通过电流差动保护识别故障的方法及其设备的制作方法
【专利摘要】提供了一种通过电流差动保护识别故障的方法及其设备。该方法包括：测量两端线路系统的两端的全量电流，并计算相应的故障分量电流向量；通过计算故障分量电流向量之和的绝对值与Iset1之间的第一差值得到动作量；通过将第二差值乘以控制因子得到制动量，其中，第二差值是在故障分量电流的绝对值的最大值与Iset2之间或在故障分量电流的差的绝对值与Iset2之间计算的；以及通过将动作量与制动量进行比较将故障识别为外部故障或者内部故障。本发明的解决方案实现了比现有产品更好的可靠性、灵敏度和更快的速度。
【专利说明】通过电流差动保护识别故障的方法及其设备
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电流差动保护【技术领域】，更具体地，涉及一种通过电流差动保护识别 故障的方法及其设备。
【背景技术】
[0002] 目前，电流差动保护因其良好的性能被电力系统广泛用作主要保护方式。传统电 流差动保护的故障识别判据显示如下：
[\iM+iN\>k-\iu-iN\
[0003] <. (I)
[II?/mm
[0004]这种判据基于全量电流（fulIcomponentcurrent)，全量电流为原始测量的电 流，基于叠加原理该全量电流包括负荷电流和故障分量电流；然而，该解决方案具有以下问 题：
[0005] 1)对于重负荷状态或高电阻故障，灵敏度较低并且动作速度较慢；
[0006] 2)对于伴随有CT饱和的外部故障，可能误动作；
[0007] 3)难于平衡灵敏度、速度和可靠性。如果为了较好的灵敏度和速度而采用低门槛 值，可靠性将会更差。如果为了较好的可靠性而采用高门槛值，灵敏度和速度将会更差。
[0008] 为了解决这些问题，研究人员和制造商提出了基于故障分量的差动保护。典型的 基于故障分量的差动保护的算法显示如下： -?|Δ/Λ/+Δ/Λ-|>^χ|Δ/Α/-Δ/λI
[0009]i (2) 1|Δ/Μ+Δ^|>/-ιη
[0010] 由此可知，因为计算时去除了负荷电流，因而这种解决方案在高负荷和高电阻故 障的情况下通常比传统电流差动保护具有更好的灵敏度和速度。但是，现有的故障分量差 动保护仅仅在一定程度上提高了灵敏度和速度，并不能解决CT饱和带来的可靠性问题；而 且，没有有效的解决灵敏度与可靠性之间的良好平衡问题。
[0011] 类似于传统的基于全量的差动保护；传统的基于故障分量的电流差动保护可能在 伴随有CT饱和的外部故障情况下误动作。另外，这两种差动保护都难于实现灵敏度、速度 和可靠性之间的良好平衡。如果为了识别内部故障而提高灵敏度和速度，则将降低识别外 部故障的可靠性。另一方面，如果提高识别外部故障的可靠性，则将降低识别内部故障的灵 敏度和速度。
[0012] 由于上述问题，本发明旨在提出一种用于通过电流差动保护来识别故障的方法及 其设备。
【发明内容】
[0013] 本发明的主要目的是针对内部故障提高电流差动保护的灵敏度和速度，针对外部 故障提高可靠性。因而，本发明提供一种通过电流差动保护识别故障的方法及其设备。
[0014] 根据本发明的一个方面，提供了一种通过电流差动保护识别故障的方法。该方法 包括：测量两端线路系统的两端的全量电流，并计算相应的故障分量电流向量；通过计算 故障分量电流向量之和的绝对值与第一预设值Isrtl之间的第一差值得到动作量；通过将第 二差值乘以控制因子得到制动量，其中，第二差值是在故障分量电流的绝对值的最大值与 第二预设值Isrt2之间或在故障分量电流的差的绝对值与第二预设值Isrt2之间计算的；以及 通过将动作量与制动量进行比较将故障识别为外部故障或者内部故障。
[0015] 根据本发明的另一优选实施例，控制因子与故障分量电流的相位角有关。
[0016] 根据本发明的另一优选实施例，控制因子对于外部故障将为相对大的正值，而对 于内部故障将为相对小的正值或负值。
[0017] 根据本发明的另一优选实施例，如果动作量小于制动量，则故障被识别为外部故 障或在系统中没有发生故障；否则，将识别为内部故障。
[0018] 根据本发明的另一优选实施例，通过将多端系统转换成有效两端系统，上述方法 能够应用于多端系统。
