CN100388585C - 改进的故障保护电路及其方法 - Google Patents

Abstract

保护输电线路线段的方法包括监测安装在本地断路器上的信号测量装置的输出信号，识别第一区内外是否存在故障，第一区从本地断路器沿线段的至少一部分延伸，当输出信号表示故障发生在第一区内时，控制本地断路器基本上立即断开，当故障发生在第一区之外时，监测本地信号测量装置的输出信号，检测远程断路器的操作状态，监测输出信号，确定远程断路器动作后输电线被保护线段状态，故障条件满足预定标准时控制本地断路器操作。

Description

改进的故障保护电路及其方法

技术领域

本发明涉及一种输电线路保护装置的改进。

背景技术

已有的几种输电线路(包括电缆)故障保护方法具有共同的特征，并且可以分成至少两个不同的组。

在一个普通的故障保护方案中，故障保护电路包括一个安装在输电线上的断路器。这种断路器带有一个无故障发生时一般呈闭合状态的触头，用于连接输电线的两个分段。如果监测出发生了一个故障，所述的触头打开，将输电线的两个分段隔离开。故障保护电路中的跳闸继电器用于监测流过输电线路的电流或电压，以产生输出信号，如果输出信号指示输电线上存在一个故障，断路器就断开。由于故障保护系统的核心的基本设计具体结构及其变换方案是众所周知的，这里将不再加以赘述。

已有的故障保护电路在某些方面是有差异的，例如输出信号的处理方法，该信号用于控制所述断路器的断开操作。这种电路的主要分类一般是分为非联合保护和联合保护，每一种都具有其自身的局限性。

作为非联合故障保护电路的例子是一种距离保护电路，在这种电路中，单个断路器保护一段长度的输电线路，例如如图1(a)所示的端点S到端点R的一段长度。

在邻近断路器的一个测量点“M1”处安装有单个测量仪器(即“继电器”)，它产生一个代表输电线路上的信号的输出信号，根据这个单个测量仪器，被断路器覆盖保护部分的输电线路被分为一些区，典型的是两个区，第一区、区1可以覆盖由断路器伸出的该输电线部分的80％，这称为到达点，如图1(a)所示；区2一般覆盖最靠近非保护线路的该输电线部分的50％，如图1(a)所示。由于输电线路的阻抗与其长度是成正比的，区1的长度可以通过继电器传感器测量出该线路的阻抗值确定到某个点，所使用的继电器是距离继电器。于是控制断路器只有在继电器位置和其到达点之间发生故障时才动作。

对于发生在区1之内的故障，通过监测点“F1”，由继电器的输出信号可以判断出故障的发生，根据所确定的区1内存在故障的情况，断路器立即断开。

对于发生在区2之内和区1之外的故障，通过监测点“F2”，应选择断路器的总响应时间明显较长，其目的是为靠近区2的输电线路上的一个邻接(远程)断路器有足够的时间断开动作，而本地断路器无需断开操作，例如，如果第二断路器使用两个区域保护电路，F2将位于区1之内，引发快速跳闸。

上述非联合保护方案的一个问题是所述区域之间的边界不好界定，特别是区2。

另一方面，联合保护方案具有一个如图1(c)所示的清楚界定的保护区。用户根据本地继电器输出的信息和根据位于被保护线路段另一端的远程继电器输出的信息限定边界，这种系统有效地在被保护线段的两端设置两个测量点“M1”和“M2”。

通信传输装置用于根据系统条件从被保护线段的一端到另一端传输信息。利用这种连接，当在被保护线段上发生故障时，在两端的继电器可以立即跳闸，使被保护线段与输电线路隔离，称为故障在点“F1”。如果在被保护线段外面发生故障，断路器可以不必断开，称为故障在点“F2”。

联合保护电路比非联合保护电路能够提供更确定的区域，从而可以准确确定故障发生的位置。然而实施这种联合保护电路和通信传输装置的费用高昂，难以承受。

为了改进这两种电路，人们将距离保护与通信传输装置组合，称为“容许互欠电路”。在这种电路中，如图1(c)所示，在输电线路被保护线段的每一端安装一个保护继电器，当在区域1内沿着线段的某个距离发生故障时，每个继电器负责使其相关的断路器快速故障跳闸。例如，对于在图1中的位置“F1”处发生的故障，两个断路器将快速打开。但是，对于在区域1之外发生的故障，继电器指令一个断路器快速跳闸。一个信号通过在两个继电器之间的通信传输装置传输，用于从已经快速打开的继电器向另一个继电器发送信息。如果故障发生在被保护区域1之外，只有当接收到一个适当的信号时，另一个断路器才打开。而且，这种电路能够满足在继电器之间的通信传输的要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种故障保护电路，至少部分地解决了存在于现有技术联合通信链路的系统中的问题。

根据本发明的一个方面，一种保护输电线路的一个线段的方法，一个本地故障保护装置安装在所述一个线段的一端，至少一个远程故障保护装置安装在该线段的远离所述本地故障保护装置的另一端，每个故障保护装置包括一个断路器，一个输电线信号测量装置，用于产生代表输电线上电压或电流的本地输出信号，和一个信号处理装置，用于对所述本地输出信号进行处理，用以当本地输出信号表示在输电线发生了一个故障时产生一个故障信号，这种保护方法包括以下步骤：

a)监测产生自本地故障保护装置的断路器上的信号测量装置的本地输出信号，确定相对于沿着从所述本地故障保护装置的断路器开始的所述线段的至少一部分延伸的第一区的故障位置；

b)如果所述产生自本地故障保护装置的本地输出信号表示故障发生在第一区之内，就使所述本地故障保护装置的断路器立即断开；

c)如果所述产生自本地故障保护装置的本地输出信号表示故障发生在第一区之外，就监测所述产生自本地故障保护装置的本地输出信号以检测所述远程故障保护装置的断路器的操作状态；

d)当所述产生自本地故障保护装置的本地输出信号表示所述远程故障保护装置的断路器的操作状态时，监测所述产生自本地故障保护装置的本地输出信号、以确定所述输电线路的所述线段的一个故障状态；以及

e)如果已检测所述远程故障保护装置的断路器的操作状态、且所述产生自本地故障保护装置的本地输出信号所表示的故障状态满足预定的标准，就输出一个故障信号、以断开所述本地故障保护装置的断路器。

