专利名称：仅使用电流的故障方向参数指示器装置和有关的方法
技术领域：
本发明的方面涉及配电系统的故障方向参数指示器装置，特别地涉及用于指示传输线上的故障的方向参数的故障方向参数指示器装置。另外的方面涉及定向过流继电器，其包括这样的故障方向参数指示器装置并且进一步包括断路器。另外的方面涉及确定配电系统的传输线上的故障的故障方向参数的方法。
背景技术：
定向过电流继电器广泛地用于例如径向和环式中压输电系统的配电系统和其他配电系统的保护。这些继电器具有使它们能够确定故障方向的功能性。在这里，故障一般意指过电流，典型地来自短路。此外，故障方向在大多数情况下是二进制信息，其指示故障是前向故障还是后向故障。在这里，在使上游电源连接到下游配电系统部分的电力线中(其中正常电力方向是从上游到下游)，前向方向是继电器下游，并且后向或反向方向是继电器上游。在智能电网中，分散或分布式单元可以将电力馈送到电网内或消耗来自电网的电力。从而，在智能电网中，电力流方向可随着时间而改变。在该情形下，“前向”和“反向”仍可以如上文那样相对于当前电力流而限定，使得例如如果电力流反向则前向方向将改变。更一般地，故障方向是故障在测量位置的哪一侧处出现的指示符。在上文的示例中，存在两个方向，前向和后向。如果测量位置处于具有两个以上的侧的电力网的节点处，可存在不只是前向或后向方向。例如，对于一个后向线路部分和两个前向线路部分所连接至IJ的节点，故障方向可包括“前向-1”、“前向-2”和“后向”的情况。方向信息提供关于出现故障所在的位置的更详细信息。该信息可用于在故障情况下使配电系统的较小的部分失效。例如，常规的环式主馈线(例如用于国内供应)在它的T结处具有断路器。如果在该常 规的环式主馈线的线路中的任何线路中存在故障，典型地整个线路段被中断。该情形可以在获得更详细的故障方向信息时改进。为此目的，定向过电流继电器可以连同断路开关安装在线路中。利用这样的继电器-开关系统，参考电压测量允许计算故障电流和它的方向。方向信息然后可以用于仅断开适当的段，而不是整个线路。已知的定向过电流继电器依靠参考电压相量(也称为“电压极化”)用于估计故障的方向。当出现故障时，故障电流具有关于电压相量的特征相位角，该相位角取决于故障方向。通过将在电力线上的测量位置处测量的电流相量(复数电流值，其实部是实际AC电流)与参考电压相量(在工业上称作“电压极化”)比较来确定故障方向。这需要电流和电压两者的测量。该方法在故障非常靠近继电器时变得不可靠，因为在该情况下，继电器通过短路而几乎接地(在工业上称作“近区故障”)。此外，包括电压测量单元的过电流继电器是昂贵的。因为对于上文的布置必须大量地使用它们，这是主要的成本因素。在2007 年 10 月 I 日(2007-10-01) IEEE TRANSACTIONS ON POWER DELIVERY,IEEE SERVICE CENTER, NEW YORK, NY, US,卷 22，第 4 期，页 2065-2071， XPOlI191870，ISSN: 0885-8977，DOI:D0I10.1109/TPWRD.2007.905340 的 PRADHAN A.K.等人的 “FaultDirection Estimation in Radial Distribution System Using Phase Change inSequence Current”中基于相量估计提出故障方向估计。未获得指示测量电流的时域电流数据。DE 19835731A1提出用于故障方向估计的实验设置，其分析电网中的电流与电压之间的相位角。在2005 年 4 月 I 日(2005-04-01) IEEE TRANSACTIONS ON POWER DELIVERY,IEEE SERVICE CENTER, NEW YORK, NY, US，卷 20，第 2 期，页 566-572，XPOl1129251，ISSN:0885-8977，DO1:DO1:10.1109/WRD.2005.844356 的 EISSA Μ.Μ.的“Evaluation of a NewCurrent Directional Protection Technique Using Field Data” 中，通过制作对两个量(例如故障电流和故障前电流)之间的相位角差作出响应的继电器来利用由故障引起的相位关系差。
