專(zhuān)利名稱(chēng)：電力系統(tǒng)中嚴(yán)重飽和電流的瞬時(shí)過(guò)電流元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及用在電力系統(tǒng)中基于微處理器的保護(hù)繼電器中的瞬時(shí)過(guò)電流元件，更具體來(lái)說(shuō)涉及在正常運(yùn)行的情況下和當(dāng)電流變壓器中的電流波形嚴(yán)重飽合時(shí)提供精確電流幅值信息的過(guò)流元件。
背景技術(shù)：
瞬時(shí)過(guò)電流元件通常用在電力系統(tǒng)的保護(hù)繼電器中。該瞬時(shí)電流幅值與閾值相比較來(lái)確定預(yù)選線(xiàn)路上的故障。在基于微處理器的保護(hù)繼電器中以數(shù)字形式執(zhí)行的過(guò)電流元件典型地使用一對(duì)正交的有限脈沖濾波器來(lái)恰當(dāng)?shù)赜?jì)算代表線(xiàn)路電流基波分量的相量的幅值的復(fù)數(shù)。一般用傅立葉濾波器和余弦濾波器作為此種濾波器的例子。使用這樣的濾波器來(lái)獲得幅值時(shí)，隨著周期T的時(shí)變電流波形i(t)的基波相量I按照以下公式以每周期N個(gè)樣本的速率采樣I=2NΣn=0N-1i(n)ej(2πn/N)]]>電流波形的幅值隨后通過(guò)對(duì)基波相量取絕對(duì)值得到。N的最典型的數(shù)值為每周期8、12、16、或24個(gè)樣本。
然而，全周期傅立葉濾波器受到存在于電流波形中的指數(shù)衰減直流偏差(offset)影響的支配。全周期傅立葉的此缺點(diǎn)通過(guò)使用上述等式中所示的指數(shù)值的余弦部分所構(gòu)成的全周期傅立葉濾波器的變化并隨后通過(guò)1/2周期延遲濾波器處理波形來(lái)克服。已知該濾波器典型地為余弦濾波器。
然而，這些用來(lái)確定電流幅值的傳統(tǒng)數(shù)字濾波器的一個(gè)明顯缺點(diǎn)是，當(dāng)從電力線(xiàn)上獲得的電流充分大到遭受電流變壓器中的飽和時(shí)它們將不能精確測(cè)量電流波形的幅值。由于電流變壓器的飽和，來(lái)自線(xiàn)路的電流采樣將具有比沒(méi)有飽和時(shí)更小的幅值。其后果就是使用數(shù)字濾波器的過(guò)電流繼電器將有失靈(underreach)的可能，即，由于CT(電流變壓器)的飽和而確定一個(gè)比真實(shí)數(shù)值小的電流值。這將導(dǎo)致跳閘動(dòng)作的明顯延遲。在極度飽和的情況下，該元件在出現(xiàn)故障時(shí)可能完全失效，當(dāng)然這是非常不理想的。
本發(fā)明被設(shè)計(jì)來(lái)彌補(bǔ)現(xiàn)有過(guò)電流元件的這個(gè)缺點(diǎn)，因此即使線(xiàn)路電流嚴(yán)重地將變壓器飽和，他們也會(huì)正確運(yùn)行。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明包括電力系統(tǒng)中基于微處理器的保護(hù)繼電器中使用的瞬時(shí)過(guò)電流元件，包括一個(gè)數(shù)字濾波器電路，響應(yīng)電流變壓器的一個(gè)副邊電流波形，用于確定電流波形的幅值，該電流變壓器響應(yīng)來(lái)自電力線(xiàn)的電流波形；響應(yīng)來(lái)自電流變壓器的副邊電流波形的一個(gè)峰值檢測(cè)器電路，來(lái)確定電流波形的峰值幅值；確定來(lái)自電流變壓器的副邊波形失真的電路；將失真與一個(gè)預(yù)定的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較的一比較元件；和在失真小于預(yù)定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)將濾波器電路的輸出端連接到故障測(cè)定電路且在失真高于預(yù)定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)將峰值檢測(cè)器的輸出端連接到故障測(cè)定電路的開(kāi)關(guān)。