根据本发明的另一个方面，一种保护输电线路的一个线段的设备，包括：

安装在被保护线段一端的一个本地故障保护装置，安装在该被保护线段的远离所述本地故障保护装置的另一端的至少一个远程故障保护装置，每个故障保护装置包括一个断路器；一个用于产生表示输电线路电流或电压的本地输出信号的输电线路信号测量装置；和一个信号处理装置，当该本地输出信号表示在线路上发生一个故障时，该信号处理装置处理所述本地输出信号、以产生一个故障信号；用来监测产生自本地故障保护装置的断路器上的输电线路信号测量装置的本地输出信号的监测装置，用于检测出在第一区内或第一区之外是否存在一个故障，所述第一区沿着从所述本地故障保护装置的断路器开始的所述线段的至少一部分延伸；以及控制所述本地故障保护装置的断路器的控制装置，当所述产生自本地故障保护装置的本地输出信号表示故障发生在第一区之内时，该控制装置有效地使本地故障保护装置的断路器立即断开，并且当故障发生在第一区之外时，所述监测装置通过监测所述产生自本地故障保护装置的输电线路信号测量装置的本地输出信号，有效地检测所述远程故障保护装置的断路器的操作，所述监测装置还有效地监测所述产生自本地故障保护装置的本地输出信号，确定在所述远程故障保护装置的断路器动作之后所述输电线路的所述线段的故障状态，所述控制装置在故障条件满足预定的标准时有效地控制所述本地故障保护装置的断路器操作。根据本发明的第一个方案，输电线路的一部分被如下保护，在被保护线段一侧安装一个本地故障保护装置，被保护线段远离其另一侧的至少一个远程故障保护装置，每个保护装置包括一个断路器；一个用于产生表示输电线路电流或电压的输出信号的输电线路信号测量装置；和一个信号处理装置，用于处理上述输出信号，当该输出信号显示在被保护线段上发生一个故障时，该信号处理装置产生一个故障信号。所述方法包括以下步骤，监测来自位于本地断路器处的信号测量装置的输出信号，确定故障发生在第一区内或第一区外，所述第一区从本地断路器延伸在被保护线段的至少一部分，并且当输出信号表示故障发生在第一区内时，基本上立即断开所述本地断路器，而当输出信号表示故障发生在第一区外时，通过监测来自本地信号测量装置的输出信号，检测远程断路器的操作，监测输出信号，以确定在远程断路器已经动作之后的被保护线段的状况，而且在故障条件满足预定的标准的情况下，使本地断路器动作。

这里被保护线段的一部分，我们是指这段线段长度的50％或60％，当然也可以更长些，例如90％，或更少些，例如10％。

因此，本发明提供一种使用单元保护的方法，而无需在本地和远程断路器之间提供远程通信链路。这种方法尤其是适用于处理输出信号。

这里操作远程断路器，我们是指断开和闭合安装在输电线路上的远程断路器的触头；而这里操作本地断路器，我们是指该断路器的断开或闭合。

本发明的方法还可以包含下列附加的步骤：即不管已经检测出的故障是在第一区之内还是在第一区之外，基本上立即断开本地断路器。如果由信号测量装置输出的信号表明在远程断路器动作之后故障仍然没有排除，可以禁止本地断路器再闭合。这称为“快速操作方式”。

快速操作方式的优点是通过自动断开本地断路器以隔离监测出存在任何故障状态的线段，从而增强了保护功能。远程断路器的动作的检测与远程断路器动作之后是否还有故障的检测相结合，能够快速清除故障。

在另一个推荐方案中，如果通过检测输出信号确定故障不在第一区内，断路器不能立即断开，而是在经过预定的延时之后才断开。如果通过检测输出信号，检测远程断路器动作，并且如果断路器动作之后输电线路故障仍然存在，则本地断路器可以在加速时间打开，无需等待预定的延时时间。如果故障已经清除，本地断路器不会断开。这称为“延时操作方式”。在安装设备时可以选取快速或延时方式之一。

在另一个推荐方案中，故障保护究竟选取快速操作方式还是延时操作方式取决于故障发生的类型。

因此根据本发明的原理，至少部分地在监测本地断路器上的单个测量传感器的输出信号时，确定远程断路器响应输电线上的故障信号的动作效果，以便决定如何操作本地断路器。

远程故障保护装置也可以采用与如上所述的本地故障保护装置相同的方式，也就是说，任何安装在输电线上的断路器都可以用作“本地”断路器，在输电线上位于其附近的断路器就称为“远程”断路器。

远程断路器的动作情况可以这样检测，通过监测相对于时间的输出信号，以检测表示远程断路器是否断开的值的变化，关于在检测故障和邻近远程断路器预期闭合或断开之间的时间延迟的知识和经验能够有助于识别所述远程断路器的工作状态。

所述输出信号包括三个输出子信号，三相输电线中每相一个子信号。任何一个这种三相系统都可以表示成由平衡的三相分量的总和；正序，具有与原系统相同的相序，负序具有相反的相序，零序则没有相序。如果发生了故障使系统不平衡或不对称，将产生负序和零序分量，这些分量可以在输出子信号时看出，它们用于识别初始故障。