发明内容
鉴于上文，提供根据权利要求1确定故障方向参数的方法、根据权利要求12的故障方向参数指示器装置、根据权利要求14的定向过电流继电器和根据权利要求15的使用。可以与本文描述的实施例组合的另外的优势、特征、方面和细节从从属权利要求、描述和图变得明显。根据第一方面，提供关于传输线的测量位置确定配电系统的AC传输线上的故障的故障方向参数的方法，例如用于户外应用。该方法包括:通过测量单元在测量位置处测量传输线的时间相关的电流，由此获得指示测量电流的时域电流数据，该测量单元包括用于测量传输线的测量位置处的电流的电流传感器但没有电压传感器；将来自测量单元的电流数据传输到决策逻辑段；获得AC传输线上的故障的故障时间；通过识别电流数据的周期重现的特征来识别第一时间和第二时间，使得故障时间在该第一时间与该第二时间之间，其中该周期重现的特征从由电流数据的零交叉、最大值、最小值和最高梯度组成的组选择；从电流数据提取指示故障时间处电流的时间偏移的偏移指示参数，其中该偏移指示参数是第一时间与第二时间之间的时间间隔；通过将偏移指示参数与非偏移指示参数比较来计算偏移方向参数并且基于计算的偏移方向参数的符号建立故障方向参数。非偏移指示参数指示在第一时间与第二时间之间没有电流的时间偏移。根据另一个实施例，方法包括提取偏移指示参数的步骤，其包括选择电流积分时间间隔的积分极限使得电流积分时间间隔是AC电流的标准周期长度或其的整数倍；以及在电流积分时间间隔上计算电流数据的数值积分。根据另外的实施例，方法包括通过第二故障方向确定程序从电流信号确定第二故障方向参数，其中该第二故障方向确定程序包括:从输入段接收电流信号，其包括复数故障前和故障后电流值；确定相应电流值的相位角；确定相位角中选择的一些之间的多个相位差值；对这些相位差值中的至少一些求和来获得累积相位差参数；以及通过将累积相位差参数与阈值比较来确定第二故障方向参数并且从第一故障方向参数和从第二故障方向参数建立主故障方向参数，并且输出该主故障 方向参数。根据第二方面，提供故障方向参数指示器装置，其用于关于传输线的测量位置指示配电系统的AC传输线上的故障的故障方向参数。该故障方向参数指示器装置包括:测量单元，该测量单元包括用于测量传输线的测量位置处的AC电流的电流传感器但没有电压传感器，其中该测量单元操作地耦合于输入段，用于将从电流测量获得的时域电流数据传输到输入段；输入段，其配置用于接收指示由测量单元在测量位置处测量的时间相关的电流的时域电流数据；决策逻辑段，其配置用于基于该时域电流数据确定故障方向参数。该决策逻辑段包括:故障偏移计算子段，其配置成从电流数据提取指示故障时间处电流的时间偏移的偏移指示参数，其中提取该偏移指示参数包括通过识别电流数据的周期重现的特征来识别第一时间和第二时间，使得故障时间在该第一时间与该第二时间之间，并且其中该偏移指示参数是该第一时间与该第二时间之间的时间间隔，其中该周期重现的特征从由电流数据的零交叉、最大值、最小值和最高梯度组成的组选择；偏移方向计算子段，其配置成通过将偏移指示参数与非偏移指示参数(其指示没有电流的时间偏移)比较来计算偏移方向参数；以及故障方向参数建立子段，其配置成从计算的偏移方向参数建立故障方向参数。根据一方面，决策逻辑段配置用于实施本文描述的任何方法步骤。上文的方面允许以减少的成本可靠且有效地确定例如故障方向的故障参数。除其他因素外，成本降低因为不需要电压测量并且因为计算简单且可以用有限的硬件以充分的速度执行而是可能的。S卩，根据本发明的方面，因为可以基于时域电流数据来计算偏移方向参数，简单的计算是可能的。在本文，时域数据是代表作为时间的函数的量(例如电流)的数据。也就是说，可以对数据点分配时间。数据可经历操作，其在时间上略微是非局部的，使得数据在时间上有些分散或可包括在其他时间获得的信息，只要特定时间仍可以合理地分配给测量(例如，平均时间)即可。例如，数据可经历浮动平均操作或低通滤波用于消除高频噪声。然而，该非局部处理应该在时间标度上，其小于电流的AC周期，例如小于0.2倍的AC周期。这确�？焖偈菘捎眯院陀邢薜挠布螅蛭诘缌鞑饬亢罂梢匝杆俅佑邢奘康牡缌鞑饬炕竦檬庇蚴葜械拿扛�。与频域计算相比，傅里叶变换或诸如此类不是必需的，而仅是时域上的相对局部操作。因此，硬件要求可减少。此外，即使 故障位于继电器或变电站附近(称为“近区故障”)，该方法允许估计例如故障的方向。通过使用常规的基于电压的方法难以估计这样的故障的方向，因为测量位置处的输入电压趋于变成零。由于上文的方面依靠电流测量，在该情况下不存在这样的问题。此外，上文允许独立于电流测量的取样速率来选择相位角灵敏度。特别地，可以获得以下相位角灵敏度:其低于两个电流测量(取样角)之间的正常相位变化。
