不受电容性变压器的动态误差影响的快速阻抗保护技术的制作方法

专利名称：不受电容性变压器的动态误差影响的快速阻抗保护技术的制作方法
技术领域：
本发明涉及在存在噪声的情况下快速准确地检测传输线上的故障，并且特别涉及由电容性变压器导致的暂态(transient)。
技术背景保护性继电器是被设计来识别并且隔离电力系统中的失效的设 备。失效的形式常常是绝缘击穿(故障)，其导致系统电压和/或电流 的改变。保护性继电器被应用在电力系统中，从而使得每个继电器被 配置成检测电力系统的特定部分(通常被称作区段(zone))内的失 效。阻抗继电器依赖于继电器位置与故障位置之间的电阻抗对电流和 电压做出响应。限定远距继电器的区段的配置参数通常被称作有效范 围(reach)。除了其特定区段内的故障之外，保护性继电器不应当对 任何其他事件做出响应。此外，故障在电力系统当中持续的时间越长， 整个电力系统的稳定性将受损的可能性就越大。因此，保护性继电器 应当能够在最小可能时间段内识别出其区段内的故障。一般来说，在基于微处理器的阻抗继电器中，离散傅里叶变换 (DFT)从在固定时间段(窗口 )内取得的波形样本计算相量值。当在 一个完整功率周期(cycle)内进行时，DFT抑制基频的谐波。这种方 法的问题在于，由于检测故障所需的时间依赖于傅立叶窗口的长度， 因此较短的窗口通常产生较快的操作时间。然而，随着窗口的长度被 缩短，在基频成分与其他成分之间进行区分就变得越来越困难。例如， 在窗口长度被缩短到一半(1/2)功率周期的情况下，所述DFT仅仅抑 制奇次谐波。精确地确定故障位置通常需要提取故障后电压和电流的基频相量 成分。然而，所述故障后电压和电流将包含其他成分。此外，由于发 生故障的波上点(point-on-wave)以及所述系统的电感性时间常数， 在所述电流信号中将存在衰减的DC分量。类似地，电容性变压器 (CVT)、电弧电阻变化、旁路电容以及行波效应也将生成对所述相量估计处理造成负面影响的暂态。CVT给快速阻抗保护功能带来了特别的挑战，特别在所谓的高源 对阻抗比(SIR)下尤其是这样。在输入CVT电压的量值经历突然改 变的故障期间，由保护性继电器所使用的输出CVT电压包括显著的暂 态，所述暂态与存储在所述CVT的的各内部组件中需要针对不同的输 入电压电平而被重新调节的能量相关联。这些暂态可以达到标称电压 量值的20-50%,并且可以与标称系统频率相对接近。这使得它们非 常难以被滤除，在保护性继电器预期工作的较短时间段内尤其是这样。在高SIR下，由针对故障的保护性继电器在保护区段的边界处所 测量的稳态电压可能非常低，可能低至标称值的3-5%。当所述CVT 暂态达到20-50%并且感兴趣的信号下降到3-5%时，噪声-信号比 可能高达10。不仅噪声非常高，而且其频谱至少在所述继电器预期操 作的l-2个功率周期内与感兴趣的信号非常接近。一种应对所述CVT暂态的方法是把滤波器插入到所述电压信号路 径中，该滤波器是所述CVT转移函数的逆表示。这样去除了由所述 CVT产生的失真，从而得到作为所述电力系统电压的精确再现的信号。 该方法只有在所述滤波器系数反映连接到所述继电器的特定CVT的参 数时才最优地执行。另一种方法是在故障开端应用具有相应地减小的有效范围的短傅 立叶窗口 ，并且在所述故障的整个持续时间内增大所述窗口长度和覆 盖区段直到某一固定极限。虽然这种方法可以对于其位置靠近所述继 电器的故障产生更快的操作时间，但是其不会在由该继电器保护的整 个区段内提高性能。检测算法还可以基于所述电力系统的模型。特别 地，故障的传输线的串联R-L模型表明所述电压和电流必须满足一阶 微分等式。当前，需要有一种涉及这样的阻抗算法的解决方案，所述阻抗算 法可以通过在时域内处理波形样本来识别其区段内的故障一不需要 DFT。此外，对于在大部分保护区段内的故障来说，检测所需的时间 应当小于一个功率周期。发明内容本发明涉及一种用于提供阻抗保护的方法，该方法包括接口(interface)和数字化与受保护电路相关联的电压和电流；把输入电流 和电压数字地分成成对的正交分量；按照瞬时操作信号和极化信号的 形式数字地产生距离比较器项；以及数字地检查所述操作信号与极化 信号之间的角度关系。在这里还描述了对应于上面概述的方法的制造产品和计算机程序 产品并且要求对其进行保护。通过本发明的技术实现了附加的特征和优点。这里详细描述了本 发明的其他实施例和方面，并且将其视为所要求保护的本发明的一部 分。为了更好地理解本发明的优点和特征，参照下面的描述和附图。