当检测初始故障后，通过监测子信号的变化可以检测远程断路器的操作。

在三相输电线上，监测出表示不平衡电流或电压的输出信号，即可以检测输电线上发生了故障。当三相电流和/或电压信号具有不等的幅值和/或在连续信号之间的相位差不相等时，表示一个系统是不平衡的。正如所料，大部分故障会产生不平衡或瞬态信号，在无故障工作状态时，输电线信号一般是平衡的。

这里输电线信号，我们是指输电线上的电流或电压，通常指的是正弦波三相电压或电流信号。

一个平衡的三相系统发生接地故障，在输出子信号中只产生一个正序分量，利用这个信号可以检测输电线存在接地故障。根据这个正序分量数量上的变化检测远程断路器的操作。

采用一种实时处理算法可以检测所述的正序和/或负序和/或零序分量。

根据所述序列分量的RMS值可以计算出一个或多个比例信号，其中第一比例可以用于代表一个不对称故障，第二比例可以用于识别三相对称故障。采用公知的距离保护方法可以求出第一区，它可覆盖输电线的被保护部分的长度的大约80％。

输出子信号可以指各相输电线的电压或电流。

电流感应设备可以包括继电器，例如电磁继电器或静止式继电器，或者与数字的或模拟的电子处理装置相结合。

根据本发明的又一个推荐方案，本发明的用于保护输电线中某个线段的设备包括一个安装在所述线段的一端的本地故障保护装置，本地故障保护装置远离安装在在该线段的另一端上的至少一个远程故障保护装置，每个保护装置包括一个断路器，一个输电线信号测量装置用于产生代表输电线上电压或电流的输出信号，和一个信号处理装置，用于对所述输出信号进行处理，并且当输出信号表示在输电线发生了一个故障时产生一个故障信号，这个设备包括监测来自本地断路器上安装的信号测量装置的输出信号的装置，用于检测出在第一区内或第一区之外是否存在一个故障，第一区沿着从本地断路器开始的线段的至少一部分延伸，以及控制所述断路器的装置，当输出信号表示故障发生在第一区之内时，该控制装置使本地断路器基本上立即断开，并且当故障发生在第一区之外时，所述监测装置通过监测来自本地信号测量装置的输出信号，根据该输出信号确定所述远程断路器的操作状态，所述监测装置还用于监测输出信号，确定所述远程断路器动作之后输电线线段的状态，所述控制装置在故障条件满足预定的标准时控制所述本地断路器操作。

关于本发明设备的进一步优选的和推荐的特征可以参考如上所述的方法的有关描述内容。

附图说明

下面将结合由附图所示的本发明的一个实施例仅通过实例说明本发明。附图为：

图1(a)是典型的公知距离保护设计方案的等效电路图；

图1(b)是典型的公知联合保护设计方案的等效电路图；

图1(c)是典型的公知的带有通信传输装置的距离保护设计方案的等效电路图；

图2是用于说明本发明的多分支线段输电线的等效电路图；

图3(1)、3(2)和3(3)是表示在保护区内的单相接地故障情况下该相的RMS值、相序电流信号和比例信号的曲线图；所用的本发明的三相断路器的操作和延时操作方式；其中T1是故障开始的时间；T2是三相断路器B12打开的时间；T3是三相断路器B11打开的时间。

图4(1)、4(2)和4(3)是表示在保护区外的单相接地故障情况下该相的RMS值、相序电流信号和比例信号的曲线图；所用的本发明的三相断路器的操作和延时操作方式；其中T1是故障开始的时间；T2是三相断路器B12打开的时间；

图5(1)、5(2)和5(3)表示在保护区内的相对相故障情况下该相的RMS值、相序电流信号和比例信号的曲线图；所用的本发明的三相断路器的操作和延时操作方式；其中T1是故障开始的时间；T2是三相断路器B12打开的时间；T3是三相断路器B11打开的时间。

图6(1)、6(2)和6(3)是表示在保护区外的相对相故障情况下该相的RMS值、相序电流信号和比例信号的曲线图；所用的本发明的三相断路器的操作和延时操作方式；其中T1是故障开始的时间；T2是三相断路器B12打开的时间；

图7(1)、7(2)和7(3)是表示在保护区内的单相对地高阻抗故障情况下该相的RMS值、相序电流信号和比例信号的曲线图；所用的本发明的单相断路器的操作和延时操作方式；其中T1是故障开始的时间；T2是故障相断路器B12打开的时间；T3是故障相断路器B11打开的时间。

图8(1)、8(2)和8(3)是表示在保护区外的单相对地高阻抗故障情况下该相的RMS值、相序电流信号和比例信号的曲线图；所用的本发明的单相断路器的操作和延时操作方式；其中T1是故障开始的时间；T2是故障相断路器B12打开的时间；

图9(1)、9(2)和9(3)是表示在保护区内的三相接地故障情况下该相的RMS值、相序电流信号和比例信号的曲线图；所用的本发明的三相断路器的操作和延时操作方式；其中T1是故障开始的时间；T2是三相断路器B12打开的时间；T3是三相断路器B11打开的时间。

图10(1)、10(2)和10(3)是表示在保护区外的三相接地故障情况下该相的RMS值、相序电流信号和比例信号的曲线图；所用的本发明的三相断路器的操作和延时操作方式；其中T1是故障开始的时间；T2是三相断路器B12打开的时间；

图11(1)、11(2)和11(3)表示在保护区内的相对相故障情况下该相的RMS值、序列电压信号和比例信号的曲线图；所用的本发明的三相断路器的操作和立即操作方式；其中T1是故障开始的时间；T2是三相断路器B11和B12打开的时间；

