專利名稱：用于產(chǎn)生表征三相輸電線路上出現(xiàn)三極短路信號(hào)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于產(chǎn)生表征三相輸電線路上出現(xiàn)三極短路信號(hào)的方法，其中對(duì)相電流和相電壓進(jìn)行取樣并形成相電流-和相電壓取樣值，且根據(jù)相電流-和相電壓取樣值形成信號(hào)。
在采用這種方法(西門子股份公司“保護(hù)設(shè)備7SA513 V3.1操作手冊(cè)”，第68頁(yè))時(shí)，對(duì)相電流和相電壓進(jìn)行取樣并產(chǎn)生相電流-和相電壓取樣值。由這些取樣值形成阻抗矢量，對(duì)在綜合R-X-阻抗平面上的其變化速度進(jìn)行分析；當(dāng)在R-X-阻抗平面上的阻抗矢量的變化速度過(guò)高時(shí)，則產(chǎn)生一表征三極短路的信號(hào)。
本發(fā)明的任務(wù)在于，提出一種方法，采用此方法可以特別可靠地檢測(cè)出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)的三極短路。
按照本發(fā)明采用本說(shuō)明書(shū)引言部分中所述的方法，該任務(wù)的解決方案如下，由相電流-和相電壓取樣值產(chǎn)生一個(gè)與輸電線路的順相序系統(tǒng)有功功率的瞬時(shí)值成比例的順相序系統(tǒng)有功功率的測(cè)量值，該順相序系統(tǒng)有功功率測(cè)量值被輸送給數(shù)字濾波器，在該數(shù)字濾波器中求出順相序系統(tǒng)有功功率測(cè)量值的成時(shí)間指數(shù)衰變的、隨電網(wǎng)頻率振蕩的測(cè)量值分量，所述順相序系統(tǒng)有功功率測(cè)量值被輸送給第二數(shù)字濾波器，在該數(shù)字濾波器中求出順相序系統(tǒng)有功功率測(cè)量值的成時(shí)間指數(shù)衰變的、隨電網(wǎng)頻率振蕩的并與所述測(cè)量值分量正交的另一測(cè)量值分量，該順相序系統(tǒng)有功功率測(cè)量值被輸送給第三個(gè)數(shù)字濾波器，在該數(shù)字濾波器中測(cè)定順相序系統(tǒng)有功功率測(cè)量值時(shí)間上隨波動(dòng)頻率振蕩的波動(dòng)分量測(cè)量值，分別對(duì)測(cè)量值分量和另一個(gè)測(cè)量值分量平方并接著相加形成順相序系統(tǒng)有功功率測(cè)量值的電網(wǎng)頻率分量測(cè)量值并用波動(dòng)分量測(cè)量值和電網(wǎng)頻率分量測(cè)量值形成信號(hào)。
本發(fā)明方法的優(yōu)點(diǎn)在于，甚至在功率波動(dòng)時(shí)也可以可靠地識(shí)別出三極短路，這是因?yàn)橛捎诓捎昧藬?shù)字濾波器因而可將順相序系統(tǒng)有功功率測(cè)量值中的波動(dòng)分量和短路分量分隔開(kāi)，故可以特別可靠地識(shí)別出輸電線路上的三極短路。
采用本發(fā)明的方法時(shí)，根據(jù)波動(dòng)分量測(cè)量值和電網(wǎng)頻率分量測(cè)量值確定出表征三極短路的信號(hào)；當(dāng)波動(dòng)分量測(cè)量值自乘，由電網(wǎng)頻率分量測(cè)量值和波動(dòng)分量測(cè)量值的平方求出商，并且當(dāng)該商超過(guò)一預(yù)定的閾值時(shí)，產(chǎn)生信號(hào)時(shí)，則可以特別簡(jiǎn)單地并因此有益地實(shí)現(xiàn)此點(diǎn)。
如果對(duì)相電流-和相電壓取樣值進(jìn)行αβ-變換(克拉克-變換)，產(chǎn)生變換的取樣值并由變換的取樣值產(chǎn)生順相序系統(tǒng)有功功率測(cè)量值，則可以特別迅速并因而有益地形成順相序系統(tǒng)有功功率測(cè)量值。
