CN1435929A - 数字式方向继电器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种数字式方向继电器，周期性地取样电力系统的电压值及电流值变换成数字数据，利用该变换成数字数据的电压值及电流值进行故障方向的判定计算。该数字式方向继电器利用作为基点的时刻的电压值及电流值和从其作为基点的时刻开始隔开规定的取样间隔的时刻的电压值及电流值分别计算不平衡成分电压的变化分量(114)(142)和不平衡成分电流的变化分量(115)(143)。输入该不平衡成分电压的变化分量和不平衡成分电流的变化分量求出其相位关系，判定是前方故障还是后方故障(116，117)。

Description

数字式方向继电器

技术领域

本发明涉及一种利用逆相变化分量或者零相变化分量等的不平衡成分电量的变化分量判定故障的方向的数字式方向继电器。

背景技术

利用使用了逆相分量电量或者零相分量电量的方向继电器判定电力系统的故障方向，已通过电气协同研究第37卷1号54页的记载等而广为人知。

在实现数字式逆相方向继电器时，假设按一定的取样间隔获得的电力系统的电压、电流的样值分别为V_m、I_m。这样，电压、电流的逆相成分可以用下式(1)(2)求出。

3V_2m＝V_am+V_b(m·8)+V_c(m·4)                  (1)

3I_2m＝I_am+I_b(m·8)+I_c(m·4)                  (2)

m为取样时刻，下标2表示逆相成分，并且a、b、c分别表示各相A、B、C的电量。并且，m·α表示从m到α取样前的电量(取样间隔30°电气角)。

在电力系统3相平衡时，由于不存在逆相成分，因此(1)(2)式的各项都为0。当电力系统中发生不平衡故障时，从系统保护继电器看去的逆相阻抗Z₂满足V_2m＝Z₂·I_2m。在该式中，由于Z₂一般情况下差不多都是电抗成分，因此V_2m与I_2m的相位大概相差90°。此时，电压和电流中哪个相位在前由故障是发生在前方(保护方向)还是后方决定。

由于逆相电路中没有电源，因此与正相电路处于相反的相位关系。故障发生在前方时，电流超前于电压；故障发生在后方时，电流滞后于电压。因此，例如将电流向前移相90°、然后与电压内积，其结果如果为正则可以判定为后方故障，如果为负则可以判定为前方故障。实际的判定计算式如下式(3)。

V_2m×J_2m+V_2(m·3)×J_2(m·3)＜0             (3)

式中，J_2m为将I_2m移相90°的值。实际上使之具有若干个非感应带，如果将其假设为K，则逆相方向继电器的动作区域可以表示为如图18。

该原理对于接地故障与对零相电路完全相同，用于接地故障的判定的电量中只用零相成分。

但是，在同一铁塔中共同架设有多根线路、线路间流过零相循环电流时，或者在单相重合闸无电压时间中3相中暂时缺1相时，尽管实际上电力系统中没有发生故障，但存在逆相成分或者零相成分等的不平衡成分。在这样的情况下，在用不平衡成分的电量进行故障判定的计算时，存在方向继电器的灵敏度变低或者误动作的可能。

发明内容

本发明的目的是提供一种即使在电力系统在正常状态下存在逆相分量或者零相分量等的不平衡成分，也能在发生不平衡故障时正确地判定故障方向的数字式方向继电器。

本发明附加的目标和特点将在后面的叙述中阐述，并且有些部分从叙述中显而易见，或者通过本发明的实施能够认识到。本发明的目的和特征能够依靠下文中特别指出的手段及其组合认识到和获得。

本发明的数字式方向继电器周期性地取样电力系统的电压数据及电流数据变换成数字数据，利用该变换成数字数据的电压数据及电流数据进行故障方向的判定计算。并且，该数字式方向继电器利用作为基点的时刻的电压数据及电流数据和从其作为基点的时刻开始隔开规定的取样间隔的时刻的电压数据及电流数据分别计算不平衡成分电压的变化分量及不平衡成分电流的变化分量。输入该不平衡成分电压的变化分量及不平衡成分电流的变化分量求出其相位关系，判定是前方故障还是后方故障。

