专利名称：虚拟闭环配电系统和方法
技术领域：
本专利涉及配电系统的控制，更具体而言，涉及使用虚拟闭环结构 在配电系统中缓解故障的系统和方法。
背景技术：
配电系统典型地包括起始于配电变电站且通向用于电力供应公司或
代理的终端用户的供应源的配电线路(约4KV 69KV)。典型地是，线 路具有开环结构。即， 一个源对从源延伸到工作负载的线路进行馈电。 线路可以与另一线路和另一源连接，但是典型地，通过常开开关设备实 现这种连接。与第二源的耦合使得在故障导致线路或线路的一部分与其 正常源隔离的情况下，第二源可以为线路上的负载供电。即，当检测到 线路上的故障时，故障保护设备进行工作以将故障与其正常源隔离。如 果能将线路的断电部分与故障部分隔离，则可以闭合常开开关以从备用 源对线路的该部分上的负载进行供电。可以采用回正电路恢复策略(诸 如由从伊利诺斯州的芝加哥的S&C Electric Company可得的 IntdliTEA!Vr产品提供)，以恢复电路的正常配置——当故障修复时，正 常源为线路供电且常开开关重新断开以将所述备用源与线路分离。
发明内容
尽管上述电路配置使得在隔离故障之后而在完全修改故障之前，可 以尽早恢复对线路的无故障部分上的负载的供电，但是典型地存在与检 测故障、隔离故障、判定可以由备用源供电的线路的无故障部分、确保 将线路的无故障部分与故障隔离且闭合常开开关以从备用源为线路供电 相关的延迟。
另一种被称为闭环配置的电路配置可以通过确保总是为线路的无故
障部分供电，减小或基本消除供电中断。在闭环配置中，线路被两个或 更多的源供电，所述两个或更多的源被配置成向直连或分支线路的各端 供电。闭环配置也被称为并联源结构，而源被称为是并联的。然而，闭 环配置需要大量复杂和昂贵的通信和控制以确保源相位和电压的同步从 而防止被供电的负载处的大的过电流。另外，可能需要定向时间-过流保 护设备以用于线路上的负载保护。对于从任意源馈入的故障，需要这些 保护设备相互协作。
图la-le是配电线路的示意图，示出了在一段配电线路上存在故障时 用于实现基本连续供电的操作；
图2a-2f是配电线路的示意图，示出了在一段配电线路上存在故障时 用于实现基本连续供电的操作；
图3是示出在一段配电线路上存在故障时提供基本连续供电的方法 的流程图。
具体实施例方式
当出现了在配电线路上存在故障的初始指示时，虚拟闭环配电系统 将并联源耦合到线路。如果该故障持续，则包括对配电线路进行分段的 故障保护设备的故障保护系统进行工作以将配电线路的故障段与各个耦 合的源隔离开。耦合的源为配电线路的无故障段提供基本不受中断的供 电，直到当故障修复时电路重配并回正功能进行工作以恢复系统为止。
参考图la-le，配电系统100包括经由源保护设备106(例如断路器) 耦合到配电线路104的源102。多个故障保护设备108a、 108b和108c，
(例如，真空故障中断器或其他合适的故障保护设备)将配电线路104 分成段IIO、 110b、 110c和110d。常开开关112将配电线路102耦合至lJ 并联源114。在正常工作中，源102经由配电线路104向耦合到段 110a-110d的负载提供电力。常开开关112在正常工作中保持断开，将并 联源112与配电线路104隔离。应当理解，尽管示出了常开开关112，在 其他实施方案中可以是故障保护设备或其他电流切换设备。
图la示出了在故障保护设备108a和108b之间的段110b上发生的 故障116。作为故障116 (例如电压中断或电压损失)的结果，当检测到 配电线路104上的异常时，将常开开关112置于闭合。可以在故障的初 始指示之后提供稍微的延迟以判定故障是否是瞬态的，但是如果在延迟 周期之后故障是持续的，则将常开开关112置于闭合(图lb)。从时序的 角度看，在检测到故障116之后，常开开关112在0.025秒至约50毫秒 (ms)的时间内闭合。如图lb所配置的，由主源102和并联源114并行 地向配电线路馈电。两个源也馈入故障116;然而，这种情况仅存在很短 的时间。
如图lc所示，当检测到故障时，故障保护设备108b依照其建立的 故障工作参数(例如，时间过电流曲线)工作，断开以将源102与故障 隔离开。故障保护设备108b典型地在约100ms 200ms内工作，例如， 故障保护设备108b工作以在约150 ms时清除故障，将故障与源102隔 离开。然而，备选的(现在是并联的)源114依然馈入故障116。