例如非遞歸濾波器是尤其易于實(shí)現(xiàn)的數(shù)字濾波器，故如果第一、第二和/或第三濾波器都是非遞歸濾波器(FIR-濾波器)，則是特別有益的。
為測(cè)定三極短路，按照本發(fā)明由順相序系統(tǒng)有功功率測(cè)量值形成一隨電網(wǎng)頻率振蕩的、成時(shí)間指數(shù)衰變的測(cè)量值分量和另一隨電網(wǎng)頻率振蕩的、成時(shí)間指數(shù)衰變的測(cè)量值分量，其中第一個(gè)測(cè)量值分量與第二個(gè)測(cè)量值分量相互正交；如果第一個(gè)測(cè)量值分量為正弦波并且第二個(gè)測(cè)量值分量為余弦波，則實(shí)施此方法步驟尤為簡(jiǎn)單。
為避免在順相序系統(tǒng)有功功率測(cè)量值中低頻干擾信號(hào)對(duì)在測(cè)定兩個(gè)測(cè)量值分量時(shí)的測(cè)量精確度造成不利的影響，如果在輸送給第一和第二濾波器前對(duì)順相序系統(tǒng)有功功率測(cè)量值進(jìn)行高通濾波，則是特別有益的。
如果通過(guò)采用一個(gè)為濾出信號(hào)分量A·exp(-t/τ)·sin(ωt)所設(shè)計(jì)的最佳濾波器作為第一濾波器(其中A表示振幅，τ為常數(shù)和ω表示電網(wǎng)回路頻率)并采用為濾出信號(hào)分量B·exp(-t/τ)·cos(ωt)所設(shè)計(jì)的最佳濾波器作為第二濾波器(其中B表示另一個(gè)振幅)來(lái)測(cè)定第一和第二測(cè)量值分量時(shí)，則采用本發(fā)明方法可以實(shí)現(xiàn)特別高的測(cè)量精度。
下面借助附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明，附圖中

圖1為實(shí)施本發(fā)明方法的一裝置的實(shí)施例，圖2為圖1所示本發(fā)明裝置中高通濾波器的脈沖應(yīng)答；圖3為圖1所示本發(fā)明裝置中的數(shù)字濾波器的振幅特性和相位特性。
圖1示出形成空間矢量的裝置3，該裝置的輸入端以未示出的方式通過(guò)換流器和電壓轉(zhuǎn)換器接在三相供電線路的三個(gè)相上。該裝置3的輸出端接在用于形成順相序系統(tǒng)有功功率測(cè)量值的裝置5上，在裝置5的輸出端后置有一個(gè)高通濾波器7。該高通濾波器7的輸出端接在一數(shù)字濾波器9和第二數(shù)字濾波器11上。在兩個(gè)濾波器9和11后分別后置有一個(gè)平方器，其中平方器13與數(shù)字濾波器9連接并且另一平方器15與第二濾波器11連接。兩個(gè)平方器13和15的輸出端接在一加法器17上，除法器19的一個(gè)輸入端E19A后置于此加法器上。第三平方器21前置于該除法器19的另一輸入端E19B，所述第三平方器的輸入端接在第三數(shù)字濾波器23的輸出端。該第三數(shù)字濾波器23同樣與用于形成順相序系統(tǒng)有功功率的測(cè)量值裝置5的輸出端連接。除法器19的輸出端接在一閾值比較裝置25上。在三相輸電線路上出現(xiàn)三極短路時(shí)由閾值比較裝置25的輸出端輸出一相應(yīng)的信號(hào)S。
采用圖1所示裝置產(chǎn)生信號(hào)S的過(guò)程如下首先在用于形成空間矢量的裝置3中對(duì)圖中未示出的三相輸電線路上的相電流Ir、Is、It和相電壓Ur、Us、Ut進(jìn)行取樣，同時(shí)得出相電流取樣值和相電壓取樣值Ur、Us、Ut、Ir、Is和It。對(duì)這些取樣值進(jìn)行Oαβ-變換(克拉克變換)，從而確定出經(jīng)變換的電流取樣值Iα、Iβ、以及經(jīng)變換的電壓取樣值Uα和Uβ(參見(jiàn)“用于處理多相系統(tǒng)的坐標(biāo)變換”，H.H.雅恩和R.