在说明书末尾处的权利要求书中特别指出了被视为本发明的主题 内容并且要求对其进行保护。通过下面结合附图进行的详细描述，本 发明的前述和其他目的、特征和优点将变得显而易见，其中图1利用mho特性的例子示出了距离区段的概念。图2A-2C针对从负序电流极化的样本电抗线示出了瞬时操作和 极化信号的概念。图3通过示出区段外故障而补充了图2A-2C的例子。图4示出了所述操作和极化信号的Q分量的目的。图5通过示出相同的情况但是针对发生在电压过零之后大约45电 度处的故障补充了图4。图6A示出了样本操作和极化信号，并且图6B示出了对于第一比 较级所得到的操作和抑制功率。图7A示出了样本操作和极化信号，并且图7B示出了对于第一比 较级所得到的操作和抑制功率。图8A示出了样本操作和极化信号，并且图8B示出了对于第二比 较级所得到的操作和抑制功率。图9A示出了样本操作和极化信号，并且图9B示出了对于第三比 较级所得到的操作和抑制功率。下面的详细描述参照附图以举例的方式解释了本发明的优选实施 例以及优点和特征。
具体实施方式
下面将详细描述本发明的一个或多个示例性实施例。所公开的实 施例仅用于说明，这是因为本领域技术人员将会想到许多修改和变型。 本发明的各方面总体上涉及到一种阻抗算法，所述阻抗算法可以通过在时域内处理波形样本来识别其区段内的故障一而不需要DFT。 对于在大部分保护区段内的故障来说，检测所需的时间小于一个功率 周期(power cycle)。本发明的各方面形成远距继电器的传统阻抗特 性，比如mho、电抗、遮挡器(blinder)、相选择以及阻抗保护领域 的其他特性，但是是在时域内而不是在频域内。针对阻抗保护的传统频域方法提取电流和电压的相量，并且把所 述阻抗特性应用于电流和电压的所述相量。这种方法减少了所需计算 的数目并且消除了一些噪声成分(否则所述噪声成分会阻碍精确的故 障检测)，但是也抑制了有用信息，如果没有被抑制，所述有用信息 可以被用来改进故障检测处理(特别是在操作速度方面)。这里描述的方法在时域内导出所述阻抗特性，从而保留了更多包 含在输入电压和电流内的信息。这既包括信息也包括噪声成分。然而， 某些噪声成分在所述阻抗特性中将被自然抵消，而无需通过显式滤波 来人为地抑制这些噪声成分。如果某些其他噪声成分仍然保留在所述 阻抗特性中，则可以更好地应对所述噪声成分，胜于在每个单独输入 信号内应对。本发明的实施例的各方面允许从所述阻抗特性的时域形式快速且 安全地检测故障，这是通过对所述故障检测和定位处理应用三级方法 而实现的。首先，在系统事件之后的功率周期的第一半内使用基于能 量的比较器。这样允许非常快速地检测明确(明显)故障情况。在初 始半周期之后禁止该第一级，这是因为如果该第一级保持操作，则其 将由于CVT暂态而在第二和第三半周期中展现出安全问题。其次，在所述第一级被禁止之后，在所述系统事件的第二半周期 内^f吏用比相(phase comparison )比较器。该比较器除了所谓的操作信 号和极化信号的某些其他特征之外还监控这些信号的极性。所述其他 特征包括所涉及到的信号的一阶和二阶导数，并且相对于诸如由CVT 暂态导致的不规则信号，集中精力于检查表征交流电流和电压的所述 信号的极性和时间图案(pattern)。该第二级有意地限制包含在信号量值中的信息的使用，并且在更大程度上利用包含在相对于其他信号 的时间位置或信号相位中的信息。在第二功率周期中激活最后的笫三级。该第三级是第二级的变体，但是针对在系统干扰的第二周期期间预期的噪声特性而被优化。所述方法使用两条并行路径来更快地检测故障。 一条路径使用所涉及到的信号的所谓的直接分量以作为输入，而另 一条路径则通过使用所述信号的所谓的正交分量以作为输入，理由如下所述。相对于与受保护线路相关联的正常交流电流和电压，由阻抗保护功能检测的线路故障在随机时刻发生。取决于所述故障开端相对于电力信号(power signal)的峰值和过零点的时刻，所述受保护线路和通 常用于感测高电压信号的CVT作出不同的响应。在本发明中，所述直 接和正交分量被设计成使得当二者之一由于暂态信号的特定性质而更 慢地作出响应时，另一个分量则会自然地更快响应；反之亦然。距离区段和基本操作等式阻抗保护功能在预定义的操作特性(其通常被称作距离区段)内 定位故障。距离区段从远距继电器的安装点延伸到特定距离之外的点。 距离的概念基于利用在给定阻抗/远距继电器的位置点处可得到的电压 和电流来测量视在阻抗(apparent impedance )。传输线通常具有分布 在其长度上的均匀阻抗。这一属性给出了阻抗与距离之间的关系。一般来说，距离区段从继电器位置正向或反向延伸。特殊的应用 使用在正向和反向上都延伸的非定向区段。对于任何距离区段，关键 性能特性都是有限有效范围。这意味着给定的区段对于位置与所述继 电器相距特定电距离内的故障进行操作(作出响应)，而不对超出该 预先指定的点的故障进行操作。导致给定区段的实际(solid)操作(每 当发生故障时该区段就进行操作)的故障位置与实际无操作的点(当 发生故障时该区段从不操作)之间的差被称作暂态超越(overreach )， 并且是距离函数的两个最重要的性能量度之一。另 一个量度是对内部 故障的响应速度。在实际操作点与实际无操作点之间具有更小的差并 且具有更快操作时间的距离函数，被认为更加优越。可以利用几种阻抗特性来成形(shape)距离区段。 一种特性是边 界线，其基于所述继电器位置处的电流和电压的值来划定操作区域和无操作区域的界线。典型的两类特性是mho特性和四边形特性。