故障保护设备108c将依照其故障工作参数(例如时间过电流曲线) 进行检测和工作，以清除故障116。值得注意的是，此时，故障保护设备 108a-108d可配置为具有多个故障工作参数和特性(例如，具有方向性的 工作参数)，使得各个故障保护设备响应于来自于线路104任意一端的故 障而恰当地工作。
因而，如图ld所示，作为备用源114并联到线路102的结果，故障 检测设备108b进行工作以清除故障116。故障保护设备108b可以在约 100ms 300ms内工作，例如，故障保护设备108b在250 ms内工作以清 除故障。从而将故障116与源102和114都隔离开，而同时，线路104 的除故障段104b之外的所有段基本不受中断地接受供电。
如图le所示，可以执行电路测试过程以判定故障是瞬时的还是持续 的。适当的再闭合策略将判定在给定时间段之后故障是否仍然存在，且 如果仍然存在，则可以适当地把故障保护设备108a和108b排除出去以 隔离故障116，直到能修复故障为止。在实现了故障116的修复之后，电 路恢复策略将线路104返回到其正常工作状态。即，通过将常开开关112 置于其断开状态，通过源102为线路104供电而将源114从线路104断开。
图2a-2f示出了故障保护动作序列，该动作序列同样提供了临时并联 源或闭环结构，接着是故障隔离和电路重配。在图2a-2f中，配电系统200 基本与图la-le中所示的相同，且以200标记开始的相同的附图标记用于 表示相同的元件。
图2a示出了在故障保护设备208a和208b之间的段210b上发生的 故障216。类似于与图la-le的实施方式相关的上述方法，如图2a-2d所 示，接入并联源214来为线路204供电，且故障保护设备208a和208b 进行工作以将故障分别与源202和源214隔离开。
在图2e中，故障保护设备208a可工作以测试线路204，从而判断故 障214的持续性。这种测试可以在延迟时间段(例如约500 ms 1000 ms) 之后进行，例如故障保护设备208a可以在约800 ms时启动测试过程。如 果故障216是瞬态的，段210b测试为无故障，则故障保护设备208a工 作以将段210b耦合到源202。因此，整个线路204通过并联耦合的源202 和214供电。然而，该情况是暂时的，在接收到208a和208b已经闭合 的通信之后，常开开关212再次断开，以将源214从线路204断开(如 图2f所示)。
因为在所示出的实施例中的任意一个中，源202和214仅在相对短 的时间段内(典型地小于几秒)是并联的，即都耦合到线路204，所以电 压和相位的适度的失配是可以忍受的。因而，与需要复杂和昂贵的控制 以及通信能力以匹配源的典型闭环系统所不同，配电系统IOO或配电系 统200都不需要这种通信和控制能力。在图la-le和2a-2f所示的实施例 中，典型地在小于500ms的时间内隔离故障，在小于1000ms的时间内 开始段测试，且在瞬态故障的情况下，在小于1200 ms的时间内恢复完 全正常的供电。而且，优选地是，除了耦合到实际故障段的负载之外， 对于耦合到线路204的所有负载维持供电。
图3的流程图示出了为配电线路供电的方法300，该方法具有基本
无中断的供电和故障隔离。方法300以方框302开始，其中与配电线路 的段中的故障相应地检测到电压异常。例如，可以检测到电压损失。响 应于检测到电压异常，在方框304，将备用源耦合到配电线路。在这种结 构中，备用源与主源并联以用于配电线路。在方框306，故障保护设备进 行工作以将故障与各个主源和备用源隔离开。隔离故障之后，在方框308， 段测试判定故障是瞬时的还是持续的。如果故障是持续的，在方框310， 故障保护设备将该段排除出去，直到能够进行修复为止。如果故障是瞬 态的，在方框312，主源侧故障保护设备和备用源侧故障保护设备进行工 作以对先前的故障段重新供电。最后，在方框314，常开开关断开以将故 障与并联源隔离。
尽管根据电路或故障中断设备的若干优选实施方式描述了本发明， 应当理解到，本发明不限于电路中断和分离设备。可以与包括断路器、 重合器(recloser)等的任意数目的设备相关联地采用本发明的概念。