卡斯佩爾，電子技術(shù)文獻(xiàn)集，56(1974)，第105-111頁(yè))(1)Iα=2/3·(Ir-0.5(Is+It))]]>(2)Iα=1/2·(Is-It)]]>(3)Iα=2/3·(Ur-0.50·(Us+Ut))]]>(4)Iα=1/2·(Us-Ut))]]>根據(jù)下述公式在用于形成順相序系統(tǒng)有功功率的測(cè)量值的裝置5中，由上述經(jīng)變換的取樣值求出與順相序系統(tǒng)有功功率的瞬時(shí)值成比例的順相序系統(tǒng)有功功率測(cè)量值P(5)P=1/2·(Uα·Iα+Uβ·Iβ)另外的依據(jù)是，在短路或電網(wǎng)波動(dòng)時(shí)順相序系統(tǒng)有功功率的測(cè)量值P具有一個(gè)時(shí)間變化過(guò)程，表述該時(shí)間變化過(guò)程的信號(hào)模型如下(6)P=P1·exp(-t/τ)·sin(ωt)+P2·exp(-t/τ)·cos(ωt)+C式中，第一項(xiàng)P1·exp(-t/τ)·sin(ωt)表示成時(shí)間指數(shù)衰變的、隨電網(wǎng)頻率振蕩的順相序系統(tǒng)有功功率測(cè)量值P的正弦波信號(hào)分量，第二項(xiàng)P2·exp(-t/τ)·cos(ωt)表示另一成時(shí)間指數(shù)衰變的、隨電網(wǎng)頻率振蕩的順相序系統(tǒng)有功功率測(cè)量值P的信號(hào)分量，其中上述第一信號(hào)分量與這另一信號(hào)分量正交，這是因?yàn)檫@另一信號(hào)分量為余弦波形。C表示順相序系統(tǒng)有功功率測(cè)量值P的隨波動(dòng)頻率振蕩的波動(dòng)分量測(cè)量值，其中波動(dòng)分量測(cè)量值C與時(shí)間有關(guān)并因而表示瞬時(shí)值。
按照公式(6)的信號(hào)模型的依據(jù)是，在出現(xiàn)三極短路時(shí)實(shí)際上不再有有功率功率并因而不再有順相序系統(tǒng)有功功率被轉(zhuǎn)換，從而在這種短路時(shí)順相序系統(tǒng)有功功率測(cè)量值P必定會(huì)降到接近零的非常小的值；在式(6)中通過(guò)前兩項(xiàng)考慮到了順相序系統(tǒng)有功功率測(cè)量值P的該降低。在式(6)的信號(hào)模型還含有功率波動(dòng)，確切地說(shuō)用第三項(xiàng)或波動(dòng)分量測(cè)量值C加以表示；利用該波動(dòng)分量測(cè)量值C考慮到了在順相序系統(tǒng)有功功率測(cè)量值P中那些低于電網(wǎng)頻率并因而標(biāo)示電網(wǎng)波動(dòng)的頻率分量。將結(jié)合對(duì)第三數(shù)字濾波器23的說(shuō)明對(duì)求得波動(dòng)分量測(cè)量值C的進(jìn)一步細(xì)節(jié)加以說(shuō)明。
順相序系統(tǒng)有功功率測(cè)量值P被傳輸給高通濾波器7，在該高通濾波器中濾除掉在順相序系統(tǒng)有功功率測(cè)量值P中帶有低于電網(wǎng)頻率的低頻分量并形成經(jīng)濾波的順相序系統(tǒng)有功功率測(cè)量值P′。該經(jīng)濾波的順相序系統(tǒng)有功功率測(cè)量值P到達(dá)一個(gè)數(shù)字濾波器9和第二數(shù)字濾波器11。在第一數(shù)字濾波器9中由經(jīng)濾波的順相序系統(tǒng)有功功率測(cè)量值P′通過(guò)數(shù)字濾波求出成時(shí)間指數(shù)衰變的并隨電網(wǎng)頻率振蕩的測(cè)量值分量A，該測(cè)量值分量與按照公式(6)的信號(hào)模型中的第一項(xiàng)相符。為此數(shù)字濾波器9設(shè)計(jì)成最佳濾波器，用于濾出信號(hào)分量P1·exp(-t/τ)·sin(ωt)。