用于保护三相电力系统中的总线的方法和装置.pdf

在三相电力系统的领域中，需要用于保护总线的改进的方法和装置，这种方法和装置避免了与传统总线保护方案相关的问题。一种保护三相电力系统中的总线(16)的方法包括步骤：(a)对预定保护区内的这个或每个电力系统元件(14)的每一相的电压值和电流值进行采样；(b)分析预定保护区内的电力系统元件(14)的每一相的至少一个采样电压值，以检测何时产生故障状态；(c)当检测到故障状态时，判断该故障状态是否因总线故障而产生；以及(d)当判定为总线故障时，将总线(16)与保护区内的这个或每个电力系统元件(14)电隔离，以排除总线故障。

1.  一种保护三相电力系统中的总线的方法，所述总线具有至少一个与其相关的电力系统元件，所述方法包括步骤：
(a)对预定保护区内的所述或每个电力系统元件的每一相的电压值和电流值进行采样；
(b)分析所述保护区内的电力系统元件的每一相的至少一个采样电压值，以检测何时产生故障状态；
(c)当检测到故障状态时，判定所述故障状态是否因总线故障而产生；以及
(d)当判定为总线故障时，将所述总线与所述保护区内的所述或每个电力系统元件电隔离，以排除所述总线故障。

2.  根据权利要求1所述的方法，还包括步骤：
确立互连在所述总线和与所述总线相关的所述或每个电力系统元件之间的断路器的状态，以判定所述或每个电力系统元件是否与所述总线电连接；以及
划定所述保护区，以将与所述总线电连接的所述或每个电力系统元件包括在内。

3.  根据权利要求1或2所述的方法，其中，判定所述故障状态是否因总线故障而产生包括判定所述保护区内的所述或每个电力系统元件相对于所述总线的故障方向，从所述总线至特定电力系统元件的故障方向表明所述特定电力系统元件有故障。

4.  根据权利要求3所述的方法，其中，判定所述保护区内的所述或每个电力系统元件相对于所述总线的故障方向包括步骤：
保留所述保护区内的特定电力系统元件的每一相的至少先前采样的电压值和电流值；以及
根据每一相的所述或每个保留电压值和采样电压值计算叠加电压分量，并根据每一相的所述或每个保留电流值和采样电流值计算叠加电流分量。

5.  根据权利要求4所述的方法，还包括步骤：比较所述叠加电压分量与所述叠加电流分量的极性，不同的极性表明从所述总线至所述特定电力系统元件的故障方向，从而表明所述特定电力系统元件有故障。

6.  根据权利要求4所述的方法，还包括步骤：从所述叠加电压分量和所述叠加电流分量获得瞬态能量，负的瞬态能量表明从所述总线至所述特定电力系统元件的故障方向，从而表明所述特定电力系统元件有故障。

7.  根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，检测何时产生故障状态包括步骤：
比较所述保护区内的电力系统元件的每一相的采样电压值与预定低值的大小；以及
当所述电力系统元件的一相的采样电压值小于所述预定低值时，表明为故障状态。

8.  根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中，检测何时产生故障状态包括步骤：
保留所述保护区内的电力系统元件的每一相的至少一个循环的先前采样电压值；
根据所述电力系统元件的每一相的所述或每个保留电压值和采样电压值计算叠加电压分量；以及
当所述叠加电压分量大于预定高值时，表明为故障状态。

9.  根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，将所述总线与所述保护区内的所述或每个电力系统元件电隔离包括使互连在所述总线与所述保护区内的所述或每个电力系统元件之间的断路器跳闸。

10.  根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括步骤：在检测到故障状态之后，记录所述保护区内的所述或每个电力系统元件的每一相的采样电压值和电流值。