附图说明

所述附图与详细叙述合并并为详细叙述的一部分，具体化图解本发明，与前面的概述和后面的具体的详细叙述一起，用来解释本发明的原理。

图1所有实施例共同的硬件构成图

图2实现第1实施例的计算电路的方框图

图3第1实施例的判定动作范围的示意图

图4第1实施例的变型例1的判定动作范围的示意图

图5第1实施例的变型例2的判定动作范围的示意图

图6实现第2实施例的计算电路的方框图

图7第2实施例的判定动作范围的示意图

图8实现第3实施例的计算电路的方框图

图9第3实施例的判定动作范围的示意图

图10第3实施例的判定动作范围的设定例的示意图

图11实现第4实施例的计算电路的方框图

图12第4实施例的判定动作范围的示意图

图13实现第5实施例的计算电路的方框图

图14第5实施例的判定动作范围的示意图

图15实现第6实施例的计算电路的方框图

图16第6实施例的判定动作范围的示意图

图17第6实施例的判定动作范围的设定例的示意图

图18根据以前的逆相继电器计算的判定动作范围的示意图

具体实施方式

下面参照附图说明实施例。

图1为数字式方向继电器的所有实施例共同的硬件构成图。图1中，101为保护对象的输电线，102为用于从该输电线101获取电压的变压器(PT)电路，103为用于从输电线101获取电流的变流器(CT)电路。

并且，104-1变压器和104-2变流器为输入变换器。该输入变换器104-1、104-2分别将电力电路的变流器电路103及变压器电路102与电子电路电气地分离，并且用后述的计算电路109处理获取的电流值、电压值，变换其大小。

105-1、105-2为断开返回的频率的模拟滤波器，106-1、106-2为以规定的间隔取样模拟滤波器的输出、保持该样值的取样保持器。

107为按时序重新排列、输出多个取样保持值的多路转换器，108为将多路转换器107的输出变换为数值输出的模/数转换器，109为微型计算机等的数字计算电路。

第1实施例

图2为第1实施例的方框图，该实施例用多个计算单元的形式表示上述计算电路109的功能。在图2中，110为数字滤波器。该数字滤波器110滤波输入的数字数据V、I后，分别将v、I输出后述的计算单元111、112。

111为电压逆相分量计算单元。该电压逆相分量计算单元111用例如以下的式(4)求出电压的逆相分量。

3V_2m＝V_Am+V_B(m·8)+V_C(m·4)                  (4)

式中m为现在时刻的样值，以下每30°取一值，因此，m·4的意思为120°前的数值。

112为电流逆相分量计算单元。该电流逆相分量计算单元112用例如以下的式(5)求出电流的逆相分量。

3I_2m＝I_Am+I_B(m·8)+I_C(m·4)                  (5)

113为数据存储器。该数据存储器113保存作为电压逆相分量计算单元111及电流逆相分量计算单元112的计算结果的电压值及电流值。

114为电压逆相变化分量计算单元。该电压逆相变化分量计算单元114用以下的式(6)求出例如1个周期前的逆相电压值与现在时刻的逆相电压值的不平衡成分电压的变化分量。

ΔV_2m＝V_2m-V_2(m·12)                        (6)

115为电流逆相变化分量计算单元。该电流逆相变化分量计算单元115用以下的式(7)求出例如1个周期前的逆相电流值与现在时刻的逆相电流值的不平衡成分电流的变化分量。

ΔI_2m＝I_2m-I_2(m·12)                        (7)

在本实施例中先求出逆相分量，再求出变化分量，但先求出变化分量，再求出逆相分量也完全一样。

116为前方故障判定单元。该前方故障判定单元116根据逆相变化分量电压与逆相变化分量电流的相位关系判定前方故障。如果考虑到逆相的阻抗差不多为顺方向的电抗这一点，在前方故障时，ΔI_2m相对于-ΔV_2m滞后约90°。因此，通过将ΔI_2m移相90°，再与-ΔV_2m内积，能够看到逆相变化分量电压与逆相变化分量电流的相位关系。如果用式子表示这种关系，则如例如以下的(8)式这样。

ΔI_2m∠90°*(-ΔV_2m)≥k₁|ΔV_2m|             (8)

如果根据该式(8)，将ΔI_2m前移90°的量乘以-ΔV_2m所得的值大于k₁时，成为判定动作。用图表示该判定动作区域为图3。内积计算[ΔI_2m∠90°*(-ΔV_2m)]用下式(9)求出。