有關(guān)最佳濾波器的設(shè)計(jì)，請(qǐng)參見(jiàn)有關(guān)的專業(yè)文獻(xiàn)(例如參見(jiàn)Thomas P.Krauss、Loren.Shure、John N.Litte,THE MATH WORKS公司“信號(hào)處理工具箱-Signal Processing Toolbox”；Helmut.Schwarz，“最佳調(diào)節(jié)和濾波器-Optimale Regelung und Filterung”,柏林學(xué)院出版社，1981，第100至116頁(yè)；Juergen.Wede和Dietrich.Wemer，“以參數(shù)評(píng)價(jià)方法為基礎(chǔ)的實(shí)時(shí)處理模型-Echtzeitprozeβmodelle auf der Basis von Parameterschaetzverfahren”，柏林技術(shù)出版社，1985，第30至35頁(yè)；Juergen.Wemstedt，“試驗(yàn)的處理分析-Experimentelle Prozeβanalyse”，柏林技術(shù)出版社，1989)。在圖3中以振幅-和相位特性曲線的形式示出圖1中的三個(gè)數(shù)字濾波器9、11和23的實(shí)施例。在第二濾波器11中求出另一個(gè)成時(shí)間指數(shù)衰變的并隨電網(wǎng)頻率振蕩的測(cè)量值分量B，該測(cè)量值分量B與按照公式(6)的信號(hào)模型中的第二項(xiàng)相符；為此，第二濾波器11被設(shè)計(jì)成最佳濾波器，用于濾出信號(hào)分量P2·exp(-t/τ)·cos(ωt)。
測(cè)量值分量A到達(dá)平方器13并且另一測(cè)量值分量13到達(dá)另一平方器15；分別加在兩個(gè)平方器13和15上的測(cè)量值分量A和B被平方，形成測(cè)量值分量的平方A2和另一測(cè)量值分量的平方B2。兩個(gè)測(cè)量值分量的平方A2和B2到達(dá)加法器17，在加法器中通過(guò)相加形成經(jīng)濾波的順相序系統(tǒng)有功功率測(cè)量值P′和順相序系統(tǒng)有功功率測(cè)量值P的電網(wǎng)頻率分量測(cè)量值P250。該電網(wǎng)頻率分量測(cè)量值P250到達(dá)平方器19。
另外，將順相序系統(tǒng)有功功率測(cè)量值P從形成順相序系統(tǒng)有功功率測(cè)量值的裝置5傳遞給第三數(shù)字濾波器23，在該濾波器中形成順相序系統(tǒng)有功功率測(cè)量值P的時(shí)間上隨波動(dòng)頻率振蕩的波動(dòng)分量測(cè)量值C。但由于波動(dòng)頻率事先并不是已知的，故波動(dòng)分量測(cè)量值的具體測(cè)定方式如下，波動(dòng)分量測(cè)量值含括所那些其頻率低于電網(wǎng)頻率的信號(hào)分量；即考慮到波動(dòng)具有明顯低于電網(wǎng)頻率的頻率。第三濾波器13基本上是一個(gè)低通濾波器，該濾波器僅允許低的并因而標(biāo)示電網(wǎng)波動(dòng)的頻率非衰減地通過(guò)。有關(guān)第三數(shù)字濾波器23的設(shè)計(jì)同樣可參見(jiàn)圖3。波動(dòng)分量測(cè)量值C被傳遞給第三平方器21并形成波動(dòng)分量測(cè)量值的平方C2。波動(dòng)分量測(cè)量值的平方C2被加到除法器19的另一輸入端E19B。
在除法器19中由電網(wǎng)頻率分量測(cè)量值P250和波動(dòng)分量測(cè)量值的平方C2求出商P250/C2，該商被傳遞給閾值比較器25。在該比較器25中對(duì)商P250/C2是否超過(guò)預(yù)定的閾值進(jìn)行監(jiān)視。當(dāng)商P250/C2超過(guò)閾值例如0.25時(shí)，則在閾值比較器25的輸出端25產(chǎn)生信號(hào)S，該信號(hào)如上所述表示在三相輸電線路上出現(xiàn)的三極短路。當(dāng)商P250/C2低于閾值時(shí)，則波動(dòng)分量測(cè)量值C過(guò)大，由此推斷出，在輸電線路上出現(xiàn)電網(wǎng)波動(dòng)而且并未三極短路；在此情況時(shí)不會(huì)產(chǎn)生信號(hào)S。