细节将在下面参考图描述，其中
图1示出根据实施例的配电系统，其包括测量单元和故障方向指示器装置；
图2示出对理解本发明的方面有用的电流相量 图3示出对理解本发明的方面有用的时间对电流 图4更详细地示出图1的测量单元和故障方向指示器装置；
图5更详细地示出根据实施例的故障方向指示器装置的决策逻辑段；图6a到6d示出时间对电流图，其图示根据本发明实施例的确定故障方向的方法；
图7、8和9不出另外的时间对电流图，其图不根据本发明实施例的确定故障方向的相应方法；
图10示出根据实施例的配电系统，其包括断路器；
图11示出根据本发明实施例的故障方向指示器装置的另外的决策逻辑段；以及 图12示出根据本发明另外的实施例的测量单元和故障方向指示器装置。
具体实施例方式现在将详细参考各种实施例,其一个或多个示例在每个图中图示。每个示例通过解释的方式提供并且不意为限制。例如，图示或描述为一个实施例的一部分的特征可以在任何其他实施例上或与任何其他实施例结合使用来产生再另外的实施例。规定本公开包括这样的修改和变化形式。特别地，下文的示例涉及故障方向指示器装置。然而，本文描述的方法还可以在其他保护功能(不同于方向估计)中使用。
在图的下列描述中，相同的标号指代相同或相似的组件。一般，只描述关于单独实施例的差异。除非另外规定，一个实施例中的一部分或方面的描述也适用于另一个实施例中的对应部分或方面。在本文，当参考在特定时间测量的电流值或参考时域电流值测量时，这样的术语暗指可以对这样的测量分配时间，但测量在时间上不一定完全是局部的。例如，只要仍可以对测量合理地分配特定时间(例如平均时间)，测量可在时间上分散或可包括在其他时间获得的信息。例如，可通过用于消除高频噪声的低通滤波器处理时间相关的测量来获得时域测量数据。而且,如果规定传输故障前和故障后信号,这不一定暗指将在传输的时候知晓故障前和故障后信号之间的区别。这样的区别还可在传输后的时间建立，例如在处理信号后或在获得来自其他源的另外的信息后。装置:一般描述
图1示出配电系统I。在本文，传输线10使电源2 (例如，分布式发电源总线)连接到电网4，例如以从电源2对电网4馈电。此外，测量单元20在测量位置12处连接到传输线
10。关于测量位置12，传输线分成上游(或后向)部分(源2的侧，在源与继电器之间)以及下游(或前向)部分(电网4的侧，在继电器与线路或电网之间)。如上文描述的，在智能电网中，电力流方向可随时间变化，但“前向”和“反向”仍可以相对于当前电力流而限定。测量单元20适于在测量位置12处测量传输线10中流动的电流。故障方向指示器装置30从测量单元20接收指示测量的电流的电流信号，并且具有从该电流数据指示传输线10上的故障的方向的功能性，即指示故障相对于测量位置12是在后向方向上还是在前向方向上出现的功能性。测量单元20包括电流传感器，用于在测量位置12处测量传输线10的电流。它不包括任何电压传感器。测量单元20操作地耦合于故障方向指示器装置30(更准确地，耦合于其输入段32，在下文在图4中示出)用于将从电流测量获得的电流信号传输到故障方向指示器装置30 (到输入段32)。如将在下文更详细描述的，故障方向指示器装置30具有通过仅使用从测量单元20提供的电流数据(而没有任何参考电压)来指示方向信息的功能性。这导致主要的成本优势，因为在测量单元20中不需要有电压传感器。由于典型的配电系统需要许多继电器(如在图1中描绘的那个)，总成本优势可以是显著的。一般，配置将更复杂，例如当传输线12不直接连接而经由总线连接到更复杂网络上游的电源2时。相似地，下游配置可更复杂。而且，为了简单起见，仅示出单相线路。一般，网络将具有更多的相(典型地，三相)。超出一个单相线路的情况将在下文进一步讨论。现在，参考图4，更详细地描述图1的故障方向指示器装置30。故障方向指示器装置30具有输入段32和决策逻辑段36。该输入段32适应于接收传输线数据，即涉及传输线的数据，并且更特别地，来自测量单元20的电流信号，而不接收任何电压信号。从而，由输入段32接收的传输线数据由电流信号和可能的其他非电压数据组成，但不包括任何电压数据或例如混合的电流-电压数据。也就是说，传输线数据没有由电压测量产生的数据。决策逻辑段36操作地连接到输入段32用于接收传输线数据(其还包括从传输线数据处理的数据的情况)。决策逻辑段36包括第一故障方向确定程序，用于从传输线数据确定故障方向和用于将确定的故障方向输出为第一故障方向指不符。故障方向确定程序:一般引入