-ΔV_2m*ΔI_2m∠90°＝-ΔV_2m·ΔJ_2m-ΔV_2(m·3)·ΔJ_2(m·3)    (9)

式中ΔJ_2m为ΔI_2m前移90°的值，通过例如下式(10)求出。 ${\mathrm{\ΔJ}}_{2m}=({\mathrm{\ΔI}}_{2m}-{2\mathrm{\ΔI}}_{2(m\·2)})/\sqrt{3}---\left(10\right)$

绝对值|ΔV_2m|通过例如下式(11)求出。 $\left|{\mathrm{\ΔV}}_{2m}\right|=\sqrt{{\left({\mathrm{\ΔV}}_{2m}\right)}^2+{\left(\mathrm{\Δ}{V}_{2(m\·3)}\right)}^2}---\left(11\right)$

在逆相阻抗中包含较多的电阻成分R的情况下，改变电流的移相、变更到判定灵敏度最好的角度，使用户的调整成为可能。

变更到判定灵敏度最好的角度，使用户的调整成为可能。

117为后方故障判定单元。该后方故障判定单元117与上述前方故障判定单元116一样，根据逆相变化分量电压与逆相变化分量电流的相位关系判定后方故障。但是，由于是与前方故障相反的方向的判定，因此用下式(12)判定。

ΔI_2m∠90°*(-ΔV_2m)＜k₂|ΔV_2m|             (12)

具体的计算方法的说明由于与前方故障的判定时完全相同，因此省略。

图3表示故障判定的动作区域。故障判定式(8)、(12)中的k₁、k₂为决定判定灵敏度的要素，根据电力系统的条件决定。

如果采用上述实施例的数字式方向继电器，通过使用所谓逆相变化分量电压与逆相变化分量电流的不平衡成分电量的变化量，因此能够不容易受到总是存在的逆相分量的电量的影响。并且能够提高故障方向的判定精度。

当然，不将电流移相而将电压移相来判定故障时也完全相同。并且，为了求出逆相变化分量电压与逆相变化分量电流的相位关系，也可以将任何一个电量移相90°进行内积计算或者进行外积计算。

变型例1

作为第1实施例的变型例，列举单纯根据相位差来判定故障的例子。

如已叙述的那样，由于前方故障时-ΔV_2m与ΔJ_2m差不多处于相同的相位，因此假设其相位差为φ，则能够用下式(13)判定。

-ΔV_2m*ΔJ_2m＝|-ΔV_2m||ΔJ_2m|cosφ≥|-ΔV_2m||ΔJ_2m|X(13)

此时，如果假设X＝0，则判定动作范围为：

-π/2≤φ≤π/2

如果假设 则π/4≤φ≤π/4

如果用图表示该判定动作范围，则如图4。

变型例2

该变型例2将故障判定动作的区域偏移。如果将-(ΔV_2m-αΔV_2m)代入例如图4所示的判定动作区域的-ΔV_2m，则获得如图5所示的偏移αΔV_2m的特性。并且，α为例如常数。

虽然这里在电压的方向取得了判定动作区域的偏移，但如果系统偏移的计算相对于电流进行，则也可以沿电流的方向偏移。

如此，第1实施例的数字式方向继电器能够进行各种简单的变更或者追加功能。第1实施例与变型例1、变型例2在基本上着眼于逆相电流的变化分量与逆相电压的变化分量的相位差上这一点是共同的。

第2实施例

图6为第2实施例的方框图，该实施例用多个计算单元的形式表示上述计算电路109的功能。

该第2实施例的数字式方向继电器根据逆相变化分量电流与逆相变化分量电压求出逆相不平衡阻抗，根据该逆相不平衡阻抗的值判定故障的方向。并且，数字滤波器110～电流逆相变化分量计算单元115的各种功能与图2的第1实施例时相同，省略其说明。

逆相不平衡阻抗中的阻抗可以用I_m(ΔV₂/ΔI₂)求出。正常状态下电力系统中存在的逆相不平衡成分通过采用根据逆相变化分量电流和逆相变化分量电压求出的逆相不平衡阻抗，可以予以取消，能够提高判定精度。