尽管这里公开的内容可以进行各种修改和替换，在附图和此处描述 的实施方式中通过举例的方式示出了某些实施方式。然而，应当理解， 本公开并不旨在将本发明限制为所描述的特定形式，而是与此相反，本 发明旨在涵盖由所附权利要求限定的所有修改、替换和等同。
还应当理解，除非使用句子"当在此使用时，术语'—，此处被限定为表 示..."或类似句子在本专利中明确定义术语，没有旨在明确或暗示地将该 术语的意思限制为超出其基本或普通意思，且不应将这些术语理解成限 制在基于该专利的任意部分中所做的任意陈述(而不是权利要求的语言) 的范围内。 一定程度地，在本专利结尾处的权利要求书中陈述的任意术 语在本专利中被认为与单一含义一致，这样做仅仅是为了清楚目的，以 免混淆读者，而并不旨在表明将这些权利要求术语暗示地或以其他方式 限定在为单一含义。除非通过陈述词语"意味着"和没有任意结构叙述的 功能定义的权利要求要素，并不旨在基于35 U.S.C §112第6段的应用来 解释任意权利要求要素的范围。
权利要求
1.一种故障保护系统，该故障保护系统包括与配电线路耦合的源；通过常开设备与所述配电线路耦合的备用源；对所述配电线路进行分段的故障保护设备；其中检测到故障时、且在所述故障保护设备进行工作以将所述源与所述故障隔离之前，所述常开设备可操作而闭合，从而将所述备用源耦合到所述配电线路。
2. 根据权利要求1所述的故障保护系统，其中所述故障保护设备包 括将所述配电线路分成多个段的多个故障保护设备，并且通过所述多个 故障保护设备中至少一个将无故障段与所述源隔离开，且通过闭合所述 常开设备将该无故障段耦合到所述备用源。
3. 根据权利要求2所述的故障保护系统，所述多个故障保护设备中 的第一故障保护设备将所述故障与所述源隔离开，且所述多个故障保护 设备中的第二故障保护设备将所述故障与所述备用源隔离开。
4. 根据权利要求3所述的故障保护系统，其中将所述配电线路的被 所述故障影响的段与所述源或所述备用源隔离开。
5. 根据权利要求1所述的故障保护系统，由所述源和所述备用源中 的一个为所述配电线路的除被所述故障影响的段之外的所有段供电。
6. 根据权利要求1所述的故障保护系统，由所述源和所述备用源中 的一个为所述配电线路的除被所述故障影响的段之外的所有段进行基本 无中断的供电。
7. —种控制配电系统的方法，该配电系统包括与配电线路耦合的 源、通过常开设备与所述配电线路耦合的备用源、以及对所述配电线路 进行分段的故障保护设备，所述方法包括检测所述配电线路的段上的故障；闭合所述常开设备以将所述备用源耦合到所述配电线路； 操作所述故障保护设备以将所述故障与所述源隔离开。
8. 根据权利要求7所述的方法，其中所述故障保护设备包括多个故障保护设备，所述方法包括操作所述多个故障保护设备中的第一故障保护设备以将所述故障与 所述源隔离开，并且操作所述多个故障保护设备中的第二故障保护设备 以将所述故障与所述备用源隔离开。
9. 根据权利要求8所述的方法，该方法包括在闭合所述常开设备之 后操作所述第一故障保护设备。
10. 根据权利要求8所述的方法，该方法包括在闭合所述常开设备 之后操作所述第二故障保护设备。
11. 根据权利要求7所述的方法，该方法包括将所述配电线路的被 所述故障影响的段与各个所述源或所述备用源隔离开。
12. 根据权利要求7所述的方法，该方法包括从所述源和所述备用 源中任意一个为所述配电线路的被所述故障影响的段之外的所有段供 电。
13. 根据权利要求7所述的方法，该方法包括由所述源和所述备用 源中的一个为所述配电线路的被所述故障影响的段之外的所有段保持基 本无中断的供电。
全文摘要
当出现了配电线路上存在故障的初始指示时，虚拟闭环配电系统将并联的源耦合到线路。如果该故障是持续的，则包括对所述配电线路进行分段的故障保护设备的故障保护系统进行工作，以将所述配电线路的故障段与各个耦合的源隔离开。所述耦合的源向配电线路的无故障段提供基本不受中断的供电，直到故障修复时电路重配和回正功能进行工作而恢复系统为止。
文档编号H02H7/26GK101351941SQ200680049713
公开日2009年1月21日 申请日期2006年12月4日 优先权日2005年12月27日
发明者雷蒙德·P·奥利里 申请人:施恩禧电气有限公司