如图 1中所示，mho区段310可以被视为在继电器位置305与该区段的预定 有效范围点315之间延伸的圓。而所述四边形区段则可以,皮视为利用 与所述预定有效范围点相交的电抗线划界区段内和区段外故障位置 (320， 325)的多边形。实用的mho和四边形距离函数都合并了多种额外的特性，比如定 向监督、相选择监督、负载侵入(load encroachment)监督、遮挡器 等等。这些特性很重要，但是其设计和实现方式对于距离保护的主要 问题来说是次要的，而距离保护的主要问题则是暂态精度和操作速度。关于暂态精度和操作速度，两种距离特性非常重要mho特性和 电抗特性。通过比较下面的概念信号来成形mho特性<formula>formula see original document page 9</formula>围绕电压(V)、电流(I)与受保护电路的电距离(其在这里被 表示为阻抗z)之间的平衡等式建立所述操作信号，其中所述电压是在所述继电器位置处测量的，所述电流则在继电器点与预期有效范围点 之间导致沿着所述受保护电路的电压降。所述极化信号通常被选择成表示故障是在所述区段内部(图1中的Fl)还是外部(图1中的F2)。 对于内部故障，所述操作信号和极化信号近似同相；对于外部故障， 这两个信号近似异相。多种解决方案被用来形成所述极化信号，目标是在邻近的故障期 间确保正确的方向性，所述故障使得所述继电器位置处的电压降低到 非常小的值。在实践中实现方式中使用记忆极化(memory polarization)、交叉相位极化或者二者的组合。本发明不涉及到产生 所述极化信号的具体方式。利用类似的方法形成电抗特性，但是假设在故障位置处存在很大 的故障电阻。对所述电流-电压平衡等式进行仔细的分析允许写出不 同的一组操作信号和极化信号，该组信号就其检测具有大电阻的故障 的能力而言产生更好的性能<formula>formula see original document page 10</formula><formula>formula see original document page 10</formula> 同样地，对于区段内故障，所述操作信号和极化信号近似同相，而对 于区段外故障，这两个信号则近似异相。对于选择适当的极化电流存在多种方法。所谓的中性和负序电流 就是在实际的实现方式中所使用的良好选择。本发明不涉及到对应于 所述电抗特性的任何具体形式的极化电流。多相(三相)电力系统中的实际的实现方式应用特殊的等式来导出等式(1)和(2)中的V、 I、 VpoL和IpoL项。这属于距离保护的现有技术范围，并且不涉及本发明。在本文献中，我们使用I、 V、 Z、VpoL和IpoL项，应当理解，它们根据已知的阻抗保护规则被应用于多相电网。快速精确的阻抗函数必须导出所述操作信号和极化信号，并且判 定这两个信号是近似同相还是异相。这必须在存在严重噪声的情况下 并且在很短时间段(即继电器输入电压和电流交变的功率周期的一小 部分)内实现。为了应对这一挑战，典型的基于微处理器的继电器将提取所述继 电器输入信号的所谓的相量(即由复数表示的量值和角度信息)，并且依照一般等式(1)和(2)计算所述操作信号和极化信号，并且随后检查这两个复数(操作和极化)是近似同相还是异相。在这种方法中，在设计方面做出了两个方面的努力。笫一方面是 尝试在不引入过多延迟的情况下提取所述相量，但是尽可能多地抑制 噪声。笫二方面是除了所述操作信号与极化信号之间的角度关系之外 还检查多个逻辑条件。上述内容是宽泛的概述，但却是对"频域"方 法的准确概括一简而言之，通过数字滤波提取出包含在电流和电压的 基频成分中的信息，并且只有在此之后才使用所述信息成形操作的各 距离区段。本发明的各方面允许反转这一处理。此外，允许把所有信号成分 (即有益信号成分(信息)和干扰信号成分(噪声))都带到所述故障检测处理中。在本发明中，上面通过等式(1)和(2)例示的基本距离操作特 性是在"时域，，中产生的。在认识到可以用串联连接的电阻和电感表 示传输线之后，可以按照以下格式在概念上重写瞬时操作信号W) = W) + L，-v(0 (Eq.3)通过等式(3)描绘的方法是用于测量视在阻抗或者定位故障的多 种方法的基础。本发明不使用等式(3)或者将导致测量视在阻抗的任 何已知的解决方案，而是应用一种更好的解决方案，其与等式(l)或 (2)的经过很多滤波的频域方法以及等式(3)的纯瞬时时域方法相比 都有改进。在本发明中，使用短窗口正交滤波器来调节输入电流和电压。使用作为功率周期的一小部分的窗口长度以避免延迟信息流并且避免对所述距离函数的操作速度产生不利影响。与此同时，所述滤波器不尝试抑制来自输入信号的噪声。在不对操作速度产生严重影响的情况下，所述抑制首先就是不可能的。术语"正交滤波器"指代在数学上满足"垂直"的条件的匹配的一对滤波器。从工程的角度看，这些滤波器被设计成在时域中产生"实"、"虚"分量。