逆相电路平时没有电源。前方故障时产生的电压由自身背后的阻抗决定，电流的相位超前于电压的相位。电流相位超前于电压相位的大小，与故障在前方时故障的地点无关，等于背后的阻抗。

相反，在后方产生故障时，由前方的阻抗决定产生故障时产生的电压，电流的相位处于滞后于电压的相位的方向。如果取该电流相位滞后的方向为正向，则在后方故障中，在前方的电力系统最大的情况下其阻抗变得最小。因此，如果前方的电力系统为最大的情况下的最小阻抗以下时，包括该阻抗为负时的情况下，能判定前方故障。判定式表示为下式(14)。

I_m(ΔV₂/ΔI₂)＜K₁                 (14)

式中的K₁只要在根据电力系统的构成等考虑的最小的阻抗以下就可以。

如果用积的形式表示该式(14)，则为下式(15)。如果下式(15)成立则为前方故障，如果不成立则为后方故障。

ΔV₂*ΔI₂∠90°＜K₁ΔI₂ ²          (15)

为了计算上式(15)，只要求出逆相变化电流的大小，以及逆相变化分量电压与逆相变化分量电流的内积就可以。

图6中，120为绝对值计算单元。绝对值计算单元120求出逆相变化分量电流大小的2次方。该绝对值计算单元120的计算式表示为例如下式(16)。

|ΔI₂|²＝(ΔI_2m)²+(ΔI_2(m·3))²   (16)

121为内积计算单元。该内积计算单元121求出使逆相变化分量电流的相位为90°时的值与逆相变化分量电压的内积。该内积的计算方法已经在例如式(9)中表示。

122为前方故障判定单元。前方故障判定单元122根据绝对值计算单元120及内积计算单元121的计算结果根据已经叙述的判定式(15)的成立判定前方故障。123为后方故障判定单元。后方故障判定单元123根据绝对值计算单元120及内积计算单元121的计算结果根据已经叙述的判定式(15)的不成立判定后方故障。

如上所述，如果采用该第2实施例，由于使用逆相变化分量电压与逆相变化分量电流的不平衡成分电量的变化量来求出逆相阻抗，因此不容易受总是存在的逆相分量电量的影响。并且能够提高故障方向的判定精度。此时的判定动作区域的例子表示为图7。

在由于电力系统的状况容易产生误差的场合，还可以在判定动作区域中设置不敏感带。下式(17)表示本实施例的判定式的变型例。

K₁ΔI₂ ²-ΔV₂*ΔI₂∠90°＞K₂       (17)

在上式(17)中通过将右边设定为非0常数，可以调整判定的灵敏度，能够适应误差。在该第2实施例中，由于其他的计算方法与第1实施例完全相同，故省略。

第3实施例

图8为第3实施例的方框图，该实施例用多个计算单元的形式表示上述计算电路109的功能。

在该第3实施例中，数字滤波器110～电流逆相变化分量计算单元115与图2所示的第1实施例相同。并且绝对值计算单元120及内积计算单元121与图6所示的第2实施例相同，所示省略其说明。

前方故障判定单元131根据绝对值计算单元120及内积计算单元121的计算结果、根据后述的判定式(19)的成立判定前方故障。后方故障判定单元132根据绝对值计算单元120及内积计算单元121的计算结果、根据后述的判定式(19)的成立判定后方故障。

第3实施例通过下式(18)进行前方故障的判定。

K₁ΔI₂-ΔV₂cos(φ-ψ)≥K₂                  (18)

式中ψ只要设定为希望使判定灵敏度最高的角度就可以。如已经叙述的那样，由于逆相电路的阻抗一般情况下差不多都是电抗成分，因此电流与电压的相位隔开约90°。因此，只要将ψ发定在90°附近就可以。

下面说明将ψ设定为90°时的情况。

如果在上式(18)两边同时乘以ΔI₂变更为抽样表达式，则为下式(19)。

K₁|ΔI_2m|²-ΔV_2m*ΔI_2m∠90°≥K₂ΔI_2m      (19)

130为平方根计算单元130。平方根计算单元130求出逆相变化分量电流的平方根。

前方故障判定单元131、后方故障判定单元132根据各计算单元120、121、130的计算结果计算判定式(19)，判定前方故障、后方故障。与该判定式(19)相对应的判定动作区域表示为图9。