圖1為產(chǎn)生嚴(yán)重電流失真的故障電流的前幾周期的示圖，表示了峰值檢測(cè)器和余弦濾波器與故障相關(guān)的操作。
圖2為在數(shù)字邏輯中實(shí)施本發(fā)明的瞬時(shí)過(guò)電流元件的方框圖。
圖3為圖1中可選擇實(shí)施方式的方框圖。
具體實(shí)施例方式
如前所述，基于微處理器的保護(hù)繼電器中的的當(dāng)前數(shù)字瞬時(shí)過(guò)電流元件使用數(shù)字濾波器實(shí)現(xiàn)。該數(shù)字濾波器典型地包括一對(duì)正交有限脈沖響應(yīng)濾波器或其他的濾波器配置。此濾波器實(shí)的實(shí)例包括傅立葉濾波器、余弦濾波器，和最小二乘擬合濾波器。應(yīng)該理解的是本發(fā)明不需要一種特殊類(lèi)型的數(shù)字濾波器而是能與各種數(shù)字濾波器一起使用的濾波器。
然而，當(dāng)電力線(xiàn)的電流大到足以使電流變壓器飽和時(shí)，數(shù)字濾波器具有操作不精確的缺點(diǎn)，這將導(dǎo)致變壓器輸出信號(hào)的失真。在某些情況下，飽和充分大以延遲對(duì)故障的識(shí)別并由此延遲了電流斷路器的跳閘。這被稱(chēng)為失靈。然而，此外當(dāng)飽和非常足夠時(shí)，該失靈足以使過(guò)流元件在故障情況下實(shí)際上無(wú)法運(yùn)行。
在本發(fā)明中，傳統(tǒng)的數(shù)字濾波器像在典型的數(shù)字過(guò)電流元件中一樣使用。然而，電流波形的失真被連續(xù)監(jiān)測(cè)來(lái)確定飽和條件是否存在。建立一個(gè)失真的閾值，而且當(dāng)失真上升到該閾值之上時(shí)，一個(gè)峰值檢測(cè)器電路就被用來(lái)確定與數(shù)字濾波器電路相對(duì)的電流幅值。當(dāng)存在飽和條件時(shí)，此后將會(huì)更詳細(xì)討論的峰值檢測(cè)器電路提供將對(duì)電流幅值的更可靠的測(cè)定。只要電流波形的失真被測(cè)定低于閾值，一個(gè)傳統(tǒng)數(shù)字濾波器電路，例如，最普通的余弦濾波器，被用來(lái)獲得所需的電流幅值信息；其后以傳統(tǒng)方式完成故障測(cè)定。
幅值測(cè)定能力由此在傳統(tǒng)的數(shù)字濾波器電路和峰值檢測(cè)器電路之間轉(zhuǎn)變，這取決于電流波形中所出現(xiàn)的失真量值。該雙重配置克服了單獨(dú)使用一個(gè)數(shù)字濾波器電路的缺點(diǎn)。如上所述，單獨(dú)使用一個(gè)數(shù)字濾波器將會(huì)在電流嚴(yán)重飽條件下錯(cuò)誤運(yùn)行。圖1表示了具有不對(duì)稱(chēng)故障所產(chǎn)生的嚴(yán)重失真的電流波形，其具有由大約100安培的瞬時(shí)電流始動(dòng)值(pick-up value)。這表明一個(gè)雙極性峰值檢測(cè)器將會(huì)相當(dāng)快地通過(guò)始動(dòng)值線(xiàn)路運(yùn)行，即在半周期之內(nèi)，而余弦濾波器中濾出的基波將用2-1/2個(gè)周期來(lái)生成元件的始動(dòng)值，這通常被認(rèn)為太長(zhǎng)。因此，峰值檢測(cè)器能對(duì)嚴(yán)重電流失真的條件下的過(guò)流元件提供正確的操作，在此，余弦濾波器需要長(zhǎng)時(shí)間來(lái)運(yùn)行或完全不能運(yùn)行。