图12(1)、12(2)和12(3)表示在保护区外的相对相故障情况下该相的RMS值、序列电压信号和比例信号的曲线图；所用的本发明的三相断路器的操作和立即操作方式；其中T1是故障开始的时间；T2是三相断路器B11和B12打开的时间；T3是三相断路器B11闭合的时间；

图13(1)、13(2)和13(3)表示在保护区内的单相接地故障情况下该相的RMS值、序列电压信号和比例信号的曲线图；所用的本发明的单相断路器的操作和立即操作方式；其中T1是故障开始的时间；T2是故障相断路器B11和B12打开的时间；

图14(1)、14(2)和14(3)表示在保护区外的单相接地故障情况下该相的RMS值、序列电压信号和比例信号的曲线图；所用的本发明的单相断路器的操作和立即操作方式；其中T1是故障开始的时间；T2是故障相断路器B11和B12打开的时间；T3是故障相断路器B11闭合的时间。

具体实施方式

在图1(a)、1(b)和1(c)中，符号CB代表断路器。在图3(1)-10(1)中，符号Ia、Ib和Ic代表三相电流；在图3(2)-10(2)中，符号I1、I0和I2代表正序、零序和负序电流；在图11(1)-14(1)中，符号Va、Vb和Vc代表三相电压；在图11(2)-14(2)中，符号V1、V0和V2代表正序、零序和负序电压；在图((3)-10(3)中，R1和R2分别代表在等式(11)和(12)中给定的比例信号；序列数值和所述比例信号的导数计算将在下面的等式(1)-(12)中求出。

由于只采用一点测量，本发明覆盖的保护区具有清楚界定的边界，换句话说，可以认为本发明提供的是一种无需任何通信传输装置的联合保护设备。

图2表示了本发明的一个实施例。如图所示，这是一个多分支电力输电系统，带有安装在被保护线段L-1的每一端(端点为S和R)上的断路器装置R11和R12；R21和B21是保护设备，三相断路器的作用是保护位于端点R处的输电线段L-2。在下面给出的实例中，本发明联合使用发明设备R11，该设备的保护区覆盖位于端点S和R之间的输电线段L-1。R11的故障检测覆盖从端点S起算的区域1和区域2，设备的结构设计依故障种类的不同而不同，特别是在区域1之外的故障到达位于保护线段上(例如在输电线段L-1的点F2)的R11和在被保护区之外但是在区域2之内的故障到达R11(例如在输电线段L-2的点F3)的情况。

图2示出了所述设备的两种可能的操作方式，即延时操作方式和立即操作方式。这里的“操作”一词是指打开或闭合断路器，断路器可以是三相断路器中之一(单相跳闸或闭合)，或三相断路器共同(三相跳闸或闭合)。如果三相断路器共同打开，则这三相断路器中的每一相能够独立切断流过该相断路器的电流，使电流过零值，结果，在每相断路器打开操作之间可能存在时间延时现象。

不过，这种延时非常短(一般在几个毫秒之内)，它对于本发明的实施毫无影响，因此在下面的实施例说明中将不再涉及。

故障保护设备采用距离技术(如图1(a)所示)作用故障检测和保护的工具，距离保护技术的原理是众所周知的。在本发明中，由故障保护设备根据系统条件和故障种类作出判断，是否立即或延时操作相关的断路器，并且通过监测安装在各断路器上的传感器输出的信号确定一个“远程”断路器的操作状态。

参看图2，如果故障发生在两个设备R11和R12的位于保护区1内的线段L-1上，例如在点F1处，R11和R12将控制操作立即断开输电线线段L-1。可是如果故障发生在线段内端点附近(例如在输电线线段L-1的点F2处)或发生在到达所述设备的区域2之内但是位于R11的保护区之外(例如在输电线线段L-2的点F3处)，靠近该故障点的R12或R21将快速检测出故障和立即断开相应的断路器B12(如果故障在线段L-1上)或B21(如果故障在线段L-2上)。在端点S处的R11将首先审估这种故障对电力输电系统冲击的严重程度，然后判断出针对这种故障条件应采用何种操作方式，也就是说立即或延时断开相关的断路器B11，故障严重程度的极限值与故障电压电平和可以推导出的电流信号电平有关，并且应预先设置。如果已有的极限值已经满足，R11应当进入立即操作方式，反之，将使用延时操作方式。

根据系统条件和故障种类，本发明的设备可以设置单独工作在立即操作方式或延时操作方式。

在立即操作方式，如果检测出故障发生在到达R11的区域2之内，设备R11将快速断开相应的断路器B11，在断开相应的断路器B11之后，设备R11识别远程断路器的操作已经完成否，根据该识别结果将开始检测所述故障是位于保护区内还是之外，如果位于被保护线段的端点R上的断路器B12断开，可假设故障在区内，并且在操作之后故障依然存在。这有效地表示远程继电器R12确定出一个在区内的故障，并且断开了故障线段L-1，在这种情况下，R11阻止了立即重合的操作。否则，当通过远程断路器(例如B21)检测出一个区外的操作使故障与被保护线段L-1已经隔离时，R11将发出重合命令，使相应的断路器B11重合。

由于故障是位于到达设备R11的区1之外，因此它对该电缆系统的冲击比较轻，建议R11转入延时操作方式。在这种操作方式，R11将等待同时检测在端点R上的断路器的操作。由于故障点非常靠近在不同线段上的位于端点R处的设备，该设备很容易判断出如何操作，从而切断相应的故障线段。在端点S处的R11接着判断和识别在线段L-1上的位于远程端点处的断路器B12断开否，类似地，断路器B12的断开意味着故障是在被保护区内或在与被保护线段L-1相关的远程母线上。在这两种情况下，R11将发出跳闸命令，从而将故障与被保护线段L-1隔离。否则，如果所述位于被保护线段之外的远程断路器(例如B21)动作将故障与被保护线段L-1隔离，则R11将不作出响应。