如果这样采用第3实施例的数字式方向继电器，通过使用逆相变化分量电压与逆相变化分量电流的不平衡成分电量的变化分量，能够不容易受到总是存在的逆相分量电量的影响。特别是实施例3的判定方法，如从图9的特性能够明白的那样，由于能够对ΔV₂、ΔI₂分别设定判定灵敏度，因此具有对付误差能力强的特性。例如，在能够假定误差的最大值为ΔV_2E、ΔI_2E时，如图10所示，如果设定判定动作区域，则能够防止误差产生的误动作。

第4实施例

图11为表示数字式方向继电器的第4实施例的各计算单元的方框图。

该第4实施例如果与图2的第1实施例比较，除不使用逆相分量电量而使用零相分量电量以外，其他完全相同。

140为电压零相分量计算单元，141为电流零相分量计算单元。电压零相分量计算单元140、电流零相分量计算单元141根据例如下式(20)和(21)计算。

3V_0m＝V_am+V_bm+V_cm                     (20)

3I_0m＝I_am+I_bm+I_cm                     (21)

142为电压零相变化分量计算单元、143为电流零相分量变化计算单元。电压零相变化分量计算单元142、电流零相分量变化计算单元143根据下式(22)和(23)求出不平衡成分电压及不平衡成分电流的与例如1个周期前的变化量。

ΔI_0m＝I_0m-I_0(m·12)                  (22)

ΔV_0m＝V_0m-V_0(m·12)                  (23)

对于该第4实施例的其他构成，由于除不使用逆相分量电量而使用零相分量电量以外，其他与图2的第1实施例完全相同，所以省略其说明。该第4实施例的判定动作范围表示为图12。

如果采用该第4实施例的数字式方向继电器，由于使用零相变化分量的电量，因此能够不容易受到总是存在的零相分量电量的影响。与单独使用零相分量相比，能够提高故障方向的判定精度。并且用该第4实施例表示的、使用零相的变化分量的数字式方向继电器适合与逆相相比，故障的影响容易表现在零相的电力系统。作为其他的优点，零相的计算不耽误时间。因此不容易受频率变动的影响。

第5实施例

图13为表示数字式方向继电器的第5实施例的各计算单元的方框图。

第5实施例如果与图6的第2实施例相比较，除不使用逆相分量电量而使用零相分量电量以外，其他完全相同，省略其说明。

并且，电压零相分量计算单元140、电流零相分量计算单元141、电压零相变化分量计算单元142和电流零相变化分量计算单元143与第4实施例相同。

图14为第5实施例的数字式方向继电器的判定动作范围的示意图。

如果采用该第5实施例，由于使用零相变化分量的不平衡成分电量，因此能够不容易受到总是存在的零相分量电量的影响，能够提高故障方向的判定精度。用该第5实施例表示的、使用零相的变化分量的数字式方向继电器适合与逆相相比，故障的影响容易表现在零相的电力系统。作为其他的优点，零相的计算不耽误时间，因此不容易受频率变动的影响。

第6实施例

图15为表示数字式方向继电器的第6实施例的各计算单元的方框图。

第6实施例如果与图8的第3实施例相比较，除不使用逆相分量电量而使用零相分量电量以外，其他完全相同，省略其说明。

并且，电压零相分量计算单元140、电流零相分量计算单元141、电压零相变化分量计算单元142和电流零相变化分量计算单元143与第4实施例相同。

图16为第6实施例的数字式方向继电器的判定动作范围的示意图。

如果采用该第6实施例，由于使用零相变化分量的不平衡成分电量，因此能够不容易受到总是存在的零相分量电量的影响。特别是第6实施例的判定方法，如从图16的特性能够明白的那样，由于能够对ΔV₀、ΔI₀分别设定判定灵敏度，因此具有对付误差能力强的特性。例如，在能够假定误差的最大值为ΔV_0E、ΔI_0E时，如图17所示，如果设定判定动作区域，则能够防止误差产生的误动作。用该第6实施例表示的、使用零相的变化分量的数字式方向继电器适合与逆相相比，故障的影响容易表现在零相的电力系统。作为其他的优点，零相的计算不耽误时间，因此不容易受频率变动的影响。