圖2以數(shù)字脈沖應(yīng)答的方式示出高通濾波器7的實(shí)施例。
加上所述，圖3以振幅-和相位特性曲線的方式示出數(shù)字濾波器9、第二數(shù)字濾波器11和第三數(shù)字濾波器23的實(shí)施例。三個(gè)濾波器9、11和23例如可以設(shè)計(jì)成FIR-濾波器(非遞歸濾波器)；該FIR-濾波器的相適應(yīng)的濾波器系數(shù)例如可以采用已知的程序包MATLAB(The MathWorks Inc,Natick,Mass.美國(guó))用下述MATLAB-源數(shù)據(jù)集產(chǎn)生％calculate the gamma-vectors and S-matrix for the powerswing estimator(為功率波動(dòng)計(jì)算器計(jì)算伽馬矢量和S-矩陣)N=4；
TA=5e-3；T=20e-3；Tau=150e-3；it=0:TA:(N-1)*TA；g=[sin(2*pi/T*it).*exp(-it/Tau)；cos(2*pi/T*it).*exp(-it/Tau)；o*it+1]；gamma=g＇S=inv(g*g′)a=S(1,1)*g(1,:)+S(1,2)*g(2,:)+S(1,3)*g(3,:)；b=S(2,1)*g(1,:)+S(2,2)*g(2,:)+S(2,3)*g(3,:)；c=S(3,1)*g(1,:)+S(3,2)*g(2,:)+S(3,3)*g(3,:)；a=fliplr(a)b=fliplr(b)c=fliplr(c)c_=c-
；[C_,f]=freqz(c_,1,512,200)；c_=c_/abs(C_(256))；a_=conv(c_,a)；b_=conv(c_,b)；[C,f]=freqz(c,1,512,200)；[A_,f]=freqz(a_,1,512,200)；[B_,f]=freqz(b_,1,512,200)；subplot(2,1,1)；plot(f,[abs(C),abs(A_),abs(B_)])gridsubplot(2,1,2)plot(f,[angle(C)*180/pi,angle(A_)*180/pi,angle(B_)*180/pi])griddelt_phi=(angle(A_(256))-angle(B_(256)))*180/pi例如可以在數(shù)據(jù)處理設(shè)備上采用圖1所示裝置實(shí)施用于產(chǎn)生標(biāo)示三相輸電線路上出現(xiàn)的三極短路的信號(hào)的方法。
權(quán)利要求
1．一種用于產(chǎn)生表征三相輸電線路上出現(xiàn)三極短路的信號(hào)(S)的方法，其中-對(duì)相電流和相電壓取樣，形成相電流-和相電壓取樣值(Ir、Is、It、Ur、Us、Ut)并且-由相電流-和相電壓取樣值(Ir、Is、It、Ur、Us、Ut)形成信號(hào)(S)，其特征在于-由相電流-和相電壓取樣值(Ir、Is、It、Ur、Us、Ut)形成與輸電線路的順相序系統(tǒng)有功功率的瞬時(shí)值成比例的順相序系統(tǒng)有功功率測(cè)量值(P)，-所述順相序系統(tǒng)有功功率測(cè)量值(P,P′)被饋送給一數(shù)字濾波器(9)，在該濾波器上求出順相序系統(tǒng)有功功率測(cè)量值(P)的成時(shí)間指數(shù)衰變的、隨電網(wǎng)頻率振蕩的測(cè)量值分量(A)，-所述順相序系統(tǒng)有功功率測(cè)量值(P,P′)被饋送給一第二數(shù)字濾波器(11)，在該濾波器中求出順相序系統(tǒng)有功功率測(cè)量值(P)中成時(shí)間指數(shù)衰變的、隨電網(wǎng)頻率振蕩的并與所述測(cè)量值分量(A)正交的另一測(cè)量值