当线路上存在故障时，三相电流和电压将处于不平衡的瞬态工作条件，人们期望，如果利用断路器切断和隔离开故障线段，将恢复平衡和稳定的工作状态。众所周知，大部分故障是不对称的，因此产生出负序和零序分量。本发明的设备通过检测所出现的负序和零序分量，决定系统是否处于平衡状态还是处于非对称的故障条件，然后利用远程断路器进行操作，对于对称的故障，例如三相和三相对地故障，尽管不存在负序和零序分量，但是正序分量的电平会有很大的变化，由此可以判断和识别系统的工作状态，并且由远程断路器完成所需的操作。

在另一种方案中，本发明的故障保护设备可以给在一种混合操作方式，即可以工作在两种可采用的方式。所采用的操作方式取决于故障发生的类型，例如，在三相工作系统，对于单相或两相故障，可以采用延时方式，而在单相断路器工作状态，如果发生三相故障或单相故障，应采用立即操作方式。

在本发明中，通过实时处理算法首先推导出正序、负序和零序分量，这些各序分量的均方根值(一般称为RMS)被计算，然后进行比较和用于确定出系统的条件。特别是这些各序分量的变化用于识别远程断路器的操作。

所述正序、负序和零序分量可以用以下公式表示：

S₁＝(S_A+a S_B+a²S_C)/3

S₂＝(S_A+a²S_B+aS_C)/3                  (1)

S₀＝(S_A+S_B+S_C)/3

其中S_A、S_B和S_C是三相电网频率的电压或电流；S₁、S₂和S₀是正序、负序和零序分量。

如果时间间隔ΔT＝T/3，公式(1)可以表示为：

S₁＝(S_A+S_Be^-j2T/3+S_Ce^-jT/3)/3

S₂＝(S_A+S_Be^-jT/3+S_Ce^-j2T/3)/3        (2)

S₀＝(S_A+S_B+S_C)/3

其中T是电网频率的周期，它可以是50HZ或者60HZ。

将公式(2)以时域表示：

3S₁(t)＝S_A(t)+S_B(t-2T/3)+S_C(t-T/3)

3S₂(t)＝S_A(t)+S_B(t-T/3)+S_C(t-2T/3)      (3)

3S₀(t)＝S_A(t)+S_B(t)+S_C(t)

如果采用ωT_S＝30°的数字采样率，公式(3)的离散形式如下式：

3S₁(K)＝S_A(K)+S_B(K-8)+S_C(K-4)

3S₂(K)＝S_A(K)+S_B(K-4)+S_C(K-8)           (4)

3S₀(K)＝S_A(K)+S_B(K)+S_C(K)

由此可以看出，利用公式(4)计算正序和负序分量要求8次过去采样，这里是不能允许时间延时的。

如果要加快计算速度，可以减少所需的采样次数，也就是说降低公式(2)中“e”的阶次。可以采用公式(5)的数学关系式：

e^±ja＝2COS(a/2)e^±ja/2-1               (5)

通过上述公式(5)，可以推导出如下的公式(6)：

e^±j120°＝e^±j60°-1＝√3e^±j30°-2          (6)

e^±j240°＝-e^±j120°-1＝-e^±j60°＝-√3e^±j30°+1

将公式(6)代入公式(2)，推导出下列公式：

S₁＝(S_A-√3S_Be^-j30+S_B+√3S_Ce^-j30-2S_C)/3

S₂＝(S_A+√3S_Be^-j30-2S_B-√3S_Ce^-j30+S_C)/3       (7)

S₀＝(S_A+S_B+S_C)/3

将公式(7)以时域表示：

$3S_1\left(t\right)=S_A\left(t\right)-2S_C\left(t\right)+S_B\left(t\right)+\sqrt{3}[S_C(t-T/12)-S_B(t-T/12)]$

$3S_2\left(t\right)=S_A\left(t\right)-2S_B\left(t\right)+S_L\left(t\right)+\sqrt{3}[S_B(t-T/12)-S_C(t-T/12)]$

(8)

3S₀(t)＝S_A(t)+S_B(t)+S_C(t)

如果采用与公式(4)相同的ωT_S＝30°的数字采样率，得到公式(9)：

$3S_1\left(K\right)=S_A\left(K\right)-2S_C\left(K\right)+S_B\left(K\right)+\sqrt{3}[S_C(K-1)-S_B(K-1)]$

$3S_2\left(K\right)=S_A\left(K\right)-2S_B\left(K\right)+S_C\left(K\right)+\sqrt{3}[S_B(K-1)-S_C(K-1)]---\left(9\right)$

3S₀(K)＝S_A(K)+S_B(K)+S_C(K)

公式(9)只需要一次采样延时，就可计算出正序和负序分量，因此显著地加快了计算的速度。

接着根据公式(10)求出上述离散序列分量的RMS值：

$\stackrel{\‾}{S}\mathrm{\χ}\left(K\right)=\sqrt{\frac{1}{2}[{S_x}^2\left(K\right)+{\left(\frac{S{x}^{\′}\left(K\right)}{\mathrm{\ω}}\right)}^2]}---\left(10\right)$

其中Sχ(K)、Sχ(K)分别代表正序、负序和零序分量的离散函数和RMS值，χ＝1，2，0。

两个比例信号用于检测系统是否处于平衡工作状态，首先，与正序分量的变化相关的零序和负序分量中的变化作为主要的检测系统是否处于平衡工作状态的标准公式(11)给出了一个比例信号：