[0019] 根据本发明的另一优选实施例，上述方法进一步包括：测量多端线路系统的所有 端的全量电流，并计算相应的故障分量电流向量；从计算出的故障分量电流中选择最大值； 计算除了最大值之外的所有其他计算出的故障分量电流的总和；以及将最大值和总和视为 虚拟两端系统的两个端的电流。
[0020] 根据本发明的另一优选实施例，上述方法直接使用与故障分量电流向量对应的全 量电流向量来识别故障。
[0021] 根据本发明的另一方面，提供了一种通过电流差动保护识别故障的设备。该设备 包括：测量模块、计算模块以及识别模块。测量模块被配置成测量两端线路系统的两端的全 量电流。计算模块被配置成计算相应的故障分量电流向量；通过计算故障分量电流向量之 和的绝对值与第一预设值Isrtl之间的第一差值得到动作量；通过将第二差值乘以控制因子 得到制动量，其中，第二差值是在故障分量电流的绝对值的最大值与第二预设值Isrt2之间 或在故障分量电流的差的绝对值与第二预设值Isrt2之间计算的。识别模块被配置成通过将 动作量与制动量进行比较将故障识别为外部故障或者内部故障。
[0022] 根据本发明的另一优选实施例，控制因子与故障分量电流的相位角有关。
[0023] 根据本发明的另一优选实施例，控制因子对于外部故障将为相对大的正值，而对 于内部故障将为相对小的正值或负值。
[0024] 根据本发明的另一优选实施例，如果动作量小于制动量，则识别模块将故障识别 为外部故障或在系统中没有故障；否则，识别模块将故障识别为内部故障。
[0025] 根据本发明的另一优选实施例，通过将多端系统转换成虚拟两端系统，上述设备 能够应用于多端系统。
[0026] 根据本发明的另一优选实施例，测量模块进一步被配置成测量多端线路系统的所 有端的全量电流并计算相应的故障分量电流向量；计算模块进一步被配置成从计算出的故 障分量电流中选择最大值，并计算除了最大值之外的所有其他计算出的故障分量电流的总 和；转换模块被配置成将最大值和总和视为虚拟两端系统的两个端的电流。
[0027] 根据本发明的另一优选实施例，上述设备直接使用与故障分量电流向量对应的全 量电流向量来识别故障。
[0028] 本发明的实施例提供了一种通过电流差动保护识别故障的方法及其设备，其可靠 性、灵敏度和动作速度比现有的电流差动保护更好。
【专利附图】
【附图说明】
[0029] 在以下描述中将参照附图所示的优选示例性实施例更详细地说明本发明的主题， 其中：
[0030] 图1示出了具有内部故障（图la)和相应的故障分量网络（图Ib)的典型的两端 电力系统。
[0031] 图2示出了根据本发明的通过电流差动保护识别故障的方法的流程图。
[0032] 图3a和3b分别示出了针对外部故障和内部故障的差动继电器的动作特性。
[0033] 图4a和4b分别不出了在外部故障和内部故障的情况下故障分量电流的向量图。
[0034] 图5示出了根据本发明的对于将多端系统转换成虚拟两端系统的向量图。
[0035] 图6示出了根据本发明实施例的通过电流差动保护识别故障的设备的示图。
【具体实施方式】
[0036] 在下文中结合附图描述本发明的示例性实施例。为了清楚和简明，并非实际实施 方式的所有特征都在说明书中进行描述。
[0037] 所提出的发明用于电流差动保护，并且基于不同端的故障分量电流的相位角 (arg(AIK_J，arg(AU)差对于内部故障或外部故障是不同的。该相位差对于内部故 障几乎为〇度，而对于外部故障几乎为180度。这种明显的差别可用于设定制动量或动作 量，以便使动作特性具有广泛的适应性。按照这种方式，保护的动作范围将会根据故障条件 可以变化，并且对于外部故障非常小而对于内部故障非常大。因而，可同时实现针对内部故 障的更好的灵敏度和针对外部故障的更好的可靠性。
[0038] 图Ia示出了具有内部故障的典型的两端电力系统，图Ib示出了图Ia的故障分量 网络。
[0039] 如图Ia中所示，^和I是通过差动保护在两端M和N处测量的电流。Δ"和Δ&-是两端相应的故障分量电流。
[0040] 图2示出根据本发明的通过电流差动保护识别故障的方法的流程图。
[0041] 如图2中所示，通过电流差动保护识别故障的方法200包括：
[0042] 步骤202,测量两端线路系统的两端的全量电流并计算相应的故障分量电流向量。 在图Ib中，和Al可由全量电流t胃和^计算。优选的是，故障分量电流可以包括故障分 量相电流、正序故障分量电流、负序电流和零序电流中的至少一个。
