电压计算，所述多电路点为并联或串联的功率源或功率接收器。当电流和/或电压计算时，系统的状态或拓扑能被认识清楚，并且能以同样的速度被有效地估算出。保护系统26能认清并重定义电路点为功率源或功率接收器，以及是串联或是并联。基于配电系统105的状态，完全不同的区域保护功能可被定义并被应用。保护系统26可以在整个配电系统105定义众多保护区域，并能在配电系统的状态或拓扑改变时动态地调整区域。
由于本公开已经参考一个或多个具体实施例进行了描述，本领域技术人员能够理解，可以有不同的改变和可以用等效物替代其元素而不偏离其范围。此外，可以有很多的修正使特殊的条件和材料适应本发明的教导而不偏离其范围。因此，本发明的公开不限于作为实现本发明的最佳方式的具体实施例，而是本发明将包括所有落入所附权利要求的范围内的所有实施例。
权利要求
1.一种保护电路(105)的方法，包括监视电路(105)的保护区域(595，895，896，995，1095，1195)以确定最初的拓扑；至少部分基于所述的最初拓扑的改变调整所述保护区域(595，895，896，995，1095，1195)的区域保护功能；以及执行所述保护区域(595，895，896，995，1095，1195)的区域保护功能。
2.权利要求1所述的方法，进一步包括至少部分基于所述保护区域(595，895，896，995，1095，1195)的多个功率开关设备(14，415，420，425，700，715，720，725，1015，1016，1020，1021，1025，1026，1070)的每一个的状态确定所述最初拓扑，所述状态是打开的或关闭的。
3.权利要求1所述的方法，进一步包括监视所述传感器(34)以检测在感应所述电气参数(36，38，76)时的错误；以及至少部分基于所述错误的检测调整所述区域保护功能。
4.一种保护电路(105)的方法，包括监视电路(105)以确定最初的拓扑；以及至少部分基于所述的最初拓扑的改变对电路(105)的至少一部分定义保护区域(595，895，896，995，1095，1195)。
5.权利要求4所述的方法，进一步包括至少部分基于所述电路(105)的多个功率开关设备(14，415，420，425，700，715，720，725，1015，1016，1020，1021，1025，1026，1070)的每一个的状态确定所述最初拓扑，所述状态是打开的或关闭的。
6.权利要求4所述的方法，进一步包括监视所述模块(30)以检测将所述信号传送到所述微处理器(28)时的错误；以及至少部分基于所述错误的检测调整所述区域保护功能。
7.一种用于耦合到具有电路断路器(14，415，420，425，700，715，720，725，1015，1016，1020，1021，1025，1026，1070)的电路(105)的保护系统，所述系统包括控制处理单元(28)与所述电路(105)通信耦合，这样所述控制处理单元(28)可以监视所述电路(105)的拓扑，所述控制处理单元(28)至少部分基于所述拓扑对所述电路(105)的至少一部分定义保护区域(595，895，896，995，1095，1195)，所述控制处理单元(28)至少部分基于所述拓扑的改变重定义所述保护区域(595，895，896，995，1095，1195)。
8.权利要求7所述的系统，其中所述控制处理单元(28)接收代表所述电路(105)的电气参数(36，38，76)的参数信号(36，38，76)，以及其中如果在所述电路(105)中检测到故障(X)，所述控制处理单元(28)响应所述的参数信号(36，38，76)打开电路断路器(14，415，420，425，700，715，720，725，1015，1016，1020，1021，1025，1026，1070)。
9.一种用于耦合到具有保护区域(595，895，896，995，1095，1195)和电路断路器(14，415，420，425，700，715，720，725，1015，1016，1020，1021，1025，1026，1070)的电路(105)的保护系统，所述系统包括控制处理单元(28)与所述电路(105)通信耦合，这样所述控制处理单元(28)可以监视保护区域(595，895，896，995，1095，1195)的拓扑，所述控制处理单元(28)至少部分基于所述拓扑调整保护区域(595，895，896，995，1095，1195)的区域保护功能，以及所述控制处理单元(28)执行所述区域保护功能以检测保护区域(595，895，896，995，1095，1195)中的故障(X)。
10.权利要求9所述的系统，其中所述控制处理单元(28)接收代表所述电路(105)的电气参数(36，38，76)的参数信号(36，38，76)，以及其中如果检测到所述故障(X)所述控制处理单元(28)响应所述的参数信号(36，38，76)打开电路断路器(14，415，420，425，700，715，720，725，1015，1016，1020，1021，1025，1026，1070)。
全文摘要
提供了一种电路保护系统(26)，为电路(105)提供动态保护区域(595，895，896，995，1095，1195)。保护区域(595，895，896，995，1095，1195)能部分基于电路(105)的拓扑。保护系统(26)能为保护区域(595，895，896，995，1095，1195)执行变化的动态区域保护功能。
文档编号H02H3/00GK1698022SQ200480000037
公开日2005年11月16日 申请日期2004年1月6日 优先权日2003年1月6日
发明者托马斯·F·帕帕洛, 马塞洛·E·瓦尔德斯, 格雷戈里·P·拉沃伊 申请人:通用电气公司