$R_1\left(K\right)=\frac{{\stackrel{\‾}{S}}_2\left(K\right)+{\stackrel{\‾}{S}}_0\left(K\right)}{{\stackrel{\‾}{S}}_1\left(K\right)}---\left(11\right)$

为了能够覆盖某些特定的故障条件，例如三相和三相对地故障，还可以采用附加的标准代表在故障期间的正序分量的变化，其公式为：

$R_2\left(K\right)=\frac{{\stackrel{\‾}{S}}_1\left(K\right)-{\stackrel{\‾}{S}}_{1\mathrm{pre}}}{{\stackrel{\‾}{S}}_{1\mathrm{pre}}}---\left(12\right)$

其中S_1pre是故障前正序分量的RMS值。

信号R₁在没有故障或对称故障条件下是零值，因此不存在负序和零序分量，如果在系统中发生了一个不对称故障，该信号电平将增加超过零值，在对称故障条件下，信号R₂将增加电平，当故障从系统中被排除之后，该信号电平又返回零值。对于相对相故障，信号R₁的理论值是“1”，对于相对地故障并且远程断路器断开，该信号是“2”。信号R₂的将高于“1”，这取决于系统在故障前和故障后的条件。结果，高于零电平(在0.2和0.4之间)的当前门限值可以用作确定系统故障条件的标准，以便检验这两个比例信号之一是否超过所述标准。

现在将说明利用电流测量装置的本发明的设备工作在延时操作方式的情况。

实例1：采用三相断路器工作时的单相接地故障

图3是在故障前周期内在保护区内的输电线线段L-1上靠近母线“R”发生单相接地故障(‘A’-‘E’)的本发明设备的响应曲线，断路器动作。其中3(1)是三相电流信号的电平，3(2)是相序电流信号；3(3)是如公式(11)所述的比例信号R₁的曲线。

如图所示，在故障发生之前的正常平衡工作期间，三相电流信号具有相同的电平，零序和负序电流保持在零值。当在时间T1发生故障后，故障相的电流(Ia)和零序电流(I₀)、负序电流(I₂)出现明显的增加，位于输电线线段L-1的端点‘R’处的设备R12检测出故障，发出跳闸命令，打开相关的断路器B12。

当如图3(3)所示在时间T1发生故障后，比例信号R₁电平增加超过当前门限值，远程端点处的断路器B12在时间T2打开，输电线线段L-1的相‘B’和相‘C’变成开路，于是电流Ib和Ic降到零值。但是在相‘A’上的故障尚未由于远程断路器的动作而被清除，因为该断路器在保护区内。故障相电流Ia和负序、零序电流保持在高电平，所述比例信号始终维持高于所述门限值，使在端点‘S’处的设备R11能够检验在这个区域内的故障条件，发出使断路器B11跳闸的命令，从而在时间T3将故障与输电线线段L-1隔离。

如图3所示，从故障在时间T1发生直到时间T3打开断路器B11，主要包括两个时间周期，即t12和t23，t12是指由故障开始直到在端点‘R’的断路器B12动作的时间周期，其间，包括由设备R12检测故障发生所花费的时间(一般花费大约一个功率频率周期)和断路器B12打开所需的时间(一般花费一个到三个周期，取决于所用的断路器类型)。t23是指设备R11识别断路器B12操作的时间加上断路器B11响应的时间。在无延时操作方式，从故障开路直到打开在端点‘S’三断路器B11所需的时间等于时间周期t 12，因此在延时操作方式的总的时间延时就是时间周期t23，它大约是2-4个周期，取决于所用的断路器类型。

图4是在保护区外的输电线线段L-2上靠近母线“R”发生单相接地故障的本发明设备的响应曲线，由于故障靠近前述的故障位置，如图4(1)和4(2)所示的相电流和序电流信号几乎与打开端点‘R’处的断路器B21之前在时间T1时的图3(1)和3(2)的信号电平相同。在时间T2打开断路器B21之后，将该故障与被保护线段L-1隔离，系统恢复平衡工作状态。当然，故障相电流Ia返回故障前的水平，负序和零序电流降到零值，如图4(2)所示，信号比例降到门限值以下，如图4(3)所示，于是抑制了在端点‘S’的设备R11发出针对区外故障的跳闸命令。

实例2：采用三相断路器工作时的相对相故障

图5是在保护区内的输电线线段L-1上靠近母线‘R’发生相对相故障(‘A’-‘B’)的响应曲线。如图5(2)所示，当在T1时刻发生故障之后，系统进入非平衡工作状态，这时零序电流仍然在零值，因为这种故障不是接地故障。断路器B12在T2时刻打开，但是并未清除在线段L-1上的故障。出现负序电流，维持信号比例始终高于门限值，如图5(3)所示。同时，由于断路器B12打开，无故障相电流Ic降到零，结果，设备R11检测出在保护区内故障的状态，发出跳闸命令，使断路器B11在T3时刻打开，将故障与线段L-1隔离。

反之，图6是在保护区外的相对相故障的情况，在T2时刻打开断路器B21之后，将故障与线段L-1隔离，与故障相关的负序电流降到零，系统返回平衡工作状态，如图6(3)所示，信号比例降到零，于是抑制了在端点‘S’的设备R11发出针对区外故障的跳闸命令。

实例3：采用单相断路器工作的高阻抗故障条件

图7和8分别是在保护区内和保护区外发生单相高阻抗故障时本发明系统的响应曲线，该系统使用单相断路器工作。如图7(1)和8(1)所示，在故障发生时刻T1和断路器在时刻T2的周期之间故障相电流的幅值变化很小，各序的电流如图7(2)和8(2)所示。这是由于在这种故障条件下高阻抗的故障通路吸引很小的故障电流，此时比例信号维持在如图7(3)和8(3)所示的门限值之下。