11.  根据权利要求10所述的方法，还包括将记录的电压值和电流值存储为COMTRADE文件，以允许稍后使用文件传送服务进行提取。

12.  一种用于保护三相电力系统中的总线的装置，所述总线具有至少一个与其相关的电力系统元件，所述装置包括：
相应接口单元，对应于预定保护区内的所述或每个电力系统元件，以用于对相应电力系统元件的每一相的电压值和电流值进行采样；以及
总线保护单元，与所述或每个接口单元相通信，所述总线保护单元用于：
(a)分析所述保护区内的电力系统元件的每一相的至少一个采样电压值，以检测何时产生故障状态；
(b)当检测到故障状态时，判定所述故障状态是否因总线故障而产生；以及
(c)当判定为总线故障时，将所述总线与所述保护区内的所述或每个电力系统元件电隔离，以排除所述总线故障。

13.  根据权利要求12所述的装置，其中，所述或每个接口单元还包括状态单元，以用于确立互连在所述总线与相应电力系统元件之间的断路器的状态，所述或每个断路器的状态使得所述总线保护单元能够：(i)判定相应电力系统元件是否与所述总线电连接，以及(ii)划定所述保护区，以将与所述总线电连接的所述或每个电力系统元件包括在内。

14.  根据权利要求12或13所述的装置，其中，所述或每个接口单元远离所述总线保护单元，并且其间存在通信线路。

15.  根据权利要求12至14中任一项所述的装置，其中，所述总线保护单元还包括缓冲器，以用于保留以下各项中的一个或多个：(i)至少先前采样的电压值，以及(ii)至少先前采样的电流值。