圖2是本發(fā)明數(shù)字瞬時(shí)時(shí)過(guò)流元件的邏輯圖，大體上用10表示。用于電流一個(gè)相位的系統(tǒng)電流變壓器CT的電流值被應(yīng)用到產(chǎn)生初級(jí)線(xiàn)路電流的一個(gè)低壓鏡像的傳統(tǒng)調(diào)節(jié)電路12中，然后被施加到將高于采樣頻率的一半的頻率成分從信號(hào)中移除的抗混淆濾波器14中。然后抗混淆濾波器14的輸出以一個(gè)所選采樣頻率被采樣且其結(jié)果被應(yīng)用到模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器16中。該A/D轉(zhuǎn)換器的輸出為一系列數(shù)字信號(hào)，其在18中被提供到最后在先電源信號(hào)周期的采樣列表中。
該樣本應(yīng)用在三個(gè)分開(kāi)的電路中。首先，電路20總體上表示一對(duì)正交有限脈沖響應(yīng)濾波器并用于測(cè)定電流幅值，22總體上表示峰值檢測(cè)器電路，和24表示失真識(shí)別電路。與峰值檢測(cè)器的操作相關(guān)的兩個(gè)限定電流總體上在26中表示。該數(shù)字濾波器電路20被大體地表示。如前面指出，該數(shù)字濾波器可以用各種數(shù)字濾波器的實(shí)施方式實(shí)現(xiàn)。實(shí)施方式中顯示的數(shù)字濾波器電路20是一個(gè)余弦濾波器。該余弦濾波器將會(huì)測(cè)定電流波形的幅值。該值被應(yīng)用到開(kāi)關(guān)29中的輸入28中。
圖2的實(shí)施方式中包括一個(gè)雙極峰值檢測(cè)器。采用一個(gè)雙極實(shí)施方式，N個(gè)樣本覆蓋一個(gè)電源信號(hào)全周期。最大的樣本值在方塊30確定且最小樣本值在方塊32中確定。這些最大/最小值的絕對(duì)數(shù)值分別在34和36獲得，并且由加法電路38將兩個(gè)絕對(duì)值相加，然后用除法器40除以2。除法器40的輸出是電流的峰值，其被施加到開(kāi)關(guān)29的輸入端42。
在圖2中26所表示的失真電路使用了電流波形(來(lái)自濾波器電路20)的基波分量的幅值，在方塊52的電流波形的二次諧波的幅值和方塊54中的三次諧波的幅值。一個(gè)失真指數(shù)值在方塊56中使用展示在其中的公式進(jìn)行計(jì)算。這是確定失真的通常形式，即，所選數(shù)目的諧波的量值總和在基波量值上的比例。在圖2中，使用了基波、第一和第二次諧波。
公式為DI=100(1+|A2|+|A3||A1|)]]>其中A1是基波幅值，A2和A3為第二和第三次諧波幅值。對(duì)于沒(méi)有失真或沒(méi)有諧波的波形，失真指數(shù)等于100。對(duì)于高度飽和的波形，失真指數(shù)將會(huì)超過(guò)200。
在本發(fā)明中，當(dāng)失真指數(shù)比一個(gè)固定的閾值高的時(shí)候，用于故障測(cè)定的輸入電流幅值的測(cè)量將會(huì)從數(shù)字濾波器電路20切換到峰值檢測(cè)器電路22中。在所示實(shí)施方式中，閾值被設(shè)定為175(方塊58)。然而，該數(shù)值在某種程度上是不確定的，且可被改變。
一個(gè)比較器60將計(jì)算塊56的輸出與方塊58中的閾值相比較并在62中產(chǎn)生一個(gè)輸出，該輸出被應(yīng)用在計(jì)時(shí)器64中。該計(jì)時(shí)器64提供一個(gè)不考慮瞬變?cè)斐傻氖д嬷笖?shù)的任何暫時(shí)較高值的安全因數(shù)。所示實(shí)施方式中計(jì)時(shí)器64的始動(dòng)時(shí)間為1/2到1個(gè)周期，而釋放時(shí)間典型地為兩個(gè)采樣周期。因此，計(jì)時(shí)器64的輸出將會(huì)從失真超過(guò)所選閾值時(shí)隨著始動(dòng)時(shí)間而變高并在失真降到閾值之下時(shí)維持兩個(gè)采樣周期的高值。