在本发明中，使用直接(D)和正交(Q)正交滤波器对所有输入电流进行滤波，从而实际上产生在未经处理的输入电流与其正交分量之间的以下映射[/]4[/0 (Eq.4a) 类似地，仅仅使用直接滤波器(D)对所有输入电压进行处理M —W (Eq.4b)等式(4)通常适用于多相实际电力系统中的三个电压或三个电流。 首先通过等式(4)对这些相电压和电流进行滤波，并且接下来按照多相系统中的阻抗保护技术将其组合成适当的复合信号。为清楚起见， 下面将给出这种组合的一个例子，但是本发明不涉及到多相系统中的 阻抗保护的细节。一种特定实现方式使用下面的有限脉沖响应(FIR)滤波器来提取 所述电流和电压中的D、 Q分量 -i = 2 A卯)'(Eq.5a)(Eq.5b)其中，窗口长度NDQ被选择为所述电力系统周期的1/8，并且如下计算 滤波器系数<formula>formula see original document page 12</formula>(Eq.6a)<formula>formula see original document page 12</formula>(Eq.6b)所述乘数被选择成在标称系统频率下产生单位增益，因此:<formula>formula see original document page 12</formula>(Eq.7a)<formula>formula see original document page 12</formula>(Eq.7b)其中，上面的等式以弧度来使用角度，并且2';ra = j (Eq.7c)其中，N,是由继电器在电力频率的一个完整周期中取得的样本数 目。 一种特定的实现方式使用N产128。必须注意到，在本发明中，所述滤波器及其窗口长度和系数是次 要的。本领域技术人员可以重新设置本发明的其他方面，以便利用不 同的滤波器。应当注意到，所述D、 Q滤波器的输出仅仅抑制输入信号中的非 常高频率的噪声并且完全抑制输入信号中的恒定dc偏移量。较低频谱 中的信号分量将通过所述短窗口滤波器。对于电力频率下的正弦波输 入，所述两个滤波器产生正弦波输出，所述正弦波输出具有单位增益 并且被偏移四分之一功率周期(90电度)。从这个角度看，所述两个 滤波器(DQ)是所述信号的"实"部和"虚"部的快速估计器。上面的观察允许如下重写所述mho或电抗比较器的操作信号d = 'd . ^ — 'e . — vD (Eq.8a)其中，R和X项是从所述距离函数的预设有效范围导出的。这些项是 恒定的并且被如下预先计算^Z層.cos(Z扁) (Eq.8b) ^-Z腦.sin(Z房) (Eq.8c)其中，ZMAG和ZANG是表示所述距离函数的预期有效范围点的阻抗 的量值和角度。 一般来说，可以由用户调节及确定这些参数(设置)。等式(8a)需要极化信号成为所述距离函数的一部分。出于说明 的目的，考虑从所述负序电流极化的电抗比较器。首先，必须认识到三相电力系统中的所述正序、负序和零序分量 仅仅是针对稳态条件而在数学上被定义的，并且在技术上是从所述三 相电压和电流的相量计算的。简而言之，对称分量是来自频域的概念， 而不直接适用于本时域发明。可以通过应用下面的等式而4艮容易地克服这一点，所述等式是通过模仿所述各个序分量的精确数学定义而导出的。如下定义一辅助函数3 L 2(Eq.9)现在，如下计算被称作相A的所述负序瞬时电流分量D:(Eq.l0a)Q分量被导出为(Eq.lOb)上面对负序瞬时电流的例示也对ABC相旋转成立。熟悉三相电力 系统的人将对于ACB旋转以及对于正序和零序分量导出匹配等式。在通过等式(10)定义了负序瞬时电流之后，返回到负序极化电 抗特性的例子。假设按照多相系统中的阻抗保护的技术把相位考虑成 距离环路。等式(8a)中的环路电压v是相A中到接地的电压输入； 等式(8a)中的环路电流是对于各相之间的零序耦合做了补偿的相A 电流。因此，在使用等式(8a)之前使用下面的实现方式等式(Eq.lla)(Eq.llb)<formula>formula see original document page 14</formula>(Eq.llc)其中，利用下面的等式获得瞬时中性电流(iN)(Eq.lld)(Eq.lle)直接测量来自并行线路(如果有的话)的地电流(iG)，从用户设置导 出的并且限定自线耦合及互线耦合的系数如下<formula>formula see original document page 15</formula>其中，ko和koM是定义受保护线中的耦合量以及受保护线与并行线(如果有的话)之间的耦合量的复数(量值MAG和角度ANG)。这些 数字通常是用户设置。利用等式(11)对于A环路接地距离保护定义通常由等式(8)给 出的操作信号(SAOP—d)。继续所述负序极化电抗特性的例子，所述匹 配极化信号(SAPOLD)被如下定义<formula>formula see original document page 15</formula>其中，按照所述距离保护技术，等式(12a)中的辅助项R和X与所谓 的非均匀角度设置(HANG)相关<formula>formula see original document page 15</formula>按照等式(11)用相A接地距离环路替换等式(8)的电流和电压 信号就构成了本例中的电抗比较器的瞬时操作信号。