用于保护三相电力系统中的总线的方法和装置
技术领域
本发明具体地而非排他地涉及一种用于保护三相电力系统中的总线的方法。本发明还涉及一种用于保护三相电力系统中的总线的装置。
背景技术
在电力传输和分配系统中，例如变电站中的总线与一个或多个电力系统元件(诸如线路、馈电线或变压器)相关。由于总线故障会对电力系统的稳定性造成灾难性影响，因此需要保护总线免于短路和其它故障。因此，非常希望能快速排除总线故障。
传统总线保护的方法之一是高阻抗差动总线保护，其基于循环电流原理。
包括电阻器的继电器响应越过低漏泄阻抗变流器的次级绕组上的差动接合点的电压，以便当检测到总线故障时将总线电隔离。这种故障导致总线内各电力系统元件之间的循环电流不均衡。这种不均衡表现为越过继电器的电阻器的偏压。使用越过电阻器的短路连接(shorting link)来设定使继电器将总线隔离的偏压的等级。
这种装置的一个缺点是继电器仅能够将总线的一个区域隔离。
而且，高阻抗差动保护需要安装额外的装置，诸如组合器接线盒。这种装置需要对例如接线柱进行定期维护并进行系统校准，以确保可靠性。
另外，高阻抗差动保护仅适用于具有固定构造的总线，并且需要能够在总线故障期间吸收大量能量的限压变阻器。因此，高阻抗差动保护是不可更改的，并且它的使用使得很难轻易地重新构造总线并保证高可靠性和灵敏性。
高阻抗差动保护的另一缺点是与特定电力系统元件相关的每个变流器必须具有相同的变流比和相似的变流特性。
传统总线保护的另一种方法是集中式低阻抗总线差动保护。该方法涉及使用变流器在每个运行循环中对与总线相关的每个电力系统元件的每一相的电流值进行采样。
与每个变流器相关的电路判定每个电力系统元件的电流矢量的大小和角度。电流矢量的总和为总线提供差动电流。电路此后将差动电流与预定总线运行特性做比较，以判定总线故障是否已产生。当判定为总线故障时，将总线电隔离，以排除故障。每个电流矢量的计算通常基于经过一个完整循环的采样电流值。这导致在判定总线故障是否已产生时的延迟。
这种延迟的引入允许变流器有充足的时间变成饱和，例如如果产生总线之外的外部故障，从而导致对总线故障的错误判定。因而需要进行额外的检查来判定变流器饱和是否已产生，以防止对总线故障的错误判定。
还需要根据总线的构造(即根据期望得到保护的总线区域)判定总线运行特性。另外，与特定电力系统元件相关的每个变流器可能要求相同的变流比和相似的变流特性。因此，集中式低阻抗差动保护是不可更改的，并且它的使用使得很难轻易地重新构造总线。
传统总线保护的又一种方法是分散式低阻抗差动保护。
分散式低阻抗差动保护通过使用远程变流器单元而减轻了中央处理单元的处理负担。每个远程变流器单元计算相应电力系统元件的电流矢量并将数字化电流值传送至中央处理单元，中央处理单元执行所需的差动电流计算。处理负担的减轻缩短了在判定总线故障是否已产生时的延迟，然而，每个远程变流器单元仍必须获得经过一个完整循环的采样值，以计算电流矢量。因此在判定总线故障是否已产生时仍有很明显的延迟。因而变流器饱和仍有机会产生，并且因此仍需要检查变流器饱和是否已产生。
分散式低阻抗差动保护的另一缺点是远程变流器单元的运行必须精确地彼此同步。这是因为任何计时误差都将导致相移，相移将改变差动电流，这可能导致对总线故障的错误判定，并因此将总线非所期望地隔离。
高阻抗差动保护、集中式低阻抗差动保护、以及分散式低阻抗差动保护中的每个都需要必须安装和维护的专用设备。这导致执行每一这种方法的总成本都很高。
因此，需要一种用于保护三相电力系统中的总线的改进的方法和装置，其避免了上述传统保护技术所带来的问题。
发明内容
本发明的第一方面提供了一种保护三相电力系统中的总线的方法，该总线具有至少一个与其相关的电力系统元件，该方法包括步骤：
(a)对预定保护区内的这个或每个电力系统元件的每一相的电压值和电流值进行采样；
(b)分析保护区内的电力系统元件的每一相的至少一个采样电压值，以检测何时产生故障状态；
(c)当检测到故障状态时，判定该故障状态是否因总线故障而引起；以及
(d)当判定为总线故障时，将总线与保护区内的这个或每个电力系统元件电隔离，以排除总线故障。
检测故障状态以及判定故障状态是否因总线故障而引起避免了需要获得经过全循环的电流值的样本，并因此缩短了在判定总线故障是否实际上已产生时的延迟。并且，无需进行额外的检查来判定变流器饱和是否已产生。