不过，在如图7(2)所示的保护区内发生故障的情况下，如果在端点‘R’的断路器B12的故障相断开使故障相跳闸后，负序和零序电流电平增加，而正序电流减小，信号比例快速增加到超过如图7(3)所示的门限值以上，时在端点‘S’处的设备R11能够发出针对保护区内的故障条件的跳闸命令，接着故障相的断路器B11在时刻T3断开。

关于在保护区外的故障条件，在输电线L-2上的‘R’端点处的故障相断路器B21断开，使故障与输电线线段L-1隔离。在这一周期内，信号比例始终维持在如图8(3)所示的门限值之下，因此，在端点‘S’处的设备R11并不响应这种发生在保护区外的故障。

实例4：采用三相断路器工作时的三相故障

图9和图10分别是在保护区内和保护区外发生三相故障时本发明系统的响应曲线，该系统使用三相断路器工作。如图9(1)和10(1)所示，在时刻T1发生故障之后，所有三相电流增加到同样高的电平，在上述两种情况下，正序电流大增加，如图9(2)和10(2)所示。由于这种故障属于平衡故障条件，零序和负序电流保持为零值。如果是保护区内的故障，在端点‘R’处的断路器B12断开；如果是保护区外的故障，断路器B21断开，在此之后，对于保护区内的故障，正序电流维持在如图9(2)所示的高电平，对于保护区外的故障，则返回故障前如图10(2)所示的电平。如前所述，在这两种情况下，在公式(11)中给出的信号比例R1在如图9(3)和10(3)所示的整个周期上将维持在低于门限值，这将不能根据这个比例信号判断断路器的操作。

不过，在如图9(2)和10(2)所示的周期内，正序电流出现剧烈的变化。由公式(12)给出的比例信号表示了正序电流相对于其故障前电平的变化曲线，由此可以清楚地识别出在保护区内和保护区外的远程断路器的工作。对于在保护区内的故障，R2信号的高电平使R11能够作出跳闸决定，并且断路器B11在时刻T3断开，如图9(3)所示。对于在保护区外的故障，R2信号的电平在时刻T2断路器B21断开之后返回零值，阻止了R11作出跳闸的指令。

如前所述，某些系统结构和故障条件不允许使用这种延时操作方式，特别是系统电压处于或高于EHV电平。在这种情况下，可以使设备工作在快速操作方式，只是应当根据请求或在线作出决定，以便适应所用的系统和故障条件。在快速操作方式，快速断开端点‘S’断路器B11将使在一端的输电线回路开环，于是测量不到任何电流，因此在这种操作方式，本发明的设备依靠所测量的电压信号确定和识别远程断路器的操作状态。根据正常工作的实际经验，最好在所述断路器的线路侧安装电压变换器。

实例5和6(图11-14)举例说明以快速操作方式工作的采用电压测量装置的本发明设备的情况。

实例5：采用三相断路器操作时的相对相故障

图11和12分别是在保护区内和保护区外发生相对相故障(‘A’-‘B’)时本发明系统的响应曲线，该系统使用三相断路器工作。如图11(1)和11(2)、12(1)和12(2)所示，在故障前、故障后周期内相电压和序电压的曲线，断路器安装在线路两端‘S’和‘R’。图11(2)显示的是在保护区内的故障，当在时刻T1发生故障之后正序电压出现明显下降，当安装在被保护区L-1两端的断路器B11和B12在时刻T2打开之后，正序电压信号降到接近零的电平。如图11(3)所示，在故障发生之后，比例信号增加直至超过门限值，当断路器打开之后，该信号电平继续增加达到一个相当高的水平，结果，由于在保护区内存在故障，在端点‘R’处的设备R1阻止了断路器的重合操作。

图12显示的是在保护区外的故障的情况，远程断路器B21的打开将故障与被保护线路L-1隔离，系统返回平衡工作条件。在这个周期内，故障出现之后正序电压下降，当断路器打开之后，又返回接近其故障前的电平；故障出现之后负序电压增加，当断路器打开之后，又下降返回，结果，比例信号返回到低于门限值，使设备R11能够在时刻T3重合在端点‘S’的断路器B11.

实例6：采用单相断路器工作时的单相接地故障

图13和14分别是在保护区内和保护区外发生单相接地故障(‘A’-‘E’)时本发明系统的响应曲线，在这两种情况下，该系统均使用单相断路器工作。如图13(2)和14(2)所示，在时刻T2，如果故障发生在保护区内，故障相的断路器B11和B12打开，如果故障发生在保护区外，断路器B11和B21打开。对于在保护区内的故障，由于故障仍然存在于被保护线段L-1上，导致负序和零序电压特别高，不要使比例信号维持在如图3(3)所示的高电平，结果，阻止R11发出断路器重合的命令。

相反地，系统在清除了保护区外的故障之后返回平衡工作状态，如图14(2)所示，设备R11监测这一过程，并且发出重合命令，使断路器B11在时刻T3闭合，系统恢复正常运行。

Claims (14)