等式(12)定义 了该比较器的极化信号，其中假设负序电流极化。这两个信号在稳态 条件下都是正弦波，并且在暂态期间带有失真。对于区段内故障来说， 这两个信号近似具有相同极性(同相)，而对于区段外故障来说，这 两个信号近似具有相反极性(异相)。这分别在图2和3中示出。图2A-2C示出了从负序电流极化的样本电抗线的瞬时操作信号 和极化信号的概念。图2A的曲线图示出了由所述继电器测量的三相电 压。图2B的曲线图示出了由该继电器测量的三相电流。图2C的曲线 图示出了相A电抗比较器的操作信号和极化信号。示出了区段内故障；在操作信号中可以看到由CVT生成的严重暂态的影响。当所述CVT 暂态衰减时(大约在故障发生后0.8周期处)，所述极化信号和操作信 号同相就变得很明显，正如对于区段内故障所预期的那样。图3通过示出区段外故障而补充了图2A-2C的例子。当所述CVT 暂态衰减时(大约在故障发生后1.5倍的周期处)，所述极化信号和操 作信号异相就变得很明显，正如对于区段外故障所预期的那样。上面的描述不意图替代距离保护的全部技术，在实践中已经知道 并且应用了许多不同方法。上面的描述意图说明可以在传统上为频域 所写的阻抗保护的传统知识体系上扩展时域方法。熟悉保护性继电的 基本原理的人可以导出针对记忆电压极化、交叉相极化、自耦合及互 耦合补偿、电力变压器补偿、定向检查、快速量值估计器以及通常用 在距离保护中的其他方面的一套完整的实施等式。在本发明的各方面内，应当注意应用快速正交滤波器来提取输入 信号的基本D、 Q维度，并且如上面对于从负序电流极化的相A接地 距离电抗比较器所例示的那样在时域内实施后续计算。在时域方法中 应用快速正交分量并且保持速度而不那么着重于的噪声去除，优点在 于，在给定携带信息的信号分量的强度的情况下，令所述操作信号和 极化信号中的许多噪声成分抵消掉或者变得无关紧要。仔细分析突出 的噪声成分和信号失真并且相应地进行应对，而不是采用不管对于输 入信号的许多不同应用就按照类似的方式对每一 个输入信号进行滤波 的蛮干法。D和Q操作信号和极化信号在前面的章节中导出了瞬时操作信号和极化信号的概念。这些是 在D域中写出的，所述D域指代到继电器的电压输入中的直接(D) 分量。取决于恰好在其上发生给定故障的波上点，到远距继电器的输入 信号包含不同的暂态特性。术语"波上点，，指的是故障开端时刻相对 于系统中的电压和电流的峰值和过零点的时间位置。例如， 一个广为 人知的事实是，发生在电压过零点处的典型高压线上的故障在故障电 流中产生较大的渐近衰减的dc偏移量分量。此外，在电压峰值处的故 障在故障期间的电压信号中产生更多高频噪声分量。此外，与发生在 电压峰值处的故障相比，在电压过零点处的故障产生大得多的CVT暂态。所有这些都转换成我们的瞬时操作信号和极化信号中的不同噪声 图。参考D轴的信号在某些故障下的性能较好，并且对于发生在不同 波上点处的故障展现出更大的噪声分量和延迟。因此，根据本发明的 另一个实施例，使用第二组操作信号和极化信号来加速所述距离函数 的操作。该第二组被称作Q分量。通过对所述直接(D)操作和极化 信号应用第二正交滤波器(hQ1)来获得所述Q分量。这可以象征性地 写成&尸_0~^~^。尸—e (Eq.l3a) ^W—z)~^1—^。1^ (Eq.l3b)其中从已经使用的D、 Q滤波器如下导出所述第二正交滤波器/>ei(0 = cos("ei) /zfi(0 + sin(》ei)' / D(0 (Eq. 13c)其中々0="^~ (Eq.l3d)所述Q分量对于距离区段的有效范围控制特性mho和电抗，是 特别有用的。诸如遮挡器、定向检查和类似特性的其他特性仍然可以 使用D和Q分量二者，但是与仅仅使用D分量相比具有略微逐渐减小 的增益。需要强调的是，由等式(13)给出的实现方式格式可以很容易被 熟悉数字信号处理的人重新设置成等效形式。格式(13)对所述操作 信号和极化信号的D分量应用级联滤波器hQ1。例如， 一种替换格式可 以对电压和电流信号应用hD和h(^滤波器的级联；以及对所述电压和 电流信号应用hq和h(^滤波器的另一个级联，并且与所述操作信号和 极化信号的D分量相比利用镜像等式产生所述操作信号和极化信号中 的Q分量。这种重新设置是完全等效的，因此落在本发明的范围内。图4和5示出了同时使用所述操作信号和极化信号的D和Q对的正面影响。图4示出了所述操作信号和极化信号的Q分量的目的。在 发生电压信号过零时，可以通过所述D组操作信号和极化信号更快地 识别出所述故障(在大约0.4功率周期内)。图5补充了图4，其示出 相同的情况但是针对发生在电压过零之后大约45电度处的故障。当考 虑Q组操作信号和极化信号时可以更快地识别出该故障。应当认识到，可以在所述操作信号和极化信号的三种、四种或更 多种不同形式上实施该实施例的各方面。