在下面，将更详细地描述决策逻辑段36，并且更特定地，第一故障方向确定程序。在故障的情况下，程序的任务是从传输线数据提取方向信息，即尤其从电流信号。利用下文描述的算法，从电流测量检测故障的方向而不使用电压信号。底层模型:
现在，在详细描述决策逻辑之前，将参考图1至3描述模型，故障方向可以根据该模型而仅从电流得出。图1示出输电线10的两个可能故障，下游故障F2和上游故障F1。在上游故障Fl的情况下，从电网4流到故障Fl的故障电流Ifi是
权利要求
1.一种关于传输线(10)的测量位置(12)确定配电系统(I)的AC传输线(10)上的故障的故障方向参数的方法，所述方法包括 -由测量单元(20)测量在所述测量位置(12)处所述传输线(10)的时间相关的AC电流，由此获得指示测量电流的时域电流数据(80)，所述测量单元(20)包括用于测量所述传输线(10)的所述测量位置(12)处的电流的电流传感器但没有电压传感器； 一将来自所述测量单元(20)的电流数据传输到决策逻辑段(36)； 一获得所述AC传输线(10)上的故障的故障时间(81)； 一通过识别所述电流数据(80)的周期重现的特征来识别第一时间(tl)和第二时间(t2)，使得所述故障时间(81)在所述第一时间(tl)与所述第二时间(t2)之间，其中所述周期重现的特征从由所述电流数据的零交叉、最大值、最小值和最高梯度组成的组选择； -从所述电流数据(80)提取指示所述故障时间(81)处电流的时间偏移(81’)的偏移指示参数(82 ;86，87)，其中所述偏移指示参数(82)是所述第一时间(tl)与所述第二时间(t2)之间的时间间隔； 一通过将所述偏移指示参数(82 ;86，87)与非偏移指示参数(84)比较来计算偏移方向参数；以及 一基于计算的偏移方向参数的符号建立所述故障方向参数。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述偏移指示参数(82;86，87)从由时间间隔(82)和时间间隔(85)内的电流数据(86，87)的数值时间积分组成的列表中选择，所述时间间隔 (82)包括所述故障时间(81)，所述时间间隔(85)包括所述故障时间(81)。
3.如权利要求2所述的方法，进一步包括监测所述电流数据是否包含在比预定阈值更接近所述故障时间(81)的时间处的周期重现的特征中的至少两个；并且在该情况下忽略至少两个周期重现的特征中的至少一个。
4.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，提取所述偏移指示参数的步骤包括选择电流积分时间间隔的积分极限使得所述电流积分时间间隔是AC电流的标准周期长度或其的整数倍；并且在所述电流积分时间间隔(85)上计算所述电流数据的数值积分(86，87)。
5.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述传输线包括多个相线，所述方法包括测量所述相线中的每个处的电流；并且对所述多个相线中的每个独立地确定相应的偏移指示参数(82 ;86，87)。
6.如权利要求5所述的方法，进一步包括从所述相线选择所述偏移指示参数(82;86，87)，对于其，所述偏移指示参数(82 ;86，87)与所述非偏移指示参数(84)之间的差在幅度上最大。
7.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述测量包括测量所述传输线(10)的电流但不测量其的电压。
8.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述故障方向参数包括“前向故障”、“后向故障”和“中性”，所述方法进一步包括将所述偏移指示参数(82 ;86，87)与所述非偏移指示参数(84)之间的差的幅度与阈值比较，并且假如所述差的幅度低于所述阈值，则发出“中性”命令。