[0043] 如果|Δ/Λ?I和IAZivI均大于用于确保电流相位角计算精度的门槛值Ilim，则继续操 作以下步骤：
[0044] 步骤204,通过计算故障分量电流向量之和的绝对值与第一预设值Isetl之间的第 一差值得到动作量Iδ/μ +Δ/νI-Jseil。
[0045] 步骤206,通过将第二差值乘以控制因子F(0M，ΘΝ)得到制动量，其中，该第二差 值max(|A/M |，|A/W |)-/_2是在故障分量电流的绝对值的最大值与第二预设值Isrt2之间计 算的，化=arg(A/M)和 & =arg(Ai#)。
[0046] 步骤208,通过将动作量与制动量进行比较将故障识别为外部故障或者内部故障。
[0047] 至于|Δ/ν/ +Ajiv 卜/祕>尸(6^為）.(11似(|^^Ι,ΙΔ^ |)-/i￡>i2)，如果不等式成立,则 可识别为内部故障，于是继电器将跳闸；否则，将识别为外部故障或者在系统中没有发生故 障，差动电流继电器将不会误跳闸。
[0048] 在另一实施例中，第二差值|Δ/μ -Δ/# |-/sei2.是在故障分量电流 的差的绝对值与第二预设值Isrt2之间计算的。因而，不等式重写如下： IΔ/Α? +Aiiv 卜^ 哪為).(IOivI-/Sf,2)。
[0049] 值Isrtl和Isrt2为用于控制操作特性中的斜率的原点的电流设定。在本发明的实 施例中，这两个设定值至可设定如下=Isrtl彡0,Isrt2 < 0。应注意，值Isetl和Iset2可由本领 域技术人员根据实际实施方式预设成任意值。
[0050] 图3a和3b分别示出了针对外部故障和内部故障的差动继电器的操作特性。
[0051] 如图3a和3b中所示，限制使得操作斜率的原点（Iset2,Isetl)位于第二象限，为了 形成对照，虚线示出了传统差动继电器的典型的操作特性。
[0052]其中，IAjjli + I表示动作电流，max(|Δ/Μ |，|Δ?Λ?I)表示制动电流。F(θΜ，θN)是 故障分量电流相位的函数，其对于内部故障应为负值或者相对较小的正值，对于外部故障 应为相对大的正值。通过这种方法，其控制动作特性中的斜率。因此，其对于外部故障将减 小动作区域，而对于内部故障将增大动作区域。
[0053] 在本发明的优选实施例中，控制因子F(0M，ΘΝ)可为K1-K2 ·cos(0M-0N)。应注 意，除了示例之外，可满足上述F(0M，ΘΝ)要求的任何合适的函数都可用于实际实施方式。
[0054] 图4a和4b分别不出了在外部故障和内部故障的情况下故障分量电流的向量图。
[0055] 如上所述，斜率由F(θΜ，θN)控制，例如（K1-K2 ·cos(θΜ-θN))。通常，（θΜ-θN) 对于图4b中所示的内部故障几乎为0°，而对于图4a中所示的外部故障几乎为180°。 [0056] 通过Kl和K2的适当设定，用于操作特性的（K1-K2 ·cos(θΜ-θN))的斜率对于内 部故障将为负值或相对小的正值，而通过Kl和K2的适当设定对于内部故障将为相当大的 正值。这里，Kl可确保在外部故障情况下（在此情况下，（θμ-θN)可为大角度而不是零）， 即使在严重的CT饱和期间，（K1-K2 ·cos(θΜ-θN))为足够大的正值。K2同时控制对内部 故障的灵敏度以及对外部故障的可靠性。换言之，相对较大的K2将同时有益于对外部故障 的可靠性和对内部故障的灵敏度。
[0057] 图5示出了根据本发明的对于将多端系统转换成虚拟两端系统的向量图。
[0058] 如图5中所示，为了将多端系统转换成虚拟两端系统，首先，测量多端线路系统的 所有端的全量电流，并计算相应的故障分量电流向量。从计算出的故障分量电流中选择最 大值，计算除了最大值之外的所有其他计算出的故障分量电流的总和；然后将最大值和总 和视为虚拟两端系统的两端的电流。
[0059] 将多端系统转换成虚拟两端系统之后，图1中提及的方法可应用于通过电流差动 保护对故障进行识别。
[0060] 根据优选实施例，如果电流幅值中的至少一个过小而无法测量相位角，例如 ILMllm和/或定的控制因子K可用于替代自适应因子F(0M，ΘΝ);也就是 说，判据将被重新修改成：|Δ/(/ +Δ/Λ. (max(|A/Ai |,|Δ/Λ. |)-/_2)。在另一实施例 中，第二差值|Δ/Λ? -Δ^νI-?4(,2是在故障分量电流的差的绝对值与第二预设值Isrt2之间计 算的。因而，不等式将改写如下：I< +Δ/#I-Jialk[·(|Δ/Μ -卜42)。