这种信号对将必须通过使用 具有沿着正弦波的不同部分定位、跨越至少一半旋转(180电度)的窗 口的滤波器来产生。应用多于两组操作信号和极化信号对将带来一些 额外的逐渐减小的增益，并且本发明已经认识到这一点。笫一级的能量比较器在定位故障的过程中的下一步是判定所述故障是内部的(从而应 当由所述远距继电器操作)还是外部的(从而应当抑制所述继电器)， 以便比较每个距离比较器的操作信号和极化信号之间的相互极性。尽 管存在可能发生在给定比较器的操作信号中并且常常发生在给定比较 器的极化信号中的许多暂态，但是这种比较仍然应当快速且安全。在本发明的该实施例的各方面内，使用基于能量的比较器来检测 所述操作信号和极化信号是近似同相还是近似异相。在这方面可以如 下概括对应于基于微处理器的继电器的实施等式如果满足下式则宣称所述操作信号和极化信号是"同相"<formula>formula see original document page 18</formula>其中<formula>formula see original document page 18</formula>如下计算操作功率<formula>formula see original document page 18</formula><formula>formula see original document page 19</formula>在等式(1)中，把操作功率(左侧)与抑制功率(右侧)相比， 如果操作功率大于抑制功率，则声明辅助标记，该标记表示已经在该 特定比较器的有效范围内找到故障。等式(15e)中的两个角度是比 较器极限角度，通常是被设置在60到120度之间的用户设置；以及安 全角度，其是工厂常数，在一种实现方式中，取决于具体距离比较器 的类型设置在大约5到15度。出于速度考虑，在一半功率周期的窗口上计算所述功率信号。所 述滤波是在所述操作信号和极化信号上执行的，并且是速度与安全性 之间的良好折衷。所述操作功率在操作信号和极化信号具有相同极性 的时间间隔内向上积分信号强度，并且在极性不同时向下积分。所述 信号在这种时间段期间越高，所述时间段越长，操作功率的改变就越 大。利用这两个所涉及的信号的总体强度来抑制所述操作功率，以便 把所述同相/异相图案(pattern )检测保持与所涉及信号的水平成比例。图6和7分别示出了第一级能量比较器对于区段内和区段外故障 的操作。图6A示出了样本操作信号和极化信号，并且在图6B中示出 了对于第一比较级所得到的操作功率和抑制功率。对于该区段内故障， 在故障发生之后大约0.7周期处，操作功率变得高于抑制功率。图7A示出了样本操作信号和极化信号，并且在图7B中示出了对 于第一比较级所得到的操作功率和抑制功率。对于该区段外故障，在 故障发生之后大约1.2周期后，操作功率下降到抑制功率以下。所述操 作功率在满足所述第一比较器级的设计假设的事件的第一半周期内保 持在所述抑制功率以下。图7B示出了由于CVT暂态而造成的暂态超 越的危险一在大约0.8到1.2个周期之间的时间段期间，操作功率高于抑制功率。如果不在0.5个周期之后禁止，则第一级将不会对该故障情 况正确地做出响应。仅仅在给定系统事件的功率周期的第一半期间，利用能量比较器 的第一比较级才激活。已经通过大量的仿真验证了，在第一半周期之 前，所述CVT暂态不会对该比较器的安全性产生影响。在所述事件之 后的第一半周期之后，所述比较的笫一级被禁止，并且如下面所描述 的那样由级2接管。应当注意到，第一级使用嵌入在所述操作信号和极化信号中的量 值和相位信息。这样做的优点在于，在明确(明显)故障情况期间的 操作更快，这是因为在这种事件期间，所述操作信号的量值变得非常 显著，并且把所述操作功率朝向更快的增大偏置。这里的比较器的级2 和3主要是基于相位信息，并且出于与CVT引发的暂态相关的安全性考虑在很大程度上抑制量值信息 第二级的增强的相位比较器在所述事件发生之后的一半功率周期到完整功率周期之间的第二 级中，本发明使用相位比较器来检测给定距离比较器的操作信号和极 化信号之间的同相/异相关系。在认识到CVT误差在大约一半之后之后达到峰值的情况下可以更 好地理解上述选择。在一半周期之后操作并且自然地在时间上将其窗 口向后延伸功率周期的某一部分的任何比较器，都将受到这些严重 CVT暂态的影响。我们通过应用相位比较检查，不那么着重于所比较 的信号的量值，而是更加着重于它们在极性方面的相互关系。CVT确 实也严重影响其输出信号的极性，但是我们使用到所述相位比较的额 外输入来应对这一问题。为了连贯性以及为了易于理解，这里利用与第一比较器级相同的 操作功率和抑制功率的符号来描述第二级和第三级。熟悉基本数字信号处理的人可以很容易地在数学上重新设置成多种等效或接近等效的形式。在该级中不计算抑制功率，而是将其如下保持恒定<formula>formula see original document page 21</formula>作为0.5个周期的滑动窗口内的0和1的总和来计算所述操作功率<formula>formula see original document page 21</formula>其中，"pc"信号是利用我们的增强的方法计算的相位比较信号(Boolean )。