分量(B)，-所述順相序系統(tǒng)有功功率測(cè)量值(P)被饋送給一第三數(shù)字濾波器(23)，在該濾波器中確定出在順相序系統(tǒng)有功功率測(cè)量值(P)中時(shí)間上隨波動(dòng)頻率振蕩的波動(dòng)分量測(cè)量值(C)，-分別將所述第一測(cè)量值分量和另一測(cè)量值分量(A、B)平方并接著將兩者相加，形成順相序系統(tǒng)有功功率測(cè)量值(P)的電網(wǎng)頻率分量測(cè)量值(P250)并且-用波動(dòng)分量測(cè)量值(C)和電網(wǎng)頻率分量測(cè)量值(P250)形成信號(hào)(S)。
2．按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于-所述波動(dòng)分量測(cè)量值(C)被平方，-由電網(wǎng)頻率分量測(cè)量值(P250)和波動(dòng)分量測(cè)量值的平方(C2)求出商(P250/C2)并且-當(dāng)商(P250/C2)超過(guò)一預(yù)定的閾值時(shí)，產(chǎn)生信號(hào)(S)。
3．按照權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于-對(duì)相電流-和相電壓取樣值(Ir、Is、It、Ur、Us、Ut)進(jìn)行αβ-變換，形成經(jīng)變換的取樣值(Iα、Iβ、Uα、Uβ)并且-由變換的取樣值(Iα、Iβ、Uα、Uβ)形成順相序系統(tǒng)有功功率測(cè)量值(P)。
4．按照上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于所述第一濾波器、第二濾波器和/或第三濾波器(9、11、23)系非遞歸濾波器(FIR-濾波器)。
5．按照上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于-所述第一個(gè)測(cè)量值分量(A)是正弦波形并且另一測(cè)量值分量(B)是余弦波形。
6．按照上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于-在將順相序系統(tǒng)有功功率測(cè)量值(P)饋送給第一個(gè)濾波器(9)和第二濾波器(11)前對(duì)其進(jìn)行高通濾波。
7．按照上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于-采用一為濾出信號(hào)分量A·exp(-t/τ)·sin(ωt)所設(shè)計(jì)的最佳濾波器作為第一濾波器(9)，其中A表示振幅，τ表示常數(shù)并且ω表示電網(wǎng)回路頻率，并且-采用一為濾出信號(hào)分量B·exp(-t/τ)·cos(ωt)所設(shè)計(jì)的最佳濾波器作為第二濾波器(11)，其中B表示另一振幅。
全文摘要
一種用于產(chǎn)生表征在三相輸電線路上出現(xiàn)三極短路的信號(hào)(S)的方法,其中對(duì)相電流和相電壓進(jìn)行取樣,形成相電流取樣值和相電壓取樣值(Ir、Is、It、Ur、Us、Ut)并由它們產(chǎn)生信號(hào)。為了采用此方法時(shí)甚至在波動(dòng)時(shí)也可以特別可靠地檢定三極短路,按照本發(fā)明由取樣值產(chǎn)生一個(gè)與輸電線路順相序系統(tǒng)有功功率的瞬時(shí)值成比例的順相序系統(tǒng)有功功率測(cè)量值(P),接著由該測(cè)量值(P)通過(guò)數(shù)字濾波確定出電網(wǎng)頻率分量測(cè)量值(P
文檔編號(hào)G01R31/02GK1230690SQ98125878
公開(kāi)日1999年10月6日 申請(qǐng)日期1998年9月25日 優(yōu)先權(quán)日1997年9月26日
發(fā)明者安德烈亞斯·朱里希 申請(qǐng)人:西門子公司