对于那些精通技术的人来说，很容易发现本发明附加的优点和改进。因此，更宽形态的发明不局限于上述详细的描述和这里展示和描述的典型体现。因此，只要不违反附加的权利要求及其相等的限制的本发明一般概念的实质和范围，可以作各种改进。

本申请依据并要求有利于先前已申报的日本专利No.2002-017848[日期(例如2002年1月28日)]优先权，其整个内容在这里已按引用合并。

Claims (9)

1.一种数字式方向继电器，周期性地取样电力系统的电压值及电流数据变换成数字数据，利用该变换成数字数据的电压值及电流数据，进行故障方向的判定计算，其特征在于，包括：利用作为基点的时刻的电压数据和从其作为基点的时刻开始隔开规定的取样间隔的时刻的电压数据，计算不平衡成分电压的变化分量的电压变化分量计算单元(114)(142)；利用作为基点的时刻的电流数据和从其作为基点的时刻开始隔开规定的取样间隔的时刻的电流数据计算不平衡成分电流的变化分量的电流变化分量计算单元(115)(143)；根据上述电压变化分量计算单元(114)(142)计算出的不平衡成分电压的变化分量与上述电流变化分量计算单元(115)(143)计算出的不平衡成分电流的变化分量的相位关系，判定是前方故障还是后方故障的故障判定单元(116，117)(122，123)(131，132)。

2.一种数字式方向继电器，周期性地取样电力系统的电压数据及电流数据变换成数字数据，利用该变换成数字数据的电压数据及电流数据进行故障方向的判定计算，包括：利用作为基点的时刻的电压数据和从其作为基点的时刻开始隔开规定的取样间隔的时刻的电压数据计算不平衡成分电压的变化分量的电压变化分量计算单元(114)(142)；利用作为基点的时刻的电流数据和从其作为基点的时刻开始隔开规定的取样间隔的时刻的电流数据，计算不平衡成分电流的变化分量的电流变化分量计算单元(115)(143)；根据上述电压变化分量计算单元(114)(142)计算出的不平衡成分电压的变化分量与上述电流变化分量计算单元(115)(143)计算出的不平衡成分电流的变化分量，计算不平衡阻抗值的计算单元(120～123)；将这些计算单元(120～123)计算出的不平衡阻抗值与基准值相比较、判定是前方故障还是后方故障的故障判定单元(122，123)。

3.一种数字式方向继电器，周期性地取样电力系统的电压数据及电流数据变换成数字数据，利用该变换成数字数据的电压数据及电流数据进行故障方向的判定计算，包括：利用作为基点的时刻的电压数据和从其作为基点的时刻开始隔开规定的取样间隔的时刻的电压数据，计算不平衡成分电压的变化分量ΔV_u的电压变化分量计算单元(114)(142)；利用作为基点的时刻的电流数据和从其作为基点的时刻开始隔开规定的取样间隔的时刻的电流数据计算不平衡成分电流的变化分量ΔI_u的电流变化分量计算单元(115)(143)；在设定任意常数K₁、K₂、电流对电压的相位差为ψ时，当K₁ΔI_u-ΔV_ucos(φ-ψ)≥K₂成立时，判定为前方故障的前方故障判定单元(131)；当K₁ΔI_u-ΔV_ucos(φ-ψ)＜K₂成立时，判定为后方故障的后方故障判定单元(132)。

4.如权利要求1所述的数字式方向继电器，上述不平衡成分电压的变化分量及不平衡成分电流的变化分量分别使用逆相变化分量的电量。

5.如权利要求1所述的数字式方向继电器，上述不平衡成分电压的变化分量及不平衡成分电流的变化分量分别使用零相变化分量的电量。

6.如权利要求2所述的数字式方向继电器，上述不平衡成分电压的变化分量及不平衡成分电流的变化分量分别使用逆相变化分量的电量。

7.如权利要求2所述的数字式方向继电器，上述不平衡成分电压的变化分量及不平衡成分电流的变化分量分别使用零相变化分量的电量。

8.如权利要求3所述的数字式方向继电器，上述不平衡成分电压的变化分量及不平衡成分电流的变化分量分别使用逆相变化分量的电量。

9.如权利要求3所述的数字式方向继电器，上述不平衡成分电压的变化分量及不平衡成分电流的变化分量分别使用零相变化分量的电量。

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