为了更好的安全性，对应于第二级的K因数比在第一级中的要小。 假设用户极限角度是90度， 一种应用使用0.65到0.75的范围内的值。 应当理解，K值控制安全性/速度平衡，并且可以被自由调节以在性能 当中做出折衷。本发明不限于任何比较器中的任何具体K值。在传统的相位比较方法中，当在任何给定时间点处全部两个被比 较的信号具有相同极性时(即全部是正或全部是负)，pc信号被声明 为逻辑l。在我们的方法中，出于与CVT暂态相关的额外安全性考虑， 这一简单规则被扩展。我们的比较器的第二级如下声明所述pc信号。 对于D比较器<formula>formula see original document page 22</formula> CCUT阈值被设置在标称电压的大约0.25%处。当故障点接近预期 有效范围点时，所述有效范围比较器的操作信号接近O。实际上，对于 恰好处在所述有效范围点处的金属故障，所述操作信号恰好是0，当然 这不考虑信号噪声和失真。对于区段内故障，在该故障从区段端部的 完全平衡点移动时，所述操作信号增大，并且保持与所述极化信号同 相。对于区段外故障，在故障远离所述有效范围点时，所述操作信号 增大并且保持与所述极化信号异相。因此，使用任意阚值(CCUT)来 确定所述信号是否大到足以在极性方面相互比较。一般来说，等式(18)是增强的相位比较算法。所述算法检查所 述操作信号和极化信号的极性以及这些信号的总体对称性、旋转速度 以及信噪比方面的总体行为。例如，取所述pcD项中的前三个分量。如 果所述操作信号和极化信号(D分量)同相，则它们的时间导数也同相。与此同时，如果所述信号的行为良好的话，所述Q分量必须恰好 与前两项异相。总体来说，所述pc信号被设计成在所述极化信号与操 作信号是纯正弦波并且恰好同相的情况下产生恒定的逻辑1，并且在精 确异相和/或严重失真的情况下产生肯定的固态(solid)逻辑0。应当 注意到，在按照等式(17)的半周期积分窗口内，基于所述信号的行 为，所述pc信号可以呈现O也可以呈现l。这样允许朝向关于故障位 置(区段内或区段外)的快速而安全的判定对各段信息进行积分。应当注意到，可以向等式(18)添加额外各项，其效果是以操作 速度为代价在一定程度上提高安全性，并且可以从等式(18)中去除 某些项，其效果是以安全性和暂态精度为代价提高速度。我们的主张 是使用所述操作信号或极化信号的至少一个导数来增强所述经典的相 位比较技术，而不管插入到等式(18)中的精确项数如何。 一种特定 实现方式使用在上面由等式(18)给出的精确格式。当操作功率高于抑制功率时，所述算法证实区段内故障。图8A和8B通过示出样本区段内故障情况而说明了第二比较级。 图8A示出了样本操作和极化信号，并且图8B示出了对于第二比较级 所得到的操作功率和抑制功率。对于该区段内故障，在大约0.6个功率 周期处所述操作功率变得高于所述抑制功率。第三级的增强的相位比较器第三比较级在一个电力系统周期之后接管，并且继续直到第二循 环的末尾，此时出于安全性目的而禁止整个算法。此时，通过并行的 更加传统的解决方案来提供保护，比如在2002年7月16日出版的标题 为"CVT Transient Filter( CVT暂态滤波器)"的美国专利No. 6，420，875 中所描述的解决方案，其内容被合并在此以作参考。第三级如下使用类似的相位比较方法。在该级中，不计算所述抑 制功率而是如下将其保持恒定(Eq.l9a)4W， (Eq，)<formula>formula see original document page 24</formula>其中，利用下面的等式计算所述"pc，，信号 对于D比较器<formula>formula see original document page 24</formula>应当注意，某些表达式在级2和3之间重复。这可以被用来在基 于微处理器的继电器的给定实现方式中优化计算。同样地，当操作功率(等式20)高于抑制功率(等式19)时，声 明一个表示内部故障的标记。所述K因数平衡速度与安全性，并且在 本发明的一个特定实现方式中，假设用户角度极限设置是90度，则在 大约0.5到0.75处调节所述K因数。应当注意到，可以向等式(21 )添加额外的项，其效果是以操作 速度为代价在一定程度上提高安全性，并且可以从等式(21)中去除 某些项，其效果是以安全性和暂态精度为代价提高速度。我们的主张 是使用所述操作信号或极化信号的至少一个导数来增强经典的相位比 较技术，而不管插入到等式(21)中的精确项数如何。 一种特定实现 方式使用在上面由等式(21)给出的精确格式。除了使用所述信号的直接值之外，第二和第三比较级中的pc信号 的表达式还使用时间导数。所述导数的精确数值实现方式并不十分重 要，并且本发明不限于任何具体实现方式。 