另外，本发明的方法避免了需要安装、使用和维护专用的总线差动保护设备，因此极大地降低了执行总线保护的成本。
优选地，本方法还包括步骤：
确立互连在总线和与总线相关的这个或每个电力系统元件之间的断路器的状态，以判定这个或每个电力系统元件是否与总线电连接；以及
划定保护区，以将与总线电连接的这个或每个电力系统元件包括在内。
这样，本发明的方法能够容易地适应例如由于变电站构造的变化而可能引起的总线构造的变化。
可选地，判定故障状态是否因总线故障而引起包括判定保护区内的这个或每个电力系统元件相对于总线的故障方向(faultdirection)，从总线至特定电力系统元件的故障方向表明该特定电力系统元件有故障。
便利地，判定保护区内的这个或每个电力系统元件相对于总线的故障方向包括步骤：
保留保护区内的特定电力系统元件的每一相的至少先前采样的电压值和电流值；以及
根据每一相的这个或每个保留电压值和采样电压值计算叠加电压分量，并根据每一相的这个或每个保留电流值和采样电流值计算叠加电流分量。
对这个或每个电力系统元件的故障方向判定是非常迅速的，小于一个循环的1/8，因此，可以在变流器能有时间达到饱和之前判定总线故障是否已产生。
另外，判定这个或每个电力系统元件的故障方向不涉及与总线的预定运行特性做比较，因此允许重新构造总线而无需重新计算它的运行特性。
而且，判定这个或每个电力系统元件的故障方向仅基于来自特定电力系统元件的电压和电流样本。因此，与例如高或低阻抗总线差动保护相比，来自各个电力系统元件的样本无需精确地彼此同步，因而降低了对精确时间同步的要求。
根据本发明的优选方法还包括步骤：比较叠加电压分量与叠加电流分量的极性，不同的极性表明从总线至特定电力系统元件的故障方向，从而表明该特定电力系统元件有故障。这是一种判定每个故障方向以及判定总线故障是否已产生的简易方法。
根据本发明的另一优选方法还包括步骤：从叠加电压分量和叠加电流分量获得瞬态能量，负的瞬态能量表明从总线发至特定电力系统的故障方向，从而表明该特定电力系统元件有故障。这种方法允许在变化的系统条件下进行精确的故障方向检测，并且不会受串联补偿输电线或互耦的影响。
优选地，检测何时产生故障状态包括如下步骤：
比较保护区内的电力系统元件的每一相的采样电压值与预定低值(low value)的大小；以及
当电力系统元件的一相的采样电压值小于该预定低值时，表明为故障状态。
可选地，检测何时产生故障状态包括如下步骤：
保留保护区内的电力系统元件的每一相的至少一个循环的先前采样电压值；以及
根据该电力系统元件的每一相的这个或每个保留电压值和采样电压值计算叠加电压分量；以及
当叠加电压分量大于预定高值(high value)时，表明为故障状态。
每种前述方法均提供了一种快速且简易的检测何时产生故障状态的途径。
在本发明的另一优选方法中，将总线与保护区内的这个或每个电力系统元件电隔离包括使互连在总线与保护区内的这个或每个电力系统元件之间的断路器跳闸(trip)。这是一种快速且有效的将总线与保护区内的这个或每个电力系统元件电隔离的方法。
便利地，本发明的方法还包括步骤：在检测到故障状态之后记录保护区内的这个或每个电力系统元件的每一相的采样电压值和电流值。这种记录允许随后分析故障状态。
优选地，本发明的方法还包括将记录的电压值和电流值保存为COMTRADE文件，以允许稍后使用文件传送服务进行提取。
根据本发明的第二方面，提供了一种用于保护三相电力系统中的总线的装置，该总线具有至少一个与其相关的电力系统元件，该装置包括：
相应接口单元，对应于预定保护区内的这个或每个电力系统元件，以用于对相应电力系统元件的每一相的电压值和电流值进行采样；以及
总线保护单元，其与这个或每个接口单元相通信，该总线保护单元用于：
(a)分析保护区内的电力系统元件的每一相的至少一个采样电压值，以检测何时产生故障状态；
(b)当检测到故障状态时，判定该故障状态是否因总线故障而产生；以及
(c)当判定为总线故障时，将总线与保护区内的这个或每个电力系统元件电隔离，以排除总线故障。
本装置共有本发明的方法的优点。
优选地，这个或每个接口单元还包括状态单元，以用于确立互连在总线与相应电力系统元件之间的断路器的状态，这个或每个断路器的状态使得总线保护单元能够：(i)判定相应电力系统元件是否与总线电连接，以及(ii)划定保护区，以将与总线电连接的这个或每个电力系统元件包括在内。这允许本装置能够容易地适应总线构造的变化。