9.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述故障方向参数是第一故障方向参数，所述方法进一步包括 一通过第二故障方向确定程序从电流信号确定第二故障方向参数，其中所述第二故障方向确定程序包括:从输入段接收电流信号，其包括复数故障前和故障后电流值；确定相应电流值的相位角；确定相位角中选择的一些之间的多个相位差值；对所述相位差值中的至少一些求和来获得累积相位差参数；以及通过将所述累积相位差参数与阈值比较来确定所述第二故障方向参数；并且 一从所述第一故障方向参数和所述第二故障方向参数建立主故障方向参数，并且输出所述主故障方向参数。
10.一种故障方向参数指示器装置(30)，用于关于传输线(10)的测量位置(12)指示配电系统(I)的AC传输线(10)上的故障的故障方向参数，所述故障方向参数指示器装置(30)包括: 一测量单元(20)，所述测量单元(20)包括用于测量传输线(10)的测量位置(12)处的AC电流的电流传感器但没有电压传感器，其中所述测量单元(20)操作地耦合于输入段(32 )，用于将从电流测量获得的所述时域电流数据(80 )传输到所述输入段(32 ); 一所述输入段(32)，其配置用于接收指示由所述测量单元(20)在所述测量位置(12)处测量的时间相关的电流的时域电流数据(80)； 一决策逻辑段(36)，其配置用于基于所述时域电流数据(80)确定故障方向参数，其中所述决策逻辑段(36)包括: 一故障偏移计算子段(43)，其配置成从所述电流数据(80)提取指示故障时间(81)处电流的时间偏移(81’)的偏移指示参数(82 ;86，87)，其中提取所述偏移指示参数(82 ;86，87)包括通过识别所述电流数 据(80)的周期重现的特征来识别第一时间(tl)和第二时间(t2)，使得所述故障时间(81)在所述第一时间(tl)与所述第二时间(t2)之间，并且其中所述偏移指示参数(82 )是所述第一时间(11)与所述第二时间(t2 )之间的时间间隔，其中所述周期重现的特征从由电流数据的零交叉、最大值、最小值和最高梯度组成的组选择； 一偏移方向计算子段(46)，其配置成通过将所述偏移指示参数(82 ;86，87)与非偏移指示参数(84)比较来计算偏移方向参数；以及 一故障方向参数建立子段(49)，其配置成从计算的偏移方向参数建立故障方向参数。
11.一种定向过电流继电器，包括如权利要求10所述的故障方向参数指示器装置(30)和断路器(50)，其操作地耦合于所述故障方向指示器装置(30)，用于从所述故障方向参数指示器装置(30)接收所述故障方向参数。
12.—种在户外和/或智能电网配电网络中根据权利要求10或11中任一项所述的装置的使用。
全文摘要
描述了关于传输线10的测量位置12确定配电系统1的AC传输线10上的故障的故障方向参数的方法。该方法包括在测量位置12处由测量单元20测量传输线10的时间相关的AC电流，由此获得指示测量电流的时域电流数据80，该测量单元20包括用于测量传输线10的测量位置12处的电流的电流传感器但没有电压传感器；将电流数据传输到决策逻辑段36；获得AC传输线10上的故障的故障时间81；通过识别电流数据80的周期重现的特征来识别第一时间t1和第二时间t2，使得故障时间81在该第一时间t1与该第二时间t2之间，其中周期重现的特征从由电流数据的零交叉、最大值、最小值和最高梯度组成的组选择；从电流数据80提取指示故障时间81处电流的时间偏移81’的偏移指示参数82；86，87，其中偏移指示参数82是第一时间t1与第二时间t2之间的时间间隔；通过将偏移指示参数82；86，87与非偏移指示参数84比较来计算偏移方向参数；以及基于计算的偏移方向参数建立所述故障方向参数。
文档编号G01R31/08GK103250063SQ201180060359
公开日2013年8月14日 申请日期2011年10月14日 优先权日2010年10月14日
发明者A.乌基尔, B.德克, V.H.沙 申请人:Abb研究有限公司
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