一种特定实现方式如下使 用简单的两点数值导数对上面的等式进行缩放，以便在标称频率下具有单位增益，因此:二阶导数是应用两次的滤波器(等式22a )的级联。需要以合理的 精度计算所述导数。然而，所述导数的唯一用途就是与一个相对较低 的值进行比较，以便检测其极性。如果操作功率(等式20)超出抑制功率(等式19)，则第三级声 明表示内部故障的标记。图9A和9B通过示出样本区段内故障情况而说明了第三比较级。 图9A示出了样本操作信号和极化信号，并且图9B示出了对于第三比 较级所得到的操作功率和抑制功率。对于该区段内故障，在大约1.4个 功率周期处所述操作功率变得高于所述抑制功率。在上面的描述中，在故障发生之后的0.5个周期、1.0个周期和2.0 个周期处开关所述三个比较级。这些切换点应当被理解为近似。本领(Eq.22a)断点，以便保持安全性和操作速度。例如，如果第一级的K因数被设 置得更高，则可以略迟于0.5个周期之后关闭该级。这将成比例地降低 操作速度，但是将产生相对行为良好的算法。 把所述方法集成在总体阻抗保护功能之内本发明的方法可以被应用于不同类型的距离特性和阻抗比较器。 所有实践中已知的距离特性都可以被写成一组操作信号和极化信号的 实施格式，使得这两个信号对于区段内故障近似同相，并且对于其他 情况异相。如果是这样的话，则可以应用本发明的在基于微处理器的 继电器上数字地导出瞬时操作信号和极化信号的方法。所述三级比较 器还适用于任何距离特性。上面的简要描述相当宽泛地阐述了本发明的较为重要的特征，从 而可以更好地理解其后的详细描述，并且可以更好地认识到本发明对 现有技术领域的贡献。当然还存在本发明的附加特征，下面将描述所 述附加特征，并且其对应于所附权利要求书的主题内容。可以通过软件、固件、硬件或其组合来实现本发明的能力。因此，本领域技术人员将认识到，可以很容易地作为用于设计实 现本发明的几个目的的其他结构、方法和系统的基础来利用作为本公 开内容的基础的概念。因此，只要所述等效构造不背离本发明的精神 和范围，所附权利要求书就应被视为包括这种等效构造。部件列表305继电器位置310 mho区段315预期区段有效范围点320区段内故障位置325区段外故障位置330电抗线与预期有效范围点交叉
权利要求
1、一种用于提供阻抗保护的方法，该方法包括对与受保护电路相关联的电压和电流进行接口和数字化；把输入电流和电压数字地分离成成对的正交分量，其中利用数字滤波器导出所述电压和电流的正交分量，所述数字滤波器有效地在所述正交信号中引入小于半周期的延迟；按照瞬时操作信号和极化信号的形式数字地产生距离比较器项；以及数字地检查所述操作信号与极化信号之间的角度关系。
2、 权利要求1的方法，其中，所述正交滤波器是有限脉冲响应(FIR) 滤波器或无限脉冲响应(IIR)滤波器。
3、 权利要求l的方法，其中，所述距离比较器项作为正交电压和 电流的瞬时组合在时域中产生。
4、 权利要求l的方法，其中，使用至少两组距离项来提高响应速度。
5、 权利要求l的方法，其中，至少一个距离比较器被分成至少两级。
6、 一种包括可以由处理器使用的计算机可读介质的制造产品，所 述介质上存储有指令序列，当所述指令序列被所述处理器执行时，其 使得该处理器提供阻抗保护，其中通过以下操作提供所述阻抗保护对与受保护电路相关联的电压和电流进行接口和数字化； 把输入电流和电压数字地分离成成对的正交分量，其中利用数字滤波器导出所述电压和电流的正交分量，所述数字滤波器有效地在所述正交信号中引入小于半周期的延迟；按照瞬时操作信号和极化信号的形式数字地产生距离比较器项；以及数字地检查所述操作信号与极化信号之间的角度关系。
7、 权利要求6的制造产品，其中，所述正交滤波器是有限脉冲响 应(FIR)滤波器或无限脉冲响应(IIR)滤波器。
8、 权利要求6的制造产品，其中，所述距离比较器项作为正交电 压和电流的瞬时组合在时域中产生。
9、 权利要求6的制造产品，其中，使用至少两组距离项以得到更好的响应速度。
10、权利要求6的制造产品，其中，至少一个距离比较器被分成至 少两级。
全文摘要
本发明涉及不受电容性变压器的动态误差影响的快速阻抗保护技术。用于提供阻抗保护的方法，其基于瞬时的、数字地导出的操作和极化距离比较器信号在区段内与区段外故障之间进行区分。该方法使用一对快速正交滤波器来导出输入电压和电流的D、Q分量。为了得到更好的响应速度，在关于电力信号的峰值和过零的变化故障时刻导出两组操作信号和极化信号。使用所述操作与极化阻抗项之间的三个比较级。这些比较级使用半周期平均窗以及四分之三周期窗口。第一比较级是基于能量比较器，其对所述信号中的量值和相位做出响应。级2和级3是相位比较类型，其主要对相位信息做出响应，并且忽略量值信息以便获得对噪声和信号失真的更好免疫。
文档编号H02H7/26GK101277012SQ200810088479
公开日2008年10月1日 申请日期2008年3月31日 优先权日2007年3月30日
发明者B·Z·卡斯腾尼, D·S·芬尼, L·拉杜卡努 申请人:通用电气公司