[0061] 根据本发明的描述，对本领域技术人员显而易见的是，其中，所述方法直接使用与 故障分量电流向量对应的全量电流向量来识别故障。
[0062] 详细地，所述方法包括：测量两端线路系统的两端的全量电流，即，之和&; 通过计算全量电流向量之和的绝对值与第一预设值Isrtl之间的第一差值得到动作量 I4 4I-U通过将第二差值乘以控制因子F(θΜ，θΝ)得到制动量，其中，第二差值是在 全量电流的绝对值的最大值与第二预设值Isrt2之间计算的；通过将动作量与制动量进行比 较将故障识别为外部故障或者内部故障。也就是说，识别判据改写如下：
[0063] \?Μ +?Ν \-Isen >F{0M,eN)-{maxi\iM |,|/^\)~Iset2)
[0064] 在另一实施例中，第二差值|乙-之I-4,2是在故障分量电流的差的绝对值与第 二预设值Isrt2之间计算的。因而，不等式将改写如下：
[0065] IIm +InI-Isetl > F{Om ,Θν)·{\?μ - ?ΝI-Isetl)
[0066] 应注意，全量电流包括全量相电流和/或正序电流。在此情况下，控制因子 F(eM，θν)与全量电流的相位角有关。
[0067] 根据本发明的另一实施例，如果电流幅值中的至少一个过小而无法测量相位 角，则确定的控制因子K可用于替代因子f(0m，ΘΝ)，也就是说，判据将重新修改成： +4l_D【(max(l^iI，l41)-U) >在另一实施例中，第二差值1-/^2是 在故障分量电流的差的绝对值与第二预设值Isrt2之间计算的。因而，不等式将改写如下： Um+ 4I-2I·d- 4I-D。
[0068] 图6示出了根据本发明实施例的通过电流差动保护识别故障的设备的示图。
[0069] 如图6中所示，通过电流差动保护识别故障的设备600主要包括：测量模块602、 计算模块604和识别模块606。
[0070] 测量模块602被配置成测量两端线路系统的两端的全量电流。
[0071] 计算模块604被配置成计算相应的故障分量电流向量；通过计算故障分量电流向 量之和的绝对值与第一预设值Isrtl之间的第一差值得到动作量；通过将第二差值乘以控制 因子（该控制因子与故障分量电流的相位角有关）得到制动量，其中，第二差值是在故障分 量电流的绝对值的最大值与第二预设值Isrt2之间或在故障分量电流的差的绝对值与第二 预设值Isrt2之间计算的。
[0072] 识别模块606被配置成通过将动作量与制动量进行比较将故障识别为外部故障 或者内部故障。详细地，如果动作量更小，则识别模块将故障识别成外部故障或没有故障； 反之，将故障识别成内部故障。
[0073] 当设备应用于多端系统时，该设备进一步包括转换模块608,该转换模块608被配 置成通过从计算出的故障分量电流中选择最大值并计算除了最大值之外的所有其他计算 出的故障分量电流的总和，将最大值和总和视为虚拟两端系统的两端的电流。于是，多端系 统可被转换成虚拟两端系统。
[0074] 根据本发明的所提出的解决方案，本领域技术人员可设计或制造比现有产品的可 靠性、灵敏度更好且速度更快的差动电流保护产品。此外，在现有平台上易于实施该算法。 而且，其无需太高的采样频率或很高的测量精度，这将有助于节省开发成本。
[0075] 应注意，在本发明中提供的通过电流差动保护识别故障的方法及其设备可用在 (而不限于）线路差动保护或主设施的差动保护中，例如发电机保护、母线保护、电容器保 护、变压器保护、电抗器保护、电动机保护或基于电流差动算法的其他保护等。
[0076] 参照示例性实施例的描述，本领域技术人员认识到本发明的优点：
[0077] 1.根据在本发明中提供的通过电流差动保护识别故障的方法及其设备，对于外部 故障其具有非常小的动作区域，这即使在严重CT饱和的情况下也大大提高了保护的可靠 性。
[0078] 2.根据在本发明中提供的通过电流差动保护识别故障的方法及其设备，其对于内 部故障具有非常大的动作区域，这即使在重负荷和高阻抗故障的情况下也大大提高了对内 部故障的灵敏度。
[0079] 3.根据在本发明中提供的通过电流差动保护识别故障的方法及其设备，与基于全 量电流或故障分量电流的现有差动保护相比，其动作速度更快。