計(jì)時(shí)器64的輸出被應(yīng)用到“與”門(mén)66的一個(gè)輸入中?？刂凭€(xiàn)路70上的“與”門(mén)66的輸出控制開(kāi)關(guān)29的操作位置。在一個(gè)位置中，即為所示實(shí)施方式中的默認(rèn)位置，開(kāi)關(guān)29將會(huì)如所示連接到數(shù)字濾波器20上，而在另外一個(gè)位時(shí)，開(kāi)關(guān)將會(huì)被連接到峰值檢測(cè)器電路22上。
另一個(gè)輸入到“與”門(mén)66的為“與”門(mén)74的取“非”的輸入。26中所示限定電路基本上否定導(dǎo)致開(kāi)關(guān)29返回到數(shù)字濾波器位置的“與”門(mén)66(當(dāng)失真已經(jīng)被確認(rèn)在閾值之上時(shí))的高輸出。限定電路(qualifyingcircuit)實(shí)現(xiàn)下列的二個(gè)條件。對(duì)于一個(gè)條件，電流元件的預(yù)選始動(dòng)值(PU)乘以一個(gè)1.13的因數(shù)且其結(jié)果用比較器78與電流峰值相比較。當(dāng)被乘的值大于Ipeak時(shí)，比較器78的輸出為高。對(duì)于另一條件，電流的基波的量值由比較器80與乘以0.75后的電流峰值相比較。如果基波(A1)比0.75×Ipeak大時(shí)，比較器80的輸出將變?yōu)楦唠娖健?br> 比較器78確定的第一條件表明了一個(gè)過(guò)沖條件，而比較器80中確定的第二條件表明在電流波形中沒(méi)有或只有很少的飽和。當(dāng)這兩個(gè)條件式都成立時(shí)，“與”門(mén)74的輸出為導(dǎo)致“與”門(mén)66的低電平輸入的高電平，因此造成了“與”門(mén)66低電平輸出。當(dāng)“與”門(mén)66的輸出為低電平時(shí)，開(kāi)關(guān)29被連接到數(shù)字濾波器幅值電路20中。
開(kāi)關(guān)29(依賴(lài)于失真的來(lái)自濾波器電路或峰值檢測(cè)器的電流幅值)的輸出被施加到一個(gè)將電流幅值與一個(gè)預(yù)定始動(dòng)值(PU)比較的輸出比較器82中，預(yù)定始動(dòng)值(PU)的范圍從5到100安培并以80安培為真實(shí)值。如果線(xiàn)路中的電流超過(guò)了該數(shù)值，則表明一個(gè)故障條件，然后作為瞬時(shí)過(guò)流元件輸出的比較器82的輸出將為高電平，依次將作為一個(gè)跳閘信號(hào)輸入到電路斷路器中。
圖3實(shí)質(zhì)上和圖2相同，除了閾值確定電路86使用線(xiàn)電流的RMS(均方根)值作為它的失真指數(shù)確定，這與圖2中使用基波和二次及三次諧波量值相對(duì)。如圖3所示，均方根(RMS)的確定在方塊88中完成。在該方塊中，波形的RMS值通過(guò)首先平方并且隨后將N個(gè)樣本中的數(shù)據(jù)窗中的樣本相加確定I2RMS=1NΣn=1Nin2]]>
失真指數(shù)可以被定義為在波形RMS值的平方與基波值(A1)平方的比率，如下所示DIRMS=100(1+2IRMS2-A12A12)]]>如果失真指數(shù)被設(shè)定為175，開(kāi)關(guān)對(duì)于峰值檢測(cè)器的條件變?yōu)?00(1+2IRMS2-A12A12)>175]]>就相當(dāng)于I2RMS＞0.78125A21參考圖3，電路88的RMS值在比較器90中與閾值進(jìn)行比較。比較器90的輸出被應(yīng)用到計(jì)時(shí)器92中，其與圖2中的實(shí)施方式的計(jì)時(shí)器64相似地運(yùn)行。圖3中的電路剩余部分按照與圖2相同的方式運(yùn)行來(lái)在輸出線(xiàn)路92上產(chǎn)生一個(gè)過(guò)流元件輸出信號(hào)。