在本发明的优选实施例中，这个或每个接口单元远离总线保护单元，并且其间存在通信线路。这有助于降低安装和维护本发明的装置的总成本。
可选地，总线保护单元还包括缓冲器，以用于保留以下各项中的一个或多个：(i)至少先前采样的电压值；及(ii)至少先前采样的电流值。包括这种缓冲器便于随后使用保留的电压值和电流值。
附图说明
现在接着以非限制性的方式参照附图对本发明的优选实施例进行简短描述，附图中：
图1示出了根据本发明一个实施例的装置的示意图；以及
图2是图1的一部分的放大示意图。
具体实施方式
根据本发明优选实施例的用于保护三相电力系统中的总线的装置总体上用参考标号10指出。
总线保护装置10包括多个接口单元12(在图1示意性示出的实施例中有3个)，每个接口单元分别与特定电力系统元件14连接，特定电力系统元件与总线16连接。
总线保护装置10还包括总线保护单元18，该总线保护单元与每个接口单元12相通信。在本发明的优选实施例中，总线保护单元18包括变电站计算机设备(未示出)，该计算机设备具有工业级特性且没有可动部件。每个接口单元12与总线保护单元18之间的优选通信线路包括以太网，以太网具有以太网开关20，以用于在不同单元之间切换信号。根据总线保护单元18必须通信的接口单元12的数量，以太网可以以100Mb/sec、1Gb/sec或更高运行。
每个接口单元12包括状态单元(未示出)，该状态单元与互连在总线16与相应电力系统元件14之间的断路器电通信。
总线保护单元18还包括缓冲器22。
总线保护装置10还可以包括同步单元20，以用于控制每个接口单元12的运行。
使用时，每个状态单元确立互连在总线16与特定电力系统元件14之间的断路器的状态。这使得总线保护单元18能够判定该电力系统元件14是否与总线16电连接。此后，总线保护单元18能够划定保护区，以将与总线16电连接的每个电力系统元件14包括在内。
每个接口单元12对保护区内的相应电力系统元件14的每一相的电压值和电流值进行采样。
总线保护单元18分析保护区内的一个电力系统元件14的每一相的至少一个采样电压值，以检测何时产生故障状态。
当检测到故障状态时，总线保护单元18判定该故障状态是否因总线故障而产生。当判定为总线故障时，总线保护单元18将总线16与保护区内的每个电力系统元件14电隔离。在本发明的方法的一个实施例中，总线保护单元18通过使总线16与保护区内的每个电力系统元件14之间的断路器跳闸而将总线16与保护区内的每个电力系统元件14电隔离。
在检测到故障状态之后，总线保护单元18还记录保护区内的每个电力系统元件14的每一相的采样电压值和电流值。总线保护单元18将记录的电压值和电流值存储为COMTRADE文件，从而允许稍后使用文件传送服务进行提取。
判断故障状态是否因总线故障而产生的优选方法包括判定保护区内的每个电力系统元件14相对于总线16的故障方向。这包括：将保护区内的每个电力系统元件14每一相的先前采样电压值和电流值保留在缓冲器中；以及根据每一相的保留电压值和采样电压值计算叠加电压分量，并且根据保留电流值和采样电流值计算叠加电流分量。
叠加电压分量和电流分量使用通常用于电力系统分析的已知方法进行计算。
此后，总线保护单元18可以比较叠加电压分量与电流分量的极性，不同的极性表明从总线至特定电力系统元件14的故障方向，从而表明该电力系统元件14有故障。如果发生总线故障，故障方向从电力系统元件14至总线16，或者没有故障方向(如果在电力系统元件14的远端处没有源)。
作为替代，总线保护单元18可以从叠加电压分量和叠加电流分量获得瞬态能量，负的瞬态能量表明从总线16至特定电力系统元件14的故障方向，从而表明该电力系统元件14有故障。正的瞬态能量表明从电力系统元件14至总线16的故障方向，而没有瞬态能量表明在该电力系统元件14的远端处没有电压源和电流源，两者都意味着有总线故障。
检测何时产生故障状态的优选方法包括：比较保护区内的每个电力系统元件14的每一相的采样电压值与预定低值的大小；以及当特定电力系统元件14的一相的采样电压值小于该预定低值时，表明为故障状态。
作为替代，检测何时产生故障状态可以包括如下步骤：将保护区内的每个电力系统元件14的每一相的先前采样电压值保留在缓冲器中；根据每个电力系统元件14的每一相的保留电压值和采样电压值计算叠加电压分量；以及当叠加电压分量大于预定高值时，表明为故障状态。