1.一种保护输电线路的一个线段的方法，一个本地故障保护装置安装在所述一个线段的一端，至少一个远程故障保护装置安装在该线段的远离所述本地故障保护装置的另一端，每个故障保护装置包括一个断路器，一个输电线信号测量装置，用于产生代表输电线上电压或电流的本地输出信号，和一个信号处理装置，用于对所述本地输出信号进行处理，用以当本地输出信号表示在输电线发生了一个故障时产生一个故障信号，这种保护方法包括以下步骤：

a)监测产生自本地故障保护装置的断路器上的信号测量装置的本地输出信号，确定相对于沿着从所述本地故障保护装置的断路器开始的所述线段的至少一部分延伸的第一区的故障位置；

b)如果所述产生自本地故障保护装置的本地输出信号表示故障发生在第一区之内，就使所述本地故障保护装置的断路器立即断开；

c)如果所述产生自本地故障保护装置的本地输出信号表示故障发生在第一区之外，就监测所述产生自本地故障保护装置的本地输出信号以检测所述远程故障保护装置的断路器的操作状态；

d)当所述产生自本地故障保护装置的本地输出信号表示所述远程故障保护装置的断路器的操作状态时，监测所述产生自本地故障保护装置的本地输出信号、以确定所述输电线路的所述线段的一个故障状态；以及

e)如果已检测所述远程故障保护装置的断路器的操作状态、且所述产生自本地故障保护装置的本地输出信号所表示的故障状态满足预定的标准，就输出一个故障信号、以断开所述本地故障保护装置的断路器。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，不管检测出的故障究竟是发生在第一区内还是发生在第一区外，立即断开本地故障保护装置的断路器。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，如果在已经检测远程故障保护装置的断路器操作状态之后来自本地故障保护装置的信号测量装置的本地输出信号表示所述故障尚未清除，则禁止所述本地故障保护装置的断路器再闭合。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述故障被清除之后，再闭合本地故障保护装置的断路器。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过监测所述产生自本地故障保护装置的本地输出信号而检测出故障不是发生在第一区之内时，所述本地故障保护装置的断路器在预定的时间延时之后断开。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，通过监测所述产生自本地故障保护装置的本地输出信号而检测远程故障保护装置的断路器的操作，且该产生自本地故障保护装置的本地输出信号显示出该远程故障保护装置的断路器操作之后输电线路故障仍然存在，则本地故障保护装置的断路器在加速时间内打开，不等待预定的延时时间。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，如果故障已经清除，本地故障保护装置的断路器被禁止断开。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过全时监测所述产生自本地故障保护装置的本地输出信号，检测远程故障保护装置的断路器的操作，从而检测出表明所述远程故障保护装置的断路器断开的数值的变化。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，通过确定检测一个故障发生和相邻远程故障保护装置的断路器的预期的闭合或断开操作之间的时间延时，检测所述远程故障保护装置的断路器的操作。

10.根据权利要求1-9之一所述的方法，其特征在于，所述的预定标准是根据下列公式而计算第一比例信号R₁(K)来确定的：

$R_1\left(K\right)=\frac{{\stackrel{-}{S}}_2\left(K\right)+{\stackrel{-}{S}}_0\left(K\right)}{{\stackrel{-}{S}}_1\left(K\right)}$

其中，

分别代表正序、负序和零序分量的均方根值，x＝1，2，0；以及将所述第一比例信号R₁(k)的值与预先设定的阈值进行比较。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述的预定标准还进一步根据下列公式计算第二比例信号R₂(K)来确定：

$R_2\left(K\right)=\frac{{\stackrel{-}{S}}_1\left(K\right)-{\stackrel{-}{S}}_{1\mathrm{pre}}}{{\stackrel{-}{S}}_{1\mathrm{pre}}}$

其中，是所述线路的所述线段的故障状态被检测到之前所述正序分量的均方根值；以及将所述第二比例信号R₂(k)的值与所述预先设定的阈值进行比较。

12.一种保护输电线路的一个线段的设备，包括：

安装在被保护线段一端的一个本地故障保护装置，安装在该被保护线段的远离所述本地故障保护装置的另一端的至少一个远程故障保护装置，每个故障保护装置包括一个断路器；一个用于产生表示输电线路电流或电压的本地输出信号的输电线路信号测量装置；和一个信号处理装置，当该本地输出信号表示在线路上发生一个故障时，该信号处理装置处理所述本地输出信号、以产生一个故障信号；用来监测产生自本地故障保护装置的断路器上的输电线路信号测量装置的本地输出信号的监测装置，用于检测出在第一区内或第一区之外是否存在一个故障，所述第一区沿着从所述本地故障保护装置的断路器开始的所述线段的至少一部分延伸；以及控制所述本地故障保护装置的断路器的控制装置，当所述产生自本地故障保护装置的本地输出信号表示故障发生在第一区之内时，该控制装置有效地使本地故障保护装置的断路器立即断开，并且当故障发生在第一区之外时，所述监测装置通过监测所述产生自本地故障保护装置的输电线路信号测量装置的本地输出信号，有效地检测所述远程故障保护装置的断路器的操作，所述监测装置还有效地监测所述产生自本地故障保护装置的本地输出信号，确定在所述远程故障保护装置的断路器动作之后所述输电线路的所述线段的故障状态，所述控制装置在故障条件满足预定的标准时有效地控制所述本地故障保护装置的断路器操作。

13.根据权利要求12所述的设备，其特征在于，所述的预定标准是通过根据下列公式而计算第一比例信号R₁(K)来确定的：

$R_1\left(K\right)=\frac{{\stackrel{-}{S}}_2\left(K\right)+{\stackrel{-}{S}}_0\left(K\right)}{{\stackrel{-}{S}}_1\left(K\right)}$

其中，

分别代表正序、负序和零序分量的均方根值，x＝1，2，0；以及将所述第一比例信号R₁(k)的值与预先设定的阈值进行比较。

14.根据权利要求13所述的设备，其特征在于，所述的预定标准还进一步根据下列公式计算第二比例信号R₂(K)来确定：

$R_2\left(K\right)=\frac{{\stackrel{-}{S}}_1\left(K\right)-{\stackrel{-}{S}}_{1\mathrm{pre}}}{{\stackrel{-}{S}}_{1\mathrm{pre}}}$

其中，

是所述线路的所述线段的故障状态被检测到之前正序分量的均方根值；以及将所述第二比例信号R₂(k)的值与所述预先设定的阈值进行比较。

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