[0080] 4.根据在本发明中提供的通过电流差动保护识别故障的方法及其设备，识别判据 简单并且易于根据实际情况进行调整，能够方便地应用于现有的保护平台上。
[0081] 尽管已基于一些优选实施例描述了本发明，但本领域技术人员应认识到，这些实 施例绝非应限制本发明的范围。在不脱离本发明的精神和理念的情况下，对实施例的任何 变体和修改应在本领域具有普通知识和技能的人员的理解范围内，因此落入由所附权利要 求书限定的本发明的范围。
【权利要求】
1. 一种通过电流差动保护识别故障的方法，其中，所述方法包括： 测量两端线路系统的两端的全量电流，并计算相应的故障分量电流向量； 通过计算所述故障分量电流向量之和的绝对值与第一预设值Isrtl之间的第一差值得 到动作量； 通过将第二差值乘以控制因子得到制动量，其中，所述第二差值是在所述故障分量电 流的绝对值的最大值与第二预设值Isrt2之间或在所述故障分量电流的差的绝对值与第二 预设值Is6t2之间计算的；以及 通过将所述动作量与所述制动量进行比较将故障识别为外部故障或者内部故障。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述控制因子与故障分量电流的相位角有关。
3. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述控制因子对于外部故障将为相对大的正值， 而对于内部故障将为相对小的正值或负值。
4. 根据权利要求1所述的方法，其中，如果动作量小于制动量，则故障被识别为外部故 障或在系统中没有发生故障；否则，将识别为内部故障。
5. 根据权利要求1所述的方法，其中，通过将多端系统转换成虚拟两端系统，所述方法 能够应用于所述多端系统。
6. 根据权利要求5所述的方法，其中，所述方法进一步包括： 测量多端线路系统的所有端的全量电流，并计算相应的故障分量电流向量； 从计算出的故障分量电流中选择最大值； 计算除了所述最大值之外的所有其他计算出的故障分量电流的总和；以及 将所述最大值和所述总和视为所述虚拟两端系统的两个端的电流。
7. 根据权利要求1或6所述的方法，其中，所述方法直接使用与所述故障分量电流向量 对应的全量电流向量来识别故障。
8. -种通过电流差动保护识别故障的设备，其中，所述设备包括： 测量模块，被配置成测量两端线路系统的两个端的全量电流； 计算模块，被配置成计算相应的故障分量电流向量；通过计算所述故障分量电流向量 之和的绝对值与第一预设值Isrtl之间的第一差值得到动作量；通过将第二差值乘以控制因 子得到制动量，其中，所述第二差值是在所述故障分量电流的绝对值的最大值与第二预设 值Isrt2之间或在所述故障分量电流的差的绝对值与第二预设值Isrt2之间计算的；以及 识别模块，被配置成通过将所述动作量与所述制动量进行比较将故障识别为外部故障 或者内部故障。
9. 根据权利要求8所述的设备，其中，所述控制因子与故障分量电流的相位角有关。
10. 根据权利要求9所述的设备，其中，所述控制因子对于外部故障将为相对大的正 值，而对于内部故障将为相对小的正值或负值。
11. 根据权利要求8所述的设备，其中，如果动作量小于制动量，则所述识别模块将故 障识别为外部故障或在系统中没有故障；否则，所述识别模块将故障识别为内部故障。
12. 根据权利要求8所述的设备，其中，通过将多端系统转换成虚拟两端系统，所述设 备能够应用于所述多端系统。
13. 根据权利要求12所述的设备，其中， 所述测量模块进一步被配置成测量多端线路系统的所有端的全量电流并计算相应的 故障分量电流向量； 所述计算模块进一步被配置成从计算出的故障分量电流中选择最大值，并计算除了所 述最大值之外的所有其他计算出的故障分量电流的总和；以及 转换模块被配置成将所述最大值和所述总和视为所述虚拟两端系统的两端的电流。
14.根据权利要求8或13所述的方法，其中，所述设备直接使用与所述故障分量电流向 量对应的全量电流向量来识别故障。
【文档编号】H02H3/28GK104364988SQ201280073738
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2012年6月6日 优先权日:2012年6月6日
【发明者】李幼仪, 刘凯, 苏斌 申请人:Abb技术有限公司