因此，電力系統(tǒng)中保護(hù)繼電器中使用的瞬時(shí)過(guò)流元件在此公開(kāi)，其通常使用一個(gè)余弦濾波器配置來(lái)獲得故障測(cè)定中所需的電流量值，除非電流變壓器的飽和導(dǎo)致的波形失真到達(dá)預(yù)定的閾值，在該閾值上量值由峰值檢測(cè)器電路確定。在傳統(tǒng)模式中，該量值與閾值相比較來(lái)為過(guò)流元件提供輸出信號(hào)，該過(guò)流元件在故障測(cè)定時(shí)直接與電路斷路器相連。
雖然發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式在這里為了說(shuō)明而公開(kāi)，應(yīng)該清楚的是，各種不同的變化、修改和替換在不偏離以下權(quán)利要求書(shū)中所定義的本發(fā)明精神的情況下可以被結(jié)合。
權(quán)利要求
1.一種用于電力系統(tǒng)的基于微處理器的保護(hù)繼電器的瞬時(shí)過(guò)電流元件，包括數(shù)字濾波器電路，其響應(yīng)電流變壓器的副邊電流波形，該電流變壓器響應(yīng)電力線(xiàn)上的電流波形，用于確定電流波形的幅值；響應(yīng)副邊電流波形用來(lái)確定電流波形的峰值幅值的峰值檢測(cè)器電路；用于測(cè)定電流變壓器的輸出失真的電路；用于將失真與預(yù)定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較的比較元件；在失真小于預(yù)定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)將所述濾波器電路的輸出連接到故障測(cè)定電路而在失真大于預(yù)定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)將所述峰值檢測(cè)器的輸出連接到故障測(cè)定電路的開(kāi)關(guān)。
2.如權(quán)利要求1中所述的過(guò)流元件，其中，所述失真電路使用基波與二次和三次諧波的數(shù)值來(lái)確定失真。
3.如權(quán)利要求1中所述的過(guò)流元件，其中，所述失真電路計(jì)算副邊電流波形的RMS值，并且用所述RMS值來(lái)確定失真。
4.如權(quán)利要求1中所述的過(guò)流元件，其中，所述數(shù)字濾波器電路包括一對(duì)正交的全周期傅立葉數(shù)字濾波器。
5.如權(quán)利要求1中所述的過(guò)流元件，其中，所述數(shù)字濾波器電路包括一個(gè)余弦濾波器。
6.如權(quán)利要求1中所述的過(guò)流元件，包括為防止所述峰值檢測(cè)器在失真超過(guò)預(yù)定標(biāo)準(zhǔn)后的一段所選時(shí)間被用于故障測(cè)定的一個(gè)計(jì)時(shí)器，來(lái)適應(yīng)瞬時(shí)電流增加。
7.如權(quán)利要求1中所述的過(guò)流元件，其中，當(dāng)所述峰值電流小于乘以1.13的一個(gè)過(guò)電流的所選始動(dòng)電流值且基波諧波值大于峰值電流值的3/4時(shí)，不連接所述峰值檢測(cè)器電路。
全文摘要
用于電力系統(tǒng)的基于微處理器的保護(hù)繼電器中的瞬時(shí)過(guò)流元件，包括了一個(gè)有限脈沖響應(yīng)濾波器，其通常為一個(gè)余弦濾波器，并響應(yīng)用于故障測(cè)定的電流變壓器上的電流波形，除非電流的失真達(dá)到了預(yù)選的閾值，此時(shí)使用峰值檢測(cè)器電路提供用于故障測(cè)定的電流幅值。電路(88)上的RMS數(shù)值與比較器(90)中的閾值比較。
文檔編號(hào)H02H1/00GK1656359SQ03812482
公開(kāi)日2005年8月17日 申請(qǐng)日期2003年5月20日 優(yōu)先權(quán)日2002年5月31日
發(fā)明者G·本穆亞爾, S·E·措霍爾, A·古茨曼-卡西拉斯 申請(qǐng)人:施魏策爾工程實(shí)驗(yàn)公司